2021版化学名师讲练大一轮复习方略人教通用版高考新风向·命题新情境7.2化学平衡状态和平衡移动

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高考新风向·命题新情境

　温室效应,又称“花房效应”,是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面,但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收,这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。自工业革命以来,人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加,大气的温室效应也随之增强,已引起全球气候变暖等一系列极其严重的问题,引起了全世界各国的关注。近年我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究,实现可持续发展,其反应为Ⅰ.3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-48.9 kJ·mol-1。

　问题1:为提高CH3OH的产率,理论上应采用什么样的条件?(素养角度——变化观念与平衡思想)

提示:根据热化学方程式可知,生成CH3OH的方向是放热反应方向,也是气体体积减小的方向,因此提高CH3OH的产率,需要降低温度升高压强。

问题2:250 ℃、在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g),下图为不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时某反应物X平衡转化率变化曲线。判断反应物X是CO2还是H2。(素养角度——证据推理与模型认知)

提示:观察图中的横坐标,其物理量为,若假设n(CO2)为定值,则X的转化率随n(H2)的增大而增大,则X为CO2。

问题3:催化剂和反应条件与反应物转化率和产物的选择性有高度相关。控制相同投料比和相同反应时间,有如下四组实验数据:

根据上表所给数据,判断用CO2生产甲醇的最佳选项。(素养角度——科学探究与创新意识)

提示:选择性是指产物的专一性,在一个化学反应中若有多个产物,其中某一产物是目标产物,若这个物质的产率越高,说明该反应的选择性越好。观察四组数据,相比之下,BD的选择性很高,且B的CO2转化率比D稍低些,但是B的CH3OH的选择性高出了不少,故最佳选项为B。

1.大气中的污染物氮氧化物主要来源于机动车尾气,低温脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物,发生的化学反应为2NH3(g)+NO(g)+NO2(g)2N2(g)+3H2O(g)　ΔH<0。在恒容的密闭容器中,下列有关说法正确的是              (　　)

A.单位时间内消耗NO和N2的物质的量之比为1∶2时,反应达到平衡

B.平衡时,其他条件不变,升高温度可使该反应的平衡常数增大

C.平衡时,其他条件不变,增加NH3的浓度,废气中氮氧化物的转化率减小

D.其他条件不变,使用高效催化剂,废气中氮氧化物的转化率增大

【解析】选A。单位时间内消耗NO和N2的物质的量之比为1∶2时,正逆反应速率相等,反应达到平衡,故A正确;该反应是放热可逆反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,故B错误;增加NH3的浓度,平衡向正反应方向移动,新平衡时,NH3的转化率减小,氮氧化物的转化率增大,故C错误;使用高效催化剂,反应速率加快,化学平衡不移动,废气中氮氧化物的转化率不变,故D错误。

2.氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料,具有优良的机械性能,常用来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。我国已研制出了氮化硅陶瓷柴油机。工业制备氮化硅的反应为3SiCl4(g)+2N2(g)+6H2(g)Si3N4(s)+12HCl(g)　ΔH<0,将0.3 mol SiCl4和一定量N2、H2 投入2 L反应容器,只改变温度条件测得Si3N4的质量变化如下表:

下列说法正确的是 (　　)

A.250 ℃,前2 min,Si3N4的平均反应速率为0.02 mol·L-1·min-1

B.反应达到平衡时, 两种温度下N2和H2的转化率之比相同

C.达到平衡前,300 ℃条件的反应速率比250 ℃快; 平衡后,300 ℃比250 ℃慢

D.反应达到平衡时, 两种条件下反应放出的热量一样多

【解析】选B。Si3N4为固体,固体的浓度视为常数,无法计算Si3O4的反应速率,故A错误;起始N2和H2的物质的量比值为定值,反应中N2和H2的消耗量的比值恒定为1∶3,则反应达到平衡时,两种温度下N2和H2的转化率之比相同,故B正确;其他条件相同时,升高温度,反应速率加快,温度越高,反应速率越大,则达到平衡前,300 ℃条件的反应速率比250 ℃快,平衡后,300 ℃依然比250 ℃快,故C错误;该反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,温度不同,反应物的消耗量不同,则反应放出的热量不同,故D错误。

3.汽车尾气系统中的催化转化器,可有效降低尾气中的CO、NO和NO2等向大气的排放。在催化转化器的前半部分发生的反应为2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g)。一定条件下,下列说法能充分说明该反应已经达到化学平衡状态的是              (　　)

A.正、逆反应速率都等于零

B.CO、NO、CO2、N2的浓度相等

C.CO、NO、CO2、N2在容器中共存

D.CO、NO、CO2、N2的浓度均不再变化

【解析】选D。在一定条件下,当一个可逆反应的正反应速率与逆反应速率相等时且不等于零,或反应物的浓度与生成物的浓度不再改变即为平衡状态,故A错误;CO、NO、CO2、N2的浓度相等,并不能说明各物质的浓度不变,不能说明反应达到了平衡状态,故B错误;可逆反应中的反应物和生成物都会同时存在于一个容器中,CO、NO、CO2、N2在容器中共存不能说明为平衡状态,故C错误;CO、NO、CO2、N2的浓度均不再变化能够说明反应达到平衡状态,故D正确。

4.氢能是发展中的新能源,它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节。在恒温恒容的密闭容器中,某储氢反应:MHx(s)+yH2(g)MHx+2y(s)　ΔH<0达到化学平衡。下列有关叙述正确的是              (　　)

A.容器内气体压强保持不变

B.吸收y mol H2只需1 mol MHx

C.若降温,该反应的平衡常数减小

D.若向容器内通入少量氢气,则v(放氢)>v(吸氢)

【解析】选A。MHx(s)+yH2(g)MHx+2y(s)　ΔH<0,该反应属于气体的物质的量发生改变的反应。平衡时气体的物质的量不变,压强不变,A正确;该反应为可逆反应,吸收y mol H2需要大于1 mol的MHx,B错误;降低温度,平衡向正反应方向移动,平衡常数增大,C错误;向容器内通入少量氢气,相当于增大压强,平衡正向移动,v(放氢)<v(吸氢),D错误。

5.乙醇是一种很好的溶剂,既能溶解许多无机物,又能溶解许多有机物,也是一种重要的化工原料,而且是绿色能源之一。据报道,在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实:2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g),下列叙述错误的是              (　　)

A.使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率

B.反应需在300 ℃进行可推测该反应是吸热反应

C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率

D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率

【解析】选B。使用Cu-Zn-Fe催化剂可加快反应速率,能大大提高生产效率,A项正确;反应加热与反应是放热还是吸热没有直接的关系,如煤的燃烧放热,但需要加热,B项错误;充入大量CO2气体平衡会正向移动,所以可提高H2的转化率,C项正确;从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O会使平衡正向移动,所以可提高CO2和H2的利用率,D项正确。

6.CO和H2的混合气体又称“合成气”,在合成有机物中应用广泛。工业上常采用天然气与水蒸气或二氧化碳反应等方法来制取合成气。请回答下列问题:

(1)天然气与CO2反应也可制备合成气,在10 L密闭容器中通入1 mol CH4与1 mol CO2,在一定条件下发生反应,测得CH4的平衡转化率与温度及压强的关系如图1所示。

①1 100 ℃、p2时气体混合后反应经过10 min至x点的平衡,用CO的变化量表示反应速率v(CO)=________; 

②下列选项中能表示该反应已达到平衡状态的是________; 

A.v(H2)逆=3v(CO)正

B.密闭容器中混合气体的密度不变

C.密闭容器中总压强不变

D.c(CH4)=c(CO)

③由图1可知,压强p1________p2(填“大于”或“小于”);压强为p2时,在y点:v(正)________v(逆)(填“大于”“小于”或“等于”)。求y点对应温度下的该反应的平衡常数K=____________　。 

(2)合成气制甲醚的反应方程式为2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)　

ΔH=b kJ·mol-1。有研究者在催化剂、压强为5.0 MPa的条件下,由H2和CO直接制备甲醚,结果如图2所示。

①290 ℃前,CO转化率和甲醚产率的变化趋势不一致的原因是　       ; 

②b________0(填“ >”“<”或“=”) ,理由是　 　。 

【解析】(1)CH4和CO2反应制备合成气的反应为CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)。

①由图象知1 100 ℃、p2时CH4的转化率为80%,则转化CH4的物质的量为

1 mol×80%=0.8 mol,根据方程式知生成CO物质的量为1.6 mol,v(CO)=

1.6 mol÷10 L÷10 min=0.016 mol·L-1·min-1。

②A,v(H2)逆=3v(CO)正表明逆反应速率大于正反应速率,反应没有达到平衡状态;B,该反应中所有物质都是气态,根据质量守恒定律,混合气体的质量始终不变,容器的容积不变,混合气体的密度始终不变,密闭容器中混合气体的密度不变不能说明反应达到平衡状态;C,该反应的正反应是气体分子数增大的反应,建立平衡过程中气体分子物质的量增大,密闭容器中总压强增大,平衡时气体分子物质的量不变,密闭容器中总压强不变,密闭容器中总压强不变能说明反应达到平衡状态;D,达到平衡时各物质的浓度保持不变,不一定相等,c(CH4)=c(CO)不能说明反应达到平衡状态;能说明反应达到平衡状态的是C项,答案选C。

③该反应的正反应为气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动,CH4的转化率减小,由图知在相同温度下p1时CH4的转化率大于p2,则p1小于p2。由图知,y点CH4转化率小于平衡时CH4的转化率,反应正向进行,v(正)大于v(逆)。y点的温度与x点的温度相同,y点平衡常数与x点相等,用三段式

　K===1.638 4 (mol·L-1)2。

(2)①290 ℃前,CO转化率和甲醚产率的变化趋势不一致,说明在290 ℃前有副反应发生。

②由图可见升高温度,CO转化率减小,甲醚产率减小,升高温度平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,ΔH<0,即b<0。

答案:(1)①0.016 mol·L-1·min-1　②C　③小于　大于　1.638 4 mol2·L-2

(2)①有副反应发生　②<　平衡后,升高温度,甲醚的产率降低

7.研究氮氧化物反应机理,对于控制汽车尾气、保护环境有重要意义。NH3催化还原氮氧化物(SCR)技术是目前应用最广泛的烟气氮氧化物脱除技术。反应的热化学方程式为4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(g)　ΔH=-1 811.63 kJ·mol-1;反应在恒容密闭容器中进行,在其他条件相同时,选用不同的催化剂,反应产生N2的物质的量随时间变化如图1所示。

(1)在催化剂A的作用下,经过相同时间,测得脱氮率随反应温度的变化情况如图2所示,据图可知,在相同的时间内,300 ℃之前,温度升高脱氮率逐渐增大,300 ℃之后温度升高脱氮率逐渐减小(催化剂均未失效),写出300 ℃之后脱氮率减小的原因是 　                       。 

(2)其他条件相同时,请在图2中补充在催化剂B作用下脱氮率随温度变化的曲线。

【解析】(1)由于300 ℃之后反应达平衡,脱氮率决定于平衡的移动,该反应正反应是放热反应,升高温度平衡逆向移动,脱氮率减小,因此300 ℃之后脱氮率减小。

(2)根据图象可知催化剂B的催化效率低于催化剂A,达到平衡的时间长,故在更高的温度下才能达到平衡,由于正反应是放热反应,在较高的温度下的平衡状态中脱氮率较小,到达平衡后脱氮率不再受催化剂影响,则其他条件相同时,在催化剂B作用下脱氮率随温度变化的曲线为

。

答案:(1)300 ℃之后反应达平衡,脱氮率决定于平衡的移动,该反应正反应是放热反应,升高温度平衡逆向移动,脱氮率减小

(2)

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