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6 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡
1.了解化學(xué)反應(yīng)速率的概念及反應(yīng)速率的定量表示方法。
2.了解催化劑在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重大作用。
3.了解化學(xué)反應(yīng)的可逆性及化學(xué)平衡的建立。
4.掌握化學(xué)平衡的特征,了解化學(xué)平衡常數(shù)的含義,能夠利用化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。
5.理解外界條件(濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑等)對(duì)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響,認(rèn)識(shí)其一般規(guī)律。
6.了解化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要作用。
Ⅰ.客觀題
(1)考查化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡常數(shù)的簡(jiǎn)單計(jì)算。
(2)外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷。
(3)以圖像表格考查化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的綜合應(yīng)用。
Ⅱ.主觀題
常常與基本理論,工業(yè)生產(chǎn)相聯(lián)系,通過圖像或表格提供信息進(jìn)行命題,主要考查化學(xué)反應(yīng)速率表示方法、外界條件對(duì)速率和平衡的影響規(guī)律、化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用以及平衡轉(zhuǎn)化率、起始或平衡濃度的計(jì)算等。
一、化學(xué)反應(yīng)速率及影響因素
1.對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算公式的理解
對(duì)于反應(yīng)mA(g)+nB(g)===cC(g)+dD(g)
(1)計(jì)算公式:v(B)==。
(2)同一反應(yīng)用不同的物質(zhì)表示反應(yīng)速率時(shí),數(shù)值可能不同,但意義相同。不同物質(zhì)表示的反應(yīng)速率,存在如下關(guān)系:v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶c∶d。
(3)注意事項(xiàng)
①濃度變化只適用于氣體和溶液中的溶質(zhì),不適用于固體和純液體。
②化學(xué)反應(yīng)速率是某段時(shí)間內(nèi)的平均反應(yīng)速率,而不是即時(shí)速率,且計(jì)算時(shí)取正值。
2.外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響
3.稀有氣體對(duì)反應(yīng)速率的影響
(1)恒容:充入“惰性氣體”總壓增大―→物質(zhì)濃度不變(活化分子濃度不變) ―→反應(yīng)速率不變。
(2)恒壓:充入“惰性氣體”體積增大物質(zhì)濃度減小(活化分子濃度減小)反應(yīng)速率減小。
二、平衡的判定與平衡移動(dòng)原理
1.化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷標(biāo)志
(1)速率標(biāo)志
①同一物質(zhì)在同一時(shí)間內(nèi)生成速率與消耗速率相等。
②不同物質(zhì)在相同時(shí)間內(nèi)代表反應(yīng)方向相反時(shí)的化學(xué)反應(yīng)速率比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。
(2)物質(zhì)的數(shù)量標(biāo)志
①平衡體系中各物質(zhì)的質(zhì)量、濃度、百分含量等保持不變。
②反應(yīng)物消耗量達(dá)到最大值或生成物的量達(dá)到最大值(常用于圖像分析中)。
③不同物質(zhì)在相同時(shí)間內(nèi)代表反應(yīng)方向相反的量(如物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度、氣體體積)的變化值之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。
(3)特殊的標(biāo)志
①對(duì)反應(yīng)前后氣體分子數(shù)目不同的可逆反應(yīng)來說,當(dāng)體系的總物質(zhì)的量、總壓強(qiáng)(恒溫恒容時(shí))、平均相對(duì)分子質(zhì)量不變。
②有色體系的顏色保持不變。
(4)依Q與K關(guān)系判斷:若Q=K,反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。
2.化學(xué)平衡移動(dòng)的判斷方法
(1)依據(jù)勒夏特列原理判斷
通過比較平衡破壞瞬時(shí)的正、逆反應(yīng)速率的相對(duì)大小來判斷平衡移動(dòng)的方向。
①若外界條件改變,引起v正>v逆,則化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向(或向右)移動(dòng);
②若外界條件改變,引起v正<v逆,則化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向(或向左)移動(dòng);
③若外界條件改變,雖能引起v正和v逆變化,但變化后新的v正′和v逆′仍保持相等,則化學(xué)平衡沒有發(fā)生移動(dòng)。
(2)依據(jù)濃度商(Q)規(guī)則判斷
通過比較濃度商(Q)與平衡常數(shù)(K)的大小來判斷平衡移動(dòng)的方向。
①若Q>K,平衡逆向移動(dòng);
②若Q=K,平衡不移動(dòng);
③若Q<K,平衡正向移動(dòng)。
三、平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率的判斷
1.化學(xué)平衡計(jì)算中常用公式
對(duì)于可逆反應(yīng):aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)在一定溫度下達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),其計(jì)算的表達(dá)式為
(1)化學(xué)平衡常數(shù)K=(式中的濃度是指平衡狀態(tài)的濃度)
Kp=
其中p(C)、p(D)分別為C、D兩氣體的分壓,氣體的分壓=氣體總壓體積分?jǐn)?shù)
(2)轉(zhuǎn)化率計(jì)算公式
轉(zhuǎn)化率(α)=100%
(3)平衡常數(shù)的關(guān)系
①反應(yīng)1(平衡常數(shù)為K1)+反應(yīng)2(平衡常數(shù)為K2)=反應(yīng)3(平衡常數(shù)為K3),則K3=K1K2。
②若兩反應(yīng)互為可逆反應(yīng),其平衡常數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系。
③若反應(yīng)系數(shù)擴(kuò)大2倍,其平衡常數(shù)為原來的2次方。
2.化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用
(1)平衡常數(shù)的應(yīng)用
①判斷反應(yīng)可能進(jìn)行的程度;
②判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)及平衡移動(dòng)的方向;
③計(jì)算反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)物的產(chǎn)率等。
(2)注意事項(xiàng)
①化學(xué)平衡常數(shù)K只是溫度的函數(shù),溫度不變,K不變,即改變濃度、壓強(qiáng)等引起平衡移動(dòng),K不變。
②可逆反應(yīng)中反應(yīng)物及生成物為固態(tài)或純液態(tài)時(shí),則該物質(zhì)不計(jì)入平衡常數(shù)表達(dá)式中。
四、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像的綜合判斷
1.理解化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡的5種常見圖像
(1)濃度(或物質(zhì)的量)—時(shí)間圖像
描述可逆反應(yīng)到達(dá)平衡的過程,如:反應(yīng)A(g)+B(g)AB(g)的濃度—時(shí)間圖像如圖所示。
(2)體積分?jǐn)?shù)—溫度圖像
描述平衡進(jìn)程,如:在容積相同的不同密閉容器內(nèi),分別充入相同量的N2和H2,在不同溫度下,任其發(fā)生反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在某一時(shí)刻,測(cè)定NH3的體積分?jǐn)?shù),如圖所示,A、B未到達(dá)平衡;C點(diǎn)最大,恰好到達(dá)平衡;D、E體積分?jǐn)?shù)變小,是升溫平衡逆向移動(dòng)的結(jié)果??赏浦摲磻?yīng)為放熱反應(yīng)。
(3)速率—時(shí)間圖像
描述平衡移動(dòng)的本質(zhì),如:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJmol-1,在一定條件下達(dá)到化學(xué)平衡,現(xiàn)升高溫度使平衡發(fā)生移動(dòng),正、逆反應(yīng)速率(v)變化圖像如圖所示。
(4)物質(zhì)的量(或濃度、轉(zhuǎn)化率、含量)—時(shí)間—溫度(或壓強(qiáng))圖像
描述溫度(或壓強(qiáng))對(duì)平衡移動(dòng)的影響,如:放熱反應(yīng)2X(g)+Y(g)2Z(g),在不同溫度(T1和T2)及壓強(qiáng)(p1和p2)下,產(chǎn)物Z的物質(zhì)的量n(Z)與反應(yīng)時(shí)間t的關(guān)系如圖所示,則:T1>T2,p1>p2。
(5)恒壓(或恒溫)線
描述反應(yīng)在不同壓強(qiáng)或溫度下,平衡移動(dòng)與反應(yīng)特征的關(guān)系,如:mA(g)+nB(g)xC(g)+yD(g),A的轉(zhuǎn)化率RA與p、T的關(guān)系如圖所示,則該反應(yīng)的正反應(yīng)吸熱,m+n>x+y。
2.速率、平衡圖像題的解題模板
1.H2S與CO2在高溫下發(fā)生反應(yīng):H2S(g)+CO2(g)COS(g) +H2O(g)。在610K時(shí),將0.10mol CO2與0.40mol H2S充入2.5L的空鋼瓶中,反應(yīng)平衡后水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02。
①H2S的平衡轉(zhuǎn)化率α1=_______%,反應(yīng)平衡常數(shù)K=________。
②在620K重復(fù)試驗(yàn),平衡后水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.03,H2S的轉(zhuǎn)化率α2_____α1,該反應(yīng)的ΔH_____0。(填“>”“<”或“=”)
③向反應(yīng)器中再分別充入下列氣體,能使H2S轉(zhuǎn)化率增大的是________(填標(biāo)號(hào))
A.H2S B.CO2C.COS D.N2
【解題思路】本題綜合考查化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí),側(cè)重?zé)峄瘜W(xué)方程式書寫和化學(xué)平衡的考查,題目難度不大,由已知幾個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)方程式求未知熱化學(xué)方程式,要注意運(yùn)用蓋斯定律;化學(xué)平衡有關(guān)計(jì)算,如求化學(xué)平衡常數(shù)和平衡轉(zhuǎn)化率等,要注意三段式的運(yùn)用。
設(shè)反應(yīng)的H2S物質(zhì)的量為x,由題意列三段式得:
因?yàn)榉磻?yīng)平衡后水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02,所以x0.40-x+0.10-x+x+x=0.02,解得x=0.01;①H2S的平衡轉(zhuǎn)化率α1=0.010.40100%=2.5%;反應(yīng)平衡常數(shù)K==1351≈2.84910-3(或2.810?3或2.8510?3)。②由已知,升溫,水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增大,所以升溫時(shí)平衡正向移動(dòng),故α2>α1,ΔH>0。③A項(xiàng),再充入H2S,平衡正向移動(dòng),使CO2轉(zhuǎn)化率增大,根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理,H2S的轉(zhuǎn)化率減小,故A錯(cuò)誤;B項(xiàng),再充入CO2,平衡正向移動(dòng),在不改變H2S初始量的前提下,使H2S轉(zhuǎn)化率增大,故B正確;C項(xiàng),再充入COS,平衡逆向移動(dòng),使H2S的轉(zhuǎn)化率減小,故C錯(cuò)誤;D項(xiàng),再充入N2,與該反應(yīng)無關(guān),平衡不移動(dòng),H2S的轉(zhuǎn)化率不變,故D錯(cuò)誤。綜上選B。
【答案】2.5 2.810–3>> B
2.(2018江蘇卷改編)在3個(gè)體積均為1 L的恒容密閉容器中發(fā)生反應(yīng):SO2(g)+2NO(g)2NO2(g)+S(s)。改變?nèi)萜鱅的反應(yīng)溫度,平衡時(shí)c(NO2)與溫度的關(guān)系如下圖所示。下列說法正確的是()
A.該反應(yīng)的ΔH<0
B.T1時(shí),該反應(yīng)的平衡常數(shù)為1/16
C.容器Ⅰ與容器Ⅱ均在T1時(shí)達(dá)到平衡,總壓強(qiáng)之比小于1∶2
D.若T2
b>c
【解題思路】曲線的斜率反映了化學(xué)反應(yīng)速率,斜率越大說明反應(yīng)速率越快。先達(dá)到平衡,說明反應(yīng)速率快,溫度高。注意化學(xué)平衡常數(shù)與溫度有關(guān)。
A.曲線Ⅰ比曲線Ⅱ變化快,說明曲線Ⅰ的溫度高,故A錯(cuò)誤;B.曲線Ⅰ比曲線Ⅱ的溫度高,但是轉(zhuǎn)化率低,說明升溫平衡逆向移動(dòng),轉(zhuǎn)化率降低,故B錯(cuò)誤;C.曲線Ⅰ和曲線Ⅱ?qū)?yīng)的溫度不同,化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān),所以曲線Ⅰ和Ⅱ表示反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)不相等,故C錯(cuò)誤;D.反應(yīng)開始反應(yīng)物的濃度最大,隨著反應(yīng)物的濃度減小速率也逐漸減小,所以d處速率大于b處,因?yàn)榍€Ⅰ的溫度高所以,b處速率大于c處,故D正確;本題選D。
【答案】D
5.(2018山西大同理綜)在恒溫、恒容條件下發(fā)生下列反應(yīng):2X2O5(g)4XO2(g) +O2(g) ΔH>0,T溫度下的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為:
t/s
0
50
100
150
c(X2O5)mol/L
4.00
2.50
2.00
2.00
下列說法錯(cuò)誤的是( )
A.T溫度下的平衡數(shù)為K=64(mol/L)3,100s時(shí)轉(zhuǎn)化率為50%
B.50s內(nèi)X2O5分解速率為0.03mol(Ls)?1
C.T1溫度下的平衡常數(shù)為K1,T2溫度下的平衡常數(shù)為K2,若T1>T2,則Kl>K2
D.若只將恒容改為恒壓,其它條件都不變,則平衡時(shí)X2O5的轉(zhuǎn)化率和平衡常數(shù)都不變
【解題思路】三段式得到平衡時(shí)各組分的濃度,利用K=c4XO2cO2c2X2O5、轉(zhuǎn)化率(α)=100%計(jì)算。結(jié)合勒夏特列原理來作答。
A.由表中數(shù)據(jù)可知,100s時(shí)處于平衡狀態(tài),平衡時(shí)c(X2O5)=2mol/L,則:
2X2O5(g)===4XO2(g)+O2(g)
起始濃度(mol/L):4 0 0
變化濃度(mol/L):2 4 1
平衡濃度(mol/L):2 4 1
T溫度下平衡常數(shù)K=c4XO2cO2c2X2O5=(4mol/L)41mol/L(2mol/L)2=64(mol/L)3,100s時(shí)轉(zhuǎn)化率為2mol/L4mol/L100%=50%,故A正確;B.50s內(nèi)X2O5濃度變化量為(4-2.5)mol/L=1.5mol/L,50s內(nèi)X2O5分解速率=1.5mol/L50s=0.03mol/(Ls),故B正確;C.T1溫度下的平衡常數(shù)為K1,T2溫度下的平衡常數(shù)為K2,若溫度T1>T2,正反應(yīng)為吸熱反應(yīng),升高溫度平衡正向移動(dòng),平衡常數(shù)增大,則K1>K2,故C正確;D.恒容條件下,隨反應(yīng)進(jìn)行容器內(nèi)壓強(qiáng)增大,若只將恒容改為恒壓,其它條件都不變,等效為在原平衡基礎(chǔ)上減小壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),平衡時(shí)X2O5的轉(zhuǎn)化率增大,平衡常數(shù)只受溫度影響,溫度不變,平衡常數(shù)不變,故D錯(cuò)誤;故選D。
【答案】D
6.(2018浙江招生考)合成氨工藝(流程如圖所示)是人工固氮最重要的途徑。
2018年是合成氨工業(yè)先驅(qū)哈伯(PHaber)獲得諾貝爾獎(jiǎng)100周年。N2和H2生成NH3的反應(yīng)為:1/2N2(g)+3/2H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJmol?1,在Fe催化劑作用下的反應(yīng)歷程為(*表示吸附態(tài))
化學(xué)吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*;
表面反應(yīng):N*+H*NH*;NH*+ H*NH2*;NH2*+H*NH3*
脫附:NH3*NH3(g)
其中,N2的吸附分解反應(yīng)活化能高、速率慢,決定了合成氨的整體反應(yīng)速率。請(qǐng)回答:
(1)利于提高合成氨平衡產(chǎn)率的條件有__________。
A.低溫 B.高溫 C.低壓 D.高壓 E.催化劑
(2)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)KΘ=,其中PΘ為標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)(1105Pa),PNH3、PN2和PH2為各組分的平衡分壓,如PNH3=PxNH3,p為平衡總壓,xNH3為平衡系統(tǒng)中NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。
①N2和H2起始物質(zhì)的量之比為1∶3,反應(yīng)在恒定溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)下進(jìn)行,NH3的平衡產(chǎn)率為w,則KΘ=_____________(用含w的最簡(jiǎn)式表示)
②下圖中可以示意標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)KΘ隨溫度T變化趨勢(shì)的是_______。
(3)實(shí)際生產(chǎn)中,常用工藝條件,F(xiàn)e作催化劑,控制溫度773K,壓強(qiáng)3.0105Pa,原料中N2和H2物質(zhì)的量之比為1∶2.8。
①分析說明原料氣中N2過量的理由________________________。
②關(guān)于合成氨工藝的下列理解,正確的是_______。
A.合成氨反應(yīng)在不同溫度下的ΔH和ΔS都小于零
B.控制溫度(773K)遠(yuǎn)高于室溫,是為了保證盡可能的平衡轉(zhuǎn)化率和快的反應(yīng)速率
C.當(dāng)溫度、壓強(qiáng)一定時(shí),在原料氣(N2和H2比例不變)中添加少量惰性氣體,有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率
D.基于NH3有較強(qiáng)的分子間作用力可將其液化,不斷將液氨移去,利于反應(yīng)正向進(jìn)行
E.分離空氣可得N2,通過天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化可得H2,原料氣須經(jīng)過凈化處理,以防止催化劑中毒和安全事故發(fā)生。
【解題思路】勒夏特列原理的應(yīng)用。注意InKΘ與溫度不成正比。
(1)由勒夏特列原理可知,根據(jù)反應(yīng)12N2(g)+32H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ/mol,為了提高合成氨平衡產(chǎn)率,即平衡正向移動(dòng),低溫和高壓符合條件,答案選AD;
(2)①12N2(g)+32H2(g)NH3(g)
起始量: 1 3 0
轉(zhuǎn)化量:ω3ω2ω
平衡量:1-ω3-3ω2ω
x(NH3)%=2ω4-2ω;x(N2)%=1-ω4-2ω;x(H2)%=3-3ω4-2ω
Kθ=2ω4-2ωpθpθ[(1-ω4-2ω)pθpθ]12[(3-3ω4-2ω)pθpθ]32,化簡(jiǎn)得4ω(2-ω)33(1-ω)2;
②反應(yīng)12N2(g)+32H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ/mol為放熱反應(yīng),溫度T升高,平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng),KΘ減小,InKΘ也減小,InKΘ與溫度不成正比,故答案選A;(3)①由反應(yīng)12N2(g)+32H2(g)NH3(g)可知,加過量氮?dú)?,有利于平衡正向移?dòng),提高H2的轉(zhuǎn)化率以及氨氣的產(chǎn)率,同時(shí)根據(jù)題干“N2的吸附分解反應(yīng)活化能高、速率慢,決定了合成氨的整體反應(yīng)速率。”可知,N2在Fe催化劑上的吸附是決速步驟,適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率。②易知A選項(xiàng)正確;控制溫度遠(yuǎn)高于室溫是為了保證催化劑的活性,提高反應(yīng)速率,并非為了保證盡可能高的平衡轉(zhuǎn)化率和快的反應(yīng)速率,B錯(cuò)誤;恒壓條件充入少量惰性氣體,相當(dāng)于減壓,平衡逆向移動(dòng),不利于提高平衡轉(zhuǎn)化率,C錯(cuò)誤;不斷將氨氣液化,生成物濃度降低,有利于平衡正向移動(dòng),D正確,當(dāng)選;通過天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化制得的H2,由于含有CH4,CO等易燃易爆氣體,容易出現(xiàn)安全隱患,此外CH4,CO可能會(huì)與催化劑反應(yīng),造成催化劑活性降低,所以必須經(jīng)過凈化處理,E正確。答案選ADE;
【答案】(1)AD
(2) 4ω(2-ω)33(1-ω)2 A
(3) 原料氣中N2相對(duì)易得,適度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率;N2在Fe催化劑上的吸附是決速步驟,適度過量有利于提高整體反應(yīng)速率。
(4)ADE
1.在1.0L恒容密閉容器中投入1mol CO2和2.75mol H2發(fā)生反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同溫度及壓強(qiáng)下,平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量如圖所示。下列說法正確的是()
A.該反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)
B.壓強(qiáng)大小關(guān)系為p1<p2<p3
C.M點(diǎn)對(duì)應(yīng)平衡常數(shù)K的值約為1.0410-2
D.在p2及512K時(shí),圖中N點(diǎn)v正<v逆
【解題思路】壓強(qiáng)不變時(shí),升高溫度,平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量減小,平衡逆向移動(dòng),說明該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng),A項(xiàng)錯(cuò)誤;溫度不變時(shí),增大壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量增大,則p3<p2<p1,B項(xiàng)錯(cuò)誤;M點(diǎn)時(shí),n(CH3OH)=0.25mol,據(jù)此計(jì)算出各物質(zhì)的平衡濃度分別為c(CO2)=0.75 molL?1
,c(H2)=2molL?1,c(CH3OH)=c(H2O)=0.25molL?1,K=≈1.0410?2,C項(xiàng)正確;在p2及512K時(shí),圖中N點(diǎn)甲醇的物質(zhì)的量比平衡時(shí)的物質(zhì)的量小,反應(yīng)正向移動(dòng)才能達(dá)到平衡,此時(shí)v逆<v正,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
【答案】C
2.(2018陜西西安長(zhǎng)安五中月考)在容積為2.0L的密閉容器內(nèi),物質(zhì)D在T℃時(shí)發(fā)生反應(yīng),其反應(yīng)物和生成物的物質(zhì)的量隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖,下列敘述不正確的是()
A.從反應(yīng)開始到第一次達(dá)到平衡時(shí),A物質(zhì)的平均反應(yīng)速率為0.0667mol/(Lmin)
B.該反應(yīng)的化學(xué)方程式為2D(s)2A(g)+B(g),該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=c(A)2c(B)
C.已知:反應(yīng)的?H>0,則第5分鐘時(shí)圖象呈現(xiàn)上述變化的原因可能是升高體系的溫度
D.若在第7分鐘時(shí)增加D的物質(zhì)的量,則表示A的物質(zhì)的量變化正確的是a曲線
【解題思路】擅于結(jié)合圖象作答。從圖像中三種物質(zhì)的物質(zhì)的量的變化量之比等于化學(xué)反應(yīng)計(jì)量數(shù)之比,可以得到反應(yīng)方程式2D(s)2A(g)+B(g)。注意增加固體的質(zhì)量不會(huì)影響化學(xué)平衡的移動(dòng)。
A.根據(jù)v=?c/?t計(jì)算得A物質(zhì)的平均反應(yīng)速率為0.4/(23)=0.0667mol/(Lmin),A正確;B.根據(jù)圖在第一次達(dá)到平衡時(shí)A的物質(zhì)的量增加了0.4mol,B的物質(zhì)的量增加了0.2mol,所以A、B為生成物,D的物質(zhì)的量減少了0.4mol/L,所以D為反應(yīng)物,D、A、B的變化量之比為0.4∶0.4∶0.2=2∶2∶1,反應(yīng)中各物質(zhì)計(jì)量數(shù)之比等于物質(zhì)的濃度的變化量之比,化學(xué)方程式為2D(s)2A(g)+B(g),該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=c(A)2c(B),故B正確;C.第5分鐘時(shí)A、B的物質(zhì)的量在原來的基礎(chǔ)上增加,而D的物質(zhì)的量在原來的基礎(chǔ)上減小,說明平衡正向移動(dòng),因?yàn)榉磻?yīng)的?H>0,所以此時(shí)是升高溫度,故C正確;D.因?yàn)镈是固體,量的改變不影響化學(xué)平衡,所以A的物質(zhì)的量不變,故D錯(cuò)誤;綜上所述,本題選D。
【答案】D
3.(2018湖北襄陽四中聯(lián)考)光氣(COCl2)在塑料、制革、制藥等工業(yè)中有許多用途。工業(yè)上常利用廢氣CO2通過反應(yīng):C(s)+CO2(g)2CO(g) ΔH>0,制取合成光氣的原料氣CO。在體積可變的恒壓(p總)密閉容器中充入1mol CO2與足量的碳發(fā)生上述反應(yīng),在平衡時(shí)體系中氣體體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系如圖所示:
(1)T℃時(shí),在容器中若充入稀有氣體,平衡______移動(dòng)(填“正向”“逆向”或“不”,下同);若充入等體積的CO2和CO,平衡________移動(dòng)。
(2)CO體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí),CO2的轉(zhuǎn)化率為_______。
(3)已知:氣體分壓(p分)=氣體總壓體積分?jǐn)?shù)。800℃時(shí)用平衡分壓代替平衡濃度表示平衡常數(shù)Kp=_____
_(用含p總的代數(shù)式表示)。
【解題思路】本題難度不大,主要熟記化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算公式,三段式法的運(yùn)用。
(1)該反應(yīng)正向?yàn)闅怏w分子數(shù)增大的反應(yīng),恒溫恒壓時(shí)充入稀有氣體,對(duì)該反應(yīng)來說相當(dāng)于減壓,v(正)>v(逆),平衡正向移動(dòng);T℃時(shí),反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)CO2、CO的體積分?jǐn)?shù)相同,即濃度相等,恒壓條件下充入等體積的CO2和CO,各物質(zhì)的濃度都不變,故平衡不移動(dòng);(2)設(shè)CO2的轉(zhuǎn)化率為a,由已知列三段式得:
化學(xué)反應(yīng)方程式:C(s)+ CO2(g)2CO(g)
起始物質(zhì)的量/mol 1 0
轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量mol a 2a
平衡物質(zhì)的量/mol 1-a 2a
根據(jù)題意列關(guān)系式:2a1-a+2a100%=40%,解得:a=25%;(3)用平衡濃度表示該反應(yīng)化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為K=c2(CO)c(CO2),所以若用平衡分壓代替平衡濃度表示平衡常數(shù)的表達(dá)式為Kp=P2(CO)p(CO2),由圖可得,800℃時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)為86%,分壓為86%p總,CO2體積分?jǐn)?shù)為14%,分壓為14%p總,所以Kp=P2(CO)p(CO2)=(86%P總)214%P總=5.28p總。
【答案】(1)正向不
(2)25%
(3)5.28p總
4.丙烯腈(CH2=CHCN)是一種重要的化工原料,工業(yè)上可用“丙烯氨氧化法”生產(chǎn),主要副產(chǎn)物有丙烯醛(CH2=CHCHO)和乙腈CH3CN等,回答下列問題:
(1)以丙烯、氨、氧氣為原料,在催化劑存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副產(chǎn)物丙烯醛(C3H4O)的熱化學(xué)方程式如下:
①C3H6(g)+NH3(g)+3/2O2(g)===C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515kJ/mol
②C3H6(g)+O2(g)===C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353kJ/mol
兩個(gè)反應(yīng)在熱力學(xué)上趨勢(shì)均很大,其原因是__________________________;有利于提高丙烯腈平衡產(chǎn)率的反應(yīng)條件是______________;提高丙烯腈反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是____________________________。
(2)圖(a)為丙烯腈產(chǎn)率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線,最高產(chǎn)率對(duì)應(yīng)溫度為460℃。低于460℃時(shí),丙烯腈的產(chǎn)率__________(填“是”或者“不是”)對(duì)應(yīng)溫度下的平衡產(chǎn)率,判斷理由是________________________;高于460℃時(shí),丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是_________(雙選,填標(biāo)號(hào))
A.催化劑活性降低 B.平衡常數(shù)變大 C.副反應(yīng)增多 D.反應(yīng)活化能增大
(3)丙烯腈和丙烯醛的產(chǎn)率與n(氨)/n(丙烯)的關(guān)系如圖(b)所示。由圖可知,最佳n(氨)/n(丙烯)約為_______,理由是________________________。進(jìn)料氨、空氣、丙烯的理論體積約為_______________。
【解題思路】(1)因?yàn)閮蓚€(gè)反應(yīng)均為放熱量大的反應(yīng),所以熱力學(xué)趨勢(shì)大;該反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的放熱反應(yīng),所以降低溫度、降低壓強(qiáng)有利于提高丙烯腈的平衡產(chǎn)率;提高丙烯腈反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是催化劑。(2)因?yàn)樵摲磻?yīng)為放熱反應(yīng),平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低,反應(yīng)剛開始進(jìn)行,尚未達(dá)到平衡狀態(tài),460℃以前是建立平衡的過程,所以低于460 時(shí),丙烯晴的產(chǎn)率不是對(duì)應(yīng)溫度先的平衡產(chǎn)率;高于460時(shí),丙烯腈產(chǎn)率降低,A催化劑在一定溫度范圍內(nèi)活性較高,如溫度過高,活性降低,正確;B平衡產(chǎn)生越大,對(duì)產(chǎn)率的影響是提高產(chǎn)率才對(duì),錯(cuò)誤;C根據(jù)題意,副產(chǎn)物有丙烯醛,副反應(yīng)增大導(dǎo)致產(chǎn)率下降,正確;D.反應(yīng)活化能的大小不影響平衡,錯(cuò)誤;答案選AC。(3)根據(jù)圖像可知,當(dāng)n(氨)/n(丙烯)約為1時(shí),該比例下丙烯腈產(chǎn)率最高,而副產(chǎn)物丙烯醛產(chǎn)率最低;根據(jù)化學(xué)反應(yīng)C3H6(g)+NH3(g)+ 3/2O2(g)===C3H3N(g)+3H2O(g),氨氣、氧氣、丙烯按1∶1.5∶1的體積比加入反應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài),而空氣中氧氣約占20%,所以進(jìn)料氨、空氣、丙烯的理論體積約為1∶7.5∶1。
【答案】(1)兩個(gè)反應(yīng)均為放熱量大的反應(yīng);降低溫度、降低壓強(qiáng);催化劑;
(2)不是;該反應(yīng)為放熱反應(yīng),平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低;AC
(3)1;該比例下丙烯腈產(chǎn)率最高,而副產(chǎn)物丙烯醛產(chǎn)率最低;1∶7.5∶1
5.(2018河北保定二模)甲醇是重要的化工原料。利用合成氣(主要成分為CO、CO2和H2)在催化劑的作用下合成甲醇,發(fā)生的主要反應(yīng)如下:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-99kJmol-1
②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-58 kJmol-1
③CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3
(1)CO2的電子式是________________。
(2)ΔH3=______kJmol-1,②反應(yīng)正向的熵變?chǔ)______0(填“>”“<”或“=”)。
(3)在容積為2L的密閉容器中,充入一定量CO2和H2合成甲醇(上述②反應(yīng)),在其他條件不變時(shí),溫度T1、T2對(duì)反應(yīng)的影響圖像如圖。
①溫度為T1時(shí),從反應(yīng)到平衡,生成甲醇的平均速率為v(CH3OH)=_____molL-1min-1。
②圖示的溫度T1______T2(填寫“>”、“<”或“=”)
(4)T1溫度時(shí),將2mol CO2和6mol H2充入2L密閉容器中,充分反應(yīng)(上述②反應(yīng))達(dá)到平衡后,若CO2轉(zhuǎn)化率為50%,此時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為________;反應(yīng)②在該溫度達(dá)到平衡時(shí),其平衡常數(shù)的數(shù)值為_______。
【解題思路】學(xué)會(huì)利用圖象解,用“先拐先平”法分析,圖像中T2先出現(xiàn)拐點(diǎn),T2反應(yīng)速率快,結(jié)合溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響進(jìn)行判斷,熟練使用三段式。
(1)CO2的電子式為。(2)分析各熱化學(xué)方程式,應(yīng)用蓋斯定律,將②-①得,CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3=ΔH2-ΔH1=(-58kJ/mol)-(-99kJ/mol)=+41kJ/mol。反應(yīng)②中氣體反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)之和為4,氣體生成物的化學(xué)計(jì)量數(shù)之和為2<4,反應(yīng)②正向的ΔS<0。(3)①根據(jù)圖像,溫度為T1時(shí),從反應(yīng)到平衡反應(yīng)生成CH3OH物質(zhì)的量為nAmol,生成甲醇的平均速率為υ(CH3OH)=nA2tAmol/(Lmin)=nA2tAmol/(Lmin)。②用“先拐先平”法分析,圖像中T2先出現(xiàn)拐點(diǎn),T2反應(yīng)速率快,根據(jù)溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響知:T11,臭氧過量把NO2轉(zhuǎn)化成更高價(jià)態(tài);②增加n(O3),O3氧化SO2的反應(yīng)幾乎不受影響,說明濃度對(duì)反應(yīng)速率影響較小,可能是SO2與O3的反應(yīng)速率慢;(3)在一定條件下,SO2(g)+O3(g)SO3(g)+O2(g) ΔH3<0,在一定溫度下,向2L某恒容密閉容器中充入4molSO2(g)和1molO3(g),①5min時(shí),測(cè)得容器中SO3(g)的物質(zhì)的量為0.5mol,則消耗SO2(g)的物質(zhì)的量為0.5mol,0-5min內(nèi),用SO2表示的平均反應(yīng)速率v(SO2)=0.5mol2L5min=0.05mol/(L?min);②a.單位時(shí)間內(nèi)生成nmolSO2同時(shí)生成nmolSO3,表示的是正逆反應(yīng)速率,且滿足二者的化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系,說明正逆反應(yīng)速率相等,達(dá)到平衡狀態(tài),故正確;b.各物質(zhì)分子數(shù)之比等于多少?zèng)Q定于開始加入的各物質(zhì)的多少,與化學(xué)反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)無關(guān),不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),故錯(cuò)誤;c.混合氣體物質(zhì)的量不變,恒溫恒容下,容器內(nèi)壓強(qiáng)為定值,不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),故錯(cuò)誤;d. 容器容積不變,氣體的體積不變,反應(yīng)兩邊都是氣體,氣體的總質(zhì)量不變,根據(jù)ρ=mV,所以氣體的密度始終不變,因此密度不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù),故錯(cuò)誤;e.反應(yīng)為氣體體積不變的反應(yīng),在反應(yīng)的任何階段,總質(zhì)量沒變,總的氣體分子數(shù)沒變,所以平均相對(duì)分子質(zhì)量不會(huì)變,不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),故錯(cuò)誤;答案選a;(4)在不同溫度下,NaClO2溶液脫硫、脫硝的反應(yīng)中,SO2和NO的平衡分壓pe如圖所示。由圖分析可知,反應(yīng)溫度升高,O2和NO的平衡分壓負(fù)對(duì)數(shù)減小,這說明反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行,因此脫硫、脫硝反應(yīng)的平衡常數(shù)均減?。?5)根據(jù)反應(yīng)離子方程式ClO+2SO2SO+Cl?可知平衡常數(shù)K表達(dá)式為K=c(Cl-)c2(SO42-)c(ClO-)c2(SO32-)。
【答案】(1)ΔH1+2ΔH2
(2)n(O3)∶n(NO)<1,臭氧氧化NO為NO2,NO減少,NO2增多;n(O3)∶n(NO)>1,臭氧過量把NO2轉(zhuǎn)化成更高價(jià)態(tài) SO2與O3的反應(yīng)速率慢
(3)0.05mol(Lmin)?1 a
(4)減小
(5)c(Cl-)c2(SO42-)c(ClO-)c2(SO32-)
5.(2018廣西質(zhì)檢理綜)(2)CH4不僅是優(yōu)質(zhì)的氣體燃料,還能利用它和CO2重整,發(fā)生反應(yīng):CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g),獲得合成氣(主要成分為CO、H2),從而減少溫室氣體的排放。在一定條件下CH4的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強(qiáng)(單位:Pa)的關(guān)系如圖所示。則y點(diǎn):v(正)____(填“>”、“=”或“<”,下同)v(逆);壓強(qiáng):p1____p2;該反應(yīng)的ΔH____0。
(3)在恒溫、p2下,在一容積可變的容器中,達(dá)到平衡狀態(tài)x時(shí)四種氣體的物質(zhì)的量均為1mol,若此時(shí)再充入四種氣體各1mol,則平衡____(填“向左”、“向右”或“不”)移動(dòng)。
(4)一定條件下,CH4還可與NO2反應(yīng),改善霧霾天氣,其化學(xué)方程式為CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g),在恒溫恒容下,下列可以判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是____(填序號(hào))。
a.v逆(N2)=2v正(H2O)
b.混合氣體的密度不再變化
c.混合氣體的物質(zhì)的量不再變化
d.單位時(shí)間內(nèi)有1mol NO2消耗同時(shí)消耗1mol CO2
e.混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變
f.CH4與CO2的物質(zhì)的量之比不再發(fā)生變化
(5)在恒溫恒容下,使1mol CH4(g)與2mol NO2反應(yīng),達(dá)平衡后,再往反應(yīng)器中分別充入下列氣體,可以使CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)中NO2轉(zhuǎn)化率增大的是____(填序號(hào))。
A.CH4 B.CO2
C.物質(zhì)的量之比為1∶2的CH4與NO2 D.N2
【解題思路】本題要把握化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志的判斷,熟練勒夏特列原理的應(yīng)用。溫度、壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)。
(2)y點(diǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率低于平衡時(shí)甲烷轉(zhuǎn)化率,故反應(yīng)還需正向進(jìn)行,故v(正)> v(逆);該反應(yīng)正向?yàn)闅怏w體積增大的反應(yīng),減小壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),由p1到p2,甲烷轉(zhuǎn)化率降低,即增大了壓強(qiáng),故p10;(3)恒溫恒壓條件下,同等增大各物質(zhì)濃度,平衡不移動(dòng);(4)a.平衡時(shí),2v逆(N2)=v正(H2O),故a錯(cuò)誤;b.反應(yīng)過程中,氣體總質(zhì)量不變,恒容條件下氣體總體積不變,故氣體密度始終不變,錯(cuò)誤;c.該反應(yīng)反應(yīng)過程中,混合氣體的總物質(zhì)的量不斷發(fā)生改變,若混合氣體的物質(zhì)的量不再變化,則反應(yīng)達(dá)到平衡,正確;d.平衡時(shí),單位時(shí)間內(nèi)有2mol NO2消耗同時(shí)消耗1mol CO2,錯(cuò)誤;e.反應(yīng)進(jìn)行過程中,混合氣體總物質(zhì)的量發(fā)生改變,氣體總質(zhì)量不變,若混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變,則反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),正確;f.甲烷和二氧化碳屬于可逆反應(yīng)中不同反應(yīng)方向的反應(yīng)物,比值會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行而改變,故當(dāng)CH4與CO2的物質(zhì)的量之比不再發(fā)生變化,反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);(5)A.增大甲烷物質(zhì)的量,NO2的轉(zhuǎn)化率增大,正確;B. CO2為生成物,增大CO2的量,平衡逆向移動(dòng),NO2的轉(zhuǎn)化率減小,錯(cuò)誤;C.通入物質(zhì)的量之比為1∶2的CH4與NO2的混合氣體,相當(dāng)于壓強(qiáng)增大,平衡逆向移動(dòng),NO2轉(zhuǎn)化率降低,錯(cuò)誤;D.N2為生成物,增大N2的濃度,平衡逆向移動(dòng),NO2轉(zhuǎn)化率減小,錯(cuò)誤。
【答案】(2)><>
(3)不
(4)cef
(5)A
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