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2022届高考化学一轮复习规范练20化学平衡状态化学平衡常数含解析新人教版202104211188
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这是一份2022届高考化学一轮复习规范练20化学平衡状态化学平衡常数含解析新人教版202104211188，共10页。试卷主要包含了选择题，非选择题等内容，欢迎下载使用。
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1.对于可逆反应4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g),下列叙述正确的是( )。
A.达到化学平衡时,4v正(O2)=5v逆(NO)
B.若单位时间内生成x ml NO的同时,消耗x ml NH3,则反应达到平衡状态
C.达到化学平衡时,若增加容器容积,则正反应速率减小,逆反应速率增大
D.化学反应速率关系是2v正(NH3)=3v正(H2O)
答案:A
解析:A项,4v正(O2)=5v逆(NO)能证明化学反应的正、逆反应速率是相等的,达到了化学平衡状态;B项,单位时间内生成xmlNO,同时消耗xmlNH3,均为正反应速率,不能说明化学反应的正、逆反应速率相等;C项,若增加容器容积即减小压强,正、逆反应速率都减小;D项,反应速率之比等于方程式中各物质的化学计量数之比,因此应是3v正(NH3)=2v正(H2O)。
2.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正确的是( )。
A.K值有变化,平衡一定移动
B.平衡向正反应方向移动时,K值一定增大
C.K值不变,平衡不可能移动
D.相同条件下,同一个反应其化学方程式的计量数增大到原来的2倍,K值也增大到原来的2倍
答案:A
解析:K值是温度的函数,K值变化,说明温度发生了改变,则平衡一定发生移动,A项正确;若在其他条件不变时,增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,有利于反应正向进行,平衡向右移动,但K值只与温度有关,故K值不变,B项错误;增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,有利于正反应的进行,若体系温度不变,则K值不变,但平衡发生移动,C项错误;相同条件下,同一个反应,其化学方程式的计量数增大到原来的2倍,K值应变为原数值的平方,D项错误。
3.已知某密闭容器中存在下列平衡:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),其他条件不变,平衡时c(CO2)与温度t的关系如图所示。下列说法错误的是( )。
A.平衡状态A与C相比,平衡状态A的c(CO)较小
B.在t2时,D点的反应速率:v(逆)>v(正)
C.反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的ΔH>0
D.若t1、t2时的平衡常数分别为K1、K2,则K1答案:A
解析:由题图可知题给反应正反应吸热,C项正确;升高温度平衡正向移动,CO浓度减小,所以A点CO浓度大,A项错误;由于t2时反应进行到状态D,c(CO2)高于平衡浓度,所以反应向逆反应方向进行,则一定有v(正)4.PCl3和PCl5都是重要的化工原料。将PCl3(g)和Cl2(g)充入容积为2 L密闭容器中,在一定条件下发生反应PCl3(g)+Cl2(g)PCl5(g),并于10 min时达到平衡。有关数据如下:
下列判断不正确的是( )。
A.10 min内,v(Cl2)=0.04 ml·L-1·min-1
B.升高温度(T1C.当容器中Cl2为1.2 ml时,反应达到平衡
D.平衡后移走2.0 ml PCl3和1.0 ml Cl2,相同条件下再达平衡时,c(PCl5)<0.2 ml·L-1
答案:B
解析:10min内,PCl5的浓度变化量为0.4ml·L-1,故Cl2的浓度变化量为0.4ml·L-1,所以v(Cl2)=0.04ml·L-1·min-1,A项正确;升高温度(T15.用于净化汽车尾气的反应:2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g),已知该反应在570 K时的平衡常数为1×1059,但反应速率极慢。下列说法正确的是( )。
A.装有尾气净化装置的汽车排出的气体中不再含有NO或CO
B.提高尾气净化效率的常用方法是升高温度
C.增大压强,上述平衡右移,故可通过增压的方法提高尾气净化效率
D.提高尾气净化效率的最佳途径是使用高效催化剂
答案:D
解析:因为该反应是可逆反应,且反应速率极慢,在有限的时间内反应不能达到平衡,A项错误;由题干知570K时反应速率极慢,故可推断出升高温度对化学反应速率的影响不大,B项错误;因平衡常数已经较大,增大压强虽然平衡正向移动,但对设备要求更高,故C项错误;高效催化剂可提高反应速率,解决反应极慢的问题,有利于尾气的转化,故D项正确。
6.下列有关平衡常数的说法中,正确的是( )。
A.改变条件,反应物的转化率增大,平衡常数也一定增大
B.反应2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0,升高温度,该反应平衡常数增大
C.对于给定可逆反应,温度一定时,其正、逆反应的平衡常数相等
D.平衡常数为K=c(CO)·c(H2O)c(CO2)·c(H2)的反应,化学方程式为CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
答案:D
解析:A项,当温度不变时,平衡常数不变;B项,反应2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,该反应平衡常数变小;C项,对于给定的可逆反应,温度一定时,其正、逆反应的平衡常数互为倒数;D项,可以根据平衡常数的表达式写出反应物和生成物以及各物质的化学计量数。
7.一定条件下,向一密闭容器中充入一定量的NH3,反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是( )。
A.压强:p1>p2
B.F、G两点对应的平衡常数:KFC.E点:2v正(NH3)=3v逆(H2)
D.E点:NH3的转化率为13
答案:B
解析:相同温度下,压强越大,N2的体积分数越小,所以p2>p1,A项错误;由图像可知该反应为吸热反应,所以温度越高,K越大,B项正确;E点为平衡点,应为3v正(NH3)=2v逆(H2),C项错误;假设E点反应后气体总体积为1L,则N2为0.1L、H2为0.3L,未反应的NH3为0.6L,参加反应的NH3为0.2L,所以氨气的转化率为0.20.6+0.2×100%=25%,D项错误。
8.氮气是制备含氮化合物的一种重要物质,而氮的化合物用途广泛。两个常见的固氮反应的平衡常数的对数值(lg K)与温度的关系如图所示:
①N2+3H22NH3和②N2+O22NO
根据图中的数据判断下列说法正确的是( )。
A.反应①和②均为放热反应
B.升高温度,反应①的反应速率减小
C.在标准状况下,利用反应①固氮和利用反应②固氮反应程度相差很大
D.在1 000 ℃时,反应①和反应②体系中N2的浓度一定相等
答案:C
解析:反应①的K值随温度升高而减小,反应①是放热反应,反应②的K值随温度升高而增大,反应②是吸热反应,A项错误;升高温度,两个反应的反应速率都增大,B项错误;在标准状况下,反应①K≈1010,反应②K≈10-30,相差很大,故利用反应①固氮和利用反应②固氮反应程度相差很大,C项正确;在1000℃时,反应①、反应②的K值相等,即c2(NH3)c(N2)·c3(H2)=c2(NO)c(N2)·c(O2),而体系中N2的浓度不一定相等,D项错误。
9.以二氧化碳和氢气为原料制取乙醇的反应为2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g) ΔH<0。某压强下的密闭容器中,按CO2和H2的物质的量比为1∶3投料,不同温度下平衡体系中各物质的物质的量百分数(y%)随温度变化如图所示。下列说法正确的是( )。
A.A点的平衡常数小于B点
B.B点,v正(CO2)=v逆(H2O)
C.A点,H2和H2O物质的量相等
D.其他条件恒定,充入更多H2,v(CO2)不变
答案:C
解析:从图像可知,温度越高氢气的含量越高,说明升高温度平衡向逆反应方向移动,温度升高平衡常数减小,则平衡常数A点大于B点,A项错误;B点只能说明该温度下,CO2和H2O的浓度相等,不能说明v正(CO2)=v逆(H2O),B项错误;从图像可知,A点H2和H2O的物质的量百分数相等,故物质的量相等,C项正确;其他条件恒定,充入更多H2,反应物浓度增大,正反应速率增大,v(CO2)也增大,D项错误。
10.某温度时,在容积为2 L的密闭容器中,气态物质A、B、E、F的物质的量n随时间t的变化如图甲所示,在一定条件下达到平衡,反应进程中正反应速率随时间的变化情况如图乙所示,在t2、t4时刻分别只改变一个条件(温度、压强或某反应物的量)。下列说法错误的是( )。
A.t2时刻一定是增大压强
B.平衡状态①和②,平衡常数K一定相同
C.平衡状态①、②和③中,状态③中F的浓度最大
D.t4时刻改变的条件是降低温度
答案:A
解析:由图甲分析可知,根据变化的量等于化学方程式的化学计量数之比,此温度下该反应的化学方程式为2A(g)+E(g)2B(g)+F(g)。该反应前后体积不变,若改变压强,平衡不会发生移动,故t2时刻不可能是增大压强,A项错误;平衡常数K只与温度有关,平衡状态①和②的温度相同,故K相等,B项正确;平衡状态①、②和③中,状态③向正向反应进行最彻底,F的浓度最大,C项正确;根据方程式知,反应前后气体体积不变,故不可能是压强的变化,t4时刻速率减小,且变化的点不连续,因此是降低温度的结果,D项正确。
二、非选择题(本题共3个小题,共50分)
11.(2020全国Ⅲ改编)(16分)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:
(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)= 。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4) (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。
图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是 、 。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH (填“大于”或“小于”)0。
(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp= (MPa)-3(列出计算式。以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当 。
答案:(1)1∶4 变大
(2)d c 小于
(3)94×10.0393或0.394××(0.393)2×10.13等
(4)选择合适催化剂等
解析:本题考查了压强、温度对平衡的影响,压强平衡常数的计算,催化剂的使用及平衡图像的分析。
(1)根据题给信息可知,反应原理为2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g),则乙烯和水的物质的量之比为1∶4。当反应达平衡时增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动,即平衡向正反应方向移动,则乙烯的物质的量增大。
(2)由于原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,而反应2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)中二氧化碳和氢气的化学计量数之比也为1∶3,则无论反应进行到什么程度,混合气体中n(CO2)∶n(H2)始终为1∶3,由此可判断曲线a、b、c、d分别代表H2、H2O、CO2、C2H4。由于升高温度,CO2或H2的量增大,说明正反应为放热反应。
(3)根据(2)中的分析可知,任意时刻CO2和H2的物质的量分数之比始终为1∶3,根据点A坐标(440K,0.39)可知,氢气和水蒸气的物质的量分数都为0.39,则CO2的体积分数为0.393,C2H4的体积分数为0.394(注意:C2H4和H2O的物质的量分数之比始终为化学计量数之比),则CO2(g)、H2(g)、C2H4(g)、H2O(g)的分压分别为0.1MPa×0.393、0.1MPa×0.39、0.1MPa×0.394、0.1MPa×0.39,从而可求得Kp=
0.394××(0.393)2×10.13(MPa)-3=94×10.0393(MPa)-3。
(4)根据外界条件对速率的影响,可知在一定温度和压强下,选择合适的催化剂可提高反应速率,同时使合成乙烯的主反应较多地发生,而副反应被抑制(即反应的选择性)。
12.(2019全国Ⅲ,节选)(16分)近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题:
(1)Deacn发明的直接氧化法:4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)。如图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系:
可知反应平衡常数K(300 ℃) (填“大于”或“小于”)K(400 ℃)。设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400 ℃)= (列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率,同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是 。
(2)Deacn直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuCl2(s)CuCl(s)+12Cl2(g) ΔH1=+83 kJ·ml-1
CuCl(s)+12O2(g)CuO(s)+12Cl2(g)
ΔH2=-20 kJ·ml-1
CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g)
ΔH3=-121 kJ·ml-1
则4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH= kJ·ml-1。
(3)在一定温度的条件下,进一步提高HCl的转化率的方法是 。(写出2种)
答案:(1)大于 0.422×0.422(1-0.84)4×(1-0.21)c0 O2和Cl2分离能耗较高、HCl转化率较低 (2)-116 (3)增加反应体系压强、及时除去产物
解析:本题为热化学、电化学与化学平衡综合题,难度中等。
(1)分析任意一条平衡曲线可知,在进料浓度比固定的条件下,随着温度的升高,HCl的平衡转化率降低,说明正反应为放热反应,由于K只与温度有关,升高温度,平衡逆向移动,平衡常数K减小,即K(300℃)大于K(400℃)。
根据进料浓度比及HCl的平衡转化率间的关系可知,c(HCl)∶c(O2)=1∶1的曲线为最上面的那条曲线,由该曲线可知:温度为400℃时HCl的平衡转化率为84%。
根据条件可列三段式如下:
4HCl(g) + O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)
初始ml·L-1 c0 c0 0 0
转化ml·L-1:c0×0.84 c0×0.21 c0×0.42 c0×0.42
平衡ml·L-1:c0×(1-0.84) c0×(1-0.21)c0×0.42 c0×0.42
K(400℃)=c2(Cl2)·c2(H2O)c4(HCl)·c(O2)=(c0×0.42)2·(c0×0.42)2[c0×(1-0.84)]4·[c0×(1-0.21)]=0.422×0.422(1-0.84)4×(1-0.21)c0
进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低,导致产品Cl2混有大量O2,则分离两气体时导致能耗较高。而进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过高,则导致HCl的转化率过低,浪费原料。
(2)由盖斯定律可知,将题给催化过程的三个反应直接相加可得2HCl(g)+12O2(g)Cl2(g)+H2O(g) ΔH'=(83-20-121)kJ·ml-1=-58kJ·ml-1,则ΔH=2ΔH'=-116kJ·ml-1
(3)在温度一定时,要增大HCl的平衡转化率,可采取的措施有及时移走部分产物、增大体系压强等。
13.(18分)(1)甲醇制氢方式主要有以下三种。反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4 kJ·ml-1;反应Ⅱ甲醇分解制氢:
CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+90.6 kJ·ml-1;反应Ⅲ气态甲醇氧化重整制氢同时生成二氧化碳和氢气。
①已知CO的燃烧热为283.0 kJ·ml-1,则反应Ⅲ的热化学方程式为 。
②该三种制氢方式中,等量的甲醇产生氢气最多的是反应 。(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)
(2)实验室模拟反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢,合成气组成n(CH3OH)∶n(H2O)=1∶1时,体系中甲醇的平衡转化率与温度和压强的关系如下图所示。
①该反应的平衡常数表达式为 。
②当温度为250 ℃、压强为p2时,反应达平衡时H2的体积分数为 。
③图中的压强由小到大的顺序是 。
(3)MFC30燃料电池是以氢气为燃料,Li2CO3与K2CO3混合碳酸盐为电解质的高温型燃料电池,其负极的电极反应式为 ,正极上通入的气体为 。
答案:(1)①CH3OH(g)+12O2(g)CO2(g)+2H2(g)ΔH=-192.4 kJ·ml-1 ②Ⅰ
(2)①K=c(CO2)·c3(H2)c(CH3OH)·c(H2O) ②67.6%或0.676或0.68 ③p1(3)H2+CO32--2e-H2O+CO2 O2(或空气)和CO2
解析:(1)已知反应ⅠCH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4kJ·ml-1①;反应ⅡCH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+90.6kJ·ml-1②;由CO的燃烧热为283.0kJ·ml-1可知:CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH=-283.0kJ·ml-1③。由盖斯定律,②+③得反应Ⅲ的热化学方程式为CH3OH(g)+12O2(g)CO2(g)+2H2(g) ΔH=-192.4kJ·ml-1;1ml甲醇在反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中产生氢气的物质的量分别为3ml、2ml、2ml,产生H2最多的是反应Ⅰ。
(2)①反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4kJ·ml-1的平衡常数表达式为K=c(CO2)·c3(H2)c(CH3OH)·c(H2O)。
② CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)
起始/ml1100
反应/ml0.823×0.82
平衡/ml0.182.46
反应达平衡时H2的体积分数为+0.18+0.82+2.46×100%=67.6%。
③由反应方程式CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)可知,相同温度时,减小压强,平衡正向移动,CH3OH转化率增大。由图像可以看出,温度一定,从p3到p1,CH3OH转化率增大,故压强由小到大的顺序是p1(3)燃料电池中通入燃料的电极是负极,通入氧化剂的电极是正极,负极是H2作还原剂,电极反应式为H2+CO32--2e-H2O+CO2,正极上氧气得电子和二氧化碳反应生成碳酸根离子,电极反应式为O2+2CO2-4e-2CO32-,故正极要不断通入O2(或空气)和CO2。物质
PCl3(g)
Cl2(g)
PCl5(g)
初始浓度/(ml·L-1)
2.0
1.0
0
平衡浓度/(ml·L-1)
c1
c2
0.4
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1.对于可逆反应4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g),下列叙述正确的是( )。
A.达到化学平衡时,4v正(O2)=5v逆(NO)
B.若单位时间内生成x ml NO的同时,消耗x ml NH3,则反应达到平衡状态
C.达到化学平衡时,若增加容器容积,则正反应速率减小,逆反应速率增大
D.化学反应速率关系是2v正(NH3)=3v正(H2O)
答案:A
解析:A项,4v正(O2)=5v逆(NO)能证明化学反应的正、逆反应速率是相等的,达到了化学平衡状态;B项,单位时间内生成xmlNO,同时消耗xmlNH3,均为正反应速率,不能说明化学反应的正、逆反应速率相等;C项,若增加容器容积即减小压强,正、逆反应速率都减小;D项,反应速率之比等于方程式中各物质的化学计量数之比,因此应是3v正(NH3)=2v正(H2O)。
2.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正确的是( )。
A.K值有变化,平衡一定移动
B.平衡向正反应方向移动时,K值一定增大
C.K值不变,平衡不可能移动
D.相同条件下,同一个反应其化学方程式的计量数增大到原来的2倍,K值也增大到原来的2倍
答案:A
解析:K值是温度的函数,K值变化,说明温度发生了改变,则平衡一定发生移动,A项正确;若在其他条件不变时,增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,有利于反应正向进行,平衡向右移动,但K值只与温度有关,故K值不变,B项错误;增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,有利于正反应的进行,若体系温度不变,则K值不变,但平衡发生移动,C项错误;相同条件下,同一个反应,其化学方程式的计量数增大到原来的2倍,K值应变为原数值的平方,D项错误。
3.已知某密闭容器中存在下列平衡:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),其他条件不变,平衡时c(CO2)与温度t的关系如图所示。下列说法错误的是( )。
A.平衡状态A与C相比,平衡状态A的c(CO)较小
B.在t2时,D点的反应速率:v(逆)>v(正)
C.反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的ΔH>0
D.若t1、t2时的平衡常数分别为K1、K2,则K1
解析:由题图可知题给反应正反应吸热,C项正确;升高温度平衡正向移动,CO浓度减小,所以A点CO浓度大,A项错误;由于t2时反应进行到状态D,c(CO2)高于平衡浓度,所以反应向逆反应方向进行,则一定有v(正)
下列判断不正确的是( )。
A.10 min内,v(Cl2)=0.04 ml·L-1·min-1
B.升高温度(T1
D.平衡后移走2.0 ml PCl3和1.0 ml Cl2,相同条件下再达平衡时,c(PCl5)<0.2 ml·L-1
答案:B
解析:10min内,PCl5的浓度变化量为0.4ml·L-1,故Cl2的浓度变化量为0.4ml·L-1,所以v(Cl2)=0.04ml·L-1·min-1,A项正确;升高温度(T1
A.装有尾气净化装置的汽车排出的气体中不再含有NO或CO
B.提高尾气净化效率的常用方法是升高温度
C.增大压强,上述平衡右移,故可通过增压的方法提高尾气净化效率
D.提高尾气净化效率的最佳途径是使用高效催化剂
答案:D
解析:因为该反应是可逆反应,且反应速率极慢,在有限的时间内反应不能达到平衡,A项错误;由题干知570K时反应速率极慢,故可推断出升高温度对化学反应速率的影响不大,B项错误;因平衡常数已经较大,增大压强虽然平衡正向移动,但对设备要求更高,故C项错误;高效催化剂可提高反应速率,解决反应极慢的问题,有利于尾气的转化,故D项正确。
6.下列有关平衡常数的说法中,正确的是( )。
A.改变条件,反应物的转化率增大,平衡常数也一定增大
B.反应2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0,升高温度,该反应平衡常数增大
C.对于给定可逆反应,温度一定时,其正、逆反应的平衡常数相等
D.平衡常数为K=c(CO)·c(H2O)c(CO2)·c(H2)的反应,化学方程式为CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
答案:D
解析:A项,当温度不变时,平衡常数不变;B项,反应2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,该反应平衡常数变小;C项,对于给定的可逆反应,温度一定时,其正、逆反应的平衡常数互为倒数;D项,可以根据平衡常数的表达式写出反应物和生成物以及各物质的化学计量数。
7.一定条件下,向一密闭容器中充入一定量的NH3,反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是( )。
A.压强:p1>p2
B.F、G两点对应的平衡常数:KF
D.E点:NH3的转化率为13
答案:B
解析:相同温度下,压强越大,N2的体积分数越小,所以p2>p1,A项错误;由图像可知该反应为吸热反应,所以温度越高,K越大,B项正确;E点为平衡点,应为3v正(NH3)=2v逆(H2),C项错误;假设E点反应后气体总体积为1L,则N2为0.1L、H2为0.3L,未反应的NH3为0.6L,参加反应的NH3为0.2L,所以氨气的转化率为0.20.6+0.2×100%=25%,D项错误。
8.氮气是制备含氮化合物的一种重要物质,而氮的化合物用途广泛。两个常见的固氮反应的平衡常数的对数值(lg K)与温度的关系如图所示:
①N2+3H22NH3和②N2+O22NO
根据图中的数据判断下列说法正确的是( )。
A.反应①和②均为放热反应
B.升高温度,反应①的反应速率减小
C.在标准状况下,利用反应①固氮和利用反应②固氮反应程度相差很大
D.在1 000 ℃时,反应①和反应②体系中N2的浓度一定相等
答案:C
解析:反应①的K值随温度升高而减小,反应①是放热反应,反应②的K值随温度升高而增大,反应②是吸热反应,A项错误;升高温度,两个反应的反应速率都增大,B项错误;在标准状况下,反应①K≈1010,反应②K≈10-30,相差很大,故利用反应①固氮和利用反应②固氮反应程度相差很大,C项正确;在1000℃时,反应①、反应②的K值相等,即c2(NH3)c(N2)·c3(H2)=c2(NO)c(N2)·c(O2),而体系中N2的浓度不一定相等,D项错误。
9.以二氧化碳和氢气为原料制取乙醇的反应为2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g) ΔH<0。某压强下的密闭容器中,按CO2和H2的物质的量比为1∶3投料,不同温度下平衡体系中各物质的物质的量百分数(y%)随温度变化如图所示。下列说法正确的是( )。
A.A点的平衡常数小于B点
B.B点,v正(CO2)=v逆(H2O)
C.A点,H2和H2O物质的量相等
D.其他条件恒定,充入更多H2,v(CO2)不变
答案:C
解析:从图像可知,温度越高氢气的含量越高,说明升高温度平衡向逆反应方向移动,温度升高平衡常数减小,则平衡常数A点大于B点,A项错误;B点只能说明该温度下,CO2和H2O的浓度相等,不能说明v正(CO2)=v逆(H2O),B项错误;从图像可知,A点H2和H2O的物质的量百分数相等,故物质的量相等,C项正确;其他条件恒定,充入更多H2,反应物浓度增大,正反应速率增大,v(CO2)也增大,D项错误。
10.某温度时,在容积为2 L的密闭容器中,气态物质A、B、E、F的物质的量n随时间t的变化如图甲所示,在一定条件下达到平衡,反应进程中正反应速率随时间的变化情况如图乙所示,在t2、t4时刻分别只改变一个条件(温度、压强或某反应物的量)。下列说法错误的是( )。
A.t2时刻一定是增大压强
B.平衡状态①和②,平衡常数K一定相同
C.平衡状态①、②和③中,状态③中F的浓度最大
D.t4时刻改变的条件是降低温度
答案:A
解析:由图甲分析可知,根据变化的量等于化学方程式的化学计量数之比,此温度下该反应的化学方程式为2A(g)+E(g)2B(g)+F(g)。该反应前后体积不变,若改变压强,平衡不会发生移动,故t2时刻不可能是增大压强,A项错误;平衡常数K只与温度有关,平衡状态①和②的温度相同,故K相等,B项正确;平衡状态①、②和③中,状态③向正向反应进行最彻底,F的浓度最大,C项正确;根据方程式知,反应前后气体体积不变,故不可能是压强的变化,t4时刻速率减小,且变化的点不连续,因此是降低温度的结果,D项正确。
二、非选择题(本题共3个小题,共50分)
11.(2020全国Ⅲ改编)(16分)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:
(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)= 。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4) (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。
图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是 、 。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH (填“大于”或“小于”)0。
(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp= (MPa)-3(列出计算式。以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当 。
答案:(1)1∶4 变大
(2)d c 小于
(3)94×10.0393或0.394××(0.393)2×10.13等
(4)选择合适催化剂等
解析:本题考查了压强、温度对平衡的影响,压强平衡常数的计算,催化剂的使用及平衡图像的分析。
(1)根据题给信息可知,反应原理为2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g),则乙烯和水的物质的量之比为1∶4。当反应达平衡时增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动,即平衡向正反应方向移动,则乙烯的物质的量增大。
(2)由于原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,而反应2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)中二氧化碳和氢气的化学计量数之比也为1∶3,则无论反应进行到什么程度,混合气体中n(CO2)∶n(H2)始终为1∶3,由此可判断曲线a、b、c、d分别代表H2、H2O、CO2、C2H4。由于升高温度,CO2或H2的量增大,说明正反应为放热反应。
(3)根据(2)中的分析可知,任意时刻CO2和H2的物质的量分数之比始终为1∶3,根据点A坐标(440K,0.39)可知,氢气和水蒸气的物质的量分数都为0.39,则CO2的体积分数为0.393,C2H4的体积分数为0.394(注意:C2H4和H2O的物质的量分数之比始终为化学计量数之比),则CO2(g)、H2(g)、C2H4(g)、H2O(g)的分压分别为0.1MPa×0.393、0.1MPa×0.39、0.1MPa×0.394、0.1MPa×0.39,从而可求得Kp=
0.394××(0.393)2×10.13(MPa)-3=94×10.0393(MPa)-3。
(4)根据外界条件对速率的影响,可知在一定温度和压强下,选择合适的催化剂可提高反应速率,同时使合成乙烯的主反应较多地发生,而副反应被抑制(即反应的选择性)。
12.(2019全国Ⅲ,节选)(16分)近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题:
(1)Deacn发明的直接氧化法:4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)。如图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系:
可知反应平衡常数K(300 ℃) (填“大于”或“小于”)K(400 ℃)。设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400 ℃)= (列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率,同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是 。
(2)Deacn直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuCl2(s)CuCl(s)+12Cl2(g) ΔH1=+83 kJ·ml-1
CuCl(s)+12O2(g)CuO(s)+12Cl2(g)
ΔH2=-20 kJ·ml-1
CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g)
ΔH3=-121 kJ·ml-1
则4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH= kJ·ml-1。
(3)在一定温度的条件下,进一步提高HCl的转化率的方法是 。(写出2种)
答案:(1)大于 0.422×0.422(1-0.84)4×(1-0.21)c0 O2和Cl2分离能耗较高、HCl转化率较低 (2)-116 (3)增加反应体系压强、及时除去产物
解析:本题为热化学、电化学与化学平衡综合题,难度中等。
(1)分析任意一条平衡曲线可知,在进料浓度比固定的条件下,随着温度的升高,HCl的平衡转化率降低,说明正反应为放热反应,由于K只与温度有关,升高温度,平衡逆向移动,平衡常数K减小,即K(300℃)大于K(400℃)。
根据进料浓度比及HCl的平衡转化率间的关系可知,c(HCl)∶c(O2)=1∶1的曲线为最上面的那条曲线,由该曲线可知:温度为400℃时HCl的平衡转化率为84%。
根据条件可列三段式如下:
4HCl(g) + O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)
初始ml·L-1 c0 c0 0 0
转化ml·L-1:c0×0.84 c0×0.21 c0×0.42 c0×0.42
平衡ml·L-1:c0×(1-0.84) c0×(1-0.21)c0×0.42 c0×0.42
K(400℃)=c2(Cl2)·c2(H2O)c4(HCl)·c(O2)=(c0×0.42)2·(c0×0.42)2[c0×(1-0.84)]4·[c0×(1-0.21)]=0.422×0.422(1-0.84)4×(1-0.21)c0
进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低,导致产品Cl2混有大量O2,则分离两气体时导致能耗较高。而进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过高,则导致HCl的转化率过低,浪费原料。
(2)由盖斯定律可知,将题给催化过程的三个反应直接相加可得2HCl(g)+12O2(g)Cl2(g)+H2O(g) ΔH'=(83-20-121)kJ·ml-1=-58kJ·ml-1,则ΔH=2ΔH'=-116kJ·ml-1
(3)在温度一定时,要增大HCl的平衡转化率,可采取的措施有及时移走部分产物、增大体系压强等。
13.(18分)(1)甲醇制氢方式主要有以下三种。反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4 kJ·ml-1;反应Ⅱ甲醇分解制氢:
CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+90.6 kJ·ml-1;反应Ⅲ气态甲醇氧化重整制氢同时生成二氧化碳和氢气。
①已知CO的燃烧热为283.0 kJ·ml-1,则反应Ⅲ的热化学方程式为 。
②该三种制氢方式中,等量的甲醇产生氢气最多的是反应 。(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)
(2)实验室模拟反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢,合成气组成n(CH3OH)∶n(H2O)=1∶1时,体系中甲醇的平衡转化率与温度和压强的关系如下图所示。
①该反应的平衡常数表达式为 。
②当温度为250 ℃、压强为p2时,反应达平衡时H2的体积分数为 。
③图中的压强由小到大的顺序是 。
(3)MFC30燃料电池是以氢气为燃料,Li2CO3与K2CO3混合碳酸盐为电解质的高温型燃料电池,其负极的电极反应式为 ,正极上通入的气体为 。
答案:(1)①CH3OH(g)+12O2(g)CO2(g)+2H2(g)ΔH=-192.4 kJ·ml-1 ②Ⅰ
(2)①K=c(CO2)·c3(H2)c(CH3OH)·c(H2O) ②67.6%或0.676或0.68 ③p1
解析:(1)已知反应ⅠCH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4kJ·ml-1①;反应ⅡCH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+90.6kJ·ml-1②;由CO的燃烧热为283.0kJ·ml-1可知:CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH=-283.0kJ·ml-1③。由盖斯定律,②+③得反应Ⅲ的热化学方程式为CH3OH(g)+12O2(g)CO2(g)+2H2(g) ΔH=-192.4kJ·ml-1;1ml甲醇在反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中产生氢气的物质的量分别为3ml、2ml、2ml,产生H2最多的是反应Ⅰ。
(2)①反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4kJ·ml-1的平衡常数表达式为K=c(CO2)·c3(H2)c(CH3OH)·c(H2O)。
② CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)
起始/ml1100
反应/ml0.823×0.82
平衡/ml0.182.46
反应达平衡时H2的体积分数为+0.18+0.82+2.46×100%=67.6%。
③由反应方程式CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)可知,相同温度时,减小压强,平衡正向移动,CH3OH转化率增大。由图像可以看出,温度一定,从p3到p1,CH3OH转化率增大,故压强由小到大的顺序是p1
PCl3(g)
Cl2(g)
PCl5(g)
初始浓度/(ml·L-1)
2.0
1.0
0
平衡浓度/(ml·L-1)
c1
c2
0.4
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