2024新高考化学第一轮章节复习--专题十一化学反应速率和化学平衡(含答案)
文档属性
| 名称 | 2024新高考化学第一轮章节复习--专题十一化学反应速率和化学平衡(含答案) |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 1.8MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 通用版 | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-09-20 15:11:33 | ||
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文档简介
专题十一 化学反应速率和化学平衡
基础篇
考点一 化学反应速率
1.(2022广东,15,4分)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、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,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
答案 D
2.(2022重庆育才中学二诊,9)某同学在室温下进行下图所示实验。(已知:H2C2O4为二元弱酸)
试管a、b、c中溶液褪色分别耗时690 s、677 s、600 s。下列说法正确的是 ( )
A.反应的离子方程式为2Mn 2Mn2++10CO2↑+8H2O
B.试管c反应至300 s时,溶液中剩余的c(KMnO4)=0.002 5 mol/L
C.对比试管a、b,得到的结论是H2C2O4水溶液浓度增大,反应速率加快
D.对比试管c、d,可验证H+浓度对反应速率的影响
答案 C
3.(2021辽宁,12,3分)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,下列说法错误的是 ( )
A.其他条件相同时,催化剂浓度越大,反应速率越大
B.其他条件相同时,降冰片烯浓度越大,反应速率越大
C.条件①,反应速率为0.012 mol·L-1·min-1
D.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
答案 B
4.(2022浙江1月选考,19,2分)在恒温恒容条件下,发生反应A(s)+2B(g) 3X(g),c(B)随时间的变化如图中曲线甲所示。下列说法不正确的是 ( )
A.从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率
B.从b点切线的斜率可求得该化学反应在反应开始时的瞬时速率
C.在不同时刻都存在关系:2v(B)=3v(X)
D.维持温度、容积、反应物起始的量不变,向反应体系中加入催化剂,c(B)随时间变化关系如图中曲线乙所示
答案 C
5.(2023届河南安阳10月调研,9)乳酸乙酯(CH3CHOHCOOC2H5)在碱性条件下发生水解反应:CH3CHOHCOOC2H5+OH- CH3CHOHCOO-+C2H5OH。两种反应物的初始浓度均为0.10 mol·L-1,在一定温度下,测得CH3CHOHCOOC2H5的转化率α随时间t变化的曲线如图所示(忽略溶液体积变化)。下列说法错误的是 ( )
A.600 s时,正反应速率等于逆反应速率
B.500 s时,乳酸根离子的浓度为0.03 mol·L-1
C.0~200 s内用乳酸乙酯表示的水解速率是2.5×10-4 mol·L-1·s-1
D.加入少量NaOH固体后,若温度不变,该反应的化学平衡常数不变
答案 B
6.(2023届江西赣抚吉11校联考,10)某化学小组欲测定酸性条件下KClO3溶液与NaHSO3溶液反应的化学反应速率,所用的试剂为10 mL 0.1 mol·L-1 KClO3溶液和10 mL 0.3 mol·L-1 NaHSO3溶液,所得c(Cl-)随时间变化的曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.该反应的离子方程式为Cl
B.该反应在0~4 min的平均反应速率v(NaHSO3)=2.5×10-3 mol·L-1·min-1
C.在反应过程中,该反应的化学反应速率变化趋势为先增大后减小
D.起初反应很慢,一段时间后反应速率明显增大,一定是反应放热温度升高的结果
答案 C
7.(2021浙江6月选考,20,2分)一定温度下,在N2O5的四氯化碳溶液(100 mL)中发生分解反应:2N2O5 4NO2+O2。在不同时刻测量放出的O2体积,换算成N2O5浓度如下表:
t/s 0 600 1 200 1 710 2 220 2 820 x
c(N2O5)/ (mol·L-1) 1.40 0.96 0.66 0.48 0.35 0.24 0.12
下列说法正确的是 ( )
A.600~1 200 s,生成NO2的平均速率为5.0×10-4 mol·L-1·s-1
B.反应2 220 s时,放出的O2体积为11.8 L(标准状况)
C.反应达到平衡时,v正(N2O5)=2v逆(NO2)
D.推测上表中的x为3 930
答案 D
8.(2022河北秦皇岛三模,9)一定温度下,在容积为1 L的恒容密闭容器中发生反应X(g)+2Y(g) Z(g) ΔH;各物质的物质的量随时间变化如下表。
时间/min 0 t 2t 3t 4t
n(X)/mol 2 0.4
n(Y)/mol 4 0.8
n(Z)/mol 0 1.4
下列说法正确的是 ( )
A.若升高温度,X(g)的平衡转化率减小,则该反应的ΔH>0
B.0~3t min内,v(Z)= mol·L-1·min-1
C.单位时间内消耗X(g)和生成Z(g)的物质的量相等,说明该反应达到平衡
D.其他条件不变,增大Y(g)的浓度,平衡正向移动,该反应的平衡常数增大
答案 B
9.(2022浙江6月选考,20,2分)恒温恒容的密闭容器中,在某催化剂表面上发生氨的分解反应:2NH3(g) N2(g)+3H2(g)。测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨浓度随时间的变化,如下表所示。下列说法不正确的是 ( )
A.实验①,0~20 min,v(N2)=1.00×10-5 mol·L-1·min-1
B.实验②,60 min时处于平衡状态,x≠0.40
C.相同条件下,增加氨气的浓度,反应速率增大
D.相同条件下,增加催化剂的表面积,反应速率增大
答案 C
10.(2022辽宁辽阳二模,12)在温度为500 ℃时,将2 mol M(g)通入2 L恒容密闭容器中,恒温条件下发生反应2M(g) P(g)+Q(g),反应一段时间后,测得容器中部分组分的物质的量如表所示。下列有关描述正确的是 ( )
时间/s 20 30 40
n(M)/mol 1.0 0.8
n(P)/mol 0.6
A.反应到20 s时,用P(g)表示的平均反应速率为0.025 mol·L-1·s-1
B.平衡后再向容器中加入1 mol M(g),再达平衡时M(g)的转化率降低
C.该反应在30 s时,v(M)分解=v(P)生成
D.若在600 ℃时反应,平衡常数K=0.625,则该反应的正反应为吸热反应
答案 D
11.(2021重庆,12,3分)甲异腈(CH3NC)在恒容密闭容器中发生异构化反应:CH3NC(g) CH3CN(g)。反应过程中甲异腈浓度c随时间t的变化曲线如图所示(图中T为温度)。该反应的反应速率v与c的关系为v=kc,k为速率常数(常温下为常数),a点和b点反应速率相等,即v(a)=v(b)。下列说法错误的是 ( )
A.bf段的平均反应速率为1.0×10-4 mol/(L·min)
B.a点反应物的活化分子数多于d点
C.T1>T2
D.3v(d)=2v(e)
答案 C
12.(2022北京,14,3分)CO2捕获和转化可减少CO2排放并实现资源利用,原理如图1所示。反应①完成之后,以N2为载气,将恒定组成的N2、CH4混合气,以恒定流速通入反应器,单位时间流出气体各组分的物质的量随反应时间变化如图2所示。反应过程中始终未检测到CO2,在催化剂上检测到有积炭。下列说法不正确的是 ( )
图1 图2
A.反应①为CaO+CO2 CaCO3;反应②为CaCO3+CH4 CaO+2CO+2H2
B.t1~t3,n(H2)比n(CO)多,且生成H2的速率不变,推测有副反应CH4 C+2H2
C.t2时刻,副反应生成H2的速率大于反应②生成H2的速率
D.t3之后,生成CO的速率为0,是因为反应②不再发生
答案 C
13.(2022辽宁,12,3分)某温度下,在1 L恒容密闭容器中2.0 mol X发生反应2X(s) Y(g)+2Z(g),有关数据如下:
时间段/min 产物Z的平均生成速率/mol·L-1·min-1
0~2 0.20
0~4 0.15
0~6 0.10
下列说法错误的是 ( )
A.1 min时,Z的浓度大于0.20 mol·L-1 B.2 min时,加入0.20 mol Z,此时v正(Z)C.3 min时,Y的体积分数约为33.3% D.5 min时,X的物质的量为1.4 mol
答案 B
考点二 化学平衡
1.(2023届云南昆明一中摸底,15)恒温恒容密闭容器中投入一定量的C(s)和H2O(g)发生反应:C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)。下列不能判断反应达到平衡的是 ( )
A.气体密度不随时间变化 B.气体压强不随时间变化
C.[n(H2O)+n(H2)]不随时间变化 D.v正(H2O)=v逆(CO)≠0
答案 C
2.(2022海南,8,2分)某温度下,反应CH2 CH2(g)+H2O(g) CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡。下列说法正确的是 ( )
A.增大压强,v正>v逆,平衡常数增大
B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大
C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动
D.恒容下,充入一定量的CH2 CH2(g),CH2 CH2(g)的平衡转化率增大
答案 C
3.(2021北京,10,3分)NO2和N2O4存在平衡:2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0。下列分析正确的是 ( )
A.1 mol平衡混合气体中含1 mol N原子
B.断裂2 mol NO2中的共价键所需能量小于断裂1 mol N2O4中的共价键所需能量
C.恒温时,缩小容积,气体颜色变深,是平衡正向移动导致的
D.恒容时,水浴加热,由于平衡正向移动导致气体颜色变浅
答案 B
4.(2023届黑龙江哈尔滨学业监测,10)密闭容器中,一定量的混合气体发生反应:aA(g)+bB(g) cC(g)。平衡时测得A的浓度为0.8 mol/L。保持温度不变,将容器的容积扩大到原来的两倍,再次达到平衡时,测得A的浓度降低为0.5 mol/L。下列有关判断正确的是 ( )
A.a+b0
C.B的转化率增大 D.C的体积分数减小
答案 D
5.(2023届安徽蚌埠质检一,13)CO2在一定条件下催化加氢生成CH3OH,主要发生三个竞争反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.0 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH2=-165.0 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g) ΔH3=-122.7 kJ·mol-1
为分析催化剂对反应的选择性,在1 L恒容密闭容器中充入一定量的CO2和H2,测得反应进行相同时间后,有关物质的物质的量随温度变化如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.该催化剂在较低温度时主要选择反应Ⅱ
B.温度过高,三种含碳产物的物质的量会迅速降低,可能原因是催化剂活性降低
C.减小碳氢比[n(CO2)∶n(H2)],生成CH3OH的反应正向移动,平衡常数增大
D.当混合气体的平均摩尔质量不变时,体系达到平衡
答案 C
6.(2021辽宁,11,3分)某温度下,在恒容密闭容器中加入一定量X,发生反应2X(s) Y(s)+Z(g),一段时间后达到平衡。下列说法错误的是 ( )
A.升高温度,若c(Z)增大,则ΔH>0
B.加入一定量Z,达新平衡后m(Y)减小
C.加入等物质的量的Y和Z,达新平衡后c(Z)增大
D.加入一定量氩气,平衡不移动
答案 C
7.(2022福建南平三模,6)110 ℃时,将某X固体置于真空恒温恒容容器中,存在平衡:X(s) M(s)+Y(g)+Z(g)。反应达平衡时体系的总压为50 kPa。下列说法正确的是 ( )
A.加入X固体的量不影响平衡
B.若先通入Y(g)使初始压强为120 kPa,再加入足量X(s),平衡时Z(g)的分压为5 kPa
C.若原容器中残留有空气,平衡时体系的总压仍为50 kPa
D.增大X(s)的表面积,正反应速率增大,平衡向正反应方向移动
答案 B
8.(2022广东,13,4分)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<0
B.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
答案 C
9.(2023届辽宁鞍山质检一,13)某温度下,在1 L恒容密闭容器中投入10 mol N2O5发生反应N2O5(g) N2O(g)+2O2(g),有关数据如下表所示。下列说法正确的是 ( )
时间/s 0~10 10~20 20~30 30~40
产物O2的平均生成速率/mol·L-1·s-1 0.20 0.16 0.10 0.00
A.O2的平均生成速率越来越小是因为容器的压强越来越小
B.15 s若向体系中充入N2O平衡一定逆向移动
C.20 s时N2O5的转化率为8%
D.35 s时,向体系中充入N2O5,再次平衡时,其体积分数将增大
答案 D
10.(2023届安徽质检一,13)已知一定条件下,氢气与一氧化碳发生反应的热化学方程式为CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH。向体积为2 L的恒容密闭容器中充入3 mol H2和1 mol CO,2 h后,测得CO的转化率随温度变化关系如图。下列选项中正确的是 ( )
A.正反应为吸热反应,ΔH>0
B.a、c两点对应条件下,反应进行的平均速率相等
C.延长反应时间至3 h,c点对应条件下CO的转化率升高
D.b点对应条件下,向容器中继续通入1 mol He(g)、3 mol H2(g)和1 mol CO(g),达到平衡状态后,c(H2)∶c(CO)=3∶1
答案 D
11.(2023届云南师大附中月考,13)在一恒压密闭容器中加入足量的碳,并充入0.2 mol CO2气体,发生反应:C(s)+CO2(g) 2CO(g)。反应达平衡时lg[][p(CO)、p(CO2)分别为体系中CO、CO2的平衡分压]随温度的变化关系如图所示。
下列说法错误的是 ( )
A.该反应为吸热反应
B.向X点对应的平衡体系中再充入CO、CO2各1 mol,平衡逆向移动
C.980 K时,CO2的平衡转化率约为33.3%
D.增大容器的体积有利于提高CO2的平衡转化率
答案 B
12.(2022重庆三调,13)利用CO2催化加氢可制乙烯,反应为2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g) ΔH<0。在两个恒容密闭容器中,分别加入2 mol CO2、4 mol H2,分别选用两种催化剂,反应进行相同时间,测得CO2转化率随反应温度的变化如下图所示。下列说法正确的是 ( )
A.使用催化剂Ⅰ时反应的活化能高于催化剂Ⅱ
B.温度高于T4,CO2转化率降低的原因一定是催化剂活性降低
C.b、d两状态下,化学反应速率相等
D.T5温度下充入稀有气体,CO2转化率不变
答案 D
13.(2022河北唐山三模,11)利用间接转化法可将氮氧化物转化为化工产品以实现氮氧化物的充分利用。
已知:①2NO(g)+2ICl(g) 2NOCl(g)+I2(g) ΔH1;
②2NOCl(g) 2NO(g)+Cl2(g) ΔH2;
③I2(g)+Cl2(g) 2ICl(g) ΔH3。
若某温度下,向V L密闭容器中加入2 mol NO和2 mol ICl发生上述反应,达平衡时容器中NOCl(g)为a mol,Cl2为b mol。下列说法不正确的是 ( )
A.若升高温度NOCl的物质的量增大,则ΔH1>0且ΔH2<0
B.此时I2的浓度为 mol·L-1
C.若该密闭容器中气体颜色保持不变,说明各反应已达平衡状态
D.NO的净转化率为×100%
答案 A
14.(2022海南,16,10分)某空间站的生命保障系统功能之一是实现氧循环。其中涉及反应:
CO2(g)+4H2(g) 2H2O(g)+CH4(g)
回答问题:
(1)已知:电解液态水制备1 mol O2(g),电解反应的ΔH=+572 kJ·mol-1。由此计算H2(g)的燃烧热(焓)ΔH= kJ·mol-1。
(2)已知:CO2(g)+4H2(g) 2H2O(g)+CH4(g)的平衡常数(K)与反应温度(t)之间的关系如图1所示。
图1
①若反应为基元反应,且反应的ΔH与活化能(Ea)的关系为|ΔH|>Ea。补充完成该反应过程的能量变化示意图(图2)。
图2
②某研究小组模拟该反应。温度t下,向容积为10 L的抽空的密闭容器中通入0.1 mol CO2和0.4 mol H2,反应平衡后测得容器中n(CH4)=0.05 mol。则CO2的转化率为 ,反应温度t约为 ℃。
(3)在相同条件下,CO2(g)与H2(g)还会发生不利于氧循环的副反应:
CO2(g)+3H2(g) H2O(g)+CH3OH(g)
在反应器中按n(CO2)∶n(H2)=1∶4通入反应物,在不同温度、不同催化剂条件下,反应进行到2 min时,测得反应器中CH3OH、CH4浓度(μmol·L-1)如下表所示。
催化剂 t=350 ℃ t=400 ℃
c(CH3OH) c(CH4) c(CH3OH) c(CH4)
催化剂Ⅰ 10.8 12 722 345.2 42 780
催化剂Ⅱ 9.2 10 775 34 38 932
在选择使用催化剂Ⅰ和350 ℃条件下反应,0~2 min生成CH3OH的平均反应速率为 μmol·L-1·min-1;若某空间站的生命保障系统实际选择使用催化剂Ⅱ和400 ℃的反应条件,原因是 。
答案 (1)-286
(2)①
②50% 660.2(或660.1或660.3,其他合理答案也可)
(3)5.4 相同催化剂,400 ℃的反应速率更快;相同温度,催化剂Ⅱ副产物浓度低,甲烷的比例高
15.(2022辽宁,17节选)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖,其反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1 ΔS=-200 J·K-1·mol-1
回答下列问题:
(1)合成氨反应在常温下 (填“能”或“不能”)自发进行。
(2) 温(填“高”或“低”,下同)有利于提高反应速率, 温有利于提高平衡转化率,综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素,工业常采用400~500 ℃。
针对反应速率与平衡产率的矛盾,我国科学家提出了两种解决方案。
(3)方案一:双温—双控—双催化剂。使用Fe-TiO2-xHy双催化剂,通过光辐射产生温差(如体系温度为495 ℃时,Fe的温度为547 ℃,而TiO2-xHy的温度为415 ℃)。
下列说法正确的是 。
a.氨气在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡产率
b.在“热Fe”表面断裂,有利于提高合成氨反应速率
c.“热Fe”高于体系温度,有利于提高氨的平衡产率
d.“冷Ti”低于体系温度,有利于提高合成氨反应速率
(4)方案二:M-LiH复合催化剂。
下列说法正确的是 。
a.300 ℃时,复合催化剂比单一催化剂效率更高
b.同温同压下,复合催化剂有利于提高氨的平衡产率
c.温度越高,复合催化剂活性一定越高
(5)某合成氨速率方程为v=kcα(N2)cβ(H2)cγ(NH3),根据表中数据,γ= ;
实验
1 m n p q
2 2m n p 2q
3 m n 0.1p 10q
4 m 2n p 2.828q
在合成氨过程中,需要不断分离出氨的原因为 。
a.有利于平衡正向移动
b.防止催化剂中毒
c.提高正反应速率
答案 (1)能 (2)高 低 (3)ab
(4)a (5)-1 a
考点三 化学平衡常数及其相关计算 化学反应的方向
1.(2022天津和平一模,6)对于反应4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g),下列说法正确的是 ( )
A.该反应ΔS>0
B.使用催化剂能降低该反应的ΔH
C.反应中每消耗1 mol O2转移电子数约为4×6.02×1023
D.反应的平衡常数K=
答案 C
2.(2022浙江1月选考,20,2分)AB型强电解质在水中的溶解(可视作特殊的化学反应)表示为AB(s) An+(aq)+Bn-(aq),其焓变和熵变分别为ΔH和ΔS。对于不同组成的AB型强电解质,下列说法正确的是( )
A.ΔH和ΔS均大于零
B.ΔH和ΔS均小于零
C.ΔH可能大于零或小于零,ΔS大于零
D.ΔH和ΔS均可能大于零或小于零
答案 D
3.(2022江苏,10,3分)用尿素水解生成的NH3催化还原NO,是柴油机车辆尾气净化的主要方法。反应为4NH3(g)+O2(g)+4NO(g) 4N2(g)+6H2O(g)
下列说法正确的是 ( )
A.上述反应ΔS<0
B.上述反应平衡常数K=
C.上述反应中消耗1 mol NH3,转移电子的数目为2×6.02×1023
D.实际应用中,加入尿素的量越多,柴油机车辆排放的尾气对空气污染程度越小
答案 B
4.(2022江西赣州期末,13)某温度下,在2 L恒容密闭容器中,加入3 mol A和2 mol B进行反应:3A(g)+2B(g) 4C( )+2D( )。反应5 min后达到平衡,测得反应前后的压强之比为25∶26。下列说法不正确的是 ( )
A.该温度下,该反应的平衡常数表达式为K=
B.该条件下反应到达平衡,v(A)=0.06 mol/(L·min)
C.该条件下,在该容器中继续投入3 mol A和2 mol B,反应物的转化率增大
D.温度不变,增大压强,平衡逆向移动,化学平衡常数K不变
答案 C
5.(2020北京,10,3分)一定温度下,反应I2(g)+H2(g) 2HI(g)在密闭容器中达到平衡时,测得c(I2)=0.11 mmol·L-1、c(H2)=0.11 mmol·L-1、c(HI)=0.78 mmol·L-1。相同温度下,按下列4组初始浓度进行实验,反应逆向进行的是 ( )
A B C D
c(I2)/mmol·L-1 1.00 0.22 0.44 0.11
c(H2)/mmol·L-1 1.00 0.22 0.44 0.44
c(HI)/mmol·L-1 1.00 1.56 4.00 1.56
(注:1 mmol·L-1=10-3 mol·L-1)
答案 C
6.(2022重庆主城区二模,12)利用CO2和H2合成乙烯:2CO2(g)+6H2(g) CH2CH2(g)+4H2O(g) ΔH。在恒容密闭容器中,起始压强相同,反应温度、投料比[=x]对CO2平衡转化率的影响如图所示。
下列推断正确的是 ( )
A.a<3 B.ΔH>0 C.vM(正)>vN(逆) D.KM>KN
答案 D
7.(2022湖南,14,4分)(双选)向体积均为1 L的两恒容容器中分别充入2 mol X和1 mol Y发生反应:2X(g)+Y(g) Z(g) ΔH。其中甲为绝热过程,乙为恒温过程,两反应体系的压强随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.ΔH>0 B.气体的总物质的量:naC.a点平衡常数:K>12 D.反应速率:va正答案 BC
8.(2022天津南开期末,6)NO与CO是燃油汽车尾气中的两种有害气体,常温常压下它们之间的反应如下:
CO(g)+NO(g) CO2(g)+N2(g) ΔH=-374.3 kJ·mol-1 K=2.5×1060,反应速率较小。有关该反应的说法正确的是 ( )
A.K很大,NO与CO在排入大气之前就已反应完全
B.增大压强,平衡将向右移动,K>2.5×1060
C.升高温度,既增大反应速率又增大K
D.选用适宜催化剂可达到尾气排放标准
答案 D
9.(2022北京海淀一模,13)合成氨原料气中的CO可通过水煤气变换反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)除去。某合成氨原料气中N2、H2、CO、CO2的体积分数分别为20%、50%、25%、5%。一定温度下按不同投料比[]通入水蒸气,平衡后混合气体中CO的体积分数如下表。
下列说法不正确的是 ( )
A.从表中数据可知,水煤气变换反应的ΔH<0
B.温度相同时,投料比越大,CO的转化率越高
C.按=1通入水蒸气后,反应前CO在混合气体中的体积分数为20%
D.根据=1时的数据推算,300 ℃时水煤气变换反应的平衡常数K为46
答案 D
10.(2022河北,16节选)(2)工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气,体系中发生如下反应:
Ⅰ CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
Ⅱ CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
①下列操作中,能提高CH4(g)平衡转化率的是 (填标号)。
A.增加CH4(g)用量 B.恒温恒压下通入惰性气体
C.移除CO(g) D.加入催化剂
②恒温恒压条件下,1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)反应达平衡时,CH4(g)的转化率为α,CO2(g)的物质的量为b mol,则反应Ⅰ的平衡常数Kx= [写出含有α、b的计算式;对于反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),Kx=,x为物质的量分数]。其他条件不变,H2O(g)起始量增加到5 mol,达平衡时α=0.90,b=0.65,平衡体系中H2(g)的物质的量分数为 (结果保留两位有效数字)。
(3)氢氧燃料电池中氢气在 (填“正”或“负”)极发生反应。
(4)在允许O2-自由迁移的固体电解质燃料电池中,CnH2n+2放电的电极反应式为 。
答案 (2)①BC
② 0.43
(3)负
(4)CnH2n+2-(6n+2)e-+(3n+1)O2- nCO2+(n+1)H2O
11.(2021湖南,16,14分)氨气中氢含量高,是一种优良的小分子储氢载体,且安全、易储运,可通过下面两种方法由氨气得到氢气。
方法Ⅰ.氨热分解法制氢气
相关化学键的键能数据
化学键 H—H N—H
键能E/(kJ·mol-1) 946 436.0 390.8
在一定温度下,利用催化剂将NH3分解为N2和H2。回答下列问题:
(1)反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH= kJ·mol-1;
(2)已知该反应的ΔS=198.9 J·mol-1·K-1,在下列哪些温度下反应能自发进行 (填标号);
A.25 ℃ B.125 ℃ C.225 ℃ D.325 ℃
(3)某兴趣小组对该反应进行了实验探究。在一定温度和催化剂的条件下,将0.1 mol NH3通入3 L的密闭容器中进行反应(此时容器内总压为200 kPa),各物质的分压随时间的变化曲线如图所示。
①若保持容器体积不变,t1时反应达到平衡,用H2的浓度变化表示0~t1时间内的反应速率v(H2)= mol·L-1·min-1(用含t1的代数式表示);
②t2时将容器体积迅速缩小至原来的一半并保持不变,图中能正确表示压缩后N2分压变化趋势的曲线是 (用图中a、b、c、d表示),理由是
;
③在该温度下,反应的标准平衡常数K = [已知:分压=总压×该组分物质的量分数,对于反应dD(g)+eE(g)gG(g)+hH(g) K =,其中p =100 kPa,pG、pH、pD、pE为各组分的平衡分压]。
方法Ⅱ.氨电解法制氢气
利用电解原理,将氨转化为高纯氢气,其装置如图所示。
(4)电解过程中OH-的移动方向为 (填“从左往右”或“从右往左”);
(5)阳极的电极反应式为 。
答案 (1)+90.8 (2)CD (3)①
②b 体积压缩一半瞬间,N2压强变大(为80 kPa),该反应为气体分子数增大的反应,加压平衡逆向移动,N2的分压随着平衡逆向移动而变小 ③0.48 (4)从右往左 (5)2NH3-6e-+6OH- N2+6H2O
12.(2020山东,18,12分)探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素,有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH2=-90.4 kJ·mol-1
Ⅲ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH3
回答下列问题:
(1)ΔH3= kJ·mol-1。
(2)一定条件下,向体积为V L的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a mol, CO为b mol,此时H2O(g)的浓度为
mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为 。
(3)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图所示。
已知:CO2的平衡转化率=×100%
CH3OH的平衡产率=×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图 (填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为 ;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是 。
(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为 (填标号)。
A.低温、高压 B.高温、低压 C.低温、低压 D.高温、高压
答案 (1)+40.9
(2)
(3)乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响
(4)A
综合篇
综合 分压平衡常数(Kp)的计算
1.(2019课标Ⅱ,27节选)环戊二烯()是重要的有机化工原料,广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题:
(1)已知:(g) (g)+H2(g) ΔH1=100.3 kJ·mol-1 ①
H2(g)+I2(g) 2HI(g) ΔH2=-11.0 kJ·mol-1 ②
对于反应:
(g)+I2(g) (g)+2HI(g) ③ ΔH3= kJ·mol-1。
(2)某温度下,等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应③,起始总压为105 Pa,平衡时总压增加了20%,环戊烯的转化率为 ,该反应的平衡常数Kp= Pa。达到平衡后,欲增加环戊烯的平衡转化率,可采取的措施有 (填标号)。
A.通入惰性气体 B.提高温度 C.增加环戊烯浓度 D.增加碘浓度
(3)环戊二烯容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应。不同温度下,溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示,下列说法正确的是 (填标号)。
A.T1>T2
B.a点的反应速率小于c点的反应速率
C.a点的正反应速率大于b点的逆反应速率
D.b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L-1
答案 (1)+89.3 (2)40% 3.56×104 BD (3)CD
2.(2020课标Ⅲ,28,14分)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:
(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)= 。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4) (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。
图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是 、 。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH 0(填“大于”或“小于”)。
(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp= (MPa)-3(列出计算式。以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当 。
答案 (1)1∶4 变大 (2)d c 小于
(3)等
(4)选择合适催化剂等
3.(2023届重庆巴蜀中学月考三,17)煤制甲醇工艺是煤高效利用的途径之一,生产工艺如图所示:
(1)“煤气化”涉及反应:C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH=+135 kJ·mol-1。气化剂为H2O(g)和O2(g),关于“煤气化”的说法正确的是 (填序号)。
A.适量的氧气浓度有利于水煤气的生成
B.适当降低水氧比有利于提高碳的转化率
C.氧气的百分含量越高,对煤气化反应越有利
D.煤气化反应会产生灰分和未反应的碳,故煤气化反应过程不适合使用催化剂
(2)甲醇合成过程中涉及的主要反应如下:
反应Ⅰ:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH1=-90.94 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.47 kJ·mol-1
反应Ⅲ:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3
①反应Ⅰ在 (填“高温”或“低温”)下能自发进行。
②ΔH3= kJ·mol-1。
③若要大幅度提高单位时间内反应Ⅱ的选择性,可采取的最佳措施是 。
④反应Ⅲ中,调控反应条件,CO和·OH(羟基自由基)在催化剂上相互作用得到CO2和H的氧化还原机理和羧基机理如图所示:
若仅从第一步来看, (填“氧化还原机理”或“羧基机理”)对合成更有利,但最终选择另一反应机理途径的原因是 。
⑤在一定温度下,向2 L刚性容器中充入1 mol CO2和3 mol H2,初始压强为3.2 MPa,5 min后体系达到平衡状态,此时容器中含有0.5 mol CH3OH和0.3 mol CO,则5 min时,H2O的浓度是 mol·L-1,反应Ⅰ的平衡常数Kp为 。
答案 (1)AB (2)①低温 ②-41.47
③增大CO2浓度 ④羧基机理 氧化还原机理中第二步活化能更低 ⑤0.4 1.81(MPa)-2
4.(2023届山西大同一调,17)随着我国碳达峰、碳中和目标的确定,二氧化碳资源化利用备受关注。
Ⅰ.以CO2和NH3为原料合成尿素的反应如下:2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH=-87 kJ/mol。
研究发现,合成尿素的反应分两步完成,其能量变化如图甲所示:
第一步:2NH3(g)+CO2(g) H2NCOONH4(s) ΔH1
第二步:H2NCOONH4(s) CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH2
(1)图中ΔE= kJ/mol。
(2)反应速率较快的是 反应(填“第一步”或“第二步”),理由是 。
图甲
Ⅱ.以CO2和CH4催化重整制备合成气:CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)。在密闭容器中通入物质的量均为0.2 mol的CH4和CO2在一定条件下发生反应,CH4的平衡转化率随温度、压强的变化关系如图乙所示。
图乙
(3)由图乙可知,压强p1 p2(填“>”“<”或“=”)。
(4)已知气体分压=气体总压×气体的物质的量分数,用平衡分压代替平衡浓度可以得到平衡常数Kp,则X点对应温度下的Kp= (用含p2的代数式表示)。
Ⅲ.以CO2和H2催化合成乙烯:6H2(g)+2CO2(g) CH2CH2(g)+4H2O(g) ΔH<0。
(5)在一定压强下,将1 mol CO2和3 mol H2加入1 L容积不变的密闭容器中,已知温度对CO2的平衡转化率、实际转化率和催化剂催化效率的影响如图丙所示,结合图像分析该反应实际反应温度定于250 ℃的原因: 。
图丙
答案 (1)72.5 (2)第一步 第一步反应的活化能小于第二步反应的活化能 (3)< (4) (5)当温度低于250 ℃时,随着温度升高,催化剂活性增强,催化效率升高,反应速率加快,二氧化碳的实际转化率变大;当温度高于250 ℃时,随着温度升高,催化剂活性降低,催化效率降低,反应速率变慢,实际转化率变小(或温度为250 ℃时催化剂效率和二氧化碳的实际转化率均较高)
5.(2022全国甲,28,14分)金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途。目前生产钛的方法之一是将金红石(TiO2)转化为TiCl4,再进一步还原得到钛。回答下列问题:
(1) TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1 000 ℃时反应的热化学方程式及其平衡常数如下:
(ⅰ)直接氯化:
TiO2(s)+2Cl2(g) TiCl4(g)+O2(g) ΔH1=172 kJ·mol-1,=1.0×10-2
(ⅱ)碳氯化:
TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s) TiCl4(g)+2CO(g) ΔH2=-51 kJ·mol-1,=1.2×1012 Pa
①反应2C(s)+O2(g) 2CO(g)的ΔH为 kJ·mol-1,Kp= Pa。
②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化,其原因是 。
③对于碳氯化反应:增大压强,平衡 移动(填“向左”“向右”或“不”);温度升高,平衡转化率 (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
①反应C(s)+CO2(g) 2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)= Pa。
②图中显示,在200 ℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4,但实际生产中反应温度却远高于此温度,其原因是 。
(3)TiO2碳氯化是一个“气—固—固”反应,有利于TiO2-C“固—固”接触的措施是 。
答案 (1)①-223 1.2×1014 ②碳氯化反应熵增、放热且平衡常数远大于105 Pa
③向左 变小
(2)①7.2×105 ②为了提高反应速率,在相同时间内得到更多的TiCl4产品,提高效益
(3)搅拌或研磨固体成粉
6.(2022黑龙江哈尔滨三中三模,28节选)Xe和F2反应可得三种氟化物,视反应条件而定。下图表述的是将一定浓度的Xe和F2投入密闭容器中得到的生成物在平衡体系内的分压与反应温度的关系。
氟氙化合物生成反应的热力学数据如下表所示:
标准平衡常数 化学反应
523 K 673 K
①Xe(g)+F2(g) XeF2(g) 8.80×104 3.60×102
②Xe(g)+2F2(g) XeF4(g) 1.07×108 1.98×103
③Xe(g)+3F2(g) XeF6(g) 1.01×108 36
[已知:分压=总压×该组分物质的量分数,对于反应dD(g)+eE(g) gG(g)+hH(g),,其中pθ=100 kPa,pG、pH、pD、pE为各组分的平衡分压]。
(1)Xe和F2生成XeF6和XeF4,哪个反应放热更多 生成 (填“XeF6”或“XeF4”)的反应放热更多,理由是 。
(2)为有效制备XeF2应 投料中F2/Xe的比值(填“提高”或“降低”)。
(3)523 K时,反应XeF4(g)+F2(g) XeF6(g)的标准压强平衡常数= (保留两位有效数字)。平衡时,F2的分压在 kPa(取整数)以上时,可使XeF6与XeF4分压的比值大于10。
(4)523K时,是否容易发生歧化反应2XeF4(g) XeF6(g)+XeF2(g) 说明理由: 。
答案 (1)XeF6 升高相同温度,生成XeF6的反应平衡常数减小的多 (2)提高
(3)0.94 1 064
(4)不能,因为XeF4很难向XeF2转化
7.(2022全国乙,28,15分)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢,需要回收处理并加以利用。回答下列问题:
(1)已知下列反应的热化学方程式:
①2H2S(g)+3O2(g) 2SO2(g)+2H2O(g) ΔH1=-1 036 kJ·mol-1
②4H2S(g)+2SO2(g) 3S2(g)+4H2O(g) ΔH2=94 kJ·mol-1
③2H2(g)+O2(g) 2H2O(g) ΔH3=-484 kJ·mol-1
计算H2S热分解反应④2H2S(g) S2(g)+2H2(g)的ΔH4= kJ·mol-1。
(2)较普遍采用的H2S处理方法是克劳斯工艺,即利用反应①和②生成单质硫。另一种方法是,利用反应④高温热分解H2S。相比克劳斯工艺,高温热分解方法的优点是 ,缺点是 。
(3)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。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。
(4)在1 373 K、100 kPa反应条件下,对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合气,热分解反应过程中H2S转化率随时间的变化如下图所示。
①n(H2S)∶n(Ar)越小,H2S平衡转化率 ,理由是 。
②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应图中曲线 ,计算其在0~0.1 s之间,H2S分压的平均变化率为 kPa·s-1。
答案 (1)+170
(2)高温热分解能够获得H2,H2可作燃料,且副产物少 能耗高
(3)50% 4.76
(4)①越高(或越大) H2S的热分解反应为气体分子数增大的反应,恒压条件下,不断充入Ar,导致H2S的分压降低,相当于减压,平衡正向移动,H2S的平衡转化率升高
②d 24.9
8.(2022湖南,16,13分)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,向体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-1
Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·mol-1
①下列说法正确的是 :
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)∶c(HC)=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
(2)①10 ②2HC+CO2↑+H2O ③2CO2+12e-+12H+ C2H4+4H2O
9.(2021湖北,19,14分)丙烯是一种重要的化工原料,可以在催化剂作用下,由丙烷直接脱氢或氧化脱氢制备。
反应Ⅰ(直接脱氢):C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH1 =+125 kJ·mol-1
反应Ⅱ(氧化脱氢):C3H8(g)+O2(g)C3H6(g)+H2O(g) ΔH2=-118 kJ·mol-1
(1)已知键能:E(C—H)=416 kJ·mol-1,E(H—H)=436 kJ·mol-1,由此计算生成1 mol碳碳π键放出的能量为 kJ。
(2)对于反应Ⅰ,总压恒定为100 kPa,在密闭容器中通入C3H8和N2的混合气体(N2不参与反应),从平衡移动的角度判断,达到平衡后“通入N2”的作用是 ;在温度为T1时,C3H8的平衡转化率与通入气体中C3H8的物质的量分数的关系如图a所示,计算T1时反应Ⅰ的平衡常数Kp=
kPa(以分压表示,分压=总压×物质的量分数,保留一位小数)。
图a
(3)在温度为T2时,通入气体分压比为p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)=10∶5∶85的混合气体,各组分气体的分压随时间的变化关系如图b所示。0~1.2 s生成C3H6的平均速率为
kPa·s-1;在反应一段时间后,C3H8和O2的消耗速率比小于2∶1的原因为 。
图b
(4)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,已知某反应条件下只发生如下反应(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 ,其理由是 。
答案 (1)271 (2)减小气体浓度,使平衡右移,提高C3H8(g)转化率 16.7 (3)2 H2和C3H6都消耗O2 (4)先增大后减小 反应开始时,体系中主要发生反应Ⅱ,c(C3H6)逐渐增大,随着反应进行,p(C3H8)减小,p(C3H6)增大,v(C3H6)减小,体系中主要发生反应Ⅲ,c(C3H6)逐渐减小
10.(2022湖北武汉4月调研,19)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-1
Ⅱ.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下图所示。CH3OCH3的选择性=×100%。
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 (填标号)。
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)二甲醚直接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、二甲醚直接燃料电池的负极反应为 。该电池的理论输出电压为1.20 V,能量密度E= kW·h·kg-1(精确到小数点后1位。能量密度=,1 kW·h=3.6×106 J)。
答案 (1)-122.5 (2)主反应放热,副反应吸热,温度升高使副反应中CO2平衡转化率上升幅度大于主反应的下降幅度 BD
(3)20%
(4)CH3OCH3-12e-+16OH- 2C+11H2O 8.4
11.(2021广东,19节选)我国力争于2030年前做到碳达峰,2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应:
a)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH1
b)CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2
c)CH4(g)C(s)+2H2(g) ΔH3
d)2CO(g)CO2(g)+C(s) ΔH4
e)CO(g)+H2(g)H2O(g)+C(s) ΔH5
(2)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有 。
A.增大CO2与CH4的浓度,反应a、b、c的正反应速率都增加
B.移去部分C(s),反应c、d、e的平衡均向右移动
C.加入反应a的催化剂,可提高CH4的平衡转化率
D.降低反应温度,反应a~e的正、逆反应速率都减小
(3)一定条件下,CH4分解形成碳的反应历程如图1所示。该历程分 步进行,其中,第 步的正反应活化能最大。
图1
(4)设为相对压力平衡常数,其表达式写法:在浓度平衡常数表达式中,用相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0=100 kPa)。反应a、c、e的ln(温度的倒数)的变化如图2所示。
图2
①反应a、c、e中,属于吸热反应的有 (填字母)。
②反应c的相对压力平衡常数表达式为= 。
③在图2中A点对应温度下、原料组成为n(CO2)∶n(CH4)=1∶1、初始总压为100 kPa的恒容密闭容器中进行反应,体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率,写出计算过程。
(5)CO2用途广泛,写出基于其物理性质的一种用途: 。
答案 (2)AD (3)4 4 (4)①ac
②=0,则平衡体系中=1,即=1,p(CH4)=16 kPa,初始p(CH4)=50 kPa,则CH4的平衡转化率为×100%=68% (5)作制冷剂(合理即可)
12.(2022山东,20,11分)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。
(2)初始条件同上。xi表示某物种i的物质的量与除H2外其他各物种总物质的量之比,xBL和xBD随时间t变化关系如图甲所示。实验测得X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5.0×10-3mol 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。曲线a、b、c中,(xBD/xBL)max最大的是 (填代号);与曲线b相比,曲线c达到=1.0所需时间更长,原因是 。
图乙
答案 (1)-200(X+Y)
(2)ac 8.3×10-8 0.08 39%
(3)c 由于b和c代表的温度相同,而压强对反应速率的影响可忽略,压强增大反应Ⅱ、Ⅲ均是逆向进行,(xBD/xBL)max增大,故=1.0所需时间更长
应用篇
应用 化学反应速率和化学平衡图像分析
1.(2022河北,13,4分)(双选)恒温恒容条件下,向密闭容器中加入一定量X,发生反应的方程式为①X Y;②Y Z。反应①的速率v1=k1c(X),反应②的速率v2=k2c(Y),式中k1、k2为速率常数。图a为该体系中X、Y、Z浓度随时间变化的曲线,图b为反应①和②的lnk~曲线。下列说法错误的是( )
A.随c(X)的减小,反应①、②的速率均降低
B.体系中v(X)=v(Y)+v(Z)
C.欲提高Y的产率,需提高反应温度且控制反应时间
D.温度低于T1时,总反应速率由反应②决定
答案 AB
2.(2022上海嘉定二模,11)对于可逆反应:A(g)+B(g) 2C(g) ΔH<0。下列图像正确的是 ( )
A B C D
答案 A
3.(2022辽宁丹东期末,11)下面是某化学研究小组探究外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的图像,其中图像和实验结论表达均正确的是 ( )
a b
A(g)+3B(g) 2C(g) A(g)+3B(g) 2C(g)
c d
A(g)+B(g) 2C(g) FeCl3+3KSCN Fe(SCN)3+3KCl
A.a是其他条件一定时,反应速率随温度变化的图像,正反应的ΔH<0
B.b建立平衡的过程中,曲线Ⅰ比曲线Ⅱ反应时活化能低
C.c是一定条件下,向含有一定量A的容器中逐渐加入B时的图像,压强p1>p2
D.d是在平衡体系的溶液中溶入少量KCl晶体后,化学反应速率随时间变化的图像
答案 B
4.(2021广东,14,4分)反应X2Z经历两步:①XY;②Y2Z。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)
答案 D
5.(2022河南信阳二模,14)在某一恒温容积可变的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g) 2C(g)。反应速率随时间的变化如图所示。
下列说法正确的是 ( )
A.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,A的体积分数:Ⅰ>Ⅱ
B.t2时改变的条件是向密闭容器中加入物质C(g)
C.0~t2时,v正>v逆
D.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,平衡常数:K(Ⅰ)答案 B
6.(2021江苏,14,3分)NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应。工业尾气中NH3可通过催化氧化为N2除去。将一定比例NH3、O2和N2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管,NH3的转化率、N2的选择性[×100%]与温度的关系如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.其他条件不变,升高温度,NH3的平衡转化率增大
B.其他条件不变,在175~300 ℃范围,随着温度的升高,出口处氮气、氮氧化物的量均不断增大
C.催化氧化除去尾气中的NH3应选择反应温度高于250 ℃
D.高效除去尾气中的NH3,需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂
答案 D
7.(2022北京101中学三模,13)以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
①CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2
CO2的平衡转化率(X-CO2)、CH3OH的选择性(S-CH3OH)随温度、压强变化如下:
已知:S-CH3OH=×100%。
下列分析不正确的是 ( )
A.p1>p2
B.400 ℃左右,体系发生的反应主要是②
C.由图可知,ΔH1<0,ΔH2>0
D.初始n(CO2)=1 mol、n(H2)=3 mol,平衡后X-CO2=30%、S-CH3OH=80%,若只发生①②,则H2的平衡转化率为24%
答案 D
8.(2023届贵州贵阳开学考,28)以黄铁矿(主要成分为FeS2)为原料生产硫酸时,应资源化综合利用产出的炉渣(主要含Fe2O3)和尾气,减轻对环境的污染。回答下列问题:
(1)FeS2焙烧产生的SO2可用于制硫酸。
反应Ⅰ:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH1=-196 kJ/mol;
反应Ⅱ:H2O(g) H2O(l) ΔH2=-44 kJ/mol;
反应Ⅲ:2SO2(g)+O2(g)+2H2O(g) 2H2SO4(l) ΔH3=-545 kJ/mol
则SO3(g)与H2O(l)反应生成H2SO4(l)的热化学方程式是 。
(2)二氧化硫的催化氧化是工业上生产硫酸的主要反应。
①在密闭容器中反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)达到平衡时,由于条件改变而引起反应速率和化学平衡的变化情况如图所示,a→b过程中改变的条件可能是 ;b→c过程中改变的条件可能是 。
②当SO2、O2、N2(不参与反应)起始的物质的量分数分别为10%、15%和75%时,在0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa下,SO2的平衡转化率(α)随温度的变化如图所示。反应在0.5 MPa、550 ℃时的α= ,判断的依据是 。
③将起始的物质的量分数分别为10%、15%和75%的SO2、O2、N2(不参与反应)通入反应器中,在恒温T、恒压p条件下进行反应。平衡时,若SO2的转化率为α1,则SO3的分压为 ,用p(SO2)、p(SO3)、p(O2)表示各气体的分压,用分压代替浓度,则平衡常数Kp的表达式为 。
(3)高炉炼铁的尾气中通常含有较多的SO2气体。为减少污染,分离并回收气体,工业上用碱性工业废渣吸收SO2气体,脱硫效率与温度和尾气中SO2的质量浓度的关系如图所示。依据图中数据分析,脱硫最合适的温度是 ℃;在上述温度下,选择合适的质量浓度,经测定40 min内共处理10 m3废气,则40 min内平均脱硫速率为 mg/min。
答案 (1)SO3(g)+H2O(l) H2SO4(l) ΔH=-130.5 kJ/mol
(2)①升高温度 减小SO3的浓度 ②0.925 该反应为气体分子数减少的反应,减小压强,平衡逆向移动,转化率降低,则p3=0.5 MPa,550 ℃时的α=0.925
③
(3)30 725
9.(2022湖北,19,14分)自发热材料在生活中的应用日益广泛。某实验小组为探究“CaO-Al-H2O”体系的发热原理,在隔热装置中进行了下表中的五组实验,测得相应实验体系的温度升高值(ΔT)随时间(t)的变化曲线,如图所示。
实验编号 反应物组成
a 0.20 g CaO粉末 5.0 mL H2O
b 0.15 g Al粉 5.0 mL H2O
c 0.15 g Al粉 5.0 mL 饱和石灰水
d 0.15 g Al粉 5.0 mL 石灰乳
e 0.15 g Al粉 0.20 g CaO粉末 5.0 mL H2O
回答下列问题:
(1)已知:
①CaO(s)+H2O(l) Ca(OH)2(s) ΔH1=-65.17 kJ·mol-1
②Ca(OH)2(s) Ca2+(aq)+2OH-(aq) ΔH2=-16.73 kJ·mol-1
③Al(s)+OH-(aq)+3H2O(l) [Al(OH)4]-(aq)+H2(g) ΔH3=-415.0 kJ·mol-1
则CaO(s)+2Al(s)+7H2O(l)Ca2+(aq)+2[Al(OH)4]-(aq)+3H2(g)ΔH4= kJ·mol-1。
(2)温度为T时,Ksp[Ca(OH)2]=x,则Ca(OH)2饱和溶液中c(OH-)= (用含x的代数式表示)。
(3)实验a中,4 min后ΔT基本不变,原因是 。
(4)实验b中,ΔT的变化说明Al粉与H2O在该条件下 (填“反应”或“不反应”)。实验c中,前3 min的ΔT有变化,其原因是 ;3 min后ΔT基本不变,其原因是 微粒的量有限。
(5)下列说法不能解释实验d在10 min内温度持续升高的是 (填标号)。
A.反应②的发生促使反应①平衡右移 B.反应③的发生促使反应②平衡右移
C.气体的逸出促使反应③向右进行 D.温度升高导致反应速率加快
(6)归纳以上实验结果,根据实验e的特征,用文字简述其发热原理 。
答案 (1)-911.9 (2)
(3)反应生成的Ca(OH)2覆盖在CaO表面,阻止反应进行 (4)不反应 Al和溶液中的OH-发生了反应,放出热量 OH-
(5)A (6)实验e中,发生反应①、②和③,反应③中有气体生成,气体的逸出促使反应③向右进行,反应③的发生使得溶液中OH-的浓度减小,促使反应②平衡右移,反应②的发生促使反应①平衡右移,这三步反应都是放热反应,温度升高导致反应速率加快
10.(2021天津,16,14分)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),回答下列问题:
(1)CH4的电子式为 ,CS2分子的立体构型为 。
(2)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。
①当CS2的体积分数为10%时,CH4的转化率为 。
②当以下数值不变时,能说明该反应达到平衡的是 (填序号)。
a.气体密度 b.气体总压
c.CH4与S2体积比 d.CS2的体积分数
(3)一定条件下,CH4与S2反应中CH4的平衡转化率、S8分解产生S2的体积分数随温度的变化曲线如图所示。据图分析,生成CS2的反应为 (填“放热”或“吸热”)反应。工业上通常采用在600~650 ℃的条件下进行此反应,不采用低于600 ℃的原因是 。
(4)用燃煤废气(含N2、O2、SO2、CO2、H2O、NOx等)使尾气中的H2S转化为单质硫(S),可实现废物利用,保护环境。写出其中一个反应的化学方程式 。
答案 (1)H····H 直线形
(2)①30% ②d
(3)放热 600 ℃时甲烷平衡转化率高达99%,低于600 ℃时,S2浓度明显偏小,且反应速率慢
(4)2H2S+SO23S+2H2O、2xH2S+2NOx2xS+2xH2O+N2、2H2S+O22S+2H2O(写出任意一个,或者其他合理答案均可)
创新篇
创新 反应速率常数的应用
1.(2022辽宁辽阳一模,12)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)。
容器 编号 起始浓度/(mol·L-1) 平衡浓度/ (mol·L-1)
c(SO2) c(O2) c(SO3) c(O2)
Ⅰ 0.6 0.3 0 0.2
Ⅱ 0.5 x 0.3
Ⅲ 0.3 0.25 0.2
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:K=
B.若容器Ⅱ中达到平衡时=1,则x=0.85
C.容器Ⅲ中达到平衡时,c(O2)<0.25 mol·L-1
D.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 C
2.(2022辽宁大连二模,13)某反应A(g)+B(g)C(g)+D(g)的速率方程为v=k·cm(A)·cn(B),其半衰期(当剩余反应物恰好是起始的一半时所需的时间)为。改变反应物浓度时,反应的瞬时速率如下表所示:
c(A)/(mol·L-1) c(B)/(mol·L-1) v/(10-3 mol·L-1·min-1)
0.25 0.050 1.4
0.50 0.050 2.8
1.00 0.050 5.6
0.50 0.100 2.8
下列说法正确的是 ( )
A.速率方程中的m=1、n=1
B.该反应的速率常数k=2.8×10-3min-1
C.增大反应物浓度,k增大导致反应的瞬时速率加快
D.在过量的B存在时,反应掉87.5%的A所需的时间是375 min
答案 D
3.(2021河北,13,4分)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+NX+Y;②M+NX+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。下列说法错误的是 ( )
A.0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3mol·L-1·min-1
B.反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变
C.如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为Z
D.反应①的活化能比反应②的活化能大
答案 A
4.(2018课标Ⅲ,28节选)三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。回答下列问题:
(3)对于反应2SiHCl3(g) SiH2Cl2(g)+SiCl4(g),采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂,在323 K和343 K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。
①343 K时反应的平衡转化率α= %。平衡常数K343 K= (保留2位小数)。
②在343 K下:要提高SiHCl3转化率,可采取的措施是 ;要缩短反应达到平衡的时间,可采取的措施有 、 。
③比较a、b处反应速率大小:va vb(填“大于”“小于”或“等于”)。反应速率v=v正-v逆=k正,k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数,x为物质的量分数,计算a处的= (保留1位小数)。
答案 (3)①22 0.02 ②及时移去产物 改进催化剂 提高反应物压强(浓度) ③大于 1.3
5.(2022河南焦作、安阳二模,28)H2在化学工业中有重要用途,中国科学家在以H2为还原剂清除NO的研究方面取得了显著成果,其相关反应如下:
主反应:2NO(g)+2H2(g) N2(g)+2H2O(g) ΔH1
副反应:2NO(g)+H2(g) N2O(g)+H2O(g) ΔH2
试回答下列问题:
(1)已知相关反应过程中的能量变化如下:
则主反应的ΔH1= kJ·mol-1,该反应在 (填“低温”或“高温”)下能自发进行。
(2)研究表明主反应的速率可表示为v=k·c2(NO)·c(H2)(k为速率常数)。根据Arrhenius方程:lg()(R为常数,Ea为反应的活化能),可判断影响速率常数k的外界因素有 (填两种)。
(3)在催化剂作用下,将原料气按=1充入某刚性密闭容器中,在不同温度下,反应相同时间时测得混合气体中N2、N2O的体积分数随温度的变化关系如图所示:
①由图可知,混合气体中N2的体积分数明显高于N2O的原因可能是 (填1种);温度高于205 ℃时,N2的体积分数随温度的升高而减小的原因可能是 (列出2点)。
②200 ℃时,下列事实能说明上述反应达到平衡状态的是 (填序号)。
a.混合气体的密度保持不变
b.N2的生成速率等于N2O的消耗速率
c.保持不变
d.H2O(g)的体积分数保持不变
(4)T ℃时,向2 L添加催化剂的刚性恒温密闭容器中充入1 mol NO和3 mol H2,发生上述反应,容器内压强随时间的变化如下表(不考虑催化剂对压强的影响):
时间/min 0 20 40 60 80
压强/MPa p0 0.96p0 0.92p0 0.90p0 0.90p0
已知平衡时N2的选择性为90%[N2的选择性=×100%],则NO的有效去除率(NO转化为N2)为 %;根据(2)中的速率方程计算主反应在60 min时的速率v= (无需注明单位,用含k的代数式表示)。
答案 (1)-663.5 低温 (2)温度、催化剂
(3)①催化剂对主反应的选择性大于对副反应的选择性或主反应的反应速率大于副反应的反应速率(合理即可) 温度升高,催化剂逐渐失活;温度升高,主反应向逆反应方向进行(合理即可) ②cd
(4)72 1.12×10-2k
(
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基础篇
考点一 化学反应速率
1.(2022广东,15,4分)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、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,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
答案 D
2.(2022重庆育才中学二诊,9)某同学在室温下进行下图所示实验。(已知:H2C2O4为二元弱酸)
试管a、b、c中溶液褪色分别耗时690 s、677 s、600 s。下列说法正确的是 ( )
A.反应的离子方程式为2Mn 2Mn2++10CO2↑+8H2O
B.试管c反应至300 s时,溶液中剩余的c(KMnO4)=0.002 5 mol/L
C.对比试管a、b,得到的结论是H2C2O4水溶液浓度增大,反应速率加快
D.对比试管c、d,可验证H+浓度对反应速率的影响
答案 C
3.(2021辽宁,12,3分)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,下列说法错误的是 ( )
A.其他条件相同时,催化剂浓度越大,反应速率越大
B.其他条件相同时,降冰片烯浓度越大,反应速率越大
C.条件①,反应速率为0.012 mol·L-1·min-1
D.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
答案 B
4.(2022浙江1月选考,19,2分)在恒温恒容条件下,发生反应A(s)+2B(g) 3X(g),c(B)随时间的变化如图中曲线甲所示。下列说法不正确的是 ( )
A.从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率
B.从b点切线的斜率可求得该化学反应在反应开始时的瞬时速率
C.在不同时刻都存在关系:2v(B)=3v(X)
D.维持温度、容积、反应物起始的量不变,向反应体系中加入催化剂,c(B)随时间变化关系如图中曲线乙所示
答案 C
5.(2023届河南安阳10月调研,9)乳酸乙酯(CH3CHOHCOOC2H5)在碱性条件下发生水解反应:CH3CHOHCOOC2H5+OH- CH3CHOHCOO-+C2H5OH。两种反应物的初始浓度均为0.10 mol·L-1,在一定温度下,测得CH3CHOHCOOC2H5的转化率α随时间t变化的曲线如图所示(忽略溶液体积变化)。下列说法错误的是 ( )
A.600 s时,正反应速率等于逆反应速率
B.500 s时,乳酸根离子的浓度为0.03 mol·L-1
C.0~200 s内用乳酸乙酯表示的水解速率是2.5×10-4 mol·L-1·s-1
D.加入少量NaOH固体后,若温度不变,该反应的化学平衡常数不变
答案 B
6.(2023届江西赣抚吉11校联考,10)某化学小组欲测定酸性条件下KClO3溶液与NaHSO3溶液反应的化学反应速率,所用的试剂为10 mL 0.1 mol·L-1 KClO3溶液和10 mL 0.3 mol·L-1 NaHSO3溶液,所得c(Cl-)随时间变化的曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.该反应的离子方程式为Cl
B.该反应在0~4 min的平均反应速率v(NaHSO3)=2.5×10-3 mol·L-1·min-1
C.在反应过程中,该反应的化学反应速率变化趋势为先增大后减小
D.起初反应很慢,一段时间后反应速率明显增大,一定是反应放热温度升高的结果
答案 C
7.(2021浙江6月选考,20,2分)一定温度下,在N2O5的四氯化碳溶液(100 mL)中发生分解反应:2N2O5 4NO2+O2。在不同时刻测量放出的O2体积,换算成N2O5浓度如下表:
t/s 0 600 1 200 1 710 2 220 2 820 x
c(N2O5)/ (mol·L-1) 1.40 0.96 0.66 0.48 0.35 0.24 0.12
下列说法正确的是 ( )
A.600~1 200 s,生成NO2的平均速率为5.0×10-4 mol·L-1·s-1
B.反应2 220 s时,放出的O2体积为11.8 L(标准状况)
C.反应达到平衡时,v正(N2O5)=2v逆(NO2)
D.推测上表中的x为3 930
答案 D
8.(2022河北秦皇岛三模,9)一定温度下,在容积为1 L的恒容密闭容器中发生反应X(g)+2Y(g) Z(g) ΔH;各物质的物质的量随时间变化如下表。
时间/min 0 t 2t 3t 4t
n(X)/mol 2 0.4
n(Y)/mol 4 0.8
n(Z)/mol 0 1.4
下列说法正确的是 ( )
A.若升高温度,X(g)的平衡转化率减小,则该反应的ΔH>0
B.0~3t min内,v(Z)= mol·L-1·min-1
C.单位时间内消耗X(g)和生成Z(g)的物质的量相等,说明该反应达到平衡
D.其他条件不变,增大Y(g)的浓度,平衡正向移动,该反应的平衡常数增大
答案 B
9.(2022浙江6月选考,20,2分)恒温恒容的密闭容器中,在某催化剂表面上发生氨的分解反应:2NH3(g) N2(g)+3H2(g)。测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨浓度随时间的变化,如下表所示。下列说法不正确的是 ( )
A.实验①,0~20 min,v(N2)=1.00×10-5 mol·L-1·min-1
B.实验②,60 min时处于平衡状态,x≠0.40
C.相同条件下,增加氨气的浓度,反应速率增大
D.相同条件下,增加催化剂的表面积,反应速率增大
答案 C
10.(2022辽宁辽阳二模,12)在温度为500 ℃时,将2 mol M(g)通入2 L恒容密闭容器中,恒温条件下发生反应2M(g) P(g)+Q(g),反应一段时间后,测得容器中部分组分的物质的量如表所示。下列有关描述正确的是 ( )
时间/s 20 30 40
n(M)/mol 1.0 0.8
n(P)/mol 0.6
A.反应到20 s时,用P(g)表示的平均反应速率为0.025 mol·L-1·s-1
B.平衡后再向容器中加入1 mol M(g),再达平衡时M(g)的转化率降低
C.该反应在30 s时,v(M)分解=v(P)生成
D.若在600 ℃时反应,平衡常数K=0.625,则该反应的正反应为吸热反应
答案 D
11.(2021重庆,12,3分)甲异腈(CH3NC)在恒容密闭容器中发生异构化反应:CH3NC(g) CH3CN(g)。反应过程中甲异腈浓度c随时间t的变化曲线如图所示(图中T为温度)。该反应的反应速率v与c的关系为v=kc,k为速率常数(常温下为常数),a点和b点反应速率相等,即v(a)=v(b)。下列说法错误的是 ( )
A.bf段的平均反应速率为1.0×10-4 mol/(L·min)
B.a点反应物的活化分子数多于d点
C.T1>T2
D.3v(d)=2v(e)
答案 C
12.(2022北京,14,3分)CO2捕获和转化可减少CO2排放并实现资源利用,原理如图1所示。反应①完成之后,以N2为载气,将恒定组成的N2、CH4混合气,以恒定流速通入反应器,单位时间流出气体各组分的物质的量随反应时间变化如图2所示。反应过程中始终未检测到CO2,在催化剂上检测到有积炭。下列说法不正确的是 ( )
图1 图2
A.反应①为CaO+CO2 CaCO3;反应②为CaCO3+CH4 CaO+2CO+2H2
B.t1~t3,n(H2)比n(CO)多,且生成H2的速率不变,推测有副反应CH4 C+2H2
C.t2时刻,副反应生成H2的速率大于反应②生成H2的速率
D.t3之后,生成CO的速率为0,是因为反应②不再发生
答案 C
13.(2022辽宁,12,3分)某温度下,在1 L恒容密闭容器中2.0 mol X发生反应2X(s) Y(g)+2Z(g),有关数据如下:
时间段/min 产物Z的平均生成速率/mol·L-1·min-1
0~2 0.20
0~4 0.15
0~6 0.10
下列说法错误的是 ( )
A.1 min时,Z的浓度大于0.20 mol·L-1 B.2 min时,加入0.20 mol Z,此时v正(Z)
答案 B
考点二 化学平衡
1.(2023届云南昆明一中摸底,15)恒温恒容密闭容器中投入一定量的C(s)和H2O(g)发生反应:C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)。下列不能判断反应达到平衡的是 ( )
A.气体密度不随时间变化 B.气体压强不随时间变化
C.[n(H2O)+n(H2)]不随时间变化 D.v正(H2O)=v逆(CO)≠0
答案 C
2.(2022海南,8,2分)某温度下,反应CH2 CH2(g)+H2O(g) CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡。下列说法正确的是 ( )
A.增大压强,v正>v逆,平衡常数增大
B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大
C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动
D.恒容下,充入一定量的CH2 CH2(g),CH2 CH2(g)的平衡转化率增大
答案 C
3.(2021北京,10,3分)NO2和N2O4存在平衡:2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0。下列分析正确的是 ( )
A.1 mol平衡混合气体中含1 mol N原子
B.断裂2 mol NO2中的共价键所需能量小于断裂1 mol N2O4中的共价键所需能量
C.恒温时,缩小容积,气体颜色变深,是平衡正向移动导致的
D.恒容时,水浴加热,由于平衡正向移动导致气体颜色变浅
答案 B
4.(2023届黑龙江哈尔滨学业监测,10)密闭容器中,一定量的混合气体发生反应:aA(g)+bB(g) cC(g)。平衡时测得A的浓度为0.8 mol/L。保持温度不变,将容器的容积扩大到原来的两倍,再次达到平衡时,测得A的浓度降低为0.5 mol/L。下列有关判断正确的是 ( )
A.a+b
C.B的转化率增大 D.C的体积分数减小
答案 D
5.(2023届安徽蚌埠质检一,13)CO2在一定条件下催化加氢生成CH3OH,主要发生三个竞争反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.0 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH2=-165.0 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g) ΔH3=-122.7 kJ·mol-1
为分析催化剂对反应的选择性,在1 L恒容密闭容器中充入一定量的CO2和H2,测得反应进行相同时间后,有关物质的物质的量随温度变化如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.该催化剂在较低温度时主要选择反应Ⅱ
B.温度过高,三种含碳产物的物质的量会迅速降低,可能原因是催化剂活性降低
C.减小碳氢比[n(CO2)∶n(H2)],生成CH3OH的反应正向移动,平衡常数增大
D.当混合气体的平均摩尔质量不变时,体系达到平衡
答案 C
6.(2021辽宁,11,3分)某温度下,在恒容密闭容器中加入一定量X,发生反应2X(s) Y(s)+Z(g),一段时间后达到平衡。下列说法错误的是 ( )
A.升高温度,若c(Z)增大,则ΔH>0
B.加入一定量Z,达新平衡后m(Y)减小
C.加入等物质的量的Y和Z,达新平衡后c(Z)增大
D.加入一定量氩气,平衡不移动
答案 C
7.(2022福建南平三模,6)110 ℃时,将某X固体置于真空恒温恒容容器中,存在平衡:X(s) M(s)+Y(g)+Z(g)。反应达平衡时体系的总压为50 kPa。下列说法正确的是 ( )
A.加入X固体的量不影响平衡
B.若先通入Y(g)使初始压强为120 kPa,再加入足量X(s),平衡时Z(g)的分压为5 kPa
C.若原容器中残留有空气,平衡时体系的总压仍为50 kPa
D.增大X(s)的表面积,正反应速率增大,平衡向正反应方向移动
答案 B
8.(2022广东,13,4分)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<0
B.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
答案 C
9.(2023届辽宁鞍山质检一,13)某温度下,在1 L恒容密闭容器中投入10 mol N2O5发生反应N2O5(g) N2O(g)+2O2(g),有关数据如下表所示。下列说法正确的是 ( )
时间/s 0~10 10~20 20~30 30~40
产物O2的平均生成速率/mol·L-1·s-1 0.20 0.16 0.10 0.00
A.O2的平均生成速率越来越小是因为容器的压强越来越小
B.15 s若向体系中充入N2O平衡一定逆向移动
C.20 s时N2O5的转化率为8%
D.35 s时,向体系中充入N2O5,再次平衡时,其体积分数将增大
答案 D
10.(2023届安徽质检一,13)已知一定条件下,氢气与一氧化碳发生反应的热化学方程式为CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH。向体积为2 L的恒容密闭容器中充入3 mol H2和1 mol CO,2 h后,测得CO的转化率随温度变化关系如图。下列选项中正确的是 ( )
A.正反应为吸热反应,ΔH>0
B.a、c两点对应条件下,反应进行的平均速率相等
C.延长反应时间至3 h,c点对应条件下CO的转化率升高
D.b点对应条件下,向容器中继续通入1 mol He(g)、3 mol H2(g)和1 mol CO(g),达到平衡状态后,c(H2)∶c(CO)=3∶1
答案 D
11.(2023届云南师大附中月考,13)在一恒压密闭容器中加入足量的碳,并充入0.2 mol CO2气体,发生反应:C(s)+CO2(g) 2CO(g)。反应达平衡时lg[][p(CO)、p(CO2)分别为体系中CO、CO2的平衡分压]随温度的变化关系如图所示。
下列说法错误的是 ( )
A.该反应为吸热反应
B.向X点对应的平衡体系中再充入CO、CO2各1 mol,平衡逆向移动
C.980 K时,CO2的平衡转化率约为33.3%
D.增大容器的体积有利于提高CO2的平衡转化率
答案 B
12.(2022重庆三调,13)利用CO2催化加氢可制乙烯,反应为2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g) ΔH<0。在两个恒容密闭容器中,分别加入2 mol CO2、4 mol H2,分别选用两种催化剂,反应进行相同时间,测得CO2转化率随反应温度的变化如下图所示。下列说法正确的是 ( )
A.使用催化剂Ⅰ时反应的活化能高于催化剂Ⅱ
B.温度高于T4,CO2转化率降低的原因一定是催化剂活性降低
C.b、d两状态下,化学反应速率相等
D.T5温度下充入稀有气体,CO2转化率不变
答案 D
13.(2022河北唐山三模,11)利用间接转化法可将氮氧化物转化为化工产品以实现氮氧化物的充分利用。
已知:①2NO(g)+2ICl(g) 2NOCl(g)+I2(g) ΔH1;
②2NOCl(g) 2NO(g)+Cl2(g) ΔH2;
③I2(g)+Cl2(g) 2ICl(g) ΔH3。
若某温度下,向V L密闭容器中加入2 mol NO和2 mol ICl发生上述反应,达平衡时容器中NOCl(g)为a mol,Cl2为b mol。下列说法不正确的是 ( )
A.若升高温度NOCl的物质的量增大,则ΔH1>0且ΔH2<0
B.此时I2的浓度为 mol·L-1
C.若该密闭容器中气体颜色保持不变,说明各反应已达平衡状态
D.NO的净转化率为×100%
答案 A
14.(2022海南,16,10分)某空间站的生命保障系统功能之一是实现氧循环。其中涉及反应:
CO2(g)+4H2(g) 2H2O(g)+CH4(g)
回答问题:
(1)已知:电解液态水制备1 mol O2(g),电解反应的ΔH=+572 kJ·mol-1。由此计算H2(g)的燃烧热(焓)ΔH= kJ·mol-1。
(2)已知:CO2(g)+4H2(g) 2H2O(g)+CH4(g)的平衡常数(K)与反应温度(t)之间的关系如图1所示。
图1
①若反应为基元反应,且反应的ΔH与活化能(Ea)的关系为|ΔH|>Ea。补充完成该反应过程的能量变化示意图(图2)。
图2
②某研究小组模拟该反应。温度t下,向容积为10 L的抽空的密闭容器中通入0.1 mol CO2和0.4 mol H2,反应平衡后测得容器中n(CH4)=0.05 mol。则CO2的转化率为 ,反应温度t约为 ℃。
(3)在相同条件下,CO2(g)与H2(g)还会发生不利于氧循环的副反应:
CO2(g)+3H2(g) H2O(g)+CH3OH(g)
在反应器中按n(CO2)∶n(H2)=1∶4通入反应物,在不同温度、不同催化剂条件下,反应进行到2 min时,测得反应器中CH3OH、CH4浓度(μmol·L-1)如下表所示。
催化剂 t=350 ℃ t=400 ℃
c(CH3OH) c(CH4) c(CH3OH) c(CH4)
催化剂Ⅰ 10.8 12 722 345.2 42 780
催化剂Ⅱ 9.2 10 775 34 38 932
在选择使用催化剂Ⅰ和350 ℃条件下反应,0~2 min生成CH3OH的平均反应速率为 μmol·L-1·min-1;若某空间站的生命保障系统实际选择使用催化剂Ⅱ和400 ℃的反应条件,原因是 。
答案 (1)-286
(2)①
②50% 660.2(或660.1或660.3,其他合理答案也可)
(3)5.4 相同催化剂,400 ℃的反应速率更快;相同温度,催化剂Ⅱ副产物浓度低,甲烷的比例高
15.(2022辽宁,17节选)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖,其反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1 ΔS=-200 J·K-1·mol-1
回答下列问题:
(1)合成氨反应在常温下 (填“能”或“不能”)自发进行。
(2) 温(填“高”或“低”,下同)有利于提高反应速率, 温有利于提高平衡转化率,综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素,工业常采用400~500 ℃。
针对反应速率与平衡产率的矛盾,我国科学家提出了两种解决方案。
(3)方案一:双温—双控—双催化剂。使用Fe-TiO2-xHy双催化剂,通过光辐射产生温差(如体系温度为495 ℃时,Fe的温度为547 ℃,而TiO2-xHy的温度为415 ℃)。
下列说法正确的是 。
a.氨气在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡产率
b.在“热Fe”表面断裂,有利于提高合成氨反应速率
c.“热Fe”高于体系温度,有利于提高氨的平衡产率
d.“冷Ti”低于体系温度,有利于提高合成氨反应速率
(4)方案二:M-LiH复合催化剂。
下列说法正确的是 。
a.300 ℃时,复合催化剂比单一催化剂效率更高
b.同温同压下,复合催化剂有利于提高氨的平衡产率
c.温度越高,复合催化剂活性一定越高
(5)某合成氨速率方程为v=kcα(N2)cβ(H2)cγ(NH3),根据表中数据,γ= ;
实验
1 m n p q
2 2m n p 2q
3 m n 0.1p 10q
4 m 2n p 2.828q
在合成氨过程中,需要不断分离出氨的原因为 。
a.有利于平衡正向移动
b.防止催化剂中毒
c.提高正反应速率
答案 (1)能 (2)高 低 (3)ab
(4)a (5)-1 a
考点三 化学平衡常数及其相关计算 化学反应的方向
1.(2022天津和平一模,6)对于反应4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g),下列说法正确的是 ( )
A.该反应ΔS>0
B.使用催化剂能降低该反应的ΔH
C.反应中每消耗1 mol O2转移电子数约为4×6.02×1023
D.反应的平衡常数K=
答案 C
2.(2022浙江1月选考,20,2分)AB型强电解质在水中的溶解(可视作特殊的化学反应)表示为AB(s) An+(aq)+Bn-(aq),其焓变和熵变分别为ΔH和ΔS。对于不同组成的AB型强电解质,下列说法正确的是( )
A.ΔH和ΔS均大于零
B.ΔH和ΔS均小于零
C.ΔH可能大于零或小于零,ΔS大于零
D.ΔH和ΔS均可能大于零或小于零
答案 D
3.(2022江苏,10,3分)用尿素水解生成的NH3催化还原NO,是柴油机车辆尾气净化的主要方法。反应为4NH3(g)+O2(g)+4NO(g) 4N2(g)+6H2O(g)
下列说法正确的是 ( )
A.上述反应ΔS<0
B.上述反应平衡常数K=
C.上述反应中消耗1 mol NH3,转移电子的数目为2×6.02×1023
D.实际应用中,加入尿素的量越多,柴油机车辆排放的尾气对空气污染程度越小
答案 B
4.(2022江西赣州期末,13)某温度下,在2 L恒容密闭容器中,加入3 mol A和2 mol B进行反应:3A(g)+2B(g) 4C( )+2D( )。反应5 min后达到平衡,测得反应前后的压强之比为25∶26。下列说法不正确的是 ( )
A.该温度下,该反应的平衡常数表达式为K=
B.该条件下反应到达平衡,v(A)=0.06 mol/(L·min)
C.该条件下,在该容器中继续投入3 mol A和2 mol B,反应物的转化率增大
D.温度不变,增大压强,平衡逆向移动,化学平衡常数K不变
答案 C
5.(2020北京,10,3分)一定温度下,反应I2(g)+H2(g) 2HI(g)在密闭容器中达到平衡时,测得c(I2)=0.11 mmol·L-1、c(H2)=0.11 mmol·L-1、c(HI)=0.78 mmol·L-1。相同温度下,按下列4组初始浓度进行实验,反应逆向进行的是 ( )
A B C D
c(I2)/mmol·L-1 1.00 0.22 0.44 0.11
c(H2)/mmol·L-1 1.00 0.22 0.44 0.44
c(HI)/mmol·L-1 1.00 1.56 4.00 1.56
(注:1 mmol·L-1=10-3 mol·L-1)
答案 C
6.(2022重庆主城区二模,12)利用CO2和H2合成乙烯:2CO2(g)+6H2(g) CH2CH2(g)+4H2O(g) ΔH。在恒容密闭容器中,起始压强相同,反应温度、投料比[=x]对CO2平衡转化率的影响如图所示。
下列推断正确的是 ( )
A.a<3 B.ΔH>0 C.vM(正)>vN(逆) D.KM>KN
答案 D
7.(2022湖南,14,4分)(双选)向体积均为1 L的两恒容容器中分别充入2 mol X和1 mol Y发生反应:2X(g)+Y(g) Z(g) ΔH。其中甲为绝热过程,乙为恒温过程,两反应体系的压强随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.ΔH>0 B.气体的总物质的量:na
8.(2022天津南开期末,6)NO与CO是燃油汽车尾气中的两种有害气体,常温常压下它们之间的反应如下:
CO(g)+NO(g) CO2(g)+N2(g) ΔH=-374.3 kJ·mol-1 K=2.5×1060,反应速率较小。有关该反应的说法正确的是 ( )
A.K很大,NO与CO在排入大气之前就已反应完全
B.增大压强,平衡将向右移动,K>2.5×1060
C.升高温度,既增大反应速率又增大K
D.选用适宜催化剂可达到尾气排放标准
答案 D
9.(2022北京海淀一模,13)合成氨原料气中的CO可通过水煤气变换反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)除去。某合成氨原料气中N2、H2、CO、CO2的体积分数分别为20%、50%、25%、5%。一定温度下按不同投料比[]通入水蒸气,平衡后混合气体中CO的体积分数如下表。
下列说法不正确的是 ( )
A.从表中数据可知,水煤气变换反应的ΔH<0
B.温度相同时,投料比越大,CO的转化率越高
C.按=1通入水蒸气后,反应前CO在混合气体中的体积分数为20%
D.根据=1时的数据推算,300 ℃时水煤气变换反应的平衡常数K为46
答案 D
10.(2022河北,16节选)(2)工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气,体系中发生如下反应:
Ⅰ CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
Ⅱ CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
①下列操作中,能提高CH4(g)平衡转化率的是 (填标号)。
A.增加CH4(g)用量 B.恒温恒压下通入惰性气体
C.移除CO(g) D.加入催化剂
②恒温恒压条件下,1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)反应达平衡时,CH4(g)的转化率为α,CO2(g)的物质的量为b mol,则反应Ⅰ的平衡常数Kx= [写出含有α、b的计算式;对于反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),Kx=,x为物质的量分数]。其他条件不变,H2O(g)起始量增加到5 mol,达平衡时α=0.90,b=0.65,平衡体系中H2(g)的物质的量分数为 (结果保留两位有效数字)。
(3)氢氧燃料电池中氢气在 (填“正”或“负”)极发生反应。
(4)在允许O2-自由迁移的固体电解质燃料电池中,CnH2n+2放电的电极反应式为 。
答案 (2)①BC
② 0.43
(3)负
(4)CnH2n+2-(6n+2)e-+(3n+1)O2- nCO2+(n+1)H2O
11.(2021湖南,16,14分)氨气中氢含量高,是一种优良的小分子储氢载体,且安全、易储运,可通过下面两种方法由氨气得到氢气。
方法Ⅰ.氨热分解法制氢气
相关化学键的键能数据
化学键 H—H N—H
键能E/(kJ·mol-1) 946 436.0 390.8
在一定温度下,利用催化剂将NH3分解为N2和H2。回答下列问题:
(1)反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH= kJ·mol-1;
(2)已知该反应的ΔS=198.9 J·mol-1·K-1,在下列哪些温度下反应能自发进行 (填标号);
A.25 ℃ B.125 ℃ C.225 ℃ D.325 ℃
(3)某兴趣小组对该反应进行了实验探究。在一定温度和催化剂的条件下,将0.1 mol NH3通入3 L的密闭容器中进行反应(此时容器内总压为200 kPa),各物质的分压随时间的变化曲线如图所示。
①若保持容器体积不变,t1时反应达到平衡,用H2的浓度变化表示0~t1时间内的反应速率v(H2)= mol·L-1·min-1(用含t1的代数式表示);
②t2时将容器体积迅速缩小至原来的一半并保持不变,图中能正确表示压缩后N2分压变化趋势的曲线是 (用图中a、b、c、d表示),理由是
;
③在该温度下,反应的标准平衡常数K = [已知:分压=总压×该组分物质的量分数,对于反应dD(g)+eE(g)gG(g)+hH(g) K =,其中p =100 kPa,pG、pH、pD、pE为各组分的平衡分压]。
方法Ⅱ.氨电解法制氢气
利用电解原理,将氨转化为高纯氢气,其装置如图所示。
(4)电解过程中OH-的移动方向为 (填“从左往右”或“从右往左”);
(5)阳极的电极反应式为 。
答案 (1)+90.8 (2)CD (3)①
②b 体积压缩一半瞬间,N2压强变大(为80 kPa),该反应为气体分子数增大的反应,加压平衡逆向移动,N2的分压随着平衡逆向移动而变小 ③0.48 (4)从右往左 (5)2NH3-6e-+6OH- N2+6H2O
12.(2020山东,18,12分)探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素,有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH2=-90.4 kJ·mol-1
Ⅲ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH3
回答下列问题:
(1)ΔH3= kJ·mol-1。
(2)一定条件下,向体积为V L的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a mol, CO为b mol,此时H2O(g)的浓度为
mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为 。
(3)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图所示。
已知:CO2的平衡转化率=×100%
CH3OH的平衡产率=×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图 (填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为 ;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是 。
(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为 (填标号)。
A.低温、高压 B.高温、低压 C.低温、低压 D.高温、高压
答案 (1)+40.9
(2)
(3)乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响
(4)A
综合篇
综合 分压平衡常数(Kp)的计算
1.(2019课标Ⅱ,27节选)环戊二烯()是重要的有机化工原料,广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题:
(1)已知:(g) (g)+H2(g) ΔH1=100.3 kJ·mol-1 ①
H2(g)+I2(g) 2HI(g) ΔH2=-11.0 kJ·mol-1 ②
对于反应:
(g)+I2(g) (g)+2HI(g) ③ ΔH3= kJ·mol-1。
(2)某温度下,等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应③,起始总压为105 Pa,平衡时总压增加了20%,环戊烯的转化率为 ,该反应的平衡常数Kp= Pa。达到平衡后,欲增加环戊烯的平衡转化率,可采取的措施有 (填标号)。
A.通入惰性气体 B.提高温度 C.增加环戊烯浓度 D.增加碘浓度
(3)环戊二烯容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应。不同温度下,溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示,下列说法正确的是 (填标号)。
A.T1>T2
B.a点的反应速率小于c点的反应速率
C.a点的正反应速率大于b点的逆反应速率
D.b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L-1
答案 (1)+89.3 (2)40% 3.56×104 BD (3)CD
2.(2020课标Ⅲ,28,14分)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:
(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)= 。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4) (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。
图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是 、 。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH 0(填“大于”或“小于”)。
(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp= (MPa)-3(列出计算式。以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当 。
答案 (1)1∶4 变大 (2)d c 小于
(3)等
(4)选择合适催化剂等
3.(2023届重庆巴蜀中学月考三,17)煤制甲醇工艺是煤高效利用的途径之一,生产工艺如图所示:
(1)“煤气化”涉及反应:C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH=+135 kJ·mol-1。气化剂为H2O(g)和O2(g),关于“煤气化”的说法正确的是 (填序号)。
A.适量的氧气浓度有利于水煤气的生成
B.适当降低水氧比有利于提高碳的转化率
C.氧气的百分含量越高,对煤气化反应越有利
D.煤气化反应会产生灰分和未反应的碳,故煤气化反应过程不适合使用催化剂
(2)甲醇合成过程中涉及的主要反应如下:
反应Ⅰ:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH1=-90.94 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.47 kJ·mol-1
反应Ⅲ:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3
①反应Ⅰ在 (填“高温”或“低温”)下能自发进行。
②ΔH3= kJ·mol-1。
③若要大幅度提高单位时间内反应Ⅱ的选择性,可采取的最佳措施是 。
④反应Ⅲ中,调控反应条件,CO和·OH(羟基自由基)在催化剂上相互作用得到CO2和H的氧化还原机理和羧基机理如图所示:
若仅从第一步来看, (填“氧化还原机理”或“羧基机理”)对合成更有利,但最终选择另一反应机理途径的原因是 。
⑤在一定温度下,向2 L刚性容器中充入1 mol CO2和3 mol H2,初始压强为3.2 MPa,5 min后体系达到平衡状态,此时容器中含有0.5 mol CH3OH和0.3 mol CO,则5 min时,H2O的浓度是 mol·L-1,反应Ⅰ的平衡常数Kp为 。
答案 (1)AB (2)①低温 ②-41.47
③增大CO2浓度 ④羧基机理 氧化还原机理中第二步活化能更低 ⑤0.4 1.81(MPa)-2
4.(2023届山西大同一调,17)随着我国碳达峰、碳中和目标的确定,二氧化碳资源化利用备受关注。
Ⅰ.以CO2和NH3为原料合成尿素的反应如下:2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH=-87 kJ/mol。
研究发现,合成尿素的反应分两步完成,其能量变化如图甲所示:
第一步:2NH3(g)+CO2(g) H2NCOONH4(s) ΔH1
第二步:H2NCOONH4(s) CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH2
(1)图中ΔE= kJ/mol。
(2)反应速率较快的是 反应(填“第一步”或“第二步”),理由是 。
图甲
Ⅱ.以CO2和CH4催化重整制备合成气:CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)。在密闭容器中通入物质的量均为0.2 mol的CH4和CO2在一定条件下发生反应,CH4的平衡转化率随温度、压强的变化关系如图乙所示。
图乙
(3)由图乙可知,压强p1 p2(填“>”“<”或“=”)。
(4)已知气体分压=气体总压×气体的物质的量分数,用平衡分压代替平衡浓度可以得到平衡常数Kp,则X点对应温度下的Kp= (用含p2的代数式表示)。
Ⅲ.以CO2和H2催化合成乙烯:6H2(g)+2CO2(g) CH2CH2(g)+4H2O(g) ΔH<0。
(5)在一定压强下,将1 mol CO2和3 mol H2加入1 L容积不变的密闭容器中,已知温度对CO2的平衡转化率、实际转化率和催化剂催化效率的影响如图丙所示,结合图像分析该反应实际反应温度定于250 ℃的原因: 。
图丙
答案 (1)72.5 (2)第一步 第一步反应的活化能小于第二步反应的活化能 (3)< (4) (5)当温度低于250 ℃时,随着温度升高,催化剂活性增强,催化效率升高,反应速率加快,二氧化碳的实际转化率变大;当温度高于250 ℃时,随着温度升高,催化剂活性降低,催化效率降低,反应速率变慢,实际转化率变小(或温度为250 ℃时催化剂效率和二氧化碳的实际转化率均较高)
5.(2022全国甲,28,14分)金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途。目前生产钛的方法之一是将金红石(TiO2)转化为TiCl4,再进一步还原得到钛。回答下列问题:
(1) TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1 000 ℃时反应的热化学方程式及其平衡常数如下:
(ⅰ)直接氯化:
TiO2(s)+2Cl2(g) TiCl4(g)+O2(g) ΔH1=172 kJ·mol-1,=1.0×10-2
(ⅱ)碳氯化:
TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s) TiCl4(g)+2CO(g) ΔH2=-51 kJ·mol-1,=1.2×1012 Pa
①反应2C(s)+O2(g) 2CO(g)的ΔH为 kJ·mol-1,Kp= Pa。
②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化,其原因是 。
③对于碳氯化反应:增大压强,平衡 移动(填“向左”“向右”或“不”);温度升高,平衡转化率 (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
①反应C(s)+CO2(g) 2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)= Pa。
②图中显示,在200 ℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4,但实际生产中反应温度却远高于此温度,其原因是 。
(3)TiO2碳氯化是一个“气—固—固”反应,有利于TiO2-C“固—固”接触的措施是 。
答案 (1)①-223 1.2×1014 ②碳氯化反应熵增、放热且平衡常数远大于105 Pa
③向左 变小
(2)①7.2×105 ②为了提高反应速率,在相同时间内得到更多的TiCl4产品,提高效益
(3)搅拌或研磨固体成粉
6.(2022黑龙江哈尔滨三中三模,28节选)Xe和F2反应可得三种氟化物,视反应条件而定。下图表述的是将一定浓度的Xe和F2投入密闭容器中得到的生成物在平衡体系内的分压与反应温度的关系。
氟氙化合物生成反应的热力学数据如下表所示:
标准平衡常数 化学反应
523 K 673 K
①Xe(g)+F2(g) XeF2(g) 8.80×104 3.60×102
②Xe(g)+2F2(g) XeF4(g) 1.07×108 1.98×103
③Xe(g)+3F2(g) XeF6(g) 1.01×108 36
[已知:分压=总压×该组分物质的量分数,对于反应dD(g)+eE(g) gG(g)+hH(g),,其中pθ=100 kPa,pG、pH、pD、pE为各组分的平衡分压]。
(1)Xe和F2生成XeF6和XeF4,哪个反应放热更多 生成 (填“XeF6”或“XeF4”)的反应放热更多,理由是 。
(2)为有效制备XeF2应 投料中F2/Xe的比值(填“提高”或“降低”)。
(3)523 K时,反应XeF4(g)+F2(g) XeF6(g)的标准压强平衡常数= (保留两位有效数字)。平衡时,F2的分压在 kPa(取整数)以上时,可使XeF6与XeF4分压的比值大于10。
(4)523K时,是否容易发生歧化反应2XeF4(g) XeF6(g)+XeF2(g) 说明理由: 。
答案 (1)XeF6 升高相同温度,生成XeF6的反应平衡常数减小的多 (2)提高
(3)0.94 1 064
(4)不能,因为XeF4很难向XeF2转化
7.(2022全国乙,28,15分)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢,需要回收处理并加以利用。回答下列问题:
(1)已知下列反应的热化学方程式:
①2H2S(g)+3O2(g) 2SO2(g)+2H2O(g) ΔH1=-1 036 kJ·mol-1
②4H2S(g)+2SO2(g) 3S2(g)+4H2O(g) ΔH2=94 kJ·mol-1
③2H2(g)+O2(g) 2H2O(g) ΔH3=-484 kJ·mol-1
计算H2S热分解反应④2H2S(g) S2(g)+2H2(g)的ΔH4= kJ·mol-1。
(2)较普遍采用的H2S处理方法是克劳斯工艺,即利用反应①和②生成单质硫。另一种方法是,利用反应④高温热分解H2S。相比克劳斯工艺,高温热分解方法的优点是 ,缺点是 。
(3)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。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。
(4)在1 373 K、100 kPa反应条件下,对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合气,热分解反应过程中H2S转化率随时间的变化如下图所示。
①n(H2S)∶n(Ar)越小,H2S平衡转化率 ,理由是 。
②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应图中曲线 ,计算其在0~0.1 s之间,H2S分压的平均变化率为 kPa·s-1。
答案 (1)+170
(2)高温热分解能够获得H2,H2可作燃料,且副产物少 能耗高
(3)50% 4.76
(4)①越高(或越大) H2S的热分解反应为气体分子数增大的反应,恒压条件下,不断充入Ar,导致H2S的分压降低,相当于减压,平衡正向移动,H2S的平衡转化率升高
②d 24.9
8.(2022湖南,16,13分)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,向体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-1
Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·mol-1
①下列说法正确的是 :
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)∶c(HC)=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
(2)①10 ②2HC+CO2↑+H2O ③2CO2+12e-+12H+ C2H4+4H2O
9.(2021湖北,19,14分)丙烯是一种重要的化工原料,可以在催化剂作用下,由丙烷直接脱氢或氧化脱氢制备。
反应Ⅰ(直接脱氢):C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH1 =+125 kJ·mol-1
反应Ⅱ(氧化脱氢):C3H8(g)+O2(g)C3H6(g)+H2O(g) ΔH2=-118 kJ·mol-1
(1)已知键能:E(C—H)=416 kJ·mol-1,E(H—H)=436 kJ·mol-1,由此计算生成1 mol碳碳π键放出的能量为 kJ。
(2)对于反应Ⅰ,总压恒定为100 kPa,在密闭容器中通入C3H8和N2的混合气体(N2不参与反应),从平衡移动的角度判断,达到平衡后“通入N2”的作用是 ;在温度为T1时,C3H8的平衡转化率与通入气体中C3H8的物质的量分数的关系如图a所示,计算T1时反应Ⅰ的平衡常数Kp=
kPa(以分压表示,分压=总压×物质的量分数,保留一位小数)。
图a
(3)在温度为T2时,通入气体分压比为p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)=10∶5∶85的混合气体,各组分气体的分压随时间的变化关系如图b所示。0~1.2 s生成C3H6的平均速率为
kPa·s-1;在反应一段时间后,C3H8和O2的消耗速率比小于2∶1的原因为 。
图b
(4)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,已知某反应条件下只发生如下反应(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 ,其理由是 。
答案 (1)271 (2)减小气体浓度,使平衡右移,提高C3H8(g)转化率 16.7 (3)2 H2和C3H6都消耗O2 (4)先增大后减小 反应开始时,体系中主要发生反应Ⅱ,c(C3H6)逐渐增大,随着反应进行,p(C3H8)减小,p(C3H6)增大,v(C3H6)减小,体系中主要发生反应Ⅲ,c(C3H6)逐渐减小
10.(2022湖北武汉4月调研,19)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-1
Ⅱ.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下图所示。CH3OCH3的选择性=×100%。
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 (填标号)。
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)二甲醚直接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、二甲醚直接燃料电池的负极反应为 。该电池的理论输出电压为1.20 V,能量密度E= kW·h·kg-1(精确到小数点后1位。能量密度=,1 kW·h=3.6×106 J)。
答案 (1)-122.5 (2)主反应放热,副反应吸热,温度升高使副反应中CO2平衡转化率上升幅度大于主反应的下降幅度 BD
(3)20%
(4)CH3OCH3-12e-+16OH- 2C+11H2O 8.4
11.(2021广东,19节选)我国力争于2030年前做到碳达峰,2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应:
a)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH1
b)CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2
c)CH4(g)C(s)+2H2(g) ΔH3
d)2CO(g)CO2(g)+C(s) ΔH4
e)CO(g)+H2(g)H2O(g)+C(s) ΔH5
(2)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有 。
A.增大CO2与CH4的浓度,反应a、b、c的正反应速率都增加
B.移去部分C(s),反应c、d、e的平衡均向右移动
C.加入反应a的催化剂,可提高CH4的平衡转化率
D.降低反应温度,反应a~e的正、逆反应速率都减小
(3)一定条件下,CH4分解形成碳的反应历程如图1所示。该历程分 步进行,其中,第 步的正反应活化能最大。
图1
(4)设为相对压力平衡常数,其表达式写法:在浓度平衡常数表达式中,用相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0=100 kPa)。反应a、c、e的ln(温度的倒数)的变化如图2所示。
图2
①反应a、c、e中,属于吸热反应的有 (填字母)。
②反应c的相对压力平衡常数表达式为= 。
③在图2中A点对应温度下、原料组成为n(CO2)∶n(CH4)=1∶1、初始总压为100 kPa的恒容密闭容器中进行反应,体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率,写出计算过程。
(5)CO2用途广泛,写出基于其物理性质的一种用途: 。
答案 (2)AD (3)4 4 (4)①ac
②=0,则平衡体系中=1,即=1,p(CH4)=16 kPa,初始p(CH4)=50 kPa,则CH4的平衡转化率为×100%=68% (5)作制冷剂(合理即可)
12.(2022山东,20,11分)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。
(2)初始条件同上。xi表示某物种i的物质的量与除H2外其他各物种总物质的量之比,xBL和xBD随时间t变化关系如图甲所示。实验测得X
(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5.0×10-3mol 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。曲线a、b、c中,(xBD/xBL)max最大的是 (填代号);与曲线b相比,曲线c达到=1.0所需时间更长,原因是 。
图乙
答案 (1)-200(X+Y)
(2)ac 8.3×10-8 0.08 39%
(3)c 由于b和c代表的温度相同,而压强对反应速率的影响可忽略,压强增大反应Ⅱ、Ⅲ均是逆向进行,(xBD/xBL)max增大,故=1.0所需时间更长
应用篇
应用 化学反应速率和化学平衡图像分析
1.(2022河北,13,4分)(双选)恒温恒容条件下,向密闭容器中加入一定量X,发生反应的方程式为①X Y;②Y Z。反应①的速率v1=k1c(X),反应②的速率v2=k2c(Y),式中k1、k2为速率常数。图a为该体系中X、Y、Z浓度随时间变化的曲线,图b为反应①和②的lnk~曲线。下列说法错误的是( )
A.随c(X)的减小,反应①、②的速率均降低
B.体系中v(X)=v(Y)+v(Z)
C.欲提高Y的产率,需提高反应温度且控制反应时间
D.温度低于T1时,总反应速率由反应②决定
答案 AB
2.(2022上海嘉定二模,11)对于可逆反应:A(g)+B(g) 2C(g) ΔH<0。下列图像正确的是 ( )
A B C D
答案 A
3.(2022辽宁丹东期末,11)下面是某化学研究小组探究外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的图像,其中图像和实验结论表达均正确的是 ( )
a b
A(g)+3B(g) 2C(g) A(g)+3B(g) 2C(g)
c d
A(g)+B(g) 2C(g) FeCl3+3KSCN Fe(SCN)3+3KCl
A.a是其他条件一定时,反应速率随温度变化的图像,正反应的ΔH<0
B.b建立平衡的过程中,曲线Ⅰ比曲线Ⅱ反应时活化能低
C.c是一定条件下,向含有一定量A的容器中逐渐加入B时的图像,压强p1>p2
D.d是在平衡体系的溶液中溶入少量KCl晶体后,化学反应速率随时间变化的图像
答案 B
4.(2021广东,14,4分)反应X2Z经历两步:①XY;②Y2Z。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)
答案 D
5.(2022河南信阳二模,14)在某一恒温容积可变的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g) 2C(g)。反应速率随时间的变化如图所示。
下列说法正确的是 ( )
A.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,A的体积分数:Ⅰ>Ⅱ
B.t2时改变的条件是向密闭容器中加入物质C(g)
C.0~t2时,v正>v逆
D.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,平衡常数:K(Ⅰ)
6.(2021江苏,14,3分)NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应。工业尾气中NH3可通过催化氧化为N2除去。将一定比例NH3、O2和N2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管,NH3的转化率、N2的选择性[×100%]与温度的关系如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.其他条件不变,升高温度,NH3的平衡转化率增大
B.其他条件不变,在175~300 ℃范围,随着温度的升高,出口处氮气、氮氧化物的量均不断增大
C.催化氧化除去尾气中的NH3应选择反应温度高于250 ℃
D.高效除去尾气中的NH3,需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂
答案 D
7.(2022北京101中学三模,13)以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
①CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2
CO2的平衡转化率(X-CO2)、CH3OH的选择性(S-CH3OH)随温度、压强变化如下:
已知:S-CH3OH=×100%。
下列分析不正确的是 ( )
A.p1>p2
B.400 ℃左右,体系发生的反应主要是②
C.由图可知,ΔH1<0,ΔH2>0
D.初始n(CO2)=1 mol、n(H2)=3 mol,平衡后X-CO2=30%、S-CH3OH=80%,若只发生①②,则H2的平衡转化率为24%
答案 D
8.(2023届贵州贵阳开学考,28)以黄铁矿(主要成分为FeS2)为原料生产硫酸时,应资源化综合利用产出的炉渣(主要含Fe2O3)和尾气,减轻对环境的污染。回答下列问题:
(1)FeS2焙烧产生的SO2可用于制硫酸。
反应Ⅰ:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH1=-196 kJ/mol;
反应Ⅱ:H2O(g) H2O(l) ΔH2=-44 kJ/mol;
反应Ⅲ:2SO2(g)+O2(g)+2H2O(g) 2H2SO4(l) ΔH3=-545 kJ/mol
则SO3(g)与H2O(l)反应生成H2SO4(l)的热化学方程式是 。
(2)二氧化硫的催化氧化是工业上生产硫酸的主要反应。
①在密闭容器中反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)达到平衡时,由于条件改变而引起反应速率和化学平衡的变化情况如图所示,a→b过程中改变的条件可能是 ;b→c过程中改变的条件可能是 。
②当SO2、O2、N2(不参与反应)起始的物质的量分数分别为10%、15%和75%时,在0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa下,SO2的平衡转化率(α)随温度的变化如图所示。反应在0.5 MPa、550 ℃时的α= ,判断的依据是 。
③将起始的物质的量分数分别为10%、15%和75%的SO2、O2、N2(不参与反应)通入反应器中,在恒温T、恒压p条件下进行反应。平衡时,若SO2的转化率为α1,则SO3的分压为 ,用p(SO2)、p(SO3)、p(O2)表示各气体的分压,用分压代替浓度,则平衡常数Kp的表达式为 。
(3)高炉炼铁的尾气中通常含有较多的SO2气体。为减少污染,分离并回收气体,工业上用碱性工业废渣吸收SO2气体,脱硫效率与温度和尾气中SO2的质量浓度的关系如图所示。依据图中数据分析,脱硫最合适的温度是 ℃;在上述温度下,选择合适的质量浓度,经测定40 min内共处理10 m3废气,则40 min内平均脱硫速率为 mg/min。
答案 (1)SO3(g)+H2O(l) H2SO4(l) ΔH=-130.5 kJ/mol
(2)①升高温度 减小SO3的浓度 ②0.925 该反应为气体分子数减少的反应,减小压强,平衡逆向移动,转化率降低,则p3=0.5 MPa,550 ℃时的α=0.925
③
(3)30 725
9.(2022湖北,19,14分)自发热材料在生活中的应用日益广泛。某实验小组为探究“CaO-Al-H2O”体系的发热原理,在隔热装置中进行了下表中的五组实验,测得相应实验体系的温度升高值(ΔT)随时间(t)的变化曲线,如图所示。
实验编号 反应物组成
a 0.20 g CaO粉末 5.0 mL H2O
b 0.15 g Al粉 5.0 mL H2O
c 0.15 g Al粉 5.0 mL 饱和石灰水
d 0.15 g Al粉 5.0 mL 石灰乳
e 0.15 g Al粉 0.20 g CaO粉末 5.0 mL H2O
回答下列问题:
(1)已知:
①CaO(s)+H2O(l) Ca(OH)2(s) ΔH1=-65.17 kJ·mol-1
②Ca(OH)2(s) Ca2+(aq)+2OH-(aq) ΔH2=-16.73 kJ·mol-1
③Al(s)+OH-(aq)+3H2O(l) [Al(OH)4]-(aq)+H2(g) ΔH3=-415.0 kJ·mol-1
则CaO(s)+2Al(s)+7H2O(l)Ca2+(aq)+2[Al(OH)4]-(aq)+3H2(g)ΔH4= kJ·mol-1。
(2)温度为T时,Ksp[Ca(OH)2]=x,则Ca(OH)2饱和溶液中c(OH-)= (用含x的代数式表示)。
(3)实验a中,4 min后ΔT基本不变,原因是 。
(4)实验b中,ΔT的变化说明Al粉与H2O在该条件下 (填“反应”或“不反应”)。实验c中,前3 min的ΔT有变化,其原因是 ;3 min后ΔT基本不变,其原因是 微粒的量有限。
(5)下列说法不能解释实验d在10 min内温度持续升高的是 (填标号)。
A.反应②的发生促使反应①平衡右移 B.反应③的发生促使反应②平衡右移
C.气体的逸出促使反应③向右进行 D.温度升高导致反应速率加快
(6)归纳以上实验结果,根据实验e的特征,用文字简述其发热原理 。
答案 (1)-911.9 (2)
(3)反应生成的Ca(OH)2覆盖在CaO表面,阻止反应进行 (4)不反应 Al和溶液中的OH-发生了反应,放出热量 OH-
(5)A (6)实验e中,发生反应①、②和③,反应③中有气体生成,气体的逸出促使反应③向右进行,反应③的发生使得溶液中OH-的浓度减小,促使反应②平衡右移,反应②的发生促使反应①平衡右移,这三步反应都是放热反应,温度升高导致反应速率加快
10.(2021天津,16,14分)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),回答下列问题:
(1)CH4的电子式为 ,CS2分子的立体构型为 。
(2)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。
①当CS2的体积分数为10%时,CH4的转化率为 。
②当以下数值不变时,能说明该反应达到平衡的是 (填序号)。
a.气体密度 b.气体总压
c.CH4与S2体积比 d.CS2的体积分数
(3)一定条件下,CH4与S2反应中CH4的平衡转化率、S8分解产生S2的体积分数随温度的变化曲线如图所示。据图分析,生成CS2的反应为 (填“放热”或“吸热”)反应。工业上通常采用在600~650 ℃的条件下进行此反应,不采用低于600 ℃的原因是 。
(4)用燃煤废气(含N2、O2、SO2、CO2、H2O、NOx等)使尾气中的H2S转化为单质硫(S),可实现废物利用,保护环境。写出其中一个反应的化学方程式 。
答案 (1)H····H 直线形
(2)①30% ②d
(3)放热 600 ℃时甲烷平衡转化率高达99%,低于600 ℃时,S2浓度明显偏小,且反应速率慢
(4)2H2S+SO23S+2H2O、2xH2S+2NOx2xS+2xH2O+N2、2H2S+O22S+2H2O(写出任意一个,或者其他合理答案均可)
创新篇
创新 反应速率常数的应用
1.(2022辽宁辽阳一模,12)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)。
容器 编号 起始浓度/(mol·L-1) 平衡浓度/ (mol·L-1)
c(SO2) c(O2) c(SO3) c(O2)
Ⅰ 0.6 0.3 0 0.2
Ⅱ 0.5 x 0.3
Ⅲ 0.3 0.25 0.2
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:K=
B.若容器Ⅱ中达到平衡时=1,则x=0.85
C.容器Ⅲ中达到平衡时,c(O2)<0.25 mol·L-1
D.当温度升高为T2时,k正、k逆分别增大m倍和n倍,则m
2.(2022辽宁大连二模,13)某反应A(g)+B(g)C(g)+D(g)的速率方程为v=k·cm(A)·cn(B),其半衰期(当剩余反应物恰好是起始的一半时所需的时间)为。改变反应物浓度时,反应的瞬时速率如下表所示:
c(A)/(mol·L-1) c(B)/(mol·L-1) v/(10-3 mol·L-1·min-1)
0.25 0.050 1.4
0.50 0.050 2.8
1.00 0.050 5.6
0.50 0.100 2.8
下列说法正确的是 ( )
A.速率方程中的m=1、n=1
B.该反应的速率常数k=2.8×10-3min-1
C.增大反应物浓度,k增大导致反应的瞬时速率加快
D.在过量的B存在时,反应掉87.5%的A所需的时间是375 min
答案 D
3.(2021河北,13,4分)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+NX+Y;②M+NX+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。下列说法错误的是 ( )
A.0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3mol·L-1·min-1
B.反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变
C.如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为Z
D.反应①的活化能比反应②的活化能大
答案 A
4.(2018课标Ⅲ,28节选)三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。回答下列问题:
(3)对于反应2SiHCl3(g) SiH2Cl2(g)+SiCl4(g),采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂,在323 K和343 K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。
①343 K时反应的平衡转化率α= %。平衡常数K343 K= (保留2位小数)。
②在343 K下:要提高SiHCl3转化率,可采取的措施是 ;要缩短反应达到平衡的时间,可采取的措施有 、 。
③比较a、b处反应速率大小:va vb(填“大于”“小于”或“等于”)。反应速率v=v正-v逆=k正,k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数,x为物质的量分数,计算a处的= (保留1位小数)。
答案 (3)①22 0.02 ②及时移去产物 改进催化剂 提高反应物压强(浓度) ③大于 1.3
5.(2022河南焦作、安阳二模,28)H2在化学工业中有重要用途,中国科学家在以H2为还原剂清除NO的研究方面取得了显著成果,其相关反应如下:
主反应:2NO(g)+2H2(g) N2(g)+2H2O(g) ΔH1
副反应:2NO(g)+H2(g) N2O(g)+H2O(g) ΔH2
试回答下列问题:
(1)已知相关反应过程中的能量变化如下:
则主反应的ΔH1= kJ·mol-1,该反应在 (填“低温”或“高温”)下能自发进行。
(2)研究表明主反应的速率可表示为v=k·c2(NO)·c(H2)(k为速率常数)。根据Arrhenius方程:lg()(R为常数,Ea为反应的活化能),可判断影响速率常数k的外界因素有 (填两种)。
(3)在催化剂作用下,将原料气按=1充入某刚性密闭容器中,在不同温度下,反应相同时间时测得混合气体中N2、N2O的体积分数随温度的变化关系如图所示:
①由图可知,混合气体中N2的体积分数明显高于N2O的原因可能是 (填1种);温度高于205 ℃时,N2的体积分数随温度的升高而减小的原因可能是 (列出2点)。
②200 ℃时,下列事实能说明上述反应达到平衡状态的是 (填序号)。
a.混合气体的密度保持不变
b.N2的生成速率等于N2O的消耗速率
c.保持不变
d.H2O(g)的体积分数保持不变
(4)T ℃时,向2 L添加催化剂的刚性恒温密闭容器中充入1 mol NO和3 mol H2,发生上述反应,容器内压强随时间的变化如下表(不考虑催化剂对压强的影响):
时间/min 0 20 40 60 80
压强/MPa p0 0.96p0 0.92p0 0.90p0 0.90p0
已知平衡时N2的选择性为90%[N2的选择性=×100%],则NO的有效去除率(NO转化为N2)为 %;根据(2)中的速率方程计算主反应在60 min时的速率v= (无需注明单位,用含k的代数式表示)。
答案 (1)-663.5 低温 (2)温度、催化剂
(3)①催化剂对主反应的选择性大于对副反应的选择性或主反应的反应速率大于副反应的反应速率(合理即可) 温度升高,催化剂逐渐失活;温度升高,主反应向逆反应方向进行(合理即可) ②cd
(4)72 1.12×10-2k
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