2020_2021学年新教材高中化学第2章化学反应的方向限度与速率单元素养评价二含解析鲁科版选择性必修1
单元素养评价(二)
(第2章)
(90分钟 100分)
一、选择题:本题包括8小题,每小题2分,共16分。每小题只有一个选项符合题意。
1.下列说法正确的是 ( )
A.反应产物的总能量大于反应物的总能量时,ΔH<0
B.已知反应H2(g)+I2(g)2HI(g)的平衡常数为K,则2H2(g)+2I2(g)4HI(g)的平衡常数为2K
C.ΔH<0、ΔS>0的反应在低温时不能自发进行
D.在其他外界条件不变的情况下,使用催化剂不能改变化学反应进行的方向
【解析】选D。ΔH=生成物能量和-反应物能量和,当反应产物的总能量大于反应物的总能量时,ΔH>0,A项错误;相同温度下,化学计量数变为原来的n倍,则化学平衡常数为原来的n次方,所以反应2H2(g)+2I2(g)4HI(g)的平衡常数为K2,B项错误;根据ΔH-TΔS判断,ΔH<0、ΔS>0,则ΔH-TΔS<0,反应在任何温度下都能自发进行,C项错误;催化剂只改变反应速率,不改变化学反应进行的方向,D项正确。
【补偿训练】
(2020·徐州高二检测)研究化学反应进行的方向对于反应设计等具有重要意义,下列说法正确的是 ( )
A.ΔH<0、ΔS>0的反应在温度低时不能自发进行
B.在其他外界条件不变的情况下,汽车排气管中使用催化剂,可以改变产生尾气的反应方向
C.反应CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)在室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH<0
D.一定温度下,反应MgCl2(l)Mg(l)+Cl2(g)的ΔH>0、ΔS>0
【解析】选D。A项,ΔH<0、ΔS>0,则ΔG<0,任何温度下反应都能自发进行,错误;B项,使用催化剂只能改变反应速率,不能改变反应的方向,错误;C项,CaCO3(s)的分解反应为吸热反应,ΔH>0,错误;D项,MgCl2(l)分解生成Cl2(g)反应的ΔS>0,ΔH>0,正确。
2.(2020·合肥高二检测)一定温度下,某恒容密闭容器中存在如下平衡:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-105 kJ·mol-1。下列事实能说明此容器中的反应已达到平衡状态的是 ( )
A.ΔH保持不变
B.气体密度保持不变
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C.容器中总压保持恒定
D.v逆(CO)=2v正(H2)
【解析】选C。一个确定反应的ΔH是定值,A项错误;因容器容积不变,且物质全部是气体,故密度保持不变,B项错误;由于该反应是一个气体分子数目发生变化的反应,故当压强保持不变时反应达到平衡状态,C项正确;当v逆(CO)=0.5v正(H2)时,反应达到平衡状态,D项错误。
【补偿训练】
(2020·萍乡高二检测)反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)在恒温恒容密闭容器中进行,下列可作为判断其达到平衡状态的标志的是 ( )
①SO2和SO3的浓度相等
②SO2的质量分数保持不变
③容器中气体的压强保持不变
④SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等
⑤容器中混合气体的密度保持不变
⑥容器中气体的平均摩尔质量保持不变
⑦2v正(SO2)=v逆(O2)
⑧单位时间内生成n mol O2的同时消耗 2n mol SO3
A.①②④⑤ B.②③⑦⑧
C.②③⑤⑥ D.②③⑥
【解析】选D。判断一个化学反应达到平衡状态依据的原则是“变量不变达平衡”。①反应物和生成物的浓度不变时达到平衡状态,而不是浓度相等,错误;②SO2的质量分数是变量,不变时达到平衡状态,正确;③反应在恒容密闭容器中进行,且该反应是反应前后气体分子数发生变化的反应,故容器中气体的压强是变量,当压强不变时达到平衡状态,正确;④SO3的生成速率与SO2的消耗速率是同一个反应方向,一定相等,错误;⑤容器的容积固定,气体的质量固定,混合气体的密度是定量,错误;⑥反应前后气体的物质的量发生变化,而气体总质量不变,因此当容器内气体的平均摩尔质量保持不变时,一定达到平衡状态,正确;⑦正确的关系式为v正(SO2)=2v逆(O2),错误;⑧单位时间内生成n mol O2的同时消耗2n mol SO3,这个关系一直存在,与是否达到平衡无关,错误。
3.(2020·深圳高二检测)只改变一个影响因素,平衡常数K与化学平衡移动的关系叙述错误的是 ( )
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A.K值不变,平衡可能移动
B.K值变化,平衡一定移动
C.平衡移动,K值可能不变
D.平衡移动,K值一定变化
【解析】选D。平衡常数与化学平衡移动的关系:K值变化,平衡一定移动;平衡移动,K值不一定变化。
4.(2020·黄冈高二检测)已知反应①:CO(g)+CuO(s)CO2(g)+Cu(s)和反应②:H2(g)+CuO(s)Cu(s)+H2O(g)在相同的某温度下的平衡常数分别为K1和K2,该温度下反应③:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的平衡常数为K。则下列说法正确的是 ( )
A.反应①的平衡常数K1=
B.反应③的平衡常数K=
C.对于反应②,若恒容时,温度升高,H2浓度减小,则该反应平衡常数也会减小
D.对于反应③,恒温恒容下,增大H2浓度,平衡常数K一定会减小
【解析】选B。在书写平衡常数表达式时,纯固体不能出现在平衡常数表达式中,A错误;由于反应③=反应①-反应②,因此平衡常数K=,B正确;反应②中,温度升高,H2浓度减小,则平衡右移,生成物浓度增大,因此K2会增大,C错误;对于反应③,在恒温恒容下,增大H2浓度,平衡会向左移动,但由于温度没有发生变化,平衡常数K不变,D错误。
5.燃煤产生的气体中主要的污染物为SO2,一定条件下,通过下列反应可实现燃煤烟气中硫的回收:SO2(g)+2CO(g)2CO2(g)+S(l) ΔH<0。若反应在恒容的密闭容器中进行,下列有关说法正确的是( )
A.平衡前,随着反应的进行,容器内压强始终不变
B.平衡时,其他条件不变,分离出硫,正反应速率加快
C.平衡时,其他条件不变,升高温度可提高SO2的转化率
D.其他条件不变,使用不同催化剂,该反应的平衡常数不变
【解析】选D。S为液体,正反应是气体分子数目减小的反应,随着反应的进行,气体的物质的量减小,压强减小,A项错误;硫是液态生成物,分离出硫后正反应速率不变,B项错误;此反应是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,SO2的转化率降低,C项错误;化学平衡常数只受温度的影响,温度不变,化学平衡常数不变,D项正确。
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6.常温常压时烯烃与氢气混合不反应,高温时反应很慢,但在适当的催化剂存在时可与氢气反应生成烷烃,一般认为加氢反应是在催化剂表面进行。反应过程的示意图如下: 世纪金榜导学号
下列说法中正确的是 ( )
A.乙烯和H2生成乙烷的反应是吸热反应
B.加入催化剂,可减小反应的热效应
C.催化剂能改变平衡转化率,不能改变化学平衡常数
D.催化加氢过程中金属氢化物的一个氢原子和双键碳原子先结合,得到中间体
【解析】选D。根据图示,反应物的能量高于产物的能量,所以该反应是放热反应,故A错误;催化剂只会加快反应速率,不会引起反应热的变化,反应的热效应不变,故B错误;催化剂只会加快反应速率,不能改变平衡转化率,不能改变化学反应的平衡常数,故C错误;根据化学反应的历程:催化加氢过程中金属氢化物的一个氢原子和双键碳原子先结合,得到中间体,故D正确。
【补偿训练】
(2020·成都高二检测)已知反应:CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)。起始以物质的量之比为1∶1充入反应物,不同压强条件下,H2的平衡转化率随温度的变化情况如图所示(M、N点标记为▲)。下列有关说法正确的是 ( )
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A.上述反应的ΔH<0
B.N点时的反应速率一定比M点的快
C.降低温度,H2的转化率可达到100%
D.工业上用此法制取甲烷应采用更高的压强
【解析】选A。根据图象可知,随着温度的升高,H2的平衡转化率降低,说明平衡向逆反应方向移动,根据勒·夏特列原理,正反应为放热反应,ΔH<0,A项正确;N点压强大于M点的,M点温度高于N点的,因此无法确定两点的反应速率快慢,B项错误;此反应是可逆反应,不能完全进行到底,C项错误;控制合适的温度和压强,既能保证反应速率较快,也能保证H2有较高的转化率,采用更高的压强对设备的要求更高,增加经济成本,D项错误。
7.(2020·六安高二检测)某温度下,在一个2 L的密闭容器中加入4 mol A和2 mol B进行如下反应:3A(g)+2B(g)4C(s)+D(g),反应2 min后达到平衡,测得生成1.6 mol C,下列说法正确的是 ( )
A.前2 min D的平均反应速率为0.2 mol·L-1·min-1
B.此时,B的平衡转化率是40 %
C.增大该体系的压强,平衡不移动,化学平衡常数不变
D.增加B,平衡向右移动,B的平衡转化率增大
【解析】选B。生成1.6 mol C的同时消耗0.8 mol B、生成0.4 mol D,则前
2 min,v(D)==0.1 mol·L-1·min-1,B的平衡转化率为×100 %=40 %,A错、B对;增大该体系的压强,平衡向正反应方向移动,但平衡常数不变,C错;增加B,平衡向右移动,A的平衡转化率增大但B的平衡转化率减小,D错。
8.(2020·温州高二检测)探究2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O反应速率的影响因素,有关实验数据如下表所示:
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实
验
编
号
温度
(℃)
催化
剂用
量(g)
酸性KMnO4溶液
H2C2O4溶液
KMnO4溶液褪色平均时间(min)
体积(mL)
浓度(mol·L-1)
体积(mL)
浓度(mol·L-1)
1
25
0.5
4
0.1
8
0.2
12.7
2
80
0.5
4
0.1
8
0.2
a
3
25
0.5
4
0.01
8
0.2
6.7
4
25
0
4
0.01
8
0.2
b
下列说法不正确的是 ( )
A.a<12.7,b>6.7
B.用KMnO4表示该反应速率,v(实验3)>v(实验1)
C.用H2C2O4表示该反应速率,v(实验1)约为6.6×10-3 mol·L-1·min-1
D.可通过比较收集相同体积CO2所消耗的时间来判断反应速率快慢
【解析】选B。第2组,温度高,速率快,a<12.7,第4组,没有用催化剂,速率慢,b>6.7,故A正确;实验3,用的KMnO4浓度低,用KMnO4表示该反应速率,v(实验3)
v逆
【解析】选A、B。由图象可知压强一定时,温度越高,甲烷的平衡转化率越高,故正反应为吸热反应,ΔH>0,A项错误;该反应为气体分子数增加的反应,压强越大,甲烷的平衡转化率越小,故压强p4>p3>p2>p1,B项错误;p4时,1 100 ℃时,甲烷的平衡转化率为80.00%,故平衡时各物质的浓度分别为c平(CH4)=0.02 mol·L-1,
c平(CO2)=0.02 mol·L-1,c平(CO)=0.16 mol·L-1,c平(H2)=0.16 mol·L-1,C项正确;压强为p4时,y点未达到平衡,需增大CH4的转化率来达到平衡,此时v正>v逆,D项正确。
【补偿训练】
(2020·酒泉高二检测)在相同温度下,将H2和N2两种气体按不同比例通入相同的恒容密闭容器中,发生反应:3H2+N22NH3。表示起始时H2和N2的物质的量之比,且起始时H2和N2的物质的量之和相等。下列图象正确的是( )
【解析】选D。A中,随着的增大,氢气含量增多,氢气的平衡转化率降低,A错误;随着
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的增大,氢气含量增多,混合气体的质量减小,B错误;随着的增大,氢气含量增多,氮气的平衡转化率增大,C错误;随着的增大,氢气含量增多,混合气体的质量减少,则混合气体的密度减小,D正确。
10.(2020·青岛高二检测)现有容积均为2 L的甲、乙、丙3个恒容密闭容器,向这3个容器中均加入0.20 mol N2、0.52 mol H2,进行合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。图1表示不同反应条件下N2的浓度随时间的变化,图2表示其他条件相同,温度分别为T1、T2、T3且恒定不变,达到平衡时NH3的质量分数。
下列判断不正确的是 ( )
A.图2中反应速率最快的是容器丙
B.图1中容器乙的反应可能使用了催化剂
C.图1中容器乙0～5 min内v(N2)=0.012 mol·L-1·min-1
D.图1中容器丙内反应的平衡常数为2.5 L2·mol-2
【解析】选C。温度越高反应速率越快,丙温度最高,反应速率最快,A项正确;图1中甲、乙两容器的平衡浓度相同,但乙达到平衡时所用的时间短,容器乙的反应可能使用了催化剂,B项正确;图1中容器乙在0～5 min内,v(N2)=
mol·L-1·min-1=0.008 mol·L-1·min-1,C项错误;根据反应的“三段式”进行计算:
N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)
起始(mol·L-1) 0.10 0.26 0
变化(mol·L-1) 0.02 0.06 0.04
平衡(mol·L-1) 0.08 0.2 0.04
图1中容器丙内反应的平衡常数K==2.5(L2·mol-2),D项正确。
【补偿训练】
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1.(2020·茂名高二检测)下面是某化学研究小组探究外界条件对化学反应速率和化学平衡影响时所画的图象,其中图象和实验结论表达均正确的是 ( )
A.①是其他条件一定时,反应速率随温度变化的图象,正反应ΔH<0
B.②是在平衡体系的溶液中溶入少量KCl晶体后化学反应速率随时间变化的图象
C.③是在有、无催化剂存在下建立平衡过程的图象,a表示使用催化剂时的曲线
D.④是一定条件下,向含有一定量A的容器中逐渐加入B时的图象,压强p1>p2
【解析】选C。根据图象①,升高温度,平衡正向移动,正反应ΔH>0,A错;②反应实质是Fe3++3SCN-Fe(SCN)3,K+和Cl-不参加化学反应,KCl浓度增大不影响化学平衡,B错;③使用催化剂,反应速率增大,先达到平衡,C正确;④反应为反应前后气态物质化学计量数不变的化学反应,改变压强不影响平衡状态,即不影响A的转化率,且不断加入B,A的转化率增大,D错。
2.(2020·来宾高二检测)某密闭容器中充入等物质的量的气体A和B,一定温度下发生反应:A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,只改变反应的一个条件,测得容器中物质的浓度、反应速率随时间变化如下图所示。下列说法中正确的是
( )
A.8 min时表示正反应速率等于逆反应速率
B.前20 min A的反应速率为0.05 mol·L-1·min-1
C.反应方程式中的x=1,30 min时表示增大压强
D.40 min时改变的条件是升高温度,且正反应为吸热反应
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【解析】选B。8 min时B、C的浓度相等,此时反应向正反应方向进行,即正反应速率大于逆反应速率,A项错;前20 min A的反应速率为v(A)===0.05 mol·L-1·min-1,B项正确;在反应中,B、C的物质的量浓度变化之比为1∶2,根据化学方程式可知x=1,故该反应为气体体积不变的反应,即反应过程中气体的压强不变,增大压强,B、C的物质的量浓度都将增大,C项错;升高温度,平衡向吸热反应方向移动,即逆反应为吸热反应,D项错。
3.(2020·海口高二检测)在容积为2 L的恒容密闭容器中发生反应xA(g)+yB(g)zC(g),图Ⅰ表示200 ℃时容器中A、B、C的物质的量随时间的变化关系,图Ⅱ表示不同温度下达到平衡时C的体积分数随起始的变化关系。则下列结论正确的是 ( )
A.200 ℃时,反应从开始到平衡的平均速率v(B)=0.04 mol·L-1·min-1
B.由图Ⅱ可知反应xA(g)+yB(g)zC(g)的ΔH<0,且a=2
C.若在图Ⅰ所示的平衡状态下,再向体系中充入He,重新达到平衡前v(正)>v(逆)
D.200 ℃时,向容器中充入2 mol A和1 mol B,达到平衡时,A的体积分数小于0.5
【解析】选D。由图Ⅰ可知,反应从开始到平衡v(B)==
0.02 mol·L-1·min-1,A错误。由图Ⅰ知,达到平衡时,A、B、C的物质的量的变化量分别为0.4 mol、0.2 mol、0.2 mol,A、B、C的化学计量数之比为2∶1∶1,所以a=2,且平衡时,C的体积分数最大,但根据图Ⅱ可知,n(A)∶n(B)一定时,温度升高,平衡时C的体积分数增大,说明升高温度,平衡正向移动,正反应是吸热反应,ΔH>0,B错误。向恒容的反应体系中充入He,平衡不移动,C错误。由图Ⅰ知,起始充入0.8 mol A、0.4 mol B,达到平衡时A、B、C的物质的量分别是
0.4 mol、0.2 mol、0.2 mol,A的体积分数是=0.5,现充入2 mol A和1 mol B,相当于增大压强,平衡正向移动,所以反应达到平衡时,A的体积分数小于0.5,D
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正确。
11.(双选)在一密闭容器中加入等物质的量的A、B,发生如下反应:2A(g)+2B(g)3C(s)+4D(g),平衡常数随温度和压强的变化如表所示: 世纪金榜导学号
下列判断正确的是 ( )
A.g=f
B.ΔH<0
C.2.0 MPa、800 ℃时,A的转化率最小
D.1.5 MPa、300 ℃时,B的转化率为50 %
【解析】选A、D。平衡常数只与温度有关,温度不变,K不变,所以g=f,A项正确;由表格中的数据可知,平衡常数随温度升高而增大,故正反应为吸热反应,ΔH>0,B项错误;该反应为吸热反应,温度越高,平衡常数越大,A的转化率越大,C项错误;该反应为反应前后气体分子数不变的反应,即压强一定时,气体体积不变。设加入A、B的物质的量为a mol,转化量为x mol,容器体积为V L,则达平衡时,A、B为(a-x) mol,D为2x mol,则有=16,解得=,故B的转化率为50%,D项正确。
12.(2020·丰台区高二检测)三氯氢硅(SiHCl3)又称硅氯仿。甲硅烷的三氯代物。为一种易流动的无色液体,是光伏产业的一种关键化学原料。三氯氢硅制备反应的方程式为Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g),同时还有其他副反应发生。当反应体系的压强为0.05 MPa时,分别改变进料比[n(HCl)∶n(Si)]和反应温度,二者对SiHCl3产率影响如图所示。下列说法正确的是 ( )
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A.降低压强有利于提高SiHCl3的产率
B.制备SiHCl3的反应为放热反应
C.温度为450 K,平衡常数:K(x)>K(y)>K(z)
D.增加HCl的用量,SiHCl3的产率一定会增加
【解析】选B。Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)的反应正向为气体体积减小的方向,由于降低压强平衡向气体体积增大的方向移动,则对应此反应降低压强平衡向逆向移动,SiHCl3的产率会降低,故A错误;如图所示,升高温度,曲线是向下倾斜的,即升高温度,SiHCl3的产率会降低,则升温平衡向逆向移动,逆向为吸热反应 ,则正向为放热反应,故B正确;平衡常数与温度有关,温度不变,平衡常数是一个定值,则温度为450 K,平衡常数:K(x)=K(y)=K(z),故C错误;如图所示,当n(HCl)∶n(Si)的进料比由1∶1增大到3∶1时,SiHCl3的产率是增加的,当增大到6∶1时,SiHCl3的产率反而减小,故D错误。
三、非选择题:本题包括4小题,共68分。
13.(17分)(2020·聊城高二检测)顺-1,2-二甲基环丙烷和反-1,2-二甲基环丙烷可发生如下转化:
该反应的速率方程可表示为v(正)=k(正)c(顺)和v(逆)=k(逆)c(反),k(正)和k(逆)在一定温度时为常数,分别称作正、逆反应速率常数。回答下列问题:
(1)已知:T1温度下,k(正)=0.006 s-1,k(逆)=0.002 s-1,该温度下反应的平衡常数值K1=___________; 该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆),则ΔH ________0(填“小于”“等于”或“大于”)。
(2)T2温度下,图中能表示顺式异构体的质量分数随时间变化的曲线是____________(
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填曲线编号),平衡常数值K2=_______________________;
温度T2_______________T1(填“小于”“等于”或“大于”),判断理由是
_______________________。
【解析】(1)根据v(正)=k(正)c(顺),k(正)=0.006 s-1,则v(正)=0.006c(顺);v(逆)=k(逆)c(反),k(逆)=0.002 s-1,则v(逆)=0.002c(反),化学平衡状态时正、逆反应速率相等,则0.006c(顺)=0.002c(反),即0.006c平(顺)=0.002c平(反),K1===3;该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆),说明断键吸收的能量小于成键释放的能量,即该反应为放热反应,则ΔH小于0。
(2)随着时间的推移,顺式异构体的质量分数不断减少,且反应速率越来越小,则符合条件的曲线是B;设顺式异构体的起始浓度为x,该可逆反应的反应物和生成物化学计量数相等,均为1,则平衡时,顺式异构体浓度为0.3x,反式异构体浓度为0.7x,所以平衡常数值K2=0.7x÷0.3x=,因为K1>K2,放热反应升高温度时平衡向逆反应方向移动,所以温度T2大于T1。
答案:(1)3 小于 (2)B 大于 放热反应升高温度时平衡向逆反应方向移动
【互动探究】(1)T2温度下,该反应的逆反应的平衡常数是多少?
提示:K===。
(2)T1温度下,某时刻该反应的c(反)∶c(顺)=3.5,此时化学反应进行的方向如何?
提示:T1温度下,某时刻c(反)∶c(顺)=3.5>3,此时v(逆)>v(正),反应向逆反应方向进行。
14.(20分)亚硝酰氯(ClNO)是有机合成中的重要试剂,可通过反应2NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g)获得。 世纪金榜导学号
(1)氮氧化物与悬浮在大气中的海盐粒子相互作用时会生成亚硝酰氯,涉及以下反应:
①2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+ClNO(g) K1
②4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g) K2
③2NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g) K3
则K3=____________(用K1和K2表示)。
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(2)已知几种化学键的键能数据如表所示(亚硝酰氯的结构为Cl—NO):
化学键
N≡O
Cl—Cl
Cl—N
NO
键能/kJ·mol-1
630
243
a
607
则反应2NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g)的ΔH=_________ kJ·mol-1(用含a的代数式表示)。
(3)按投料比n(NO)∶n(Cl2)=2∶1把NO和Cl2加入一恒压的密闭容器中发生反应,平衡时NO的转化率与温度T、压强p(总压)的关系如图A所示:
①该反应的ΔH____________(填“>”“<”或“=”)0。
②在压强为p的条件下,M点时容器内NO的体积分数为____________。
③若反应一直保持在压强为p条件下进行,则M点的压强平衡常数Kp=____________(用含p的表达式表示,用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×体积分数)。
(4)一定条件下在恒温恒容的密闭容器中按一定比例充入NO(g)和Cl2(g),平衡时ClNO的体积分数(φ)随的变化关系如图B所示。则A、B、C三点对应状态中,NO的转化率最大的是____________点,当=1.5时,达到平衡状态时ClNO的体积分数φ可能对应D、E、F三点中的____________点。
【解析】(1)由①×2-②可得③,则K3=。(2)根据ΔH=反应物总键能-生成物总键能,知ΔH=2×630 kJ·mol-1+243 kJ·mol-1-2×(a kJ·mol-1+607 kJ·mol-1)
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=(289-2a) kJ·mol-1。(3)①根据图A,温度升高,NO的平衡转化率降低,说明平衡向逆反应方向移动,则该反应的正反应为放热反应,ΔH<0。②在压强为p条件下,M点时容器内NO的平衡转化率为50 %,设起始时NO、Cl2分别为a mol、
0.5a mol,则平衡时NO为0.5a mol、Cl2为0.25a mol、ClNO为0.5a mol,NO的体积分数为×100 %=40 %。③M点NO的体积分数为40 %、Cl2的体积分数为20 %、ClNO的体积分数为40 %,则Kp==。(4)随着增大,相当于不断向反应容器中充入NO,反应正向进行,φ(ClNO)增大,但NO的转化率逐渐减小,故A、B、C三点对应状态中,NO的转化率最大的为A点。当=1.5时,φ(ClNO)增大,所以应该是D点。
答案:(1) (2)(289-2a) (3)①< ②40 % ③ (4)A D
【补偿训练】
(2020·石家庄高二检测)能源问题是人类社会面临的重大课题,甲醇是一种可再生能源,具有广阔的开发和应用前景,研究甲醇具有重要意义。
(1)用CO合成甲醇的反应为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g);在容积为1 L的密闭容器中分别充入1 mol CO和2 mol H2,实验测得甲醇的物质的量和温度、时间的关系曲线如图甲所示。
则正反应的ΔH____________(填“<”“>”或“=”)0,判断的理由是________________________。
(2)利用工业废气中的CO2可制取甲醇,其反应为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0。为探究用CO2生产燃料甲醇的反应原理,现进行如下实验:在恒温条件下,向一容积为1 L的密闭容器中,充入1 mol CO2和3 mol H2,进行上述反应。测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化的曲线如图乙所示。从反应开始到达平衡状态, v(H2)=____________;
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该温度下的平衡常数数值K=____________。能使平衡体系中增大的措施有________________________(任写一条)。
(3)工业上利用甲醇制备氢气的常用方法有两种。
①甲醇蒸气重整法。主要反应为CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol CH3OH(g),体系压强为p1,在一定条件下达到平衡状态时,体系压强为p2,且=2.2,则该条件下CH3OH(g)的平衡转化率为________________________。
②甲醇部分氧化法。在一定温度下以Ag/CeO2-ZnO为催化剂时,原料气比例对反应的选择性(选择性越大,表示生成的该物质越多)影响关系如图丙所示。则当=0.25时,CH3OH与O2发生的主要反应的化学方程式为 ____________。
在制备H2时最好控制=____________。
【解析】(1)从图上看,温度由300 ℃升高到500 ℃,平衡时甲醇的物质的量减小,即升高温度平衡逆向移动,说明逆反应为吸热反应,则正反应为放热反应。
(2)v(H2)=3v(CO2)=×3=0.225 mol·L-1·min-1。反应达到平衡时,CO2、H2、CH3OH、H2O的物质的量浓度分别为0.25 mol·L-1、0.75 mol·L-1、0.75
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mol·L-1、0.75 mol·L-1,该温度下平衡常数K==(mol·L-1)-2。要使增大,即改变条件后,平衡正向移动,因该反应是气态物质系数减小的放热反应,故可通过降低温度(或增大压强或增大H2的浓度)等方法实现。
(3)①反应达到平衡时,反应体系中各物质总物质的量:0.6 mol×2.2=1.32 mol。
CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) Δn
1 mol 2 mol
n(CH3OH) 0.72 mol
n(CH3OH)=0.36 mol,甲醇的转化率:×100 %=60 %。
②从图中可以看出,=0.25时,HCHO的选择性最大,则反应的化学方程式为2CH3OH+O22HCHO+2H2O。从图中可以看出,=0.5时,H2的选择性最大。
答案:(1)< 温度升高,平衡时甲醇的量减少,平衡逆向移动,则正反应放热
(2)0.225 mol·L-1·min-1 降低温度(或增大压强或增大H2的浓度等) (3)①60%
②2CH3OH+O22HCHO+2H2O 0.5
15.(14分)(2020·淮安高二检测)以赤铁矿为原料,利用高炉炼铁的基本反应为 世纪金榜导学号
i.Fe2O3(s)+3CO2Fe(s)+3CO2(g) ΔH1
其中CO产生的反应是:
ii.C(焦炭,s)+O2(空气,g)CO2(g) ΔH2<0
iii.C(焦炭,s)+CO2(g)2CO(g) ΔH3>0
(1)以焦炭炼铁的反应:3C(焦炭,s)+2Fe2O3(s)4Fe(s)+3CO2(g)的ΔH=________________________(请用含ΔH1、ΔH2或ΔH3的式子表示)。
(2)反应i的平衡常数与温度的关系如下表,请回答:
温度/℃
1 000
1 150
1 300
平衡常数K
64.0
50.6
42.9
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①当反应温度为1 150 ℃,高炉中n(CO)∶n(CO2)=4∶1时,v正____________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。
②已知高炉容积V L,反应温度1 000 ℃。若提供给i反应的CO共2.24×103 L(已折算标准状况),该反应经过t min达平衡,则CO2在此段时间的反应速率为____________(用V、t代数式表示)。
(3)T ℃下,初始体积均为2 L,初始压强均为100 kPa的甲(固定体积),乙(固定压强)两容器中各充入2 mol CO进行反应iii,达平衡时甲中气体压强变为原来的倍。请回答:
①下列可以判断甲中反应达平衡的是____________(填字母序号)。
a.2c(CO2)=c(CO) b.v正(CO2)=2v逆(CO)
c.气体密度不再改变 d.气体平均分子量不再改变
②如图为甲、乙两容器中CO的百分含量(CO%)与时间(t)的关系示意图,其中代表乙容器的是____________(填字母编号),理由是 ____________________。
③甲容器中达平衡时的平衡常数Kp=____________(Kp为用压强表达的平衡常数)。
【解析】
(1) i.Fe2O3(s)+3CO (g)2Fe(s)+3CO2(g) ΔH1
其中CO产生的反应是
ii. C(焦炭,s)+O2(空气,g)CO2(g) ΔH2<0
iii. C(焦炭,s)+CO2(g)2CO(g) ΔH3>0
i×2+iii×3得:以焦炭炼铁的反应:3C(焦炭,s)+2Fe2O3(s)4Fe(s)+3CO2(g)的ΔH=2ΔH1+3ΔH3;
(2)①在一定温度下,氧化铁可以与一氧化碳发生反应:
Fe2O3(s)+3CO2Fe(s)+3CO2(g),该反应的平衡常数表达式为K=。当反应温度为1 150 ℃时K=50.6,高炉中n(CO)∶n(CO2)=4∶1时,Q==<50.6,反应正向进行,故v正大于v逆 ;
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②n(CO2)==100 mol
K==64,c(CO2)=4c(CO),得平衡时n(CO2)=4[100 mol-n(CO2)],得n(CO2)=80 mol,v(CO2)=。
(3)iii. C(焦炭,s)+CO2(g)2CO(g) ΔH3>0
①2c(CO2)=c(CO)没有指明正逆速率,故a错误;应为2v正(CO2)=v逆 (CO),故b错误;气体质量发生变化,容器体积不变,气体密度不再改变,说明反应达到平衡状态,故c正确; 反应前后气体物质的量改变,气体质量发生变化,混合气体的平均相对分子质量不再变化,说明反应达到平衡状态,故d正确;②甲、乙两容器中CO的百分含量(CO%)与时间(t)的关系示意图,其中代表乙容器的是b,乙容器相当于甲加压,加压使得反应速率加快,先达到平衡;同时加压使得平衡向着气体分子数减小的方向,即逆向移动,故CO含量乙<甲。
③甲中设CO转化量为x mol
C(焦炭,s)+CO2(g)2CO(g)
起始量/mol 0 2
变化量/mol x
平衡量/mol 2-x
2-x+=2× x=0.8
Kp==180 kPa。
答案:(1)2ΔH1+3ΔH3 (2)①大于
②mol·L-1·min-1 (3)①cd ②b 乙容器相当于甲加压,加压使得反应速率加快,先达到平衡;同时加压使得平衡向着气体分子数减小的方向,即逆向移动,故CO含量乙<甲 ③180 kPa
16.(17分)(2020·日照高二检测)甲醇制烯烃(MTO)是煤制烯烃工艺路线的核心技术。煤制烯烃主要包括煤的气化、液化、烯烃化三个阶段。
(1)煤的液化发生的主要反应之一为2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) ΔH=a kJ·mol-1,
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在不同温度下,K(500 ℃)=2.5(mol·L-1)-2,K(700 ℃)=0.2(mol·L-1)-2。
①ΔH____________0(填“>”“<”“=”)。
②若反应在容积为2 L的密闭容器中进行,500 ℃测得某一时刻体系内H2、CO、CH3OH物质的量分别为2 mol、1 mol、3 mol,则此时生成CH3OH的速率____________消耗CH3OH的速率(填“>”“<”或“=”)。
(2)通过研究外界条件对反应的影响,尽可能提高甲醇生成乙烯或丙烯的产率。甲醇制烯烃的主要反应有:
i 2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g)
ΔH1=-20.9 kJ·mol-1
ii 3CH3OH(g)C3H6(g)+3H2O (g)
ΔH2=-98.1 kJ·mol-1
iii 4CH3OH(g)C4H8(g)+4H2O(g)
ΔH3=-118.1 kJ·mol-1
①C3H6转化为C2H4的热化学方程式为iv:
2C3H6(g)3C2H4(g) ΔH4=____________。
②加入N2作为稀释剂,反应i中C2H4的产率将____________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)为研究不同条件对反应的影响,测得不同温度下平衡时C2H4、C3H6和C4H8的物质的量分数变化,如图所示:
①随着温度的升高,C3H6的物质的量分数呈现先增大后减小的趋势。温度高于
400 ℃时,原因是 _______________________________。
②体系总压为0.1MPa,400 ℃时反应iv的平衡常数Kp=____________(列式计算,用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
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③为了获得更高的C2H4在产物中的比例,控制的条
件较适宜的是____________。
A.较低温度 B.较高温度
C.增加水醇比 D.降低水醇比
【解析】(1)①因为K(500 ℃)=2.5(mol·L-1)-2,K(700 ℃)=0.2(mol·L-1)-2,温度升高平衡常数减小。所以正反应是放热反应,ΔH<0;
②500℃时反应的浓度商Q==3>2.5,Q>K,平衡向逆向移动,此时生成CH3OH的速率<消耗CH3OH的速率;
(2)①i.2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g) ΔH1=-20.9 kJ·mol-1 ii.3CH3OH(g)C3H6(g)+3H2O (g) ΔH2=-98.1 kJ·mol-1,i×3-ii×2得:2C3H6(g)3C2H4(g) ΔH4=+133.5 kJ·mol-1;
②反应i为气体体积增大的反应,加入N2作为稀释剂,相当于增大容器的容积,平衡向正反应方向移动,所以C2H4的产率将增大;
(3)①因为反应(iv)2C3H6(g)3C2H4(g) ΔH4=+133.5 kJ·mol-1,是吸热反应,所以温度升高,平衡向正向移动,C3H6的物质的量分数减少;
②400 ℃时,反应2C3H6(g)3C2H4(g)中,由图可以看出C3H6 、C2H4的物质的量分数分别为0.64、0.16,因为在相同的条件下,不同气体的压强之比等于物质的量之比,所以Kp==0.001(MPa);
③由图不难看出,温度越高,C2H4在产物中的比例越大,由三个反应方程式的平衡常数表达式可以看出,水醇比越大,C2H4在产物中的比例越大。
答案:(1)①< ②<
(2)①+133.5 kJ·mol-1 ②增大
(3)①升高温度,有利于反应iv向正反应方向移动,C3H6的物质的量分数减小
②=0.001 MPa ③BC
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