第二章 化学反应速率与化学平衡
综合拔高练
五年高考练
考点1 化学反应速率及其影响因素
1.(2023辽宁,12)一定条件下,酸性KMnO4溶液与H2C2O4发生反应,Mn(Ⅱ)起催化作用,过程中不同价态含Mn粒子的浓度随时间变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.Mn(Ⅲ)不能氧化H2C2O4
B.随着反应物浓度的减小,反应速率逐渐减小
C.该条件下,Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅶ)不能大量共存
D.总反应为2Mn+16H+ 2Mn2++10CO2↑+8H2O
2.(2022浙江6月选考,20)恒温恒容的密闭容器中,在某催化剂表面上发生氨的分解反应:2NH3(g) N2(g)+3H2(g),测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨浓度随时间的变化,如下表所示,下列说法不正确的是 ( )
编号 时间/minc(NH3)/(10-3mol·L-1)表面积/cm2 0 20 40 60 80
① a 2.40 2.00 1.60 1.20 0.80
② a 1.20 0.80 0.40 x
③ 2a 2.40 1.60 0.80 0.40 0.40
A.实验①,0~20 min,v(N2)=1.00×10-5 mol·L-1·min-1
B.实验②,60 min时处于平衡状态,x≠0.40
C.相同条件下,增加氨气的浓度,反应速率增大
D.相同条件下,增加催化剂的表面积,反应速率增大
3.(2022广东,15)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、Ⅱ对反应X 2Y的影响,各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图,则 ( )
A.无催化剂时,反应不能进行
B.与催化剂Ⅰ相比,Ⅱ使反应活化能更低
C.a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化
D.使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(X)=1.0 mol·L-1·min-1
考点2 化学平衡及其移动
4.(2023北京,4)下列事实能用平衡移动原理解释的是 ( )
A.H2O2溶液中加入少量MnO2固体,促进H2O2分解
B.密闭烧瓶内的NO2和N2O4的混合气体,受热后颜色加深
C.铁钉放入浓HNO3中,待不再变化后,加热能产生大量红棕色气体
D.锌片与稀H2SO4反应过程中,加入少量CuSO4固体,促进H2的产生
5.(2020北京,10改编)一定温度下,反应I2(g)+H2(g) 2HI(g)在密闭容器中达到平衡时,测得c(I2)=0.11 mmol·L-1、c(H2)=0.11 mmol·L-1、c(HI)=0.78 mmol·L-1。 相同温度下,按下列4组初始浓度进行实验,反应逆向进行的是 ( )
A B C D
c(I2)/(mmol·L-1) 1.00 0.22 0.44 0.11
c(H2)/(mmol·L-1) 1.00 0.22 0.44 0.44
c(HI)/(mmol·L-1) 1.00 1.56 4.00 1.56
(注:1 mmol·L-1=10-3 mol·L-1)
6.(2022湖南,16节选)在一定温度下,向体积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1 mol H2O(g),起始压强为0.2 MPa时,发生下列反应生成水煤气:
Ⅰ.C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH1=+131.4 kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·mol-1
下列说法正确的是 。
A.平衡时向容器中充入惰性气体,反应Ⅰ的平衡逆向移动
B.混合气体的密度保持不变时,说明反应体系已达到平衡
C.平衡时H2的体积分数可能大于
D.将炭块粉碎,可加快反应速率
考点3 化学反应的调控
7.(2023辽宁,18节选)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化:
SO2(g)+O2(g) SO3(g) ΔH=-98.9 kJ·mol-1
(ⅰ)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度,绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如图所示,下列说法正确的是 。
a.温度越高,反应速率越大
b.α=0.88的曲线代表平衡转化率
c.α越大,反应速率最大值对应温度越低
d.可根据不同α下的最大速率,选择最佳生产温度
(ⅱ)为提高钒催化剂的综合性能,我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下,温度和转化率关系如图所示,催化性能最佳的是 (填标号)。
考点4 化学平衡常数及平衡转化率
8.(2023湖南,13)向一恒容密闭容器中加入1 mol CH4和一定量的H2O,发生反应:CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)。CH4的平衡转化率按不同投料比x[x=]随温度的变化曲线如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.x1
9.(2023全国乙,28节选)硫酸亚铁在工农业生产中有许多用途,如可用作农药防治小麦黑穗病,制造磁性氧化铁、铁催化剂等。
回答下列问题:
(3)将FeSO4置入抽空的刚性容器中,升高温度发生分解反应:
2FeSO4(s) Fe2O3(s)+SO2(g)+SO3(g)(Ⅰ)
平衡时~T的关系如图所示。660 K时,该反应的平衡总压p总= kPa,平衡常数Kp(Ⅰ)= (kPa)2。Kp(Ⅰ)随反应温度升高而 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)提高温度,上述容器中进一步发生反应2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)(Ⅱ),平衡时= kPa,Kp(Ⅱ)= kPa(列出计算式)。
10.(2022全国乙,28改编)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢,需要回收处理并加以利用。回答下列问题:
(1)在1 470 K、100 kPa反应条件下,将n(H2S)∶n(Ar)=1∶4的混合气进行H2S热分解反应[2H2S(g) S2(g)+2H2(g)]。平衡时混合气中H2S与H2的分压相等,H2S平衡转化率为 ,平衡常数Kp=
kPa。
(2)在1 373 K、100 kPa反应条件下,对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合气,热分解反应过程中H2S转化率随时间的变化如图所示。
①n(H2S)∶n(Ar)越小,H2S平衡转化率 ,理由是 。
②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应图中曲线 ,计算其在0~0.1 s之间,H2S分压的平均变化率为 kPa·s-1。
11.(2022山东,20节选)利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD),反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反应,涉及反应如下:
已知:①反应Ⅰ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响;②因反应Ⅰ在高压H2氛围下进行,故H2压强近似等于总压。回答下列问题:
(1)以5.0×10-3mol BL或BD为初始原料,在493 K、3.0×103 kPa的高压H2氛围下,分别在恒压容器中进行反应。达平衡时,以BL为原料,体系向环境放热X kJ;以BD为原料,体系从环境吸热Y kJ。忽略副反应热效应,反应Ⅰ焓变ΔH(493 K,3.0×103 kPa)= kJ·mol-1。
(2)初始条件同上。xⅰ表示某物种ⅰ的物质的量与除H2外其他各物种总物质的量之比,xBL和xBD随时间t变化关系如图所示。实验测得X
Ⅰ.苯乙烯的制备
已知下列反应的热化学方程式:
①C6H5C2H5(g)+O2(g) 8CO2(g)+5H2O(g) ΔH1=-4 386.9 kJ·mol-1
②C6H5CH CH2(g)+10O2(g) 8CO2(g)+4H2O(g) ΔH2=-4 263.1 kJ·mol-1
③H2(g)+O2(g) H2O(g) ΔH3=-241.8 kJ·mol-1
④C6H5C2H5(g) C6H5CH CH2(g)+H2(g) ΔH4=+118.0 kJ·mol-1
(1)在某温度、100 kPa下,向反应器中充入1 mol气态乙苯发生反应④,其平衡转化率为50%,欲将平衡转化率提高至75%,需要向反应器中充入 mol水蒸气作为稀释气(计算时忽略副反应)。
(2)在913 K、100 kPa下,以水蒸气作稀释气、Fe2O3作催化剂,乙苯除脱氢生成苯乙烯外,还会发生如下两个副反应:
⑤C6H5C2H5(g) C6H6(g)+CH2 CH2(g)
⑥C6H5C2H5(g)+H2(g) C6H5CH3(g)+CH4(g)
以上反应体系中,芳香烃产物苯乙烯、苯和甲苯的选择性S(S=×100%)随乙苯转化率的变化曲线如图所示,其中曲线b代表的产物是 ,理由是 。
三年模拟练
应用实践
1.(2024安徽淮北一中期中)一定条件下,发生反应6H2(g)+2CO2(g) C2H5OH(g)+3H2O(g),CO2平衡转化率随温度变化如图所示。对a、b、c三点对应情况的分析,正确的是 ( )
反应物起始物质的量之比:
曲线Ⅰ:n(H2)/n(CO2)=2
曲线Ⅱ:n(H2)/n(CO2)=1.5
A.CO2物质的量分数:a>b
B.C2H5OH物质的量分数:a
D.反应速率:va(CO2)
图1
图2
A.乙醇的超临界水氧化过程中,一氧化碳是中间产物,二氧化碳是最终产物
B.在550 ℃条件下,反应时间大于15 s时,乙醇氧化为二氧化碳已趋于完全
C.乙醇的超临界水氧化过程中,乙醇的消耗速率或二氧化碳的生成速率都可用来表示反应的速率,而且两者数值相等
D.随温度升高,xCO峰值出现的时间提前,且峰值更高,说明乙醇的氧化速率比一氧化碳氧化速率的增长幅度更大
3.(2024浙江台州联考)根据下列实验方案设计所得的现象和结论与理论相违背的是 ( )
实验目的 方案设计 现象和结论
A 探究反应物浓度对化学反应速率的影响 分别取10 mL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液和5 mL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液、5 mL蒸馏水于两支试管中,然后同时加入10 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液 前者出现浑浊现象所需时间更短,说明增大Na2S2O3浓度,可以加快反应速率
B 探究压强对化学反应速率的影响 在容积不变的密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),向其中通入氩气 反应速率不变,说明化学反应速率不受压强影响
C 探究温度对化学平衡的影响 将装有NO2和N2O4混合气体的连通烧瓶分别浸泡在冰水和热水中,然后用弹簧夹夹住乳胶管:2NO2(g)(红棕色) N2O4(g)(无色) ΔH<0 浸泡在热水中的烧瓶内红棕色加深,浸泡在冰水中的烧瓶内红棕色变浅,说明其他条件不变时,升高温度,会使化学平衡向吸热反应方向移动
D 探究KI与FeCl3反应的限度 取5 mL 0.1 mol/L的KI溶液于试管中,加入1 mL 0.1 mol/L的FeCl3溶液,充分反应后滴入5滴15% KSCN溶液 溶液变为血红色,则KI与FeCl3的反应有一定限度
4.(2024安徽合肥一中期中)乙烯水合反应制备乙醇是工业乙醇的主要来源,在气相条件下可表示为C2H4(g)+H2O(g) C2H5OH(g) ΔH。在起始n(H2O)=n(C2H4)条件下,乙烯的平衡转化率随温度、压强的变化关系如图所示。下列分析错误的是 ( )
A.乙烯气相水合反应的ΔH<0
B.图中a点对应的平衡常数Kp=
C.图中压强的大小关系为p1>p2>p3
D.达到平衡状态a、b所需要的时间:a>b
5.(2023福建罗源一中期中)某小组为了探究Br+5Br-+6H+ 3Br2+3H2O的反应速率(v)与反应物浓度的关系,在20 ℃时进行实验,所得的数据如表:
① ② ③ ④ ⑤
c(H+)/(mol·L-1) 0.008 0.008 0.004 0.008 0.004
c(Br)/ (mol·L-1) 0.001 0.001 0.001 0.002 0.002
c(Br-)/ (mol·L-1) 0.10 0.20 0.20 0.10 0.40
v/(mol· L-1·s-1) 2.4× 10-8 4.8× 10-8 1.2× 10-8 4.8× 10-8 v
已知:反应速率方程为v=k·cm(Br)·cn(Br-)·cp(H+)(k的数值为常数)
下列结论不正确的是 ( )
A.实验⑤中,v=9.6×10-8
B.若温度升高到40 ℃,则k的数值增大
C.m=1,n=1,p=2
D.实验①④,探究的是c(Br)对反应速率的影响
6.(2024江西宜春月考)在一定条件下,向某2 L恒容密闭容器中充入2 mol CO2、4 mol H2,发生反应CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g),测得反应10 min时,不同温度下氢气的转化率如图所示。[已知:该反应的速率方程v正=k正·p4(H2)·p(CO2),v逆=k逆·p2(H2O)·p(CH4),k正、k逆只与温度有关]
下列说法错误的是 ( )
A.图中a、b、c三点对应的v逆(CH4)由大到小的顺序为c>b>a
B.该反应的ΔH<0
C.T2 K温度下,起始时容器内的压强为3 MPa,k逆=2(MPa)-2·min-1,则该温度k正≈33.3(MPa)-4·min-1
D.升高温度或增大压强,都可以提高反应物的平衡转化率
迁移创新
7.(2024湖南永州期中)利用CO2合成二甲醚可以很大程度地帮助实现“碳中和”,其合成过程由两种工艺组成。
工艺1:先在设备一加氢合成甲醇,主要涉及以下反应:
Ⅰ.甲醇的合成:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g);
Ⅱ.逆水汽变换:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g);
再通过设备二合成二甲醚,涉及以下反应:
Ⅲ.甲醇脱水:2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)。
工艺2:在双功能催化剂作用下,由CO2加氢直接得到二甲醚。
已知:相关物质变化的焓变示意图如下:
回答下列问题:
(1)请写出工艺2中CO2直接加氢合成CH3OCH3(g)(反应Ⅳ)的热化学方程式: 。
(2)①工艺1需先在设备一合成甲醇。在不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料合成甲醇,实验测得CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图所示。
图甲
图乙
下列说法正确的是 (填字母)。
A.图甲纵坐标表示CH3OH的平衡产率
B.压强:p1>p2>p3
C.为了同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择低温、高压的反应条件
D.一定温度、压强下,寻找活性更高的催化剂,是提高CO2的平衡转化率的主要研究方向
②解释图乙不同压强下纵坐标代表的物理量在550 ℃后趋于相等的原因: 。
(3)若一定量CO2和H2仅发生反应Ⅰ和Ⅱ,研究表明:在其他条件相同的情况下,用新型催化剂可以显著提高甲醇的选择性。使用该催化剂,按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(总量为a mol)投料于恒容密闭容器中进行反应,CO2的平衡转化率和甲醇的选择性(甲醇的选择性:转化的CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图所示(忽略温度对催化剂的影响)。
①根据图中数据,温度选择 K(填“473”“513”或“553”),达到平衡时,反应体系内甲醇的产量最高。
②随着温度的升高,CO2的平衡转化率增大但甲醇的选择性降低,请分析其原因: 。
答案与分层梯度式解析
五年高考练
1.C 2.C 3.D 4.B 5.C 8.B
1.C 本题属于信息型图像题,题目涉及的物质变化必须根据图像分析推导,所以解答本题先分析图像中对应Mn粒子的曲线变化,再结合所学氧化还原反应、化学反应速率的影响因素等相关知识分析解答(解题技法)。由题图可知,Mn(Ⅶ)首先被还原为Mn(Ⅲ),还有少量Mn(Ⅳ)生成,Mn(Ⅲ)浓度达到最大后,会继续被还原为Mn(Ⅱ),故Mn(Ⅲ)可以氧化H2C2O4,该条件下Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅶ)不能大量共存,A项错误、C项正确;反应生成的Mn(Ⅱ)起催化作用,使反应速率加快,故反应速率不是逐渐减小,B项错误;H2C2O4是弱酸,在书写离子方程式时不能拆开,总反应的离子方程式为2Mn+5H2C2O4+6H+ 2Mn2++10CO2↑+8H2O,D项错误。
考场速决 从题图可看出,Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅶ)没有同时存在的时刻,所以二者不能大量共存,C项正确。
2.C 实验①中,0~20 min,Δc(NH3)=2.40×10-3 mol·L-1-2.00×10-3 mol·L-1=4.00×10-4 mol·L-1,v(NH3)==2.00×10-5 mol·L-1·min-1,反应速率之比等于化学计量数之比,v(N2)=v(NH3)=1.00×10-5 mol·L-1·min-1,A正确;恒温条件下平衡常数K恒定,实验③平衡时c(NH3)=0.40×10-3 mol·L-1,若实验②平衡时c(NH3)也等于0.40×10-3 mol·L-1,由于起始投料量不同,求出的K必然不同,所以x≠0.40,B正确;实验①中氨气起始浓度大于实验②,但在0~20 min,实验①和实验②中氨气浓度变化量都是4.00×10-4 mol·L-1,不能说明相同条件下,氨气的浓度增加,反应速率增大,C错误;对比实验①和实验③,氨气起始浓度相同,实验③中催化剂表面积是实验①中催化剂表面积的2倍,实验③先达到平衡状态,反应速率快,说明相同条件下,增加催化剂的表面积,反应速率增大,D正确。
3.D 从题图中可以看出,无催化剂时,反应能进行,但是反应速率比较慢,A项错误;在相同条件下,催化剂Ⅱ与催化剂Ⅰ相比,相同时间内催化剂Ⅰ条件下生成物的浓度变化量更大,反应速率更快,故催化剂Ⅰ使反应活化能更低,B项错误;0~2 min内,反应物浓度的变化量与生成物浓度的变化量之比等于其化学计量数之比,故a曲线表示使用催化剂Ⅰ时X的浓度随时间的变化,C项错误;使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(X)=v(Y)=×=1.0 mol·L-1·min-1,D项正确。
教材溯源
神奇的催化剂
(1)催化剂对化学反应速率和化学平衡的影响:催化剂能极大地提高化学反应速率,而不影响化学平衡,且自身的组成、化学性质和质量在反应前后不发生变化;催化剂都具有一定的选择性。
(2)酶:酶是特殊的催化剂,其比一般的催化剂具有更高的选择性和催化效率,且反应条件温和。
(3)催化剂活性:在使用催化剂时,要注意温度对催化剂的影响,找到催化剂的最适温度,在最适温度下,催化剂的活性最大,具有更高的催化效率。
(4)催化剂“中毒”:因吸附或沉积毒物(反应原料中带入的杂质、反应产物或副产物等)而使催化剂活性降低或丧失的过程。
4.B MnO2催化H2O2分解,催化剂只改变化学反应速率,不影响平衡移动,所以不能用平衡移动原理解释,A错误;密闭烧瓶中存在平衡:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0,加热,平衡逆向移动,导致c(NO2)增大,气体颜色加深,能用平衡移动原理解释,B正确;常温下,Fe遇浓硝酸发生钝化,铁钉表面产生了氧化膜,加热条件下氧化膜被破坏,铁和浓硝酸发生氧化还原反应,有红棕色气体NO2生成,不能用平衡移动原理解释,C错误;Zn能置换出Cu,Zn、Cu和稀硫酸构成原电池而促进H2的生成,不能用平衡移动原理解释,D错误。
考场速决 平衡移动原理要应用在存在化学平衡状态的反应中,这样的化学反应一定是可逆反应,此题中只有B选项涉及反应是可逆反应。
5.C 对于反应I2(g)+H2(g) 2HI(g),依据化学平衡常数定义知,K==≈50.28。A项,Q===1.00<50.28,反应正向进行;B项,Q==≈50.28,反应处于平衡状态;C项,Q==≈82.64>50.28,反应逆向进行;D项,Q==≈50.28,反应处于平衡状态。
6.答案 BD
解析 由于容器体积固定,充入惰性气体虽使容器内压强增大,但反应物和生成物的浓度不变,故平衡不会移动,A错误;容器体积固定,反应物中存在C(s),未达平衡前,气体的总质量增大,混合气体的密度逐渐增大,当密度不变时说明反应达到平衡状态,B正确;反应Ⅰ、Ⅱ相加得反应C(s)+2H2O(g) CO2(g)+2H2(g),若H2O(g)完全转化,则所得混合气体中H2的体积分数为,由于反应为可逆反应,故混合气体中H2的体积分数小于,C错误;将炭块粉碎,增大反应物的接触面积,可以加快反应速率,D正确。
7.答案 (ⅰ)cd (ⅱ)d
解析 (ⅰ)根据题图可知,随着温度的升高,反应速率先增大后减小,a错误;相同条件下,反应达平衡时,转化率最大,转化率为0.88时未达到相同温度下的最大转化率,不是平衡状态,b错误;由题图可知,转化率越大,反应速率最大值对应的温度越低,c正确;根据不同转化率下的最大速率对应的温度,选择最佳生产温度,d正确。(ⅱ)根据题图可知四种不同催化剂在相同温度下作用时,d的转化率最高,且转化率较高时,温度较低,催化性能最好。
8.B 应用“定一议二”原则分析图像,解题过程中可以作辅助线帮助分析(解题技法)。
题述反应为反应前后气体体积不相等的反应,恒温恒容,当容器内压强不变时,说明反应达到平衡状态,D正确。
9.答案 (3)3.0 2.25 增大
(4) 46.26
解析 (3)由题给平衡时~T的关系图得,660 K时,=1.5 kPa,根据反应(Ⅰ)的化学方程式可知,==1.5 kPa,没有其他气体存在,则该反应的平衡总压p总=+=3.0 kPa;平衡常数Kp(Ⅰ)=·=2.25 (kPa)2;由题图得,随温度升高而逐渐增大,则也随温度升高而增大,故Kp(Ⅰ)随反应温度升高而增大。
(4)提高温度后,容器中进一步发生反应2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)(Ⅱ),结合反应(Ⅰ),设SO3分解前的物质的量为a mol(SO2的物质的量也为a mol),平衡时转化的SO3的物质的量为2x mol,则有
2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)
起始/mol a a 0
转化/mol 2x 2x x
平衡/mol a-2x a+2x x
平衡时n总=(2a+x)mol,则=p总,=p总,=p总,联立解得=;在929 K时,p总=++=84.6 kPa,又==35.7 kPa,解得=46.26 kPa,=2.64 kPa,Kp(Ⅱ)== kPa。
10.答案 (1)50% 4.76
(2)①越高 等温等压下加入惰性气体,平衡向气体分子数增加的方向移动 ②d 24.9
解析 (1)设n(H2S)=1 mol,则n(Ar)=4 mol,转化的n(H2S)=x mol,列三段式:
2H2S(g) 2H2(g)+S2(g)
起始/mol 1 0 0
转化/mol x x
平衡/mol 1-x x
平衡时H2S和H2的分压相等,即n(H2S)=n(H2),1-x=x,x=0.5,H2S的转化率为×100%=50%;此时n(H2S)=n(H2)=0.5 mol,n(S2)=0.25 mol,p(S2)=×100 kPa≈4.76 kPa,Kp=,平衡时H2S和H2的分压相等,故Kp=p(S2)≈4.76 kPa。
(2)2H2S(g) 2H2(g)+S2(g)是气体物质的量增多的反应,压强越小反应正向进行的程度越大,H2S的转化率越大。在100 kPa的恒压条件下,n(H2S)∶n(Ar)越小,H2S的分压越小,相当于降低压强,H2S的转化率越大,故题图中曲线a、b、c、d、e对应的n(H2S)∶n(Ar)分别是4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19。当n(H2S)∶n(Ar)=1∶9时,设n(H2S)=1 mol,则n(Ar)=9 mol,0 s时p(H2S)=×100 kPa=10 kPa,0.1 s内H2S的转化率为24%,即参加反应的H2S的物质的量为0.24 mol,列三段式:
2H2S(g) 2H2(g)+S2(g)
起始/mol 1 0 0
转化/mol 0.24 0.24 0.12
0.1 s/mol 0.76 0.24 0.12
0.1 s时,p(H2S)=×100 kPa≈7.51 kPa,则0.1 s内H2S分压的平均变化率为=24.9 kPa·s-1。
11.答案 (1)-200(X+Y)
(2)a、c 8.3×10-8 0.08 39%
解析 (1)反应Ⅰ为可逆反应,在相同条件下,以等物质的量的BL或BD为初始原料,达到平衡时的状态相同,以5.0×10-3 mol BL为原料,达平衡时放热X kJ,以5.0×10-3 mol BD为原料,达平衡时吸热Y kJ,故反应Ⅰ的ΔH=- kJ·mol-1=-200(X+Y) kJ·mol-1。
(2)由X
(2)甲苯 主反应④的产物苯乙烯应该选择性最高,曲线a代表苯乙烯,随乙苯转化率的增大,反应体系中H2的量增大,反应⑥速率加快,甲苯的选择性提高
解析 (1)乙苯的平衡转化率为50%时,根据反应④列三段式:
C6H5C2H5(g) C6H5CH CH2(g)+H2(g)
起始/mol 1 0 0
转化/mol 0.5 0.5 0.5
平衡/mol 0.5 0.5 0.5
平衡时,气体总物质的量为1.5 mol,则Kp== kPa。欲将平衡转化率提高至75%,设需要向反应器中充入x mol水蒸气,根据反应④列三段式:
C6H5C2H5(g) C6H5CH CH2(g)+H2(g)
起始/mol 1 0 0
转化/mol 0.75 0.75 0.75
平衡/mol 0.25 0.75 0.75
平衡时,气体总物质的量为0.25 mol+0.75 mol+0.75 mol+x mol=(1.75+x) mol,因温度不变,则Kp不变,Kp== kPa,解得x=5。
三年模拟练
1.D 2.C 3.B 4.C 5.A 6.D
1.D 根据题图可看出,CO2的平衡转化率:a>b,投料比相同的情况下,CO2的平衡转化率越大,剩余的CO2的物质的量越少, CO2的物质的量分数也就越小,所以CO2的物质的量分数:a
起始/mol 2m m 0 0
转化/mol 1.8m 0.6m 0.3m 0.9m
平衡/mol 0.2m 0.4m 0.3m 0.9m
平衡时C2H5OH的物质的量分数为×100%≈16.7%;设c点起始二氧化碳物质的量为n mol,则起始氢气物质的量为1.5n mol,可列三段式:
6H2(g)+2CO2(g) C2H5OH(g)+3H2O(g)
起始/mol 1.5n n 0 0
转化/mol 1.35n 0.45n 0.225n 0.675n
平衡/mol 0.15n 0.55n 0.225n 0.675n
平衡时C2H5OH的物质的量分数为×100%≈14.1%,所以C2H5OH物质的量分数:a>c,B错误;其他条件相同时,升高温度,二氧化碳的转化率降低,平衡逆向移动,则平衡常数变小,平衡常数:Ka=Kc>Kb,C错误;其他条件相同时,升高温度,化学反应速率加快,反应速率:va(CO2)
素养解读
本题以超临界水为情境,以图像的形式提供乙醇的超临界水氧化结果图,考查学生新信息的接受能力、图像的分析能力,培养学生证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
3.B 两份混合溶液的体积相同,H2SO4溶液的浓度相同,Na2S2O3溶液的浓度不同,增大Na2S2O3溶液的浓度,出现浑浊现象所需时间缩短,从而得出增大反应物浓度,可加快反应速率,A符合题意;对于合成氨反应,在容器容积不变时,通过充入稀有气体增大容器内的压强,由于反应物和生成物的浓度不变,所以反应速率不变(易错点),但如果缩小容器容积来增大压强,化学反应速率会改变,所以不能得出化学反应速率不受压强影响的结论,B不符合题意;对于反应2NO2(g)(红棕色) N2O4(g)(无色) ΔH<0,升高温度,混合气体的颜色加深,则表明平衡逆向移动,从而得出升高温度,会使化学平衡向吸热反应方向移动,C符合题意;足量的KI溶液中加入少量的FeCl3溶液,反应后的溶液能使KSCN溶液变为血红色,表明FeCl3有剩余,从而说明KI与FeCl3的反应有一定限度,D符合题意。
4.C 同一压强下,温度升高乙烯平衡转化率下降,说明升高温度平衡逆向移动,正反应为放热反应,则ΔH<0,A正确;假设n(H2O)=n(C2H4)=1 mol,题图a点乙烯的平衡转化率为20%,则参与反应的乙烯为0.2 mol,平衡时n(H2O)=n(C2H4)=0.8 mol,n(C2H5OH)=0.2 mol,Kp==,B正确;题述反应正反应为气体体积减小的反应,相同温度下,压强越大,乙烯的平衡转化率越大,因此p3>p2>p1,C错误;b点的温度、压强均高于a点,反应速率:b>a,因此达到平衡所需时间:a>b,D正确。
5.A 对比实验①②可知,反应速率与c(Br-)成正比,对比实验①④可知,反应速率与c(Br)成正比,对比实验③⑤可知,v=1.2×10-8×2×2=4.8×10-8,A错误;温度升高,反应速率加快,则k的数值增大,B正确;对比实验①②可知c(Br-)增大1倍,反应速率增大到原来的2倍,n=1,同理,对比实验①④可知m=1,对比实验②③可知,H+浓度增大1倍,反应速率增大到原来的4倍,所以p=2,C正确;对比实验①④可知,只有Br的浓度不同,所以实验①④探究的是c(Br)对反应速率的影响,D正确。
6.D 从题图可看出,T2 K之前H2的转化率随温度的升高而增大,T2 K之后H2的转化率随温度的升高而减小,温度越高,化学反应速率越快,达到平衡所需时间越短,可判断T2 K之前反应未达到平衡状态,T2 K之后反应达到平衡状态,升高温度,平衡逆向移动,则题述反应ΔH<0;温度:c>b>a,升高温度正、逆反应速率都增大,故v逆(CH4)由大到小的顺序为c>b>a,A、B正确。T2 K时,反应达到平衡状态,氢气的转化率为80%,起始时充入2 mol CO2、4 mol H2,压强为3 MPa,可以推出起始时CO2分压为1 MPa,H2分压为2 MPa,恒容条件下可列三段式:
CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)
起始/MPa 1 2 0 0
变化/MPa 0.4 1.6 0.4 0.8
平衡/MPa 0.6 0.4 0.4 0.8
Kp= (MPa)-2= (MPa)-2,根据平衡时v正=v逆,推出Kp=,则k正=k逆×Kp=2×(MPa)-4·min-1≈33.3(MPa)-4·min-1,C正确;题述反应ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,反应物的平衡转化率减小,D错误。
7.答案 (1)2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH=-123.1 kJ·mol-1
(2)①ABC ②反应Ⅱ是吸热反应,550 ℃后以反应Ⅱ为主,反应Ⅱ是反应前后气体体积相等的反应
(3)①553 ②当温度升高时反应Ⅰ的平衡逆向移动,而反应Ⅱ的平衡正向移动且幅度更大,所以CO2的转化率增大,但甲醇的选择性降低
解析 (1)根据题给焓变示意图可知:在工艺2中,2 mol CO2(g)和6 mol H2(g)的总能量比1 mol CH3OCH3(g)和3 mol H2O(g)的总能量高(99.2+23.9) kJ=123.1 kJ,所以CO2直接加氢合成CH3OCH3(g)(反应Ⅳ)的热化学方程式为2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH=-123.1 kJ·mol-1。
(2)①根据题给焓变示意图可知:反应Ⅰ为放热反应,反应Ⅱ为吸热反应,在其他条件不变时,温度升高,反应Ⅰ平衡逆向移动,反应Ⅱ平衡正向移动,CH3OH(g)的平衡产率会降低,所以图甲纵坐标表示CH3OH的平衡产率,A正确;反应Ⅰ的正反应是气体体积减小的反应,在其他条件不变时,增大压强,化学平衡正向移动,CO2的平衡转化率增大,CH3OH的平衡产率增大,压强:p1>p2>p3,B正确;反应Ⅰ的正反应是气体体积减小的放热反应,为了同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,根据平衡移动原理,可知应选择低温、高压的反应条件,C正确;一定温度、压强下,寻找活性更高的催化剂,可以加快反应速率,但化学平衡不发生移动,因此不能提高CO2的平衡转化率,D错误。②图乙纵坐标表示CO2的平衡转化率,不同压强下CO2的平衡转化率在550 ℃后趋于相等,这是由于反应Ⅱ是吸热反应,550 ℃后以反应Ⅱ为主,反应Ⅱ是反应前后气体体积相等的反应,所以不同压强下CO2的平衡转化率趋于相等。
(3)①按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(总量为a mol)投料于恒容密闭容器中进行反应,n(CO2)=×a mol= mol,由碳元素守恒,n(CH3OH)=n(CO2)×CO2的平衡转化率×甲醇的选择性,473 K时,n(CH3OH)=n(CO2)×13.2%×86%≈0.028a mol,513 K时,n(CH3OH)=n(CO2)×15%×78%≈0.029a mol,553 K时,n(CH3OH)=n(CO2)×60%×21%≈0.032a mol,故温度选择553 K,达到平衡时,反应体系内甲醇的产量最高。②反应Ⅰ为放热反应,反应Ⅱ为吸热反应,当温度升高时反应Ⅰ的平衡逆向移动,而反应Ⅱ的平衡正向移动且幅度更大,所以CO2的转化率增大,但甲醇的选择性降低。
素养解读 本题以当今热点问题“碳中和”为情境,引发学生对环保问题的关注,引导学生从化学角度思考社会问题的解决办法,激发学生学习化学的兴趣。本题的综合性很强,借助图像多角度考查化学平衡的问题,培养学生变化观念与平衡思想、科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
