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.(2022浙江1月选考,19)在恒温恒容条件下,发生反应A(s)+2B(g) 3X(g),c(B)随时间的变化如图中曲线甲所示。下列说法不正确的是( )
A.从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率
B.从b点切线的斜率可求得该化学反应在反应开始时的瞬时速率
C.在不同时刻都存在关系:2v(B)=3v(X)
D.维持温度、容积、反应物起始的量不变,向反应体系中加入催化剂,c(B)随时间变化关系如图中曲线乙所示
2.(2021广东,14)反应X2Z经历两步:①XY;②Y2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是( )
A.a为c(X)随t的变化曲线
B.t1时,c(X)=c(Y)=c(Z)
C.t2时,Y的消耗速率大于生成速率
D.t3后,c(Z)=2c0-c(Y)
3.(2021河北,13)室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+NX+Y;②M+NX+Z。反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图。下列说法错误的是( )
A.0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3mol·L-1·min-1
B.反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变
C.如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为Z
D.反应①的活化能比反应②的活化能大
4.(2020江苏单科,20节选)CO2/HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。
(1)CO2催化加氢。在密闭容器中,向含有催化剂的KHCO3溶液(CO2与 KOH溶液反应制得)中通入H2生成HCOO-,其离子方程式为 ;其他条件不变,HC转化为HCOO-的转化率随温度的变化如图1所示。
图1
反应温度在40~80 ℃范围内,HC催化加氢的转化率迅速上升,其主要原因是 。
(3)HCOOH催化释氢。在催化剂作用下,HCOOH分解生成CO2和H2可能的反应机理如图2所示。
图2
①HCOOD催化释氢反应除生成CO2外,还生成 (填化学式)。
②研究发现:其他条件不变时,以HCOOK溶液代替HCOOH催化释氢的效果更佳,其具体优点是 。
考点2 化学平衡及平衡移动原理
5.(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
6.(2022江苏,13)乙醇—水催化重整可获得H2。其主要反应为
C2H5OH(g)+3H2O(g) 2CO2(g)+6H2(g) ΔH=173.3 kJ·mol-1
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=41.2 kJ·mol-1
在1.0×105 Pa、n始(C2H5OH)∶n始(H2O)=1∶3时,若仅考虑上述反应,平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。
CO的选择性=×100%
下列说法正确的是( )
A.图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化
B.升高温度,平衡时CO的选择性增大
C.一定温度下,增大n(C2H5OH)/n(H2O)可提高乙醇平衡转化率
D.一定温度下,加入CaO(s)或选用高效催化剂,均能提高平衡时H2产率
7.(2023江苏,13)二氧化碳加氢制甲烷过程中的主要反应为
CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-164.7 kJ·mol-1
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1
在密闭容器中,1.01×105 Pa、n起始(CO2)∶n起始(H2)=1∶4时,CO2平衡转化率、在催化剂作用下反应相同时间所测得的CO2实际转化率随温度的变化如图所示。CH4的选择性可表示为×100%。下列说法正确的是 ( )
A.反应2CO(g)+2H2(g) CO2(g)+CH4(g)的焓变ΔH=-205.9 kJ·mol-1
B.CH4的平衡选择性随着温度的升高而增加
C.用该催化剂催化二氧化碳反应的最佳温度范围约为480~530 ℃
D.450 ℃时,提高的值或增大压强,均能使CO2平衡转化率达到X点的值
8.(2023湖北,19)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下,C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。
C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的反应机理和能量变化如下:
回答下列问题:
(1)已知C40Hx中的碳氢键和碳碳键的键能分别为431.0 kJ·mol-1和298.0 kJ·mol-1,H—H键能为436.0 kJ·mol-1。估算C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的ΔH= kJ·mol-1。
(2)图示历程包含 个基元反应,其中速率最慢的是第 个。
(3)C40H10纳米碗中五元环和六元环结构的数目分别为 、 。
(4)1 200 K时,假定体系内只有反应C40H12(g) C40H10(g)+H2(g)发生,反应过程中压强恒定为p0 (即C40H12的初始压强),平衡转化率为α,该反应的平衡常数Kp为 (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(5)40H19(g) C40H18(g)+H·(g)及40H11(g) C40H10(g)+H·(g)反应的lnK(K为平衡常数)随温度倒数的关系如图所示。已知本实验条件下,lnK=-+c(R为理想气体常数,c为截距)。图中两条线几乎平行,从结构的角度分析其原因是 。
(6)下列措施既能提高反应物的平衡转化率,又能增大生成C40H10的反应速率的是 (填标号)。
a.升高温度 b.增大压强 c.加入催化剂
9.(2023辽宁,18)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。
(1)我国古籍记载了硫酸的制备方法——“炼石胆(CuSO4·5H2O)取精华法”。借助现代仪器分析,该制备过程中CuSO4·5H2O分解的TG曲线(热重)及DSC曲线(反映体系热量变化情况,数值已省略)如下图所示。700 ℃左右有两个吸热峰,则此时分解生成的氧化物有SO2、 和 (填化学式)。
(2)铅室法使用了大容积铅室制备硫酸(76%以下),副产物为亚硝基硫酸,主要反应如下:
NO2+SO2+H2O NO+H2SO4 2NO+O2 2NO2
(ⅰ)上述过程中NO2的作用为 。
(ⅱ)为了适应化工生产的需求,铅室法最终被接触法所代替,其主要原因是 (答出两点即可)。
(3)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下图所示,催化性能最佳的是 (填标号)。
(ⅲ)设O2的平衡分压为p,SO2的平衡转化率为αe,用含p和αe的代数式表示上述催化氧化反应的Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算)。
三年模拟练
应用实践
1.(2023江苏连云港期中)以丙烯、氨气、氧气为原料,在催化剂作用下可以合成丙烯腈。反应的化学方程式为2CH2CHCH3(g)+ 2NH3(g)+3O2(g) 2CH2CHCN(g)+6H2O(g) ΔH<0。下列说法正确的是( )
A.该反应一定可以自发进行
B.上述反应的平衡常数K=
C.上述反应中每得到1 mol CH2CHCN,转移电子的数目约为2× 6.02×1023
D.一定温度下,使用高效催化剂可以提高平衡时CH2CHCN的产率
2.(2023河北石家庄第十七中学月考)温度为T1时,将等物质的量的 CO2和H2充入体积为1 L的密闭容器中发生反应:CO2(g)+H2(g) HCOOH(g) ΔH=+31 kJ/mol。实验测得:v正=k正c(CO2)·c(H2),v逆= k逆c(HCOOH),k正、k逆为速率常数,T1时,该反应的平衡常数K=1。下列有关说法正确的是( )
A.若反应正向进行还未达到平衡时:体系中存在:c(CO2)·c(H2)< c(HCOOH)
B.T1时,CO2的平衡转化率为50%
C.升高温度k正增大,k逆减小
D.当温度改变为T2时,k正=0.9k逆,则T2
实验 c(N2)/ (mol·L-1) c(H2)/ (mol·L-1) c(NH3)/ (mol·L-1) v/(mol· L-1·s-1)
1 m n p q
2 2m n p 2q
3 m n 0.1p 10q
4 m 2n p 2.828q
A.k与反应温度、压强、反应物浓度无关
B.α=1,γ=-1
C.在恒容容器中反应时,充入He,压强增大反应速率加快
D.加入适当催化剂,反应活化能、焓变均减小
4.(2024江苏连云港期中)使用丙烯(C3H6)可将汽车尾气中的NOx还原为N2除去,主要反应为:
反应Ⅰ:2C3H6(g)+18NO(g) 6CO2(g)+9N2(g)+6H2O(g) ΔH= -5 202 kJ·mol-1
反应Ⅱ:4C3H6(g)+18NO2(g) 12CO2(g)+9N2(g)+12H2O(g) ΔH= -1 890 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2C3H6(g)+9O2(g) 6CO2(g)+6H2O(g) ΔH=-3 141 kJ·mol-1
将一定比例C3H6、NO2、NO、O2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管,C3H6、NOx(NO和NO2)的转化率和N2的选择性[×100%]与温度的关系如图所示。下列说法不正确的是( )
A.反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)的焓变ΔH=-717 kJ·mol-1
B.高效去除汽车尾气中的NOx,合适的温度为300~500 ℃
C.350~400 ℃,NOx的转化率迅速下降的主要原因是催化剂的活性 下降
D.400~550 ℃,以反应Ⅲ为主
5.(2022江苏启东质量监测)CH4与CO2重整可以同时利用两种温室气体,其工艺过程中涉及如下反应:
反应Ⅰ CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247.4 kJ·mol-1
反应Ⅱ CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
反应Ⅲ CH4(g)+O2(g) CO(g)+2H2(g) ΔH3=-35.6 kJ·mol-1
一定条件下,向体积为V L的密闭容器中通入CH4、CO2各1.0 mol及极少量O2,测得不同温度下反应平衡时各产物产量如图所示。下列说法正确的是( )
A.随着温度升高,各产物产量都增加
B.图中曲线a表示H2的物质的量随温度的变化
C.1 100 K时,CH4与CO2的转化率分别为95%、90%,反应Ⅰ的平衡常数K=
D.反应2CO(g)+O2(g) 2CO2(g) ΔH=-283 kJ·mol-1
6.(2024江苏苏锡常镇四市第二次调研)用草酸二甲酯(H3COOCCOOCH3)和氢气为原料制备乙二醇的反应原理如下:
H3COOCCOOCH3(g)+2H2(g) H3COOCCH2OH(g)(乙醇酸甲酯)+CH3OH(g) ΔH=-16.3 kJ·mol-1
H3COOCCH2OH(g)+2H2(g) HOH2CCH2OH(g)+CH3OH(g) ΔH=-14.8 kJ·mol-1
在2 MPa条件下,将氢气和草酸二甲酯体积比(氢酯比)为80∶1的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管,草酸二甲酯的转化率、产物的选择性与温度的关系如图所示。
产物的选择性=×100%,下列说法正确的是( )
A.曲线Ⅰ表示乙二醇的选择性随温度的变化
B.其他条件不变,增大压强或升高温度,草酸二甲酯的平衡转化率均增大
C.其他条件不变,在190~195 ℃范围,随着温度升高,出口处乙醇酸甲酯的量不断减小
D.其他条件不变,在190~210 ℃范围,随着温度升高,出口处甲醇和乙二醇的物质的量之比[]减小
7.(2022江苏扬州中学测试)某研究小组在容积为1 L的容器中,以 AgZSM为催化剂,催化相同时间,测得不同温度下0.1 mol NO转化为N2的转化率如图所示。下列说法错误的是( )
A.其他条件不变,更换高效催化剂进行相同的测定,所得曲线与上图不一致
B.反应2NO(g)N2(g)+O2(g)的ΔH<0
C.CO能提高NO的转化率的原因可能是CO与生成的氧气反应
D.Y点再通入CO、N2各0.01 mol,此时平衡逆向移动
8.燃煤电厂锅炉尾气中含有氮氧化物(主要成分为NO),可通过主反应4NH3(g)+4NO(g)+O2(g) 4N2(g)+6H2O(g) ΔH=-1 627.7 kJ· mol-1除去。温度高于300 ℃时会发生副反应:4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g) ΔH=-904.74 kJ·mol-1。在恒压、反应物起始物质的量之比一定的条件下,反应相同时间,NO的转化率在不同催化剂作用下随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法一定正确的是 ( )
A.升高温度、增大压强均可提高主反应中NO的平衡转化率
B.N2(g)+O2(g) 2NO(g) ΔH=-180.74 kJ·mol-1
C.图中X点所示条件下,反应时间足够长,NO的转化率能达到Y点 的值
D.图中Z点到W点NO的转化率降低的原因是主反应的平衡逆向移动
9.(2024江苏徐州部分学校开学考)甲烷水蒸气催化重整是制备高纯氢的方法之一,反应如下:
反应ⅰ:CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206 kJ·mol-1;
反应ⅱ:CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH2=+165 kJ·mol-1。
(1)反应ⅲ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)的ΔH3= ;若在一定温度下的容积固定的密闭容器中进行该反应,则可以提高CO2转化率的措施为 ,下列说法可以证明该反应已达到平衡状态的是 (填字母)。
a.v正(CO2)=v正(H2)
b.容器内气体压强不再改变
c.H2的浓度不再改变
d.CO和H2O的浓度之比为1∶1
(2)对于反应ⅰ,向体积为2 L的恒容密闭容器中,按=1∶1投料。
①若在恒温条件下,反应达到平衡时CH4的转化率为50%,则平衡时容器内的压强与起始压强之比为 (最简单整数比)。
②其他条件相同时,在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下,反应相同时间,CH4的转化率随反应温度的变化如图所示。a点 (填“是”或“不是”)化学平衡状态,CH4的转化率:c点>b点,原因是 。
(3)某科研小组研究了反应ⅱ的动力学,获得其速率方程v=k·cm(CH4)·c0.5(H2O),k为速率常数(只受温度影响),m为CH4的反应级数。在某温度下进行实验,测得各组分初浓度和反应初速率如下:
实验 序号 c(H2O)/ (mol·L-1) c(CH4)/ (mol·L-1) v/(mol·L-1·s-1)
1 0.100 0.100 1.2×10-2
2 0.100 0.200 2.4×10-2
CH4的反应级数m= ,当实验2进行到某时刻,测得c(H2O)= 0.040 mol·L-1,则此时的反应速率v= mol·L-1·s-1(已知≈0.3)。
(4)甲烷、水蒸气催化重整制备高纯氢只发生反应ⅰ、反应ⅱ。在恒温、恒压条件下,1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)反应达平衡时,CH4(g)的转化率为a,CO2(g)的物质的量为b mol,则反应ⅰ的平衡常数Kx= [写出含有a、b的计算式;对于反应mA(g)+ nB(g) pC(g)+qD(g),Kx=,x为物质的量分数]。
迁移创新
10.随着经济全球化,我国已于2020年全面脱贫,家用汽车得到普及,有效处理汽车排放的尾气是需要进行研究的一项重要课题。利用催化技术可将尾气中的NO和CO转化成CO2和N2,化学方程式为 2NO(g)+2CO(g) 2CO2(g)+N2(g),为研究如何提高该转化过程反应速率,某课题组进行了实验探究。
资料查阅:①不同的催化剂对同一反应的催化效率不同;
②使用相同的催化剂,当催化剂质量相等时,催化剂的比表面积对催化效率有影响。
实验设计:课题组为探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律,设计了以下对比实验。
(1)完成以下实验设计表格:
实验编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
实验目的 为实验 Ⅱ、Ⅲ作 参照 ① 探究温度对 尾气转化速 率的影响
温度/℃ 280 280 360
NO初始浓 度/(mol/L) 6.50×10-3 6.50×10-3 6.50×10-3
CO初始浓 度/(mol/L) 4.00×10-3 4.00×10-3 4.00×10-3
同质量的同种 催化剂的比表 面积/(m2/g) 80 120 ②
图像分析与结论:利用气体传感器测定了三组实验中CO浓度随时间变化的曲线图。
(2)第Ⅱ组实验中,达平衡时NO的浓度为 。
(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知,增大催化剂比表面积,汽车尾气转化速率 (填“增大”“减小”或“无影响”)。
答案与分层梯度式解析
综合拔高练
五年高考练
1.C C项,任何时刻都存在关系:3v(B)=2v(X),错误。
2.D A项,X为反应物,随反应进行,浓度减小,则a为c(X)随t的变化曲线,正确;B项,t1时,三条曲线交于一点,即此时三种物质浓度相等,正确;C项,由题图分析各曲线的变化趋势,持续上升的曲线代表 c(Z),Y作为中间体,c(Y)先增大后减小,t2时刻Y的浓度呈下降趋势,说明Y的消耗速率大于生成速率,正确;D项,t3后,X全部被消耗,若全部转化为Y,则Y的起始浓度为c0,Y再继续转化为Z,假设t3后Y的浓度变化了x,列出该反应的三段式:
Y2Z
起始 c0 0
转化 x 2x
t3后 c0-x 2x
所以t3后,c(Z)=2x,c(Y)=c0-x,计算可得,c(Z)=2c0-2c(Y),错误。
3.A 由图像可知0~30 min时间段内,M的浓度变化为(0.500- 0.300) mol·L-1=0.200 mol·L-1,Z的浓度变化为0.125 mol·L-1,即反应②中M的浓度变化为0.125 mol·L-1,故反应①中M的浓度变化为(0.200-0.125) mol·L-1=0.075 mol·L-1,即Y的浓度变化为 0.075 mol·L-1,所以0~30 min时间段内,Y的平均反应速率v(Y)===2.5×10-3 mol·L-1·min-1,A项错误;由v=可得:Δc=v·Δt,且v1=k1c2(M),v2=k2c2(M),则Y、Z的浓度变化之比 Δc(Y)∶Δc(Z)=v1∶v2= k1∶k2,所以反应开始后,Y、Z的浓度之比保持不变,B项正确;根据A项计算,参加反应②的M所占的比例为×100%=62.5%,故如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为Z,C项正确;反应②的速率较大,所以反应①的活化能比反应②的活化能大,D项正确。
4.答案 (1)HC+H2 HCOO-+H2O 温度升高反应速率增大,温度升高催化剂的活性增强
(3)①HD ②提高释放氢气的速率,提高释放出氢气的纯度
解析 (1)根据题意,HC+H2 HCOO-,1个H2失去2个电子,1个HC得到2个电子,说明n(HC)∶n(H2)∶n(HCOO-)=1∶1∶1。根据原子守恒及电荷守恒配平离子方程式:HC+H2 HCOO-+H2O;反应温度在40~80 ℃范围内,随着温度升高,催化剂活性增强,单位时间内HC催化加氢的转化率迅速上升。
(3)①观察题图所示反应机理,HCOOH电离出的H+结合形成,HCOO-结合形成,然后脱去CO2形成,与结合产生H2,故是HCOOH的2个H结合产生了H2,则HCOOD的产物除了CO2还有HD。②HCOOK与HCOOH的不同之处在于前者完全电离,更易与催化剂结合脱去CO2,相比而言,可提高释放氢气的速率;HCOOK溶液呈碱性,CO2不易放出,故还可提高释放出氢气的纯度。
5.B 一定条件下,增大H2O(g)的浓度,能提高CH4的平衡转化率,即x值越小,CH4的平衡转化率越大,则x1
7.D 已知反应①:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH= -164.7 kJ·mol-1,反应②:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH= +41.2 kJ·mol-1。A项,根据盖斯定律,反应①-2×反应②得2CO(g)+2H2(g) CO2(g)+CH4(g) ΔH=-164.7 kJ·mol-1-2×(+41.2 kJ· mol-1)=-247.1 kJ·mol-1,错误;B项,反应①的ΔH<0,升高温度,反应①平衡逆向移动,CH4的平衡选择性减小,错误;C项,根据题图,CO2实际转化率在350~400 ℃范围内最高,最佳温度范围约为350~400 ℃,错误;D项,450 ℃时,提高的值或增大压强,均能使反应①平衡正向移动,CO2平衡转化率增大,能达到X点的值,正确。
8.答案 (1)128
(2)3 3
(3)6 10
(4)p0
(5)两反应断键和成键数目相同,故ΔH相同,则ln K随变化率几乎相同
(6)a
解析 (1)由反应机理可知,反应C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)断裂 2 mol C—H键时,形成1 mol C—C键和1 mol H—H键,故ΔH= 431.0 kJ·mol-1×2-(298.0 kJ·mol-1+436.0 kJ·mol-1)=+128.0 kJ·mol-1。
(2)由题给反应历程图可知,图示历程包含3个基元反应;正反应活化能越大,反应速率越慢,第3个反应正反应活化能最大,即反应速率最慢。
(3)C40H20中有10个六元环和1个五元环,C40H10是由C40H20经过5步氢抽提和闭环脱氢形成的,结合反应机理可知,每脱2个H形成1个五元环,则C40H20→C40H10过程中形成5个五元环,故C40H10中有6个五元环和10个六元环。
(4)设C40H12初始物质的量为1 mol ,可列出三段式:
C40H12(g) C40H10(g)+H2(g)
起始/mol 1 0 0
转化/mol α α α
平衡/mol 1-α α α
平衡时气体总物质的量为(1-α+α+α) mol=(1+α) mol,总压为p0,则Kp===p0=p0。
(6)由(1)分析推知,生成C40H10的反应为吸热反应,故升高温度既可提高反应物平衡转化率,又能加快反应速率,a项正确;该反应为气体分子数增大的反应,增大压强可提高反应速率,但反应物的平衡转化率会减小,b项错误;加入催化剂能加快反应速率,但不改变平衡转化率,c项错误。
9.答案 (1)SO3 CuO
(2)(ⅰ)催化剂 (ⅱ)产率低、污染环境(合理即可)
(3)(ⅰ)cd (ⅱ)d (ⅲ)
解析 (1)根据热重曲线,200 ℃时CuSO4·5H2O失去全部结晶水,得到CuSO4固体,其质量为1.6 mg,800 ℃时0.8 mg固体为CuO,即硫酸铜分解生成SO2、SO3、O2、CuO,其中氧化物为SO2、SO3、CuO。
(2)(ⅰ)由题意可知NO2先反应后生成,可判断NO2为催化剂。(ⅱ)铅室法需要大容积的铅室,反应过程中有副产物产生,产率低。
(3)(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)根据题图可知在四种不同催化剂作用下,d的转化率最高,且转化率较高时,温度较低,催化性能最好。(ⅲ)设起始时SO2的物质的量为a mol,O2的物质的量为b mol,平衡后总压为p总,列三段式:
SO2 + O2 SO3
起始/mol a b 0
变化/mol aαe aαe aαe
平衡/mol a(1-αe) b-aαe aαe
SO2的平衡分压为p总,O2的平衡分压为p,SO3的平衡分压为p总,Kp==×=。
知识归纳 压强平衡常数(Kp)的计算流程
三年模拟练
1.A 反应2CH2CHCH3(g)+2NH3(g)+3O2(g) 2CH2CHCN(g)+ 6H2O(g)是反应前后气体体积增大的反应,ΔS>0,又因为该反应ΔH<0,则ΔH-TΔS<0恒成立,所以该反应一定可以自发进行,A正确; 2CH2CHCH3(g)+2NH3(g)+3O2(g) 2CH2CHCN(g)+6H2O(g)的平衡常数K=,B错误;题述反应中每得到1 mol CH2CHCN,消耗1.5 mol O2,转移6 mol电子,数目约为6×6.02×1023,C错误;催化剂不能使平衡移动,D错误。
2.D c(CO2)·c(H2)
CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)
起始浓度/(mol/L) a a 0
变化浓度/(mol/L) 0.5a 0.5a 0.5a
平衡浓度/(mol/L) 0.5a 0.5a 0.5a
此时K===,不一定等于1,说明假设不成立,B错误;升高温度k正增大,k逆增大,C错误;反应达到化学平衡时,v正=v逆,则k正c(CO2)·c(H2)=k逆c(HCOOH),所以==K,T1时K=1,所以k正=k逆,当温度改变为T2时,k正=0.9k逆,则K=0.9<1,反应为吸热反应,温度升高有利于反应正向进行,所以温度T2
4.B 根据盖斯定律,可得目标反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) ΔH== -717 kJ·mol-1,A正确;去除汽车尾气中的NOx,应选择NOx转化率高和N2选择性高的温度条件,300 ℃左右最合适,B错误;350~400 ℃, NOx的转化率迅速下降,说明反应速率明显减小,催化剂催化能力减弱,活性降低,C正确;400~550 ℃,C3H6的转化率未有明显下降,NOx的转化率及N2的选择性有明显降低,说明C3H6的转化以反应Ⅲ为主,D正确。
5.B 随着温度升高,CO、H2产量增加,但H2O产量减少,A错误;由于反应Ⅱ消耗氢气,所以得到CO的物质的量比氢气的物质的量多(因O2充入量极少则反应Ⅲ对反应产物量的影响很小),题图中曲线a表示H2的物质的量随温度的变化,B正确;1 100 K时,CH4与CO2的转化率分别为95%、90%,则甲烷物质的量为0.05 mol,二氧化碳物质的量为0.1 mol,根据题图中信息得到CO物质的量为1.90 mol,氢气物质的量为1.55 mol,反应Ⅰ的平衡常数K==,C错误;根据盖斯定律,(反应Ⅲ-反应Ⅰ)×2得到反应2CO(g)+O2(g) 2CO2(g) ΔH=-566 kJ·mol-1,D错误。
6.D 根据题意可知,乙醇酸甲酯的选择性与乙二醇的选择性之和为100%,故曲线Ⅱ为乙二醇的选择性随温度的变化,A项错误;由于反应Ⅰ、Ⅱ为放热反应,故其他条件不变,升高温度,草酸二甲酯的平衡转化率减小,B项错误;根据题图,在190~195 ℃范围内,随温度升高,乙醇酸甲酯的选择性变化不大,而同时草酸二甲酯的转化率(曲线Ⅰ)明显增大,故出口处乙醇酸甲酯的量增加,C项错误;设出口处含乙醇酸甲酯a mol,乙二醇b mol,则n(CH3OH)=(a+2b) mol,==+2,根据题图可知随温度升高,变小,故出口处甲醇和乙二醇的物质的量之比减小,D项正确。
7.D 更换高效催化剂,能使反应速率加快,催化相同时间,若反应未达平衡,则NO的转化率较原曲线相应温度的转化率大,所得曲线与题图不一致,A正确;待NO转化率达最大后,再升高温度,NO的转化率降低,因此2NO(g)N2(g)+O2(g)为放热反应,ΔH<0,B正确;CO可以与生成的氧气反应,因此CO能提高NO的转化率,C正确;n(CO)/n(NO)=1时,发生反应2CO(g)+2NO(g) 2CO2(g)+N2(g),Y点时NO的转化率为80%,体积为1 L,则:
2CO(g)+2NO(g) 2CO2(g)+N2(g)
开始/(mol/L) 0.1 0.1 0 0
转化/(mol/L) 0.08 0.08 0.08 0.04
平衡/(mol/L) 0.02 0.02 0.08 0.04
K==1 600,Y点再通入CO、N2各0.01 mol,Qc== 888.9
9.答案 (1)+41 kJ·mol-1 增大H2浓度,将CO或H2O从体系中移出 c
(2)①3∶2 ②不是 两点均未达到化学平衡状态,从b点到c点,随温度升高,反应速率加快,相同时间内CH4转化率增大
(3)0.013 6
(4)
解析 (1)根据盖斯定律,反应ⅲ可以由反应ⅰ-反应ⅱ得到,则ΔH3=ΔH1-ΔH2=(+206 kJ·mol-1)-(+165 kJ·mol-1)=+41 kJ·mol-1。在一定温度下,因该反应为分子数不变的反应,不能通过改变压强使平衡移动,为了提高二氧化碳的转化率,可以增大H2浓度,将CO或H2O从体系中移出。两个都描述的是正反应速率,不能判断反应是否达到平衡,a错误;该反应为分子数不变的反应,压强始终不变,b错误;体系中任一物质的浓度不变,则反应达到平衡,c正确;CO和H2O均为生成物且化学计量数之比为1∶1,即整个过程中CO和H2O的浓度之比始终为1∶1,d错误。(2)①根据题意=1∶1,设开始时n(H2O)= n(CH4)=1 mol,反应达平衡时CH4的转化率为50%,即平衡时CH4转化 1 mol×50%=0.5 mol,列三段式:
CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
起始/mol 1 1 0 0
变化/mol 0.5 0.5 0.5 1.5
平衡/mol 0.5 0.5 0.5 1.5
恒温恒容条件下,压强之比等于物质的量之比,则==。 ②从题图中可以看出,三种催化剂对应的反应速率不同,其中催化剂Ⅰ对应的反应速率最快,催化剂Ⅲ对应的反应速率最慢,但平衡时甲烷的转化率相同,所以a点不是平衡状态;b、c两点均未达到化学平衡状态,从b点到c点,随温度升高,反应速率加快,相同时间内CH4转化率增大。(3)根据题意,实验1和实验2对应的浓度不同,测得的反应速率不同,将实验1和实验2数据代入速率方程可得m=1、k的数值约为0.4;当实验2进行到某时刻,测得c(H2O)=0.040 mol·L-1,则c(CH4)=0.200 mol·L-1-=0.17 mol·L-1,代入v= kc1(CH4)·c0.5(H2O)得v=0.013 6 mol·L-1·s-1。(4)根据C原子守恒,平衡时,n(CO2)+n(CO)=n转化(CH4)=1 mol×a=a mol,n(CO)=(a-b) mol,则:
CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
转化/mol a-b a-b a-b 3(a-b)
CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g)
转化/mol b 2b b 4b
平衡时,n(CH4)=(1-a) mol,n(H2O)=(1-a-b) mol,n(H2)=(3a+b) mol,n总=(2+2a) mol,则Kx===。
10.答案 (1)①探究催化剂比表面积对尾气转化速率的影响 ②80
(2)3.50×10-3 mol/L
(3)增大
解析 (1)①由题表中数据可知,实验Ⅱ的目的是探究催化剂比表面积对尾气转化速率的影响;②实验Ⅲ的目的是探究温度对尾气转化速率的影响,则催化剂的比表面积为80 m2/g。(2)通过图像可知,平衡时CO的浓度改变量Δc(CO)=4.00×10-3 mol/L-1.00×10-3 mol/L= 3.00×10-3 mol/L,则NO的浓度改变量Δc(NO)=3.00×10-3 mol/L,NO的平衡浓度c(NO)=6.50×10-3 mol/L-3.00×10-3 mol/L=3.50× 10-3 mol/L。(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知,Ⅱ先达到平衡,则增大催化剂比表面积,汽车尾气转化速率增大。
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