第2章 化学反应的方向、限度与速率复习提升

本章复习提升
易混易错练
易错点1　混淆外界因素对化学反应速率和化学平衡的影响
1.关于一定条件下的化学平衡H2(g)+I2(g) 2HI(g)　ΔH<0,下列说法正确的是 (　　)
A.恒温恒容,充入H2,v(正)增大,平衡右移
B.恒温恒容,充入He,v(正)增大,平衡右移
C.加压(缩小容器容积),v(正)、v(逆)不变,平衡不移动
D.升温,v(正)减小,v(逆)增大,平衡左移
2.恒压条件下,密闭容器中将CO2、H2按照体积比为1∶3合成CH3OH,其中涉及的主要反应为
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49 kJ·mol-1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41 kJ·mol-1
在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如图所示:
已知:CH3OH的选择性=×100%
下列说法正确的是 (　　)
A.保持恒温恒压下充入氮气,不影响CO的产率
B.合成甲醇的适宜工业条件是约230 ℃,催化剂选择CZT
C.使用CZ(Zr-1)T、230 ℃以上,升高温度甲醇的产率降低,原因可能是催化剂的活性降低
D.使用CZT、230 ℃以上,升高温度甲醇的产率降低,可能是因为反应Ⅱ平衡正向移动
易错点2　错误理解化学平衡移动方向与转化率的关系
3.在一定条件下,取一定量的A和B在恒容密闭容器中发生反应:aA(g)+bB(s) mM(g)+nN(g)　ΔH=Q kJ· mol-1,达到平衡状态时,M的浓度与温度和容器容积的关系如图所示。下列有关判断一定正确的是 (　　)
A.a>m+n
B.达到平衡状态后,增大B的量将会提高A的转化率
C.E点的平衡常数小于F点的平衡常数
D.Q<0
4.一定温度下,向三个容积不等的恒容密闭容器(aA.A点延长反应时间,SO3的转化率不会改变
B.容积为c L的容器中 SO3的平衡转化率大于 80%
C.容积为a L的容器达到平衡后再投入1 mol SO3和1 mol SO2,平衡不移动
D.A、C两点的压强之比为1∶1
思想方法练
用数形结合的思想分析化学平衡图像问题
方法概述
化学平衡图像类试题的特点是把所要考查的化学知识与图像结合,具有简明、直观、形象等特点。此类试题一般的解题思路是确定横、纵坐标表示的量的意义,分析曲线的走向和变化趋势,找准特殊点,根据理论知识,结合图像解答问题。
1.向10 L恒容密闭容器中充入1 mol S2Cl2和1 mol Cl2,发生反应S2Cl2(g)+Cl2(g) 2SCl2(g)。Cl2的消耗速率及SCl2的消耗速率与温度(T)的关系如图所示。
下列说法错误的是 (　　)
A.正反应的活化能小于逆反应的活化能
B.S2Cl2与Cl2的转化率始终相等
C.a、b、c、d四点对应状态下,只有a点达到平衡状态
D.一定温度下,向平衡体系中再充入一定量的SCl2(g),达到平衡后,Cl2的物质的量分数不变
2.在1 L密闭容器中充入0.2 mol Cl2和0.3 mol NO,不同温度下发生反应Cl2(g)+2NO(g) 2ClNO(g)　ΔH<0,ClNO的体积分数[φ(ClNO)]随时间的变化如图所示。下列说法不正确的是 (　　)
A.实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ反应温度大小关系:T1>T2>T3
B.实验Ⅱ与实验Ⅰ、Ⅲ相比,除温度不同外还可能使用了催化剂
C.NO和Cl2的物质的量之比保持不变时,反应达到平衡状态
D.实验Ⅲ在0~25 min内用NO表示的反应速率为0.004 mol/(L·min)
3.CH4-CO2催化重整的反应为①CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)　ΔH1
其中,积碳是导致催化剂失活的主要原因。产生积碳的反应有:
②CH4(g) C(s)+2H2(g)　ΔH2=+74.6 kJ·mol-1
③2CO(g) C(s)+CO2(g)　ΔH3=-172.5 kJ·mol-1
科研人员研究压强对催化剂活性的影响:在1 073 K时,将恒定组成的CO2、CH4混合气体,以恒定流速通过反应器,测得数据如下。
下列分析不正确的是 (　　)
A.ΔH1=+247.1 kJ·mol-1
B.压强越大,Ra降低越快,其主要原因是反应①平衡逆向移动
C.保持其他条件不变,适当增大投料时,可减缓Ra的衰减
D.研究表明“通入适量O2有利于重整反应”,因为O2能与C反应并放出热量
4.NOx的排放主要来自汽车尾气。NO可利用活性炭进行吸附。反应原理为C(s)+2NO(g) N2(g)+CO2(g)　ΔH=-34.0 kJ·mol-1。在恒压密闭容器中加入足量的C和一定量的NO气体,测得NO的转化率随温度的变化如图所示。回答下列问题:
(1)由图可知,反应温度在1 050 K之前,NO的转化率随温度升高而增大,其原因可能是　　　　　　　　　　　　;在1 100 K时,CO2的体积分数为　　　　。
(2)用物质的平衡分压代替其物质的量浓度也可以表示化学平衡常数(记作Kp)。在1 050 K、1.1×106 Pa时,该反应的化学平衡常数Kp=　　　　。
5.一碘甲烷(CH3I)热裂解时主要发生如下反应:
反应Ⅰ:2CH3I(g) C2H4(g)+2HI(g)　ΔH1=+80.2 kJ·mol-1
反应Ⅱ:2C2H4(g) C4H8(丁烯,g)　ΔH2=-84 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2HI(g) H2(g)+I2(g)　ΔH3>0
回答下列问题:
(1)若反应Ⅰ正反应活化能E正为a kJ·mol-1,则逆反应活化能E逆为
　　　　kJ·mol-1(用含a的代数式表示)。
(2)在恒容密闭容器中投入1 mol CH3I(g),实验测得平衡体系中乙烯、碘化氢和丁烯的物质的量分数与反应温度的关系如图所示:
①随着体系温度升高,HI的物质的量分数先增大后减小的原因可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②715 K时,CH3I(g)的平衡转化率为　　　　　　　　　　　　;
若起始压强为200 kPa,则反应Ⅱ的标准平衡常数K =　　　　。[已知:分压=总压×该组分的物质的量分数,对于反应dD(g)+eE(g) gG(g)+hH(g),K =,其中p =100 kPa,pD、pE、pG、pH为各组分的平衡分压]
(3)研究反应Ⅱ对提高反应Ⅰ中CH3I(g)的平衡转化率有重要意义。T ℃时,反应Ⅱ的正、逆反应速率与浓度的关系分别为v正=k正c2(C2H4),v逆=k逆c(C4H8)(k正、k逆是速率常数),正、逆反应速率方程分别对应图中m线、n线。
①T ℃时,向2 L的密闭容器中充入1 mol C2H4(g)和5 mol C4H8(g),此时v正　　　　v逆(填“>”“<”或“=”)。
②由m线变为p线,改变的条件可能是　　　　　　　。
答案与分层梯度式解析
易混易错练
1.A 2.D 3.C 4.D
1.A　恒温恒容,充入H2,H2浓度增大,v(正)增大,平衡右移,A正确;恒温恒容,充入He,反应体系中各组分浓度都不变,v(正)、v(逆)不变,平衡不移动,B错误;缩小容器容积,反应体系中各组分浓度均增大,v(正)、v(逆)都增大且增大程度相等,平衡不移动,C错误;升温,v(正)、v(逆)均增大,正反应放热,所以平衡左移,D错误。
易错分析
本题考查影响反应速率和化学平衡的因素;注意向恒容容器通入惰性气体,由于反应体系中各组分浓度不变,反应速率不变、平衡不移动;恒压条件下通入惰性气体,容器容积变大,反应体系中各气体浓度减小,相当于减压。
2.D　对于反应Ⅱ的平衡常数K=,保持恒温、恒压下充入氮气,相当于减压,反应Ⅰ的平衡逆向移动,n(CO2)和n(H2)均增大,对于反应Ⅱ相当于增大反应物的量,反应正向进行,CO的产率增大,A错误;分析题图可知合成甲醇的最适宜工业条件是约230 ℃、催化剂选择CZ(Zr-1)T,B错误;反应Ⅰ为放热反应,升温平衡逆向移动,反应Ⅱ为吸热反应,升温平衡正向移动,导致甲醇的产率降低,C错误; 使用CZT、230 ℃以上,升高温度甲醇的产率降低可能是因为反应Ⅱ平衡正向移动,D正确。
3.C　达到平衡时,在同一温度下2 L容器中M的浓度小于6 L容器中M浓度的3倍,说明增大压强,平衡逆向移动,所以a0,F点所处温度高于E点,所以E点的平衡常数小于F点的平衡常数,C正确、D错误。
4.D　因为a思想方法练
1.C 2.D 3.B
1.C　根据反应S2Cl2(g)+Cl2(g) 2SCl2(g)可知,Cl2的消耗速率表示正反应速率,SCl2的消耗速率表示逆反应速率,二者消耗速率之比为1∶2时,反应达到平衡状态。由题图可知,b、d点Cl2的消耗速率与SCl2的消耗速率之比为1∶2,b、d点为平衡点,对应温度为250 ℃,在300 ℃时,SCl2的消耗速率大于Cl2的消耗速率的2倍,说明平衡逆向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0,即正反应的活化能小于逆反应的活化能,A正确、C错误;S2Cl2与Cl2的起始量均为1 mol,根据反应方程式知S2Cl2与Cl2的消耗量始终相等,故S2Cl2与Cl2的转化率始终相等,B正确;该反应反应前后气体分子数不变,一定温度下,向平衡体系中再充入一定量的SCl2(g),达新平衡后Cl2的物质的量分数不变,D正确。
方法点津
本题可利用数形结合的思想分析,先根据图像中的特殊点(a、b、c、d点)分析出平衡点,然后根据特殊点(300 ℃时的正、逆反应速率)确定平衡移动的方向,从而确定反应是吸热反应还是放热反应。
2.D　正反应为放热反应,温度升高平衡逆向移动,ClNO的体积分数将减小,结合图像可知T1>T2>T3,A正确;T1>T2,但T2对应的反应速率比T1大,可知除温度不同外实验Ⅱ还可能使用了催化剂,B正确;NO和Cl2的起始物质的量之比为3∶2,反应过程中NO与Cl2的物质的量变化量之比为2∶1,则反应过程中NO和Cl2的物质的量之比是个变量,当NO和Cl2的物质的量之比保持不变时,反应达到平衡状态,C正确;设0~25 min内Cl2转化了x mol,根据已知条件列三段式:
　　　　　Cl2(g)+2NO(g) 2ClNO(g)
起始/mol　　0.2　　0.3　　　
转化/mol　　x　　2x　　2x
平衡/mol　　0.2-x　　0.3-2x　　2x
φ(ClNO)==50%,解得x=0.1,用NO表示的反应速率为=0.008 mol/(L·min),D错误。
方法点津
解答该题,要先看题图中横、纵坐标的意义,然后看线的走向和变化趋势:由升高温度对平衡移动的影响(对ClNO体积分数的影响)可确定温度高低;再根据特殊点列三段式,进行计算。
3.B　根据盖斯定律,反应①=反应②-反应③,则ΔH1=ΔH2-ΔH3=[+74.6-(-172.5)] kJ·mol-1=+247.1 kJ·mol-1,A正确;压强越大,Ra降低越快,说明催化剂活性降低越快,积碳越多,其主要原因是反应③为气体体积减小的反应,加压反应③平衡正向移动,B错误;保持其他条件不变,适当增大投料时,有利于反应③向逆反应方向进行,减少积碳,减缓Ra的衰减,C正确;通入适量O2,O2能与C反应并放出大量的热,可减少积碳从而减缓Ra的衰减,同时反应放出的热使体系温度升高,反应①正向移动,有利于重整反应,D正确。
4.答案　(1)1 050 K前反应未达到平衡状态,随着温度升高,反应速率加快,NO转化率增大　20%　(2)4
解析　(1)该反应为放热反应,温度升高,NO的平衡转化率减小,1 050 K之前,NO的转化率随温度升高而增大,说明1 050 K前反应未达平衡状态,随着温度升高,反应速率加快,NO转化率增大;在1 100 K时,NO的转化率为40%,该反应反应前后气体的分子数相等,所以平衡时NO的体积分数为60%,CO2的体积分数为20%。(2)对于反应C(s)+2NO(g) N2(g)+CO2(g),1 050 K、1.1×106 Pa时,NO的平衡转化率为80%,则平衡时NO的体积分数为20%,N2、CO2的体积分数都为40%,所以该反应的化学平衡常数Kp==4。
5.答案　(1)a-80.2
(2)①800 K前,升高温度,反应Ⅰ正向进行的程度大于反应Ⅲ正向进行的程度,HI的物质的量分数逐渐增大;800 K后,升高温度,反应Ⅲ正向进行的程度大于反应Ⅰ正向进行的程度,HI的物质的量分数逐渐减小　②58.8%　17
(3)①=　②使用更高效的催化剂或升高温度等
解析　(1)ΔH=正反应的活化能-逆反应的活化能,反应Ⅰ的焓变为+80.2 kJ·mol-1,正反应的活化能E正为a kJ·mol-1,则逆反应的活化能E逆为(a-80.2) kJ·mol-1。
(2)②由题图可知,715 K时,乙烯的物质的量分数为5%,碘化氢和丁烯的物质的量分数均为10%,设平衡时乙烯的物质的量为x mol,则平衡时丁烯的物质的量为2x mol,对反应Ⅱ列三段式:
　　　　　2C2H4(g) C4H8(丁烯,g)
起始/mol　　5x　　0
转化/mol　　4x　　2x
平衡/mol　　x　　2x
生成5x mol乙烯时,对反应Ⅰ列三段式:
2CH3I(g) C2H4(g)+2HI(g)
起始/mol　　1　　0　　0
变化/mol　　10x　　5x　　10x
　　1-10x　　5x　　10x
反应Ⅲ反应前后气体物质的量不变,故最终平衡时气体的总物质的量为(1-10x+x+2x+10x)mol=(1+3x)mol,根据×100%=5%,解得x=,所以平衡时乙烯的物质的量为mol,丁烯为mol,CH3I(g)反应了mol,CH3I(g)转化率为×100%≈58.8%。平衡时,气体的总物质的量为mol,则此时容器内的总压强为200× kPa,乙烯的分压为5%×200× kPa,丁烯的分压为10%×200× kPa,代入标准平衡常数表达式计算可得K ==17。
(3)①由题干可知,正、逆反应速率方程分别对应图中m线、n线,根据图像分析,lgc(C2H4)=0时,lgv正=x+1,根据v正=k正c2(C2H4)得k正的值为10x+1,同理得k逆的值为10x,则此时反应Ⅱ的平衡常数K==10 L·mol-1,Q==10 L·mol-1=K,说明该反应处于平衡状态,v正=v逆。
②由m线变为p线,即增大k正,可以使用更高效的催化剂或升高温度等。
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