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新高考化学二轮总复习精品课件 专题七 化学反应速率和化学平衡（含解析）
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这是一份新高考化学二轮总复习精品课件 专题七 化学反应速率和化学平衡（含解析），共60页。PPT课件主要包含了内容索引，核心考点聚焦，专项热考突破，专题体系构建，2外因，角度拓展，催化剂Ⅱ，CuAlO2，逆向移动，CH4等内容，欢迎下载使用。
内容索引
核心考点聚焦
专项热考突破
[专题体系构建]
核心考点聚焦
[核心回顾]1.掌握化学反应速率的两种计算方法 注意单位的规范书写(1)依据定义式计算:依据“ ”计算时一定要注意容器的容积或溶液的体积,不能盲目地把Δn当作Δc代入公式进行计算。(2)根据比例关系计算:对于反应“mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)”,不同物质的化学反应速率与化学计量数的关系:v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q。
2.熟悉影响化学反应速率的因素(1)内因——活化能在相同的条件下,不同化学反应的速率不同,主要是内因——活化能大小不同所致,活化能小的反应速率快,活化能大的反应速率慢。
(2)外因
微点拨:“惰性气体”(非反应气体)对化学反应速率的影响
3.掌握化学反应速率常数(k)及应用(1)速率常数(k)速率常数(k)是指在给定温度下,反应物浓度皆为1 mol·L-1时的反应速率。在相同的浓度条件下,可用速率常数大小来比较化学反应的反应速率。(2)速率方程基元反应的化学反应速率与反应物的浓度数值相应幂次的乘积成正比,其幂次即为各物质前面的化学计量数。对于基元反应:aA(g)+bB(g) gG(g)+hH(g),则v(正)=k(正)ca(A)·cb(B)[其中k(正)为正反应的速率常数],v(逆)=k(逆)cg(G)·ch(H)[其中k(逆)为逆反应的速率常数]。
(3)影响因素 浓度、压强不影响速率常数(k)速率常数是温度的函数。同一反应,温度不同,速率常数不同;温度相同,速率常数相同。(4)速率常数与化学平衡常数之间的关系一定温度下,可逆反应:aA(g)+bB(g) gG(g)+hH(g),v(正)=k(正)ca(A)·cb(B), v(逆)=k(逆)cg(G)·ch(H),达到平衡状态:v(正)=v(逆),则有k(正)ca(A)·cb(B)=k(逆)cg(G)·ch(H),从而可得化学平衡常数:
【典例】 (2022广东卷,15)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、催化剂Ⅱ对反应X ―→ 2Y的影响,各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图,则( )A.无催化剂时,反应不能进行B.与催化剂Ⅰ相比,催化剂Ⅱ使反应活化能更低C.a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化D.使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(X)=1.0 mol·L-1·min-1
[命题角度]角度1化学反应速率及影响因素
D
提示 由题图可知,无催化剂时反应可以进行,A项错误;由题图可知,加入催化剂Ⅱ,在2 min时生成物Y的浓度为2.0 mol·L-1,加入催化剂Ⅰ,在2 min时生成物Y的浓度为4.0 mol·L-1,因此催化剂Ⅰ使反应速率更大,即催化剂Ⅰ使反应活化能更低,B项错误;由题图可知,a曲线表示的是反应物浓度随时间的变化曲线,即表示X的浓度变化的曲线,2 min内,X的浓度减少2.0 mol·L-1,由X ―→ 2Y可知,生成物Y的浓度应增加4.0 mol·L-1,其对应的应是使用催化剂Ⅰ的曲线,因此a曲线表示使用催化剂Ⅰ时X的浓度随时间的变化,C项错误;由题图可知,使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(Y)= =2.0 mol·L-1·min-1,v(X)= v(Y)=1.0 mol·L-1·min-1,D项正确。
角度拓展1.(2022山东淄博模拟)某温度下,降冰片烯在钛杂环丁烷催化下聚合,反应物浓度与催化剂浓度及时间关系如图,已知反应物消耗一半所需的时间称为半衰期。判断下列说法是否正确。
(1)其他条件相同时,催化剂浓度越大,反应速率越大。( )(2)条件①,化学反应速率为0.012 mol·L-1·min-1。( )(3)条件②,降冰片烯起始浓度为3.0 mol·L-1时,半衰期为125 min。( )
√
√
×
提示 (3)反应物消耗一半所需的时间称为半衰期,由题干图中数据可知,条件②,降冰片烯起始浓度为3.0 mol·L-1时,半衰期为62.5 min。
2.(2022辽宁本溪模拟)环戊二烯( )是重要的有机化工原料,容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应。不同温度下,溶液中环戊二烯的浓度(初始浓度为1.5 mol·L-1)与反应时间的关系如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)a点的逆反应速率小于b点的逆反应速率。( )(2)其他条件相同,升高温度,正反应速率减小,逆反应速率增大。 ( )(3)b点时,二聚体的浓度为0.9 mol·L-1。( )
√
×
×
提示 (2)温度对正、逆反应速率的影响具有一致性,升高温度,正、逆反应速率均增大。(3)b点时环戊二烯的浓度变化为1.5 mol·L-1-0.6 mol·L-1=0.9 mol·L-1,由于生成环戊二烯的二聚体,则二聚体的浓度为0.45 mol·L-1。
角度2化学反应速率的计算及比较【典例】 取50 mL过氧化氢水溶液,在少量I-存在下分解:2H2O2 ══ 2H2O+O2↑。在一定温度下,测得O2的放出量,转换成H2O2浓度(c)如下表:
下列说法不正确的是( )A.反应20 min时,测得O2的体积为224 mL(标准状况)B.20~40 min,消耗H2O2的平均速率为0.010 mol·L-1·min-1C.第30 min时的瞬时速率小于第50 min时的瞬时速率D.H2O2分解酶或Fe2O3代替I-也可以催化H2O2分解
C
角度拓展1.(2022河北唐山模拟)氨气去除NO的反应原理为4NH3(g)+6NO(g) 5N2(g)+6H2O(g) ΔH<0。350 ℃时,在2 L恒容密闭容器中,通入0.9 mol NH3(g)和1.2 mol NO(g)发生反应,保持温度不变,5 min后反应达平衡,NO的转化率为50%。判断下列说法是否正确。(1)用NH3表示的化学反应速率为0.06 mol·L-1·min-1。( )(2)350 ℃时,该反应的平衡常数为0.25。( )
×
√
提示 (1)5 min后反应达平衡,NO的转化率为50%,则消耗0.6 mol NO,同时消耗0.4 mol NH3,则用氨气表示的化学反应速率为 =0.04 mol·L-1·min-1。
2.(2022辽宁大连模拟)一定条件下,在1.0 L的密闭容器中进行反应:Cl2(g)+CO(g) COCl2(g) ΔH<0。反应过程中的有关数据如下表。判断下列说法是否正确。
(1)2 min内,用CO表示的化学反应速率为0.4 mol·L-1·s-1。( )(2)保持其他条件不变,升高温度,平衡时c(COCl2)<1.8 mol·L-1。( )
×
√
[核心回顾]1.突破化学平衡状态的判断题体系条件是判断基础,反应特点是判断关键(1)分析体系条件。看清反应体系是恒温恒容、恒温恒压还是绝热容器。(2)分析反应特点。看清物质的状态、反应前后气体分子总数是否发生变化,确定反应过程中气体总物质的量、总压强是否变化,判断混合气体的平均摩尔质量或密度是否变化;看清反应的焓变,确定温度对平衡状态的影响。
(3)巧用“正逆相等,变量不变”作出合理判断。
2.判断化学平衡移动方向的“两个”依据(1)依据勒夏特列原理判断 前提条件是可逆反应达到化学平衡状态通过比较改变外界条件时,平衡破坏瞬间的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。
(2)根据离子积(Q)与平衡常数(K)的大小判断平衡移动的方向
3.化工生产中反应条件的选择(1)从化学平衡移动分析,既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性。(2)从原料的利用率分析,增加易得廉价原料,提高难得高价原料的利用率,从而降低生产成本。(3)从实际生产能力分析,如设备承受高温、高压的能力等,注意催化剂的活性对温度的限制。
(4)优化和选择化工生产的反应条件,如下表:
[命题角度]角度1化学平衡状态的判断【典例】 (2021天津卷,16节选)工业上可以利用硫(S8)与CH4为原料制备CS2,S8受热分解成气态S2,发生反应2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)。某温度下,若S8完全分解成气态S2。在恒温密闭容器中,S2与CH4物质的量比为2∶1时开始反应。当以下数值不变时,能说明该反应达到平衡的是 (填字母)。 a.气体密度 b.气体总压c.CH4与S2体积比 d.CS2的体积分数
d
角度拓展
1.(2022广东惠州一模)刚性绝热密闭容器中,等物质的量的CO2(g)和H2O(g)发生反应2CO2(g)+2H2O(g) 2HCOOH(g)+O2(g)ΔH=+420.8 kJ·mol-1,下列可判断反应达到平衡的是 (填字母)。 A.CO2(g)和H2O(g)的物质的量之比不变B.容器中气体平均摩尔质量不变C.2v正(CO2)=v逆(O2)D.容器内温度不变
BD
提示 两者加入的物质的量之比为1∶1,而消耗的物质的量之比也是1∶1,因此CO2(g)和H2O(g)的物质的量之比永远不变,则CO2(g)和H2O(g)的物质的量之比不变,不能作为达到平衡的标志;平均摩尔质量等于总的气体质量除以总的气体物质的量,气体质量不变,气体物质的量发生变化,则容器中气体平均摩尔质量不变,可作为达到平衡的标志;2v正(CO2)=v逆(O2),一个正向反应,一个逆向反应,两者速率之比不等于化学计量数之比,不能作为达到平衡的标志;该容器是绝热容器,则容器内温度不变,说明达到平衡。
2.(2022河北邯郸模拟)一定温度下,在刚性密闭容器中充入一定量CO2和H2,发生反应:2CO2(g)+5H2(g) CH3CHO(g)+3H2O(g)。下列情况表明该反应达到平衡状态的是 (填字母)。 A.混合气体的密度保持不变B.CO2(g)的消耗速率和H2O(g)的生成速率之比为2∶3C.CH3CHO(g)、H2O(g)的浓度之比保持不变D.混合气体平均摩尔质量保持不变
D
提示 刚性容器为恒容,气体总体积不变,组分都是气体,气体总质量保持不变,根据密度的定义,混合气体的密度始终保持不变,即混合气体的密度不变,不能说明反应达到平衡,A错误;消耗CO2(g)、生成H2O(g),反应都是向正反应方向进行,CO2(g)的消耗速率和H2O(g)的生成速率之比为2∶3,不能说明反应达到平衡,B错误;CH3CHO(g)、H2O(g)都是生成物,CH3CHO(g)、H2O(g)的物质的量之比始终是1∶3,不能说明反应达到平衡,C错误。
角度2化学平衡的移动及分析【典例】 (2022广东卷,13)恒容密闭容器中,BaSO4(s)+4H2(g) BaS(s)+4H2O(g)在不同温度下达平衡时,各组分的物质的量(n)如图所示。下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH<0B.a为n(H2O)随温度的变化曲线C.向平衡体系中充入惰性气体,平衡不移动D.向平衡体系中加入BaSO4,H2的平衡转化率增大
C
角度拓展1.(2022湖北七市州模拟)在一定温度下,BaSO4和C在一密闭容器中发生反应: BaSO4(s)+4C(s) BaS(s)+4CO(g),CO的平衡浓度(mol·L-1)的对数lg c(CO)与温度的倒数( )的关系如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)Q点BaSO4的消耗速率小于生成速率。( )(2)该反应的ΔH<0。( )(3)温度不变,将R点状态的容器容积扩大,重新达到平衡时,气体的压强减小。( )
√
×
×
提示 (2)由题图可知,温度的倒数 增大,即降低温度,lg c(CO)逐渐减小,说明降低温度,平衡逆向移动,则该反应为吸热反应,反应的ΔH>0。(3)反应的化学平衡常数K=c4(CO),平衡常数为温度函数,温度不变,平衡常数不变,则温度不变,将R点状态的容器容积扩大,重新达到平衡时,一氧化碳的浓度不变,气体的压强不变。
2.(2022广东揭阳模拟)向绝热恒容密闭容器中通入气体A和B,一定条件下: A(g)+B(g) C(g)+D(g) ΔH=Q kJ·mol-1。达到平衡,其正反应速率随时间变化如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)反应物的浓度:a点小于b点。( )(2)达到平衡后,升高温度,A的转化率将减小。( )(3)反应体系中加入催化剂,反应速率增大,ΔH也增大。( )
×
√
×
提示 (1)由题图可知,a→c点过程中v(正)逐渐增大,说明反应放出热量,且温度对正反应速率的影响大于浓度对正反应速率的影响,a点反应物浓度大于b点。(3)反应体系中加入催化剂,反应速率增大,但ΔH的值不变。
角度3化工生产条件的选择及分析【典例】 (2022湖南衡阳模拟)(1)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。已知在298 K时,ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。(1)根据反应的焓变和熵变,分析在298 K时合成氨反应 (填“能”“不能”或“无法判断”)正向自发进行。 (2)有利于化学平衡向生成氨的方向移动的是 (填字母)。 A.升高温度,增大压强B.升高温度,减小压强C.降低温度,减小压强D.降低温度,增大压强
能
D
(3)下图为合成氨生产设备流程示意图,下列说法错误的是 (填字母)。
A.为防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”而丧失催化活性,原料气必须经过净化B.压缩机加压过程,既要考虑平衡移动的问题,又要考虑设备材料的强度和设备制造要求的问题C.合成氨反应的温度控制在500 ℃左右,此温度下反应物的平衡转化率最大D.冷却过程,及时将NH3从平衡混合物中分离出去,促使合成氨反应向生成氨气的方向移动
C
角度拓展(2022安徽蚌埠模拟)乙醇是一种重要的工业原料,被广泛应用于能源、化工、食品等领域。以合成气合成乙醇是近年来研究的热点,其中乙酸甲酯CH3COOCH3加氢是制取乙醇的关键步骤之一,包括以下主要反应:Ⅰ.CH3COOCH3(g)+2H2(g) C2H5OH(g)+CH3OH(g) ΔH1=-71 kJ·mol-1Ⅱ.CH3COOCH3(g)+H2(g) CH3CHO(g)+CH3OH(g) ΔH2=+13.6 kJ·mol-1(1)CH3COOCH3流速过大时乙酸甲酯的转化率下降,原因是 。
反应物与催化剂接触时间过短,反应不充分
(2)乙酸甲酯加氢反应通常使用铜基催化剂,催化剂Ⅰ的主要成分为Cu-Al,催化剂Ⅱ的主要成分为Cu-Zn-Al,实验中采用催化剂Ⅰ和催化剂Ⅱ测得不同温度下、相同时间内乙酸甲酯的转化率如图1。工业生产中应使用的催化剂是 (填“催化剂Ⅰ”或“催化剂Ⅱ”),温度升高,乙酸甲酯的转化率增大的原因是 。
图1
催化剂Ⅱ
温度升高,反应速率增大,乙酸甲酯的转化率增大
(3)使用X射线衍射仪对催化剂Ⅰ和Ⅱ的中间产物进行XRD分析,根据衍射峰可判断物质的成分。XRD谱图如图2,分析XRD谱图可知,相比催化剂Ⅰ,催化剂Ⅱ的中间产物中新生成的物质是 (填化学式)。
图2
CuAlO2
(4)一定条件下在1 L密闭容器内通入2.00 mol CH3COOCH3和3.96 mol H2发生反应Ⅰ和Ⅱ,测得不同温度下达平衡时CH3COOCH3的转化率和乙醇的选择性如图3所示。
图3
温度高于240 ℃时,随温度升高乙醇的选择性降低的原因是_________________________________ ______ 。
反应Ⅰ为放热反应,反应Ⅱ为吸热反应,温度升高,反应Ⅰ向逆反应方向移动,反应Ⅱ向正反应方向移动,生成乙醇的量减少
[核心回顾]书写平衡常数表达式,要注意物质的状态1.高考常考的三种化学平衡常数[以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例]
2.结合化学方程式计算平衡常数(1)同一可逆反应中,K(正)·K(逆)=1,其中K(正)表示正反应平衡常数,K(逆)表示逆反应平衡常数。(2)若两个可逆反应的方程式相加,得到总反应方程式,如反应①+反应②=反应③,则总反应的平衡常数等于各分步反应的平衡常数之积,则有K3=K1·K2。(3)若两个可逆反应的方程式相减,得到总反应方程式,如反应①-反应②=反应③,则总反应的平衡常数等于各分步反应的平衡常数之商,则有
3.掌握四种常考的计算关系变化量可以是物质的量或物质的量浓度
计算理论产量时,要注意过量计算
[命题角度]角度1化学平衡常数的计算【典例】 (1)(2022全国乙卷,28节选)在1 470 K、100 kPa反应条件下,将n(H2S)∶n(Ar)=1∶4的混合气进行H2S热分解反应:2H2S(g) S2(g)+2H2(g)。平衡时混合气中H2S与H2的分压相等,H2S平衡转化率为 ,平衡常数Kp= kPa。
50%
4.76
(2)(2021山东卷,20节选)2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油原添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如图反应:
反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以物质的量分数表示的平衡常数Kx,为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α。已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0,则平衡体系中B的物质的量为 mol,反应Ⅰ的平衡常数Kx1= 。
0.9α
提示 (1)设起始时H2S的物质的量为1 mol,平衡时消耗H2S的物质的量为x mol,则 2H2S(g) S2(g)+2H2(g)起始/mol 1 0 0转化/mol x x平衡/mol 1-x x由题意可知,1-x=x,解得x=0.5,则H2S的转化率为50%。平衡时H2S(g)、S2(g)、H2(g)、Ar的物质的量分别为0.5 mol、0.25 mol、0.5 mol、4 mol,因此气体的总物质的量为5.25 mol。则
(2)向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α,则平衡时n(TAME)=(1-α) mol,n(A)+n(B)=n(CH3OH)=α mol,
角度拓展1.(2022福建龙岩模拟)1 103 K时,在刚性容器中加入足量Fe和一定量H2O发生反应:3Fe(s)+4H2O(g) 4H2(g)+Fe3O4(s),反应前气体总压为p kPa,t min后达到平衡,此时H2的物质的量分数为0.492。(1)该反应的压强平衡常数Kp= (写出数学计算式)。 (2)0~t min,用单位时间内分压变化表示的反应速率v(H2O)= 。
提示 反应3Fe(s)+4H2O(g) 4H2(g)+Fe3O4(s)前后气体分子数不变,压强不变,反应达平衡时总压仍为p kPa,此时氢气的物质的量分数为0.492,则水蒸气的物质的量分数为0.508,氢气分压为0.492p kPa,水蒸气分压为0.508p kPa。
2.(2022广西柳州模拟)T ℃,以CO2和NH3为原料可合成化肥尿素:2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l);在2 L的密闭容器中,通入1.2 mol NH3和0.6 mol CO2,2 min时反应刚好达到平衡,此时c(NH3)=0.2 mol·L-1, c(CO2)=0.1 mol·L-1。(1)该反应的平衡常数是 。 (2)若2 min时保持T ℃和平衡时容器的压强不变,再向容积可变的容器中充入0.6 mol NH3,则此时平衡 (填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”)。
250
逆向移动
提示 (1)根据题意,列出三段式计算:
角度2平衡转化率和平衡浓度的计算【典例】 (2021天津卷,16节选)CS2是一种重要的化工原料。工业上可以利用硫(S8)与CH4为原料制备CS2,S8受热分解成气态S2,发生反应2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)。某温度下,若S8完全分解成气态S2。在恒温密闭容器中,S2与CH4物质的量比为2∶1时开始反应。当CS2的体积分数为10%时,CH4的转化率为 。
30%
提示 在恒温密闭容器中,设起始时加入的S2与CH4的物质的量分别为2a mol、a mol,列出三段式: 2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)起始/mol 2a a 0 0转变/mol 2x x x 2x某时刻/mol 2a-2x a-x x 2x
角度拓展1.(2022河北名校联盟联考)450 ℃时,在2 L恒容密闭容器中充入1 mol NO、1 mol NO2和2 mol NH3,起始时体系压强为p MPa,发生反应:NO(g)+NO2(g)+2NH3(g) 2N2(g)+3H2O(g),5 min时反应达到平衡。此时测得N2的物质的量分数为 。0~5 min内,v(NH3)= mol·L-1·min-1,NO的平衡转化率= %。
0.16
80
2.(2022湖南怀化模拟)利用逆水煤气变换(RWGS)将CO2加氢还原为合成气,反应体系主要发生以下反应:Ⅰ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.2 kJ·mol-1Ⅱ.CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH2=-165 kJ·mol-1Ⅲ.CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH3在恒定压强为100 kPa的条件下,将n(CO2)∶n(H2)=1∶3的混合气体投入装有镍催化剂的反应器中,图1为各组分平衡时物质的量分数(不包括H2O)与温度的关系,图2为在不同温度下反应相同的时间CO2的转化率、CO及CH4的产率与温度的关系。已知:CO的产率
图1
图2
(1)图1曲线a对应的物质是 (填化学式)。温度高于550 ℃时,从化学平衡的角度解释图1中曲线b随温度变化的原因 。
CH4
曲线b对应物质是CO,升高温度,反应Ⅰ正向移动,反应Ⅲ逆向移动,均有利于提高CO平衡时的物质的量分数,且高温时,反应Ⅰ占优势
(2)根据图2计算,518 ℃时H2的转化率α(H2)= (计算结果精确到0.1%),900 ℃时反应Ⅰ的平衡常数Kp= (保留2位小数,以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
33.3%
2.04
提示 (1)反应Ⅲ=反应Ⅱ-反应Ⅰ,则ΔH3=ΔH2-ΔH1=-165 kJ·mol-1-41.2 kJ·mol-1=-206.2 kJ·mol-1,反应Ⅱ和反应Ⅲ都是放热反应,升高温度,反应Ⅱ和反应Ⅲ都逆向移动,CH4的物质的量分数降低,故曲线a对应的物质是CH4。曲线b对应的物质是CO,温度高于550 ℃时,反应Ⅰ正向移动,反应Ⅲ逆向移动,均有利于提高CO平衡时的物质的量分数,且高温时,反应Ⅰ占优势。(2)图2在518 ℃时,CO2的转化率为40%,CO和CH4的产率均为20%。设起始时CO2的物质的量为1 mol,则H2的物质的量为3 mol,转化的CO2的物质的量为0.4 mol,生成的CO和CH4均为0.2 mol。设反应Ⅰ转化的CO2的物质的量为x mol,则消耗的H2的物质的量为x mol,生成的CO的物质的量为x mol,
反应Ⅱ转化的CO2的物质的量为(0.4-x) mol,则消耗的H2的物质的量为(1.6-4x) mol,生成的CH4的物质的量为(0.4-x) mol,在反应Ⅲ中,起始的CO的物质的量为x mol,平衡时CO的物质的量为0.2 mol,转化的CO的物质的量为(x-0.2) mol,则同时转化的H2的物质的量为(3x-0.6) mol,三个反应总共转化的H2的物质的量为(x+1.6-4x+3x-0.6) mol=1 mol,故H2的转化率α(H2)= ×100%≈33.3%。从图2可以看出,当温度为900 ℃时,CH4的产率为0,则只发生反应Ⅰ,900 ℃时CO2的平衡转化率为84%,可列三段式:
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)起始/mol 1 3 0 0变化/mol 0.84 0.84 0.84 0.84平衡/mol 0.16 2.16 0.84 0.84平衡时CO2的物质的量分数为0.04,H2的物质的量分数为0.54,CO和H2O的物质的量分数均为0.21,所以各物质的分压为CO2为0.04×100 kPa=4 kPa,H2为54 kPa,CO和H2O均为21 kPa,则900 ℃时反应Ⅰ的平衡常数
[核心回顾]1.化学反应速率图像及分析分析化学反应速率图像的基本依据是“控制变量法”(1)当可逆反应达到一种平衡后,若某一时刻外界条件发生改变,都可能使速率—时间图像的曲线出现不连续的情况,根据出现“断点”前后的速率大小,即可对外界条件的变化情况作出判断,如图所示:
t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂或增大压强(仅适用于反应前后气体物质的量不变的反应)。
(2)常见含“断点”的速率变化图像分析改变某一条件,速率图像出现“断点”,可能是改变温度或压强;若曲线连续,则改变浓度
2.两类化学平衡图像及分析(1)转化率(或百分含量)与温度变化图像
①表示两个外界条件同时变化时,反应物A的转化率变化情况,解决这类图像一般采用“定一议二”的方法,即把自变量(温度、压强)之一设为恒量,讨论另外两个变量的关系。②图1中,当压强相等(任意一条等压线)时,升高温度,A的转化率增大,说明升高温度平衡向正反应方向移动,即正反应为吸热反应。③当温度相等时,在图1中作垂线,与三条等压线交于三点,这三点自下而上为增大压强,A的转化率增大,说明增大压强平衡向正反应方向移动,即正反应为气体体积减小的反应。
(2)转化率(或百分含量)与压强变化图像
①图3中,当温度相等(任意一条等温线)时,增大压强,A的转化率增大,说明增大压强平衡正向移动,即正反应是气体体积减小的反应。②当压强相等时,在图3中作垂线,与两条等温线交于两点,这两点自下而上为降低温度,A的转化率增大,说明降低温度平衡正向移动,即正反应为放热反应。
3.“四步法”突破化学平衡图像及分析类题
[命题角度]角度1化学反应速率图像及分析【典例】 (2021湖南卷,11改编)已知: A(g)+2B(g) 3C(g) ΔH<0,向一恒温恒容的密闭容器中充入1 mol A和3 mol B发生反应,t1时达到平衡状态Ⅰ,在t2时改变某一条件,t3时重新达到平衡状态Ⅱ,正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.容器内压强不变,表明反应达到平衡 B.t2时改变的条件:向容器中加入CC.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ) <φ(Ⅰ) D.平衡常数K:K(Ⅱ)B
角度拓展1.(2022辽宁抚顺一模)如图是关于反应A2(g)+3B2(g) 2C(g) ΔH<0的平衡移动图像。判断下列说法是否正确。(1)增大反应物浓度,同时减小生成物浓度。( )(2)增大反应物浓度,同时使用催化剂。( )(3)升高温度,同时加压。( )(4)降低温度,同时减压。( )
√
×
×
×
2.(2021河北卷,13改编)室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+N X+Y;②M+N X+Z。反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图。判断下列说法是否正确。
(1)0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3 mol·L-1·min-1。( )(2)反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变。( )(3)反应①的活化能比反应②的活化能大。( )
×
√
√
角度2化学平衡图像及分析【典例】 (2021广东卷,14)反应X 2Z经历两步:①X→Y;②Y→2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是( )A.a为c(X)随t的变化曲线B.t1时,c(X)=c(Y)=c(Z)C.t2时,Y的消耗速率大于生成速率D.t3后,c(Z)=2c0-c(Y)
D
提示 由题中信息可知,反应X 2Z经历两步:①X→Y;②Y→2Z。图中呈不断减小趋势的a线为X的浓度c随时间t的变化曲线,呈不断增加趋势的曲线为Z的浓度c随时间t的变化曲线,先增加后减小的曲线为Y的浓度c随时间t的变化曲线。X是唯一的反应物,随着反应的发生,其浓度不断减小,a为c(X)随t的变化曲线,A正确;分别代表3种不同物质的曲线相交于t1时刻,t1时c(X)=c(Y)=c(Z),B正确;由题图中信息可知,t2时刻以后,X、Y的浓度仍在不断减小,说明t2时刻两步反应仍在向正反应方向进行,而且反应①生成Y的速率小于反应②消耗Y的速率,即t2时Y的消耗速率大于生成速率,C正确;t3时刻反应①完成,X完全转化为Y,若无反应②发生,则c(Y)=c0,由于反应②Y→2Z的发生,t3时刻Y浓度的变化量为c0-c(Y),变化量之比等于化学计量数之比,则Z的浓度的变化量为2[c0-c(Y)],这种关系在t3后仍成立,D错误。
角度拓展1.(2022湖南怀化二模)在400 ℃和550 ℃条件下,向两个容积恒定的容器中分别充入2 mol N2O和2 mol CO,发生反应:N2O(g)+CO(g) N2(g)+CO2(g)。实验测得两容器中CO与N2的物质的量随时间变化关系如图所示。曲线Ⅰ平衡后的总压强为p1 kPa,曲线Ⅱ平衡后的总压强为p2 kPa。判断下列说法是否正确。
(1)曲线Ⅰ为550 ℃条件下的变化曲线。( )(2)ad段N2O的平均速率为0.015p1 kPa·min-1。( )(3)曲线Ⅱ代表的温度下,该反应的平衡常数Kp= 。( )
×
√
×
提示 (1)曲线Ⅱ先达到平衡,反应速率较快,对应的温度更高,故曲线Ⅱ为550 ℃条件下的变化曲线;(2)曲线Ⅰ表示的是CO的物质的量随时间的变化关系,根据题图可知,ad段CO转化的物质的量为1.4 mol-0.8 mol=0.6 mol,根据恒温恒容时气体的压强之比等于物质的量之比,该反应是气体分子数不变的反应,且平衡后的总压强为p1 kPa,知ad段CO的压强变化为0.15p1 kPa,故v(CO)=v(N2O)= =0.015p1 kPa·min-1;(3)曲线Ⅱ代表550 ℃下N2的物质的量随时间的变化关系,由题图可知,平衡时N2的物质的量为1 mol,故平衡时N2O、CO、N2、CO2四种气体的平衡分压相等,均为0.25p2 kPa,故曲线Ⅱ代表的温度下,该反应的
2.(2022山东枣庄二模)工业上利用S8与CH4为原料制备CS2,发生反应S8(s)4S2(g)、2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g),在密闭容器中,原料投入比为1∶1时,部分物质变化曲线如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)生成CS2的反应为吸热反应。( )(2)一定温度下,气体总压不变反应达平衡状态。( )(3)当温度为450 ℃时,S8转化率为67.5%。( )
×
√
√
提示 (1)随温度升高,甲烷的转化率降低,根据勒夏特列原理可知,该反应的正反应为放热反应;(3)当温度为450 ℃时,甲烷的转化率为98%,S2的体积分数为20%,原料投入比为1∶1,设加入的S8与CH4均为1 mol,则转化的甲烷为1 mol×98%=0.98 mol,设S8转化为x mol,列出三段式: S8(s) 4S2(g)起始量/mol 1 0变化量/mol x 4x平衡量/mol 1-x 4x-1.96
2S2(g) + CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)起始量/mol 1 0 0转化量/mol 1.96 0.98 0.98 1.96平衡量/mol 4x-1.96 0.02 0.98 1.96由S2的体积分数为20%,则 ×100%=20%, 4x-1.96=0.8x+0.2,解得x=0.675,则S8的转化率为67.5%。
专项热考突破
——突破一 命题篇——
新教材新高考 反应速率常数(k)及应用1.反应速率常数(k)表示单位浓度下的化学反应速率,与浓度无关,只受温度影响。通常,反应速率常数越大,反应进行得越快。2.根据化学反应速率常数计算化学平衡常数(K)(1)根据达到平衡时v(正)=v(逆),确定正、逆反应速率常数[k(正)、k(逆)]和反应物、生成物浓度之间的定量关系。(2)根据化学方程式书写平衡常数的表达式,并将k(正)、k(逆)的定量关系代入表达式,确定平衡常数(K)与k(正)、k(逆)的关系,代入数值计算
典例突破1(2022湖南长沙一模)在起始温度均为T ℃、容积均为10 L的密闭容器A(恒温)、B(绝热)中均加入1 mol N2O和4 mol CO,发生反应N2O(g)+CO(g) N2(g)+CO2(g) ΔH<0。已知:k(正)、k(逆)分别是正、逆反应速率常数,v(正)=k(正)·c(N2O)·c(CO),v(逆)=k(逆)·c(N2)·c(CO2),A、B容器中N2O的转化率随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.用CO的浓度变化表示曲线N在0~100 s内的反应速率为4×10-4 mol·L-1·s-1B.曲线N表示B容器中N2O的转化率随时间的变化C.Q点v(正)大于P点v(逆)
答案 C解析 曲线N在100 s时N2O的转化率约为10%,则转化的物质的量为1 mol ×10%=0.1 mol,0~100 s内N2O的反应速率为 =1×10-4 mol·L-1 ·s-1,则有v(CO)=v(N2O)=1×10-4 mol·L-1·s-1,A错误。该反应为放热反应,绝热容器中体系温度上升,平衡逆向移动,N2O的转化率减小,故曲线M表示B容器中N2O的转化率随时间的变化,B错误。Q和P点均未达到平衡状态,反应正向进行,则Q点v(正)大于P点v(逆),C正确。容器A为恒温T ℃,平衡时N2O的转化率为25%,利用容器A可得三段式:
N2O(g)+CO(g) CO2(g) + N2(g)起始量/(mol·L-1) 0.1 0.4 0 0转化量/(mol·L-1) 0.025 0.025 0.025 0.025平衡量/(mol·L-1) 0.075 0.375 0.025 0.025由于反应速率v(正)=k(正)·c(N2O)·c(CO),v(逆)=k(逆)·c(N2)·c(CO2),平衡时
典例突破2(2021海南卷,16节选)溶于水的CO2只有部分转化为H2CO3(aq),大部分以水合CO2的形式存在,水合CO2可用CO2(aq)表示。已知25 ℃时, H2CO3(aq) CO2(aq)+H2O(l)的平衡常数K=600,正反应的速率可表示为v(H2CO3)=k1·c(H2CO3),逆反应的速率可表示为v(CO2)=k2·c(CO2),则k2= (用含k1的代数式表示)。
新材料新情境 “碳中和”与CO2资源化利用新材料 我国政府提出CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现“碳中和”。“碳中和”是使碳排放与碳吸收达平衡,实现二氧化碳相对“零排放”。可通过催化反应实现资源化利用二氧化碳加氢转化为具有高附加值的甲烷(CH4)、甲醇、低碳烯烃和油品(汽柴油)等,实现良好的碳循环,满足可持续发展需求。
思考CO2在固体催化剂表面加氢合成甲烷过程中发生以下两个反应:主反应:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=-156.9 kJ·mol-1副反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.1 kJ·mol-1(1)加氢合成甲烷时,为使反应有较高的反应速率,通常控制温度为500 ℃左右,其主要原因为 。 (2)500 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入4 mol CO2和12 mol H2,初始压强为p,20 min时主、副反应都达到平衡状态,测得c(H2O)=5 mol·L-1,体系压强为 ,则0~20 min内v(CH4)= ,平衡时CH4选择性= (CH4选择性= ×100%,保留至0.1%)。
答案 (1)温度低于500 ℃,反应速率低;温度高于500 ℃,对副反应影响较大,化学平衡向生成CO的方向移动程度增大,不利于甲烷的生成 (2)0.1 mol·L-1·min-1 66.7%解析 (2)500 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入4 mol CO2和12 mol H2,n(总)=4 mol+12 mol=16 mol,初始压强为p,20 min时主、副反应都达到平衡状态,测得c(H2O)=5 mol·L-1,n(H2O)=5 mol,体系压强为 p,则此时气体的总物质的量n(总)平= ×16 mol=12 mol,由于副反应是反应前后气体体积不变的反应,对于主反应,每有1 mol CO2发生反应,气体的物质的量减少2 mol,现在反应后气体的物质的量减少4 mol,主反应消耗2 mol CO2气体,产生2 mol CH4、4 mol H2O,副反应产生1 mol H2O,消耗1 mol CO2气体,
典例突破3(2022北京延庆区一模)在一定温度下,将1 mol CO2和3 mol H2充入容积为1 L的恒容密闭容器中发生反应并达到平衡:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0,测得平衡混合气体中CH3OH的物质的量分数为25%。下列说法不正确的是( )A.平衡混合气体中C原子的物质的量是1 molB.该反应的反应物的总能量高于生成物的总能量C.该反应的化学平衡常数K=D.其他条件相同时,若起始充入2 mol CO2和6 mol H2,达到平衡时CH3OH的物质的量分数大于25%
答案 C解析 根据质量守恒定律可知,1 mol CO2参与反应,平衡时混合气体中C原子的物质的量仍为1 mol,A正确;该反应的ΔH<0,则该反应的反应物的总能量高于生成物的总能量,B正确;利用“三段式法”计算:
——突破二 解题篇——
素养命题+题型突破1.化学反应速率的影响因素及计算(证据推理与模型认知)新高考广东卷、山东卷、河北卷等考查了化学反应速率的影响因素及计算,要求考生能结合浓度、压强、温度、催化剂等对化学反应速率的影响规律,建构理论模型,分析外界条件改变对化学反应速率的影响及结果;结合反应速率常数进行化学反应速率的简单计算,知道反应速率常数与化学平衡常数(K)的关系,侧重考查考生的分析推理能力、简单计算能力。
典例突破1(2022辽宁重点中学协作体模拟)反应 2H2(g)+2NO(g) ══ 2H2O(g)+N2(g)的速率方程为v=k·cα(H2)·cβ(NO),该反应在不同条件下的反应速率如下:
下列说法正确的是( )A.T2答案 C解析 当c(H2)=0.3 mol·L-1、c(NO)=0.2 mol·L-1时,T2时的反应速率大于T1时的反应速率,则有T2>T1,A错误;将T1时c(H2)=0.1 mol·L-1、c(NO)=0.1 mol·L-1, c(H2)=0.2 mol·L-1、c(NO)=0.2 mol·L-1代入速率公式v=k·cα(H2)·cβ(NO),可得:
方法点拨(1)依据“控制变量法”,借助“有效碰撞理论”,分析外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学反应速率的影响及结果。(2)依据化学反应速率定义式或结合化学方程式,按比例关系计算化学反应速率。(3)结合速率方程计算不同时刻的反应速率,根据平衡时v(正)=v(逆)(同一物质)计算平衡常数K;若v(正)、v(逆)用不同物质表示,结合化学方程式中物质的化学计量数,建立v(正)、v(逆)的定量关系,求出平衡常数K。
针对训练1(2022湖北黄石二模)硫酸工业中,将SO2氧化为SO3是生产工艺中的重要环节。在温度为T1条件下,在三个容积均为1 L的恒容密闭容器中仅发生反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0,实验测得:v(正)=k(正)·c2(SO2)·c(O2),v(逆)=k(逆)·c2(SO3)。
已知:k(正)、k(逆)为速率常数,仅受温度的影响。下列说法错误的是( )A.达到平衡时,平衡常数和速率常数的关系:B.若容器Ⅱ中达到平衡时 =1,则x=0.45C.容器Ⅲ中达到平衡时,c(O2)>0.25 mol·L-1D.当温度升高为T2时,k(正)、k(逆)分别增大m倍和n倍,则m答案 B
2.化学平衡移动及分析(变化观念与平衡思想)新高考广东卷、河北卷、湖北卷等重点考查了化学平衡移动及分析,要求考生能运用浓度、压强、温度对化学反应平衡的影响规律,建构理论分析模型(勒夏特列原理),推测化学平衡移动的方向及浓度、转化率等相关物理量的变化;能利用平衡常数和离子积的关系判断化学反应是否达到平衡状态及平衡移动的方向,讨论化学反应条件的选择和优化。
典例突破2(2022广东佛山二模)一定条件下,在一密闭容器中放入足量的Ni和一定量的CO,发生反应并达到化学平衡:Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g)。已知该反应在25 ℃、80 ℃时的平衡常数分别为5×104和2。下列说法正确的是( )A.加热,该反应的反应速率加快B.上述生成Ni(CO)4的反应为吸热反应C.恒温恒压下,若向容器中再充入少量的Ar,上述平衡将正向移动D.80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO浓度均为0.5 mol·L-1,则此时v(正)>v(逆)
答案 A解析 升高温度加快反应速率,故加热时,该反应速率加快,A正确;反应在25 ℃、80 ℃时的平衡常数分别为5×104和2,可知升高温度平衡逆向移动,正反应为放热反应,B错误;恒温恒压下,若向容器中再充入少量的Ar,容器容积增大,气体浓度减小,则平衡应逆向移动,C错误;80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 mol·L-1,Q= =8>K=2,平衡逆向移动,此时v(正)方法点拨(1)依据勒夏特列原理判断平衡移动的方向通过比较平衡破坏瞬间的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。①若外界条件改变,引起v(正)>v(逆),此时正反应占优势,则化学平衡向正反应方向(或向右)移动;②若外界条件改变,引起v(正)(2)恒温条件下,密闭反应体系中通入非反应气体(如He等),利用“模型法”分析化学平衡移动方向及结果。
针对训练2(2022辽宁铁岭二模)室温下,向圆底烧瓶中加入1 mol C2H5OH和含1 mol HBr的氢溴酸,溶液中发生反应:C2H5OH+HBr C2H5Br+H2O,充分反应后达到平衡。已知常压下,C2H5Br和C2H5OH的沸点分别为38.4 ℃和78.5 ℃。下列有关叙述错误的是( )A.加入NaOH,可增大乙醇的物质的量B.增大HBr浓度,有利于生成C2H5BrC.若反应物均增大至2 mol,则两种反应物平衡转化率之比不变D.若起始温度提高至60 ℃,可缩短反应达到平衡的时间
答案 D解析 加入NaOH,消耗HBr,平衡左移,乙醇的物质的量增大,A正确;增大HBr的浓度,平衡右移,有利于生成溴乙烷,B正确;原反应物按物质的量之比1∶1加入,又因二者反应的化学计量数之比为1∶1,两者的平衡转化率之比为1∶1,若将反应物均增大至2 mol,其平衡转化率之比仍为1∶1,C正确;温度提高至60 ℃,化学反应速率虽然加快,但溴乙烷的沸点较低,会挥发出大量的溴乙烷,导致逆反应速率减小,故无法判断达到平衡的时间,D错误。
3.化学平衡常数和转化率的计算(证据推理与模型认知)新高考广东卷、辽宁卷、湖南卷、河北卷等重点考查了化学平衡常数、平衡转化率、平衡浓度的计算,要求考生能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算,能利用平衡常数(K)和离子积(Q)的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。
典例突破3(2022山东临沂一模)在160 ℃、200 ℃条件下,分别向两个容积为2 L的刚性容器中充入2 mol CO和2 mol N2O,发生反应:CO(g)+N2O(g) CO2(g)+N2(g) ΔH<0。实验测得两容器中CO或N2的物质的量随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.当容器中混合气体的密度不随时间变化时,该反应达到平衡状态B.ac段N2的平均反应速率为0.10 mol·L-1·min-1C.逆反应速率:c>b>dD.160 ℃时,该反应的平衡常数Kp=9
答案 D解析 该反应前后气体的质量不变,故恒温恒容条件下,混合气体的密度不随时间变化,不能说明该反应达到平衡状态,A错误。曲线ac代表N2的物质的量随时间的变化关系,ac段N2的平均反应速率为 =0.05 mol·L-1·min-1,B错误。随着反应的进行,N2的物质的量增大,CO的物质的量减小,故ac曲线表示N2随时间的变化,bd曲线表示CO随时间的变化,由题图可知ac先达到平衡,说明ac对应的温度更高,故逆反应速率c>d;由d点生成物浓度高于b点,故逆反应速率d>b,故逆反应速率:c>d>b,C错误。bd曲线对应温度为160 ℃,由题图数据可知160 ℃时,d点达到平衡,平衡时CO的物质的量为0.5 mol,列出“三段式”分析:
方法点拨利用“三段式法”法计算化学平衡常数和平衡转化率(1)思维模板先确定各物质的起始浓度、转化浓度和平衡浓度,再代入平衡常数表达式进行计算。①反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度。②生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓度。
(2)应用示例以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例,T ℃下,假设A、B起始物质的量浓度分别为a mol·L-1、b mol·L-1,达到平衡时A的转化浓度为mx mol·L-1,则有 mA(g) + nB(g) pC(g) + qD(g)
则T ℃下,该反应的化学平衡常数为 ,平衡时A的转化率为α(A)= ×100%。
针对训练3(2022辽宁东北育才学校三模)丙酮是重要的有机合成原料,可以由过氧化氢异丙苯合成。其反应为
为了提高过氧化氢异丙苯的转化率,反应进行时需及时从溶液体系中移出部分苯酚。过氧化氢异丙苯的转化率随反应时间的变化如图所示。设过氧化氢异丙苯的初始浓度为x mol·L-1,反应过程中的液体体积变化忽略不计。下列说法正确的是( )
A.a、c两点丙酮的物质的量浓度不同B.b、c两点的逆反应速率:v(b)答案 C解析 由题图可知,a、c两点反应物的转化率相等,过氧化氢异丙苯的初始浓度相等,则a、c两点得到丙酮的物质的量浓度相等,A错误;由题图可知,反应物的转化率b点(98%)大于c点(70%),由生成物的浓度:b点>c点,且b点温度(120 ℃)高于a点(100 ℃),浓度越大,温度越高,反应速率越快,则逆反应速率:v(b)>v(c),B错误;100 ℃时,0~5 h之间丙酮的平均反应速率为 =0.14x mol·L-1·h-1,C正确;因反应过程中不断从溶液体系中移出部分苯酚,故b点达平衡时,丙酮的浓度是0.98x,但苯酚的浓度小于0.98x,D错误。
——突破三 热点专攻——
化学反应原理综合题高考必备1.命题分析新高考广东卷、山东卷、湖北卷、湖南卷、河北卷等都在第Ⅱ卷中考查化学反应原理综合题,此类试题一般以生产科技、环保情境为载体,体现化学在生产、生活和科研等方面的应用,涉及反应热的计算和盖斯定律的应用、化学平衡图像及分析、化学平衡常数的计算、化学反应条件的选择、电解质溶液、电化学等,充分体现新高考对学科素养中“学习掌握”“思维方法”“实践探索”三个维度的综合考查。
2.化学反应原理综合题的考查角度
真题感悟1.(2022山东卷,20)利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD),反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反应,涉及反应如下:
已知:①反应Ⅰ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响;②因反应Ⅰ在高压H2氛围下进行,故H2压强近似等于总压。回答下列问题:
(1)以5.0×10-3 mol BL或BD为初始原料,在493 K、3.0×103 kPa的高压H2氛围下,分别在恒压容器中进行反应。达平衡时,以BL为原料,体系向环境放热X kJ;以BD为原料,体系从环境吸热Y kJ。忽略副反应热效应,反应Ⅰ焓变ΔH(493 K, 3.0×103 kPa)= kJ·mol-1。
图甲
(3)(xBD/xBL)max为达平衡时xBD与xBL的比值。(493 K,2.5×103 kPa)、(493 K, 3.5×103 kPa)、(513 K,2.5×103 kPa)三种条件下,以5.0×10-3 mol BL为初始原料,在相同体积的刚性容器中发生反应, 随时间t变化关系如图乙所示。因反应在高压H2氛围下进行,可忽略压强对反应速率的影响。
图乙
曲线a、b、c中,(xBD/xBL)max最大的是 (填字母);与曲线b相比,曲线c达到 =1.0所需时间更长,原因是 。
答案 (1)-200(X+Y)(2)a或c 8.3×10-8 0.08 39%(3)c 曲线b和曲线c所处的温度相同,压强增大反应Ⅱ、Ⅲ均是逆向移动,(xBD/xBL)max增大,而压强对反应速率的影响可忽略解析 (1)结合已知信息,可推定在同温同压下,以相同物质的量的BL或BD为初始原料,达到的平衡状态相同,即两个平衡完全等效。设正向反应的平衡转化率为α,则加入等量产物平衡时的转化率为1-α,由题目可知计算可得ΔH=-200(X+Y) kJ·mol-1。
2.(2022湖南卷,16)2021年我国制氢量位居世界第一,煤的气化是一种重要的制氢途径。回答下列问题:(1)在一定温度下,向容积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1 mol H2O(g),起始压强为0.2 MPa时,发生下列反应生成水煤气:Ⅰ.C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH1=+131.4 kJ·mol-1Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·mol-1①下列说法正确的是 (填字母); A.平衡时向容器中充入惰性气体,反应Ⅰ的平衡逆向移动B.混合气体的密度保持不变时,说明反应体系已达到平衡C.平衡时H2的体积分数可能大于D.将炭块粉碎,可加快反应速率
②反应平衡时,H2O(g)的转化率为50%,CO的物质的量为0.1 mol。此时,整个体系 (填“吸收”或“放出”)热量 kJ,反应Ⅰ的平衡常数Kp= (以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。 (2)一种脱除和利用水煤气中CO2方法的示意图如下:
①某温度下,吸收塔中K2CO3溶液吸收一定量的CO2后,c( )∶c( )=1∶2,则该溶液的pH= (该温度下H2CO3的 =4.6×10-7, =5.0×10-11); ②再生塔中产生CO2的离子方程式为 ; ③利用电化学原理,将CO2电催化还原为C2H4,阴极反应式为 。
答案 (1)①BD ②吸收 31.2 0.02 Mpa
解析 (1)①向恒容容器中通入惰性气体,对化学平衡不影响,A项错误;因为C是固体,随着反应的进行,恒容容器内气体的质量发生变化,即气体的密度是变量,当气体的密度不再发生改变,说明体系达到平衡状态,B项正确;若1 mol水在两个反应中能完全转化,此时H2所占的体积分数为 ,但由于反应可逆,水蒸气不可能完全转化,C项错误;将炭块粉碎成粉末,可以增大反应物间的接触面积,增大反应速率,D项正确。
②设反应Ⅱ中转化的CO的物质的量为x,则反应Ⅰ中生成的CO的物质的量为0.1 mol+x。则n总(H2)=2x+0.1 mol=0.5 mol,x=0.2 mol。结合反应可知,达到平衡H2O(g)、CO、CO2、H2的物质的量分别为0.5 mol、0.1 mol、0.2 mol、0.5 mol。反应Ⅰ吸收热量为131.4 kJ·mol-1×0.3 mol=39.42 kJ;反应Ⅱ放出热量为41.1 kJ·mol-1×0.2 mol=8.22 kJ;则体系吸收的热量为39.42 kJ-8.22 kJ=31.2 kJ。
方法点拨(1)利用盖斯定律确定热化学方程式或焓变ΔH要做到:①明确待求热化学方程中的反应物和生成物;②处理已知热化学方程式中的化学计量数和焓变;③叠加处理热化学方程式确定答案。(2)对于化学反应速率和化学平衡图像类试题,读懂图像,明确纵横坐标的含义,理解起点、终点、拐点的意义,分析曲线的变化趋势。对于图表数据类试题,分析数据,研究数据间的内在联系,找出数据的变化规律,挖掘数据的隐含意义。
(3)利用“三段式”计算v、α、K时,要特别注意用什么物理量计算,心中要清楚,如计算平衡常数K时,不能用平衡时的物质的量,而应将平衡时的物质的量浓度代入。(4)分析电化学问题时,要先根据题给信息,确定电池的类型及电极名称,再结合原电池原理(或电解原理)判断电极反应及产物,并进行相关推理与计算。
考向预测1.(反应热+化学平衡的综合题)丙烯是制备聚丙烯的单体,在催化剂作用下,可由丙烷直接脱氢或氧化脱氢制得。反应Ⅰ(直接脱氢):C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) ΔH1反应Ⅱ(氧化脱氢):2C3H8(g)+O2(g) 2C3H6(g)+2H2O(g) ΔH2=-236 kJ·mol-1已知:2H2(g)+O2(g) ══ 2H2O(g) ΔH3=-484 kJ·mol-1(1)ΔH1= kJ·mol-1。 (2)向某容器中仅通入C3H8(g),发生反应Ⅰ,达到平衡后,下列措施能提高C3H6(g)的平衡产率的有 (填字母)。 A.恒压下,充入惰性气体 B.加入高效催化剂C.恒容下,充入C3H8 D.适当升高温度
(3)向某恒压密闭容器中通入C3H8(g)和N2(g)的混合气体(N2不参与反应),反应起始时气体的总压强为100 kPa。在温度为T1 ℃时,C3H8(g)的平衡转化率与通入的混合气体中C3H8(g)的物质的量分数的关系如图1所示。
①C3H8的平衡转化率随起始通入C3H8的物质的量分数增大而减小,其原因是 。 ②T1 ℃时,反应Ⅰ的平衡常数Kp= (以分压表示,分压=总压×物质的量分数,保留一位小数)kPa。
(4)向密闭容器中充入一定量丙烷,在催化剂Cat1、Cat2作用下,单位时间内丙烯的产率与温度的关系如图2所示。在相同条件下,催化效率较高的是 (填“Cat1”或“Cat2”)。在Cat2作用下,T0 ℃之后丙烯产率急剧减小的原因可能是 (答一条)。 (5)恒温刚性密闭容器中通入气体分压比为p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)=2∶13∶85的混合气体,已知:某反应条件下仅发生如下反应(k、k'为速率常数):反应Ⅱ:2C3H8(g)+O2(g) 2C3H6(g)+2H2O(g) k反应Ⅲ:2C3H6(g)+9O2(g) 6CO2(g)+6H2O(g) k'实验测得丙烯的净生成速率方程为v(C3H6)=kp(C3H8)-k'p(C3H6),可推测丙烯的浓度随时间的变化趋势为 。
(6)已知:高温下,C—C键断裂的反应比C—H键断裂的脱氢反应容易发生,这将导致C3H6的选择性降低;同时高温加剧催化剂表面积碳,导致催化剂迅速失活。在生产中充入CO2的作用之一是利于保持催化剂活性,其原因是 (用化学方程式表示)。
答案 (1)+124 (2)AD(3)①丙烷物质的量分数增大,相当于对平衡体系加压,平衡向逆反应方向移动 ②16.7(4)Cat1 催化剂失活(或副产物增多、催化剂选择性降低)
(2)恒压下,充入惰性气体,则体系的体积扩大,导致反应体系压强减小,化学平衡向气体体积增大的正反应方向移动,导致C3H6(g)的平衡产率提高,A正确;加入高效催化剂只能加快反应速率,缩短达到平衡所需时间,但化学平衡不移动,C3H6(g)的平衡产率不变,B错误;恒容下,充入C3H8,导致反应体系压强增大,化学平衡逆向移动,最终使C3H6(g)的平衡产率降低,C错误; C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) ΔH1=+124 kJ·mol-1,该反应的正反应是吸热反应,在其他条件不变时,适当升高温度,化学平衡向吸热的正反应方向移动,导致C3H6(g)的平衡产率提高,D正确。
(3)①C3H8的平衡转化率随起始通入C3H8的物质的量分数增大而减小,这是由于丙烷的物质的量分数增大,相当于对平衡体系加压,增大压强,化学平衡向气体体积减小的逆反应方向移动,C3H8的平衡转化率会减小;②温度为T1时,当通入气体中C3H8的物质的量分数为0.4时,反应达到平衡时C3H8的平衡转化率为50%,假设反应开始时通入气体物质的量为a mol,则n(C3H8)=0.4a mol,n(N2)=0.6a mol,根据C3H8平衡转化率为50%,结合反应C3H8(g) C3H6(g)+H2(g)中物质反应转化关系可知平衡时n(C3H8)=0.2a mol,n(C3H6)=n(H2)=0.2a mol,平衡时气体总物质的量n(总)=0.2a mol+0.2a mol+0.2a mol+0.6a mol=1.2a mol,C3H8、C3H6、H2的物质的量分数都是
(4)根据图2可知:在相同条件下,催化效率较高的是Cat1;在Cat2作用下,T0 ℃之后丙烯产率急剧减小的原因可能是温度升高,导致催化剂失活、副产物增多或催化剂选择性降低。(5)在恒温刚性密闭容器中,速率常数k、k'不变。反应开始时通入气体C3H8、O2、N2,体系主要发生反应Ⅱ,c(C3H6)逐渐增大,随着反应的进行,p(C3H8)减小,p(C3H6)增大,体系主要发生反应Ⅲ,c(C3H6)逐渐减小。故丙烯的浓度随时间的变化趋势是:先逐渐增大,后逐渐减小。(6)在生产中充入CO2的作用之一是利于保持催化剂活性,这是由于在高温下CO2能够与C反应产生CO,消耗了在催化剂表面覆盖的碳,有利于催化剂对反应的催化作用,该反应的化学方程式为C+CO2 2CO。
2.(反应热+化学平衡+电化学的综合题)(2022湖北武汉4月调研)我国力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。CO2催化加氢合成二甲醚是一种实现“碳中和”理想的CO2转化方法,该过程中涉及的反应如下:
主反应:2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH副反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH'=+41.2 kJ·mol-1
回答下列问题:(1)主反应通过以下步骤来实现:Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1Ⅱ.2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-23.5 kJ·mol-1则主反应的ΔH= kJ·mol-1。
(2)在恒压、CO2和H2的起始量一定时,CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示,CH3OCH3的选择性
①CO2平衡转化率随温度升高而增大的原因是 。 ②420 ℃时,在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后,测得CH3OCH3的选择性约
为50%。不改变反应时间,一定能提高CH3OCH3选择性的措施有 (填字母)。 A.升高温度 B.增大压强 C.增大c(CO2) D.更换适宜的催化剂
(3)在温度为543 K、原料组成为n(CO2)∶n(H2)=1∶3、初始总压为4 MPa的恒容密闭容器中进行反应,体系达到平衡时CO2的转化率为30%,二甲醚的选择性为50%,则氢气的转化率α(H2)= ;主反应的压强平衡常数Kp= (列出计算式)。 (4)二甲醚燃料电池具有启动快、效率高、能量密度大等优点。若电解质溶液呈碱性、二甲醚燃料电池的负极反应为 。
答案 (1)-122.5(2)①主反应放热,副反应吸热,温度升高使副反应CO2平衡转化率上升幅度大于主反应的下降幅度 ②BD
解析 (1)由盖斯定律可知,Ⅰ×2+Ⅱ得到主反应,则主反应的焓变ΔH=2ΔH1+ΔH2=(-49.5 kJ·mol-1)×2+(-23.5 kJ·mol-1)=-122.5 kJ·mol-1。(2)①主反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,二氧化碳的平衡转化率减小,副反应为吸热反应,升高温度,平衡向正反应方向移动,二氧化碳的平衡转化率增大,所以二氧化碳的平衡转化率随温度升高而增大说明温度升高,使副反应二氧化碳平衡转化率的上升幅度大于主反应的下降幅度;②主反应为气体体积减小的放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,不利于提高二甲醚的选择性,A错误;主反应为气体体积减小的放热反应,副反应为气体体积不变的吸热反应,增大压强,主反应平衡向正反应方向移动,副反应平衡不移动,有利于提高二甲醚的选择性,B正确;增大二氧化碳的浓度,主反应和副反应平衡均向正反应方向移动,不利于提高二甲醚的选择性,C错误;更换适宜的催化剂可以提高二甲醚的选择性,D正确。
(3)设起始CO的物质的量为1 mol、氢气的物质的量为3 mol,由题给数据可建立如下三段式: 2CO2(g) + 6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)起/mol 1 3 0 0变/mol 0.15 0.45 0.075 0.225平/mol 0.85 2.55 0.075 0.225 CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)起/mol 0.85 2.55 0 0.225变/mol 0.15 0.15 0.15 0.15平/mol 0.7 2.4 0.15 0.375
(4)燃料电池中通入二甲醚的电极为负极,碱性条件下二甲醚在负极失去电子发生氧化反应生成碳酸根离子和水,电极反应式为CH3OCH3-12e-+16OH- ══ 2 +11H2O。
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[核心回顾]1.掌握化学反应速率的两种计算方法 注意单位的规范书写(1)依据定义式计算:依据“ ”计算时一定要注意容器的容积或溶液的体积,不能盲目地把Δn当作Δc代入公式进行计算。(2)根据比例关系计算:对于反应“mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)”,不同物质的化学反应速率与化学计量数的关系:v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q。
2.熟悉影响化学反应速率的因素(1)内因——活化能在相同的条件下,不同化学反应的速率不同,主要是内因——活化能大小不同所致,活化能小的反应速率快,活化能大的反应速率慢。
(2)外因
微点拨:“惰性气体”(非反应气体)对化学反应速率的影响
3.掌握化学反应速率常数(k)及应用(1)速率常数(k)速率常数(k)是指在给定温度下,反应物浓度皆为1 mol·L-1时的反应速率。在相同的浓度条件下,可用速率常数大小来比较化学反应的反应速率。(2)速率方程基元反应的化学反应速率与反应物的浓度数值相应幂次的乘积成正比,其幂次即为各物质前面的化学计量数。对于基元反应:aA(g)+bB(g) gG(g)+hH(g),则v(正)=k(正)ca(A)·cb(B)[其中k(正)为正反应的速率常数],v(逆)=k(逆)cg(G)·ch(H)[其中k(逆)为逆反应的速率常数]。
(3)影响因素 浓度、压强不影响速率常数(k)速率常数是温度的函数。同一反应,温度不同,速率常数不同;温度相同,速率常数相同。(4)速率常数与化学平衡常数之间的关系一定温度下,可逆反应:aA(g)+bB(g) gG(g)+hH(g),v(正)=k(正)ca(A)·cb(B), v(逆)=k(逆)cg(G)·ch(H),达到平衡状态:v(正)=v(逆),则有k(正)ca(A)·cb(B)=k(逆)cg(G)·ch(H),从而可得化学平衡常数:
【典例】 (2022广东卷,15)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、催化剂Ⅱ对反应X ―→ 2Y的影响,各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图,则( )A.无催化剂时,反应不能进行B.与催化剂Ⅰ相比,催化剂Ⅱ使反应活化能更低C.a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化D.使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(X)=1.0 mol·L-1·min-1
[命题角度]角度1化学反应速率及影响因素
D
提示 由题图可知,无催化剂时反应可以进行,A项错误;由题图可知,加入催化剂Ⅱ,在2 min时生成物Y的浓度为2.0 mol·L-1,加入催化剂Ⅰ,在2 min时生成物Y的浓度为4.0 mol·L-1,因此催化剂Ⅰ使反应速率更大,即催化剂Ⅰ使反应活化能更低,B项错误;由题图可知,a曲线表示的是反应物浓度随时间的变化曲线,即表示X的浓度变化的曲线,2 min内,X的浓度减少2.0 mol·L-1,由X ―→ 2Y可知,生成物Y的浓度应增加4.0 mol·L-1,其对应的应是使用催化剂Ⅰ的曲线,因此a曲线表示使用催化剂Ⅰ时X的浓度随时间的变化,C项错误;由题图可知,使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(Y)= =2.0 mol·L-1·min-1,v(X)= v(Y)=1.0 mol·L-1·min-1,D项正确。
角度拓展1.(2022山东淄博模拟)某温度下,降冰片烯在钛杂环丁烷催化下聚合,反应物浓度与催化剂浓度及时间关系如图,已知反应物消耗一半所需的时间称为半衰期。判断下列说法是否正确。
(1)其他条件相同时,催化剂浓度越大,反应速率越大。( )(2)条件①,化学反应速率为0.012 mol·L-1·min-1。( )(3)条件②,降冰片烯起始浓度为3.0 mol·L-1时,半衰期为125 min。( )
√
√
×
提示 (3)反应物消耗一半所需的时间称为半衰期,由题干图中数据可知,条件②,降冰片烯起始浓度为3.0 mol·L-1时,半衰期为62.5 min。
2.(2022辽宁本溪模拟)环戊二烯( )是重要的有机化工原料,容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应。不同温度下,溶液中环戊二烯的浓度(初始浓度为1.5 mol·L-1)与反应时间的关系如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)a点的逆反应速率小于b点的逆反应速率。( )(2)其他条件相同,升高温度,正反应速率减小,逆反应速率增大。 ( )(3)b点时,二聚体的浓度为0.9 mol·L-1。( )
√
×
×
提示 (2)温度对正、逆反应速率的影响具有一致性,升高温度,正、逆反应速率均增大。(3)b点时环戊二烯的浓度变化为1.5 mol·L-1-0.6 mol·L-1=0.9 mol·L-1,由于生成环戊二烯的二聚体,则二聚体的浓度为0.45 mol·L-1。
角度2化学反应速率的计算及比较【典例】 取50 mL过氧化氢水溶液,在少量I-存在下分解:2H2O2 ══ 2H2O+O2↑。在一定温度下,测得O2的放出量,转换成H2O2浓度(c)如下表:
下列说法不正确的是( )A.反应20 min时,测得O2的体积为224 mL(标准状况)B.20~40 min,消耗H2O2的平均速率为0.010 mol·L-1·min-1C.第30 min时的瞬时速率小于第50 min时的瞬时速率D.H2O2分解酶或Fe2O3代替I-也可以催化H2O2分解
C
角度拓展1.(2022河北唐山模拟)氨气去除NO的反应原理为4NH3(g)+6NO(g) 5N2(g)+6H2O(g) ΔH<0。350 ℃时,在2 L恒容密闭容器中,通入0.9 mol NH3(g)和1.2 mol NO(g)发生反应,保持温度不变,5 min后反应达平衡,NO的转化率为50%。判断下列说法是否正确。(1)用NH3表示的化学反应速率为0.06 mol·L-1·min-1。( )(2)350 ℃时,该反应的平衡常数为0.25。( )
×
√
提示 (1)5 min后反应达平衡,NO的转化率为50%,则消耗0.6 mol NO,同时消耗0.4 mol NH3,则用氨气表示的化学反应速率为 =0.04 mol·L-1·min-1。
2.(2022辽宁大连模拟)一定条件下,在1.0 L的密闭容器中进行反应:Cl2(g)+CO(g) COCl2(g) ΔH<0。反应过程中的有关数据如下表。判断下列说法是否正确。
(1)2 min内,用CO表示的化学反应速率为0.4 mol·L-1·s-1。( )(2)保持其他条件不变,升高温度,平衡时c(COCl2)<1.8 mol·L-1。( )
×
√
[核心回顾]1.突破化学平衡状态的判断题体系条件是判断基础,反应特点是判断关键(1)分析体系条件。看清反应体系是恒温恒容、恒温恒压还是绝热容器。(2)分析反应特点。看清物质的状态、反应前后气体分子总数是否发生变化,确定反应过程中气体总物质的量、总压强是否变化,判断混合气体的平均摩尔质量或密度是否变化;看清反应的焓变,确定温度对平衡状态的影响。
(3)巧用“正逆相等,变量不变”作出合理判断。
2.判断化学平衡移动方向的“两个”依据(1)依据勒夏特列原理判断 前提条件是可逆反应达到化学平衡状态通过比较改变外界条件时,平衡破坏瞬间的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。
(2)根据离子积(Q)与平衡常数(K)的大小判断平衡移动的方向
3.化工生产中反应条件的选择(1)从化学平衡移动分析,既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性。(2)从原料的利用率分析,增加易得廉价原料,提高难得高价原料的利用率,从而降低生产成本。(3)从实际生产能力分析,如设备承受高温、高压的能力等,注意催化剂的活性对温度的限制。
(4)优化和选择化工生产的反应条件,如下表:
[命题角度]角度1化学平衡状态的判断【典例】 (2021天津卷,16节选)工业上可以利用硫(S8)与CH4为原料制备CS2,S8受热分解成气态S2,发生反应2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)。某温度下,若S8完全分解成气态S2。在恒温密闭容器中,S2与CH4物质的量比为2∶1时开始反应。当以下数值不变时,能说明该反应达到平衡的是 (填字母)。 a.气体密度 b.气体总压c.CH4与S2体积比 d.CS2的体积分数
d
角度拓展
1.(2022广东惠州一模)刚性绝热密闭容器中,等物质的量的CO2(g)和H2O(g)发生反应2CO2(g)+2H2O(g) 2HCOOH(g)+O2(g)ΔH=+420.8 kJ·mol-1,下列可判断反应达到平衡的是 (填字母)。 A.CO2(g)和H2O(g)的物质的量之比不变B.容器中气体平均摩尔质量不变C.2v正(CO2)=v逆(O2)D.容器内温度不变
BD
提示 两者加入的物质的量之比为1∶1,而消耗的物质的量之比也是1∶1,因此CO2(g)和H2O(g)的物质的量之比永远不变,则CO2(g)和H2O(g)的物质的量之比不变,不能作为达到平衡的标志;平均摩尔质量等于总的气体质量除以总的气体物质的量,气体质量不变,气体物质的量发生变化,则容器中气体平均摩尔质量不变,可作为达到平衡的标志;2v正(CO2)=v逆(O2),一个正向反应,一个逆向反应,两者速率之比不等于化学计量数之比,不能作为达到平衡的标志;该容器是绝热容器,则容器内温度不变,说明达到平衡。
2.(2022河北邯郸模拟)一定温度下,在刚性密闭容器中充入一定量CO2和H2,发生反应:2CO2(g)+5H2(g) CH3CHO(g)+3H2O(g)。下列情况表明该反应达到平衡状态的是 (填字母)。 A.混合气体的密度保持不变B.CO2(g)的消耗速率和H2O(g)的生成速率之比为2∶3C.CH3CHO(g)、H2O(g)的浓度之比保持不变D.混合气体平均摩尔质量保持不变
D
提示 刚性容器为恒容,气体总体积不变,组分都是气体,气体总质量保持不变,根据密度的定义,混合气体的密度始终保持不变,即混合气体的密度不变,不能说明反应达到平衡,A错误;消耗CO2(g)、生成H2O(g),反应都是向正反应方向进行,CO2(g)的消耗速率和H2O(g)的生成速率之比为2∶3,不能说明反应达到平衡,B错误;CH3CHO(g)、H2O(g)都是生成物,CH3CHO(g)、H2O(g)的物质的量之比始终是1∶3,不能说明反应达到平衡,C错误。
角度2化学平衡的移动及分析【典例】 (2022广东卷,13)恒容密闭容器中,BaSO4(s)+4H2(g) BaS(s)+4H2O(g)在不同温度下达平衡时,各组分的物质的量(n)如图所示。下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH<0B.a为n(H2O)随温度的变化曲线C.向平衡体系中充入惰性气体,平衡不移动D.向平衡体系中加入BaSO4,H2的平衡转化率增大
C
角度拓展1.(2022湖北七市州模拟)在一定温度下,BaSO4和C在一密闭容器中发生反应: BaSO4(s)+4C(s) BaS(s)+4CO(g),CO的平衡浓度(mol·L-1)的对数lg c(CO)与温度的倒数( )的关系如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)Q点BaSO4的消耗速率小于生成速率。( )(2)该反应的ΔH<0。( )(3)温度不变,将R点状态的容器容积扩大,重新达到平衡时,气体的压强减小。( )
√
×
×
提示 (2)由题图可知,温度的倒数 增大,即降低温度,lg c(CO)逐渐减小,说明降低温度,平衡逆向移动,则该反应为吸热反应,反应的ΔH>0。(3)反应的化学平衡常数K=c4(CO),平衡常数为温度函数,温度不变,平衡常数不变,则温度不变,将R点状态的容器容积扩大,重新达到平衡时,一氧化碳的浓度不变,气体的压强不变。
2.(2022广东揭阳模拟)向绝热恒容密闭容器中通入气体A和B,一定条件下: A(g)+B(g) C(g)+D(g) ΔH=Q kJ·mol-1。达到平衡,其正反应速率随时间变化如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)反应物的浓度:a点小于b点。( )(2)达到平衡后,升高温度,A的转化率将减小。( )(3)反应体系中加入催化剂,反应速率增大,ΔH也增大。( )
×
√
×
提示 (1)由题图可知,a→c点过程中v(正)逐渐增大,说明反应放出热量,且温度对正反应速率的影响大于浓度对正反应速率的影响,a点反应物浓度大于b点。(3)反应体系中加入催化剂,反应速率增大,但ΔH的值不变。
角度3化工生产条件的选择及分析【典例】 (2022湖南衡阳模拟)(1)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。已知在298 K时,ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。(1)根据反应的焓变和熵变,分析在298 K时合成氨反应 (填“能”“不能”或“无法判断”)正向自发进行。 (2)有利于化学平衡向生成氨的方向移动的是 (填字母)。 A.升高温度,增大压强B.升高温度,减小压强C.降低温度,减小压强D.降低温度,增大压强
能
D
(3)下图为合成氨生产设备流程示意图,下列说法错误的是 (填字母)。
A.为防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”而丧失催化活性,原料气必须经过净化B.压缩机加压过程,既要考虑平衡移动的问题,又要考虑设备材料的强度和设备制造要求的问题C.合成氨反应的温度控制在500 ℃左右,此温度下反应物的平衡转化率最大D.冷却过程,及时将NH3从平衡混合物中分离出去,促使合成氨反应向生成氨气的方向移动
C
角度拓展(2022安徽蚌埠模拟)乙醇是一种重要的工业原料,被广泛应用于能源、化工、食品等领域。以合成气合成乙醇是近年来研究的热点,其中乙酸甲酯CH3COOCH3加氢是制取乙醇的关键步骤之一,包括以下主要反应:Ⅰ.CH3COOCH3(g)+2H2(g) C2H5OH(g)+CH3OH(g) ΔH1=-71 kJ·mol-1Ⅱ.CH3COOCH3(g)+H2(g) CH3CHO(g)+CH3OH(g) ΔH2=+13.6 kJ·mol-1(1)CH3COOCH3流速过大时乙酸甲酯的转化率下降,原因是 。
反应物与催化剂接触时间过短,反应不充分
(2)乙酸甲酯加氢反应通常使用铜基催化剂,催化剂Ⅰ的主要成分为Cu-Al,催化剂Ⅱ的主要成分为Cu-Zn-Al,实验中采用催化剂Ⅰ和催化剂Ⅱ测得不同温度下、相同时间内乙酸甲酯的转化率如图1。工业生产中应使用的催化剂是 (填“催化剂Ⅰ”或“催化剂Ⅱ”),温度升高,乙酸甲酯的转化率增大的原因是 。
图1
催化剂Ⅱ
温度升高,反应速率增大,乙酸甲酯的转化率增大
(3)使用X射线衍射仪对催化剂Ⅰ和Ⅱ的中间产物进行XRD分析,根据衍射峰可判断物质的成分。XRD谱图如图2,分析XRD谱图可知,相比催化剂Ⅰ,催化剂Ⅱ的中间产物中新生成的物质是 (填化学式)。
图2
CuAlO2
(4)一定条件下在1 L密闭容器内通入2.00 mol CH3COOCH3和3.96 mol H2发生反应Ⅰ和Ⅱ,测得不同温度下达平衡时CH3COOCH3的转化率和乙醇的选择性如图3所示。
图3
温度高于240 ℃时,随温度升高乙醇的选择性降低的原因是_________________________________ ______ 。
反应Ⅰ为放热反应,反应Ⅱ为吸热反应,温度升高,反应Ⅰ向逆反应方向移动,反应Ⅱ向正反应方向移动,生成乙醇的量减少
[核心回顾]书写平衡常数表达式,要注意物质的状态1.高考常考的三种化学平衡常数[以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例]
2.结合化学方程式计算平衡常数(1)同一可逆反应中,K(正)·K(逆)=1,其中K(正)表示正反应平衡常数,K(逆)表示逆反应平衡常数。(2)若两个可逆反应的方程式相加,得到总反应方程式,如反应①+反应②=反应③,则总反应的平衡常数等于各分步反应的平衡常数之积,则有K3=K1·K2。(3)若两个可逆反应的方程式相减,得到总反应方程式,如反应①-反应②=反应③,则总反应的平衡常数等于各分步反应的平衡常数之商,则有
3.掌握四种常考的计算关系变化量可以是物质的量或物质的量浓度
计算理论产量时,要注意过量计算
[命题角度]角度1化学平衡常数的计算【典例】 (1)(2022全国乙卷,28节选)在1 470 K、100 kPa反应条件下,将n(H2S)∶n(Ar)=1∶4的混合气进行H2S热分解反应:2H2S(g) S2(g)+2H2(g)。平衡时混合气中H2S与H2的分压相等,H2S平衡转化率为 ,平衡常数Kp= kPa。
50%
4.76
(2)(2021山东卷,20节选)2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油原添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如图反应:
反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以物质的量分数表示的平衡常数Kx,为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α。已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0,则平衡体系中B的物质的量为 mol,反应Ⅰ的平衡常数Kx1= 。
0.9α
提示 (1)设起始时H2S的物质的量为1 mol,平衡时消耗H2S的物质的量为x mol,则 2H2S(g) S2(g)+2H2(g)起始/mol 1 0 0转化/mol x x平衡/mol 1-x x由题意可知,1-x=x,解得x=0.5,则H2S的转化率为50%。平衡时H2S(g)、S2(g)、H2(g)、Ar的物质的量分别为0.5 mol、0.25 mol、0.5 mol、4 mol,因此气体的总物质的量为5.25 mol。则
(2)向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α,则平衡时n(TAME)=(1-α) mol,n(A)+n(B)=n(CH3OH)=α mol,
角度拓展1.(2022福建龙岩模拟)1 103 K时,在刚性容器中加入足量Fe和一定量H2O发生反应:3Fe(s)+4H2O(g) 4H2(g)+Fe3O4(s),反应前气体总压为p kPa,t min后达到平衡,此时H2的物质的量分数为0.492。(1)该反应的压强平衡常数Kp= (写出数学计算式)。 (2)0~t min,用单位时间内分压变化表示的反应速率v(H2O)= 。
提示 反应3Fe(s)+4H2O(g) 4H2(g)+Fe3O4(s)前后气体分子数不变,压强不变,反应达平衡时总压仍为p kPa,此时氢气的物质的量分数为0.492,则水蒸气的物质的量分数为0.508,氢气分压为0.492p kPa,水蒸气分压为0.508p kPa。
2.(2022广西柳州模拟)T ℃,以CO2和NH3为原料可合成化肥尿素:2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l);在2 L的密闭容器中,通入1.2 mol NH3和0.6 mol CO2,2 min时反应刚好达到平衡,此时c(NH3)=0.2 mol·L-1, c(CO2)=0.1 mol·L-1。(1)该反应的平衡常数是 。 (2)若2 min时保持T ℃和平衡时容器的压强不变,再向容积可变的容器中充入0.6 mol NH3,则此时平衡 (填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”)。
250
逆向移动
提示 (1)根据题意,列出三段式计算:
角度2平衡转化率和平衡浓度的计算【典例】 (2021天津卷,16节选)CS2是一种重要的化工原料。工业上可以利用硫(S8)与CH4为原料制备CS2,S8受热分解成气态S2,发生反应2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)。某温度下,若S8完全分解成气态S2。在恒温密闭容器中,S2与CH4物质的量比为2∶1时开始反应。当CS2的体积分数为10%时,CH4的转化率为 。
30%
提示 在恒温密闭容器中,设起始时加入的S2与CH4的物质的量分别为2a mol、a mol,列出三段式: 2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)起始/mol 2a a 0 0转变/mol 2x x x 2x某时刻/mol 2a-2x a-x x 2x
角度拓展1.(2022河北名校联盟联考)450 ℃时,在2 L恒容密闭容器中充入1 mol NO、1 mol NO2和2 mol NH3,起始时体系压强为p MPa,发生反应:NO(g)+NO2(g)+2NH3(g) 2N2(g)+3H2O(g),5 min时反应达到平衡。此时测得N2的物质的量分数为 。0~5 min内,v(NH3)= mol·L-1·min-1,NO的平衡转化率= %。
0.16
80
2.(2022湖南怀化模拟)利用逆水煤气变换(RWGS)将CO2加氢还原为合成气,反应体系主要发生以下反应:Ⅰ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.2 kJ·mol-1Ⅱ.CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH2=-165 kJ·mol-1Ⅲ.CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH3在恒定压强为100 kPa的条件下,将n(CO2)∶n(H2)=1∶3的混合气体投入装有镍催化剂的反应器中,图1为各组分平衡时物质的量分数(不包括H2O)与温度的关系,图2为在不同温度下反应相同的时间CO2的转化率、CO及CH4的产率与温度的关系。已知:CO的产率
图1
图2
(1)图1曲线a对应的物质是 (填化学式)。温度高于550 ℃时,从化学平衡的角度解释图1中曲线b随温度变化的原因 。
CH4
曲线b对应物质是CO,升高温度,反应Ⅰ正向移动,反应Ⅲ逆向移动,均有利于提高CO平衡时的物质的量分数,且高温时,反应Ⅰ占优势
(2)根据图2计算,518 ℃时H2的转化率α(H2)= (计算结果精确到0.1%),900 ℃时反应Ⅰ的平衡常数Kp= (保留2位小数,以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
33.3%
2.04
提示 (1)反应Ⅲ=反应Ⅱ-反应Ⅰ,则ΔH3=ΔH2-ΔH1=-165 kJ·mol-1-41.2 kJ·mol-1=-206.2 kJ·mol-1,反应Ⅱ和反应Ⅲ都是放热反应,升高温度,反应Ⅱ和反应Ⅲ都逆向移动,CH4的物质的量分数降低,故曲线a对应的物质是CH4。曲线b对应的物质是CO,温度高于550 ℃时,反应Ⅰ正向移动,反应Ⅲ逆向移动,均有利于提高CO平衡时的物质的量分数,且高温时,反应Ⅰ占优势。(2)图2在518 ℃时,CO2的转化率为40%,CO和CH4的产率均为20%。设起始时CO2的物质的量为1 mol,则H2的物质的量为3 mol,转化的CO2的物质的量为0.4 mol,生成的CO和CH4均为0.2 mol。设反应Ⅰ转化的CO2的物质的量为x mol,则消耗的H2的物质的量为x mol,生成的CO的物质的量为x mol,
反应Ⅱ转化的CO2的物质的量为(0.4-x) mol,则消耗的H2的物质的量为(1.6-4x) mol,生成的CH4的物质的量为(0.4-x) mol,在反应Ⅲ中,起始的CO的物质的量为x mol,平衡时CO的物质的量为0.2 mol,转化的CO的物质的量为(x-0.2) mol,则同时转化的H2的物质的量为(3x-0.6) mol,三个反应总共转化的H2的物质的量为(x+1.6-4x+3x-0.6) mol=1 mol,故H2的转化率α(H2)= ×100%≈33.3%。从图2可以看出,当温度为900 ℃时,CH4的产率为0,则只发生反应Ⅰ,900 ℃时CO2的平衡转化率为84%,可列三段式:
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)起始/mol 1 3 0 0变化/mol 0.84 0.84 0.84 0.84平衡/mol 0.16 2.16 0.84 0.84平衡时CO2的物质的量分数为0.04,H2的物质的量分数为0.54,CO和H2O的物质的量分数均为0.21,所以各物质的分压为CO2为0.04×100 kPa=4 kPa,H2为54 kPa,CO和H2O均为21 kPa,则900 ℃时反应Ⅰ的平衡常数
[核心回顾]1.化学反应速率图像及分析分析化学反应速率图像的基本依据是“控制变量法”(1)当可逆反应达到一种平衡后,若某一时刻外界条件发生改变,都可能使速率—时间图像的曲线出现不连续的情况,根据出现“断点”前后的速率大小,即可对外界条件的变化情况作出判断,如图所示:
t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂或增大压强(仅适用于反应前后气体物质的量不变的反应)。
(2)常见含“断点”的速率变化图像分析改变某一条件,速率图像出现“断点”,可能是改变温度或压强;若曲线连续,则改变浓度
2.两类化学平衡图像及分析(1)转化率(或百分含量)与温度变化图像
①表示两个外界条件同时变化时,反应物A的转化率变化情况,解决这类图像一般采用“定一议二”的方法,即把自变量(温度、压强)之一设为恒量,讨论另外两个变量的关系。②图1中,当压强相等(任意一条等压线)时,升高温度,A的转化率增大,说明升高温度平衡向正反应方向移动,即正反应为吸热反应。③当温度相等时,在图1中作垂线,与三条等压线交于三点,这三点自下而上为增大压强,A的转化率增大,说明增大压强平衡向正反应方向移动,即正反应为气体体积减小的反应。
(2)转化率(或百分含量)与压强变化图像
①图3中,当温度相等(任意一条等温线)时,增大压强,A的转化率增大,说明增大压强平衡正向移动,即正反应是气体体积减小的反应。②当压强相等时,在图3中作垂线,与两条等温线交于两点,这两点自下而上为降低温度,A的转化率增大,说明降低温度平衡正向移动,即正反应为放热反应。
3.“四步法”突破化学平衡图像及分析类题
[命题角度]角度1化学反应速率图像及分析【典例】 (2021湖南卷,11改编)已知: A(g)+2B(g) 3C(g) ΔH<0,向一恒温恒容的密闭容器中充入1 mol A和3 mol B发生反应,t1时达到平衡状态Ⅰ,在t2时改变某一条件,t3时重新达到平衡状态Ⅱ,正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.容器内压强不变,表明反应达到平衡 B.t2时改变的条件:向容器中加入CC.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ) <φ(Ⅰ) D.平衡常数K:K(Ⅱ)
角度拓展1.(2022辽宁抚顺一模)如图是关于反应A2(g)+3B2(g) 2C(g) ΔH<0的平衡移动图像。判断下列说法是否正确。(1)增大反应物浓度,同时减小生成物浓度。( )(2)增大反应物浓度,同时使用催化剂。( )(3)升高温度,同时加压。( )(4)降低温度,同时减压。( )
√
×
×
×
2.(2021河北卷,13改编)室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+N X+Y;②M+N X+Z。反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图。判断下列说法是否正确。
(1)0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3 mol·L-1·min-1。( )(2)反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变。( )(3)反应①的活化能比反应②的活化能大。( )
×
√
√
角度2化学平衡图像及分析【典例】 (2021广东卷,14)反应X 2Z经历两步:①X→Y;②Y→2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是( )A.a为c(X)随t的变化曲线B.t1时,c(X)=c(Y)=c(Z)C.t2时,Y的消耗速率大于生成速率D.t3后,c(Z)=2c0-c(Y)
D
提示 由题中信息可知,反应X 2Z经历两步:①X→Y;②Y→2Z。图中呈不断减小趋势的a线为X的浓度c随时间t的变化曲线,呈不断增加趋势的曲线为Z的浓度c随时间t的变化曲线,先增加后减小的曲线为Y的浓度c随时间t的变化曲线。X是唯一的反应物,随着反应的发生,其浓度不断减小,a为c(X)随t的变化曲线,A正确;分别代表3种不同物质的曲线相交于t1时刻,t1时c(X)=c(Y)=c(Z),B正确;由题图中信息可知,t2时刻以后,X、Y的浓度仍在不断减小,说明t2时刻两步反应仍在向正反应方向进行,而且反应①生成Y的速率小于反应②消耗Y的速率,即t2时Y的消耗速率大于生成速率,C正确;t3时刻反应①完成,X完全转化为Y,若无反应②发生,则c(Y)=c0,由于反应②Y→2Z的发生,t3时刻Y浓度的变化量为c0-c(Y),变化量之比等于化学计量数之比,则Z的浓度的变化量为2[c0-c(Y)],这种关系在t3后仍成立,D错误。
角度拓展1.(2022湖南怀化二模)在400 ℃和550 ℃条件下,向两个容积恒定的容器中分别充入2 mol N2O和2 mol CO,发生反应:N2O(g)+CO(g) N2(g)+CO2(g)。实验测得两容器中CO与N2的物质的量随时间变化关系如图所示。曲线Ⅰ平衡后的总压强为p1 kPa,曲线Ⅱ平衡后的总压强为p2 kPa。判断下列说法是否正确。
(1)曲线Ⅰ为550 ℃条件下的变化曲线。( )(2)ad段N2O的平均速率为0.015p1 kPa·min-1。( )(3)曲线Ⅱ代表的温度下,该反应的平衡常数Kp= 。( )
×
√
×
提示 (1)曲线Ⅱ先达到平衡,反应速率较快,对应的温度更高,故曲线Ⅱ为550 ℃条件下的变化曲线;(2)曲线Ⅰ表示的是CO的物质的量随时间的变化关系,根据题图可知,ad段CO转化的物质的量为1.4 mol-0.8 mol=0.6 mol,根据恒温恒容时气体的压强之比等于物质的量之比,该反应是气体分子数不变的反应,且平衡后的总压强为p1 kPa,知ad段CO的压强变化为0.15p1 kPa,故v(CO)=v(N2O)= =0.015p1 kPa·min-1;(3)曲线Ⅱ代表550 ℃下N2的物质的量随时间的变化关系,由题图可知,平衡时N2的物质的量为1 mol,故平衡时N2O、CO、N2、CO2四种气体的平衡分压相等,均为0.25p2 kPa,故曲线Ⅱ代表的温度下,该反应的
2.(2022山东枣庄二模)工业上利用S8与CH4为原料制备CS2,发生反应S8(s)4S2(g)、2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g),在密闭容器中,原料投入比为1∶1时,部分物质变化曲线如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)生成CS2的反应为吸热反应。( )(2)一定温度下,气体总压不变反应达平衡状态。( )(3)当温度为450 ℃时,S8转化率为67.5%。( )
×
√
√
提示 (1)随温度升高,甲烷的转化率降低,根据勒夏特列原理可知,该反应的正反应为放热反应;(3)当温度为450 ℃时,甲烷的转化率为98%,S2的体积分数为20%,原料投入比为1∶1,设加入的S8与CH4均为1 mol,则转化的甲烷为1 mol×98%=0.98 mol,设S8转化为x mol,列出三段式: S8(s) 4S2(g)起始量/mol 1 0变化量/mol x 4x平衡量/mol 1-x 4x-1.96
2S2(g) + CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)起始量/mol 1 0 0转化量/mol 1.96 0.98 0.98 1.96平衡量/mol 4x-1.96 0.02 0.98 1.96由S2的体积分数为20%,则 ×100%=20%, 4x-1.96=0.8x+0.2,解得x=0.675,则S8的转化率为67.5%。
专项热考突破
——突破一 命题篇——
新教材新高考 反应速率常数(k)及应用1.反应速率常数(k)表示单位浓度下的化学反应速率,与浓度无关,只受温度影响。通常,反应速率常数越大,反应进行得越快。2.根据化学反应速率常数计算化学平衡常数(K)(1)根据达到平衡时v(正)=v(逆),确定正、逆反应速率常数[k(正)、k(逆)]和反应物、生成物浓度之间的定量关系。(2)根据化学方程式书写平衡常数的表达式,并将k(正)、k(逆)的定量关系代入表达式,确定平衡常数(K)与k(正)、k(逆)的关系,代入数值计算
典例突破1(2022湖南长沙一模)在起始温度均为T ℃、容积均为10 L的密闭容器A(恒温)、B(绝热)中均加入1 mol N2O和4 mol CO,发生反应N2O(g)+CO(g) N2(g)+CO2(g) ΔH<0。已知:k(正)、k(逆)分别是正、逆反应速率常数,v(正)=k(正)·c(N2O)·c(CO),v(逆)=k(逆)·c(N2)·c(CO2),A、B容器中N2O的转化率随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.用CO的浓度变化表示曲线N在0~100 s内的反应速率为4×10-4 mol·L-1·s-1B.曲线N表示B容器中N2O的转化率随时间的变化C.Q点v(正)大于P点v(逆)
答案 C解析 曲线N在100 s时N2O的转化率约为10%,则转化的物质的量为1 mol ×10%=0.1 mol,0~100 s内N2O的反应速率为 =1×10-4 mol·L-1 ·s-1,则有v(CO)=v(N2O)=1×10-4 mol·L-1·s-1,A错误。该反应为放热反应,绝热容器中体系温度上升,平衡逆向移动,N2O的转化率减小,故曲线M表示B容器中N2O的转化率随时间的变化,B错误。Q和P点均未达到平衡状态,反应正向进行,则Q点v(正)大于P点v(逆),C正确。容器A为恒温T ℃,平衡时N2O的转化率为25%,利用容器A可得三段式:
N2O(g)+CO(g) CO2(g) + N2(g)起始量/(mol·L-1) 0.1 0.4 0 0转化量/(mol·L-1) 0.025 0.025 0.025 0.025平衡量/(mol·L-1) 0.075 0.375 0.025 0.025由于反应速率v(正)=k(正)·c(N2O)·c(CO),v(逆)=k(逆)·c(N2)·c(CO2),平衡时
典例突破2(2021海南卷,16节选)溶于水的CO2只有部分转化为H2CO3(aq),大部分以水合CO2的形式存在,水合CO2可用CO2(aq)表示。已知25 ℃时, H2CO3(aq) CO2(aq)+H2O(l)的平衡常数K=600,正反应的速率可表示为v(H2CO3)=k1·c(H2CO3),逆反应的速率可表示为v(CO2)=k2·c(CO2),则k2= (用含k1的代数式表示)。
新材料新情境 “碳中和”与CO2资源化利用新材料 我国政府提出CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现“碳中和”。“碳中和”是使碳排放与碳吸收达平衡,实现二氧化碳相对“零排放”。可通过催化反应实现资源化利用二氧化碳加氢转化为具有高附加值的甲烷(CH4)、甲醇、低碳烯烃和油品(汽柴油)等,实现良好的碳循环,满足可持续发展需求。
思考CO2在固体催化剂表面加氢合成甲烷过程中发生以下两个反应:主反应:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=-156.9 kJ·mol-1副反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.1 kJ·mol-1(1)加氢合成甲烷时,为使反应有较高的反应速率,通常控制温度为500 ℃左右,其主要原因为 。 (2)500 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入4 mol CO2和12 mol H2,初始压强为p,20 min时主、副反应都达到平衡状态,测得c(H2O)=5 mol·L-1,体系压强为 ,则0~20 min内v(CH4)= ,平衡时CH4选择性= (CH4选择性= ×100%,保留至0.1%)。
答案 (1)温度低于500 ℃,反应速率低;温度高于500 ℃,对副反应影响较大,化学平衡向生成CO的方向移动程度增大,不利于甲烷的生成 (2)0.1 mol·L-1·min-1 66.7%解析 (2)500 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入4 mol CO2和12 mol H2,n(总)=4 mol+12 mol=16 mol,初始压强为p,20 min时主、副反应都达到平衡状态,测得c(H2O)=5 mol·L-1,n(H2O)=5 mol,体系压强为 p,则此时气体的总物质的量n(总)平= ×16 mol=12 mol,由于副反应是反应前后气体体积不变的反应,对于主反应,每有1 mol CO2发生反应,气体的物质的量减少2 mol,现在反应后气体的物质的量减少4 mol,主反应消耗2 mol CO2气体,产生2 mol CH4、4 mol H2O,副反应产生1 mol H2O,消耗1 mol CO2气体,
典例突破3(2022北京延庆区一模)在一定温度下,将1 mol CO2和3 mol H2充入容积为1 L的恒容密闭容器中发生反应并达到平衡:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0,测得平衡混合气体中CH3OH的物质的量分数为25%。下列说法不正确的是( )A.平衡混合气体中C原子的物质的量是1 molB.该反应的反应物的总能量高于生成物的总能量C.该反应的化学平衡常数K=D.其他条件相同时,若起始充入2 mol CO2和6 mol H2,达到平衡时CH3OH的物质的量分数大于25%
答案 C解析 根据质量守恒定律可知,1 mol CO2参与反应,平衡时混合气体中C原子的物质的量仍为1 mol,A正确;该反应的ΔH<0,则该反应的反应物的总能量高于生成物的总能量,B正确;利用“三段式法”计算:
——突破二 解题篇——
素养命题+题型突破1.化学反应速率的影响因素及计算(证据推理与模型认知)新高考广东卷、山东卷、河北卷等考查了化学反应速率的影响因素及计算,要求考生能结合浓度、压强、温度、催化剂等对化学反应速率的影响规律,建构理论模型,分析外界条件改变对化学反应速率的影响及结果;结合反应速率常数进行化学反应速率的简单计算,知道反应速率常数与化学平衡常数(K)的关系,侧重考查考生的分析推理能力、简单计算能力。
典例突破1(2022辽宁重点中学协作体模拟)反应 2H2(g)+2NO(g) ══ 2H2O(g)+N2(g)的速率方程为v=k·cα(H2)·cβ(NO),该反应在不同条件下的反应速率如下:
下列说法正确的是( )A.T2
方法点拨(1)依据“控制变量法”,借助“有效碰撞理论”,分析外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学反应速率的影响及结果。(2)依据化学反应速率定义式或结合化学方程式,按比例关系计算化学反应速率。(3)结合速率方程计算不同时刻的反应速率,根据平衡时v(正)=v(逆)(同一物质)计算平衡常数K;若v(正)、v(逆)用不同物质表示,结合化学方程式中物质的化学计量数,建立v(正)、v(逆)的定量关系,求出平衡常数K。
针对训练1(2022湖北黄石二模)硫酸工业中,将SO2氧化为SO3是生产工艺中的重要环节。在温度为T1条件下,在三个容积均为1 L的恒容密闭容器中仅发生反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0,实验测得:v(正)=k(正)·c2(SO2)·c(O2),v(逆)=k(逆)·c2(SO3)。
已知:k(正)、k(逆)为速率常数,仅受温度的影响。下列说法错误的是( )A.达到平衡时,平衡常数和速率常数的关系:B.若容器Ⅱ中达到平衡时 =1,则x=0.45C.容器Ⅲ中达到平衡时,c(O2)>0.25 mol·L-1D.当温度升高为T2时,k(正)、k(逆)分别增大m倍和n倍,则m
2.化学平衡移动及分析(变化观念与平衡思想)新高考广东卷、河北卷、湖北卷等重点考查了化学平衡移动及分析,要求考生能运用浓度、压强、温度对化学反应平衡的影响规律,建构理论分析模型(勒夏特列原理),推测化学平衡移动的方向及浓度、转化率等相关物理量的变化;能利用平衡常数和离子积的关系判断化学反应是否达到平衡状态及平衡移动的方向,讨论化学反应条件的选择和优化。
典例突破2(2022广东佛山二模)一定条件下,在一密闭容器中放入足量的Ni和一定量的CO,发生反应并达到化学平衡:Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g)。已知该反应在25 ℃、80 ℃时的平衡常数分别为5×104和2。下列说法正确的是( )A.加热,该反应的反应速率加快B.上述生成Ni(CO)4的反应为吸热反应C.恒温恒压下,若向容器中再充入少量的Ar,上述平衡将正向移动D.80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO浓度均为0.5 mol·L-1,则此时v(正)>v(逆)
答案 A解析 升高温度加快反应速率,故加热时,该反应速率加快,A正确;反应在25 ℃、80 ℃时的平衡常数分别为5×104和2,可知升高温度平衡逆向移动,正反应为放热反应,B错误;恒温恒压下,若向容器中再充入少量的Ar,容器容积增大,气体浓度减小,则平衡应逆向移动,C错误;80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 mol·L-1,Q= =8>K=2,平衡逆向移动,此时v(正)
针对训练2(2022辽宁铁岭二模)室温下,向圆底烧瓶中加入1 mol C2H5OH和含1 mol HBr的氢溴酸,溶液中发生反应:C2H5OH+HBr C2H5Br+H2O,充分反应后达到平衡。已知常压下,C2H5Br和C2H5OH的沸点分别为38.4 ℃和78.5 ℃。下列有关叙述错误的是( )A.加入NaOH,可增大乙醇的物质的量B.增大HBr浓度,有利于生成C2H5BrC.若反应物均增大至2 mol,则两种反应物平衡转化率之比不变D.若起始温度提高至60 ℃,可缩短反应达到平衡的时间
答案 D解析 加入NaOH,消耗HBr,平衡左移,乙醇的物质的量增大,A正确;增大HBr的浓度,平衡右移,有利于生成溴乙烷,B正确;原反应物按物质的量之比1∶1加入,又因二者反应的化学计量数之比为1∶1,两者的平衡转化率之比为1∶1,若将反应物均增大至2 mol,其平衡转化率之比仍为1∶1,C正确;温度提高至60 ℃,化学反应速率虽然加快,但溴乙烷的沸点较低,会挥发出大量的溴乙烷,导致逆反应速率减小,故无法判断达到平衡的时间,D错误。
3.化学平衡常数和转化率的计算(证据推理与模型认知)新高考广东卷、辽宁卷、湖南卷、河北卷等重点考查了化学平衡常数、平衡转化率、平衡浓度的计算,要求考生能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算,能利用平衡常数(K)和离子积(Q)的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。
典例突破3(2022山东临沂一模)在160 ℃、200 ℃条件下,分别向两个容积为2 L的刚性容器中充入2 mol CO和2 mol N2O,发生反应:CO(g)+N2O(g) CO2(g)+N2(g) ΔH<0。实验测得两容器中CO或N2的物质的量随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.当容器中混合气体的密度不随时间变化时,该反应达到平衡状态B.ac段N2的平均反应速率为0.10 mol·L-1·min-1C.逆反应速率:c>b>dD.160 ℃时,该反应的平衡常数Kp=9
答案 D解析 该反应前后气体的质量不变,故恒温恒容条件下,混合气体的密度不随时间变化,不能说明该反应达到平衡状态,A错误。曲线ac代表N2的物质的量随时间的变化关系,ac段N2的平均反应速率为 =0.05 mol·L-1·min-1,B错误。随着反应的进行,N2的物质的量增大,CO的物质的量减小,故ac曲线表示N2随时间的变化,bd曲线表示CO随时间的变化,由题图可知ac先达到平衡,说明ac对应的温度更高,故逆反应速率c>d;由d点生成物浓度高于b点,故逆反应速率d>b,故逆反应速率:c>d>b,C错误。bd曲线对应温度为160 ℃,由题图数据可知160 ℃时,d点达到平衡,平衡时CO的物质的量为0.5 mol,列出“三段式”分析:
方法点拨利用“三段式法”法计算化学平衡常数和平衡转化率(1)思维模板先确定各物质的起始浓度、转化浓度和平衡浓度,再代入平衡常数表达式进行计算。①反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度。②生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓度。
(2)应用示例以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例,T ℃下,假设A、B起始物质的量浓度分别为a mol·L-1、b mol·L-1,达到平衡时A的转化浓度为mx mol·L-1,则有 mA(g) + nB(g) pC(g) + qD(g)
则T ℃下,该反应的化学平衡常数为 ,平衡时A的转化率为α(A)= ×100%。
针对训练3(2022辽宁东北育才学校三模)丙酮是重要的有机合成原料,可以由过氧化氢异丙苯合成。其反应为
为了提高过氧化氢异丙苯的转化率,反应进行时需及时从溶液体系中移出部分苯酚。过氧化氢异丙苯的转化率随反应时间的变化如图所示。设过氧化氢异丙苯的初始浓度为x mol·L-1,反应过程中的液体体积变化忽略不计。下列说法正确的是( )
A.a、c两点丙酮的物质的量浓度不同B.b、c两点的逆反应速率:v(b)
——突破三 热点专攻——
化学反应原理综合题高考必备1.命题分析新高考广东卷、山东卷、湖北卷、湖南卷、河北卷等都在第Ⅱ卷中考查化学反应原理综合题,此类试题一般以生产科技、环保情境为载体,体现化学在生产、生活和科研等方面的应用,涉及反应热的计算和盖斯定律的应用、化学平衡图像及分析、化学平衡常数的计算、化学反应条件的选择、电解质溶液、电化学等,充分体现新高考对学科素养中“学习掌握”“思维方法”“实践探索”三个维度的综合考查。
2.化学反应原理综合题的考查角度
真题感悟1.(2022山东卷,20)利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD),反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反应,涉及反应如下:
已知:①反应Ⅰ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响;②因反应Ⅰ在高压H2氛围下进行,故H2压强近似等于总压。回答下列问题:
(1)以5.0×10-3 mol BL或BD为初始原料,在493 K、3.0×103 kPa的高压H2氛围下,分别在恒压容器中进行反应。达平衡时,以BL为原料,体系向环境放热X kJ;以BD为原料,体系从环境吸热Y kJ。忽略副反应热效应,反应Ⅰ焓变ΔH(493 K, 3.0×103 kPa)= kJ·mol-1。
图甲
(3)(xBD/xBL)max为达平衡时xBD与xBL的比值。(493 K,2.5×103 kPa)、(493 K, 3.5×103 kPa)、(513 K,2.5×103 kPa)三种条件下,以5.0×10-3 mol BL为初始原料,在相同体积的刚性容器中发生反应, 随时间t变化关系如图乙所示。因反应在高压H2氛围下进行,可忽略压强对反应速率的影响。
图乙
曲线a、b、c中,(xBD/xBL)max最大的是 (填字母);与曲线b相比,曲线c达到 =1.0所需时间更长,原因是 。
答案 (1)-200(X+Y)(2)a或c 8.3×10-8 0.08 39%(3)c 曲线b和曲线c所处的温度相同,压强增大反应Ⅱ、Ⅲ均是逆向移动,(xBD/xBL)max增大,而压强对反应速率的影响可忽略解析 (1)结合已知信息,可推定在同温同压下,以相同物质的量的BL或BD为初始原料,达到的平衡状态相同,即两个平衡完全等效。设正向反应的平衡转化率为α,则加入等量产物平衡时的转化率为1-α,由题目可知计算可得ΔH=-200(X+Y) kJ·mol-1。
2.(2022湖南卷,16)2021年我国制氢量位居世界第一,煤的气化是一种重要的制氢途径。回答下列问题:(1)在一定温度下,向容积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1 mol H2O(g),起始压强为0.2 MPa时,发生下列反应生成水煤气:Ⅰ.C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH1=+131.4 kJ·mol-1Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·mol-1①下列说法正确的是 (填字母); A.平衡时向容器中充入惰性气体,反应Ⅰ的平衡逆向移动B.混合气体的密度保持不变时,说明反应体系已达到平衡C.平衡时H2的体积分数可能大于D.将炭块粉碎,可加快反应速率
②反应平衡时,H2O(g)的转化率为50%,CO的物质的量为0.1 mol。此时,整个体系 (填“吸收”或“放出”)热量 kJ,反应Ⅰ的平衡常数Kp= (以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。 (2)一种脱除和利用水煤气中CO2方法的示意图如下:
①某温度下,吸收塔中K2CO3溶液吸收一定量的CO2后,c( )∶c( )=1∶2,则该溶液的pH= (该温度下H2CO3的 =4.6×10-7, =5.0×10-11); ②再生塔中产生CO2的离子方程式为 ; ③利用电化学原理,将CO2电催化还原为C2H4,阴极反应式为 。
答案 (1)①BD ②吸收 31.2 0.02 Mpa
解析 (1)①向恒容容器中通入惰性气体,对化学平衡不影响,A项错误;因为C是固体,随着反应的进行,恒容容器内气体的质量发生变化,即气体的密度是变量,当气体的密度不再发生改变,说明体系达到平衡状态,B项正确;若1 mol水在两个反应中能完全转化,此时H2所占的体积分数为 ,但由于反应可逆,水蒸气不可能完全转化,C项错误;将炭块粉碎成粉末,可以增大反应物间的接触面积,增大反应速率,D项正确。
②设反应Ⅱ中转化的CO的物质的量为x,则反应Ⅰ中生成的CO的物质的量为0.1 mol+x。则n总(H2)=2x+0.1 mol=0.5 mol,x=0.2 mol。结合反应可知,达到平衡H2O(g)、CO、CO2、H2的物质的量分别为0.5 mol、0.1 mol、0.2 mol、0.5 mol。反应Ⅰ吸收热量为131.4 kJ·mol-1×0.3 mol=39.42 kJ;反应Ⅱ放出热量为41.1 kJ·mol-1×0.2 mol=8.22 kJ;则体系吸收的热量为39.42 kJ-8.22 kJ=31.2 kJ。
方法点拨(1)利用盖斯定律确定热化学方程式或焓变ΔH要做到:①明确待求热化学方程中的反应物和生成物;②处理已知热化学方程式中的化学计量数和焓变;③叠加处理热化学方程式确定答案。(2)对于化学反应速率和化学平衡图像类试题,读懂图像,明确纵横坐标的含义,理解起点、终点、拐点的意义,分析曲线的变化趋势。对于图表数据类试题,分析数据,研究数据间的内在联系,找出数据的变化规律,挖掘数据的隐含意义。
(3)利用“三段式”计算v、α、K时,要特别注意用什么物理量计算,心中要清楚,如计算平衡常数K时,不能用平衡时的物质的量,而应将平衡时的物质的量浓度代入。(4)分析电化学问题时,要先根据题给信息,确定电池的类型及电极名称,再结合原电池原理(或电解原理)判断电极反应及产物,并进行相关推理与计算。
考向预测1.(反应热+化学平衡的综合题)丙烯是制备聚丙烯的单体,在催化剂作用下,可由丙烷直接脱氢或氧化脱氢制得。反应Ⅰ(直接脱氢):C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) ΔH1反应Ⅱ(氧化脱氢):2C3H8(g)+O2(g) 2C3H6(g)+2H2O(g) ΔH2=-236 kJ·mol-1已知:2H2(g)+O2(g) ══ 2H2O(g) ΔH3=-484 kJ·mol-1(1)ΔH1= kJ·mol-1。 (2)向某容器中仅通入C3H8(g),发生反应Ⅰ,达到平衡后,下列措施能提高C3H6(g)的平衡产率的有 (填字母)。 A.恒压下,充入惰性气体 B.加入高效催化剂C.恒容下,充入C3H8 D.适当升高温度
(3)向某恒压密闭容器中通入C3H8(g)和N2(g)的混合气体(N2不参与反应),反应起始时气体的总压强为100 kPa。在温度为T1 ℃时,C3H8(g)的平衡转化率与通入的混合气体中C3H8(g)的物质的量分数的关系如图1所示。
①C3H8的平衡转化率随起始通入C3H8的物质的量分数增大而减小,其原因是 。 ②T1 ℃时,反应Ⅰ的平衡常数Kp= (以分压表示,分压=总压×物质的量分数,保留一位小数)kPa。
(4)向密闭容器中充入一定量丙烷,在催化剂Cat1、Cat2作用下,单位时间内丙烯的产率与温度的关系如图2所示。在相同条件下,催化效率较高的是 (填“Cat1”或“Cat2”)。在Cat2作用下,T0 ℃之后丙烯产率急剧减小的原因可能是 (答一条)。 (5)恒温刚性密闭容器中通入气体分压比为p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)=2∶13∶85的混合气体,已知:某反应条件下仅发生如下反应(k、k'为速率常数):反应Ⅱ:2C3H8(g)+O2(g) 2C3H6(g)+2H2O(g) k反应Ⅲ:2C3H6(g)+9O2(g) 6CO2(g)+6H2O(g) k'实验测得丙烯的净生成速率方程为v(C3H6)=kp(C3H8)-k'p(C3H6),可推测丙烯的浓度随时间的变化趋势为 。
(6)已知:高温下,C—C键断裂的反应比C—H键断裂的脱氢反应容易发生,这将导致C3H6的选择性降低;同时高温加剧催化剂表面积碳,导致催化剂迅速失活。在生产中充入CO2的作用之一是利于保持催化剂活性,其原因是 (用化学方程式表示)。
答案 (1)+124 (2)AD(3)①丙烷物质的量分数增大,相当于对平衡体系加压,平衡向逆反应方向移动 ②16.7(4)Cat1 催化剂失活(或副产物增多、催化剂选择性降低)
(2)恒压下,充入惰性气体,则体系的体积扩大,导致反应体系压强减小,化学平衡向气体体积增大的正反应方向移动,导致C3H6(g)的平衡产率提高,A正确;加入高效催化剂只能加快反应速率,缩短达到平衡所需时间,但化学平衡不移动,C3H6(g)的平衡产率不变,B错误;恒容下,充入C3H8,导致反应体系压强增大,化学平衡逆向移动,最终使C3H6(g)的平衡产率降低,C错误; C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) ΔH1=+124 kJ·mol-1,该反应的正反应是吸热反应,在其他条件不变时,适当升高温度,化学平衡向吸热的正反应方向移动,导致C3H6(g)的平衡产率提高,D正确。
(3)①C3H8的平衡转化率随起始通入C3H8的物质的量分数增大而减小,这是由于丙烷的物质的量分数增大,相当于对平衡体系加压,增大压强,化学平衡向气体体积减小的逆反应方向移动,C3H8的平衡转化率会减小;②温度为T1时,当通入气体中C3H8的物质的量分数为0.4时,反应达到平衡时C3H8的平衡转化率为50%,假设反应开始时通入气体物质的量为a mol,则n(C3H8)=0.4a mol,n(N2)=0.6a mol,根据C3H8平衡转化率为50%,结合反应C3H8(g) C3H6(g)+H2(g)中物质反应转化关系可知平衡时n(C3H8)=0.2a mol,n(C3H6)=n(H2)=0.2a mol,平衡时气体总物质的量n(总)=0.2a mol+0.2a mol+0.2a mol+0.6a mol=1.2a mol,C3H8、C3H6、H2的物质的量分数都是
(4)根据图2可知:在相同条件下,催化效率较高的是Cat1;在Cat2作用下,T0 ℃之后丙烯产率急剧减小的原因可能是温度升高,导致催化剂失活、副产物增多或催化剂选择性降低。(5)在恒温刚性密闭容器中,速率常数k、k'不变。反应开始时通入气体C3H8、O2、N2,体系主要发生反应Ⅱ,c(C3H6)逐渐增大,随着反应的进行,p(C3H8)减小,p(C3H6)增大,体系主要发生反应Ⅲ,c(C3H6)逐渐减小。故丙烯的浓度随时间的变化趋势是:先逐渐增大,后逐渐减小。(6)在生产中充入CO2的作用之一是利于保持催化剂活性,这是由于在高温下CO2能够与C反应产生CO,消耗了在催化剂表面覆盖的碳,有利于催化剂对反应的催化作用,该反应的化学方程式为C+CO2 2CO。
2.(反应热+化学平衡+电化学的综合题)(2022湖北武汉4月调研)我国力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。CO2催化加氢合成二甲醚是一种实现“碳中和”理想的CO2转化方法,该过程中涉及的反应如下:
主反应:2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH副反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH'=+41.2 kJ·mol-1
回答下列问题:(1)主反应通过以下步骤来实现:Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1Ⅱ.2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-23.5 kJ·mol-1则主反应的ΔH= kJ·mol-1。
(2)在恒压、CO2和H2的起始量一定时,CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示,CH3OCH3的选择性
①CO2平衡转化率随温度升高而增大的原因是 。 ②420 ℃时,在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后,测得CH3OCH3的选择性约
为50%。不改变反应时间,一定能提高CH3OCH3选择性的措施有 (填字母)。 A.升高温度 B.增大压强 C.增大c(CO2) D.更换适宜的催化剂
(3)在温度为543 K、原料组成为n(CO2)∶n(H2)=1∶3、初始总压为4 MPa的恒容密闭容器中进行反应,体系达到平衡时CO2的转化率为30%,二甲醚的选择性为50%,则氢气的转化率α(H2)= ;主反应的压强平衡常数Kp= (列出计算式)。 (4)二甲醚燃料电池具有启动快、效率高、能量密度大等优点。若电解质溶液呈碱性、二甲醚燃料电池的负极反应为 。
答案 (1)-122.5(2)①主反应放热,副反应吸热,温度升高使副反应CO2平衡转化率上升幅度大于主反应的下降幅度 ②BD
解析 (1)由盖斯定律可知,Ⅰ×2+Ⅱ得到主反应,则主反应的焓变ΔH=2ΔH1+ΔH2=(-49.5 kJ·mol-1)×2+(-23.5 kJ·mol-1)=-122.5 kJ·mol-1。(2)①主反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,二氧化碳的平衡转化率减小,副反应为吸热反应,升高温度,平衡向正反应方向移动,二氧化碳的平衡转化率增大,所以二氧化碳的平衡转化率随温度升高而增大说明温度升高,使副反应二氧化碳平衡转化率的上升幅度大于主反应的下降幅度;②主反应为气体体积减小的放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,不利于提高二甲醚的选择性,A错误;主反应为气体体积减小的放热反应,副反应为气体体积不变的吸热反应,增大压强,主反应平衡向正反应方向移动,副反应平衡不移动,有利于提高二甲醚的选择性,B正确;增大二氧化碳的浓度,主反应和副反应平衡均向正反应方向移动,不利于提高二甲醚的选择性,C错误;更换适宜的催化剂可以提高二甲醚的选择性,D正确。
(3)设起始CO的物质的量为1 mol、氢气的物质的量为3 mol,由题给数据可建立如下三段式: 2CO2(g) + 6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)起/mol 1 3 0 0变/mol 0.15 0.45 0.075 0.225平/mol 0.85 2.55 0.075 0.225 CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)起/mol 0.85 2.55 0 0.225变/mol 0.15 0.15 0.15 0.15平/mol 0.7 2.4 0.15 0.375
(4)燃料电池中通入二甲醚的电极为负极,碱性条件下二甲醚在负极失去电子发生氧化反应生成碳酸根离子和水,电极反应式为CH3OCH3-12e-+16OH- ══ 2 +11H2O。
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