2021届高考化学一轮复习化学平衡状态化学平衡的移动作业
课时分层提升练 二十二
化学平衡状态 化学平衡的移动
一、选择题
1.(2019·咸阳模拟)对于X(?)+Y(s)Z(?)的平衡体系,若增大压强,达到新的平衡时Y的转化率增大,则X和Z可能的状态是 ( )
A.X为气态,Z为固态
B.X为固态,Z为气态
C.X为气态,Z为气态
D.X为固态,Z为固态
【解析】选A。增大压强,Y的平衡转化率增大,说明平衡向正反应方向移动,则X为气态,Z为固态或液态。
【易错提醒】压强的改变只针对有气体参与的反应,增大压强,平衡向气体系数减小的方向移动。
2.(2019·沧州模拟)一定温度下,在恒容密闭容器中发生反应2HI(g)+Cl2(g)
2HCl(g)+I2(s)。下列事实不能说明该反应达到平衡状态的是 ( )
A.容器内气体压强不再改变
B.容器内气体密度不再改变
C.容器内气体颜色不再改变
D.断裂1 mol Cl—Cl键同时断裂1 mol H—Cl键
【解析】选D。在恒容密闭容器中发生反应2HI(g)+Cl2(g)2HCl(g)+I2(s),根据化学方程式,反应过程中压强为变量,压强不再改变一定平衡,故可以说明;在恒容密闭容器中发生反应2HI(g)+Cl2(g)2HCl(g)+I2(s),
反应过程中气体质量为变量,所以密度是变量,容器内气体密度不再改变一定平衡,故可以说明;容器内气体颜色不再改变,说明氯气的浓度不变,一定达到平衡状态,故可以说明;平衡时断裂1 mol Cl—Cl键同时断裂2 mol H—Cl键,故D不能说明。
3.(2019·成都模拟)下列反应不能用勒夏特列原理解释的是 ( )
A.光照新制的氯水时溶液的pH逐渐减小
B.锌与稀硫酸反应,加入少量硫酸铜反应速率加快
C.可用浓氨水和氢氧化钠固体快速制取氨气
D.增大压强,有利于SO2和O2反应生成SO3
【解析】选B。A.氯水中存在化学平衡Cl2+H2OHCl+HClO,光照使氯水中的次氯酸分解,次氯酸浓度减小,使得平衡向右移动,氢离子浓度变大,溶液的pH减小,能用勒夏特列原理解释,故A错误;B.锌与稀硫酸反应,加入少量硫酸铜,Zn与硫酸铜反应置换出铜,形成Zn-Cu稀硫酸原电池,加快反应速率,不存在化学平衡,则不能用化学平衡移动原理解释,故B正确;C.浓氨水加入氢氧化钠固体,氢氧化钠固体溶解放热,使一水合氨分解生成氨气,化学反应NH3+H2ONH3·H2ON +OH-,逆向进行,能用化学平衡移动原理解释,故C错误;D.增大压强,平衡向正反应方向移动,能用勒夏特列原理解释,故D错误。
4.(2019·金华模拟)在其他条件一定时,图中曲线表示反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) ΔH>0达平衡时NO的转化率与温度的关系,图上标有A、B、C、D、E点,其中表示未达平衡状态且v正>v逆的点是 ( )
A.A或E B.B点 C.C点 D.D点
【解析】选C。点B、D在曲线上,处于平衡状态,故B、D项错误;在曲线上方的A点,当温度一定时,若达到平衡状态,则应减小NO的转化率,即反应逆向进行,所以A点的正反应速率小于逆反应速率,E点与A点相似,A项错误;同理推知,C点时的正反应速率大于逆反应速率,C项正确。
【易错提醒】曲线上的点都是平衡点。不在平衡线上的点,可以根据其转化率与平衡点上的转化率比较得出移动方向。
5.据报道,在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实。2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g),下列叙述错误的是 ( )
A.使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B.反应需在300 ℃进行可推测该反应是吸热反应
C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
【解析】选B。 使用催化剂可加快反应速率,A正确;反应温度与化学反应吸热放热没有关系,B错;增大一种反应物浓度可提高另一反应物转化率,C正确;减少生成物浓度可使平衡向右进行提高反应物转化率,D正确。
6.(2019·北京模拟)下列事实不能用平衡移动原理解释的是 ( )
【解析】选B。A.啤酒中存在平衡:CO2(g)CO2(aq),开启啤酒瓶,瓶中压强降低,平衡向气体体积增大的方向移动,即向生成CO2气体的方向移动,A项排除;B.反应H2(g)+I2(g)2HI(g)是一个反应前后气体分子数不变的反应,压强的改变并不能使平衡发生移动,此混合气体加压后颜色变深,是因为I2(g)
的浓度的增大,B项可选;C.实验室制取乙酸乙酯时,采用加热的方式将生成的乙酸乙酯不断蒸出,从而使平衡向生成乙酸乙酯的方向移动,C项排除;D.石灰岩地貌的形成与以下反应有关:CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2,固体的溶解和凝结的反反复复,涉及了平衡的移动,D项排除。
7.(2019·济南模拟)反应N2O4(g)2NO2(g) ΔH=57 kJ·mol-1,在温度为T1、T2时,平衡体系中NO2的体积分数随压强变化曲线如图所示。下列说法正确的是
( )
A.A、C两点的反应速率:A>C
B.A、C两点气体的颜色:A深,C浅
C.由状态B到状态A,可以用加热的方法
D.A、C两点气体的平均相对分子质量:A>C
【解析】选C。A、C两点温度相同而压强不同,增压会使平衡逆向移动,NO2的体积分数减小,但增压也会增大浓度,反应速率:A
0,请回答下列问题:
(1)在某温度下,反应物的起始浓度分别为:c(M)=1 mol·L-1,c(N)=2.4 mol·L-1;
5 min后反应达到平衡,M的转化率为60%,此时N的转化率为________;用M表示的反应速率为____________;该温度下反应的平衡常数K=________。
(2)若反应温度升高,M的转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)若反应温度不变,反应物的起始浓度分别为:c(M)=4 mol·L-1,c(N)=a mol·L-1;达到平衡后,c(P)=c(Q)=2 mol·L-1,a=________。
(4)若反应温度不变,反应物的起始浓度为c(M)=c(N)=b mol·L-1,达到平衡后,M的转化率为________。
【解析】(1)N的转化率为×100%=25%。
v(M)==0.12 moL·L-1·min-1。
该温度下:K==0.5
(2)因为反应热ΔH>0,是吸热反应,所以升高温度,平衡向正反应方向移动,M的转化率增大。
(3)根据反应 M(g) + N(g)P(g)+Q(g)
起始浓度(mol·L-1): 4 a 0 0
转化浓度(mol·L-1): 2 2 2 2
平衡浓度(mol·L-1): 2 a-2 2 2
根据温度不变,平衡常数不变的特点
K==0.5
得a=6。
(4)同理: M(g) + N(g)P(g)+Q(g)
起始浓度(mol·L-1): b b 0 0
转化浓度(mol·L-1): x x x x
平衡浓度(mol·L-1): (b-x) (b-x) x x
根据温度不变,平衡常数不变的特点,
K==0.5得x=0.41b
α(M)=×100%=41%。
答案:(1)25% 0.12 moL·L-1·min-1 0.5
(2)增大 (3)6 (4)41%
9.一定温度下,在容积固定的V L密闭容器中加入n mol A、2n mol B,发生反应:A(g)+2B(g)2C(g) ΔH<0,反应达平衡后测得平衡常数为K,此时A的转化率为x。
(1)一段时间后上述反应达到平衡。则下列说法中正确的是________(填字母)。
A.物质A、B的转化率之比为1∶2
B.起始时刻和达到平衡后容器中的压强之比为3n∶(3n-nx)
C.当2v正(A)=v逆(B)时,反应一定达到平衡状态
D.充入惰性气体(如Ar),平衡向正反应方向移动
(2)K和x的关系满足K=________。在保证A浓度不变的情况下,扩大容器的体积,平衡________(填字母)。
A.向正反应方向移动
B.向逆反应方向移动
C.不移动
(3)该反应的逆反应速率与时间的关系如图所示。
①由图可知,反应在t1、t3、t7时都达到了平衡,而t2、t8时都改变了一种条件,试判断改变的条件:
t2时___________________________________________________;
t8时___________________________________________________。
②t2时平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。
③若t4时降压,t5时达到平衡,t6时增大反应物的浓度,请在图中画出t4～t6时逆反应速率与时间的关系曲线。
【解析】(1)转化率=,故A、B的转化率相等,A项错误;
A(g) + 2B(g)2C(g)
n(始)(mol) n 2n 0
n(转)(mol) nx 2nx 2nx
n(平)(mol) n-nx 2n-2nx 2nx
p1∶p2=(n+2n)∶[(n-nx)+(2n-2nx)+2nx]=3n∶(3n-nx),B项正确;C项说明正、逆反应速率相等,可判断反应达到平衡,正确;D项充入Ar,反应物浓度并没改变,所以平衡不移动,错误。
(2)该反应达到平衡时,平衡常数K=。扩大容器体积时,c(B)和c(C)等比例减小,由于A的浓度不变,此时的值仍然等于K,所以平衡不移动。
(3)由于纵坐标只表示v逆,为了便于求解,在解题时可把v正补上,t2时平衡逆向移动,改变的条件可以是升温或增大C的浓度;t8时平衡不移动,改变的条件是使用了催化剂。
答案:(1)B、C (2) C
(3)①升温或增大C的浓度 使用催化剂 ②逆反应
③
10.工业合成氨中常用焦炭在高温下与水蒸气反应制取原料氢气,反应为:
C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH
(1)已知:2C(s)+O2(g)2CO(g) ΔH1=-221.4 kJ·mol-1
2H2(g)+O2(g)2H2O(l) ΔH2=-571.6kJ·mol-1
H2O(g)H2O(l) ΔH3=-44 kJ·mol-1
则反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)的ΔH= kJ·mol-1。
(2)某温度下,将1 mol C和2 mol水蒸气充入2 L的密闭容器中模拟水煤气的生成过程,测得反应物的量随时间的变化如下表所示。
时间/min
0
2
3
4
5
C/mol
1
0.8
0.75
0.7
0.7
H2O(g)/mol
2
1.8
1.75
1.7
1.7
①反应到2 min时,H2O(g)的转化率为________;0～4 min时,v(H2)= ________moL·L-1·min-1。
②关于上述反应叙述正确的是________(填编号)。
A.反应到2 min时,v(正)=v(逆)
B.混合气体的密度不再变化说明达到平衡状态
C.容器内的压强逐渐减小,说明v(正)>v(逆)
D.CO的体积分数在混合气体中保持不变说明已达平衡状态
③若容器容积不变,下列措施既能提高反应速率,又能增加氢气产率的是________。
A.升高温度
B.及时将CO从体系中分离出来
C.增加C的用量
D.压缩容器使体系总压强增大
【解析】(1)根据盖斯定律,可得C(s)+H2O(l)CO(g)+H2(g) ΔH=
-221.4 kJ·mol-1×+571.6 kJ·mol-1×-44 kJ·mol-1=131.1 kJ·mol-1。
(2)①反应到2 min时,Φ(H2O)=×100%=10%;0～4 min时,v(H2)== ÷4 min=0.037 5 moL·L-1·min-1。②反应到2 min时,未到平衡状态,反应继续向右进行,v(正)>v(逆),A项错误;在反应过程中容器的体积V不变,但混合气体的质量变化,若密度不再变化,说明反应已达到平衡,B项正确;混合气体的压强减小,说明平衡向左移动,则v(逆)>v(正),C项错误;CO的体积分数不再变化,说明已达平衡,D项正确。③正反应吸热,升温平衡右移并且速率增大,A项正确;将CO从体系中及时分离,反应速率降低,B项错误;增加C的用量对速率和平衡无影响,C项错误;增大压强,平衡向左移动,不能提高氢气的产率,D项错误。
答案:(1)131.1 (2)①10% 0.0375 ②B、D ③A
11.在密闭容器中发生反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH<0,该反应达到平衡后测得如下数据。
实验
序号
温度
(℃)
初始CO浓度
(mol·L-1)
初始H2O浓度
(mol·L-1)
CO的平衡
转化率
1
110
1
1
50%
2
100
1
1
x
3
110
0.8
y
60%
(1)实验1中,10 h后达到平衡,H2的平均反应速率为________mol·L-1·h-1。在此实验的平衡体系中,再加入0.5 mol CO和0.5 mol H2,平衡将________移动(填“向左”“向右”“不”或“无法确定”)。
(2)实验2中,x的值________(填序号)。
A.等于50% B.大于50%
C.小于50% D.无法确定
(3)实验3中的y值为________。
(4)在100 ℃条件下,能说明该反应达到平衡状态的是________。
A.压强不再变化
B.生成H2O的速率和消耗H2的速率相等
C.混合气体的密度不变
D.H2的质量不再变化
【解析】(1)根据反应速率的公式可得:v(CO)=1 mol·L-1×=0.05 mol·L-1·h-1,再根据速率之比等于化学计量数之比,v(H2)=v(CO)=0.05 mol·L-1·h-1。在该平衡体系中同时改变了反应物和生成物浓度,并且变化量一致,则Qc=K,故平衡不移动。(2)从题给信息可知,该反应的正反应为放热反应,
温度降低,平衡正向移动,故CO的平衡转化率增大,所以选B。(3)通过实验1可知在110 ℃时,该反应的K==1,温度一定,K一定,在实验3中,K==1,求得y=1.2。(4)反应前后压强始终不变,A错误;生成H2O的速率和消耗H2的速率为同一反应方向,B错误;混合气体的密度始终不变,C错误;H2的质量不再变化,说明反应达到平衡,D正确。
答案:(1)0.05 不 (2)B (3)1.2 (4)D
一、选择题
1.(2019·杭州模拟)反应NH4HS(s)NH3(g)+H2S(g)在某一温度下达到平衡时,下列各种情况中,不能使平衡发生移动的是 ( )
A.温度、容积不变时,通入SO2气体
B.加入一部分NH4HS固体
C.保持容器体积不变,充入氯化氢
D.保持容器体积不变,通入氯气
【解析】选B。通入SO2气体和氯气时均与H2S反应,通入氯化氢与NH3反应,均使平衡正向移动,而NH4HS是固体,对平衡移动无影响。
2.(2019·济南模拟)在温度和容积不变的条件下,发生反应:3Fe(s)+4H2O(g) Fe3O4(s)+4H2(g),能表明反应达到平衡状态的叙述是 ( )
A.容器内压强不再变化
B.Fe3O4的物质的量不变
C.v(H2O)=v(H2)
D.断裂4 mol H—O键的同时,断裂4 mol H—H键
【解析】选B。A,反应前后气体化学计量数之和相等,因此压强不变,不能说明反应达到平衡,故错误;B,物质的量不变,说明反应达到平衡,故正确;C,不同物质的反应速率,表示达到平衡,要求反应方向是一正一逆,且反应速率之比等于化学计量数之比,题目中没有指明反应进行的方向,故错误;D,1 mol水中含有2 mol H—O,因此应是断裂8 mol H—O键的同时有4 mol H—H键断裂,故错误。
3.(2019·湖北襄阳模拟)如图是可逆反应A+2B2C+D的化学反应速率与化学平衡随外界条件改变而改变的情况,由此可判断 ( )
A.正反应是吸热反应
B.若A、B是气体,则D是液体或固体
C.降温该反应的化学平衡常数减小
D.加压平衡正向移动,化学平衡常数增大
【解析】选B。由图象知,降低温度v'正>v'逆,平衡正向移动,正反应为放热反应,A项错误;由于降低温度平衡正向移动,降温化学平衡常数增大,C项错误;加压, v″正>v″逆,平衡正向移动,正反应应为气体分子数减小的反应,若A、B是气体,则D是液体或固体,B项正确;化学平衡常数只与温度有关,与压强无关,加压时化学平衡常数不变,D项错误。
4.一定温度下,将2 mol SO2和1 mol O2充入10 L恒容密闭容器中,发生反应: 2SO2(g) +O2(g)2SO3(g) ΔH=-196 kJ·mol-1。5 min时达到平衡,测得反应放热166.6 kJ。下列说法错误的是 ( )
A.0～5 min内,用O2表示的平均反应速率v(O2)=0.017 mol·L-1·min-1
B.的值不变时,该反应达到平衡状态
C.若增大O2的浓度,SO2的转化率增大
D.条件不变,若起始时充入4 mol SO2和2 mol O2,平衡时放出的热量小于333.2 kJ
【解析】选D。本题考查化学平衡移动原理的应用。A.5 min达到平衡反应放热166.6 kJ,由化学方程式可知,反应的氧气的物质的量为=0.85 mol,则0～5 min内,用O2表示的平均反应速率v(O2)=0.017 mol·L-1·min-1,正确;B.随着反应的进行,氧气物质的量逐渐减小,三氧化硫的物质的量逐渐增大,的值不变时,该反应达到平衡状态,正确;C.若增大O2的浓度,SO2的转化率增大,正确;D.条件不变,若起始时充入4 mol SO2和2 mol O2,若平衡与原平衡等效,平衡时放出的热量为原平衡放热的2倍,容器内压强增大,平衡正向移动,平衡时放出的热量大于333.2 kJ,错误。故选D。
5.一定量的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,在密闭容器中加入C,平衡向正方向移动
B.650 ℃时,反应达平衡后CO2的转化率为50.0%
C.T ℃时,若充入等体积的CO2和CO,平衡不移动
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
【解析】选C。550 ℃时,加入固体C,不影响平衡,A项错误;根据图示可知,在650 ℃时,CO的体积分数为40%,根据反应的化学方程式,设开始时加入了1 mol CO2,反应了x mol CO2,则有:
C(s)+CO2(g)2CO(g)
始态: 1 mol 0
变化: x mol 2x mol
平衡: (1-x) mol 2x mol
因此有×100%=40%,解得x=0.25,则CO2的平衡转化率为×100% =25%,B项不正确;T ℃时,平衡体系中v(CO2)=v(CO)、n(CO2)=n(CO),充入等体积的CO2和CO后平衡不移动,C项正确;925 ℃时,CO的体积分数为96%,故Kp===23.04p总,D项错误。
6.在425 ℃时,在1 L密闭容器中充入下列气体进行反应并达到平衡,分析如下示意图,不能从示意图中读出相关信息的选项是 ( )
A.同温同压下,只要投入物质比例适当,从正、逆方向都可以建立同一平衡状态
B.图(1)表示的反应为:H2(g)+I2(g)2HI(g)
C.图(1)中H2的转化率+图(2)中HI的转化率=100%
D.相同条件下,分别从正、逆方向建立等同的平衡状态,所需时间相同
【解析】选D。比较图(1)和图(2)可知,两平衡状态的c(HI)、c(H2)、c(I2)相同,图(1)表示的化学反应方程式为:H2(g)+I2(g)2HI(g),图(1)中H2的转化率为: ×100%=79%,图(2)中HI的转化率为:×100%=21%,故A、B、C正确。
7.(2019·成都模拟)已知反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=Q kJ·mol-1,在三个不同容积的容器中分别充入1 mol CO与2 mol H2,恒温恒容,测得平衡时CO的转化率如下表。
序号
温度/℃
容器体积
CO转化率
平衡压强/Pa
①
200
V1
50%
p1
②
200
V2
70%
p2
③
350
V3
50%
p3
下列说法正确的是 ( )
A.反应速率:③>①>②
B.平衡时体系压强:p1∶p2=5∶4
C.若容器体积V1>V3,则Q<0
D.若实验②中CO和H2用量均加倍,则CO转化率<70%
【解析】选C。①、②的温度相同,而CO转化率②>①,则②可看作在①的基础上加压,即V1>V2,因此反应速率:②>①,A错误;①与②比较,达到平衡时,平衡混合物的物质的量之比为5∶4,但V1与V2不相等,因此平衡时体系压强p1∶p2不等于5∶4,B错误;若容器体积V1>V3、温度相同,则①与③比较,CO的转化率③>①,而现在CO的转化率相同,则可看作在这个基础上③的平衡逆向移动,而升温平衡向吸热反应方向移动,即正向是放热反应,C正确;若实验②中CO和H2用量均加倍,则可看作在②的基础上压缩体积,CO转化率增大,D错误。
二、非选择题
8.(2019·全国卷Ⅱ节选)环戊二烯()是重要的有机化工原料,广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题:
(1)某温度下,等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应(g)+ I2(g)(g)+2HI(g) ΔH=+89.3 kJ·mol-1,起始总压为105 Pa,平衡时总压增加了20%,环戊烯的转化率为________,该反应的平衡常数Kp=________Pa。达到平衡后,欲增加环戊烯的平衡转化率,可采取的措施有________(填标号)。
A.通入惰性气体 B.提高温度
C.增加环戊烯浓度 D.增加碘浓度
(2)环戊二烯容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应。不同温度下,溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示,下列说法正确的是________(填标号)。
A.T1>T2
B.a点的反应速率小于c点的反应速率
C.a点的正反应速率大于b点的逆反应速率
D.b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L-1
【解析】(1)设起始加入反应物的物质的量都为1 mol,
(g)+I2(g)(g)+2HI(g)
起始(mol) 1 1 0 0
转化(mol) x x x 2x
平衡(mol) 1-x 1-x x 2x
反应后气体的总物质的量为2+x,平衡由压强之比等于气体物质的量之比知: =1.2,x=0.4,环戊烯的转化率为×100%=40%;反应后的气体的总压强为1.2×105 Pa,、I2、、HI的分压分别为×1.2×105 Pa=0.3×105 Pa、×1.2×105 Pa=0.3×105 Pa、×1.2×105 Pa=0.2×105 Pa、×1.2×105 Pa=0.4×
105 Pa,Kp= Pa≈3.56×104 Pa;达到平衡后,通入惰性气体对平衡没有影响,环戊烯的平衡转化率不变,A错误;反应是吸热反应,提高温度平衡向正反应方向移动,环戊烯的平衡转化率增大,B正确;增加环戊烯浓度,环戊烯的平衡转化率减小,C错误;增加碘浓度平衡向正反应方向移动,环戊烯的平衡转化率增大,D正确。
(2)由图知虚线对应的速率快,对应温度高,则T2>T1,A错误;由T2(c点)>T1(a点),但环戊二烯的浓度a点大于c点,则a点、c点的速率大小无法确定,B错误;a点、b点的温度相同,环戊二烯的浓度a点大于b点,则a点的正反应速率大于b点的正反应速率,b点没有达到平衡状态,则b点的正反应速率大于b点的逆反应速率,C正确;b点时环戊二烯的浓度减少0.9 mol·L-1,则b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L-1,D正确。
答案:(1)40% 3.56×104 BD (2)CD
9.(2019·成都模拟)对温室气体二氧化碳的研究一直是科技界关注的重点。在催化剂存在下用H2还原CO2是解决温室效应的重要手段之一,相关反应如下:
主反应:①CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH1
副反应:②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
已知H2和CH4的燃烧热分别为-285.5 kJ·mol-1和-890.0 kJ·mol-1
H2O(l)H2O(g) ΔH=+44 kJ·mol-1
(1)ΔH1=________kJ·mol-1。
(2)有利于提高CH4平衡产率的反应条件是(至少写两条)_________________ _________。工业上提高甲烷反应选择性的关键因素是__________________。
(3)T ℃时,若在体积恒为2 L的密闭容器中同时发生上述反应,将物质的量之和为5 mol的H2和CO2以不同的投料比进行反应,结果如图所示。若a、b表示反应物的转化率,则表示H2转化率的是________,c、d分别表示CH4(g)和CO(g)的体积分数,由图可知=________时,甲烷产率最高。
【解析】(1)根据已知有②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
③2H2(g)+O2(g)2H2O(l) ΔH3=-571.0 kJ·mol-1
④CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l) ΔH4=-890.0 kJ·mol-1
⑤H2O(l)H2O(g) ΔH5=+44 kJ·mol-1根据盖斯定律,由①=③×2-④+⑤×2,则CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=2ΔH3-ΔH4+2ΔH5=-164.0 kJ·mol-1;
(2)反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)是正方向为气体体积缩小的放热反应,降低温度和增大压强都有利于反应正向移动,提高CH4平衡产率;工业上提高甲烷反应选择性的关键因素是催化剂;
(3)随着比值的增大,氢气的转化率降低,则表示H2转化率的是b;随着比值的增大,氢气的量增多,一氧化碳的量减少,甲烷的量增加,故c为CH4(g)的体积分数,由图可知=4时,甲烷产率最高。
答案:(1)-164.0 (2)降低温度,增大压强 催化剂
(3)b 4
10.(2019·深圳模拟)CO还原脱硝技术可有效降低烟气中NOx的排放量。回答下列问题:
Ⅰ.CO 还原NO的脱硝反应:2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g) ΔH
(1)已知:①CO(g)+NO2(g)CO2(g)+NO(g) ΔH1=-226 kJ·mol-1
②N2(g)+2O2(g)2NO2(g) ΔH2=+68 kJ·mol-1
③N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH3=+183 kJ·mol-1
脱硝反应ΔH=________,该反应向正反应方向自发进行的倾向很大,其原因是________________________,有利于提高NO 平衡转化率的条件是___________ _____________________(写出两条)。
(2)以Mn3O4为脱硝反应的催化剂,研究者提出如下反应历程,将历程补充完整。
第一步:________________________;
第二步:3MnO2+2COMn3O4+2CO2。
(3)在恒温恒容的密闭容器中,充入等物质的量的CO 和NO 混合气体,加入Mn3O4发生脱硝反应,t0时达到平衡,测得反应过程中CO2的体积分数与时间的关系如图所示。
①比较大小:a处v正________b处v逆(填“>”“<”或“=”)。
②NO 的平衡转化率为________。
Ⅱ.T ℃时,在刚性反应器中发生如下反应:CO(g)+NO2(g)CO2(g)+NO(g),化学反应速率v=kpm(CO)pn(NO2),k为化学反应速率常数。研究表明,该温度下反应物的分压与化学反应速率的关系如下表所示:
(4)若反应初始时p(CO)=p(NO2)=a kPa,反应t min时达到平衡,测得体系中p(NO)=b kPa,则此时v=________ kPa·s-1(用含有a和b的代数式表示,下同),该反应的化学平衡常数Kp=________(Kp是以分压表示的平衡常数)。
【解析】(1)根据盖斯定律,由①×2+②-③×2,得到2CO(g)+2NO(g)2CO2(g) +N2(g) ΔH=-226 kJ·mol-1×2+68 kJ·mol-1-183 kJ·mol-1×2=-750 kJ·mol-1。该反应向正反应方向自发进行的倾向很大,其原因是该反应为放热量大的反应,有利于提高NO平衡转化率的条件是降温、升压、增大CO和NO的投料比等。
(2)脱硝总反应为2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g),第一步+第二步即为总反应,则总反应-第二步反应,得到第一步反应:Mn3O4+2NO3MnO2+N2。(3)①a点反应正向进行,v正>v逆,b点反应达到平衡状态v正=v逆,a处v正>b处v逆。②在恒温恒容的密闭容器中,充入等物质的量的CO和NO混合气体,设CO和NO物质的量为1 mol,图象得到二氧化碳体积分数50%,设生成氮气为x,
2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g)
起始量(mol) 1 1 0 0
变化量(mol) 2x 2x 2x x
平衡量(mol) 1-2x 1-2x 2x x
=50%,x=0.4 mol,NO的平衡转化率=×100%=80%。
(4)化学反应速率v=kpm(CO)pn(NO2),k为化学反应速率常数,结合图表数据变化得到m=1,n=1,据此计算速率平衡常数k= kPa-1·s-1,利用三量法:
CO(g)+NO2(g)CO2(g)+NO(g)
起始量(kPa) a a 0 0
变化量(kPa) b b b b
平衡量(kPa) a-b a-b b b
此时v=kp(CO)p( NO2)=×(a-b)(a-b)=9×10-5(a-b)2 kPa·s-1,反应前后气体物质的量不变,气体压强不变,可以利用气体压强代替气体分压计算平衡常数,K=。
答案:(1)-750 kJ·mol-1 该反应为放热量大的反应 降温、升压、增大CO和NO的投料比等 (2)Mn3O4+2NO3MnO2+N2 (3)①> ②80% (4)9×10-5(a-b)2
11.(2019·武汉模拟)CO2既是温室气体,也是重要的化工原料,二氧化碳的捕捉和利用是我国能源领域的一个重要战略方向。
(1)用活性炭还原法可以处理汽车尾气中的氮氧化物,某研究小组向某密闭容器加入一定量的活性炭和NO,发生反应C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g) ΔH,在T1 ℃时,反应进行到不同时间测得各物质的量浓度如下:
①若30 min后升高温度至T2 ℃,达到平衡时,容器中NO、N2、CO2的浓度之比为2∶3∶3,则达到新平衡时NO的转化率________(填“升高”或“降低”), ΔH________0(填“>”或“<”)。
②根据表中数据分析T1 ℃时,该反应在0～10 min内的平均反应速率v(N2)= ________mol·L-1·min-1。
③若30 min后只改变某一条件,据上表中的数据判断改变的条件可能是________(填字母编号)。
A.加入合适的催化剂 B.适当缩小容器的体积
C.通入一定量的NO D.加入一定量的活性炭
(2)工业上用CO2和H2反应合成二甲醚。已知:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.1 kJ·mol-1
2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-24.5 kJ·mol-1
写出CO2(g)和H2(g)转化为CH3OCH3(g)和H2O(g)的热化学方程式:__________。
(3)二甲醚燃料电池具有能量转化率高、电量大的特点而被广泛应用,一种二甲醚氧气电池(电解质为KOH溶液)的负极反应式为______________。
(4)常温下,用NaOH溶液作CO2捕捉剂不仅可以降低碳排放,而且可得到重要的化工产品Na2CO3。若某次捕捉后得到pH=10 的溶液,则溶液中c(C)∶c(HC) =________。[常温下K1(H2CO3)=4.4×10-7、 K2(H2CO3)=5×10-11]
【解析】(1)①由20 min平衡时NO、N2、CO2的浓度之比为0.40∶0.80∶0.80= 1∶2∶2,30 min后升高温度至T2 ℃,达到平衡时,容器中NO、N2、CO2的浓度之比为:2∶3∶3,可知升高温度平衡逆向移动,达到新平衡时NO的转化率降低,正反应为放热反应,ΔH<0。③加入合适的催化剂,平衡不移动,与图象不符,A项错误; 适当缩小容器的体积,平衡不移动,但浓度均增大,与图象符合,B项正确;通入一定量的NO,平衡正向移动,反应物、生成物浓度均增大,与图象符合,C项正确;加入一定量的活性炭,平衡不移动,与图象不符,D项错误。(3)二甲醚氧气电池(电解质为KOH溶液),负极上CH3OCH3失去电子生成碳酸根离子,负极反应式为CH3OCH3-12e-+16OH-2C+11H2O。
答案:(1)①降低 < ②0.042 ③B、C
(2)2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)
ΔH=-122.7 kJ·mol-1
(3)CH3OCH3-12e-+16OH-2C+11H2O
(4)1∶2或0.5
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