2025版新教材高考化学第二轮复习专题练--专题九 化学反应速率与化学平衡（含答案）
文档属性
| 名称 | 2025版新教材高考化学第二轮复习专题练--专题九 化学反应速率与化学平衡（含答案） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 2.3MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 通用版 | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2025-02-09 21:21:15 | ||
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2025版新教材高考化学第二轮复习
专题九 化学反应速率与化学平衡
五年高考
考点1 化学反应速率
1.(2024江西,9,3分)温度T下,向1 L真空刚性容器中加入1 mol (CH3)2CHOH,反应达到平衡时,c(Y)=0.4 mol/L。下列说法正确的是 ( )
(CH3)2CHOH(g) (CH3)2CO(g)+H2(g)
X Y Z
A.再充入1 mol X和1 mol Y,此时v正B.再充入1 mol X,平衡时,c(Y)=0.8 mol/L
C.再充入1 mol N2,平衡向右移动
D.若温度升高,X的转化率增加,则上述反应ΔH<0
2.(2024黑、吉、辽,10,3分)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品,150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示,15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是 ( )
A.3 h时,反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数:①>②
C.0~3 h平均速率v(异山梨醇)=0.014 mol·kg-1·h-1
D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
3.(2024安徽,12,3分)室温下,为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素,测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如下图。
实验序号 水样体积/mL 纳米铁质量/mg 水样初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是 ( )
A.实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为2Fe+Se+8H+ 2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH越小,Se的去除效果越好
4.(2023河北,12,3分)在恒温恒容密闭容器中充入一定量W(g),发生如下反应:
反应②和③的速率方程分别为v2=k2c2(X)和v3=k3c(Z),其中k2、k3分别为反应②和③的速率常数,反应③的活化能大于反应②。测得W(g)的浓度随时间的变化如下表。
t/min 0 1 2 3 4 5
c(W)/(mol·L-1) 0.160 0.113 0.080 0.056 0.040 0.028
下列说法正确的是 ( )
A.0~2 min内,X的平均反应速率为0.080 mol·L-1 ·min-1
B.若增大容器容积,平衡时Y的产率增大
C.若k2=k3,平衡时c(Z)=c(X)
D.若升高温度,平衡时c(Z)减小
5.(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
6.(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
7.(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 ( )
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
8.(2021广东,14,4分)反应X 2Z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)
考点2 化学平衡 化学反应的方向
9.(2024浙江6月选考,11,3分)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(g) ΔH1>0
Ⅱ C2H6(g)+2CO2(g) 4CO(g)+3H2(g) ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据见下表,下列说法不正确的是 ( )
温度(℃) 400 500 600
乙烷转化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能:Ⅰ<Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
10.(双选)(2024山东,15,4分)逆水气变换反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH>0。一定压力下,按CO2、H2物质的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1投料,T1,T2温度时反应物摩尔分数随时间变化关系如图所示。已知该反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2温度时反应速率常数k分别为k1、k2。下列说法错误的是 ( )
A.k1>k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:
C.温度不变,仅改变体系初始压力,反应物摩尔分数随时间的变化曲线不变
D.T2温度下,改变初始投料比例,可使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同
11.(双选)(2023海南,13,4分)工业上苯乙烯的生产主要采用乙苯脱氢工艺:C6H5CH2CH3(g) C6H5CHCH2(g)+H2(g)。某条件下无催化剂存在时,该反应的正、逆反应速率v随时间t的变化关系如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.曲线①表示的是逆反应的v-t关系
B.t2时刻体系处于平衡状态
C.反应进行到t1时,Q>K(Q为浓度商)
D.催化剂存在时,v1、v2都增大
12.(2023重庆,14,3分)逆水煤气变换体系中存在以下两个反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)
在恒容条件下,按V(CO2)∶V(H2)=1∶1投料比进行反应,平衡时含碳物质体积分数随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.反应Ⅰ的ΔH<0,反应Ⅱ的ΔH>0
B.M点反应Ⅰ的平衡常数K<1
C.N点H2O的压强是CH4的3倍
D.若按V(CO2)∶V(H2)=1∶2投料,则曲线之间交点位置不变
13.(2022海南,8,2分)某温度下,反应CH2CH2(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
14.(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
15.(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
16.(2024江西,16,14分)目前开采的天然气含有H2S,综合利用天然气制氢是实现“碳中和”的重要途径。CH4和H2S重整制氢的主要反应如下:
反应Ⅰ:CH4(g)+2H2S(g) CS2(g)+4H2(g) ΔH1=+260 kJ/mol
反应Ⅱ:CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH2=+90 kJ/mol
反应Ⅲ:2H2S(g) S2(g)+2H2(g) ΔH3=+181 kJ/mol
回答下列问题:
(1)H2S分子的电子式为 。
(2)反应Ⅳ:CS2(g) S2(g)+C(s) ΔH4= kJ/mol。
(3)保持反应器进料口总压为100 kPa。分别以8 kPa CH4、24 kPa H2S(He作辅气)与25 kPa CH4、75 kPa H2S进料,CH4平衡转化率与温度的关系如图1,含有He的曲线为 ,理由是 。
假设在10 L的恒温刚性容器中,通入0.3 mol CH4和0.15 mol H2S发生反应Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,起始总压为p0,CH4和H2S的转化率与时间的关系如图2,0~5 min内H2的化学反应速率
为 mol/(L·min);5 min时,容器内总压为 。
(5)假设H2S和CH4的混合气体在某固体催化剂上的吸附服从Langmuir等温吸附(吸附分子彼此不发生相互作用,且气体分子为单分子层吸附)。
吸附等温式为,
其中a是气体的吸附系数,Vm是气体在固体表面的饱和吸附量(标态),p是气体的分压,V是气体分压为p时的平衡吸附量(标态)。
在一定温度下,H2S的吸附系数是CH4的4倍,当H2S的分压为2 MPa及4 MPa,CH4和H2S的分压相同时,H2S平衡吸附量分别为0.6 m3/kg和0.8 m3/kg(已换算成标态),则H2S的吸附系数
为 MPa-1。
(6)与传统天然气制氢中需要脱硫将H2S转化为硫黄和水相比,上述方法优点是 。
17.(2024黑、吉、辽,18,13分)为实现氯资源循环利用,工业上采用RuO2催化氧化法处理HCl废气:
2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g) ΔH1=-57.2 kJ·mol-1 ΔS K
将HCl和O2分别以不同起始流速通入反应器中,在360 ℃、400 ℃和440 ℃下反应,通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线,如下图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。
图1 图2
回答下列问题:
(1)ΔS 0(填“>”或“<”);T3= ℃。
(2)结合以下信息,可知H2的燃烧热ΔH= kJ·mol-1。
H2O(l) H2O(g) ΔH2=+44.0 kJ·mol-1
H2(g)+Cl2(g) 2HCl(g) ΔH3=-184.6 kJ·mol-1
(3)下列措施可提高M点HCl转化率的是 (填标号)。
A.增大HCl的流速
B.将温度升高40 ℃
C.增大n(HCl)∶n(O2)
D.使用更高效的催化剂
(4)图中较高流速时,α(T3)小于α(T2)和α(T1),原因是 。
(5)设N点的转化率为平衡转化率,则该温度下反应的平衡常数K= (用平衡物质的量分数代替平衡浓度计算)。
(6)负载在TiO2上的RuO2催化活性高,稳定性强。TiO2和RuO2的晶体结构均可用下图表示,二者晶胞体积近似相等,RuO2与TiO2的密度比为1.66,则Ru的相对原子质量为 (精确至1)。
18.(2024山东,20,12分)水煤气是H2的主要来源,研究CaO对C-H2O体系制H2的影响,涉及主要反应如下:
C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) (Ⅰ) ΔH1>0
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) (Ⅱ) ΔH2<0
CaO(s)+CO2(g) CaCO3(s) (Ⅲ) ΔH3<0
回答下列问题:
(1)C(s)+CaO(s)+2H2O(g) CaCO3(s)+2H2(g)的焓变ΔH= (用代数式表示)。
(2)压力p下、C-H2O-CaO体系达平衡后,图示温度范围内C(s)已完全反应,CaCO3(s)在T1温度时完全分解。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示,则a线对应物种
为 (填化学式)。当温度高于T1时,随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是 。
(3)压力p下、温度为T0时,图示三种气体的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05,则反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)的平衡常数Kp= ;此时气体总物质的量为4.0 mol,则CaCO3(s)的物质的量为 mol;若向平衡体系中通入少量CO2(g),重新达平衡后,分压p(CO2)将 (填“增大”“减小”或“不变”),p(CO)将 (填“增大”“减小”或“不变”)。
19.(2023广东,19,14分)配合物广泛存在于自然界,且在生产和生活中都发挥着重要作用。
(1)某有机物R能与Fe2+形成橙红色的配离子[FeR3]2+,该配离子可被HNO3氧化成淡蓝色的配离子[FeR3]3+。
①基态Fe2+的3d电子轨道表示式为
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
。
②完成反应的离子方程式:N+2[FeR3]2++3H+ +2[FeR3]3++H2O。
(2)某研究小组对(1)中②的反应进行了研究。用浓度分别为2.0、2.5、3.0 mol·L-1的HNO3溶液进行了三组实验,得到c([FeR3]2+)随时间t的变化曲线如图。
①c(HNO3)=3.0 mol·L-1时,在0~1 min内,[FeR3]2+的平均消耗速率= 。
②下列有关说法中,正确的有 。
A.平衡后加水稀释,增大
B.[FeR3]2+平衡转化率:αⅢ>αⅡ>αⅠ
C.三组实验中,反应速率都随反应进程一直减小
D.体系由橙红色转变为淡蓝色所需时间:tⅢ>tⅡ>tⅠ
(3)R的衍生物L可用于分离稀土。溶液中某稀土离子(用M表示)与L存在平衡:
M+L ML K1
ML+L ML2 K2
研究组配制了L起始浓度c0(L)=0.02 mol·L-1、M与L起始浓度比c0(M)/c0(L)不同的系列溶液,反应平衡后测定其核磁共振氢谱。配体L上的某个特征H在三个物种L、ML、ML2中的化学位移不同,该特征H对应吸收峰的相对峰面积S(体系中所有特征H的总峰面积计为1)如下表。
c0(M)/c0(L) S(L) S(ML) S(ML2)
0 1.00 0 0
a x <0.01 0.64
b <0.01 0.40 0.60
[注]核磁共振氢谱中相对峰面积S之比等于吸收峰对应H的原子数目之比;“<0.01”表示未检测到。
①c0(M)/c0(L)=a时,x= 。
②c0(M)/c0(L)=b时,平衡浓度比c平(ML2)∶c平(ML)= 。
(4)研究组用吸收光谱法研究了(3)中M与L反应体系。当c0(L)=1.0×10-5 mol·L-1时,测得平衡时各物种c平/c0(L)随c0(M)/c0(L)的变化曲线如图。c0(M)/c0(L)=0.51时,计算M的平衡转化率(写出计算过程,结果保留两位有效数字)。
20.(2022重庆,17,14分)反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)在工业上有重要应用。
(1)该反应在不同温度下的平衡常数如下表所示。
温度/℃ 700 800 830 1 000
平衡常数 1.67 1.11 1.00 0.59
①反应的ΔH 0(填“>”“<”或“=”)。
②反应常在较高温度下进行,该措施的优缺点是 。
(2)该反应常在Pd膜反应器中进行,其工作原理如图所示。
①利用平衡移动原理解释反应器存在Pd膜时具有更高转化率的原因是 。
②某温度下,H2在Pd膜表面上的解离过程存在如下平衡:H2 2H,其正反应的活化能远小于逆反应的活化能。下列说法错误的是 。
A.Pd膜对气体分子的透过具有选择性
B.过程2的ΔH>0
C.加快Pd膜内H原子迁移有利于H2的解离
D.H原子在Pd膜表面上结合为H2的过程为放热反应
③同温同压下,等物质的量的CO和H2O通入无Pd膜反应器,CO的平衡转化率为75%;若换成Pd膜反应器,CO的平衡转化率为90%,则相同时间内出口a和出口b中H2的质量比为 。
(3)该反应也可采用电化学方法实现,反应装置如图所示。
①固体电解质采用 (填“氧离子导体”或“质子导体”)。
②阴极的电极反应式为 。
③同温同压下,相同时间内,若进口Ⅰ处n(CO)∶n(H2O)=a∶b,出口Ⅰ处气体体积为进口Ⅰ处的y倍,则CO的转化率为 (用a、b、y表示)。
21.(2022辽宁,17,13分)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
(6)某种新型储氢材料的晶胞如图,八面体中心为M金属离子,顶点均为NH3配体;四面体中心为硼原子,顶点均为氢原子。若其摩尔质量为188 g·mol-1,则M元素为 (填元素符号);在该化合物中,M离子的价电子排布式为 。
考点3 化学平衡常数及其相关计算
类型1 与方程式运算结合
22.(2023全国甲,28,15分)甲烷选择性氧化制备甲醇是一种原子利用率高的方法。回答下列问题:
(1)已知下列反应的热化学方程式:
①3O2(g) 2O3(g) K1 ΔH1=285 kJ·mol-1
②2CH4(g)+O2(g) 2CH3OH(l) K2 ΔH2=-329 kJ·mol-1
反应③CH4(g)+O3(g) CH3OH(l)+O2(g)的ΔH3= kJ·mol-1,平衡常数K3= (用K1、K2表示)。
(2)电喷雾电离等方法得到的M+(Fe+、Co+、Ni+等)与O3反应可得MO+。MO+与CH4反应能高选择性地生成甲醇。分别在300 K和310 K下(其他反应条件相同)进行反应MO++CH4 M++CH3OH,结果如下图所示。图中300 K的曲线是 (填“a”或“b”)。300 K、60 s时MO+的转化率为 (列出算式)。
(3)MO+分别与CH4、CD4反应,体系的能量随反应进程的变化如下图所示(两者历程相似,图中以CH4示例)。
(ⅰ)步骤Ⅰ和Ⅱ中涉及氢原子成键变化的是 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(ⅱ)直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时,反应速率会变慢,则MO+与CD4反应的能量变化应为图中曲线 (填“c”或“d”)。
(ⅲ)MO+与CH2D2反应,氘代甲醇的产量CH2DOD CHD2OH(填“>”“=”或“<”)。若MO+与CHD3反应,生成的氘代甲醇有 种。
23.(2023福建,13,节选)探究甲醇对丙烷制丙烯的影响。
丙烷制烯烃过程主要发生的反应有
ⅰ.C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) ΔH1=+124 kJ·mol-1 ΔS1=127 J·K-1·mol-1
ⅱ.C3H8(g) C2H4(g)+CH4(g) ΔH2=+82 kJ·mol-1
ΔS2=135 J·K-1·mol-1
ⅲ.C3H8(g)+2H2(g) 3CH4(g) ΔH3=-120 kJ·mol-1
ΔS3=27.5 J·K-1·mol-1
已知:Kp为用气体分压表示的平衡常数,分压=物质的量分数×总压。
(1)比较反应自发进行(ΔG=ΔH-TΔS<0)的最低温度,反应ⅰ 反应ⅱ(填“>”或“<”)。
(2)在0.1 MPa,t ℃下,丙烷单独进料时,平衡体系中各组分的体积分数φ见下表。
组分 C3H6 C2H4 CH4 C3H8 H2
φ/% 21.0 23.7 55.2 0.1 0.0
②从初始进料到体系达平衡时,反应ⅰ、ⅱ、ⅲ消耗丙烷的平均速率从大到小的顺序为反应 >反应 >反应 (填标号)。
③平衡体系中检测不到H2,可认为存在反应:3C3H8(g) 2C3H6(g)+3CH4(g) Kp。下列相关说法正确的是 (填标号)。
a.Kp=
b.Kp= (MPa)2
c.使用催化剂,可提高丙烯的平衡产率
d.平衡后再通入少量丙烷,可提高丙烯的体积分数
④由表中数据推算:丙烯选择性=
(列出计算式)。
(3)丙烷、甲醇共进料时,还发生反应:
ⅳ.CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) ΔH4=+91 kJ·mol-1
在0.1 MPa、t ℃下,平衡体系中各组分体积分数与进料比的关系如图所示。
①进料比n(丙烷)∶n(甲醇)=1时,体系总反应:
C3H8(g)+CH3OH(g) CO(g)+3CH4(g) ΔH= kJ·mol-1
②随着甲醇投料增加,平衡体系中丙烯的体积分数降低的原因是 。
24.(2023湖南,16,14分)聚苯乙烯是一类重要的高分子材料,可通过苯乙烯聚合制得。
Ⅰ.苯乙烯的制备
(1)已知下列反应的热化学方程式:
①C6H5C2H5(g)+O2(g) 8CO2(g)+5H2O(g) ΔH1=-4 386.9 kJ·mol-1
②C6H5CHCH2(g)+10O2(g) 8CO2(g)+4H2O(g) ΔH2=-4 263.1 kJ·mol-1
③H2(g)+O2(g) H2O(g) ΔH3=-241.8 kJ·mol-1
计算反应④C6H5C2H5(g)C6H5CHCH2(g)+H2(g)的ΔH4= kJ·mol-1;
(2)在某温度、100 kPa下,向反应器中充入1 mol气态乙苯发生反应④,其平衡转化率为50%,欲将平衡转化率提高至75%,需要向反应器中充入 mol水蒸气作为稀释气(计算时忽略副反应);
(3)在913 K、100 kPa下,以水蒸气作稀释气、Fe2O3作催化剂,乙苯除脱氢生成苯乙烯外,还会发生如下两个副反应:
⑤C6H5C2H5(g) C6H6(g)+CH2CH2(g)
⑥C6H5C2H5(g)+H2(g) C6H5CH3(g)+CH4(g)
以上反应体系中,芳香烃产物苯乙烯、苯和甲苯的选择性S(S=×100%)随乙苯转化率的变化曲线如图所示,其中曲线b代表的产物是 ,理由是 ;
(4)关于本反应体系中催化剂Fe2O3的描述错误的是 ;
A.X射线衍射技术可测定Fe2O3晶体结构
B.Fe2O3可改变乙苯平衡转化率
C.Fe2O3降低了乙苯脱氢反应的活化能
D.改变Fe2O3颗粒大小不影响反应速率
Ⅱ.苯乙烯的聚合
苯乙烯聚合有多种方法,其中一种方法的关键步骤是某Cu(Ⅰ)的配合物促进C6H5CH2X(引发剂,X表示卤素)生成自由基C6H5H2,实现苯乙烯可控聚合。
(5)引发剂C6H5CH2Cl、C6H5CH2Br、C6H5CH2I中活性最高的是 ;
(6)室温下,①Cu+在配体L的水溶液中形成[Cu(L)2]+,其反应平衡常数为K;②CuBr在水中的溶度积常数为Ksp。由此可知,CuBr在配体L的水溶液中溶解反应的平衡常数为 (所有方程式中计量系数关系均为最简整数比)。
类型2 与电化学结合
25.(2024湖南,18,15分)丙烯腈()是一种重要的化工原料。工业上以N2为载气,用TiO2作催化剂生产的流程如下:
已知:①进料混合气进入两釜的流量恒定,两釜中反应温度恒定;
②反应釜Ⅰ中发生的反应:
ⅰ.HOCH2CH2COOC2H5(g)
+H2O(g) ΔH1
③反应釜Ⅱ中发生的反应:
ⅱ.+NH3(g) +C2H5OH(g) ΔH2
ⅲ.
+H2O(g) ΔH3
④在此生产条件下,酯类物质可能发生水解。
回答下列问题:
总反应HOCH2CH2COOC2H5(g)+NH3(g) +C2H5OH(g)+2H2O(g)
ΔH= (用含ΔH1、ΔH2和ΔH3的代数式表示);
(2)进料混合气中n(HOCH2CH2COOC2H5)∶n(C2H5OH)=1∶2,出料中四种物质(、、C2H5OH、H2O)的流量(单位时间内出料口流出的物质的量)随时间变化关系如图:
①表示的曲线是 (填“a”“b”或“c”);
②反应釜Ⅰ中加入C2H5OH的作用是 ;
③出料中没有检测到的原因是 ;
④反应11 h后,a、b、c曲线对应物质的流量逐渐降低的原因是 ;
(3)催化剂TiO2再生时会释放CO2,可用氨水吸收获得NH4HCO3。现将一定量的NH4HCO3固体(含0.72 g水)置于密闭真空容器中,充入CO2和NH3,其中CO2的分压为100 kPa,在27 ℃下进行干燥。为保证NH4HCO3不分解,NH3的分压应不低于 kPa[已知p(H2O)=2.5×102 kPa·mol-1×n(H2O),NH4HCO3分解的平衡常数Kp=4×104(kPa)3];
(4)以为原料,稀硫酸为电解液,Sn作阴极,用电解的方法可制得Sn(CH2CH2CN)4,其阴极反应式为 。
26.(2023重庆,17,14)银及其化合物在催化与电化学等领域中具有重要应用。
(1)在银催化下,乙烯与氧气反应生成环氧乙烷(EO)和乙醛(AA)。根据下图所示,回答下列问题:
①中间体OMC生成吸附态EO(ads)的活化能为 kJ/mol。
②由EO(g)生成AA(g)的热化学方程式为 。
(2)一定条件下,银催化剂表面上存在反应:Ag2O(s) 2Ag(s)+O2(g)。该反应平衡压强pe与温度T的关系如下:
T/K 401 443 463
pe/kPa 10 51 100
①463 K时的平衡常数Kp= (kPa。
②起始状态Ⅰ中有Ag2O、Ag和O2,经下列过程达到各平衡状态:
已知状态Ⅰ和Ⅲ的固体质量相等,下列叙述正确的是 (填字母)。
A.从Ⅰ到Ⅱ的过程ΔS>0
B.pe(Ⅱ)>pe(Ⅲ)
C.平衡常数:K(Ⅱ)>K(Ⅳ)
D.若体积V(Ⅲ)=2V(Ⅰ),则Q(Ⅰ)=K(Ⅲ)
E.逆反应的速率:v(Ⅰ)>v(Ⅱ)=v(Ⅲ)>v(Ⅳ)
③某温度下,向恒容容器中加入Ag2O,分解过程中反应速率v(O2)与压强p的关系为v(O2)=k(1-),k为速率常数(定温下为常数)。当固体质量减少4%时,逆反应速率最大。若转化率为14.5%,则v(O2)= (用k表示)。
(3)α-AgI可用作固体离子导体,能通过加热γ-AgI制得。上述两种晶体的晶胞示意图如图所示(为了简化,只画出了碘离子在晶胞中的位置)。
①测定晶体结构最常用的仪器是 (填字母)。
A.质谱仪 B.红外光谱仪
C.核磁共振仪 D.X射线衍射仪
②γ-AgI与α-AgI晶胞的体积之比为 。
③测定α-AgI中导电离子类型的实验装置如下图所示。实验测得支管a中AgI质量不变,可判定导电离子是Ag+而不是I-,依据是 。
27.(2023河北,17,15分)氮是自然界重要元素之一,研究氮及其化合物的性质以及氮的循环利用对解决环境和能源问题都具有重要意义。
已知:1 mol物质中的化学键断裂时所需能量如下表。
物质 N2(g) O2(g) NO(g)
能量/kJ 945 498 631
回答下列问题:
(1)恒温下,将1 mol空气(N2和O2的体积分数分别为0.78和0.21,其余为惰性组分)置于容积为V L的恒容密闭容器中,假设体系中只存在如下两个反应:
ⅰ.N2(g)+O2(g) 2NO(g) K1 ΔH1
ⅱ.2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) K2 ΔH2=-114 kJ·mol-1
①ΔH1= kJ·mol-1。
②以下操作可以降低上述平衡体系中NO浓度的有 (填标号)。
A.缩小体积 B.升高温度
C.移除NO2 D.降低N2浓度
③若上述平衡体系中c(NO2)=a mol·L-1,c(NO)=b mol·L-1,则c(O2)= mol·L-1,
K1= (写出含a、b、V的计算式)。
(2)氢气催化还原NOx作为一种高效环保的脱硝技术备受关注。高温下氢气还原NO反应的速率方程为v=kcx(NO)cy(H2),k为速率常数。在一定温度下改变体系中各物质浓度,测定结果如下表。
组号 c(NO)/(mol·L-1) c(H2)/(mol·L-1) v/(mol·L-1·s-1)
1 0.10 0.10 r
2 0.10 0.20 2r
3 0.20 0.10 4r
4 0.05 0.30
表中第4组的反应速率为 mol·L-1·s-1。(写出含r的表达式)
(3)①以空气中的氮气为原料电解合成氨时,N2在 (填“阴”或“阳”)极上发生反应,产生NH3。
②氨燃料电池和氢燃料电池产生相同电量时,理论上消耗NH3和H2的质量比为17∶3,则在碱性介质中氨燃料电池负极的电极反应式为 。
③我国科学家研究了水溶液中三种催化剂(a、b、c)上N2电还原为NH3(图1)和H2O电还原为H2(图2)反应历程中的能量变化,则三种催化剂对N2电还原为NH3的催化活性由强到弱的顺序为 (用字母a、b、c排序)。
图1
图2
类型3 分压平衡常数
28.(2024贵州,17,14分)在无氧环境下,CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下,CH4芳构化时同时存在如下反应:
ⅰ.CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH1=+74.6 kJ·mol-1
ΔS=+80.84 J·mol-1·K-1
ⅱ.6CH4(g) C6H6(l)+9H2(g) ΔH2
回答下列问题:
(1)反应ⅰ在1 000 K时 (选填“能”或“不能”)自发进行。
(2)已知25 ℃时有关物质的燃烧热数据如表,则反应ⅱ的ΔH2= kJ·mol-1(用含a、b、c的代数式表示)。
物质 CH4(g) C6H6(l) H2(g)
ΔH/(kJ·mol-1) a b c
(3)受反应ⅰ影响,随着反应进行,单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低,原因是 。
(4)对催化剂在不同的pH条件下进行处理,能够改变催化剂的活性。将催化剂在5种不同pH条件下处理后分别用于催化CH4芳构化,相同反应时间内测定相关数据如下表,其中最佳pH为 ,理由是 。
pH CH4平均转化率/% 芳烃平均产率/% 产物中积炭平均含量/%
2.4 9.60 5.35 40.75
4.0 9.80 4.60 45.85
7.0 9.25 4.05 46.80
10.0 10.45 6.45 33.10
12.0 9.95 4.10 49.45
(5)973 K、100 kPa下,在某密闭容器中按n(C6H6)∶n(CH4)=1∶5充入气体,发生反应C6H6(g)+CH4(g) C7H8(g)+H2(g),平衡时C6H6与C7H8的分压比为4∶1,则C6H6的平衡转化率为 ,平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数,列出计算式即可)。
(6)引入丙烷可促进甲烷芳构化制备苯和二甲苯,反应如下:
(两个反应可视为同级数的平行反应)
对于同级数的平行反应有,其中v、k分别为反应速率和反应速率常数,Ea为反应活化能,A1、A2为定值,R为常数,T为温度,同一温度下是定值。已知Ea,苯29.(2024新课标,29,14分)Ni(CO)4(四羰合镍,沸点43 ℃)可用于制备高纯镍,也是有机化合物羰基化反应的催化剂。回答下列问题:
(1)Ni基态原子价电子的轨道表示式为
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑
↑↓
。镍的晶胞结构类型与铜的相同,晶胞体积为a3,镍原子半径为 。
(2)Ni(CO)4结构如图所示,其中含有σ键的数目为 ,Ni(CO)4晶体的类型为 。
(3)在总压分别为0.10、0.50、1.0、2.0 MPa下,Ni(s)和CO(g)反应达平衡时,Ni(CO)4体积分数x与温度的关系如图所示。反应Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g)的ΔH 0(填“大于”或“小于”)。从热力学角度考虑, 有利于Ni(CO)4的生成(写出两点),p3、100 ℃时CO的平衡转化率α= ,该温度下平衡常数Kp= (MPa)-3。
(4)对于同位素交换反应Ni(C16O)4+C18O Ni(C16O)3C18O+C16O,20 ℃时反应物浓度随时间的变化关系为c1[Ni(C16O)4]=c0[Ni(C16O)4]e-kt(k为反应速率常数),则Ni(C16O)4反应一半所需时间 (用k表示)。
30.(2023全国乙,28,14分)硫酸亚铁在工农业生产中有许多用途,如可用作农药防治小麦黑穗病,制造磁性氧化铁、铁催化剂等。回答下列问题:
(1)在N2气氛中,FeSO4·7H2O的脱水热分解过程如图所示:
根据上述实验结果,可知x= ,y= 。
(2)已知下列热化学方程式:
FeSO4·7H2O(s) FeSO4(s)+7H2O(g) ΔH1=a kJ·mol-1
FeSO4·xH2O(s) FeSO4(s)+xH2O(g) ΔH2=b kJ·mol-1
FeSO4·yH2O(s) FeSO4(s)+yH2O(g) ΔH3=c kJ·mol-1
则FeSO4·7H2O(s)+FeSO4·yH2O(s) 2(FeSO4·xH2O)(s)的ΔH= kJ·mol-1。
(3)将FeSO4置入抽空的刚性容器中,升高温度发生分解反应:
2FeSO4(s) Fe2O3(s)+SO2(g)+SO3(g)(Ⅰ)
平衡时~T的关系如下图所示。660 K时,该反应的平衡总压p总= kPa,平衡常数
Kp(Ⅰ)= (kPa)2。Kp(Ⅰ)随反应温度升高而 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)提高温度,上述容器中进一步发生反应2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)(Ⅱ),平衡时 (用表示)。在929 K时,p总=84.6 kPa,=35.7 kPa,则= kPa,Kp(Ⅱ)= kPa(列出计算式)。
31.(2023辽宁,18,14分)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。
(1)我国古籍记载了硫酸的制备方法——“炼石胆(CuSO4·5H2O)取精华法”。借助现代仪器分析,该制备过程中CuSO4·5H2O分解的TG(热重)曲线及DSC曲线(反映体系热量变化情况,数值已省略)如下图所示。700 ℃左右有两个吸热峰,则此时分解生成的氧化物
有SO2、 和 (填化学式)。
(2)铅室法使用了大容积铅室制备硫酸(76%以下),副产物为亚硝基硫酸,主要反应如下:
NO2+SO2+H2O NO+H2SO4
2NO+O2 2NO2
(ⅰ)上述过程中NO2的作用为 。
(ⅱ)为了适应化工生产的需求,铅室法最终被接触法所代替,其主要原因是
(答出两点即可)。
(3)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化:SO2(g)+O2(g) SO3(g)
ΔH=-98.9 kJ·mol-1。
(ⅰ)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度,绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如下图所示,下列说法正确的是 。
a.温度越高,反应速率越大
b.α=0.88的曲线代表平衡转化率
c.α越大,反应速率最大值对应温度越低
d.可根据不同α下的最大速率,选择最佳生产温度
(ⅱ)为提高钒催化剂的综合性能,我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下,温度和转化率关系如下图所示,催化性能最佳的是 (填标号)。
(ⅲ)设O2的平衡分压为p,SO2的平衡转化率为αe,用含p和αe的代数式表示上述催化氧化反应的Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算)。
32.(2023湖北,19,14分)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下,C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。
C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的反应机理和能量变化如下:
回答下列问题:
(1)已知C40Hx中的碳氢键和碳碳键的键能分别为431.0 kJ·mol-1和298.0 kJ·mol-1,H—H键能为436.0 kJ·mol-1。估算C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的ΔH= kJ·mol-1。
(2)图示历程包含 个基元反应,其中速率最慢的是第 个。
(3)C40H10纳米碗中五元环和六元环结构的数目分别为 、 。
(4)1 200 K时,假定体系内只有反应C40H12(g) C40H10(g)+H2(g)发生,反应过程中压强恒定为p0 (即C40H12的初始压强),平衡转化率为α,该反应的平衡常数Kp为 (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(5)40H19(g) C40H18(g)+H·(g)及40H11(g) C40H10(g)+H·(g)反应的ln K(K为平衡常数)随温度倒数的关系如图所示。已知本实验条件下,ln K=-+c(R为理想气体常数,c为截距)。图中两条线几乎平行,从结构的角度分析其原因是 。
(6)下列措施既能提高反应物的平衡转化率,又能增大生成C40H10的反应速率的是 (填标号)。
a.升高温度
b.增大压强
c.加入催化剂
类型4 浓度/物质的量分数/标准平衡常数等
33.(2024湖南,14,3分)恒压下,向某密闭容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),发生如下反应:
主反应:CH3OH(g)+CO(g) CH3COOH(g) ΔH1
副反应:CH3OH(g)+CH3COOH(g) CH3COOCH3(g)+H2O(g) ΔH2
在不同温度下,反应达到平衡时,测得两种含碳产物的分布分数δ[如δ(CH3COOH)=
]随投料比x(物质的量之比)的变化关系如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.投料比x代表
B.曲线c代表乙酸的分布分数
C.ΔH1<0,ΔH2>0
D.L、M、N三点的平衡常数:K(L)=K(M)>K(N)
34.(2024全国甲,28,15分)甲烷转化为多碳化合物具有重要意义。一种将甲烷溴化再偶联为丙烯(C3H6)的研究所获得的部分数据如下。回答下列问题:
(1)已知如下热化学方程式:
CH4(g)+Br2(g) CH3Br(g)+HBr(g) ΔH1=-29 kJ·mol-1
3CH3Br(g) C3H6(g)+3HBr(g) ΔH2=+20 kJ·mol-1
计算反应3CH4(g)+3Br2(g) C3H6(g)+6HBr(g)的ΔH= kJ·mol-1。
(2)CH4与Br2反应生成CH3Br,部分CH3Br会进一步溴化。将8 mmol CH4和8 mmol Br2通入密闭容器,平衡时,n(CH4)、n(CH3Br)与温度的关系见下图(假设反应后的含碳物质只有CH4、CH3Br和CH2Br2)。
(ⅰ)图中CH3Br的曲线是 (填“a”或“b”)。
(ⅱ)560 ℃时,CH4的转化率α= ,n(HBr)= mmol。
(ⅲ)560 ℃时,反应CH3Br(g)+Br2(g) CH2Br2(g)+HBr(g)的平衡常数K= 。
(3)少量I2可提高生成CH3Br的选择性。500 ℃时,分别在有I2和无I2的条件下,将8 mmol CH4和8 mmol Br2通入密闭容器,溴代甲烷的物质的量(n)随时间(t)的变化关系见下图。
(ⅰ)在11~19 s之间,有I2和无I2时CH3Br的生成速率之比= 。
(ⅱ)从图中找出I2提高了CH3Br选择性的证据: 。
(ⅲ)研究表明,I2参与反应的可能机理如下:
①I2(g) ·I(g)+·I(g)
②·I(g)+CH2Br2(g) IBr(g)+·CH2Br(g)
③·CH2Br(g)+HBr(g) CH3Br(g)+·Br(g)
④·Br(g)+CH4(g) HBr(g)+·CH3(g)
⑤·CH3(g)+IBr(g) CH3Br(g)+·I(g)
⑥·I(g)+·I(g) I2(g)
根据上述机理,分析I2提高CH3Br选择性的原因: 。
35.(2024安徽,17,15分)乙烯是一种用途广泛的有机化工原料,由乙烷制乙烯的研究备受关注。回答下列问题:
【乙烷制乙烯】
(1)C2H6氧化脱氢反应:
2C2H6(g)+O2(g) 2C2H4(g)+2H2O(g)
ΔH1=-209.8 kJ·mol-1
C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+H2O(g)+CO(g) ΔH2=178.1 kJ·mol-1
计算:2CO(g)+O2(g) 2CO2(g) ΔH3= kJ·mol-1
(2)C2H6直接脱氢反应为C2H6(g) C2H4(g)+H2(g) ΔH4,C2H6的平衡转化率与温度和压强的关系如图所示,则ΔH4 0(填“>”“<”或“=”)。结合下图,下列条件中,达到平衡时转化率最接近40%的是 (填标号)。
a.600 ℃,0.6 MPa
b.700 ℃,0.7 MPa
c.800 ℃,0.8 MPa
(3)一定温度和压强下,反应ⅰ C2H6(g) C2H4(g)+H2(g)
反应ⅱ C2H6(g)+H2(g) 2CH4(g) ()
(Ka是以平衡物质的量分数代替平衡浓度计算的平衡常数)
①仅发生反应ⅰ时,C2H6的平衡转化率为25.0%,计算 。
②同时发生反应ⅰ和ⅱ时,与仅发生反应ⅰ相比,C2H4的平衡产率 (填“增大”“减小”或“不变”)。
【乙烷和乙烯混合气的分离】
(4)通过Cu+修饰的Y分子筛的吸附—脱附,可实现C2H4和C2H6混合气的分离。Cu+的 与C2H4分子的π键电子形成配位键,这种配位键强弱介于范德华力和共价键之间。用该分子筛分离C2H4和C2H6的优点是 。
(5)常温常压下,将C2H4和C2H6等体积混合,以一定流速通过某吸附剂,测得两种气体出口浓度(c)与进口浓度(c0)之比随时间变化关系如图所示。下列推断合理的是 (填标号)。
A.前30 min,两种气体均未被吸附
B.p点对应的时刻,出口气体的主要成分是C2H6
C.a-b对应的时间段内,吸附的C2H6逐渐被C2H4替代
36.(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 。
37.(2022河北,16,14分)氢能是极具发展潜力的清洁能源,以氢燃料为代表的燃料电池有良好的应用前景。
(1)298 K时,1 g H2燃烧生成H2O(g)放热121 kJ,1 mol H2O(l)蒸发吸热44 kJ。表示H2燃烧热的热化学方程式为 。
(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 。
(5)甲醇燃料电池中,吸附在催化剂表面的甲醇分子逐步脱氢得到CO,四步可能脱氢产物及其相对能量如图,则最可行途径为a→ (用b~j等代号表示)。
38.(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 。
三年模拟
题型强化练
题型1 反应速率和平衡图像分析
1.(2024安徽合肥二模,9)SiHCl3被应用于制造多晶硅及硅烷偶联剂等领域。50 ℃时,将n mol SiHCl3置于密闭容器中发生如下反应:2SiHCl3(g) SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)。SiHCl3的转化率随时间变化的曲线如下图所示。下列说法正确的是 ( )
A.SiH2Cl2和SiCl4均为由极性键构成的非极性分子
B.0~100 min内,v(SiHCl3)=10-3n mol·L-1·min-1
C.50 ℃时该反应的平衡常数K=
D.b-c段平均速率大于a-b段平均速率
2.(2024广东深圳一模,16)常温下,向某溶剂(不参与反应)中加入一定量X、Y和M,所得溶液中同时存在如下平衡:
(ⅰ)X(aq)+M(aq) N(aq)
(ⅱ)Y(aq)+M(aq) N(aq)
(ⅲ)X(aq) Y(aq)
X、Y的物质的量浓度c随反应时间t的变化关系如图所示。300 s后反应体系达到平衡状态。下列说法正确的是 ( )
A.100~300 s内,v(N)=1.15×10-3 mol·L-1·s-1
B.t=100 s时,反应(ⅲ)的逆反应速率大于正反应速率
C.若反应(ⅲ)的Ea(正)D.若再向容器中加入上述溶剂,则n(X)、n(Y)均不变
3.(2024广东广州二模,15)恒容密闭容器中充入X,在催化剂作用下发生反应:2X(g) 2Y(g)+Z(g)。起始压强为p kPa,反应时间为t s,测得X的转化率随温度的变化如图中实线所示(虚线表示平衡转化率)。下列说法正确的是 ( )
A.该反应的ΔH<0
B.催化剂可降低该反应的焓变,提高平衡转化率
C.增大起始压强,X的平衡转化率增大
D.800 ℃时,0~t s内化学反应速率v(Y)= kPa·s-1
4.(2024湖南仿真模拟三,13)在恒压密闭容器中,充入起始量一定的CO2和H2,主要发生下列反应。
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ/mol
反应Ⅱ:2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)
ΔH=-122.5 kJ/mol
达平衡时,CO2的转化率和CO的选择性随温度的变化如图所示[CO的选择性=],下列说法不正确的是 ( )
A.反应Ⅰ的ΔS>0
B.温度一定,通过增大压强能提高CH3OCH3的平衡产率
C.温度高于300 ℃时,曲线②随温度升高而升高说明此时主要发生反应Ⅰ
D.同时提高CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性,应选择在低温、低压条件下反应
5.(2024河北邯郸第四次调研,11)CO2的回收和利用是实现“碳中和”的有效途径。在一恒容密闭反应器中充入体积比为1∶1的CO2和H2,发生反应:①CO2(g)+H2(g) HCOOH(g) ΔH=+31.2 kJ·mol-1,②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1。CO2的平衡转化率与HCOOH的选择性[HCOOH的选择性=×100%]与温度的关系如图所示。下列叙述错误的是 ( )
A.温度高于673 K时,主要发生反应②
B.温度低于673 K时,HCOOH的选择性随温度升高而增大
C.平衡时,再充入0.1 mol CO2和0.1 mol H2,再次达到平衡时,HCOOH的物质的量增大
D.673 K下反应达到平衡时,CO2、HCOOH、CO的浓度之比为5∶57∶133
6.(2024北京西城二模,14)二氧化碳与氢气催化合成乙烯具有重要的意义。将CO2和H2按物质的量之比1∶3加入V L的密闭容器中,压强为0.1 MPa,反应达到平衡状态时,各组分的物质的量分数x随温度T的变化如下图所示。
已知:
H2(g)+O2(g) H2O(l) ΔH1=-285.8 kJ·mol-1
C2H4(g)+3O2(g) 2CO2(g)+2H2O(l)
ΔH2=-1 411 kJ·mol-1
H2O(g) H2O(l) ΔH3=-44 kJ·mol-1
下列说法不正确的是 ( )
A.CO2与H2合成C2H4的反应的热化学方程式:2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g) ΔH=-127.8 kJ·mol-1
B.图中b、d分别表示CO2、C2H4的变化曲线
C.570 K、0.2 MPa反应达到平衡状态时,M点显示的可能是C2H4的物质的量分数
D.CO2与H2合成C2H4反应的KE7.(2024辽宁部分重点中学协作体模拟,18)甲醇是一种化工产品,也是清洁能源。工业上利用废气中的CO2制备CH3OH的方案有:
方案1 反应1:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)
副反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41 kJ·mol-1
方案2 反应2:CO2(g)+2H2O(g) CH3OH(g)+O2(g)
上述两个反应的焓变和熵变如下表:
反应 ΔH/(kJ·mol-1) ΔS/(J·mol-1·K-1)
反应1 -49 -177
反应2 +676 -44
(1)上述两种方案中,工业上选择方案1,理由是 。
(2)已知几种共价键的键能数据如下:
共价键 CO H—H C—O C—H O—H
键能/(kJ·mol-1) E 436 358 413 467
利用表格数据和上述焓变估算E= kJ·mol-1。
(3)在恒容密闭容器中充入CO2和H2仅发生反应:
CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),CO2的平衡转化率与投料比、温度的关系如图所示。
①T1 T2(填“>”“<”或“=”)。a点时CH3OH的体积分数为 %(保留到小数点后1位)。
②a→c与横坐标轴平行,其原因是 。
(4)一定温度下,在密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2,只发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)。达到平衡时CO2、CH3OH的浓度与压强的关系如图所示。
①曲线Ⅱ代表 (填“CH3OH”或“CO2”)。
②M点CO2的平衡转化率为 %。
(5)一定温度下,在总压保持2.5a kPa下,向反应器中充入1 mol CO2和2.3 mol H2,发生方案1的两个反应,达到平衡时测得CO2的转化率为50%,CH3OH的选择性为80%[CH3OH的选择性=×100%]。该温度下,方案1中反应1的Kp= kPa-2(Kp为用分压替代浓度计算的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
题型2 分压平衡常数的计算
8.(2024福建福州二模,11,节选)工业上用H2还原WO3的总反应为3H2(g)+WO3(s) W(s)+3H2O(g) ΔH。实验测得在一定条件下,平衡时H2的体积分数随温度的变化曲线如图所示。
①该反应ΔH 0(填“>”或“<”)。
②由图可知,a点处v正 v逆(填“>”“<”或“=”)。
③900 ℃时该反应的压强平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
9.(2024四川绵阳三诊,28,节选)异丙醇(C3H8O)是重要的化工原料,丙烯直接水合法是工业制备异丙醇的常用方法,回答下列问题:
(1)丙烯直接水合法制异丙醇的反应可表示为C3H6(g)+H2O(g) C3H8O(g) ΔH=-52 kJ·mol-1
已知:2C3H6(g)+9O2(g) 6CO2(g)+6H2O(g) ΔH=-3 854 kJ·mol-1
1 mol C3H8O(g)完全燃烧生成CO2(g)和H2O(g)放出热量 kJ。
(2)以上制备异丙醇反应的起始物=3时,在不同条件下达到平衡,设体系中丙烯的转化率为α(C3H6),在t=130 ℃下的α(C3H6)~p、在p=8 MPa下的α(C3H6)~t如图1所示:
图1
图1中对应等温过程的曲线是 。A点的反应条件为 ,该点的分压平衡常数Kp= MPa-1。保持反应条件不变,下列可进一步提高C3H6平衡转化率的措施是 (填字母)。
a.增大C3H6(g)与H2O(g)的进料比
b.充入惰性气体Ar
c.及时分离产品C3H8O(g)
d.换用更高效的催化剂
(3)单程转化率反映了原料在第一次通过反应器时被转化的程度。将C3H6(g)和H2O(g)的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器,研究不同温度对C3H6单程转化率和C3H8O选择性的影响,结果如图2所示。由图2可知,190~220 ℃时C3H6单程转化率很低,可能的原因是 ,235 ℃以后,随温度升高C3H8O的选择性下降,可能的原因是 。
图2
10.(2024重庆联合诊断,17,节选)CO2与H2的反应过程涉及的主要反应如下:
①CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1
②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
向2 L恒容密闭容器中通入2 mol CO2(g)和2.24 mol H2(g)发生上述反应①和②,起始总压强为21.2 MPa,实验测得CO2的平衡转化率和平衡时CH3OH的选择性(转化的CO2中生成CH3OH的百分比)随温度的变化情况如图所示,其中表示CH3OH选择性的曲线是 X (填“X”或“Y”),a、c两点中CH3OH的产率最高的是 点,240 ℃时反应①的压强平衡常数Kp= MPa-2,Y曲线如此变化的原因是 。
11.(2024吉林延边一模,18,节选)利用CO2催化加氢制二甲醚,可以实现CO2的再利用,涉及以下主要反应:
Ⅰ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH1
Ⅱ.2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH2
相关物质及能量变化的示意图如图1所示。
图1
回答下列问题:
恒压条件下,CO2、H2起始量相等时,CO2的平衡转化率和CH3OCH3的选择性随温度变化如图2所示。已知:CH3OCH3的选择性=×100%。
①300 ℃时,通入CO2、H2各2 mol,平衡时CH3OCH3的选择性、CO2的平衡转化率都为30%,平衡时生成CH3OCH3的物质的量为 mol,此温度下反应Ⅰ的平衡常数Kp= (保留2位有效数字。用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
②300~360 ℃区间,CO2平衡转化率随温度变化的曲线如图2所示,分析曲线变化的原因: 。
图2
12.(2024九省联考贵州卷,17,节选)苯乙烯是重要的有机化工原料,可用乙苯为原料制备苯乙烯。制备方法有直接脱氢法和氧化脱氢法。在298 K时反应的热化学方程式及其平衡常数如下:
(ⅰ)直接脱氢法:
C8H10(g) C8H8(g)+H2(g) ΔH1=+118.0 kJ·mol-1,=2.7×10-10 Pa
(ⅱ)氧化脱氢法:
C8H10(g)+O2(g) C8H8(g)+H2O(g) ΔH2=-123.8 kJ·mol-1,
回答下列问题:
(1)①反应H2(g)+O2(g) H2O(g)的ΔH3= kJ·mol-1,平衡常数 (用表示)。
②氧化脱氢的反应趋势远大于直接脱氢,其原因是 。
③提高氧化脱氢反应平衡转化率的措施有 、 。
(2)已知ΔG=ΔH-TΔS,忽略ΔH、ΔS随温度的变化。当ΔG<0时,反应能自发进行。在100 kPa下,直接脱氢反应的ΔG和随温度变化的理论计算结果如图所示。
①直接脱氢反应在常温下 (选填“能”或“不能”)自发。
②随温度的变化曲线为 (选填“a”或“b”),判断的理由是 。
③在某温度、100 kPa下,向密闭容器中通入1 mol气态乙苯发生直接脱氢反应,达到平衡时,混合气体中乙苯和氢气的分压相等,该反应的平衡常数= kPa(保留到小数点后一位;分压=总压×物质的量分数)。
13.(2024河南八市重点中学4月模拟,19)CO2作为未来的重要碳源,其选择性加氢合成甲醇一直是研究热点。已知:
反应Ⅰ:CH3OH(g) HCHO(g)+H2(g) ΔH1=+54.5 kJ·mol-1
反应Ⅱ:HCHO(g)+H2O(g) HCOOH(g)+H2(g)
ΔH2=+9.9 kJ·mol-1
反应Ⅲ:HCOOH(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3=-14.9 kJ·mol-1
反应Ⅳ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH4
回答下列问题:
(1)ΔH4= 。
(2)向恒温恒压密闭容器中充入1 mol CH3OH(g)和1 mol H2O(g)发生反应Ⅳ的逆反应[CH3OH(g)+H2O(g) CO2(g)+3H2(g)],反应达到平衡时,CH3OH(g)的转化率为50%,此时容器的容积为V L。保持温度、压强不变,欲将CH3OH(g)的平衡转化率提高到80%,需要向该密闭容器中充入 mol Ne(氖气)作为稀释气,再次达到平衡时容器的容积为 L(用V表示)。
(3)一定条件下,研究HCOOH水溶液在密封石英管中的分子反应:
Ⅰ.HCOOH CO+H2O(快)
Ⅱ.HCOOH CO2+H2(慢)
则反应Ⅰ的活化能 (填“大于”“小于”或“等于”)反应Ⅱ的活化能。
(4)以CO2、H2为原料发生反应Ⅳ和副反应Ⅴ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)。CO2的平衡转化率[α(CO2)]、CH3OH的选择性[X(CH3OH)]随温度、压强变化如图所示[X(CH3OH)=
×100%]。
①压强:pa pb(填“>”或“<”)。
②副反应Ⅴ的ΔH 0(填“>”或“<”)。
③400 ℃时,CH3OH的选择性几乎为零,主要发生副反应Ⅴ,原因是 。
④一定温度下,向2 L恒容密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2,只发生反应Ⅳ和副反应Ⅴ,反应达到平衡时,α(CO2)=30%,X(CH3OH)=80%,压强为p kPa。则该温度下副反应Ⅴ的平衡常数Kp= (用最简分式表示)。
14.(2024江西部分高中5月联考,18)异丁烯()是重要的化工生产原料,可由异丁烷()催化脱氢制备,反应如下:
主反应:(g) (g)+H2(g) ΔH1=+123.5 kJ·mol-1
副反应:(g) (g)+CH4(g) ΔH2
已知:一定温度下,由元素的最稳定的单质生成1 mol纯物质的热效应被称为该物质的摩尔生成焓。几种物质的摩尔生成焓如下表:
气态物质 C2H4 CH4
摩尔生成焓/(kJ·mol-1) -134.5 20.4 52.3 -74.8
请回答下列问题:
(1)ΔH2= kJ·mol-1。
(2)有利于提高异丁烷平衡转化率的条件是 (填标号)。
A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂
(3)其他条件相同,在恒压(p kPa)密闭容器中充入异丁烷和N2各1 mol(N2作惰性气体),经过相同时间测得相关数据如图1和图2所示。[产率=×100%。空速(GHSV)表示单位时间通过单位体积催化剂的气体量](不考虑温度对催化剂活性的影响,异丁烷分子在催化剂表面能较快吸附)
图1
图2
①图1中,在该时间段内,600 ℃时异丁烯产率为 。
②下列说法错误的是 (填标号)。
A.由图1可知,温度越高,异丁烷的转化率越大,丙烯的产率越小
B.混入N2的目的之一是减小异丁烷的吸附速率,同时带走催化剂局部多余的热量,从而抑制催化剂的积炭
C.图2中,空速增加,异丁烷转化率降低的原因可能是原料气在催化剂中停留时间过短
D.图2中,空速增加,异丁烯选择性升高的原因可能是原料气将产物迅速带走,抑制了副反应的发生
③图1中,随着温度升高,异丁烷转化率升高而异丁烯选择性下降的原因可能是 。
④温度为T ℃,反应t min后达到平衡,此时异丁烷的转化率为a,异丁烯的选择性为80%,0~t min内,H2的分压平均变化率为 kPa·min-1;该条件下,主反应的平衡常数Kp= kPa。
题型3 涉及反应速率常数的解题方法
15.(2024辽宁鞍山第二次质量监测,6)丙酮的溴代反应(CH3COCH3+Br2CH3COCH2Br+HBr)的速率方程为v=k·cm(CH3COCH3)·cn(Br2)·cp(HCl),其中k为速率常数,与温度有关;“m+n+p”为反应级数。某温度时,获得如下实验数据:
实验 序号 初始浓度c/(mol·L-1) 溴颜色消失 所需时间t/s
CH3COCH3 HCl Br2
① 0.80 0.20 0.001 0 200
② 1.60 0.20 0.001 0 100
③ 0.80 0.40 0.001 0 100
④ 0.80 0.20 0.002 0 400
分析实验数据所得出的结论错误的是 ( )
A.增大c(Br2),能延长溶液颜色消失的时间
B.实验②和③的平均反应速率相等
C.实验①在200 s内的平均速率v(CH3COCH3)=0.004 mol·L-1·s-1
D.反应级数为1
16.(2024河北石家庄一模,12)某密闭容器中含有X和Y,同时发生以下两个反应:①X+Y M+Q;②X+Y N+Q。反应①的正反应速率v1(正)=k1c(X)·c(Y),反应②的正反应速率v2(正)=k2c(X)·c(Y),其中k1、k2为速率常数。某温度下,体系中生成物浓度(c)随时间(t)变化的曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.10 s时,正反应速率v1(正)>v2(正)
B.0~6 s内,X的平均反应速率v(X)=0.5 mol·L-1·s-1
C.若升高温度,4 s时容器中c(N)∶c(M)的值减小
D.反应①的活化能大于反应②
17.(2024安徽黄山一模,14)室温下,某溶液初始时仅溶有A,同时发生两个反应:①A B+C;②A B+D,反应①的速率可表示为v1=k1c(A),反应②的速率可表示为v2=k2c(A)(k1、k2为速率常数)。图1为T2温度时,该体系中A、B、C、D的浓度随时间变化的曲线,图2为反应①和②的lnk~曲线。下列说法正确的是 ( )
图1 图2
A.L4表示D浓度随时间变化的曲线
B.t1=2 s时曲线L1表示的物质的反应速率为2 mol·L-1·s-1
C.T2温度时,反应①的活化能比反应②的活化能小
D.若图1的温度降低,t0时刻体系中值变大
18.(2024江西部分学校4月模拟,11)工业上常用羰基法提纯镍,其原理是Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g) ΔH,速率方程式为v净=v正-v逆=k正c4(CO)-k逆c[Ni(CO)4](k为速率常数)。在恒容密闭容器中充入足量的含难熔杂质的镍粉和4 mol CO发生上述反应,测得CO浓度与温度的关系如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.上述反应中,ΔH>0
B.净反应速率:b>c
C.a点正反应速率:T1=T2
D.T1温度下,2~6 min内用Ni(CO)4表示的平均反应速率为0.025 mol·L-1·min-1
19.(2024湖北部分校三模,19,节选)近两年来,碳中和连续成为两会期间最受关注的议题之一,CO2的回收和利用对于改善环境,实现绿色发展至关重要。
(1)CO2甲烷化反应最早由化学家PaulSabatier提出。已知:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1
反应Ⅱ:2CO(g)+2H2(g) CO2(g)+CH4(g) ΔH=-247.1 kJ·mol-1
①CO2的结构式为 。
②CO2甲烷化反应是 (填“吸热”或“放热”)反应。
③反应Ⅰ的v正=k正c(CO2)·c(H2),v逆=k逆c(H2O)·c(CO)(k正和k逆为速率常数,与温度、催化剂有关)。若平衡后升高温度,则 (填“增大”“不变”或“减小”)。
20.(2024福建福州三模,13)研究氮氧化物(NOx)的还原处理方法是环保领域的主要方向之一。回答下列问题:
Ⅰ.用H2还原NO的反应为2H2(g)+2NO(g) N2(g)+2H2O(g) ΔH<0。
(1)该反应的正反应速率方程可表示为v正=k·cm(NO)·cn(H2)。某温度下,测得正反应速率v正与c(NO)或c(H2)的变化关系如图1所示。
图1
则m= ;n= 。
(2)研究表明上述反应历程分两步基元反应:
ⅰ.2NO(g)+H2(g) N2(g)+H2O2(l)
ⅱ.H2O2(l)+H2(g) 2H2O(g)
根据(1)所给信息判断,H2还原NO总反应的速率由反应 ⅰ (填“ⅰ”或“ⅱ”)决定。
(3)将一定量的H2和NO置于以下条件下发生反应(起始容器的体积、温度、压强均相同),到达平衡时,H2的平衡转化率最大的是 。
a.恒温恒容 b.恒温恒压 c.恒容绝热
Ⅱ.脱除汽车尾气中NO和CO包括以下两个反应:
反应ⅰ.2NO+CO N2O+CO2;
反应ⅱ.N2O+CO N2+CO2;
反应过程中各物质相对能量如图2所示(TS表示过渡态):
图2
(4)CO和NO反应生成N2的热化学方程式为 。
题型4 多重平衡体系分析
21.(2024广东省一模,15)在一密闭容器中,物质M发生三个脱水的竞争反应:①M(g) N(g)+H2O(g) ΔH1,②M(g) E(g)+H2O(g) ΔH2,③M(g) F(g)+H2O(g) ΔH3,反应历程如图所示。相同条件下,下列说法正确的是 ( )
A.由图可知,物质M比物质N稳定
B.反应①比反应②和③更快达到化学平衡
C.E(g) 2F(g)+H2O(g)的反应热ΔH=2ΔH3-2ΔH2
D.平衡后压缩容器,物质E的物质的量不变
22.(2024北京海淀二模,14)向丙烷脱氢制丙烯的反应体系中加入CO2,可以提高丙烷的利用率。在相同温度下,分别将投料比相同的CO2—C3H8、N2—C3H8混合气体以相同流速持续通过同种催化剂表面,C3H8转化率和C3H6选择性随通入气体时间的变化如图所示。
已知:Ⅰ.反应① C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) ΔH1=+124 kJ·mol-1
反应② H2(g)+CO2(g) H2O(g)+CO(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
Ⅱ.反应体系中存在C3H8的裂解和生成积炭等副反应。
Ⅲ.C3H6的选择性=×100%
下列说法正确的是 ( )
A.C3H8(g)+CO2(g) C3H6(g)+H2O(g)+CO(g) ΔH=+82.8 kJ·mol-1
B.30 min内,两体系中C3H6选择性相同,生成C3H6的速率也相同
C.ⅲ中的C3H8转化率高于ⅳ中的,是因为反应②使反应①的平衡正向移动
D.ⅲ、ⅳ对比,150 min后ⅳ中C3H8转化率为0,可能是因为积炭使催化剂失效
23.(2024河北唐山一模,17,节选)通过捕捉空气中的CO2和电解水产生的H2可以合成“零碳甲醇”,实现碳中和。回答下列问题:
(2)在2 L恒温恒容装有某催化剂的密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2,发生如下反应:
主反应①:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1<0
副反应②:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH2<0
副反应③:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH3>0
某温度下反应均达平衡后,测得CH3OH为1 mol,CH4为0.4 mol,CO为0.2 mol,则CH3OH的选择性为 (CH3OH的选择性=×100%)。反应②的平衡常数为 (只列出计算式)。
(3)若测得上述反应在不同温度下CO2的平衡转化率和CH3OH的选择性如下图所示:
通过图示分析,更适合生产甲醇的温度为 (填标号)。
A.400 ℃ B.600 ℃ C.800 ℃ D.1 000 ℃
高于800 ℃时,CO2转化率增大的主要原因是 。
24.(2024安徽安庆二模,17)以CO和CO2为原料合成有机物,是科学家研究的主要课题。回答下列问题:
(1)CO2与H2催化重整制备CH3OCH3的过程中存在以下反应:
Ⅰ.2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g);
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)。
相关物质能量变化的示意图如下所示。
①由已知信息可知2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH= kJ·mol-1。
②向密闭容器中以物质的量之比为1∶3充入CO2与H2,实验测得CO2的平衡转化率随温度和压强的变化关系如图所示。
由图可知,p1、p2、p3由大到小的顺序为 ,T2时主要发生反应 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”),平衡转化率随温度变化先降后升的原因是 。
(2)工业上常用合成气(主要成分为CO、H2)在一定条件下制备甲醇,涉及的反应如下:
反应1:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0
反应2:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH<0
反应3:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0
向容积为2 L的刚性密闭催化反应器中充入2 mol CO和4 mol H2发生上述反应,测得不同温度下,2 min内CO的转化率和CH3OH的选择性(CH3OH的选择性=×100%)如图所示。
①若反应过程中催化剂的活性几乎不受温度影响,则T1 K前CO转化率升高的原因是 。
②反应在T1 K下,2 min时达到平衡,此时体系压强为a kPa,c(CO2)=0.05 mol·L-1。用CO的分压变化表示的化学反应速率为 kPa·min-1,反应3的Kp= 。(Kp是指用平衡分压代替平衡浓度进行计算的平衡常数,如A的平衡分压=p总×A的物质的量分数,以上两空结果均保留3位小数)
综合拔高练
建议用时:40分钟
1.(2024北京朝阳二模,3)下列事实可以用平衡移动原理解释的是 ( )
A.合成氨工业中使用铁触媒,提高生产效率
B.铝片放入浓HNO3中,待不再变化后,加热产生红棕色气体
C.在钢铁表面镀上一层锌,钢铁不易被腐蚀
D.盐碱地(含较多的NaCl、Na2CO3)施加适量石膏(CaSO4·2H2O),土壤的碱性降低
2.(2024安徽合肥一模,9)合成氨原料气中的杂质CO需预先用吸收液处理,其反应原理为[Cu(NH3)2]+(aq)+CO(g)+NH3(g) [Cu(NH3)3CO]+(aq) ΔH<0,吸收液在一定条件下可再生。下列叙述正确的是 ( )
A.CO中σ键和π键个数之比为1∶1
B.上述反应在高温条件下可自发进行
C.增大压强,平衡正向移动,平衡常数增大
D.吸收液再生的适宜条件是高温和低压
3.(2024广东省二模,12)一定条件下,NH3在恒容密闭容器中发生分解反应:2NH3(g) N2(g)+3H2(g) ΔH>0。v(NH3)随时间的变化如图所示。已知t1时反应达到平衡,t2时改变某单一条件(浓度、温度或催化剂等)。下列说法不正确的是 ( )
A.由0到t1,H2的浓度不断增大 B.由t1到t2,2v正(H2)=3v逆(NH3)
C.t2时,可能向容器中通入了N2 D.平衡常数KⅠ可能小于KⅡ
4.(2024山东济宁二模,14,改编)一定条件下,与浓硫酸发生取代反应生成水和单萘磺酸,反应过程和有机物占比随时间变化如图所示:
下列说法正确的是 ( )
A.升高温度,反应Ⅰ的速率增大程度大于反应Ⅱ
B.产物Ⅰ的热稳定性比产物Ⅱ强
C.平衡常数的比值=6
D.加催化剂(只催化反应Ⅰ),极值点e可能变为b点
5.(2024河北石家庄三模,13)将1 mol CO2(g)和3 mol H2(g)充入2 L恒容密闭容器中发生反应:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1<0(慢反应)
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2>0(快反应)
测得相同时间内c(CO2)、v正(CO2)与温度的关系如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.200 ℃前,加入催化剂可使a线转化为b线
B.300 ℃时,M点对应的反应体系中,v正(CO2)>v逆(CO2)
C.400 ℃时,若5 min时达到平衡,则v(CO2)=0.04 mol·L-1·min-1
D.400 ℃后,温度对正反应速率的影响比浓度大
6.(2024河北保定二模,10)高纯度SnO2可用作玻璃擦光剂、搪瓷抛光剂、催化剂等。利用水解反应制备高纯度SnO2的原理为SnO2++(x+1)H2O SnO2·xH2O+2H+。某温度下,测得体系中c(SnO2+)、c(H+)(H2O电离产生的H+不考虑)与时间的关系如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.正反应速率:a>c
B.平衡后增大c(H+),平衡常数K减小
C.b点时水解反应已停止
D.c4=2(c1-c2)
7.(2024北京朝阳二模,14)甲烷还原二氧化碳是实现“双碳”目标的有效途径之一。常压、催化剂作用下,按照CO2和CH4的物质的量之比3∶1投料。有关反应如下:
Ⅰ:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ·mol-1
Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41 kJ·mol-1
某一时段内,CH4和CO2的转化率随温度变化如下图所示。
已知:CO2的转化效率=。
下列分析不正确的是 ( )
A.根据反应Ⅰ、Ⅱ,低压高温有利于提高CO2的平衡转化率
B.500 ℃时,CO2的转化效率为1.5
C.由400 ℃升高到600 ℃,含氢产物中水的占比增大
D.由700 ℃升高到1 000 ℃,CO2的转化效率逐渐增大
8.(2024湖南长沙一中适应性演练三,16)2023年10月神舟十七号顺利发射升空,标志着我国航天事业的飞速发展。
Ⅰ.火箭推进剂的研究是航天工业中的重要课题,常见推进剂的燃料包括肼(N2H4)、液氢等,具有不同的推进效能。回答下列问题:
(1)火箭推进剂可用N2H4作燃料,N2O4作氧化剂,反应的热化学方程式可表示为2N2H4(l)+N2O4(g) 3N2(g)+4H2O(g)
ΔH1,相关物质的摩尔生成焓ΔfHm如下表所示。
物质 N2O4(g) N2H4(l) H2O(g)
摩尔生成焓ΔfHm/(kJ·mol-1) +10.8 +165.8 -242.0
注:一定温度下,由最稳定单质生成1 mol纯物质的热效应称为该物质的摩尔生成焓,用ΔfHm表示。如N2H4(l)的摩尔生成焓:N2(g)+2H2(g) N2H4(l) ΔfHm=+165.8 kJ·mol-1。
①ΔH1= kJ·mol-1。
②结合化学反应原理,N2H4(l)作推进剂燃料可自发进行反应的原因为 。
(2)火箭推进器内氢气燃烧的简化反应历程如图甲所示,分析其反应机理:
甲
该历程分 步进行,其中氢气燃烧决速步对应的化学方程式为 。
Ⅱ.利用“一碳化学”技术可有效实现工业制氢,为推进剂提供了丰富的氢燃料,该工业制氢方法主要涉及以下两个反应:
a.CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ·mol-1
b.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41 kJ·mol-1
已知为反应的标准压强平衡常数,其表示方法为在浓度平衡常数表达式中,用各组分气体平衡时的相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以标准压力pθ。反应a、b的ln×103(T为温度)的变化如图乙所示。
乙 丙
(3)①能表示反应b的曲线为 ,反应a的标准压强平衡常数表达式 [p(X)表示气体X的分压,用含pθ、p(X)的式子表示]。
②维持在T1 K温度下,往恒容密闭容器中通入含有等量CH4、CO2、H2O的混合气体进行反应a、b,初始压强为120 kPa,达到平衡时体系压强为140 kPa。该温度下CH4的平衡转化率为 ,H2的平衡分压为 kPa。
(4)我国科学家提出了一种在500 ℃下电解甲烷制氢的方法,反应原理如图丙所示,请写出Ni电极上的电极反应式: 。
9.(2024重庆二模,17)丙烯是三大合成材料的基本原料之一。可以用丙烷直接脱氢、丙烷氧化脱氢和电解法制丙烯。已知下列反应的热化学方程式:
直接脱氢ⅰ:CH3CH2CH3(g) CH2CHCH3(g)+H2(g) ΔH1=+123.8 kJ·mol-1
氧化脱氢ⅱ:CH3CH2CH3(g)+O2(g) CH2CHCH3(g)+H2O(g) ΔH2
ⅲ:2H2(g)+O2(g) 2H2O(g) ΔH3=-483.6 kJ·mol-1
(1)ΔH2= kJ·mol-1。
(2)一定条件下,在装有锌基催化剂(ZnO)的恒压密闭容器中,发生直接脱氢反应,丙烯的平衡产率x与平衡常数Kp的关系可表示为x2=,式中p为系统总压。p分别为a MPa和b MPa时(a>b),丙烯的平衡产率与温度的关系如图1所示。
图1
①其中表示b MPa下的关系曲线是 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。T4 ℃时,Kp= MPa。
实验证明,系统总压不变,在丙烷中混入一些水蒸气,丙烷的平衡转化率增大,其原因是 。
③立方ZnO的晶胞如图2所示,则该晶体中O2-的配位数为 ;晶胞参数为c pm,O2-与Zn2+间的最小距离为 pm。
图2 图3
(3)以惰性材料作电极,电解法制取丙烯的原理如图3所示。
①X极为 极(填“阳”或“阴”)。
②若电解生成1 mol丙烯,理论上阳极区溶液减少的质量为 g。
10.(2024河南4月模拟,29)CO2催化氧化C2H6制取C2H4的新路径涉及以下反应:
反应Ⅰ:C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+H2O(g)+CO(g) ΔH1>0
反应Ⅱ:C2H6(g)+2CO2(g) 4CO(g)+3H2(g) ΔH2>0
回答下列问题:
(1)计算反应C2H6(g)+2CO(g)+3H2(g) 2C2H4(g)+2H2O(g)的ΔH3= (用含ΔH1和ΔH2的式子表示)。
(2)CO2和C2H6按物质的量之比为1∶1投料,在923 K和保持总压恒定的条件下发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,研究催化剂X和催化剂Y对“CO2氧化C2H6制C2H4”的影响,所得实验数据如下表:
催化剂 C2H6转化率/% CO2转化率/%
催化剂X 19.0 37.6
催化剂Y 18.0 21.0
结合上表数据分析,CO2催化氧化C2H6制备C2H4的最佳催化剂为 ,判断依据是 。
(3)若向绝热恒容容器中加入CO2(g)和C2H6(g),发生反应Ⅰ和反应Ⅱ。下列事实不能说明体系达到平衡状态的是 (填选项字母)。
A.v正(C2H4)=v逆(CO2)
B.反应体系的平衡常数不变
C.容器内气体的密度不变
D.容器内气体的平均相对分子质量不变
(4)一定条件下向容积为1.0 L的密闭容器中通入2 mol C2H6和3 mol CO2发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,C2H6的平衡转化率和平衡时C2H4的选择性随温度、压强的变化关系如图所示(已知: C2H4的选择性=×100%)。
①压强p1 p2(填“>”或“<”),理由是 。
②压强为p1、温度为T K时,反应达平衡时,混合气体中= 。
③M点时,反应Ⅰ的平衡常数为 mol/L(保留2位有效数字)。
专题九 化学反应速率与化学平衡
五年高考
考点1 化学反应速率
1.(2024江西,9,3分)温度T下,向1 L真空刚性容器中加入1 mol (CH3)2CHOH,反应达到平衡时,c(Y)=0.4 mol/L。下列说法正确的是 (A)
(CH3)2CHOH(g) (CH3)2CO(g)+H2(g)
X Y Z
A.再充入1 mol X和1 mol Y,此时v正B.再充入1 mol X,平衡时,c(Y)=0.8 mol/L
C.再充入1 mol N2,平衡向右移动
D.若温度升高,X的转化率增加,则上述反应ΔH<0
2.(2024黑、吉、辽,10,3分)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品,150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示,15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是 (A)
A.3 h时,反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数:①>②
C.0~3 h平均速率v(异山梨醇)=0.014 mol·kg-1·h-1
D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
3.(2024安徽,12,3分)室温下,为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素,测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如下图。
实验序号 水样体积/mL 纳米铁质量/mg 水样初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是 (C)
A.实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为2Fe+Se+8H+ 2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH越小,Se的去除效果越好
4.(2023河北,12,3分)在恒温恒容密闭容器中充入一定量W(g),发生如下反应:
反应②和③的速率方程分别为v2=k2c2(X)和v3=k3c(Z),其中k2、k3分别为反应②和③的速率常数,反应③的活化能大于反应②。测得W(g)的浓度随时间的变化如下表。
t/min 0 1 2 3 4 5
c(W)/(mol·L-1) 0.160 0.113 0.080 0.056 0.040 0.028
下列说法正确的是 (D)
A.0~2 min内,X的平均反应速率为0.080 mol·L-1 ·min-1
B.若增大容器容积,平衡时Y的产率增大
C.若k2=k3,平衡时c(Z)=c(X)
D.若升高温度,平衡时c(Z)减小
5.(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 (B)
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
6.(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 (D)
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
7.(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 (C)
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
8.(2021广东,14,4分)反应X 2Z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 (D)
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)
考点2 化学平衡 化学反应的方向
9.(2024浙江6月选考,11,3分)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(g) ΔH1>0
Ⅱ C2H6(g)+2CO2(g) 4CO(g)+3H2(g) ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据见下表,下列说法不正确的是 (D)
温度(℃) 400 500 600
乙烷转化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能:Ⅰ<Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
10.(双选)(2024山东,15,4分)逆水气变换反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH>0。一定压力下,按CO2、H2物质的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1投料,T1,T2温度时反应物摩尔分数随时间变化关系如图所示。已知该反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2温度时反应速率常数k分别为k1、k2。下列说法错误的是 (CD)
A.k1>k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:
C.温度不变,仅改变体系初始压力,反应物摩尔分数随时间的变化曲线不变
D.T2温度下,改变初始投料比例,可使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同
11.(双选)(2023海南,13,4分)工业上苯乙烯的生产主要采用乙苯脱氢工艺:C6H5CH2CH3(g) C6H5CHCH2(g)+H2(g)。某条件下无催化剂存在时,该反应的正、逆反应速率v随时间t的变化关系如图所示。下列说法正确的是 (BD)
A.曲线①表示的是逆反应的v-t关系
B.t2时刻体系处于平衡状态
C.反应进行到t1时,Q>K(Q为浓度商)
D.催化剂存在时,v1、v2都增大
12.(2023重庆,14,3分)逆水煤气变换体系中存在以下两个反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)
在恒容条件下,按V(CO2)∶V(H2)=1∶1投料比进行反应,平衡时含碳物质体积分数随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 (C)
A.反应Ⅰ的ΔH<0,反应Ⅱ的ΔH>0
B.M点反应Ⅰ的平衡常数K<1
C.N点H2O的压强是CH4的3倍
D.若按V(CO2)∶V(H2)=1∶2投料,则曲线之间交点位置不变
13.(2022海南,8,2分)某温度下,反应CH2CH2(g)+H2O(g) CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡。下列说法正确的是 (C)
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
14.(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 (C)
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
15.(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 (D)
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
16.(2024江西,16,14分)目前开采的天然气含有H2S,综合利用天然气制氢是实现“碳中和”的重要途径。CH4和H2S重整制氢的主要反应如下:
反应Ⅰ:CH4(g)+2H2S(g) CS2(g)+4H2(g) ΔH1=+260 kJ/mol
反应Ⅱ:CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH2=+90 kJ/mol
反应Ⅲ:2H2S(g) S2(g)+2H2(g) ΔH3=+181 kJ/mol
回答下列问题:
(1)H2S分子的电子式为 H····H 。
(2)反应Ⅳ:CS2(g) S2(g)+C(s) ΔH4= +11 kJ/mol。
(3)保持反应器进料口总压为100 kPa。分别以8 kPa CH4、24 kPa H2S(He作辅气)与25 kPa CH4、75 kPa H2S进料,CH4平衡转化率与温度的关系如图1,含有He的曲线为 M ,理由是 反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为气体分子数增大的反应,反应物分压越小,平衡正向移动程度越大,CH4平衡转化率越高 。
(4)假设在10 L的恒温刚性容器中,通入0.3 mol CH4和0.15 mol H2S发生反应Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,起始总压为p0,CH4和H2S的转化率与时间的关系如图2,0~5 min内H2的化学反应速率为 1.2×10-3 mol/(L·min);5 min时,容器内总压为 p0 。
(5)假设H2S和CH4的混合气体在某固体催化剂上的吸附服从Langmuir等温吸附(吸附分子彼此不发生相互作用,且气体分子为单分子层吸附)。
吸附等温式为,
其中a是气体的吸附系数,Vm是气体在固体表面的饱和吸附量(标态),p是气体的分压,V是气体分压为p时的平衡吸附量(标态)。
在一定温度下,H2S的吸附系数是CH4的4倍,当H2S的分压为2 MPa及4 MPa,CH4和H2S的分压相同时,H2S平衡吸附量分别为0.6 m3/kg和0.8 m3/kg(已换算成标态),则H2S的吸附系数为 0.4 MPa-1。
(6)与传统天然气制氢中需要脱硫将H2S转化为硫黄和水相比,上述方法优点是 重整制氢,H原子全部转化为H2,原子利用率高 。
17.(2024黑、吉、辽,18,13分)为实现氯资源循环利用,工业上采用RuO2催化氧化法处理HCl废气:
2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g) ΔH1=-57.2 kJ·mol-1 ΔS K
将HCl和O2分别以不同起始流速通入反应器中,在360 ℃、400 ℃和440 ℃下反应,通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线,如下图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。
图1 图2
回答下列问题:
(1)ΔS < 0(填“>”或“<”);T3= 360 ℃。
(2)结合以下信息,可知H2的燃烧热ΔH= -285.8 kJ·mol-1。
H2O(l) H2O(g) ΔH2=+44.0 kJ·mol-1
H2(g)+Cl2(g) 2HCl(g) ΔH3=-184.6 kJ·mol-1
(3)下列措施可提高M点HCl转化率的是 BD (填标号)。
A.增大HCl的流速
B.将温度升高40 ℃
C.增大n(HCl)∶n(O2)
D.使用更高效的催化剂
(4)图中较高流速时,α(T3)小于α(T2)和α(T1),原因是 温度低,反应速率慢,HCl的转化率低 。
(5)设N点的转化率为平衡转化率,则该温度下反应的平衡常数K= 6 (用平衡物质的量分数代替平衡浓度计算)。
(6)负载在TiO2上的RuO2催化活性高,稳定性强。TiO2和RuO2的晶体结构均可用下图表示,二者晶胞体积近似相等,RuO2与TiO2的密度比为1.66,则Ru的相对原子质量为 101 (精确至1)。
18.(2024山东,20,12分)水煤气是H2的主要来源,研究CaO对C-H2O体系制H2的影响,涉及主要反应如下:
C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) (Ⅰ) ΔH1>0
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) (Ⅱ) ΔH2<0
CaO(s)+CO2(g) CaCO3(s) (Ⅲ) ΔH3<0
回答下列问题:
(1)C(s)+CaO(s)+2H2O(g) CaCO3(s)+2H2(g)的焓变ΔH= ΔH1+ΔH2+ΔH3 (用代数式表示)。
(2)压力p下、C-H2O-CaO体系达平衡后,图示温度范围内C(s)已完全反应,CaCO3(s)在T1温度时完全分解。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示,则a线对应物种为 H2 (填化学式)。当温度高于T1时,随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是 随温度升高,反应(Ⅱ)平衡逆向移动,故CO2摩尔分数逐渐降低 。
(3)压力p下、温度为T0时,图示三种气体的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05,则反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)的平衡常数Kp= ;此时气体总物质的量为4.0 mol,则CaCO3(s)的物质的量为 0.5 mol;若向平衡体系中通入少量CO2(g),重新达平衡后,分压p(CO2)将 不变 (填“增大”“减小”或“不变”),p(CO)将 不变 (填“增大”“减小”或“不变”)。
19.(2023广东,19,14分)配合物广泛存在于自然界,且在生产和生活中都发挥着重要作用。
(1)某有机物R能与Fe2+形成橙红色的配离子[FeR3]2+,该配离子可被HNO3氧化成淡蓝色的配离子[FeR3]3+。
①基态Fe2+的3d电子轨道表示式为
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
。
②完成反应的离子方程式:N+2[FeR3]2++3H+ HNO2 +2[FeR3]3++H2O。
(2)某研究小组对(1)中②的反应进行了研究。用浓度分别为2.0、2.5、3.0 mol·L-1的HNO3溶液进行了三组实验,得到c([FeR3]2+)随时间t的变化曲线如图。
①c(HNO3)=3.0 mol·L-1时,在0~1 min内,[FeR3]2+的平均消耗速率= 5×10-5 mol·L-1·min-1 。
②下列有关说法中,正确的有 AB 。
A.平衡后加水稀释,增大
B.[FeR3]2+平衡转化率:αⅢ>αⅡ>αⅠ
C.三组实验中,反应速率都随反应进程一直减小
D.体系由橙红色转变为淡蓝色所需时间:tⅢ>tⅡ>tⅠ
(3)R的衍生物L可用于分离稀土
2025版新教材高考化学第二轮复习
专题九 化学反应速率与化学平衡
五年高考
考点1 化学反应速率
1.(2024江西,9,3分)温度T下,向1 L真空刚性容器中加入1 mol (CH3)2CHOH,反应达到平衡时,c(Y)=0.4 mol/L。下列说法正确的是 ( )
(CH3)2CHOH(g) (CH3)2CO(g)+H2(g)
X Y Z
A.再充入1 mol X和1 mol Y,此时v正
C.再充入1 mol N2,平衡向右移动
D.若温度升高,X的转化率增加,则上述反应ΔH<0
2.(2024黑、吉、辽,10,3分)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品,150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示,15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是 ( )
A.3 h时,反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数:①>②
C.0~3 h平均速率v(异山梨醇)=0.014 mol·kg-1·h-1
D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
3.(2024安徽,12,3分)室温下,为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素,测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如下图。
实验序号 水样体积/mL 纳米铁质量/mg 水样初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是 ( )
A.实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为2Fe+Se+8H+ 2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH越小,Se的去除效果越好
4.(2023河北,12,3分)在恒温恒容密闭容器中充入一定量W(g),发生如下反应:
反应②和③的速率方程分别为v2=k2c2(X)和v3=k3c(Z),其中k2、k3分别为反应②和③的速率常数,反应③的活化能大于反应②。测得W(g)的浓度随时间的变化如下表。
t/min 0 1 2 3 4 5
c(W)/(mol·L-1) 0.160 0.113 0.080 0.056 0.040 0.028
下列说法正确的是 ( )
A.0~2 min内,X的平均反应速率为0.080 mol·L-1 ·min-1
B.若增大容器容积,平衡时Y的产率增大
C.若k2=k3,平衡时c(Z)=c(X)
D.若升高温度,平衡时c(Z)减小
5.(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)
D.5 min时,X的物质的量为1.4 mol
6.(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
7.(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 ( )
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
8.(2021广东,14,4分)反应X 2Z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)
考点2 化学平衡 化学反应的方向
9.(2024浙江6月选考,11,3分)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(g) ΔH1>0
Ⅱ C2H6(g)+2CO2(g) 4CO(g)+3H2(g) ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据见下表,下列说法不正确的是 ( )
温度(℃) 400 500 600
乙烷转化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能:Ⅰ<Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
10.(双选)(2024山东,15,4分)逆水气变换反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH>0。一定压力下,按CO2、H2物质的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1投料,T1,T2温度时反应物摩尔分数随时间变化关系如图所示。已知该反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2温度时反应速率常数k分别为k1、k2。下列说法错误的是 ( )
A.k1>k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:
C.温度不变,仅改变体系初始压力,反应物摩尔分数随时间的变化曲线不变
D.T2温度下,改变初始投料比例,可使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同
11.(双选)(2023海南,13,4分)工业上苯乙烯的生产主要采用乙苯脱氢工艺:C6H5CH2CH3(g) C6H5CHCH2(g)+H2(g)。某条件下无催化剂存在时,该反应的正、逆反应速率v随时间t的变化关系如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.曲线①表示的是逆反应的v-t关系
B.t2时刻体系处于平衡状态
C.反应进行到t1时,Q>K(Q为浓度商)
D.催化剂存在时,v1、v2都增大
12.(2023重庆,14,3分)逆水煤气变换体系中存在以下两个反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)
在恒容条件下,按V(CO2)∶V(H2)=1∶1投料比进行反应,平衡时含碳物质体积分数随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.反应Ⅰ的ΔH<0,反应Ⅱ的ΔH>0
B.M点反应Ⅰ的平衡常数K<1
C.N点H2O的压强是CH4的3倍
D.若按V(CO2)∶V(H2)=1∶2投料,则曲线之间交点位置不变
13.(2022海南,8,2分)某温度下,反应CH2CH2(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
14.(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
15.(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
16.(2024江西,16,14分)目前开采的天然气含有H2S,综合利用天然气制氢是实现“碳中和”的重要途径。CH4和H2S重整制氢的主要反应如下:
反应Ⅰ:CH4(g)+2H2S(g) CS2(g)+4H2(g) ΔH1=+260 kJ/mol
反应Ⅱ:CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH2=+90 kJ/mol
反应Ⅲ:2H2S(g) S2(g)+2H2(g) ΔH3=+181 kJ/mol
回答下列问题:
(1)H2S分子的电子式为 。
(2)反应Ⅳ:CS2(g) S2(g)+C(s) ΔH4= kJ/mol。
(3)保持反应器进料口总压为100 kPa。分别以8 kPa CH4、24 kPa H2S(He作辅气)与25 kPa CH4、75 kPa H2S进料,CH4平衡转化率与温度的关系如图1,含有He的曲线为 ,理由是 。
假设在10 L的恒温刚性容器中,通入0.3 mol CH4和0.15 mol H2S发生反应Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,起始总压为p0,CH4和H2S的转化率与时间的关系如图2,0~5 min内H2的化学反应速率
为 mol/(L·min);5 min时,容器内总压为 。
(5)假设H2S和CH4的混合气体在某固体催化剂上的吸附服从Langmuir等温吸附(吸附分子彼此不发生相互作用,且气体分子为单分子层吸附)。
吸附等温式为,
其中a是气体的吸附系数,Vm是气体在固体表面的饱和吸附量(标态),p是气体的分压,V是气体分压为p时的平衡吸附量(标态)。
在一定温度下,H2S的吸附系数是CH4的4倍,当H2S的分压为2 MPa及4 MPa,CH4和H2S的分压相同时,H2S平衡吸附量分别为0.6 m3/kg和0.8 m3/kg(已换算成标态),则H2S的吸附系数
为 MPa-1。
(6)与传统天然气制氢中需要脱硫将H2S转化为硫黄和水相比,上述方法优点是 。
17.(2024黑、吉、辽,18,13分)为实现氯资源循环利用,工业上采用RuO2催化氧化法处理HCl废气:
2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g) ΔH1=-57.2 kJ·mol-1 ΔS K
将HCl和O2分别以不同起始流速通入反应器中,在360 ℃、400 ℃和440 ℃下反应,通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线,如下图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。
图1 图2
回答下列问题:
(1)ΔS 0(填“>”或“<”);T3= ℃。
(2)结合以下信息,可知H2的燃烧热ΔH= kJ·mol-1。
H2O(l) H2O(g) ΔH2=+44.0 kJ·mol-1
H2(g)+Cl2(g) 2HCl(g) ΔH3=-184.6 kJ·mol-1
(3)下列措施可提高M点HCl转化率的是 (填标号)。
A.增大HCl的流速
B.将温度升高40 ℃
C.增大n(HCl)∶n(O2)
D.使用更高效的催化剂
(4)图中较高流速时,α(T3)小于α(T2)和α(T1),原因是 。
(5)设N点的转化率为平衡转化率,则该温度下反应的平衡常数K= (用平衡物质的量分数代替平衡浓度计算)。
(6)负载在TiO2上的RuO2催化活性高,稳定性强。TiO2和RuO2的晶体结构均可用下图表示,二者晶胞体积近似相等,RuO2与TiO2的密度比为1.66,则Ru的相对原子质量为 (精确至1)。
18.(2024山东,20,12分)水煤气是H2的主要来源,研究CaO对C-H2O体系制H2的影响,涉及主要反应如下:
C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) (Ⅰ) ΔH1>0
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) (Ⅱ) ΔH2<0
CaO(s)+CO2(g) CaCO3(s) (Ⅲ) ΔH3<0
回答下列问题:
(1)C(s)+CaO(s)+2H2O(g) CaCO3(s)+2H2(g)的焓变ΔH= (用代数式表示)。
(2)压力p下、C-H2O-CaO体系达平衡后,图示温度范围内C(s)已完全反应,CaCO3(s)在T1温度时完全分解。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示,则a线对应物种
为 (填化学式)。当温度高于T1时,随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是 。
(3)压力p下、温度为T0时,图示三种气体的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05,则反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)的平衡常数Kp= ;此时气体总物质的量为4.0 mol,则CaCO3(s)的物质的量为 mol;若向平衡体系中通入少量CO2(g),重新达平衡后,分压p(CO2)将 (填“增大”“减小”或“不变”),p(CO)将 (填“增大”“减小”或“不变”)。
19.(2023广东,19,14分)配合物广泛存在于自然界,且在生产和生活中都发挥着重要作用。
(1)某有机物R能与Fe2+形成橙红色的配离子[FeR3]2+,该配离子可被HNO3氧化成淡蓝色的配离子[FeR3]3+。
①基态Fe2+的3d电子轨道表示式为
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
。
②完成反应的离子方程式:N+2[FeR3]2++3H+ +2[FeR3]3++H2O。
(2)某研究小组对(1)中②的反应进行了研究。用浓度分别为2.0、2.5、3.0 mol·L-1的HNO3溶液进行了三组实验,得到c([FeR3]2+)随时间t的变化曲线如图。
①c(HNO3)=3.0 mol·L-1时,在0~1 min内,[FeR3]2+的平均消耗速率= 。
②下列有关说法中,正确的有 。
A.平衡后加水稀释,增大
B.[FeR3]2+平衡转化率:αⅢ>αⅡ>αⅠ
C.三组实验中,反应速率都随反应进程一直减小
D.体系由橙红色转变为淡蓝色所需时间:tⅢ>tⅡ>tⅠ
(3)R的衍生物L可用于分离稀土。溶液中某稀土离子(用M表示)与L存在平衡:
M+L ML K1
ML+L ML2 K2
研究组配制了L起始浓度c0(L)=0.02 mol·L-1、M与L起始浓度比c0(M)/c0(L)不同的系列溶液,反应平衡后测定其核磁共振氢谱。配体L上的某个特征H在三个物种L、ML、ML2中的化学位移不同,该特征H对应吸收峰的相对峰面积S(体系中所有特征H的总峰面积计为1)如下表。
c0(M)/c0(L) S(L) S(ML) S(ML2)
0 1.00 0 0
a x <0.01 0.64
b <0.01 0.40 0.60
[注]核磁共振氢谱中相对峰面积S之比等于吸收峰对应H的原子数目之比;“<0.01”表示未检测到。
①c0(M)/c0(L)=a时,x= 。
②c0(M)/c0(L)=b时,平衡浓度比c平(ML2)∶c平(ML)= 。
(4)研究组用吸收光谱法研究了(3)中M与L反应体系。当c0(L)=1.0×10-5 mol·L-1时,测得平衡时各物种c平/c0(L)随c0(M)/c0(L)的变化曲线如图。c0(M)/c0(L)=0.51时,计算M的平衡转化率(写出计算过程,结果保留两位有效数字)。
20.(2022重庆,17,14分)反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)在工业上有重要应用。
(1)该反应在不同温度下的平衡常数如下表所示。
温度/℃ 700 800 830 1 000
平衡常数 1.67 1.11 1.00 0.59
①反应的ΔH 0(填“>”“<”或“=”)。
②反应常在较高温度下进行,该措施的优缺点是 。
(2)该反应常在Pd膜反应器中进行,其工作原理如图所示。
①利用平衡移动原理解释反应器存在Pd膜时具有更高转化率的原因是 。
②某温度下,H2在Pd膜表面上的解离过程存在如下平衡:H2 2H,其正反应的活化能远小于逆反应的活化能。下列说法错误的是 。
A.Pd膜对气体分子的透过具有选择性
B.过程2的ΔH>0
C.加快Pd膜内H原子迁移有利于H2的解离
D.H原子在Pd膜表面上结合为H2的过程为放热反应
③同温同压下,等物质的量的CO和H2O通入无Pd膜反应器,CO的平衡转化率为75%;若换成Pd膜反应器,CO的平衡转化率为90%,则相同时间内出口a和出口b中H2的质量比为 。
(3)该反应也可采用电化学方法实现,反应装置如图所示。
①固体电解质采用 (填“氧离子导体”或“质子导体”)。
②阴极的电极反应式为 。
③同温同压下,相同时间内,若进口Ⅰ处n(CO)∶n(H2O)=a∶b,出口Ⅰ处气体体积为进口Ⅰ处的y倍,则CO的转化率为 (用a、b、y表示)。
21.(2022辽宁,17,13分)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
(6)某种新型储氢材料的晶胞如图,八面体中心为M金属离子,顶点均为NH3配体;四面体中心为硼原子,顶点均为氢原子。若其摩尔质量为188 g·mol-1,则M元素为 (填元素符号);在该化合物中,M离子的价电子排布式为 。
考点3 化学平衡常数及其相关计算
类型1 与方程式运算结合
22.(2023全国甲,28,15分)甲烷选择性氧化制备甲醇是一种原子利用率高的方法。回答下列问题:
(1)已知下列反应的热化学方程式:
①3O2(g) 2O3(g) K1 ΔH1=285 kJ·mol-1
②2CH4(g)+O2(g) 2CH3OH(l) K2 ΔH2=-329 kJ·mol-1
反应③CH4(g)+O3(g) CH3OH(l)+O2(g)的ΔH3= kJ·mol-1,平衡常数K3= (用K1、K2表示)。
(2)电喷雾电离等方法得到的M+(Fe+、Co+、Ni+等)与O3反应可得MO+。MO+与CH4反应能高选择性地生成甲醇。分别在300 K和310 K下(其他反应条件相同)进行反应MO++CH4 M++CH3OH,结果如下图所示。图中300 K的曲线是 (填“a”或“b”)。300 K、60 s时MO+的转化率为 (列出算式)。
(3)MO+分别与CH4、CD4反应,体系的能量随反应进程的变化如下图所示(两者历程相似,图中以CH4示例)。
(ⅰ)步骤Ⅰ和Ⅱ中涉及氢原子成键变化的是 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(ⅱ)直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时,反应速率会变慢,则MO+与CD4反应的能量变化应为图中曲线 (填“c”或“d”)。
(ⅲ)MO+与CH2D2反应,氘代甲醇的产量CH2DOD CHD2OH(填“>”“=”或“<”)。若MO+与CHD3反应,生成的氘代甲醇有 种。
23.(2023福建,13,节选)探究甲醇对丙烷制丙烯的影响。
丙烷制烯烃过程主要发生的反应有
ⅰ.C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) ΔH1=+124 kJ·mol-1 ΔS1=127 J·K-1·mol-1
ⅱ.C3H8(g) C2H4(g)+CH4(g) ΔH2=+82 kJ·mol-1
ΔS2=135 J·K-1·mol-1
ⅲ.C3H8(g)+2H2(g) 3CH4(g) ΔH3=-120 kJ·mol-1
ΔS3=27.5 J·K-1·mol-1
已知:Kp为用气体分压表示的平衡常数,分压=物质的量分数×总压。
(1)比较反应自发进行(ΔG=ΔH-TΔS<0)的最低温度,反应ⅰ 反应ⅱ(填“>”或“<”)。
(2)在0.1 MPa,t ℃下,丙烷单独进料时,平衡体系中各组分的体积分数φ见下表。
组分 C3H6 C2H4 CH4 C3H8 H2
φ/% 21.0 23.7 55.2 0.1 0.0
②从初始进料到体系达平衡时,反应ⅰ、ⅱ、ⅲ消耗丙烷的平均速率从大到小的顺序为反应 >反应 >反应 (填标号)。
③平衡体系中检测不到H2,可认为存在反应:3C3H8(g) 2C3H6(g)+3CH4(g) Kp。下列相关说法正确的是 (填标号)。
a.Kp=
b.Kp= (MPa)2
c.使用催化剂,可提高丙烯的平衡产率
d.平衡后再通入少量丙烷,可提高丙烯的体积分数
④由表中数据推算:丙烯选择性=
(列出计算式)。
(3)丙烷、甲醇共进料时,还发生反应:
ⅳ.CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) ΔH4=+91 kJ·mol-1
在0.1 MPa、t ℃下,平衡体系中各组分体积分数与进料比的关系如图所示。
①进料比n(丙烷)∶n(甲醇)=1时,体系总反应:
C3H8(g)+CH3OH(g) CO(g)+3CH4(g) ΔH= kJ·mol-1
②随着甲醇投料增加,平衡体系中丙烯的体积分数降低的原因是 。
24.(2023湖南,16,14分)聚苯乙烯是一类重要的高分子材料,可通过苯乙烯聚合制得。
Ⅰ.苯乙烯的制备
(1)已知下列反应的热化学方程式:
①C6H5C2H5(g)+O2(g) 8CO2(g)+5H2O(g) ΔH1=-4 386.9 kJ·mol-1
②C6H5CHCH2(g)+10O2(g) 8CO2(g)+4H2O(g) ΔH2=-4 263.1 kJ·mol-1
③H2(g)+O2(g) H2O(g) ΔH3=-241.8 kJ·mol-1
计算反应④C6H5C2H5(g)C6H5CHCH2(g)+H2(g)的ΔH4= kJ·mol-1;
(2)在某温度、100 kPa下,向反应器中充入1 mol气态乙苯发生反应④,其平衡转化率为50%,欲将平衡转化率提高至75%,需要向反应器中充入 mol水蒸气作为稀释气(计算时忽略副反应);
(3)在913 K、100 kPa下,以水蒸气作稀释气、Fe2O3作催化剂,乙苯除脱氢生成苯乙烯外,还会发生如下两个副反应:
⑤C6H5C2H5(g) C6H6(g)+CH2CH2(g)
⑥C6H5C2H5(g)+H2(g) C6H5CH3(g)+CH4(g)
以上反应体系中,芳香烃产物苯乙烯、苯和甲苯的选择性S(S=×100%)随乙苯转化率的变化曲线如图所示,其中曲线b代表的产物是 ,理由是 ;
(4)关于本反应体系中催化剂Fe2O3的描述错误的是 ;
A.X射线衍射技术可测定Fe2O3晶体结构
B.Fe2O3可改变乙苯平衡转化率
C.Fe2O3降低了乙苯脱氢反应的活化能
D.改变Fe2O3颗粒大小不影响反应速率
Ⅱ.苯乙烯的聚合
苯乙烯聚合有多种方法,其中一种方法的关键步骤是某Cu(Ⅰ)的配合物促进C6H5CH2X(引发剂,X表示卤素)生成自由基C6H5H2,实现苯乙烯可控聚合。
(5)引发剂C6H5CH2Cl、C6H5CH2Br、C6H5CH2I中活性最高的是 ;
(6)室温下,①Cu+在配体L的水溶液中形成[Cu(L)2]+,其反应平衡常数为K;②CuBr在水中的溶度积常数为Ksp。由此可知,CuBr在配体L的水溶液中溶解反应的平衡常数为 (所有方程式中计量系数关系均为最简整数比)。
类型2 与电化学结合
25.(2024湖南,18,15分)丙烯腈()是一种重要的化工原料。工业上以N2为载气,用TiO2作催化剂生产的流程如下:
已知:①进料混合气进入两釜的流量恒定,两釜中反应温度恒定;
②反应釜Ⅰ中发生的反应:
ⅰ.HOCH2CH2COOC2H5(g)
+H2O(g) ΔH1
③反应釜Ⅱ中发生的反应:
ⅱ.+NH3(g) +C2H5OH(g) ΔH2
ⅲ.
+H2O(g) ΔH3
④在此生产条件下,酯类物质可能发生水解。
回答下列问题:
总反应HOCH2CH2COOC2H5(g)+NH3(g) +C2H5OH(g)+2H2O(g)
ΔH= (用含ΔH1、ΔH2和ΔH3的代数式表示);
(2)进料混合气中n(HOCH2CH2COOC2H5)∶n(C2H5OH)=1∶2,出料中四种物质(、、C2H5OH、H2O)的流量(单位时间内出料口流出的物质的量)随时间变化关系如图:
①表示的曲线是 (填“a”“b”或“c”);
②反应釜Ⅰ中加入C2H5OH的作用是 ;
③出料中没有检测到的原因是 ;
④反应11 h后,a、b、c曲线对应物质的流量逐渐降低的原因是 ;
(3)催化剂TiO2再生时会释放CO2,可用氨水吸收获得NH4HCO3。现将一定量的NH4HCO3固体(含0.72 g水)置于密闭真空容器中,充入CO2和NH3,其中CO2的分压为100 kPa,在27 ℃下进行干燥。为保证NH4HCO3不分解,NH3的分压应不低于 kPa[已知p(H2O)=2.5×102 kPa·mol-1×n(H2O),NH4HCO3分解的平衡常数Kp=4×104(kPa)3];
(4)以为原料,稀硫酸为电解液,Sn作阴极,用电解的方法可制得Sn(CH2CH2CN)4,其阴极反应式为 。
26.(2023重庆,17,14)银及其化合物在催化与电化学等领域中具有重要应用。
(1)在银催化下,乙烯与氧气反应生成环氧乙烷(EO)和乙醛(AA)。根据下图所示,回答下列问题:
①中间体OMC生成吸附态EO(ads)的活化能为 kJ/mol。
②由EO(g)生成AA(g)的热化学方程式为 。
(2)一定条件下,银催化剂表面上存在反应:Ag2O(s) 2Ag(s)+O2(g)。该反应平衡压强pe与温度T的关系如下:
T/K 401 443 463
pe/kPa 10 51 100
①463 K时的平衡常数Kp= (kPa。
②起始状态Ⅰ中有Ag2O、Ag和O2,经下列过程达到各平衡状态:
已知状态Ⅰ和Ⅲ的固体质量相等,下列叙述正确的是 (填字母)。
A.从Ⅰ到Ⅱ的过程ΔS>0
B.pe(Ⅱ)>pe(Ⅲ)
C.平衡常数:K(Ⅱ)>K(Ⅳ)
D.若体积V(Ⅲ)=2V(Ⅰ),则Q(Ⅰ)=K(Ⅲ)
E.逆反应的速率:v(Ⅰ)>v(Ⅱ)=v(Ⅲ)>v(Ⅳ)
③某温度下,向恒容容器中加入Ag2O,分解过程中反应速率v(O2)与压强p的关系为v(O2)=k(1-),k为速率常数(定温下为常数)。当固体质量减少4%时,逆反应速率最大。若转化率为14.5%,则v(O2)= (用k表示)。
(3)α-AgI可用作固体离子导体,能通过加热γ-AgI制得。上述两种晶体的晶胞示意图如图所示(为了简化,只画出了碘离子在晶胞中的位置)。
①测定晶体结构最常用的仪器是 (填字母)。
A.质谱仪 B.红外光谱仪
C.核磁共振仪 D.X射线衍射仪
②γ-AgI与α-AgI晶胞的体积之比为 。
③测定α-AgI中导电离子类型的实验装置如下图所示。实验测得支管a中AgI质量不变,可判定导电离子是Ag+而不是I-,依据是 。
27.(2023河北,17,15分)氮是自然界重要元素之一,研究氮及其化合物的性质以及氮的循环利用对解决环境和能源问题都具有重要意义。
已知:1 mol物质中的化学键断裂时所需能量如下表。
物质 N2(g) O2(g) NO(g)
能量/kJ 945 498 631
回答下列问题:
(1)恒温下,将1 mol空气(N2和O2的体积分数分别为0.78和0.21,其余为惰性组分)置于容积为V L的恒容密闭容器中,假设体系中只存在如下两个反应:
ⅰ.N2(g)+O2(g) 2NO(g) K1 ΔH1
ⅱ.2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) K2 ΔH2=-114 kJ·mol-1
①ΔH1= kJ·mol-1。
②以下操作可以降低上述平衡体系中NO浓度的有 (填标号)。
A.缩小体积 B.升高温度
C.移除NO2 D.降低N2浓度
③若上述平衡体系中c(NO2)=a mol·L-1,c(NO)=b mol·L-1,则c(O2)= mol·L-1,
K1= (写出含a、b、V的计算式)。
(2)氢气催化还原NOx作为一种高效环保的脱硝技术备受关注。高温下氢气还原NO反应的速率方程为v=kcx(NO)cy(H2),k为速率常数。在一定温度下改变体系中各物质浓度,测定结果如下表。
组号 c(NO)/(mol·L-1) c(H2)/(mol·L-1) v/(mol·L-1·s-1)
1 0.10 0.10 r
2 0.10 0.20 2r
3 0.20 0.10 4r
4 0.05 0.30
表中第4组的反应速率为 mol·L-1·s-1。(写出含r的表达式)
(3)①以空气中的氮气为原料电解合成氨时,N2在 (填“阴”或“阳”)极上发生反应,产生NH3。
②氨燃料电池和氢燃料电池产生相同电量时,理论上消耗NH3和H2的质量比为17∶3,则在碱性介质中氨燃料电池负极的电极反应式为 。
③我国科学家研究了水溶液中三种催化剂(a、b、c)上N2电还原为NH3(图1)和H2O电还原为H2(图2)反应历程中的能量变化,则三种催化剂对N2电还原为NH3的催化活性由强到弱的顺序为 (用字母a、b、c排序)。
图1
图2
类型3 分压平衡常数
28.(2024贵州,17,14分)在无氧环境下,CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下,CH4芳构化时同时存在如下反应:
ⅰ.CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH1=+74.6 kJ·mol-1
ΔS=+80.84 J·mol-1·K-1
ⅱ.6CH4(g) C6H6(l)+9H2(g) ΔH2
回答下列问题:
(1)反应ⅰ在1 000 K时 (选填“能”或“不能”)自发进行。
(2)已知25 ℃时有关物质的燃烧热数据如表,则反应ⅱ的ΔH2= kJ·mol-1(用含a、b、c的代数式表示)。
物质 CH4(g) C6H6(l) H2(g)
ΔH/(kJ·mol-1) a b c
(3)受反应ⅰ影响,随着反应进行,单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低,原因是 。
(4)对催化剂在不同的pH条件下进行处理,能够改变催化剂的活性。将催化剂在5种不同pH条件下处理后分别用于催化CH4芳构化,相同反应时间内测定相关数据如下表,其中最佳pH为 ,理由是 。
pH CH4平均转化率/% 芳烃平均产率/% 产物中积炭平均含量/%
2.4 9.60 5.35 40.75
4.0 9.80 4.60 45.85
7.0 9.25 4.05 46.80
10.0 10.45 6.45 33.10
12.0 9.95 4.10 49.45
(5)973 K、100 kPa下,在某密闭容器中按n(C6H6)∶n(CH4)=1∶5充入气体,发生反应C6H6(g)+CH4(g) C7H8(g)+H2(g),平衡时C6H6与C7H8的分压比为4∶1,则C6H6的平衡转化率为 ,平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数,列出计算式即可)。
(6)引入丙烷可促进甲烷芳构化制备苯和二甲苯,反应如下:
(两个反应可视为同级数的平行反应)
对于同级数的平行反应有,其中v、k分别为反应速率和反应速率常数,Ea为反应活化能,A1、A2为定值,R为常数,T为温度,同一温度下是定值。已知Ea,苯
(1)Ni基态原子价电子的轨道表示式为
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑
↑↓
。镍的晶胞结构类型与铜的相同,晶胞体积为a3,镍原子半径为 。
(2)Ni(CO)4结构如图所示,其中含有σ键的数目为 ,Ni(CO)4晶体的类型为 。
(3)在总压分别为0.10、0.50、1.0、2.0 MPa下,Ni(s)和CO(g)反应达平衡时,Ni(CO)4体积分数x与温度的关系如图所示。反应Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g)的ΔH 0(填“大于”或“小于”)。从热力学角度考虑, 有利于Ni(CO)4的生成(写出两点),p3、100 ℃时CO的平衡转化率α= ,该温度下平衡常数Kp= (MPa)-3。
(4)对于同位素交换反应Ni(C16O)4+C18O Ni(C16O)3C18O+C16O,20 ℃时反应物浓度随时间的变化关系为c1[Ni(C16O)4]=c0[Ni(C16O)4]e-kt(k为反应速率常数),则Ni(C16O)4反应一半所需时间 (用k表示)。
30.(2023全国乙,28,14分)硫酸亚铁在工农业生产中有许多用途,如可用作农药防治小麦黑穗病,制造磁性氧化铁、铁催化剂等。回答下列问题:
(1)在N2气氛中,FeSO4·7H2O的脱水热分解过程如图所示:
根据上述实验结果,可知x= ,y= 。
(2)已知下列热化学方程式:
FeSO4·7H2O(s) FeSO4(s)+7H2O(g) ΔH1=a kJ·mol-1
FeSO4·xH2O(s) FeSO4(s)+xH2O(g) ΔH2=b kJ·mol-1
FeSO4·yH2O(s) FeSO4(s)+yH2O(g) ΔH3=c kJ·mol-1
则FeSO4·7H2O(s)+FeSO4·yH2O(s) 2(FeSO4·xH2O)(s)的ΔH= kJ·mol-1。
(3)将FeSO4置入抽空的刚性容器中,升高温度发生分解反应:
2FeSO4(s) Fe2O3(s)+SO2(g)+SO3(g)(Ⅰ)
平衡时~T的关系如下图所示。660 K时,该反应的平衡总压p总= kPa,平衡常数
Kp(Ⅰ)= (kPa)2。Kp(Ⅰ)随反应温度升高而 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)提高温度,上述容器中进一步发生反应2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)(Ⅱ),平衡时 (用表示)。在929 K时,p总=84.6 kPa,=35.7 kPa,则= kPa,Kp(Ⅱ)= kPa(列出计算式)。
31.(2023辽宁,18,14分)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。
(1)我国古籍记载了硫酸的制备方法——“炼石胆(CuSO4·5H2O)取精华法”。借助现代仪器分析,该制备过程中CuSO4·5H2O分解的TG(热重)曲线及DSC曲线(反映体系热量变化情况,数值已省略)如下图所示。700 ℃左右有两个吸热峰,则此时分解生成的氧化物
有SO2、 和 (填化学式)。
(2)铅室法使用了大容积铅室制备硫酸(76%以下),副产物为亚硝基硫酸,主要反应如下:
NO2+SO2+H2O NO+H2SO4
2NO+O2 2NO2
(ⅰ)上述过程中NO2的作用为 。
(ⅱ)为了适应化工生产的需求,铅室法最终被接触法所代替,其主要原因是
(答出两点即可)。
(3)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化:SO2(g)+O2(g) SO3(g)
ΔH=-98.9 kJ·mol-1。
(ⅰ)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度,绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如下图所示,下列说法正确的是 。
a.温度越高,反应速率越大
b.α=0.88的曲线代表平衡转化率
c.α越大,反应速率最大值对应温度越低
d.可根据不同α下的最大速率,选择最佳生产温度
(ⅱ)为提高钒催化剂的综合性能,我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下,温度和转化率关系如下图所示,催化性能最佳的是 (填标号)。
(ⅲ)设O2的平衡分压为p,SO2的平衡转化率为αe,用含p和αe的代数式表示上述催化氧化反应的Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算)。
32.(2023湖北,19,14分)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下,C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。
C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的反应机理和能量变化如下:
回答下列问题:
(1)已知C40Hx中的碳氢键和碳碳键的键能分别为431.0 kJ·mol-1和298.0 kJ·mol-1,H—H键能为436.0 kJ·mol-1。估算C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的ΔH= kJ·mol-1。
(2)图示历程包含 个基元反应,其中速率最慢的是第 个。
(3)C40H10纳米碗中五元环和六元环结构的数目分别为 、 。
(4)1 200 K时,假定体系内只有反应C40H12(g) C40H10(g)+H2(g)发生,反应过程中压强恒定为p0 (即C40H12的初始压强),平衡转化率为α,该反应的平衡常数Kp为 (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(5)40H19(g) C40H18(g)+H·(g)及40H11(g) C40H10(g)+H·(g)反应的ln K(K为平衡常数)随温度倒数的关系如图所示。已知本实验条件下,ln K=-+c(R为理想气体常数,c为截距)。图中两条线几乎平行,从结构的角度分析其原因是 。
(6)下列措施既能提高反应物的平衡转化率,又能增大生成C40H10的反应速率的是 (填标号)。
a.升高温度
b.增大压强
c.加入催化剂
类型4 浓度/物质的量分数/标准平衡常数等
33.(2024湖南,14,3分)恒压下,向某密闭容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),发生如下反应:
主反应:CH3OH(g)+CO(g) CH3COOH(g) ΔH1
副反应:CH3OH(g)+CH3COOH(g) CH3COOCH3(g)+H2O(g) ΔH2
在不同温度下,反应达到平衡时,测得两种含碳产物的分布分数δ[如δ(CH3COOH)=
]随投料比x(物质的量之比)的变化关系如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.投料比x代表
B.曲线c代表乙酸的分布分数
C.ΔH1<0,ΔH2>0
D.L、M、N三点的平衡常数:K(L)=K(M)>K(N)
34.(2024全国甲,28,15分)甲烷转化为多碳化合物具有重要意义。一种将甲烷溴化再偶联为丙烯(C3H6)的研究所获得的部分数据如下。回答下列问题:
(1)已知如下热化学方程式:
CH4(g)+Br2(g) CH3Br(g)+HBr(g) ΔH1=-29 kJ·mol-1
3CH3Br(g) C3H6(g)+3HBr(g) ΔH2=+20 kJ·mol-1
计算反应3CH4(g)+3Br2(g) C3H6(g)+6HBr(g)的ΔH= kJ·mol-1。
(2)CH4与Br2反应生成CH3Br,部分CH3Br会进一步溴化。将8 mmol CH4和8 mmol Br2通入密闭容器,平衡时,n(CH4)、n(CH3Br)与温度的关系见下图(假设反应后的含碳物质只有CH4、CH3Br和CH2Br2)。
(ⅰ)图中CH3Br的曲线是 (填“a”或“b”)。
(ⅱ)560 ℃时,CH4的转化率α= ,n(HBr)= mmol。
(ⅲ)560 ℃时,反应CH3Br(g)+Br2(g) CH2Br2(g)+HBr(g)的平衡常数K= 。
(3)少量I2可提高生成CH3Br的选择性。500 ℃时,分别在有I2和无I2的条件下,将8 mmol CH4和8 mmol Br2通入密闭容器,溴代甲烷的物质的量(n)随时间(t)的变化关系见下图。
(ⅰ)在11~19 s之间,有I2和无I2时CH3Br的生成速率之比= 。
(ⅱ)从图中找出I2提高了CH3Br选择性的证据: 。
(ⅲ)研究表明,I2参与反应的可能机理如下:
①I2(g) ·I(g)+·I(g)
②·I(g)+CH2Br2(g) IBr(g)+·CH2Br(g)
③·CH2Br(g)+HBr(g) CH3Br(g)+·Br(g)
④·Br(g)+CH4(g) HBr(g)+·CH3(g)
⑤·CH3(g)+IBr(g) CH3Br(g)+·I(g)
⑥·I(g)+·I(g) I2(g)
根据上述机理,分析I2提高CH3Br选择性的原因: 。
35.(2024安徽,17,15分)乙烯是一种用途广泛的有机化工原料,由乙烷制乙烯的研究备受关注。回答下列问题:
【乙烷制乙烯】
(1)C2H6氧化脱氢反应:
2C2H6(g)+O2(g) 2C2H4(g)+2H2O(g)
ΔH1=-209.8 kJ·mol-1
C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+H2O(g)+CO(g) ΔH2=178.1 kJ·mol-1
计算:2CO(g)+O2(g) 2CO2(g) ΔH3= kJ·mol-1
(2)C2H6直接脱氢反应为C2H6(g) C2H4(g)+H2(g) ΔH4,C2H6的平衡转化率与温度和压强的关系如图所示,则ΔH4 0(填“>”“<”或“=”)。结合下图,下列条件中,达到平衡时转化率最接近40%的是 (填标号)。
a.600 ℃,0.6 MPa
b.700 ℃,0.7 MPa
c.800 ℃,0.8 MPa
(3)一定温度和压强下,反应ⅰ C2H6(g) C2H4(g)+H2(g)
反应ⅱ C2H6(g)+H2(g) 2CH4(g) ()
(Ka是以平衡物质的量分数代替平衡浓度计算的平衡常数)
①仅发生反应ⅰ时,C2H6的平衡转化率为25.0%,计算 。
②同时发生反应ⅰ和ⅱ时,与仅发生反应ⅰ相比,C2H4的平衡产率 (填“增大”“减小”或“不变”)。
【乙烷和乙烯混合气的分离】
(4)通过Cu+修饰的Y分子筛的吸附—脱附,可实现C2H4和C2H6混合气的分离。Cu+的 与C2H4分子的π键电子形成配位键,这种配位键强弱介于范德华力和共价键之间。用该分子筛分离C2H4和C2H6的优点是 。
(5)常温常压下,将C2H4和C2H6等体积混合,以一定流速通过某吸附剂,测得两种气体出口浓度(c)与进口浓度(c0)之比随时间变化关系如图所示。下列推断合理的是 (填标号)。
A.前30 min,两种气体均未被吸附
B.p点对应的时刻,出口气体的主要成分是C2H6
C.a-b对应的时间段内,吸附的C2H6逐渐被C2H4替代
36.(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 。
37.(2022河北,16,14分)氢能是极具发展潜力的清洁能源,以氢燃料为代表的燃料电池有良好的应用前景。
(1)298 K时,1 g H2燃烧生成H2O(g)放热121 kJ,1 mol H2O(l)蒸发吸热44 kJ。表示H2燃烧热的热化学方程式为 。
(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 。
(5)甲醇燃料电池中,吸附在催化剂表面的甲醇分子逐步脱氢得到CO,四步可能脱氢产物及其相对能量如图,则最可行途径为a→ (用b~j等代号表示)。
38.(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 。
三年模拟
题型强化练
题型1 反应速率和平衡图像分析
1.(2024安徽合肥二模,9)SiHCl3被应用于制造多晶硅及硅烷偶联剂等领域。50 ℃时,将n mol SiHCl3置于密闭容器中发生如下反应:2SiHCl3(g) SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)。SiHCl3的转化率随时间变化的曲线如下图所示。下列说法正确的是 ( )
A.SiH2Cl2和SiCl4均为由极性键构成的非极性分子
B.0~100 min内,v(SiHCl3)=10-3n mol·L-1·min-1
C.50 ℃时该反应的平衡常数K=
D.b-c段平均速率大于a-b段平均速率
2.(2024广东深圳一模,16)常温下,向某溶剂(不参与反应)中加入一定量X、Y和M,所得溶液中同时存在如下平衡:
(ⅰ)X(aq)+M(aq) N(aq)
(ⅱ)Y(aq)+M(aq) N(aq)
(ⅲ)X(aq) Y(aq)
X、Y的物质的量浓度c随反应时间t的变化关系如图所示。300 s后反应体系达到平衡状态。下列说法正确的是 ( )
A.100~300 s内,v(N)=1.15×10-3 mol·L-1·s-1
B.t=100 s时,反应(ⅲ)的逆反应速率大于正反应速率
C.若反应(ⅲ)的Ea(正)
3.(2024广东广州二模,15)恒容密闭容器中充入X,在催化剂作用下发生反应:2X(g) 2Y(g)+Z(g)。起始压强为p kPa,反应时间为t s,测得X的转化率随温度的变化如图中实线所示(虚线表示平衡转化率)。下列说法正确的是 ( )
A.该反应的ΔH<0
B.催化剂可降低该反应的焓变,提高平衡转化率
C.增大起始压强,X的平衡转化率增大
D.800 ℃时,0~t s内化学反应速率v(Y)= kPa·s-1
4.(2024湖南仿真模拟三,13)在恒压密闭容器中,充入起始量一定的CO2和H2,主要发生下列反应。
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ/mol
反应Ⅱ:2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)
ΔH=-122.5 kJ/mol
达平衡时,CO2的转化率和CO的选择性随温度的变化如图所示[CO的选择性=],下列说法不正确的是 ( )
A.反应Ⅰ的ΔS>0
B.温度一定,通过增大压强能提高CH3OCH3的平衡产率
C.温度高于300 ℃时,曲线②随温度升高而升高说明此时主要发生反应Ⅰ
D.同时提高CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性,应选择在低温、低压条件下反应
5.(2024河北邯郸第四次调研,11)CO2的回收和利用是实现“碳中和”的有效途径。在一恒容密闭反应器中充入体积比为1∶1的CO2和H2,发生反应:①CO2(g)+H2(g) HCOOH(g) ΔH=+31.2 kJ·mol-1,②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1。CO2的平衡转化率与HCOOH的选择性[HCOOH的选择性=×100%]与温度的关系如图所示。下列叙述错误的是 ( )
A.温度高于673 K时,主要发生反应②
B.温度低于673 K时,HCOOH的选择性随温度升高而增大
C.平衡时,再充入0.1 mol CO2和0.1 mol H2,再次达到平衡时,HCOOH的物质的量增大
D.673 K下反应达到平衡时,CO2、HCOOH、CO的浓度之比为5∶57∶133
6.(2024北京西城二模,14)二氧化碳与氢气催化合成乙烯具有重要的意义。将CO2和H2按物质的量之比1∶3加入V L的密闭容器中,压强为0.1 MPa,反应达到平衡状态时,各组分的物质的量分数x随温度T的变化如下图所示。
已知:
H2(g)+O2(g) H2O(l) ΔH1=-285.8 kJ·mol-1
C2H4(g)+3O2(g) 2CO2(g)+2H2O(l)
ΔH2=-1 411 kJ·mol-1
H2O(g) H2O(l) ΔH3=-44 kJ·mol-1
下列说法不正确的是 ( )
A.CO2与H2合成C2H4的反应的热化学方程式:2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g) ΔH=-127.8 kJ·mol-1
B.图中b、d分别表示CO2、C2H4的变化曲线
C.570 K、0.2 MPa反应达到平衡状态时,M点显示的可能是C2H4的物质的量分数
D.CO2与H2合成C2H4反应的KE
方案1 反应1:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)
副反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41 kJ·mol-1
方案2 反应2:CO2(g)+2H2O(g) CH3OH(g)+O2(g)
上述两个反应的焓变和熵变如下表:
反应 ΔH/(kJ·mol-1) ΔS/(J·mol-1·K-1)
反应1 -49 -177
反应2 +676 -44
(1)上述两种方案中,工业上选择方案1,理由是 。
(2)已知几种共价键的键能数据如下:
共价键 CO H—H C—O C—H O—H
键能/(kJ·mol-1) E 436 358 413 467
利用表格数据和上述焓变估算E= kJ·mol-1。
(3)在恒容密闭容器中充入CO2和H2仅发生反应:
CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),CO2的平衡转化率与投料比、温度的关系如图所示。
①T1 T2(填“>”“<”或“=”)。a点时CH3OH的体积分数为 %(保留到小数点后1位)。
②a→c与横坐标轴平行,其原因是 。
(4)一定温度下,在密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2,只发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)。达到平衡时CO2、CH3OH的浓度与压强的关系如图所示。
①曲线Ⅱ代表 (填“CH3OH”或“CO2”)。
②M点CO2的平衡转化率为 %。
(5)一定温度下,在总压保持2.5a kPa下,向反应器中充入1 mol CO2和2.3 mol H2,发生方案1的两个反应,达到平衡时测得CO2的转化率为50%,CH3OH的选择性为80%[CH3OH的选择性=×100%]。该温度下,方案1中反应1的Kp= kPa-2(Kp为用分压替代浓度计算的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
题型2 分压平衡常数的计算
8.(2024福建福州二模,11,节选)工业上用H2还原WO3的总反应为3H2(g)+WO3(s) W(s)+3H2O(g) ΔH。实验测得在一定条件下,平衡时H2的体积分数随温度的变化曲线如图所示。
①该反应ΔH 0(填“>”或“<”)。
②由图可知,a点处v正 v逆(填“>”“<”或“=”)。
③900 ℃时该反应的压强平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
9.(2024四川绵阳三诊,28,节选)异丙醇(C3H8O)是重要的化工原料,丙烯直接水合法是工业制备异丙醇的常用方法,回答下列问题:
(1)丙烯直接水合法制异丙醇的反应可表示为C3H6(g)+H2O(g) C3H8O(g) ΔH=-52 kJ·mol-1
已知:2C3H6(g)+9O2(g) 6CO2(g)+6H2O(g) ΔH=-3 854 kJ·mol-1
1 mol C3H8O(g)完全燃烧生成CO2(g)和H2O(g)放出热量 kJ。
(2)以上制备异丙醇反应的起始物=3时,在不同条件下达到平衡,设体系中丙烯的转化率为α(C3H6),在t=130 ℃下的α(C3H6)~p、在p=8 MPa下的α(C3H6)~t如图1所示:
图1
图1中对应等温过程的曲线是 。A点的反应条件为 ,该点的分压平衡常数Kp= MPa-1。保持反应条件不变,下列可进一步提高C3H6平衡转化率的措施是 (填字母)。
a.增大C3H6(g)与H2O(g)的进料比
b.充入惰性气体Ar
c.及时分离产品C3H8O(g)
d.换用更高效的催化剂
(3)单程转化率反映了原料在第一次通过反应器时被转化的程度。将C3H6(g)和H2O(g)的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器,研究不同温度对C3H6单程转化率和C3H8O选择性的影响,结果如图2所示。由图2可知,190~220 ℃时C3H6单程转化率很低,可能的原因是 ,235 ℃以后,随温度升高C3H8O的选择性下降,可能的原因是 。
图2
10.(2024重庆联合诊断,17,节选)CO2与H2的反应过程涉及的主要反应如下:
①CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5 kJ·mol-1
②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
向2 L恒容密闭容器中通入2 mol CO2(g)和2.24 mol H2(g)发生上述反应①和②,起始总压强为21.2 MPa,实验测得CO2的平衡转化率和平衡时CH3OH的选择性(转化的CO2中生成CH3OH的百分比)随温度的变化情况如图所示,其中表示CH3OH选择性的曲线是 X (填“X”或“Y”),a、c两点中CH3OH的产率最高的是 点,240 ℃时反应①的压强平衡常数Kp= MPa-2,Y曲线如此变化的原因是 。
11.(2024吉林延边一模,18,节选)利用CO2催化加氢制二甲醚,可以实现CO2的再利用,涉及以下主要反应:
Ⅰ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH1
Ⅱ.2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH2
相关物质及能量变化的示意图如图1所示。
图1
回答下列问题:
恒压条件下,CO2、H2起始量相等时,CO2的平衡转化率和CH3OCH3的选择性随温度变化如图2所示。已知:CH3OCH3的选择性=×100%。
①300 ℃时,通入CO2、H2各2 mol,平衡时CH3OCH3的选择性、CO2的平衡转化率都为30%,平衡时生成CH3OCH3的物质的量为 mol,此温度下反应Ⅰ的平衡常数Kp= (保留2位有效数字。用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
②300~360 ℃区间,CO2平衡转化率随温度变化的曲线如图2所示,分析曲线变化的原因: 。
图2
12.(2024九省联考贵州卷,17,节选)苯乙烯是重要的有机化工原料,可用乙苯为原料制备苯乙烯。制备方法有直接脱氢法和氧化脱氢法。在298 K时反应的热化学方程式及其平衡常数如下:
(ⅰ)直接脱氢法:
C8H10(g) C8H8(g)+H2(g) ΔH1=+118.0 kJ·mol-1,=2.7×10-10 Pa
(ⅱ)氧化脱氢法:
C8H10(g)+O2(g) C8H8(g)+H2O(g) ΔH2=-123.8 kJ·mol-1,
回答下列问题:
(1)①反应H2(g)+O2(g) H2O(g)的ΔH3= kJ·mol-1,平衡常数 (用表示)。
②氧化脱氢的反应趋势远大于直接脱氢,其原因是 。
③提高氧化脱氢反应平衡转化率的措施有 、 。
(2)已知ΔG=ΔH-TΔS,忽略ΔH、ΔS随温度的变化。当ΔG<0时,反应能自发进行。在100 kPa下,直接脱氢反应的ΔG和随温度变化的理论计算结果如图所示。
①直接脱氢反应在常温下 (选填“能”或“不能”)自发。
②随温度的变化曲线为 (选填“a”或“b”),判断的理由是 。
③在某温度、100 kPa下,向密闭容器中通入1 mol气态乙苯发生直接脱氢反应,达到平衡时,混合气体中乙苯和氢气的分压相等,该反应的平衡常数= kPa(保留到小数点后一位;分压=总压×物质的量分数)。
13.(2024河南八市重点中学4月模拟,19)CO2作为未来的重要碳源,其选择性加氢合成甲醇一直是研究热点。已知:
反应Ⅰ:CH3OH(g) HCHO(g)+H2(g) ΔH1=+54.5 kJ·mol-1
反应Ⅱ:HCHO(g)+H2O(g) HCOOH(g)+H2(g)
ΔH2=+9.9 kJ·mol-1
反应Ⅲ:HCOOH(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3=-14.9 kJ·mol-1
反应Ⅳ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH4
回答下列问题:
(1)ΔH4= 。
(2)向恒温恒压密闭容器中充入1 mol CH3OH(g)和1 mol H2O(g)发生反应Ⅳ的逆反应[CH3OH(g)+H2O(g) CO2(g)+3H2(g)],反应达到平衡时,CH3OH(g)的转化率为50%,此时容器的容积为V L。保持温度、压强不变,欲将CH3OH(g)的平衡转化率提高到80%,需要向该密闭容器中充入 mol Ne(氖气)作为稀释气,再次达到平衡时容器的容积为 L(用V表示)。
(3)一定条件下,研究HCOOH水溶液在密封石英管中的分子反应:
Ⅰ.HCOOH CO+H2O(快)
Ⅱ.HCOOH CO2+H2(慢)
则反应Ⅰ的活化能 (填“大于”“小于”或“等于”)反应Ⅱ的活化能。
(4)以CO2、H2为原料发生反应Ⅳ和副反应Ⅴ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)。CO2的平衡转化率[α(CO2)]、CH3OH的选择性[X(CH3OH)]随温度、压强变化如图所示[X(CH3OH)=
×100%]。
①压强:pa pb(填“>”或“<”)。
②副反应Ⅴ的ΔH 0(填“>”或“<”)。
③400 ℃时,CH3OH的选择性几乎为零,主要发生副反应Ⅴ,原因是 。
④一定温度下,向2 L恒容密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2,只发生反应Ⅳ和副反应Ⅴ,反应达到平衡时,α(CO2)=30%,X(CH3OH)=80%,压强为p kPa。则该温度下副反应Ⅴ的平衡常数Kp= (用最简分式表示)。
14.(2024江西部分高中5月联考,18)异丁烯()是重要的化工生产原料,可由异丁烷()催化脱氢制备,反应如下:
主反应:(g) (g)+H2(g) ΔH1=+123.5 kJ·mol-1
副反应:(g) (g)+CH4(g) ΔH2
已知:一定温度下,由元素的最稳定的单质生成1 mol纯物质的热效应被称为该物质的摩尔生成焓。几种物质的摩尔生成焓如下表:
气态物质 C2H4 CH4
摩尔生成焓/(kJ·mol-1) -134.5 20.4 52.3 -74.8
请回答下列问题:
(1)ΔH2= kJ·mol-1。
(2)有利于提高异丁烷平衡转化率的条件是 (填标号)。
A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂
(3)其他条件相同,在恒压(p kPa)密闭容器中充入异丁烷和N2各1 mol(N2作惰性气体),经过相同时间测得相关数据如图1和图2所示。[产率=×100%。空速(GHSV)表示单位时间通过单位体积催化剂的气体量](不考虑温度对催化剂活性的影响,异丁烷分子在催化剂表面能较快吸附)
图1
图2
①图1中,在该时间段内,600 ℃时异丁烯产率为 。
②下列说法错误的是 (填标号)。
A.由图1可知,温度越高,异丁烷的转化率越大,丙烯的产率越小
B.混入N2的目的之一是减小异丁烷的吸附速率,同时带走催化剂局部多余的热量,从而抑制催化剂的积炭
C.图2中,空速增加,异丁烷转化率降低的原因可能是原料气在催化剂中停留时间过短
D.图2中,空速增加,异丁烯选择性升高的原因可能是原料气将产物迅速带走,抑制了副反应的发生
③图1中,随着温度升高,异丁烷转化率升高而异丁烯选择性下降的原因可能是 。
④温度为T ℃,反应t min后达到平衡,此时异丁烷的转化率为a,异丁烯的选择性为80%,0~t min内,H2的分压平均变化率为 kPa·min-1;该条件下,主反应的平衡常数Kp= kPa。
题型3 涉及反应速率常数的解题方法
15.(2024辽宁鞍山第二次质量监测,6)丙酮的溴代反应(CH3COCH3+Br2CH3COCH2Br+HBr)的速率方程为v=k·cm(CH3COCH3)·cn(Br2)·cp(HCl),其中k为速率常数,与温度有关;“m+n+p”为反应级数。某温度时,获得如下实验数据:
实验 序号 初始浓度c/(mol·L-1) 溴颜色消失 所需时间t/s
CH3COCH3 HCl Br2
① 0.80 0.20 0.001 0 200
② 1.60 0.20 0.001 0 100
③ 0.80 0.40 0.001 0 100
④ 0.80 0.20 0.002 0 400
分析实验数据所得出的结论错误的是 ( )
A.增大c(Br2),能延长溶液颜色消失的时间
B.实验②和③的平均反应速率相等
C.实验①在200 s内的平均速率v(CH3COCH3)=0.004 mol·L-1·s-1
D.反应级数为1
16.(2024河北石家庄一模,12)某密闭容器中含有X和Y,同时发生以下两个反应:①X+Y M+Q;②X+Y N+Q。反应①的正反应速率v1(正)=k1c(X)·c(Y),反应②的正反应速率v2(正)=k2c(X)·c(Y),其中k1、k2为速率常数。某温度下,体系中生成物浓度(c)随时间(t)变化的曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.10 s时,正反应速率v1(正)>v2(正)
B.0~6 s内,X的平均反应速率v(X)=0.5 mol·L-1·s-1
C.若升高温度,4 s时容器中c(N)∶c(M)的值减小
D.反应①的活化能大于反应②
17.(2024安徽黄山一模,14)室温下,某溶液初始时仅溶有A,同时发生两个反应:①A B+C;②A B+D,反应①的速率可表示为v1=k1c(A),反应②的速率可表示为v2=k2c(A)(k1、k2为速率常数)。图1为T2温度时,该体系中A、B、C、D的浓度随时间变化的曲线,图2为反应①和②的lnk~曲线。下列说法正确的是 ( )
图1 图2
A.L4表示D浓度随时间变化的曲线
B.t1=2 s时曲线L1表示的物质的反应速率为2 mol·L-1·s-1
C.T2温度时,反应①的活化能比反应②的活化能小
D.若图1的温度降低,t0时刻体系中值变大
18.(2024江西部分学校4月模拟,11)工业上常用羰基法提纯镍,其原理是Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g) ΔH,速率方程式为v净=v正-v逆=k正c4(CO)-k逆c[Ni(CO)4](k为速率常数)。在恒容密闭容器中充入足量的含难熔杂质的镍粉和4 mol CO发生上述反应,测得CO浓度与温度的关系如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.上述反应中,ΔH>0
B.净反应速率:b>c
C.a点正反应速率:T1=T2
D.T1温度下,2~6 min内用Ni(CO)4表示的平均反应速率为0.025 mol·L-1·min-1
19.(2024湖北部分校三模,19,节选)近两年来,碳中和连续成为两会期间最受关注的议题之一,CO2的回收和利用对于改善环境,实现绿色发展至关重要。
(1)CO2甲烷化反应最早由化学家PaulSabatier提出。已知:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1
反应Ⅱ:2CO(g)+2H2(g) CO2(g)+CH4(g) ΔH=-247.1 kJ·mol-1
①CO2的结构式为 。
②CO2甲烷化反应是 (填“吸热”或“放热”)反应。
③反应Ⅰ的v正=k正c(CO2)·c(H2),v逆=k逆c(H2O)·c(CO)(k正和k逆为速率常数,与温度、催化剂有关)。若平衡后升高温度,则 (填“增大”“不变”或“减小”)。
20.(2024福建福州三模,13)研究氮氧化物(NOx)的还原处理方法是环保领域的主要方向之一。回答下列问题:
Ⅰ.用H2还原NO的反应为2H2(g)+2NO(g) N2(g)+2H2O(g) ΔH<0。
(1)该反应的正反应速率方程可表示为v正=k·cm(NO)·cn(H2)。某温度下,测得正反应速率v正与c(NO)或c(H2)的变化关系如图1所示。
图1
则m= ;n= 。
(2)研究表明上述反应历程分两步基元反应:
ⅰ.2NO(g)+H2(g) N2(g)+H2O2(l)
ⅱ.H2O2(l)+H2(g) 2H2O(g)
根据(1)所给信息判断,H2还原NO总反应的速率由反应 ⅰ (填“ⅰ”或“ⅱ”)决定。
(3)将一定量的H2和NO置于以下条件下发生反应(起始容器的体积、温度、压强均相同),到达平衡时,H2的平衡转化率最大的是 。
a.恒温恒容 b.恒温恒压 c.恒容绝热
Ⅱ.脱除汽车尾气中NO和CO包括以下两个反应:
反应ⅰ.2NO+CO N2O+CO2;
反应ⅱ.N2O+CO N2+CO2;
反应过程中各物质相对能量如图2所示(TS表示过渡态):
图2
(4)CO和NO反应生成N2的热化学方程式为 。
题型4 多重平衡体系分析
21.(2024广东省一模,15)在一密闭容器中,物质M发生三个脱水的竞争反应:①M(g) N(g)+H2O(g) ΔH1,②M(g) E(g)+H2O(g) ΔH2,③M(g) F(g)+H2O(g) ΔH3,反应历程如图所示。相同条件下,下列说法正确的是 ( )
A.由图可知,物质M比物质N稳定
B.反应①比反应②和③更快达到化学平衡
C.E(g) 2F(g)+H2O(g)的反应热ΔH=2ΔH3-2ΔH2
D.平衡后压缩容器,物质E的物质的量不变
22.(2024北京海淀二模,14)向丙烷脱氢制丙烯的反应体系中加入CO2,可以提高丙烷的利用率。在相同温度下,分别将投料比相同的CO2—C3H8、N2—C3H8混合气体以相同流速持续通过同种催化剂表面,C3H8转化率和C3H6选择性随通入气体时间的变化如图所示。
已知:Ⅰ.反应① C3H8(g) C3H6(g)+H2(g) ΔH1=+124 kJ·mol-1
反应② H2(g)+CO2(g) H2O(g)+CO(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
Ⅱ.反应体系中存在C3H8的裂解和生成积炭等副反应。
Ⅲ.C3H6的选择性=×100%
下列说法正确的是 ( )
A.C3H8(g)+CO2(g) C3H6(g)+H2O(g)+CO(g) ΔH=+82.8 kJ·mol-1
B.30 min内,两体系中C3H6选择性相同,生成C3H6的速率也相同
C.ⅲ中的C3H8转化率高于ⅳ中的,是因为反应②使反应①的平衡正向移动
D.ⅲ、ⅳ对比,150 min后ⅳ中C3H8转化率为0,可能是因为积炭使催化剂失效
23.(2024河北唐山一模,17,节选)通过捕捉空气中的CO2和电解水产生的H2可以合成“零碳甲醇”,实现碳中和。回答下列问题:
(2)在2 L恒温恒容装有某催化剂的密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2,发生如下反应:
主反应①:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1<0
副反应②:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH2<0
副反应③:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH3>0
某温度下反应均达平衡后,测得CH3OH为1 mol,CH4为0.4 mol,CO为0.2 mol,则CH3OH的选择性为 (CH3OH的选择性=×100%)。反应②的平衡常数为 (只列出计算式)。
(3)若测得上述反应在不同温度下CO2的平衡转化率和CH3OH的选择性如下图所示:
通过图示分析,更适合生产甲醇的温度为 (填标号)。
A.400 ℃ B.600 ℃ C.800 ℃ D.1 000 ℃
高于800 ℃时,CO2转化率增大的主要原因是 。
24.(2024安徽安庆二模,17)以CO和CO2为原料合成有机物,是科学家研究的主要课题。回答下列问题:
(1)CO2与H2催化重整制备CH3OCH3的过程中存在以下反应:
Ⅰ.2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g);
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)。
相关物质能量变化的示意图如下所示。
①由已知信息可知2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH= kJ·mol-1。
②向密闭容器中以物质的量之比为1∶3充入CO2与H2,实验测得CO2的平衡转化率随温度和压强的变化关系如图所示。
由图可知,p1、p2、p3由大到小的顺序为 ,T2时主要发生反应 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”),平衡转化率随温度变化先降后升的原因是 。
(2)工业上常用合成气(主要成分为CO、H2)在一定条件下制备甲醇,涉及的反应如下:
反应1:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0
反应2:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH<0
反应3:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0
向容积为2 L的刚性密闭催化反应器中充入2 mol CO和4 mol H2发生上述反应,测得不同温度下,2 min内CO的转化率和CH3OH的选择性(CH3OH的选择性=×100%)如图所示。
①若反应过程中催化剂的活性几乎不受温度影响,则T1 K前CO转化率升高的原因是 。
②反应在T1 K下,2 min时达到平衡,此时体系压强为a kPa,c(CO2)=0.05 mol·L-1。用CO的分压变化表示的化学反应速率为 kPa·min-1,反应3的Kp= 。(Kp是指用平衡分压代替平衡浓度进行计算的平衡常数,如A的平衡分压=p总×A的物质的量分数,以上两空结果均保留3位小数)
综合拔高练
建议用时:40分钟
1.(2024北京朝阳二模,3)下列事实可以用平衡移动原理解释的是 ( )
A.合成氨工业中使用铁触媒,提高生产效率
B.铝片放入浓HNO3中,待不再变化后,加热产生红棕色气体
C.在钢铁表面镀上一层锌,钢铁不易被腐蚀
D.盐碱地(含较多的NaCl、Na2CO3)施加适量石膏(CaSO4·2H2O),土壤的碱性降低
2.(2024安徽合肥一模,9)合成氨原料气中的杂质CO需预先用吸收液处理,其反应原理为[Cu(NH3)2]+(aq)+CO(g)+NH3(g) [Cu(NH3)3CO]+(aq) ΔH<0,吸收液在一定条件下可再生。下列叙述正确的是 ( )
A.CO中σ键和π键个数之比为1∶1
B.上述反应在高温条件下可自发进行
C.增大压强,平衡正向移动,平衡常数增大
D.吸收液再生的适宜条件是高温和低压
3.(2024广东省二模,12)一定条件下,NH3在恒容密闭容器中发生分解反应:2NH3(g) N2(g)+3H2(g) ΔH>0。v(NH3)随时间的变化如图所示。已知t1时反应达到平衡,t2时改变某单一条件(浓度、温度或催化剂等)。下列说法不正确的是 ( )
A.由0到t1,H2的浓度不断增大 B.由t1到t2,2v正(H2)=3v逆(NH3)
C.t2时,可能向容器中通入了N2 D.平衡常数KⅠ可能小于KⅡ
4.(2024山东济宁二模,14,改编)一定条件下,与浓硫酸发生取代反应生成水和单萘磺酸,反应过程和有机物占比随时间变化如图所示:
下列说法正确的是 ( )
A.升高温度,反应Ⅰ的速率增大程度大于反应Ⅱ
B.产物Ⅰ的热稳定性比产物Ⅱ强
C.平衡常数的比值=6
D.加催化剂(只催化反应Ⅰ),极值点e可能变为b点
5.(2024河北石家庄三模,13)将1 mol CO2(g)和3 mol H2(g)充入2 L恒容密闭容器中发生反应:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1<0(慢反应)
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2>0(快反应)
测得相同时间内c(CO2)、v正(CO2)与温度的关系如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.200 ℃前,加入催化剂可使a线转化为b线
B.300 ℃时,M点对应的反应体系中,v正(CO2)>v逆(CO2)
C.400 ℃时,若5 min时达到平衡,则v(CO2)=0.04 mol·L-1·min-1
D.400 ℃后,温度对正反应速率的影响比浓度大
6.(2024河北保定二模,10)高纯度SnO2可用作玻璃擦光剂、搪瓷抛光剂、催化剂等。利用水解反应制备高纯度SnO2的原理为SnO2++(x+1)H2O SnO2·xH2O+2H+。某温度下,测得体系中c(SnO2+)、c(H+)(H2O电离产生的H+不考虑)与时间的关系如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.正反应速率:a>c
B.平衡后增大c(H+),平衡常数K减小
C.b点时水解反应已停止
D.c4=2(c1-c2)
7.(2024北京朝阳二模,14)甲烷还原二氧化碳是实现“双碳”目标的有效途径之一。常压、催化剂作用下,按照CO2和CH4的物质的量之比3∶1投料。有关反应如下:
Ⅰ:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ·mol-1
Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41 kJ·mol-1
某一时段内,CH4和CO2的转化率随温度变化如下图所示。
已知:CO2的转化效率=。
下列分析不正确的是 ( )
A.根据反应Ⅰ、Ⅱ,低压高温有利于提高CO2的平衡转化率
B.500 ℃时,CO2的转化效率为1.5
C.由400 ℃升高到600 ℃,含氢产物中水的占比增大
D.由700 ℃升高到1 000 ℃,CO2的转化效率逐渐增大
8.(2024湖南长沙一中适应性演练三,16)2023年10月神舟十七号顺利发射升空,标志着我国航天事业的飞速发展。
Ⅰ.火箭推进剂的研究是航天工业中的重要课题,常见推进剂的燃料包括肼(N2H4)、液氢等,具有不同的推进效能。回答下列问题:
(1)火箭推进剂可用N2H4作燃料,N2O4作氧化剂,反应的热化学方程式可表示为2N2H4(l)+N2O4(g) 3N2(g)+4H2O(g)
ΔH1,相关物质的摩尔生成焓ΔfHm如下表所示。
物质 N2O4(g) N2H4(l) H2O(g)
摩尔生成焓ΔfHm/(kJ·mol-1) +10.8 +165.8 -242.0
注:一定温度下,由最稳定单质生成1 mol纯物质的热效应称为该物质的摩尔生成焓,用ΔfHm表示。如N2H4(l)的摩尔生成焓:N2(g)+2H2(g) N2H4(l) ΔfHm=+165.8 kJ·mol-1。
①ΔH1= kJ·mol-1。
②结合化学反应原理,N2H4(l)作推进剂燃料可自发进行反应的原因为 。
(2)火箭推进器内氢气燃烧的简化反应历程如图甲所示,分析其反应机理:
甲
该历程分 步进行,其中氢气燃烧决速步对应的化学方程式为 。
Ⅱ.利用“一碳化学”技术可有效实现工业制氢,为推进剂提供了丰富的氢燃料,该工业制氢方法主要涉及以下两个反应:
a.CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ·mol-1
b.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41 kJ·mol-1
已知为反应的标准压强平衡常数,其表示方法为在浓度平衡常数表达式中,用各组分气体平衡时的相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以标准压力pθ。反应a、b的ln×103(T为温度)的变化如图乙所示。
乙 丙
(3)①能表示反应b的曲线为 ,反应a的标准压强平衡常数表达式 [p(X)表示气体X的分压,用含pθ、p(X)的式子表示]。
②维持在T1 K温度下,往恒容密闭容器中通入含有等量CH4、CO2、H2O的混合气体进行反应a、b,初始压强为120 kPa,达到平衡时体系压强为140 kPa。该温度下CH4的平衡转化率为 ,H2的平衡分压为 kPa。
(4)我国科学家提出了一种在500 ℃下电解甲烷制氢的方法,反应原理如图丙所示,请写出Ni电极上的电极反应式: 。
9.(2024重庆二模,17)丙烯是三大合成材料的基本原料之一。可以用丙烷直接脱氢、丙烷氧化脱氢和电解法制丙烯。已知下列反应的热化学方程式:
直接脱氢ⅰ:CH3CH2CH3(g) CH2CHCH3(g)+H2(g) ΔH1=+123.8 kJ·mol-1
氧化脱氢ⅱ:CH3CH2CH3(g)+O2(g) CH2CHCH3(g)+H2O(g) ΔH2
ⅲ:2H2(g)+O2(g) 2H2O(g) ΔH3=-483.6 kJ·mol-1
(1)ΔH2= kJ·mol-1。
(2)一定条件下,在装有锌基催化剂(ZnO)的恒压密闭容器中,发生直接脱氢反应,丙烯的平衡产率x与平衡常数Kp的关系可表示为x2=,式中p为系统总压。p分别为a MPa和b MPa时(a>b),丙烯的平衡产率与温度的关系如图1所示。
图1
①其中表示b MPa下的关系曲线是 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。T4 ℃时,Kp= MPa。
实验证明,系统总压不变,在丙烷中混入一些水蒸气,丙烷的平衡转化率增大,其原因是 。
③立方ZnO的晶胞如图2所示,则该晶体中O2-的配位数为 ;晶胞参数为c pm,O2-与Zn2+间的最小距离为 pm。
图2 图3
(3)以惰性材料作电极,电解法制取丙烯的原理如图3所示。
①X极为 极(填“阳”或“阴”)。
②若电解生成1 mol丙烯,理论上阳极区溶液减少的质量为 g。
10.(2024河南4月模拟,29)CO2催化氧化C2H6制取C2H4的新路径涉及以下反应:
反应Ⅰ:C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+H2O(g)+CO(g) ΔH1>0
反应Ⅱ:C2H6(g)+2CO2(g) 4CO(g)+3H2(g) ΔH2>0
回答下列问题:
(1)计算反应C2H6(g)+2CO(g)+3H2(g) 2C2H4(g)+2H2O(g)的ΔH3= (用含ΔH1和ΔH2的式子表示)。
(2)CO2和C2H6按物质的量之比为1∶1投料,在923 K和保持总压恒定的条件下发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,研究催化剂X和催化剂Y对“CO2氧化C2H6制C2H4”的影响,所得实验数据如下表:
催化剂 C2H6转化率/% CO2转化率/%
催化剂X 19.0 37.6
催化剂Y 18.0 21.0
结合上表数据分析,CO2催化氧化C2H6制备C2H4的最佳催化剂为 ,判断依据是 。
(3)若向绝热恒容容器中加入CO2(g)和C2H6(g),发生反应Ⅰ和反应Ⅱ。下列事实不能说明体系达到平衡状态的是 (填选项字母)。
A.v正(C2H4)=v逆(CO2)
B.反应体系的平衡常数不变
C.容器内气体的密度不变
D.容器内气体的平均相对分子质量不变
(4)一定条件下向容积为1.0 L的密闭容器中通入2 mol C2H6和3 mol CO2发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,C2H6的平衡转化率和平衡时C2H4的选择性随温度、压强的变化关系如图所示(已知: C2H4的选择性=×100%)。
①压强p1 p2(填“>”或“<”),理由是 。
②压强为p1、温度为T K时,反应达平衡时,混合气体中= 。
③M点时,反应Ⅰ的平衡常数为 mol/L(保留2位有效数字)。
专题九 化学反应速率与化学平衡
五年高考
考点1 化学反应速率
1.(2024江西,9,3分)温度T下,向1 L真空刚性容器中加入1 mol (CH3)2CHOH,反应达到平衡时,c(Y)=0.4 mol/L。下列说法正确的是 (A)
(CH3)2CHOH(g) (CH3)2CO(g)+H2(g)
X Y Z
A.再充入1 mol X和1 mol Y,此时v正
C.再充入1 mol N2,平衡向右移动
D.若温度升高,X的转化率增加,则上述反应ΔH<0
2.(2024黑、吉、辽,10,3分)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品,150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示,15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是 (A)
A.3 h时,反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数:①>②
C.0~3 h平均速率v(异山梨醇)=0.014 mol·kg-1·h-1
D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
3.(2024安徽,12,3分)室温下,为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素,测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如下图。
实验序号 水样体积/mL 纳米铁质量/mg 水样初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是 (C)
A.实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为2Fe+Se+8H+ 2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH越小,Se的去除效果越好
4.(2023河北,12,3分)在恒温恒容密闭容器中充入一定量W(g),发生如下反应:
反应②和③的速率方程分别为v2=k2c2(X)和v3=k3c(Z),其中k2、k3分别为反应②和③的速率常数,反应③的活化能大于反应②。测得W(g)的浓度随时间的变化如下表。
t/min 0 1 2 3 4 5
c(W)/(mol·L-1) 0.160 0.113 0.080 0.056 0.040 0.028
下列说法正确的是 (D)
A.0~2 min内,X的平均反应速率为0.080 mol·L-1 ·min-1
B.若增大容器容积,平衡时Y的产率增大
C.若k2=k3,平衡时c(Z)=c(X)
D.若升高温度,平衡时c(Z)减小
5.(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 (B)
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)
D.5 min时,X的物质的量为1.4 mol
6.(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 (D)
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
7.(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 (C)
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
8.(2021广东,14,4分)反应X 2Z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 (D)
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)
考点2 化学平衡 化学反应的方向
9.(2024浙江6月选考,11,3分)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(g) ΔH1>0
Ⅱ C2H6(g)+2CO2(g) 4CO(g)+3H2(g) ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据见下表,下列说法不正确的是 (D)
温度(℃) 400 500 600
乙烷转化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能:Ⅰ<Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
10.(双选)(2024山东,15,4分)逆水气变换反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH>0。一定压力下,按CO2、H2物质的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1投料,T1,T2温度时反应物摩尔分数随时间变化关系如图所示。已知该反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2温度时反应速率常数k分别为k1、k2。下列说法错误的是 (CD)
A.k1>k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:
C.温度不变,仅改变体系初始压力,反应物摩尔分数随时间的变化曲线不变
D.T2温度下,改变初始投料比例,可使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同
11.(双选)(2023海南,13,4分)工业上苯乙烯的生产主要采用乙苯脱氢工艺:C6H5CH2CH3(g) C6H5CHCH2(g)+H2(g)。某条件下无催化剂存在时,该反应的正、逆反应速率v随时间t的变化关系如图所示。下列说法正确的是 (BD)
A.曲线①表示的是逆反应的v-t关系
B.t2时刻体系处于平衡状态
C.反应进行到t1时,Q>K(Q为浓度商)
D.催化剂存在时,v1、v2都增大
12.(2023重庆,14,3分)逆水煤气变换体系中存在以下两个反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)
在恒容条件下,按V(CO2)∶V(H2)=1∶1投料比进行反应,平衡时含碳物质体积分数随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 (C)
A.反应Ⅰ的ΔH<0,反应Ⅱ的ΔH>0
B.M点反应Ⅰ的平衡常数K<1
C.N点H2O的压强是CH4的3倍
D.若按V(CO2)∶V(H2)=1∶2投料,则曲线之间交点位置不变
13.(2022海南,8,2分)某温度下,反应CH2CH2(g)+H2O(g) CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡。下列说法正确的是 (C)
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
14.(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 (C)
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
15.(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 (D)
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
16.(2024江西,16,14分)目前开采的天然气含有H2S,综合利用天然气制氢是实现“碳中和”的重要途径。CH4和H2S重整制氢的主要反应如下:
反应Ⅰ:CH4(g)+2H2S(g) CS2(g)+4H2(g) ΔH1=+260 kJ/mol
反应Ⅱ:CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH2=+90 kJ/mol
反应Ⅲ:2H2S(g) S2(g)+2H2(g) ΔH3=+181 kJ/mol
回答下列问题:
(1)H2S分子的电子式为 H····H 。
(2)反应Ⅳ:CS2(g) S2(g)+C(s) ΔH4= +11 kJ/mol。
(3)保持反应器进料口总压为100 kPa。分别以8 kPa CH4、24 kPa H2S(He作辅气)与25 kPa CH4、75 kPa H2S进料,CH4平衡转化率与温度的关系如图1,含有He的曲线为 M ,理由是 反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为气体分子数增大的反应,反应物分压越小,平衡正向移动程度越大,CH4平衡转化率越高 。
(4)假设在10 L的恒温刚性容器中,通入0.3 mol CH4和0.15 mol H2S发生反应Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,起始总压为p0,CH4和H2S的转化率与时间的关系如图2,0~5 min内H2的化学反应速率为 1.2×10-3 mol/(L·min);5 min时,容器内总压为 p0 。
(5)假设H2S和CH4的混合气体在某固体催化剂上的吸附服从Langmuir等温吸附(吸附分子彼此不发生相互作用,且气体分子为单分子层吸附)。
吸附等温式为,
其中a是气体的吸附系数,Vm是气体在固体表面的饱和吸附量(标态),p是气体的分压,V是气体分压为p时的平衡吸附量(标态)。
在一定温度下,H2S的吸附系数是CH4的4倍,当H2S的分压为2 MPa及4 MPa,CH4和H2S的分压相同时,H2S平衡吸附量分别为0.6 m3/kg和0.8 m3/kg(已换算成标态),则H2S的吸附系数为 0.4 MPa-1。
(6)与传统天然气制氢中需要脱硫将H2S转化为硫黄和水相比,上述方法优点是 重整制氢,H原子全部转化为H2,原子利用率高 。
17.(2024黑、吉、辽,18,13分)为实现氯资源循环利用,工业上采用RuO2催化氧化法处理HCl废气:
2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g) ΔH1=-57.2 kJ·mol-1 ΔS K
将HCl和O2分别以不同起始流速通入反应器中,在360 ℃、400 ℃和440 ℃下反应,通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线,如下图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。
图1 图2
回答下列问题:
(1)ΔS < 0(填“>”或“<”);T3= 360 ℃。
(2)结合以下信息,可知H2的燃烧热ΔH= -285.8 kJ·mol-1。
H2O(l) H2O(g) ΔH2=+44.0 kJ·mol-1
H2(g)+Cl2(g) 2HCl(g) ΔH3=-184.6 kJ·mol-1
(3)下列措施可提高M点HCl转化率的是 BD (填标号)。
A.增大HCl的流速
B.将温度升高40 ℃
C.增大n(HCl)∶n(O2)
D.使用更高效的催化剂
(4)图中较高流速时,α(T3)小于α(T2)和α(T1),原因是 温度低,反应速率慢,HCl的转化率低 。
(5)设N点的转化率为平衡转化率,则该温度下反应的平衡常数K= 6 (用平衡物质的量分数代替平衡浓度计算)。
(6)负载在TiO2上的RuO2催化活性高,稳定性强。TiO2和RuO2的晶体结构均可用下图表示,二者晶胞体积近似相等,RuO2与TiO2的密度比为1.66,则Ru的相对原子质量为 101 (精确至1)。
18.(2024山东,20,12分)水煤气是H2的主要来源,研究CaO对C-H2O体系制H2的影响,涉及主要反应如下:
C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) (Ⅰ) ΔH1>0
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) (Ⅱ) ΔH2<0
CaO(s)+CO2(g) CaCO3(s) (Ⅲ) ΔH3<0
回答下列问题:
(1)C(s)+CaO(s)+2H2O(g) CaCO3(s)+2H2(g)的焓变ΔH= ΔH1+ΔH2+ΔH3 (用代数式表示)。
(2)压力p下、C-H2O-CaO体系达平衡后,图示温度范围内C(s)已完全反应,CaCO3(s)在T1温度时完全分解。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示,则a线对应物种为 H2 (填化学式)。当温度高于T1时,随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是 随温度升高,反应(Ⅱ)平衡逆向移动,故CO2摩尔分数逐渐降低 。
(3)压力p下、温度为T0时,图示三种气体的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05,则反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)的平衡常数Kp= ;此时气体总物质的量为4.0 mol,则CaCO3(s)的物质的量为 0.5 mol;若向平衡体系中通入少量CO2(g),重新达平衡后,分压p(CO2)将 不变 (填“增大”“减小”或“不变”),p(CO)将 不变 (填“增大”“减小”或“不变”)。
19.(2023广东,19,14分)配合物广泛存在于自然界,且在生产和生活中都发挥着重要作用。
(1)某有机物R能与Fe2+形成橙红色的配离子[FeR3]2+,该配离子可被HNO3氧化成淡蓝色的配离子[FeR3]3+。
①基态Fe2+的3d电子轨道表示式为
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
。
②完成反应的离子方程式:N+2[FeR3]2++3H+ HNO2 +2[FeR3]3++H2O。
(2)某研究小组对(1)中②的反应进行了研究。用浓度分别为2.0、2.5、3.0 mol·L-1的HNO3溶液进行了三组实验,得到c([FeR3]2+)随时间t的变化曲线如图。
①c(HNO3)=3.0 mol·L-1时,在0~1 min内,[FeR3]2+的平均消耗速率= 5×10-5 mol·L-1·min-1 。
②下列有关说法中,正确的有 AB 。
A.平衡后加水稀释,增大
B.[FeR3]2+平衡转化率:αⅢ>αⅡ>αⅠ
C.三组实验中,反应速率都随反应进程一直减小
D.体系由橙红色转变为淡蓝色所需时间:tⅢ>tⅡ>tⅠ
(3)R的衍生物L可用于分离稀土
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