2020届二轮复习专题六 化学反应速率和化学平衡作业
专题六 化学反应速率和化学平衡
一、选择题
1.向恒温真空密闭容器中投入足量的FeC2O4(s),发生的反应为FeC2O4(s)FeO(s)+CO(g)+
CO2(g) ΔH(制备FeO的原理),达到平衡时测得c(CO2)=c1 mol·L-1。温度不变,压缩容器体积至原来的一半,达到新平衡时测得c(CO2)=c2 mol·L-1。下列有关说法正确的是( )
A.当混合气体中CO的体积分数保持不变时达到平衡状态
B.缩小容器体积,FeC2O4(s)、FeO(s)的物质的量保持不变
C.两次平衡体系中c1=c2
D.若温度不变,增大容器体积达到新平衡时,平衡常数减小
答案 C 观察反应可知,CO、CO2是气体产物,其他物质都呈固态,即反应开始后,CO的体积分数为50%且始终不变,另外,混合气体的平均摩尔质量也一直不变,A项错误;缩小容器体积相当于加压,平衡逆向移动,FeC2O4的物质的量增大,FeO的物质的量减小,B项错误;平衡常数表达式K=c(CO)·c(CO2),温度不变,平衡常数不变,故达到新平衡时CO2的浓度不变,c1=c2,
C项正确,D项错误。
2.已知反应A(g)+3B(g) 2C(g) ΔH<0。为探究外界条件对该反应的影响,以一定量的A和c0 mol·L-1的B参加该反应,在a、b、c三种条件下分别达到平衡,测得B的浓度与反应时间的关系如图所示。下列叙述正确的是( )
A.a条件下,0~t0 min内的平均反应速率v(A)=c0-c13t0 mol·L-1·min-1
B.相对于a,b可能改变的条件是加压,c可能改变的条件是升温
C.M点的逆反应速率大于N点的正反应速率
D.该反应进行到M点放出的热量小于进行到N点放出的热量
答案 D a条件下,0~t0 min内的平均反应速率v(A)=c0-c1300t0 mol·L-1·min-1,故A错误。相对于a,b可能改变的条件是充入A气体,增大c(A),不可能是加压,因为缩容加压,B的起始浓度不可能仍为c0 mol·L-1;c可能改变的条件是升高温度,此时a、c条件下反应物起始浓度相同,符合图像,故B错误。N点处于平衡状态,v正(N)=v逆(N);相对于N点,M点温度可能低于N点,c(C)小,v逆(M)
pB
D.当容器内混合气体密度不变时,反应处于平衡状态
答案 D 在T2时,若反应体系处于状态D,此时NO浓度大于其平衡浓度,反应正向进行,v正>
v逆,故A错误;增大NO的物质的量,相当于加压,平衡不移动,不会改变NO的平衡转化率,故B错误;题给反应为反应前后气体体积不变的反应,气体的总物质的量相等,B、C点温度不同,根据pV=nRT可得pC>pB,同理可得pB=pD,故pC>pB=pD,故C错误;容积一定的密闭容器,当容器内混合气体密度不变时,气体质量不变,固体碳质量不变,反应处于平衡状态,故D正确。
5.(2019江西红色七校第一次联考)一定条件下,CH4与H2O(g)发生反应:CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)。设起始n(H2O)n(CH4)=Z,在恒压下,平衡时CH4的体积分数φ(CH4)与Z和T(温度)的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.该反应的焓变ΔH>0
B.图中Z的大小为a>3>b
C.图中X点对应的平衡混合物中n(H2O)n(CH4)=3
D.温度不变时,图中X点对应的平衡在加压后φ(CH4)减小
答案 A A项,根据图像可知,Z相同时,温度升高,φ(CH4)减小,说明平衡右移,则正反应是吸热反应,该反应的焓变ΔH>0,故正确;B项,温度一定时,Z增大,平衡右移,φ(CH4)减小,则a<33,故错误;D项,加压后X点对应的平衡左移,φ(CH4)增大,故错误。
6.(2019河北邢台高三期末)有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个体积均为0.5 L的恒容密闭容器,在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中按不同投料比(Z)充入HCl和O2(如下表),加入催化剂发生反应:4HCl(g)+O2 (g) 2Cl2 (g)+2H2O(g) ΔH。HCl的平衡转化率与Z和T的关系如图所示。下列说法不正确的是( )
容器
起始时
T/℃
n(HCl)/mol
Z
Ⅰ
300
0.25
a
Ⅱ
300
0.25
b
Ⅲ
300
0.25
4
A.ΔH<0
B.a<4v逆
D.300 ℃时,该反应平衡常数的值为320
答案 D 由题图可知,HCl平衡转化率随温度升高而减小,说明升温平衡逆向移动,正反应为放热反应,则ΔH<0,故A正确;增大氧气的物质的量,可促进HCl的转化,即投料比越小,HCl的平衡转化率越大,即a<4v逆,故C正确;300 ℃时,Z=4,n(HCl)=
0.25 mol,n(O2)=0.062 5 mol,即c(HCl)=0.5 mol/L,c(O2)=0.125 mol/L,HCl的平衡转化率为80%,则
4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)
起始(mol/L) 0.5 0.125 0 0
转化(mol/L) 0.4 0.1 0.2 0.2
平衡(mol/L) 0.1 0.025 0.2 0.2
K=(0.2)2×(0.2)2(0.1)4×0.025=640,故D错误。
7.(2019河北唐山第一中学下学期冲刺)恒容条件下,1 mol SiHCl3发生如下反应:2SiHCl3(g)
SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)。已知:v正=v消耗(SiHCl3)=k正x2(SiHCl3),v逆=2v消耗(SiH2Cl2)=k逆•
x(SiH2Cl2)·x(SiCl4),k正、k逆分别为正、逆反应速率常数(仅与温度有关),x为物质的量分数。如图是不同温度下x(SiHCl3)随时间的变化曲线。下列说法正确的是( )
A.该反应为放热反应,v正,a< v逆,b
B.反应达平衡状态时,2v消耗(SiHCl3)=v消耗(SiCl4)
C.当反应进行到a处时,v正/v逆=16/9
D.T2时平衡体系中再充入1 mol SiHCl3,平衡正向移动,x(SiH2Cl2)增大
答案 C 两曲线对应的状态只是温度不同,由图像知T2时反应达到平衡所需时间小于T1,温度越高反应速率越快,所以温度:T2>T1。T2温度下反应达到平衡时SiHCl3的物质的量分数比T1时小,说明升温平衡向正反应方向移动,由此推知该反应为吸热反应,选项A错误;反应达平衡状态时,v消耗(SiHCl3)=2v消耗(SiCl4),选项B错误;2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4
(g)反应前后分子数不变,即反应开始至达平衡的过程中混合气体总物质的量始终为1 mol,由图像知T2温度下达到平衡时SiHCl3的物质的量分数为0.75,则此时SiH2Cl2和SiCl4的物质的量分数均为0.125,因为平衡时v正=v逆,v正=k正x2(SiHCl3)=0.752k正,v逆=k逆x(SiH2Cl2)·
x(SiCl4)=0.1252k逆,则0.752k正=0.1252k逆,k正k逆=0.12520.752=136,因k正和k逆只与温度有关,反应进行到a点处时v正=k正x2(SiHCl3)=0.82k正,v逆=k逆x(SiH2Cl2)·x(SiCl4)=0.12k逆,v正v逆=k正k逆×0.820.12=
136×0.820.12=169,选项C正确;恒容条件下再充入1 mol SiHCl3,相当于增大压强,而2SiHCl3(g)
SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)反应前后气体分子数不变,所以平衡不移动,x(SiH2Cl2)不变,选项D错误。
二、非选择题
8.(2019江西南昌一模)乙酸制氢具有重要意义:
热裂解反应:CH3COOH(g) 2CO(g)+2H2(g)
ΔH = +213.7 kJ·mol-1
脱羧基反应:CH3COOH(g) CH4(g)+CO2(g)
ΔH = -33.5 kJ·mol-1
(1)请写出CO与H2甲烷化的热化学方程式: 。
(2)在密闭容器中,利用乙酸制氢,选择的压强为 (填“较大”或“常压”)。其中温度与气体产率的关系如图:
①约650 ℃之前,脱羧基反应活化能低,速率快,故氢气产率低于甲烷;650 ℃之后氢气产率高于甲烷,理由是随着温度升高,热裂解反应速率加快,同时
。
②保持其他条件不变,在乙酸气中掺杂一定量水,氢气产率显著提高而CO的产率下降,请用化学方程式表示: 。
(3)若利用合适的催化剂控制其他副反应,温度为T K时达到平衡,总压强为p kPa,热裂解反应消耗乙酸20%,脱羧基反应消耗乙酸60%,乙酸的体积分数为 (计算结果保留1位小数);脱羧基反应的平衡常数Kp为 kPa(Kp为以分压表示的平衡常数,计算结果保留1位小数)。
答案 (1)2CO(g)+2H2(g) CH4(g)+CO2(g) ΔH=-247.2 kJ·mol-1
(2)常压 ①热裂解反应正向移动,而脱羧基反应逆向移动
②CO(g)+H2O(g) H2(g)+CO2(g)
(3)9.1% 0.8p
解析 (1)将已知热化学方程式依次编号为①②,②-①得2CO(g)+2H2(g)CH4(g)+CO2(g) ΔH=-247.2 kJ·mol-1。(2)CH3COOH(g)2CO(g)+2H2(g)为气体体积增大的反应,选择的压强为常压。
(3)CH3COOH(g) 2CO(g)+2H2(g)
0.2 0.4 0.4
CH3COOH(g) CH4(g)+CO2(g)
0.6 0.6 0.6
乙酸的体积分数为0.20.4+0.4+0.6+0.6+0.2×100%≈9.1%
脱羧基反应的平衡常数Kp=p(CH4)·p(CO2)p(CH3COOH)=0.6p2.2×0.6p2.20.2p2.2≈0.8p。
9.(2019湖南常德一模)含氮化合物对环境、生产和人类生命活动等具有很大的影响。请按要求回答下列问题:
(1)利用某分子筛作催化剂,NH3可脱除工厂废气中的NO、NO2,反应机理如图所示。A包含的物质为H2O和 (填化学式)。
(2)已知:4NH3(g)+6NO(g) 5N2(g)+6H2O(g) ΔH1=-a kJ/mol
4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g) ΔH2=-b kJ/mol
H2O(l) H2O(g) ΔH3=+c kJ/mol
则反应4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(l)的ΔH= kJ/mol。
(3)工业上利用氨气生产氢氰酸(HCN)的反应为CH4(g)+NH3(g) HCN(g)+3H2(g) ΔH>0。
①其他条件一定,达到平衡时NH3转化率随外界条件X变化的关系如图甲所示,则X可以是
(填字母序号)。
图甲
a.温度 b.压强 c.催化剂 d.n(NH3)n(CH4)
②在一定温度下,向2 L密闭容器中加入n mol CH4和2 mol NH3,平衡时NH3的体积分数随n(CH4)变化的关系如图乙所示。
图乙
a点时,CH4的转化率为 %;平衡常数:K(a) K(b)(填“>”“=”或“<”)。
(4)肌肉中的肌红蛋白(Mb)与O2结合生成MbO2,其反应原理可表示为Mb(aq)+O2(g) MbO2(aq),该反应的平衡常数可表示为K=c(MbO2)c(Mb)·p(O2)。在37 ℃条件下达到平衡时,测得肌红蛋白的结合度(α)与p(O2)的关系如图丙所示[α=生成的c(MbO2)初始的c(Mb)×100%]。研究表明正反应速率v正=k正·c(Mb) ·p(O2),逆反应速率v逆=k逆·c(MbO2)(其中k正和k逆分别表示正反应和逆反应的速率常数)。
图丙
①试写出平衡常数K与速率常数k正、k逆之间的关系式:K= (用含有k正、k逆的式子表示)。
②试求出图丙中c点时,上述反应的平衡常数K= kPa-1。已知k逆=60 s-1,则速率常数k正= s-1·kPa-1。
答案 (1)N2
(2)-15(2a+3b+30c)
(3)①bd ②25 =
(4)①k正k逆 ②2 120
解析 (1)根据流程图可知NH3与废气中的NO、NO2反应,最终生成无毒无害的氮气和水。
(2)将已知热化学方程式依次编号为①②③,根据盖斯定律,(①×2+②×3-③×30)×15得4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(l) ΔH=-15(2a+3b+30c)kJ/mol。
(3)①升高温度,平衡正向移动,氨气的转化率增大,a错误;增大压强,平衡逆向移动,氨气的转化率减小,b正确;催化剂只能改变反应速率,但不能使化学平衡发生移动,因此对氨气的转化率无影响,c错误;增大n(NH3)n(CH4),相对来说氨气增加得多,平衡正向移动,但氨气的转化率减小,d正确。
②设反应消耗CH4的物质的量为x。
CH4(g)+NH3(g) HCN(g)+3H2(g)
开始(mol) 2 2 0 0
转化(mol) x x x 3x
平衡(mol) 2-x 2-x x 3x
根据图像可知,平衡时氨气的体积分数是30%,则有2-x4+2x×100%=30%,解得x=0.5,则a点时,CH4的转化率为0.5mol2mol×100%=25%;由于温度不变,平衡常数不变,因此K(a)=K(b)。
(4)①可逆反应达到平衡状态时,v正=v逆,即k正·c(Mb)·p(O2)=k逆·c(MbO2),k正k逆=c(MbO2)c(Mb)·p(O2),反应Mb(aq)+O2(g) MbO2(aq)的平衡常数K=c(MbO2)c(Mb)·p(O2)=k正k逆;②K=c(MbO2)c(Mb)·p(O2)=0.9(1-0.9)×4.50 kPa-1=2 kPa-1;k正= K·k逆=2 kPa-1×60 s-1=120 s-1·kPa-1。
10.在有氯气参与的工业生产中,大量消耗氯气的同时,通常会产生大量的副产物氯化氢,如果能将难以处理的氯化氢直接转化成氯气加以利用,既可提高效益,又能减少污染,符合行业可持续发展的总体要求。氯化氢催化氧化法制取氯气是目前最容易实现工业化的方法,其热化学方程式为4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH
。该反应为可逆反应,分为低温氯化反应和高温氧化反应,通过合适的催化剂和条件,分两步多次循环进行,HCl转化率可以达到99%。基本原理如下:
200 ℃氯化反应:CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g) ΔH1=-120.4 kJ·mol-1
400 ℃氧化反应:2CuCl2(s)+O2(g)2CuO(s)+2Cl2(g) ΔH2=+126.3 kJ·mol-1
(1)ΔH= 。
(2)从化学反应速率和化学平衡角度解释氯化反应选择200 ℃的理由: 。
(3)对于可逆反应4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)。
①恒温恒容条件下,反应达到平衡状态的标志是 。
a.断开4 mol H—Cl键同时形成2 mol Cl—Cl键
b.容器内的压强不再变化
c.混合气体的密度不再变化
d.容器内气体颜色不再变化
②实验测得不同时间、不同进料比条件下,氯气在产物中的含量如图,则进料气HCl与O2最佳体积比为 。
③实验测得在不同压强、进料比最佳情况下,总反应的HCl平衡转化率(αHCl)随温度变化的曲线如图所示。
ⅰ.平衡常数:K(A) K(B)(填“>”“<”或“=”,下同),压强:p1 p2。
ⅱ.平衡时A点处氯气的体积分数为 (计算结果保留三位有效数字)。
答案 (1)-114.5 kJ· mol-1
(2)该反应是放热反应,温度较低有利于提高反应物的转化率,同时为了使催化剂活性提高,增大反应速率,温度不能太高
(3)①bd ②2∶1 ③ⅰ.> > ⅱ.34.4%
解析 (1)根据盖斯定律,ΔH=2ΔH1+ΔH2=2×(-120.4 kJ·mol-1)+126.3 kJ·mol-1=-114.5 kJ·mol-1。(2)对于题中氯化反应的反应条件的选择,既要考虑反应速率的增大(温度不能太低)、催化剂的活性温度(温度不能太低或太高),同时因该反应为放热反应,还要考虑反应物的转化率(温度不能太高)。(3)①a项,表示的均为正反应速率,不能说明达到平衡状态;b项,由于反应前后气体总物质的量不相等,若总物质的量不再变化,则压强不再变化,说明达到平衡状态;c项,混合气体的密度始终不变;d项,气体颜色不变,说明氯气浓度不变,即达到平衡状态。②由图可知,在HCl与O2的进料体积比为2∶1时,产物中的氯气含量最高。③ⅰ.该反应为放热反应,所以升高温度,平衡逆向移动,K值减小,即K(A)>K(B);该反应为气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动,HCl的平衡转化率增大,所以p1>p2。ⅱ.设HCl的起始量为2a mol,则O2为a mol,列三段式:
4HCl(g) + O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)
起始量(mol) 2a a 0 0
转化量(mol) 0.88×2a 0.44a 0.88a 0.88a
平衡量(mol) 0.24a 0.56a 0.88a 0.88a
平衡时Cl2的体积分数为0.88a0.88a+0.88a+0.24a+0.56a×100%≈34.4%。
