浙江版高考化学复习专题一0一化学反应速率和化学平衡练习含答案

这是一份浙江版高考化学复习专题一0一化学反应速率和化学平衡练习含答案，共70页。试卷主要包含了催化剂Ⅰ和Ⅱ均能催化反应RP等内容，欢迎下载使用。

考点过关练
考点1 化学反应速率
1.(2022浙江1月选考,19,2分)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
答案 C
2.(2023湖南,13,3分)向一恒容密闭容器中加入1 ml 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=n(CH4)n(H2O)]随温度的变化曲线如图所示。下列说法错误的是( )
A.x1B.反应速率:vb正C.点a、b、c对应的平衡常数:KaD.反应温度为T1,当容器内压强不变时,反应达到平衡状态
答案 B
3.(2023广东,15,4分)催化剂Ⅰ和Ⅱ均能催化反应R(g)P(g)。反应历程(如图)中,M为中间产物。其他条件相同时,下列说法不正确的是( )
A.使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行
B.反应达平衡时,升高温度,R的浓度增大
C.使用Ⅱ时,反应体系更快达到平衡
D.使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的最高浓度更大
答案 C
4.(2023河北,12,3分)在恒温恒容密闭容器中充入一定量W(g),发生如下反应:
反应②和③的速率方程分别为v2=k2c2(X)和v3=k3c(Z),其中k2、k3分别为反应②和③的速率常数,反应③的活化能大于反应②。测得W(g)的浓度随时间的变化如下表。
下列说法正确的是( )
A.0~2 min内,X的平均反应速率为0.080 ml·L-1 ·min-1
B.若增大容器容积,平衡时Y的产率增大
C.若k2=k3,平衡时c(Z)=c(X)
D.若升高温度,平衡时c(Z)减小
答案 D
5.(2022广东,15,4分)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 ml·L-1·min-1
答案 D
6.(2021浙江6月选考,20,2分)一定温度下,在N2O5的四氯化碳溶液(100 mL)中发生分解反应:2N2O5 4NO2+O2。在不同时刻测量放出的O2体积,换算成N2O5浓度如下表:
下列说法正确的是( )
A.600~1 200 s,生成NO2的平均速率为5.0×10-4 ml·L-1·s-1
B.反应2 220 s时,放出的O2体积为11.8 L(标准状况)
C.反应达到平衡时,v正(N2O5)=2v逆(NO2)
D.推测上表中的x为3 930
答案 D
7.(2021浙江1月选考,19,2分)取50 mL过氧化氢水溶液,在少量I-存在下分解:2H2O2 2H2O+O2↑。在一定温度下,测得O2的放出量,转换成H2O2浓度(c)如下表:
下列说法不正确的是( )
A.反应20 min时,测得O2体积为224 mL(标准状况)
B.20~40 min,消耗H2O2的平均速率为0.010 ml·L-1·min-1
C.第30 min时的瞬时速率小于第50 min时的瞬时速率
D.H2O2分解酶或Fe2O3代替I-也可以催化H2O2分解
答案 C
8.(2022浙江6月选考,20,2分)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( )
A.实验①,0~20 min,v(N2)=1.00×10-5 ml·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
答案 C
考点2 化学平衡 化学反应的方向
9.(2023北京,4,3分)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
答案 B
10.(2024浙江1月选考,14,3分)酯在NaOH溶液中发生水解反应,历程如下:
已知:
①
②RCOOCH2CH3水解相对速率与取代基R的关系如下表:
下列说法不正确的是( )
A.步骤Ⅰ是OH-与酯中Cδ+作用
B.步骤Ⅲ使Ⅰ和Ⅱ平衡正向移动,使酯在NaOH溶液中发生的水解反应不可逆
C.酯的水解速率:FCH2COOCH2CH3>ClCH2COOCH2CH3
D.与OH-反应、与18OH-反应,两者所得醇和羧酸盐均不同
答案 D
11.(2023重庆,14,3分)逆水煤气变换体系中存在以下两个反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)
在恒容条件下,按V(CO2)∶V(H2)=1∶1投料比进行反应,平衡时含碳物质体积分数随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.反应Ⅰ的ΔH<0,反应Ⅱ的ΔH>0
B.M点反应Ⅰ的平衡常数K<1
C.N点H2O的压强是CH4的3倍
D.若按V(CO2)∶V(H2)=1∶2投料,则曲线之间交点位置不变
答案 C
12.(2022浙江6月选考,19,2分)关于反应Cl2(g)+H2O(l)HClO(aq)+H+(aq)+Cl-(aq) ΔH<0,达到平衡后,下列说法不正确的是( )
A.升高温度,氯水中的c(HClO)减小
B.氯水中加入少量醋酸钠固体,上述平衡正向移动,c(HClO)增大
C.取氯水稀释,c(Cl-)/c(HClO)增大
D.取两份氯水,分别滴加AgNO3溶液和淀粉KI溶液,若前者有白色沉淀,后者溶液变蓝色,可以证明上述反应存在限度
答案 D
13.(2022浙江1月选考,20,2分)AB型强电解质在水中的溶解(可视作特殊的化学反应)表示为AB(s) An+(aq)+Bn-(aq),其焓变和熵变分别为ΔH和ΔS。对于不同组成的AB型强电解质,下列说法正确的是( )
A.ΔH和ΔS均大于零
B.ΔH和ΔS均小于零
C.ΔH可能大于零或小于零,ΔS大于零
D.ΔH和ΔS均可能大于零或小于零
答案 D
14.(2022广东,13,4分)恒容密闭容器中,BaSO4(s)+4H2(g) BaS(s)+4H2O(g)在不同温度下达平衡时,各组分的物质的量(n)如图所示。下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH<0
B.a为n(H2O)随温度的变化曲线
C.向平衡体系中充入惰性气体,平衡不移动
D.向平衡体系中加入BaSO4,H2的平衡转化率增大
答案 C
15.(2023山东,14,4分)(双选)一定条件下,化合物E和TFAA合成H的反应路径如下:
已知反应初始E的浓度为0.10 ml·L-1,TFAA的浓度为0.08 ml·L-1,部分物种的浓度随时间的变化关系如图所示,忽略反应过程中的体积变化。下列说法正确的是( )
A.t1时刻,体系中有E存在
B.t2时刻,体系中无F存在
C.E和TFAA反应生成F的活化能很小
D.反应达平衡后,TFAA的浓度为0.08 ml·L-1
答案 AC
考点3 化学平衡常数及其相关计算
16.(2024浙江1月选考,19,10分)通过电化学、热化学等方法,将CO2转化为HCOOH等化学品,是实现“双碳”目标的途径之一。
请回答:
(1)某研究小组采用电化学方法将CO2转化为HCOOH,装置如图1。电极B上的电极反应式是 。
(2)该研究小组改用热化学方法,相关热化学方程式如下:
Ⅰ:C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1=-393.5 kJ·ml-1
Ⅱ:C(s)+H2(g)+O2(g)HCOOH(g) ΔH2=-378.7 kJ·ml-1
Ⅲ:CO2(g)+H2(g)HCOOH(g) ΔH3
①ΔH3= kJ·ml-1。
②反应Ⅲ在恒温、恒容的密闭容器中进行,CO2和H2的投料浓度均为1.0 ml·L-1,平衡常数K=2.4×10-8,则CO2的平衡转化率为 。
③用氨水吸收HCOOH,得到1.00 ml·L-1氨水和0.18 ml·L-1甲酸铵的混合溶液,298 K时该混合溶液的pH= 。[已知:298 K时,电离常数Kb(NH3·H2O)=1.8×10-5、Ka(HCOOH)=1.8×10-4]
(3)为提高效率,该研究小组参考文献优化热化学方法,在如图2密闭装置中充分搅拌催化剂M的DMSO(有机溶剂)溶液,CO2和H2在溶液中反应制备HCOOH,反应过程中保持CO2(g)和H2(g)的压强不变,总反应CO2+H2HCOOH的反应速率为v,反应机理如下列三个基元反应,各反应的活化能E2Ⅳ:M+CO2Q E1
Ⅴ:Q+H2L E2
Ⅵ:LM+HCOOH E3

①催化剂M足量条件下,下列说法正确的是 。
A.v与CO2(g)的压强无关
B.v与溶液中溶解H2的浓度无关
C.温度升高,v不一定增大
D.在溶液中加入N(CH2CH3)3,可提高CO2转化率
②实验测得:298 K,p(CO2)=p(H2)=2 MPa下,v随催化剂M浓度c变化如图3。c≤c0时,v随c增大而增大;c>c0时,v不再显著增大。请解释原因 。
答案 (1)CO2+2e-+2H+HCOOH
(2)①+14.8 ②2.4×10-8 ③10
(3)①CD ②由E2c0时,由于受到溶液中CO2和H2浓度的限制,随着c增大,反应Ⅳ、Ⅴ的速率基本不变,L浓度不再显著增大,故反应Ⅵ的速率和v不再显著增大
17.(2023浙江6月选考,19,10分)水煤气变换反应是工业上的重要反应,可用于制氢。
水煤气变换反应:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41.2 kJ·ml-1
该反应分两步完成:
3Fe2O3(s)+CO(g) 2Fe3O4(s)+CO2(g) ΔH1=-47.2 kJ·ml-1
2Fe3O4(s)+H2O(g) 3Fe2O3(s)+H2(g) ΔH2
请回答:
(1)ΔH2= kJ·ml-1。
(2)恒定总压1.70 MPa和水碳比[n(H2O)/n(CO)=12∶5]投料,在不同条件下达到平衡时CO2和H2的分压(某成分分压=总压×该成分的物质的量分数)如下表:
①在条件1下,水煤气变换反应的平衡常数K= 。
②对比条件1,条件2中H2产率下降是因为发生了一个不涉及CO2的副反应,写出该反应方程式 。
(3)下列说法正确的是 。
A.通入反应器的原料气应避免混入O2
B.恒定水碳比[n(H2O)/n(CO)],增加体系总压可提高H2的平衡产率
C.通入过量的水蒸气可防止Fe3O4被进一步还原为Fe
D.通过充入惰性气体增加体系总压,可提高反应速率
(4)水煤气变换反应是放热的可逆反应,需在多个催化剂反应层间进行降温操作以“去除”反应过程中的余热(如图1所示),保证反应在最适宜温度附近进行。

①在催化剂活性温度范围内,图2中b-c段对应降温操作的过程,实现该过程的一种操作方法是 。
A.按原水碳比通入冷的原料气
B.喷入冷水(蒸气)
C.通过热交换器换热
②若采用喷入冷水(蒸气)的方式降温,在图3中作出CO平衡转化率随温度变化的曲线。
(5)在催化剂活性温度范围内,水煤气变换反应的历程包含反应物分子在催化剂表面的吸附(快速)、反应及产物分子脱附等过程。随着温度升高,该反应的反应速率先增大后减小,其速率减小的原因是
。
答案 (1)+6.0 (2) ①2.0 ②CO+3H2 CH4+H2O (3)AC (4)①A
②
(5)反应物分子在催化剂表面的吸附为快速建立平衡的放热过程,温度升高,吸附平衡逆移,被吸附的反应物浓度降低,成为反应速率降低的主要因素
18.(2023浙江1月选考,19,10分)“碳达峰·碳中和”是我国社会发展重大战略之一,CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一,相关的主要反应有:
Ⅰ:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ·ml-1,K1
Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41 kJ·ml-1,K2
请回答:
(1)有利于提高CO2平衡转化率的条件是 。
A.低温低压 B.低温高压 C.高温低压 D.高温高压
(2)反应CH4(g)+3CO2(g) 4CO(g)+2H2O(g)的ΔH= kJ·ml-1,K= (用K1,K2表示)。
(3)恒压、750 ℃时,CH4和CO2按物质的量之比1∶3投料,反应经如下流程(主要产物已标出)可实现CO2高效转化。
①下列说法正确的是 。
A.Fe3O4可循环利用,CaO不可循环利用
B.过程ⅱ,CaO吸收CO2可促使Fe3O4氧化CO的平衡正移
C.过程ⅱ产生的H2O最终未被CaO吸收,在过程ⅲ被排出
D.相比于反应Ⅰ,该流程的总反应还原1 ml CO2需吸收的能量更多
②过程ⅱ平衡后通入He,测得一段时间内CO物质的量上升,根据过程ⅲ,结合平衡移动原理,解释CO物质的量上升的原因 。
(4)CH4还原能力(R)可衡量CO2转化效率,R=Δn(CO2)/Δn(CH4)(同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比)。
①常压下CH4和CO2按物质的量之比1∶3投料,某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图1,请在图2中画出400~1 000 ℃之间R的变化趋势,并标明1 000 ℃时R值。

②催化剂X可提高R值,另一时段内CH4转化率、R值随温度变化如下表:
下列说法不正确的是 。
A.R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率
B.温度越低,含氢产物中H2O占比越高
C.温度升高,CH4转化率增加,CO2转化率降低,R值减小
D.改变催化剂提高CH4转化率,R值不一定增大
答案 (1)C (2)+329 K1·K22
(3)①BC ②通入He,CaCO3分解平衡正移,导致c(CO2)c(CO)增大,促进Fe还原CO2平衡正移
(4)①
②C
19.(2023湖南,16,14分)聚苯乙烯是一类重要的高分子材料,可通过苯乙烯聚合制得。
Ⅰ.苯乙烯的制备
(1)已知下列反应的热化学方程式:
①C6H5C2H5(g)+212O2(g) 8CO2(g)+5H2O(g) ΔH1=-4 386.9 kJ·ml-1
②C6H5CH CH2(g)+10O2(g) 8CO2(g)+4H2O(g) ΔH2=-4 263.1 kJ·ml-1
③H2(g)+12O2(g) H2O(g) ΔH3=-241.8 kJ·ml-1
计算反应④C6H5C2H5(g)C6H5CHCH2(g)+H2(g)的ΔH4= kJ·ml-1;
(2)在某温度、100 kPa下,向反应器中充入1 ml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 ml水蒸气作为稀释气(计算时忽略副反应);
(3)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=转化为目的产物所消耗乙苯的量已转化的乙苯总量×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 ;
(4)关于本反应体系中催化剂Fe2O3的描述错误的是 ;
A.X射线衍射技术可测定Fe2O3晶体结构
B.Fe2O3可改变乙苯平衡转化率
C.Fe2O3降低了乙苯脱氢反应的活化能
D.改变Fe2O3颗粒大小不影响反应速率
Ⅱ.苯乙烯的聚合
苯乙烯聚合有多种方法,其中一种方法的关键步骤是某Cu(Ⅰ)的配合物促进C6H5CH2X(引发剂,X表示卤素)生成自由基C6H5C·H2,实现苯乙烯可控聚合。
(5)引发剂C6H5CH2Cl、C6H5CH2Br、C6H5CH2I中活性最高的是 ;
(6)室温下,①Cu+在配体L的水溶液中形成[Cu(L)2]+,其反应平衡常数为K;②CuBr在水中的溶度积常数为Ksp。由此可知,CuBr在配体L的水溶液中溶解反应的平衡常数为 (所有方程式中计量系数关系均为最简整数比)。
答案 (1)+118
(2)5
(3)甲苯 随着反应④进行,c(H2)增大,导致反应⑥速率加快,甲苯的选择性提高
(4)BD (5)C6H5CH2I (6)K·Ksp
20.(2023河北,17,15分)氮是自然界重要元素之一,研究氮及其化合物的性质以及氮的循环利用对解决环境和能源问题都具有重要意义。
已知:1 ml物质中的化学键断裂时所需能量如下表。
回答下列问题:
(1)恒温下,将1 ml空气(N2和O2的体积分数分别为0.78和0.21,其余为惰性组分)置于容积为V L的恒容密闭容器中,假设体系中只存在如下两个反应:
ⅰ.N2(g)+O2(g) 2NO(g) K1 ΔH1
ⅱ.2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) K2 ΔH2=-114 kJ·ml-1
①ΔH1= kJ·ml-1。
②以下操作可以降低上述平衡体系中NO浓度的有 (填标号)。
A.缩小体积 B.升高温度 C.移除NO2 D.降低N2浓度
③若上述平衡体系中c(NO2)=a ml·L-1,c(NO)=b ml·L-1,则c(O2)= ml·L-1,K1= (写出含a、b、V的计算式)。
(2)氢气催化还原NOx作为一种高效环保的脱硝技术备受关注。高温下氢气还原NO反应的速率方程为v=kcx(NO)cy(H2),k为速率常数。在一定温度下改变体系中各物质浓度,测定结果如下表。
表中第4组的反应速率为 ml·L-1·s-1。(写出含r的表达式)
(3)①以空气中的氮气为原料电解合成氨时,N2在 (填“阴”或“阳”)极上发生反应,产生NH3。
②氨燃料电池和氢燃料电池产生相同电量时,理论上消耗NH3和H2的质量比为17∶3,则在碱性介质中氨燃料电池负极的电极反应式为 。
③我国科学家研究了水溶液中三种催化剂(a、b、c)上N2电还原为NH3(图1)和H2O电还原为H2(图2)反应历程中的能量变化,则三种催化剂对N2电还原为NH3的催化活性由强到弱的顺序为 (用字母a、b、c排序)。

答案 (1)①+181 ②CD ③0.21V-2a+b2 b2(0.78V-a+b2)(0.21V-2a+b2) (2)0.75r
(3)①阴 ②2NH3+6OH--6e- N2+6H2O ③bac
21.(2022浙江6月选考,29,10分)主要成分为H2S的工业废气的回收利用有重要意义。
(1)回收单质硫。将三分之一的H2S燃烧,产生的SO2与其余H2S混合后反应:
2H2S(g)+SO2(g) 38S8(s)+2H2O(g)
在某温度下达到平衡,测得密闭系统中各组分浓度分别为c(H2S)=2.0×10-5 ml·L-1、c(SO2)=5.0×10-5 ml·L-1、c(H2O)=4.0×10-3 ml·L-1,计算该温度下的平衡常数K= 。
(2)热解H2S制H2。根据文献,将H2S和CH4的混合气体导入石英管反应器热解(一边进料,另一边出料),发生如下反应:
Ⅰ 2H2S(g) 2H2(g)+S2(g) ΔH1=170 kJ·ml-1
Ⅱ CH4(g)+S2(g) CS2(g)+2H2(g) ΔH2=64 kJ·ml-1
总反应:
Ⅲ 2H2S(g)+CH4(g) CS2(g)+4H2(g)
投料按体积之比V(H2S)∶V(CH4)=2∶1,并用N2稀释;常压、不同温度下反应相同时间后,测得H2和CS2的体积分数如下表:
请回答:
①反应Ⅲ能自发进行的条件是 。
②下列说法正确的是 。
A.其他条件不变时,用Ar替代N2作稀释气体,对实验结果几乎无影响
B.其他条件不变时,温度越高,H2S的转化率越高
C.由实验数据推出H2S中的键强于CH4中的键
D.恒温恒压下,增加N2的体积分数,H2的浓度升高
③若将反应Ⅲ看成由反应Ⅰ和反应Ⅱ两步进行,画出由反应原料经两步生成产物的反应过程能量示意图。
④在1 000 ℃、常压下,保持通入的H2S体积分数不变,提高投料比[V(H2S)∶V(CH4)],H2S的转化率不变,原因是
。
⑤在950 ℃~1 150 ℃范围内(其他条件不变),S2(g)的体积分数随温度升高发生变化,写出该变化规律并分析原因 。
答案 (1)8.0×108 L·ml-1 (2)①高温 ②AB
③
④1 000 ℃时CH4不参与反应,相同分压的H2S经历相同的时间转化率相同 ⑤先升后降。在低温段,以反应Ⅰ为主,随温度升高,S2(g)的体积分数增大;在高温段,随温度升高,反应Ⅱ消耗S2(g)的速率大于反应Ⅰ生成S2(g)的速率,S2(g)的体积分数减小
22.(2022浙江1月选考,29,10分)工业上,以煤炭为原料,通入一定比例的空气和水蒸气,经过系列反应可以得到满足不同需求的原料气。
请回答:
(1)在C和O2的反应体系中:
反应1 C(s)+O2(g) CO2(g) ΔH1=-394 kJ·ml-1
反应2 2CO(g)+O2(g) 2CO2(g) ΔH2=-566 kJ·ml-1
反应3 2C(s)+O2(g) 2CO(g) ΔH3
①设y=ΔH-TΔS,反应1、2和3的y随温度T的变化关系如图1所示。图中对应于反应3的线条是 。
图1
②一定压强下,随着温度的升高,气体中CO与CO2的物质的量之比 。
A.不变 B.增大 C.减小 D.无法判断
(2)水煤气反应:C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH=131 kJ·ml-1。
工业生产水煤气时,通常交替通入合适量的空气和水蒸气与煤炭反应,其理由是 。
(3)一氧化碳变换反应:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41 kJ·ml-1。
①一定温度下,反应后测得各组分的平衡压强(即组分的物质的量分数×总压):p(CO)=0.25 MPa、p(H2O)=0.25 MPa、p(CO2)=0.75 MPa和p(H2)=0.75 MPa,则反应的平衡常数K的数值为 。
②维持与题①相同的温度和总压,提高水蒸气的比例,使CO的平衡转化率提高到90%,则原料气中水蒸气和CO的物质的量之比为 。
③生产过程中,为了提高变换反应的速率,下列措施中合适的是 。
A.反应温度愈高愈好B.适当提高反应物压强
C.选择合适的催化剂D.通入一定量的氮气
④以固体催化剂M催化变换反应,若水蒸气分子首先被催化剂的活性表面吸附而解离,能量—反应过程如图2所示。
图2
用两个化学方程式表示该催化反应历程(反应机理):步骤Ⅰ: ;步骤Ⅱ: 。
答案 (1)①a ②B
(2)水蒸气与煤炭反应吸热,氧气与煤炭反应放热,交替通入空气和水蒸气有利于维持体系热量平衡,保持较高温度,有利于加快化学反应速率
(3)①9.0 ②1.8∶1 ③BC
④M+H2O MO+H2 MO+CO M+CO2
23.(2021浙江1月选考,29,10分)“氯碱工业”以电解饱和食盐水为基础制取氯气等产品,氯气是实验室和工业上的常用气体。
请回答:
(1)电解饱和食盐水制取氯气的化学方程式是 。
(2)下列说法不正确的是 。
A.可采用碱石灰干燥氯气
B.可通过排饱和食盐水法收集氯气
C.常温下,可通过加压使氯气液化而储存于钢瓶中
D.工业上,常用氢气和氯气反应生成的氯化氢溶于水制取盐酸
(3)在一定温度下,氯气溶于水的过程及其平衡常数为:
Cl2(g) Cl2(aq) K1=c(Cl2)/p
Cl2(aq)+H2O(l) H+(aq)+Cl-(aq)+HClO(aq) K2
其中p为Cl2(g)的平衡压强,c(Cl2)为Cl2在水溶液中的平衡浓度。
①Cl2(g) Cl2(aq)的焓变ΔH1 0。(填“>”“=”或“<”)
②平衡常数K2的表达式为K2= 。
③氯气在水中的溶解度(以物质的量浓度表示)为c,则c= 。(用平衡压强p和上述平衡常数表示,忽略HClO的电离)
(4)工业上,常采用“加碳氯化”的方法以高钛渣(主要成分为TiO2)为原料生产TiCl4,相应的化学方程式为:
Ⅰ TiO2(s)+2Cl2(g) TiCl4(g)+O2(g) ΔHⅠ=181 kJ·ml-1,KⅠ=3.4×10-29
Ⅱ 2C(s)+O2(g) 2CO(g) ΔHⅡ=-221 kJ·ml-1,KⅡ=1.2×1048
结合数据说明氯化过程中加碳的理由 。
(5)在一定温度下,以I2为催化剂,氯苯和Cl2在CS2中发生平行反应,分别生成邻二氯苯和对二氯苯,两产物浓度之比与反应时间无关。反应物起始浓度均为0.5 ml·L-1,反应30 min测得氯苯15%转化为邻二氯苯,25%转化为对二氯苯。保持其他条件不变,若要提高产物中邻二氯苯的比例,可采用的措施是 。
A.适当提高反应温度
B.改变催化剂
C.适当降低反应温度
D.改变反应物浓度
答案 (1)2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
(2)A (3)①< ②c(H+)·c(Cl-)·c(HClO)c(Cl2) ③K1p+(K1K2p)13
(4)反应Ⅰ+Ⅱ得:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s) TiCl4(g)+2CO(g),K=KⅠKⅡ=4.08×1019远大于KⅠ,反应Ⅱ使TiO2氯化为TiCl4得以实现;ΔH=ΔHⅠ+ΔHⅡ=-40 kJ·ml-1,反应Ⅱ可为反应Ⅰ提供所需的能量
(5)AB
考法强化练
考法1 分压平衡常数(Kp)的计算
1.(2022重庆,14,3分)两种酸式碳酸盐的分解反应如下。某温度平衡时总压强分别为p1和p2。
反应1:NH4HCO3(s) NH3(g)+H2O(g)+CO2(g) p1=3.6×104 Pa
反应2:2NaHCO3(s) Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g) p2=4×103 Pa
该温度下,刚性密闭容器中放入NH4HCO3和Na2CO3固体,平衡后以上3种固体均大量存在。下列说法错误的是( )
A.反应2的平衡常数为4×106 Pa2
B.通入NH3,再次平衡后总压强增大
C.平衡后总压强为4.36×105 Pa
D.缩小体积,再次平衡后总压强不变
答案 B
2.(2023全国乙,28节选)(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pSO3~T的关系如下图所示。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pO2= (用pSO3、pSO2表示)。在929 K时,p总=84.6 kPa,pSO3=35.7 kPa,则pSO2= kPa,Kp(Ⅱ)= kPa(列出计算式)。
答案 (3)3.0 2.25 增大
(4)pSO2-pSO34 46.26 46.262×
3.(2023湖北,19节选)(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)。
答案 (4)α21-α2p0
4.(2022湖南,16,13分)2021年我国制氢量位居世界第一,煤的气化是一种重要的制氢途径。回答下列问题:
(1)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 ml 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·ml-1
Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·ml-1
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23
D.将炭块粉碎,可加快反应速率
②反应平衡时,H2O(g)的转化率为50%,CO的物质的量为0.1 ml。此时,整个体系 (填“吸收”或“放出”)热量 kJ,反应Ⅰ的平衡常数Kp= (以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(2)一种脱除和利用水煤气中CO2方法的示意图如下:
①某温度下,吸收塔中K2CO3溶液吸收一定量的CO2后,c(CO32-)∶c(HCO3-)=1∶2,则该溶液的pH= (该温度下H2CO3的Ka1=4.6×10-7,Ka2=5.0×10-11);
②再生塔中产生CO2的离子方程式为 ;
③利用电化学原理,将CO2电催化还原为C2H4,阴极反应式为 。
答案 (1)①BD ②吸收 31.2 0.02
(2)①10 ②2HCO3- CO32-+CO2↑+H2O
③2CO2+12e-+12H+ C2H4+4H2O
5.(2022全国甲,28,14分)金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途。目前生产钛的方法之一是将金红石(TiO2)转化为TiCl4,再进一步还原得到钛。回答下列问题:
(1) TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1 000 ℃时反应的热化学方程式及其平衡常数如下:
(ⅰ)直接氯化:
TiO2(s)+2Cl2(g) TiCl4(g)+O2(g) ΔH1=172 kJ·ml-1,Kp1=1.0×10-2
(ⅱ)碳氯化:
TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s) TiCl4(g)+2CO(g)
ΔH2=-51 kJ·ml-1,Kp2=1.2×1012 Pa
①反应2C(s)+O2(g) 2CO(g)的ΔH为 kJ·ml-1,Kp= Pa。
②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化,其原因是 。
③对于碳氯化反应:增大压强,平衡 移动(填“向左”“向右”或“不”);温度升高,平衡转化率 (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
①反应C(s)+CO2(g) 2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)= Pa。
②图中显示,在200 ℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4,但实际生产中反应温度却远高于此温度,其原因是 。
(3)TiO2碳氯化是一个“气—固—固”反应,有利于TiO2-C“固—固”接触的措施是 。
答案 (1)①-223 1.2×1014 ②C与O2反应生成CO的平衡常数很大,推动TiO2直接氯化反应平衡向生成TiCl4方向移动 ③向左 变小
(2)①7.2×105 ②为了提高反应速率,在相同时间内得到更多的TiCl4产品,提高效益(或低温时反应速率慢)
(3)将TiO2和C粉碎并充分混合
考法2 反应速率常数的应用
6.(2021河北,13,4分)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6.67×10-3 ml·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
答案 A
7.(2022河北,13,4分)(双选)恒温恒容条件下,向密闭容器中加入一定量X,发生反应的方程式为①X Y;②Y Z。反应①的速率v1=k1c(X),反应②的速率v2=k2c(Y),式中k1、k2为速率常数。图a为该体系中X、Y、Z浓度随时间变化的曲线,图b为反应①和②的lnk~1T曲线。下列说法错误的是( )

A.随c(X)的减小,反应①、②的速率均降低
B.体系中v(X)=v(Y)+v(Z)
C.欲提高Y的产率,需提高反应温度且控制反应时间
D.温度低于T1时,总反应速率由反应②决定
答案 AB
8.(2022辽宁,17节选)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖,其反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·ml-1 ΔS=-200 J·K-1·ml-1
回答下列问题:
(1)合成氨反应在常温下 (填“能”或“不能”)自发进行。
(2) 温(填“高”或“低”,下同)有利于提高反应速率, 温有利于提高平衡转化率,综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素,工业常采用400~500 ℃。
针对反应速率与平衡产率的矛盾,我国科学家提出了两种解决方案。
(3)方案一:双温—双控—双催化剂。使用Fe-TiO2-xHy双催化剂,通过光辐射产生温差(如体系温度为495 ℃时,Fe的温度为547 ℃,而TiO2-xHy的温度为415 ℃)。
下列说法正确的是 。
a.氨气在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡产率
b.在“热Fe”表面断裂,有利于提高合成氨反应速率
c.“热Fe”高于体系温度,有利于提高氨的平衡产率
d.“冷Ti”低于体系温度,有利于提高合成氨反应速率
(4)方案二:M-LiH复合催化剂。

下列说法正确的是 。
a.300 ℃时,复合催化剂比单一催化剂效率更高
b.同温同压下,复合催化剂有利于提高氨的平衡产率
c.温度越高,复合催化剂活性一定越高
(5)某合成氨速率方程为v=kcα(N2)cβ(H2)cγ(NH3),根据表中数据,γ= ;
在合成氨过程中,需要不断分离出氨的原因为 。
a.有利于平衡正向移动
b.防止催化剂中毒
c.提高正反应速率
答案 (1)能 (2)高 低 (3)ab
(4)a (5)-1 a
9.(2023山东,20,12分)一定条件下,水气变换反应CO+H2O CO2+H2的中间产物是HCOOH。为探究该反应过程,研究HCOOH水溶液在密封石英管中的分解反应:
Ⅰ.HCOOH CO+H2O (快)
Ⅱ.HCOOH CO2+H2 (慢)
研究发现,在反应Ⅰ、Ⅱ中,H+仅对反应Ⅰ有催化加速作用;反应Ⅰ速率远大于反应Ⅱ,近似认为反应Ⅰ建立平衡后始终处于平衡状态。忽略水的电离,其浓度视为常数。
回答下列问题:
(1)一定条件下,反应Ⅰ、Ⅱ的焓变分别为ΔH1、ΔH2,则该条件下水气变换反应的焓变ΔH= (用含ΔH1、ΔH2的代数式表示)。
(2)反应Ⅰ正反应速率方程为v=kc(H+)c(HCOOH),k为反应速率常数。T1温度下,HCOOH电离平衡常数为Ka,当HCOOH平衡浓度为x ml·L-1时,H+浓度为 ml·L-1,此时反应Ⅰ正反应速率v= ml·L-1·h-1(用含Ka、x和k的代数式表示)。
(3)T2温度下,在密封石英管内完全充满1.0 ml·L-1 HCOOH水溶液,使HCOOH分解,分解产物均完全溶于水,含碳物种浓度与反应时间的变化关系如图所示(忽略碳元素的其他存在形式)。t1时刻测得CO、CO2的浓度分别为0.70 ml·L-1、0.16 ml·L-1;反应Ⅱ达平衡时,测得H2的浓度为y ml·L-1。体系达平衡后c(CO)c(CO2)= (用含y的代数式表示,下同),反应Ⅱ的平衡常数为 。
相同条件下,若反应起始时溶液中同时还含有0.10 ml·L-1盐酸,则图示点a、b、c、d中,CO新的浓度峰值点可能是 (填标号)。与不含盐酸相比,CO达浓度峰值时,CO2浓度 (填“增大”“减小”或“不变”),c(CO)c(HCOOH)的值 (填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)ΔH2-ΔH1
(2)Kax kxKax
(3)5(1-y)6y 6y21-y a 减小 不变

考点强化练
考点1 化学反应速率
1.(2023名校协作体二模,8)在恒温恒容条件下,发生反应A(g)2P(g),c(A)随时间的变化如图中曲线所示,其中cA,0表示A的初始浓度。下列说法不正确的是( )
A.a点的瞬时速率大于b点的瞬时速率
B.cA,08对应的时间为4t0
C.从a、b两点坐标可求得从a到b时间间隔内该化学反应的平均速率
D.在不同时刻都存在关系:2v(A)=v(P)
答案 B
2.(2024届A9协作体返校考,14)在1 L密闭容器中充入0.2 ml Cl2和0.3 ml NO,不同温度下发生反应Cl2(g)+ 2NO(g)2ClNO(g) ΔH<0,ClNO的体积分数随时间的变化如图所示。下列说法不正确的是( )
A.实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ反应温度大小关系:T1>T2>T3
B.实验Ⅱ相比实验Ⅰ、Ⅲ,除温度不同外还可能使用了催化剂
C.NO和Cl2的物质的量之比保持不变时,反应达到平衡状态
D.实验Ⅲ25 min内用NO表示的反应速率为0.004 ml/(L·min)
答案 D
3.(2024届七彩阳光联盟返校考,14)某2 L密闭容器中投入NO、O2分别为2 ml、1 ml,只发生反应:2NO+O22NO2,在不同温度下、相同时间(t min)内NO的转化率如下表所示。下列说法正确的是( )
A.该反应是吸热反应
B.若温度为50 ℃,NO的转化率>80%
C.30 ℃、70 ℃温度下,t min时的NO2生成速率相等
D.80 ℃温度下,该反应的平衡常数为2
答案 B
4.(2023宁波镇海中学三模,14)一定温度下,利用测压法在刚性反应器中研究固体催化剂作用下A的分解反应:A(g)B(g)+2C(g)。体系的总压强p随时间t的变化如表所示:
下列说法不正确的是( )
A.100~150 min,消耗A的平均速率为0.006 kPa·min-1
B.其他条件不变,420 min时向刚性容器中再充入少量A,反应速率比原420 min时大
C.推测x为18.1
D.升高体系温度,不一定能加快反应速率
答案 B
5.(2023北斗星盟适应性考试,20)室温下过氧化铬(CrO5)在硝酸酸化的戊醇中会溶解并发生反应:4CrO5+12HNO3 4Cr(NO3)3+7O2↑+6H2O。在5 mL 1×10-3 ml·L-1的过氧化铬戊醇溶液中滴入一定量的稀硝酸,在不同时刻测得过氧化铬浓度如下表:
下列叙述正确的是( )
A.4~6 min内反应的平均速率v(H2O)=8.6×10-6 ml·L-1·min-1
B.推测表中t的取值范围为10C.8~10 min内反应生成的O2体积为0.862 4 mL(标准状况)
D.若升高温度后重新实验发现20 min时过氧化铬浓度为1.120×10-5 ml·L-1,则证明反应的ΔH>0
答案 B
考点2 化学平衡 化学反应的方向
6.(2024届强基联盟10月联考,14)一定条件下,1,3-丁二烯与HBr发生加成反应,反应如下:
反应进程中的能量变化如下图所示。
下列说法不正确的是( )
A.反应焓变:反应Ⅰ>反应Ⅱ
B.平衡时,产物Ⅱ是主要产物
C.升高温度,可减小平衡时n(产物Ⅰ)n(产物Ⅱ)的值
D.选择相对较短的反应时间,及时分离可获得高产率的产物Ⅰ
答案 C
7.(2023杭州地区重点中学联考,14)一定条件下,反应物和生成物的相对能量与反应历程示意图如下,下列说法不正确的是 ( )
A.由历程Ⅰ可计算SO2的总键能=(E1-E3) kJ·ml-1
B.由历程Ⅱ可知,相同条件下O(g)的浓度比SO2(g)的浓度对反应速率影响更大
C.相同条件下,SO2的平衡转化率:历程Ⅰ=历程Ⅱ
D.由历程Ⅰ和历程Ⅱ可得E5-E3=E4-E2
答案 A
8.(2024届天域全国名校协作体10月联考,14)t ℃时,向图1中带隔板的密闭容器两侧各充入 1 ml H2(g)与1 ml I2(g),抽出隔板后发生反应H2(g)+I2(g)2HI(g) ΔH<0(ΔH绝对值很小,以下简称“该反应”),体系的自由能G(由体系的焓、熵与温度共同决定:ΔG=ΔH-TΔS)随体系中氢气的体积分数x(H2)变化的示意图如图2所示,其中P点为曲线最低点。下列说法中不正确的是( )

A.自由能G由M下降到N是抽出隔板时H2(g)与I2(g)混合造成的
B.t ℃时,在P点该反应达到进行的限度
C.若t ℃时该反应的平衡常数值为64,则x'=0.1
D.Q点条件下反应满足:v正v逆>1
答案 D
9.(2023绍兴二模,14改编)研究温度对苯催化加氢的影响,以检验新型镍催化剂的性能,该反应ΔH<0,采用相同的微型反应装置,压强为0.78 MPa,氢气与苯的物质的量之比为6.5∶1。反应相同时间后取样分离出氢气,分析成分得到的结果如下表:
下列说法不正确的是( )
A.该催化剂的最佳反应温度范围是110~240 ℃
B.280 ℃以上苯的转化率下降,原因一定为温度过高导致催化剂活性降低
C.在280~340 ℃范围内,适当延长反应时间,苯的转化率可能上升
D.在85~100 ℃范围内,温度上升,反应速率加快,因此苯的转化率上升
答案 B
10.(2023金华十校4月联考,13)乙醛与HCN的加成反应分两步进行:
第一步:+CN- 平衡常数K1
第二步:+H+ 平衡常数K2
该反应的总反应速率(v)与溶液pH的关系如图所示(已知室温下HCN的Ka=6.2×10-10),下列说法正确的是( )
A.1分子加成反应的最终产物中,sp3杂化的原子有2个
B.加少量NaOH,c(CN-)增大,总反应速率可能增大
C.加NaOH过多,因第二步平衡逆向移动,总反应速率减小
D.将HCN溶液的pH调至9,则溶液中c(CN-)>c(HCN)
答案 B
考点3 化学平衡常数及其相关计算
11.(2023温州二模,14)工业上利用CO2和H2制备HCOOH,相关化学键的键能如下表所示:
已知:①温度为T1 ℃时,CO2(g)+H2(g) HCOOH(g) K=2;
②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。
下列说法不正确的是( )
A.反应CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)的ΔH<0
B.T1 ℃时,恒容密闭容器中充入浓度均为1 ml·L-1的CO2(g)、H2(g),反应至平衡,则HCOOH(g)的体积分数为13
C.T1 ℃时,k逆=0.5k正
D.若温度为T2 ℃时,k正=2.1k逆,则T2 ℃>T1 ℃
答案 D
12.(2024届七彩阳光联盟返校考,19节选)(1)已知:
Rlnk=-EaT+C(Ea为活化能,R、C为常数,k为速率常数)。
②甲醇脱水生成乙烯的温度与速率常数的实验数据图如图1所示,该反应的正反应的活化能为 kJ·ml-1。
(2)以煤为原料气化产生的原料气可以用来合成CH3OH和 CH3OCH3,合成气平衡转化率随氢碳比[n(H2)/n(CO)]的变化如图2所示。甲醇制取烃的过程中,会发生多种反应,可以生成CH4、C2H4、C4H8等,一定条件下,测得各烃的质量分数、CH3OH转化率随温度变化情况如图3所示。

①下列叙述不正确的是 。
A.合成CH3OCH3的最佳氢碳比为1.0
B.甲醇制取烃的过程中,相同条件下,温度越高越有利于CH4的生成
C.甲醇制取乙烯的过程中,一般控制在350 ℃~400 ℃比较合适
D.甲醇制取烃的过程中,CH3OH的平衡转化率随温度升高先增大后减小
②原料气合成CH3OH、CH3OCH3过程中有如下反应发生:
反应Ⅰ 2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) ΔH=-91 kJ·ml-1
反应Ⅱ CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=-41 kJ·ml-1
反应Ⅲ 2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH=-24 kJ·ml-1
图2中原料气合成CH3OCH3的转化率高于CH3OH的原因是
。
③在350 ℃、1 MPa 下,甲醇制取乙烯的转化率随时间的变化曲线如图4所示(t1为该条件下的平衡时刻)。画出在相同条件下,向容器中添加氮气作稀释剂时甲醇的转化率随时间的变化曲线。
答案 (1)②32
(2)①D
②反应Ⅱ消耗了反应Ⅲ生成的H2O,促进反应Ⅲ平衡正向移动,提高了原料气合成CH3OCH3的转化率(其他合理答案也可)
③
13.(2024届新阵地教育联盟联考二,19节选)(2)CH4与CO2重整主要发生下列反应:
反应3:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH=+247 kJ·ml-1
反应4:H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) ΔH=+41 kJ·ml-1
将1 ml CH4与1 ml CO2在2 L密闭容器中反应制取CO和H2时,CH4和CO2的平衡转化率随温度变化关系如图所示。
①计算923 K时反应3的化学平衡常数K= (计算结果保留两位小数)。
②CH4还原能力(R)可衡量CO2转化效率,R=Δn(CO2)/Δn(CH4)(同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比),从平衡移动的角度分析,随着温度升高,R值逐渐减小直至近似等于1的原因: 。
答案 (2)①4.26
②升高温度,反应3平衡正向移动的幅度大于反应4平衡正向移动的幅度,R值逐渐减小;1 400 K以上反应3进行的程度远大于反应4,而反应3中Δn(CO2)和Δn(CH4)相等,所以R值近似等于1
14.(2023杭州教学质量检测,19)化学固定、催化活化循环利用CO2的研究备受重视。铜基催化剂上CO2加氢合成甲醇是重要的利用途径。该工艺主要发生合成甲醇的反应Ⅰ和逆水煤气变换反应Ⅱ。
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-53.66 kJ· ml-1,K1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+36.90 kJ· ml-1,K2
Ⅲ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH3
已知甲醇的选择性=n(CH3OH)n转化(CO2)。
请回答:
(1)ΔH3= ,反应Ⅲ自发进行的条件是 。
(2)恒温恒容条件下,原料气CO2(g)、H2(g)以物质的量浓度之比1∶3投料时,控制合适条件(不考虑反应Ⅲ),甲醇的选择性为50%。已知初始c(CO2)=1.0 ml·L-1,CO2平衡转化率为50%,则该条件下K1= 。
(3)以50Cu/45Zn/5Al为催化剂,催化剂表面金属能吸附CO2、CO、H2分子,反应Ⅰ和Ⅱ发生在催化剂表面的不同活性位点。在240 ℃、2 MPa条件下,将原料气按照a、b、c、d四种方式以相同流速通过催化剂,测得各组分转化率(X)和选择性(S)如表所示。另测得CO2转化率、甲醇选择性与温度、原料气组成关系如图1、图2所示。

图1 CO2转化率与反应温度和原料气组成的关系 图2 甲醇选择性与反应温度和原料气组成的关系
催化剂性能与原料气组成的关系
①分析上表中数据,推测随着原料气中掺杂CO体积分数的增大,CO2转化率迅速降低、甲醇选择性急剧增大的原因: 。
②结合上表、图1、图2和有关知识,下列说法正确的是 。
A.其他条件一定时,原料气中CO体积分数越大,生成甲醇越多
B.一定范围内升高温度利于CO2与催化剂活性位点结合,可以提高CO2的转化率
C.根据图2中的a线,推测温度对反应Ⅱ速率的影响比反应Ⅰ的大
D.增大流速,原料气与催化剂碰撞的机会增多,甲醇产率一定增加
③请在图2中画出按照d投料时甲醇的选择性随温度变化的曲线。
答案 (1)-90.56 kJ·ml-1 低温 (2)0.031 25或132
(3)①CO与CO2在催化剂表面产生竞争吸附,CO占据反应Ⅱ的活性位点,抑制反应Ⅱ的发生;CO直接与H2反应生成了CH3OH ②BC
③
考法综合练
考法1 分压平衡常数(Kp)的计算
1.(2024 届浙南名校联盟联考一,19 节选)(3)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化:
SO2(g)+12O2(g)SO3(g) ΔH=-98.9 kJ·ml-1
①为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度,绘制不同转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如图1,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
②固定投料比,在压强分别为0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa下,得到SO2的平衡转化率随温度的变化如图2所示。则在5.0 MPa、550 ℃时,SO2的平衡转化率= 。
③对于气体参与的反应,可用气体组分B的平衡分压p(B)代替该气体的物质的量浓度c(B)来表示平衡常数,记为Kp。设O2的平衡分压为p,SO2的平衡转化率为αe,则上述催化氧化反应的Kp= (用含p和αe的代数式表示)。
答案 (3)①CD ②0.975 ③αe(1-αe)p12
2.(2024届嘉兴9月教学测试,19节选)CO2过度排放会引起气候、环境等问题。在Cu/ZnO催化剂的作用下,CO2和H2可发生反应生成CH3OH和CO,热化学方程式如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-50.1 kJ·ml-1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·ml-1
(2)在一定温度下,向体积固定的密闭容器中通入 1 ml CO2和2.3 ml H2,起始压强为0.33 MPa,发生反应Ⅰ和Ⅱ。平衡时,总压为0.25 MPa,CO2的转化率为50%,则反应Ⅰ的平衡常数Kp= (MPa)-2(以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(3)不同压强下,维持投料比相同,实验测定CO2的平衡转化率随温度的变化关系如图1所示。在恒压密闭容器中,维持投料比相同,将 CO2和H2按一定的流速通过反应器,二氧化碳的转化率[α(CO2)]和甲醇的选择性[x(CH3OH)=n(CH3OH)生成n(CO2)消耗×100%]随温度变化关系如图2所示。图示温度范围催化剂的活性受温度影响不大。

①下列说法不正确的是 。
A.图1中,p1B.图1中550 ℃后以反应Ⅱ为主,反应Ⅱ前后气体分子数相等,压强改变对平衡基本没有影响
C.图2中236 ℃后,升温使反应Ⅰ平衡逆向移动的程度大于反应Ⅱ平衡正向移动的程度,使CO2转化率和 CH3OH选择性都下降
D.改用活性更好的催化剂能使图2中各温度下CO2转化率都增大
②假设只发生反应Ⅰ,一定温度下氢气和二氧化碳的物质的量之比为n∶1,相应平衡体系中甲醇的物质的量分数为y,请在图3中绘制y随n变化的示意图。
(4)在密闭容器中,维持其他条件不变,在不同的压强下发生反应Ⅰ和Ⅱ,二氧化碳的平衡转化率和甲醇的选择性随压强变化关系如下表所示。n(CO)随压强增大而 (填“增大”“减小”或“不变”),从化学平衡移动角度解释原因:
。
答案 (2)40
(3)①AD
②
(4)减小 增大压强使反应Ⅰ平衡正向移动,n(H2O)增大,n(CO2)和n(H2)减小,使反应Ⅱ平衡逆向移动
考法2 反应速率常数的应用
3.(2024届杭高9月阶段考,19节选)(1)已知:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=a kJ·ml-1
CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l) ΔH2=-890 kJ·ml-1
①已知:H2的标准燃烧热为286 kJ·ml-1,H2O(g)H2O(l) ΔH3=-44 kJ·ml-1。
计算ΔH1= kJ·ml-1。
②已知在一定温度下发生反应:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g),v正=k正c(CO2)c4(H2),v逆=k逆c(CH4)c2(H2O)(k正、k逆只是温度的函数)。若该温度下的平衡常数K=10,则k正= k逆。升高温度,k正增大的倍数 (填“大于”“小于”或“等于”)k逆增大的倍数。
答案 (1)①-166 ②10 小于
4.(2023宁波十校3月联考,19)乙醇是一种重要的工业原料,被广泛应用于能源、化工、食品等领域。乙酸甲酯(CH3COOCH3)加氢是制取乙醇的重要反应。相关反应如下:
Ⅰ.CH3COOCH3(g)+2H2(g) C2H5OH(g)+CH3OH(g) ΔH1=-71 kJ· ml-1
Ⅱ.CH3COOCH3(g)+H2(g) CH3CHO(g)+CH3OH(g) ΔH2=+13.6 kJ·ml-1
(1)一定条件下,在恒温恒容容器中通入一定量的乙酸甲酯和氢气发生反应Ⅰ和Ⅱ,反应达到平衡的标志为 (填字母)。
A.v正(H2)=2v逆(CH3OH)
B.容器中气体的平均摩尔质量不再变化
C.混合气体的密度不再变化
D.c(CH3OH)∶c(CH3CHO)不再变化
(2)其他条件相同,将乙酸甲酯与氢气按一定流速通过催化剂表面,乙酸甲酯的转化率与乙醇的选择性随氢酯比n(H2)n(CH3COOCH3)的关系如图1所示。氢酯比在2~9之间,乙醇的选择性随氢酯比增大而逐渐增大的原因为
。[乙醇的选择性=n(最终转化为乙醇的CH3COOCH3)n(转化的CH3COOCH3)]
(3)压强为p⊖的恒压密闭容器中,通入2.0 ml CH3COOCH3和3.96 ml H2发生反应Ⅰ和Ⅱ,测得不同温度下达平衡时CH3COOCH3转化率(180 ℃~280 ℃)和乙醇的选择性(240 ℃~280 ℃)如图2所示。260 ℃时反应Ⅰ的标准平衡常数K⊖= [已知对于反应:dD(g)+eE(g) gG(g)+hH(g),其标准平衡常数K⊖=(pGp⊖)g·(pHp⊖)ℎ(pDp⊖)d·(pEp⊖)e]。温度高于240 ℃时,随温度升高乙酸甲酯的转化率降低的原因是 。
(4)化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式为Rlnk=-EaT+C(Ea为活化能,假设受温度影响的变化忽略不计;k为速率常数,R和C为常数),为探究催化剂m、n的催化效率,进行了相应的实验,依据实验数据获得图3中的直线。假设催化剂n的催化效率大于m的催化效率,请在图3中画出催化剂n的相应直线并标注。
答案 (1)BD (2)氢酯比在2~9之间,氢酯比增大相当于增大氢气的浓度,反应在达到平衡前,氢气的吸附是决速步,增大氢气的浓度有利于加快反应的速率,且反应Ⅰ的反应速率增大程度大于反应Ⅱ;若反应已经达到平衡,增大氢气浓度,导致反应Ⅰ、Ⅱ平衡正向移动且反应Ⅰ平衡正向移动的程度大于反应Ⅱ,故氢酯比在2~9之间,乙醇的选择性随氢酯比增大而逐渐增大 (3)65.8 反应Ⅰ为放热反应,升高温度平衡逆向移动,反应Ⅱ为吸热反应,升高温度平衡正向移动,此时反应Ⅰ占主导地位,导致升高温度,乙酸甲酯的转化率降低
(4)
微专题 反应速率和平衡图像分析
1.(2022北京,14,3分)CO2捕获和转化可减少CO2排放并实现资源利用,原理如图1所示。反应①完成之后,以N2为载气,将恒定组成的N2、CH4混合气,以恒定流速通入反应器,单位时间流出气体各组分的物质的量随反应时间变化如图2所示。反应过程中始终未检测到CO2,在催化剂上检测到有积炭。下列说法不正确的是( )

图1 图2
A.反应①为CaO+CO2 CaCO3;反应②为CaCO3+CH4 CaO+2CO+2H2
B.t1~t3,n(H2)比n(CO)多,且生成H2的速率不变,推测有副反应CH4 C+2H2
C.t2时刻,副反应生成H2的速率大于反应②生成H2的速率
D.t3之后,生成CO的速率为0,是因为反应②不再发生
答案 C
2.(2022湖南,14,4分)(双选)向体积均为1 L的两恒容容器中分别充入2 ml X和1 ml Y发生反应:2X(g)+Y(g) Z(g) ΔH,其中甲为绝热过程,乙为恒温过程,两反应体系的压强随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A.ΔH>0
B.气体的总物质的量:naC.a点平衡常数:K>12
D.反应速率:va正答案 BC
3.(2023北京,16,9分)尿素[CO(NH2)2]合成的发展体现了化学科学与技术的不断进步。
(1)十九世纪初,用氰酸银(AgOCN)与NH4Cl在一定条件下反应制得CO(NH2)2,实现了由无机物到有机物的合成。该反应的化学方程式是 。
(2)二十世纪初,工业上以CO2和NH3为原料在一定温度和压强下合成尿素。反应分两步:
ⅰ.CO2和NH3生成NH2COONH4;
ⅱ.NH2COONH4分解生成尿素。
结合反应过程中能量变化示意图,下列说法正确的是 (填序号)。
a.活化能:反应ⅰ<反应ⅱ
b.ⅰ为放热反应,ⅱ为吸热反应
c.CO2(l)+2NH3(l) CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH=E1-E4
(3)近年研究发现,电催化CO2和含氮物质(NO3-等)在常温常压下合成尿素,有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的KNO3溶液通CO2至饱和,在电极上反应生成CO(NH2)2,电解原理如图所示。
①电极b是电解池的 极。
②电解过程中生成尿素的电极反应式是 。
(4)尿素样品含氮量的测定方法如下。
已知:溶液中c(NH4+)不能直接用NaOH溶液准确滴定。
①消化液中的含氮粒子是 。
②步骤ⅳ中标准NaOH溶液的浓度和消耗的体积分别为c和V,计算样品含氮量还需要的实验数据有 。
答案(1)AgOCN+NH4Cl CO(NH2)2+AgCl
(2)ab
(3)①阳 ②2NO3-+16e-+CO2+18H+ CO(NH2)2+7H2O
(4)①NH4+ ②尿素样品的质量,过量H2SO4溶液的浓度和体积
4.(2023新课标,29,15分)氨是最重要的化学品之一,我国目前氨的生产能力位居世界首位。回答下列问题:
(1)根据图1数据计算反应12N2(g)+32H2(g) NH3(g)的ΔH= kJ·ml-1。
(2)研究表明,合成氨反应在Fe催化剂上可能通过图2机理进行(*表示催化剂表面吸附位,N2*表示被吸附于催化剂表面的N2)。判断上述反应机理中,速率控制步骤(即速率最慢步骤)为 (填步骤前的标号),理由是 。
(3)合成氨催化剂前驱体(主要成分为Fe3O4)使用前经H2还原,生成α-Fe包裹的Fe3O4。已知α-Fe属于立方晶系,晶胞参数a=287 pm,密度为7.8 g·cm-3。则α-Fe晶胞中含有Fe的原子数为 (列出计算式,阿伏加德罗常数的值为NA)。
(4)在不同压强下,以两种不同组成进料,反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如图所示。其中一种进料组成为xH2=0.75、xN2=0.25,另一种为xH2=0.675、xN2=0.225、xAr=0.10。(物质i的摩尔分数:xi=ni/n总)

①图中压强由小到大的顺序为 ,判断的依据是 。
②进料组成中含有惰性气体Ar的图是 。
③图3中,当p2=20 MPa、xNH3=0.20时,氮气的转化率α= 。该温度时,反应12N2(g)+32H2(g) NH3(g)的平衡常数Kp= MPa-1(化为最简式)。
答案 (1)-45
(2)(ⅱ) N2分子中键能很大,解离为N原子所需能量最多
(3)7.8×(287×10-10)3×NA56
(4)①p1、p2、p3 正反应是气体分子数减小的反应,同温下,压强越大平衡转化率越大,xNH3越大
②图4 ③33.3% 336
5.(2022福建,13,13分)异丙醇(C3H8O)可由生物质转化得到,催化异丙醇脱水制取高值化学品丙烯(C3H6)的工业化技术已引起人们的关注。其主要反应如下:
Ⅰ.C3H8O(g) C3H6(g)+H2O(g) ΔH1=+52 kJ·ml-1
Ⅱ.2C3H6(g) C6H12(g) ΔH2=-97 kJ·ml-1
回答下列问题:
(1)已知2C3H8O(g)+9O2(g) 6CO2(g)+8H2O(g) ΔH=-3 750 kJ·ml-1,则C3H6(g)燃烧生成CO2(g)和H2O(g)的热化学方程式为 。
(2)在1 350 ℃下,刚性密闭容器中的反应体系内水蒸气浓度与反应时间关系如下表:
①4~8 μs内,v(C3H8O)= ppm·μs-1;
②t 16(填“>”“<”或“=”)。
(3)在恒温刚性密闭容器中,反应Ⅰ、Ⅱ均达到平衡的判据是 (填标号)。
a.H2O(g)的分压不变
b.混合气体密度不变
c.n(C3H6)=2n(C6H12)
d.v正(H2O)=v逆(C3H8O)
(4)在一定条件下,若反应Ⅰ、Ⅱ的转化率分别为98%和40%,则丙烯的产率为 。
(5)如图为反应Ⅰ、Ⅱ达到平衡时lgQp与温度的关系曲线。[已知:对于可逆反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g),任意时刻Qp=pc(C)·pd(D)pa(A)·pb(B),式中p(X)表示物质X的分压]
①在350 ℃恒压平衡体系中充入少量水蒸气时,反应Ⅰ的状态最有可能对应图中的 点(填“甲”“乙”或“丙”),判断依据是 ;
②350 ℃时,在密闭容器中加入一定量的C3H8O,体系达到平衡后,测得C6H12的分压为x MPa,则水蒸气的分压为 MPa(用含x的代数式表示)。
答案 (1)2C3H6(g)+9O2(g) 6CO2(g)+6H2O(g) ΔH=-3 854 kJ·ml-1 (2)①190 ②> (3)ad (4)58.8% (5)①甲 反应Ⅰ平衡曲线为N,恒压时充入水蒸气,Qp>Kp ②(x+2x)
6.(2021广东,19,14分)我国力争于2030年前做到碳达峰,2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应:
a)CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1
b)CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2
c)CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH3
d)2CO(g) CO2(g)+C(s) ΔH4
e)CO(g)+H2(g) H2O(g)+C(s) ΔH5
(1)根据盖斯定律,反应a的ΔH1= (写出一个代数式即可)。
(2)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有 。
A.增大CO2与CH4的浓度,反应a、b、c的正反应速率都增加
B.移去部分C(s),反应c、d、e的平衡均向右移动
C.加入反应a的催化剂,可提高CH4的平衡转化率
D.降低反应温度,反应a~e的正、逆反应速率都减小
(3)一定条件下,CH4分解形成碳的反应历程如图1所示。该历程分 步进行,其中,第 步的正反应活化能最大。
图1
(4)设Kpr为相对压力平衡常数,其表达式写法:在浓度平衡常数表达式中,用相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0=100 kPa)。反应a、c、e的lnKpr随1T(温度的倒数)的变化如图2所示。
图2
①反应a、c、e中,属于吸热反应的有 (填字母)。
②反应c的相对压力平衡常数表达式为Kpr= 。
③在图2中A点对应温度下、原料组成为n(CO2)∶n(CH4)=1∶1、初始总压为100 kPa的恒容密闭容器中进行反应,体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率,写出计算过程。
(5)CO2用途广泛,写出基于其物理性质的一种用途: 。
答案 (1)ΔH3-ΔH4(或ΔH2+ΔH3-ΔH5)
(2)AD (3)4 4
(4)①ac ②p2(H2)p(CH4)·p0 ③A点对应温度下反应c的lnKpr=0,则平衡体系中Kpr=p2(H2)p(CH4)·p0=1,即402kPa2p(CH4)×100 kPa=1,p(CH4)=16 kPa,初始p(CH4)=50 kPa,则CH4的平衡转化率为50 kPa-16 kPa50 kPa×100%=68%
(5)作制冷剂(合理即可)
7.(2023广东,19,14分)配合物广泛存在于自然界,且在生产和生活中都发挥着重要作用。
(1)某有机物R能与Fe2+形成橙红色的配离子[FeR3]2+,该配离子可被HNO3氧化成淡蓝色的配离子[FeR3]3+。
①基态Fe2+的3d电子轨道表示式为 。
②完成反应的离子方程式:NO3-+2[FeR3]2++3H+ +2[FeR3]3++H2O。
(2)某研究小组对(1)中②的反应进行了研究。用浓度分别为2.0、2.5、3.0 ml·L-1的HNO3溶液进行了三组实验,得到c([FeR3]2+)随时间t的变化曲线如图所示。
①c(HNO3)=3.0 ml·L-1时,在0~1 min内,[FeR3]2+的平均消耗速率= 。
②下列有关说法中,正确的有 。
A.平衡后加水稀释,c([FeR3]2+)c([FeR3]3+)增大
B.[FeR3]2+平衡转化率:αⅢ>αⅡ>αⅠ
C.三组实验中,反应速率都随反应进程一直减小
D.体系由橙红色转变为淡蓝色所需时间:tⅢ>tⅡ>tⅠ
(3)R的衍生物L可用于分离稀土。溶液中某稀土离子(用M表示)与L存在平衡:
M+L ML K1
ML+L ML2 K2
研究组配制了L起始浓度c0(L)=0.02 ml·L-1、M与L起始浓度比c0(M)/c0(L)不同的系列溶液,反应平衡后测定其核磁共振氢谱。配体L上的某个特征H在三个物种L、ML、ML2中的化学位移不同,该特征H对应吸收峰的相对峰面积S(体系中所有特征H的总峰面积计为1)如下表。
【注】核磁共振氢谱中相对峰面积S之比等于吸收峰对应H的原子数目之比;“<0.01”表示未检测到。
①c0(M)/c0(L)=a时,x= 。
②c0(M)/c0(L)=b时,平衡浓度比c平(ML2)∶c平(ML)= 。
(4)研究组用吸收光谱法研究了(3)中M与L反应体系。当c0(L)=1.0×10-5 ml·L-1时,测得平衡时各物种c平/c0(L)随c0(M)/c0(L)的变化曲线如图所示。c0(M)/c0(L)=0.51时,计算M的平衡转化率(写出计算过程,结果保留两位有效数字)。
答案 (1)①
②HNO2
(2)①5×10-5 ml·L-1·min-1 ②AB
(3)①0.36 ②3∶4
(4)c0(M)=0.51c0(L)
c平(L)=c平(ML)=0.40c0(L)
由L守恒可得c平(ML2)=[c0(L)-c平(L)-c平(ML)]÷2=[c0(L)-0.40c0(L)-0.40c0(L)]÷2=0.10c0(L)
c转(M)=c平(ML)+c平(ML2)=0.40c0(L)+0.10c0(L)=0.50c0(L)
M的平衡转化率为c转(M)c0(M)×100%=0.50c0(L)0.51c0(L)×100%≈98%
8.(2022海南,16,10分)某空间站的生命保障系统功能之一是实现氧循环。其中涉及反应:
CO2(g)+4H2(g) 2H2O(g)+CH4(g)
回答问题:
(1)已知:电解液态水制备1 ml O2(g),电解反应的ΔH=+572 kJ·ml-1。由此计算H2(g)的燃烧热(焓)ΔH= kJ·ml-1。
(2)已知:CO2(g)+4H2(g) 2H2O(g)+CH4(g)的平衡常数(K)与反应温度(t)之间的关系如图1所示。
图1
①若反应为基元反应,且反应的ΔH与活化能(Ea)的关系为|ΔH|>Ea。补充完成该反应过程的能量变化示意图(图2)。
图2
②某研究小组模拟该反应。温度t下,向容积为10 L的抽空的密闭容器中通入0.1 ml CO2和0.4 ml H2,反应平衡后测得容器中n(CH4)=0.05 ml。则CO2的转化率为 ,
反应温度t约为 ℃。
(3)在相同条件下,CO2(g)与H2(g)还会发生不利于氧循环的副反应:
CO2(g)+3H2(g) H2O(g)+CH3OH(g)
在反应器中按n(CO2)∶n(H2)=1∶4通入反应物,在不同温度、不同催化剂条件下,反应进行到2 min时,测得反应器中CH3OH、CH4浓度(μml·L-1)如下表所示。
在选择使用催化剂Ⅰ和350 ℃条件下反应,0~2 min生成CH3OH的平均反应速率为 μml·L-1·min-1;若某空间站的生命保障系统实际选择使用催化剂Ⅱ和400 ℃的反应条件,原因是 。
答案 (1)-286
(2)①
②50% 660.2(或660.1或660.3,其他合理答案也可)
(3)5.4 相同催化剂,400 ℃的反应速率更快;400 ℃时,催化剂Ⅱ副产物浓度低,甲烷的比例高
9.(2024 届杭高9 月阶段考,19 节选)(2)利用CO和H2在催化剂的作用下合成甲醇,发生的反应如下:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。向2 L恒容密闭反应器中按物质的量之比1∶2充入CO和H2,测得平衡混合物中 CH3OH的体积分数在不同压强下随温度的变化情况如图所示。下列说法正确的是 。
A.该反应的ΔH<0,且p1>p2
B.C点时,CO转化率为75%
C.A、B、C、D四点的平衡常数大小关系:A=B>C>D
D.若p1时最初充入 1 ml CO,经过5 min达到B点的平衡状态,此段时间v(CH3OH)=1.75 ml·L-1·min-1
(3)以CO2为原料催化加氢合成C2H4的反应为2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g) ΔH。常压下,FeCMnK/BeO作催化剂,按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(总物质的量为4a ml)的投料比充入密闭容器中发生反应,测得温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率影响情况如图1所示。
①250 ℃时,上述反应达到平衡时容器体积为V L,则此温度下该反应的平衡常数为 (用含a、V的代数式表示)。
②若反应开始时,在0.1 MPa条件下,以n(H2)∶n(CO2)=3∶1的投料比充入体积固定的密闭容器中,发生上述反应,不同温度下平衡时的四种气态物质的物质的量分数如图2所示。
若H2和CO2的物质的量之比为n∶1(n≥3)进行投料,温度控制为120 ℃,相应平衡体系中乙烯的产率为x,在图3中绘制x随n(n≥3)变化的示意图(标出曲线的起点坐标)。
答案 (2)AB (3)①K=V31.56a3
②
10.(2024届强基联盟10月联考,19)航天员呼吸产生的CO2利用Sabatier反应(反应Ⅰ)进行处理,可实现空间站O2的循环利用,体系中还存在副反应(反应Ⅱ)。
反应Ⅰ:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) K1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) K2
水电解反应:2H2O(g)2H2(g)+O2(g)
请回答:
(1)一定压强下,向某容积可变的密闭容器中通入CO2和H2的混合气体(其中CO2和H2的物质的量之比为1∶4),在某催化剂的作用下同时发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,测得CO2的转化率、CH4和CO的选择性随反应温度的变化如下图所示(CH4或CO的选择性是指反应生成CH4或CO时所消耗的CO2的物质的量占参加反应的CO2总物质的量的百分比)。
①相同温度下,反应2CO(g)+2H2(g)CO2(g)+CH4(g)的平衡常数为 (用含K1、K2的式子表示)。
②提高CH4产率的措施有 、 。
③温度高于340 ℃时CO2的转化率减小的可能原因是 (不考虑温度对催化剂活性的影响)。
(2)在某温度下,向V L的密闭容器中充入不同氢碳比[n(H2)n(CO2)]的原料气,仅发生反应Ⅰ,请在下图中画出H2平衡转化率的变化趋势。
(3)室温下,向体积为2 L的恒容密闭容器中通入4 ml H2和1 ml CO2,仅发生反应Ⅰ,若反应时保持温度恒定,测得反应过程中压强随时间的变化如下表所示:
①该温度下反应Ⅰ的Kp= (Kp为用气体的分压表示的平衡常数,分压=气体的体积分数×体系总压)。
②反应Ⅰ的速率方程:v正=k正·c(CO2)·c4(H2),v逆=k逆·c(CH4)·c2(H2O)(k是速率常数,只与温度有关)。
20 min时,k正k逆 c(CH4)·c2(H2O)c(CO2)·c4(H2)(填“>”“<”或“=”)。
答案 (1)①K1K22 ②控制反应温度在340 ℃左右 增大压强
③当温度高于340 ℃时反应已达平衡,反应Ⅰ平衡逆向移动程度大于反应Ⅱ平衡正向移动程度,CO2转化率减小
(2)
(3)①116p2 ②>
11.(2023温州二模,19)甲醇和二甲醚是可再生能源,具有广泛的发展前景。相关的主要反应如下。
制备合成气:Ⅰ.CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ· ml-1 K1
制备甲醇和二甲醚:Ⅱ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH2=-90.7 kJ· ml-1 K2
Ⅲ.2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH3=-24.0 kJ· ml-1 K3
请回答:
(1)有利于制备合成气(反应Ⅰ)的条件是 。
A.低温低压 B.低温高压 C.高温低压 D.高温高压
(2)一定条件下,相关物质的相对能量与反应过程如下图所示:
①E1-E3= kJ· ml-1。
②在某温度下,在体积为1 L的恒容容器中,投料为1 ml CO和2 ml H2,仅发生反应Ⅱ和Ⅲ(K2>K3),在t1时达到平衡状态,请画出0~t2之间c(CH3OH)的变化趋势。
(3)甲醇生成二甲醚的转化率α可以根据冷凝液中的CH3OH与H2O的相对百分含量来计算(忽略副反应和各物质的挥发)。冷凝液中H2O的质量分数为w1,CH3OH的质量分数为w2,则甲醇的转化率α= (用含w1和w2的式子表示)。
(4)制备合成气(反应Ⅰ)时,还存在反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41 kJ· ml-1,该过程可用于能量的储存。已知:储能效率η=QchemQ×100%(Qchem是通过化学反应吸收的热量,Q是设备的加热功率)。反应物气体流速、n(CH4)n(CO2)对CH4转化率[α(CH4)]、储能效率(η)的影响,部分数据如下表:
①下列说法不正确的是 。
A.反应Ⅰ可以储能的原因是该反应是吸热反应,将热量储存在高热值物质CO、H2中
B.其他条件不变,反应物气体流速越小,CH4转化率越大,有利于热化学能储存
C.其他条件不变,n(CH4)n(CO2)越小,CH4转化率越大
D.反应物气体流速越大,CH4转化率越低的可能原因是反应物与催化剂未充分接触
②在实验2和3中,经过相同的时间,混合气中CO2占比越低,储能效率越高,说明其可能的原因: (该条件下设备的加热功率视为不变)。
答案 (1)C (2)①205.4
②
(3)32(1-w1-w2)32-32w1-9w2 (4)①B ②CO2占比低时以反应Ⅰ为主,储能效率高,而CO2占比高时以反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41 kJ·ml-1为主,储能效率低
t/min
0
1
2
3
4
5
c(W)/(ml·L-1)
0.160
0.113
0.080
0.056
0.040
0.028
t/s
0
600
1 200
1 710
2 220
2 820
x
c(N2O5)/(ml·L-1)
1.40
0.96
0.66
0.48
0.35
0.24
0.12
t/min
0
20
40
60
80
c/(ml·L-1)
0.80
0.40
0.20
0.10
0.050
编号
时间/minc(NH3)/(10-3 ml·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
取代基R
CH3
ClCH2
Cl2CH
水解相对速率
1
290
7 200
p(CO2)/MPa
p(H2)/MPa
p(CH4)/MPa
条件1
0.40
0.40
0
条件2
0.42
0.36
0.02
温度/℃
480
500
520
550
CH4转化率/%
7.9
11.5
20.2
34.8
R
2.6
2.4
2.1
1.8
物质
N2(g)
O2(g)
NO(g)
能量/kJ
945
498
631
组号
c(NO)/(ml·L-1)
c(H2)/(ml·L-1)
v/(ml·L-1·s-1)
1
0.10
0.10
r
2
0.10
0.20
2r
3
0.20
0.10
4r
4
0.05
0.30
?
温度/℃
950
1 000
1 050
1 100
1 150
H2/(V%)
0.5
1.5
3.6
5.5
8.5
CS2/(V%)
0.0
0.0
0.1
0.4
1.8
实验
c(N2)ml·L-1
c(H2)ml·L-1
c(NH3)ml·L-1
vml·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
温度/℃
5
30
70
80
转化率/%
10
80
80
50
t/min
0
100
150
250
420
500
580
p/kPa
12.1
13.3
13.9
15.1
17.14
x
19.06
时间/min
4
6
8
10
t
20
25
35
c(CrO5)/10-5 ml·L-1
4.230
2.510
1.790
1.350
1.240
1.130
1.110
1.100
温度/℃
85
95
100
110~240
280
300
340
质量分数/%
苯
96.05
91.55
80.85
1
23.35
36.90
72.37
环己烷
3.95
8.45
19.15
99
76.65
63.10
27.63
化学键
CO
H—H
O—H
C—H
C—O
键能/ kJ·ml-1
745
436
462.8
413.4
351
原料气体积分数CO2∶CO∶H2(%)
XCO2
XCO
SCH3OH
SCO
(a)16∶0∶84
18
0
43
56
(b)16∶0.6∶83.4
12
0
61
38
(c)16∶2∶82
11
0
89
11
(d)16∶4∶80
9
6.0
99
0
压强p/MPa
1
2
3
4
5
6
CO2的平衡转化率/%
8.1
15.3
22.2
29.5
36.1
43.2
CH3OH的选择性/%
49.5
80.1
90.0
94.5
97.1
98.6
反应时间/μs
0
4
8
12
t
20
H2O浓度/ppm
0
2 440
3 200
3 600
4 000
4 100
c0(M)/c0(L)
S(L)
S(ML)
S(ML2)
0
1.00
0
0
a
x
<0.01
0.64
b
<0.01
0.40
0.60
催化剂
t=350 ℃
t=400 ℃
c(CH3OH)
c(CH4)
c(CH3OH)
c(CH4)
催化剂Ⅰ
10.8
12 722
345.2
42 780
催化剂Ⅱ
9.2
10 775
34
38 932
时间/min
0
10
20
30
40
50
60
压强
5.00p
4.60p
4.30p
4.15p
4.06p
4.00p
4.00p
序号
加热温度/℃
反应物气体流速/L·min-1
n(CH4)n(CO2)
α(CH4)/%
η/%
1
800
4
1∶1
79.6
52.2
2
800
6
1∶1
64.2
61.9
3
800
6
1∶2
81.1
41.6