2019届二轮复习化学反应速率和化学平衡作业（江苏专用）
化学反应速率和化学平衡
1.一定条件下,在容积为1 L的密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),1 min后测得生成0.06 mol NH3,则该段时间内N2的化学反应速率(mol·L-1·min-1)为( )
A.0.01 B.0.02 C.0.03 D.0.06
答案 C v(N2)=v(NH3)=×=0.03 mol·L-1·min-1。
7.(2014浙江1月学考,20,2分)一定条件下,在容积为5 L的密闭容器中发生反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),半分钟后测得生成0.04 mol SO3。在这段时间内O2的化学反应速率(mol·L-1·min-1)为( )
A.0.004 B.0.008 C.0.016 D.0.032
答案 B v(SO3)==0.016 mol·L-1·min-1,=,故v(O2)=×v(SO3)=0.008 mol·L-1·min-1。
2.化合物A在一定条件下发生分解反应,反应物浓度随反应时间的变化如图所示,则化合物A在4~8 min 间的平均反应速率是( )
A.0.20 mol·L-1·min-1 B.0.25 mol·L-1·min-1
C.0.30 mol·L-1·min-1 D.0.50 mol·L-1·min-1
答案 B v(A)==0.25 mol·L-1·min-1。
3.一定条件下,H2O2在水溶液中发生分解反应:
2H2O2 2H2O+O2↑
反应过程中,测得不同时间H2O2的物质的量浓度如下表:
t/min
0
20
40
60
80
c(H2O2)/mol·L-1
0.80
0.40
0.20
0.10
0.05
(1)H2O2的分解反应 氧化还原反应(填“是”或“不是”)。
(2)该分解反应0~20 min的平均反应速率v(H2O2)为 mol·L-1·min-1。
(3)如果反应所用的H2O2溶液为100 mL,则0~80 min共产生O2 g。
A.0.08 B.0.16 C.1.2 D.2.4
答案 (1)是 (2)0.02 (3)C
解析 (1)H2O2的分解反应中氧元素化合价部分升高,部分降低,该反应是氧化还原反应。(2)v(H2O2)=(0.80 mol·L-1-0.40 mol·L-1)÷20 min=0.02 mol·L-1·min-1。(3)反应消耗H2O2的物质的量为n(H2O2)=(0.80 mol·L-1-0.05 mol·L-1)×0.1 L=0.075 mol,故生成O2的质量为m(O2)=0.075 mol÷2×32 g·mol-1=1.2 g,C正确。
4.在一定温度下,体积不变的密闭容器中,可逆反应X(g)+3Y(g) 2Z(g)达到平衡的标志是( )
A.气体的总质量保持不变
B.X、Y、Z的浓度都相等
C.X、Y、Z的浓度不再发生变化
D.X、Y、Z的分子数之比为1∶3∶2
答案 C 根据质量守恒定律,气体总质量自始至终保持不变,A错误;X、Y、Z的浓度相等及分子数之比为1∶3∶2时反应不一定达平衡状态,B、D错误。
5.煤炭燃烧过程中会释放出大量的SO2,严重破坏生态环境。采用一定的脱硫技术可以把硫元素以CaSO4的形式固定,从而降低SO2的排放。但是煤炭燃烧过程中产生的CO又会与CaSO4发生化学反应,降低了脱硫效率。相关反应的热化学方程式如下:
CaSO4(s)+CO(g) CaO(s)+SO2(g)+CO2(g) ΔH1=+218.4 kJ·mol-1(反应Ⅰ)
CaSO4(s)+4CO(g) CaS(s)+4CO2(g) ΔH2=-175.6 kJ·mol-1(反应Ⅱ)
请回答下列问题:
(1)反应Ⅰ能够自发进行的反应条件是 。
(2)对于气体参与的反应,表示平衡常数Kp时用气体组分(B)的平衡压强p(B)代替该气体物质的量的浓度c(B),则反应 Ⅱ 的Kp= (用表达式表示)。
(3)假设某温度下,反应Ⅰ的速率(v1)大于反应Ⅱ的速率(v2),则下列反应过程能量变化示意图正确的是 。
(4)通过监测反应体系中气体浓度的变化可判断反应Ⅰ和Ⅱ是否同时发生,理由是 。
(5)图1为实验测得不同温度下反应体系中CO初始体积百分数与平衡时固体产物中CaS质量百分数的关系曲线。则降低该反应体系中SO2生成量的措施有 。
A.向该反应体系中投入石灰石
B.在合适的温度区间内控制较低的反应温度
C.提高CO的初始体积百分数
D.提高反应体系的温度
(6)恒温恒容条件下,假设反应Ⅰ和Ⅱ同时发生,且v1>v2,请在图2中画出反应体系中c(SO2)随时间t变化的总趋势图。
答案 (1)高温 (2) (3)C
(4)如果气相中SO2和CO2两种气体的浓度之比随时间发生变化,则表明两个反应同时发生 (5)A、B、C
(6)
解析 (1)反应Ⅰ的ΔH>0,ΔS>0,高温时反应能自发进行。(2)依题给信息,可得反应Ⅱ的Kp=。(3)反应Ⅰ速率较快,说明该反应活化能较低,结合反应Ⅰ吸热,反应Ⅱ放热,可判断C图正确。(4)反应Ⅰ生成SO2、CO2两种气态产物,反应Ⅱ只生成CO2一种气态产物,若c(SO2)/c(CO2)不变,只发生反应Ⅰ;若c(SO2)=0,c(CO2)或c(CO)发生变化,只发生反应Ⅱ;若c(SO2)/c(CO2)发生变化,则反应Ⅰ、Ⅱ同时发生。(5)向反应体系中投入石灰石,CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g),c(CO2)增大,反应Ⅰ的平衡逆向移动,SO2的量减少,A正确;在合适温度区间内降低反应温度,反应Ⅰ逆向进行,SO2的量减小,B正确,D错误;CO初始体积分数增大,由图1知CaS质量分数增大,c(CO2)增大,反应Ⅰ逆向进行,SO2的量减少,C正确。(6)因反应Ⅰ速率快,c(SO2)先增大快,随着反应Ⅱ的进行,使c(CO2)增大,反应Ⅰ逆向进行,c(SO2)减小,当反应Ⅰ、Ⅱ均达到平衡时,c(SO2)不再变化,由此可画出c(SO2)随时间变化的曲线图。
6.下列说法不正确的是( )
A.Na与H2O的反应是熵增的放热反应,该反应能自发进行
B.饱和Na2SO4溶液或浓硝酸均可使蛋白质溶液产生沉淀,但原理不同
C.FeCl3和MnO2均可加快H2O2分解,同等条件下二者对H2O2分解速率的改变相同
D.Mg(OH)2固体在溶液中存在平衡:Mg(OH)2(s) Mg2+(aq)+2OH-(aq),该固体可溶于NH4Cl溶液
答案 C A项,2Na(s)+2H2O(l) 2NaOH(aq)+H2(g) ΔH<0,上述反应中ΔS>0、ΔH<0,则ΔG=ΔH-TΔS<0,该反应能自发进行。B项,饱和Na2SO4溶液使蛋白质溶液产生沉淀的原理是蛋白质发生盐析,属于物理变化;而浓硝酸使蛋白质沉淀的原理是蛋白质发生变性,属于化学变化。C项,FeCl3和MnO2都可作H2O2分解反应的催化剂,但催化效果不同。D项,Mg(OH)2固体在溶液中存在平衡:Mg(OH)2(s) Mg2+(aq)+2OH-(aq),向平衡体系中加入NH4Cl溶液后,N与OH-反应生成NH3·H2O,从而使上述平衡正向移动,Mg(OH)2固体溶解。
7.在恒容密闭容器中通入X并发生反应:2X(g) Y(g),温度T1、T2下X的物质的量浓度c(X)随时间t变化的曲线如图所示,下列叙述正确的是( )
A.该反应进行到M点放出的热量大于进行到W点放出的热量
B.T2下,在0~t1时间内,v(Y)= mol·L-1·min-1
C.M点的正反应速率v正大于N点的逆反应速率v逆
D.M点时再加入一定量X,平衡后X的转化率减小
答案 C 依据题中图示可看出T1>T2,由于T1时X的平衡浓度大于T2时X的平衡浓度,可推出该反应为放热反应。A项,M点与W点比较,X的转化量前者小于后者,故进行到M点放出的热量应小于进行到W点放出的热量,A项错误;B项,2v(Y)=v(X)= mol·L-1·min-1,B项错误;C项,T1>T2,温度越高,反应速率越大,M点的正反应速率>W点的正反应速率,而W点的正反应速率=W点的逆反应速率>N点的逆反应速率,C项正确;D项,恒容时充入X,压强增大,平衡正向移动,X的转化率增大,D项错误。
8.臭氧是理想的烟气脱硝试剂,其脱硝反应为:2NO2(g)+O3(g) N2O5(g)+O2(g),若反应在恒容密闭容器中进行,下列由该反应相关图像作出的判断正确的是 ( )
A
B
升高温度,平衡常数减小
0~3 s内,反应速率为:v(NO2)=0.2 mol·L-1
C
D
t1时仅加入催化剂,平衡正向移动
达平衡时,仅改变x,则x为c(O2)
答案 A A项,由图像可知,该可逆反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,正确;v(NO2)===0.2 mol·L-1·s-1,B项错误;使用催化剂可加快反应速率,但不能使平衡发生移动,C项错误;D项,若x为c(O2),则O2浓度增大,NO2的转化率减小,与图像不符,D项错误。
考点二 化学反应的方向与化学平衡
以下为教师用书专用(8—21)
9.K2Cr2O7溶液中存在平衡:Cr2(橙色)+H2O 2Cr(黄色)+2H+。用K2Cr2O7溶液进行下列实验:
结合实验,下列说法不正确的是( )
A.①中溶液橙色加深,③中溶液变黄
B.②中Cr2被C2H5OH还原
C.对比②和④可知K2Cr2O7酸性溶液氧化性强
D.若向④中加入70% H2SO4溶液至过量,溶液变为橙色
答案 D ④中存在C2H5OH,溶液变为酸性后,K2Cr2O7的氧化性增强,会将C2H5OH氧化,溶液变成绿色。
10.羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂,能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在恒容密闭容器中,将CO和H2S混合加热并达到下列平衡:
CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g) K=0.1
反应前CO物质的量为10 mol,平衡后CO物质的量为8 mol。下列说法正确的是( )
A.升高温度,H2S浓度增加,表明该反应是吸热反应
B.通入CO后,正反应速率逐渐增大
C.反应前H2S物质的量为7 mol
D.CO的平衡转化率为80%
答案 C 由题中信息可列三段式:
CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g)
起始: 10 mol x mol 0 0
转化: 2 mol 2 mol 2 mol 2 mol
平衡: 8 mol (x-2)mol 2 mol 2 mol
设容器体积为V L,由K=0.1可得K===0.1,解得x=7,C项正确。
11.一定量的CO2与足量的碳在体积可变的恒压密闭容器中反应:C(s)+CO2(g) 2CO(g),平衡时,体系中气体体积分数与温度的关系如下图所示:
已知:气体分压(p分)=气体总压(p总)×体积分数。下列说法正确的是( )
A.550 ℃时,若充入惰性气体,v正、v逆均减小,平衡不移动
B.650 ℃时,反应达平衡后CO2的转化率为25.0%
C.T ℃时,若充入等体积的CO2和CO,平衡向逆反应方向移动
D.925 ℃时,用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp=24.0p总
答案 B A项,反应容器为恒压密闭容器,充入惰性气体,相当于减小压强,v正、v逆均减小,平衡应向右移动,错误;B项,设起始时CO2的物质的量为1 mol,达到平衡时转化了x mol,利用三段式:
C(s)+CO2(g) 2CO(g)
n始/mol 1 0
n转化/mol x 2x
n平/mol 1-x 2x
则有×100%=40.0%,解得x=0.25,CO2的转化率为×100%=25.0%,正确;C项,因为是恒压体系,T ℃达平衡时,CO2、CO的体积分数均为50%,故充入等体积的CO2和CO,平衡不移动,错误;D项,Kp===23.04p总,错误。
12.在10 L恒容密闭容器中充入X(g)和Y(g),发生反应X(g)+Y(g) M(g)+N(g),所得实验数据如下表:
实验编号
温度/℃
起始时物质的量/mol
平衡时物质的量/mol
n(X)
n(Y)
n(M)
①
700
0.40
0.10
0.090
②
800
0.10
0.40
0.080
③
800
0.20
0.30
a
④
900
0.10
0.15
b
下列说法正确的是( )
A.实验①中,若5 min时测得n(M)=0.050 mol,则0至5 min时间内,用N表示的平均反应速率v(N)=1.0×10-2 mol/(L·min)
B.实验②中,该反应的平衡常数K=2.0
C.实验③中,达到平衡时,X的转化率为60%
D.实验④中,达到平衡时,b>0.060
答案 C A项,0至5 min内,v(M)==1×10-3 mol/(L·min),v(N)=v(M)=1×10-3 mol/(L·min),A项错误;B项,根据“三段式”:
X(g) + Y(g) M(g) + N(g)
初始(mol/L) 0.010 0.040 0 0
转化(mol/L) 0.008 0.008 0.008 0.008
平衡(mol/L) 0.002 0.032 0.008 0.008
K==1,B项错误;
实验③,根据“三段式”得:
X(g) + Y(g) M(g)+N(g)
初始(mol/L) 0.020 0.030 0 0
转化(mol/L) x x x x
平衡(mol/L) 0.020-x 0.030-x x x
根据温度不变,K不变可得
=1,x=0.012,
X的转化率为×100%=60%,C项正确;
由实验①、②中数据可知该反应为放热反应,900 ℃时的平衡常数应小于800 ℃时的平衡常数,假设实验④中K=1,则=1,b=0.06,综上所述,900 ℃达到平衡时b<0.06,D项错误。
13.在一定条件下,N2O分解的部分实验数据如下:
反应时间
/min
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
c(N2O)
/mol·L-1
0.100
0.090
0.080
0.070
0.060
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
下图能正确表示该反应有关物理量变化规律的是( )
(注:图中半衰期指任一浓度N2O消耗一半时所需的相应时间,c1、c2均表示N2O初始浓度且c1
0,所以只有ΔS>0才有可能使ΔH-TΔS<0;D项,常温下,Fe遇浓硫酸会发生钝化,加热条件下二者反应生成SO2,没有H2生成,D项错误。
15.溴酸银(AgBrO3)溶解度随温度变化曲线如图所示,下列说法错误的是( )
A.溴酸银的溶解是放热过程
B.温度升高时溴酸银溶解速度加快
C.60 ℃时溴酸银的Ksp约等于6×10-4
D.若硝酸钾中含有少量溴酸银,可用重结晶方法提纯
答案 A 由题给曲线知,升高温度,AgBrO3的溶解度增大,说明升高温度,AgBrO3的溶解平衡AgBrO3(s) Ag+(aq)+Br(aq)向右移动,故AgBrO3的溶解是吸热过程,A错误;温度越高,物质的溶解速度越快,B正确;60 ℃时饱和AgBrO3溶液的浓度c[AgBrO3(aq)]=c(Ag+)=c(Br)≈ mol/L≈0.025
mol/L,故Ksp(AgBrO3)=c(Ag+)·c(Br)=0.025×0.025≈6×10-4,C正确;KNO3中混有少量AgBrO3,因KNO3溶解度受温度影响很大,故可用重结晶方法提纯,D正确。
16.一定温度下,在三个体积均为1.0 L的恒容密闭容器中发生反应:
2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)
容器编号
温度(℃)
起始物质的量(mol)
平衡物质的量(mol)
CH3OH(g)
CH3OCH3(g)
H2O(g)
Ⅰ
387
0.20
0.080
0.080
Ⅱ
387
0.40
Ⅲ
207
0.20
0.090
0.090
下列说法正确的是( )
A.该反应的正反应为放热反应
B.达到平衡时,容器Ⅰ中的CH3OH体积分数比容器Ⅱ中的小
C.容器Ⅰ中反应到达平衡所需时间比容器Ⅲ中的长
D.若起始时向容器Ⅰ中充入CH3OH 0.15 mol、CH3OCH3 0.15 mol和H2O 0.10 mol,则反应将向正反应方向进行
答案 AD 由Ⅰ、Ⅲ数据分析可知,降温CH3OH的转化率增大,平衡向正反应方向移动,正反应为放热反应,A项正确;B项,Ⅱ和Ⅰ对比,CH3OH(g)的起始浓度增大一倍,容器体积不变,相当于增大压强,而此反应为反应前后气体分子数不变的反应,增大压强平衡不移动,CH3OH体积分数不变,B项错误;Ⅲ比Ⅰ温度低,反应更慢,到达平衡所需时间更长,C项错误;D项,容器Ⅰ温度为387 ℃,平衡常数K===4,而此时浓度商Qc==<4,反应向正反应方向进行,D项正确。
17.丙烯腈(CH2CHCN)是一种重要的化工原料,工业上可用“丙烯氨氧化法”生产,主要副产物有丙烯醛(CH2CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题:
(1)以丙烯、氨、氧气为原料,在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下:
①C3H6(g)+NH3(g)+O2(g) C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515 kJ·mol-1
②C3H6(g)+O2(g) C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353 kJ·mol-1
两个反应在热力学上趋势均很大,其原因是 ;有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是 ;提高丙烯腈反应选择性的关键因素是 。
(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时,丙烯腈的产率 (填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率,判断理由是 ;高于460 ℃时,丙烯腈产率降低的可能原因是 (双选,填标号)。
A.催化剂活性降低 B.平衡常数变大
C.副反应增多 D.反应活化能增大
(3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。由图可知,最佳n(氨)/n(丙烯)约为 ,理由是 。进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为 。
答案 (14分)(1)两个反应均为放热量大的反应 降低温度、降低压强 催化剂
(2)不是 该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低 AC
(3)1 该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低 1∶7.5∶1
解析 (1)判断反应自发进行的趋势可从熵变和焓变两方面考虑,反应①和②的熵变不大,但焓变均较大,这是导致两个反应在热力学上趋势均很大的主要原因。根据影响平衡移动的因素可知,提高丙烯腈平衡产率(即使反应①的平衡右移)的条件可以是降低温度、降低压强。在影响反应速率的外界因素中,催化剂的影响最大,且不同的反应一般使用的催化剂也不同,因此催化剂是提高丙烯腈反应选择性的关键因素。
(2)温度升高,反应①的平衡常数变小,反应的活化能不变,高于460 ℃时,丙烯腈产率降低的原因可能是催化剂的活性降低、副反应增多,A、C正确。
(3)由反应①可知n(NH3)∶n(O2)∶n(C3H6)=1∶1.5∶1,由于O2在空气中所占体积分数约为,所以理论上进料气氨、空气、丙烯的体积比V(NH3)∶V(空气)∶V(C3H6)=1∶(1.5×5)∶1=1∶7.5∶1。
18.碘及其化合物在合成杀菌剂、药物等方面具有广泛用途。回答下列问题:
(1)大量的碘富集在海藻中,用水浸取后浓缩,再向浓缩液中加MnO2和H2SO4,即可得到I2。该反应的还原产物为 。
(2)上述浓缩液中主要含有I-、Cl-等离子。取一定量的浓缩液,向其中滴加AgNO3溶液,当AgCl开始沉淀时,溶液中为 。已知Ksp(AgCl)=1.8×10-10,Ksp(AgI)=8.5×10-17。
(3)已知反应2HI(g) H2(g)+I2(g)的ΔH=+11 kJ·mol-1,1 mol H2(g)、1 mol I2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收436 kJ、151 kJ的能量,则1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为 kJ。
(4)Bodensteins研究了下列反应:
2HI(g) H2(g)+I2(g)
在716 K时,气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表:
t/min
0
20
40
60
80
120
x(HI)
1
0.91
0.85
0.815
0.795
0.784
x(HI)
0
0.60
0.73
0.773
0.780
0.784
①根据上述实验结果,该反应的平衡常数K的计算式为 。
②上述反应中,正反应速率为v正=k正x2(HI),逆反应速率为v逆=k逆x(H2)x(I2),其中k正、k逆为速率常数,则k逆为 (以K和k正表示)。若k正=0.002 7 min-1,在t=40 min时,v正= min-1。
③由上述实验数据计算得到v正~x(HI)和v逆~x(H2)的关系可用下图表示。当升高到某一温度时,反应重新达到平衡,相应的点分别为 (填字母)。
答案 (15分)(1)MnSO4(或Mn2+)(1分)
(2)4.7×10-7(2分)
(3)299(2分)
(4)①(2分)
②k正/K 1.95×10-3(每空2分,共4分)
③A、E(4分)
解析 (1)MnO2在酸性条件下可把I-氧化为I2,自身被还原为Mn2+,即还原产物为MnSO4。
(2)当AgCl开始沉淀时,AgI已经沉淀完全,此时溶液中====4.7×10-7。
(3)设1 mol HI(g)分子中化学键断裂吸收的能量为x kJ,由反应热与键能的关系可知,2x=436+151+11,解得x=299,故1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为299 kJ。
(4)①观察表中数据知,120 min时反应达到平衡,此时x(HI)=0.784,x(H2)=x(I2)=(1-0.784)×=0.108,故反应的平衡常数K的计算式为=。
②由于v正=k正x2(HI),v逆=k逆x(H2)x(I2),K=,当达到平衡状态时,v正=v逆,即k逆=;在t=40 min时,x(HI)=0.85,v正=k正·x2(HI)=0.002 7 min-1×0.852=1.95×10-3 min-1。
③反应2HI(g) H2(g)+I2(g)是吸热反应,升高温度,反应速率加快,平衡正向移动,x(HI)减小,x(H2)增大,观察图像知,对应的点分别为A和E。
19.合金贮氢材料具有优异的吸放氢性能,在配合氢能的开发中起着重要作用。
(1)一定温度下,某贮氢合金(M)的贮氢过程如图所示,纵轴为平衡时氢气的压强(p),横轴表示固相中氢原子与金属原子的个数比(H/M)。
在OA段,氢溶解于M中形成固溶体MHx,随着氢气压强的增大,H/M逐渐增大;在AB段,MHx与氢气发生氢化反应生成氢化物MHy,氢化反应方程式为:zMHx(s)+H2(g) zMHy(s) ΔH1(Ⅰ);在B点,氢化反应结束,进一步增大氢气压强,H/M几乎不变。反应(Ⅰ)中z= (用含x和y的代数式表示)。温度为T1时,2 g某合金4 min 内吸收氢气240 mL,吸氢速率v= mL·g-1·min-1。反应(Ⅰ)的焓变ΔH1 0(填“>”“=”或“<”)。
(2)η表示单位质量贮氢合金在氢化反应阶段的最大吸氢量占其总吸氢量的比例,则温度为T1、T2时,η(T1) η(T2)(填“>”“=”或“<”)。当反应(Ⅰ)处于图中a点时,保持温度不变,向恒容体系中通入少量氢气,达平衡后反应(Ⅰ)可能处于图中的 点(填“b”“c”或“d”),该贮氢合金可通过 或 的方式释放氢气。
(3)贮氢合金ThNi5可催化由CO、H2合成CH4的反应。温度为T时,该反应的热化学方程式为 。
已知温度为T时:CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165 kJ·mol-1
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41 kJ·mol-1
答案 (1) 30 < (2)> c 加热 减压
(3)CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)
ΔH=-206 kJ·mol-1
解析 (1)由氢原子守恒可知,zx+2=zy,解得z=;根据题意可知,吸氢速率v==30 mL·g-1·min-1;观察图像可知,升高温度,平衡时氢气的压强增大,即反应(Ⅰ)的平衡逆向移动,故反应(Ⅰ)为放热反应,ΔH1<0。(2)观察图像可知,升高温度不利于氢化反应阶段吸收H2,由于T1η(T2);在AB段,MHx与H2发生反应(Ⅰ),图中a点时向恒温、恒容体系中通入少量H2,H2被吸收,H/M 增大,平衡后反应(Ⅰ)可能处于c点;反应(Ⅰ)是气体体积减小的放热反应,释放H2时使反应(Ⅰ)逆向移动即可,故可通过加热或减压的方法实现。(3)已知:CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165 kJ·mol-1①、CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41 kJ·mol-1②,由盖斯定律可知,②-①即得所求热化学方程式:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH=-206 kJ·mol-1。
20.在容积为1.00 L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应N2O4(g) 2NO2(g),随温度升高,混合气体的颜色变深。
回答下列问题:
(1)反应的ΔH 0(填“大于”或“小于”);100 ℃时,体系中各物质浓度随时间变化如图所示。在0~60 s时段,反应速率v(N2O4)为 mol·L-1·s-1;反应的平衡常数K1为 。
(2)100 ℃时达平衡后,改变反应温度为T,c(N2O4)以0.002 0 mol·L-1·s-1的平均速率降低,经10 s又达到平衡。
①T 100 ℃(填“大于”或“小于”),判断理由是 。
②列式计算温度T时反应的平衡常数K2 。
(3)温度T时反应达平衡后,将反应容器的容积减少一半。平衡向 (填“正反应”或“逆反应”)方向移动,判断理由是 。
答案 (1)大于 0.001 0 0.36 mol·L-1(1分,2分,2分,共5分)
(2)①大于(1分) 反应正方向吸热,反应向吸热方向进行,故温度升高(2分)
②平衡时,c(NO2)=0.120 mol·L-1+0.002 0 mol·L-1·s-1×10 s×2=0.16 mol·L-1
c(N2O4)=0.040 mol·L-1-0.002 0 mol·L-1·s-1×10 s=0.020 mol·L-1
K2==1.3 mol·L-1(3分)
(3)逆反应 对气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动(每空1分,共2分)
解析 (1)随温度升高,混合气体的颜色变深,说明升温平衡向正反应方向移动,ΔH>0。在0~60 s时段,v(N2O4)===0.001 0 mol·L-1·s-1;平衡常数K1===0.36 mol·L-1。
(2)当温度由100 ℃变为T时,N2O4的浓度降低,“三段式”如下:
N2O4(g) 2NO2(g)
100 ℃平衡时 0.040 mol·L-1 0.120 mol·L-1
温度T时变化 0.020 mol·L-1 0.040 mol·L-1
温度T平衡时 0.020 mol·L-1 0.160 mol·L-1
由于温度变为T时平衡向N2O4浓度减小的方向移动,即向吸热方向移动,故温度升高,所以T>100 ℃。当再次达到平衡时,平衡常数K2===1.3 mol·L-1。
(3)温度不变,将反应容器的容积减少一半,压强增大,平衡向气体分子数减小的方向(即逆反应方向)移动。
21.用CaSO4代替O2与燃料CO反应,既可提高燃烧效率,又能得到高纯CO2,是一种高效、清洁、经济的新型燃烧技术,反应①为主反应,反应②和③为副反应。
①1/4CaSO4(s)+CO(g) 1/4CaS(s)+CO2(g)
ΔH1=-47.3 kJ·mol-1
②CaSO4(s)+CO(g) CaO(s)+CO2(g)+SO2(g)
ΔH2=+210.5 kJ·mol-1
③CO(g) 1/2C(s)+1/2CO2(g) ΔH3=-86.2 kJ·mol-1
(1)反应2CaSO4(s)+7CO(g) CaS(s)+CaO(s)+6CO2(g)+C(s)+SO2(g)的ΔH= (用ΔH1、ΔH2和ΔH3表示)。
(2)反应①~③的平衡常数的对数lgK随反应温度T的变化曲线如图所示,结合各反应的ΔH,归纳lgK-T曲线变化规律:
a) ;
b) 。
(3)向盛有CaSO4的真空恒容密闭容器中充入CO,反应①于900 ℃达到平衡,c平衡(CO)=8.0×10-5 mol·L-1,计算CO的转化率(忽略副反应,结果保留两位有效数字)。
(4)为减少副产物,获得更纯净的CO2,可在初始燃料中适量加入 。
(5)以反应①中生成的CaS为原料,在一定条件下经原子利用率100%的高温反应,可再生CaSO4,该反应的化学方程式为 ;在一定条件下,CO2可与对二甲苯反应,在其苯环上引入一个羧基,产物的结构简式为 。
答案 (1)4ΔH1+ΔH2+2ΔH3
(2)a)放热反应的lgK随温度升高而下降(或“吸热反应的lgK随温度升高而升高”)
b)放出或吸收热量越大的反应,其lgK受温度影响越大
(3)由题图查得反应①在900 ℃时:lgK=2
平衡常数K=102=100
设容器容积为V L,反应①达到平衡时CO的浓度减少x mol·L-1
CaSO4(s)+CO(g) CaS(s)+CO2(g)
c开始(mol·L-1) x+8.0×10-5 0
c平衡(mol·L-1) 8.0×10-5 x
K===100
x=100×8.0×10-5=8.0×10-3
CO转化率=×100%=99%
(4)CO2
(5)CaS+2O2 CaSO4
解析 (1)反应①×4+反应②+反应③×2即得所求反应,故ΔH=4ΔH1+ΔH2+2ΔH3。
(2)仔细观察题给三条曲线的走势及斜率,即可归纳出lgK-T曲线变化的规律。
(3)从图像中可得出900 ℃时反应①的平衡常数K=100,计算过程见答案。
(5)CaS再生为CaSO4,反应的原子利用率为100%,故反应的化学方程式为CaS+2O2 CaSO4。对二甲苯苯环上引入一个—COOH,产物为。
22.合成氨是人类科学技术上的一项重大突破,其反应原理为:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1
一种工业合成氨的简易流程图如下:
(1)天然气中的H2S杂质常用氨水吸收,产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气,得到单质硫并使吸收液再生,写出再生反应的化学方程式: 。
(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下:
①CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH=+206.4 kJ·mol-1
②CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41.2 kJ·mol-1
对于反应①,一定可以提高平衡体系中H2百分含量,又能加快反应速率的措施是 。
a.升高温度 b.增大水蒸气浓度
c.加入催化剂 d.降低压强
利用反应②,将CO进一步转化,可提高H2产量。若1 mol CO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应,得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合气体,则CO转化率为 。
(3)图1表示500 ℃、60.0 MPa条件下,原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数: 。
(4)依据温度对合成氨反应的影响,在图2坐标系中,画出一定条件下的密闭容器内,从通入原料气开始,随温度不断升高,NH3物质的量变化的曲线示意图。
(5)上述流程图中,使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号) 。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法: 。
答案 (1)2NH4HS+O2 2NH3·H2O+2S↓
(2)a 90% (3)14.5%
(4)
(5)Ⅳ 对原料气加压;分离液氨后,未反应的N2、H2循环使用
解析 (1)由题给反应信息不难写出再生反应的化学方程式为2NH4HS+O2 2S↓+2NH3·H2O。
(2)增大水蒸气浓度,平衡右移,但H2百分含量不一定提高;加入催化剂,对平衡无影响,不能提高H2百分含量;降低压强,反应速率减慢。
设达到平衡时CO转化了x mol。
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
n起始 0.2 mol 0 mol 0.8 mol
n平衡 (0.2-x)mol x mol (0.8+x)mol
(0.2-x)+x+(0.8+x)=1.18,x=0.18,αCO=×100%=90%。
(3)方法1:设达到平衡时N2转化了x mol。
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
n起始 n mol 3n mol 0
n平衡 (n-x)mol (3n-3x)mol 2x mol
×100%=42%,x=0.592n,故N2体积分数=×100%=×100%≈14.5%。
方法2:由N2、H2按1∶3投料,N2与H2又按照1∶3发生反应,故从反应开始到反应平衡,N2和H2之比始终为1∶3。N2体积分数=×(1-42%)=14.5%。
(4)反应初期,NH3从无到有,在未达到平衡前,NH3物质的量是增大的,达到平衡后,温度升高,平衡向逆向移动,NH3物质的量逐渐减小,曲线见答案。
(5)通过热交换器(步骤Ⅳ),加热进入合成塔的原料气,同时冷却从合成塔出来的平衡混合气。提高原料总转化率的方法有:①对N2、H2加压;②将产物NH3液化分离,减小生成物浓度;③将未反应的N2、H2循环使用。
