新教材(广西专版)高考化学一轮复习热点专项练12化学反应速率与化学平衡综合考查含答案

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反应1:2CO2(g)+5H2(g)CH3CHO(g)+3H2O(g) ΔH1=-170 kJ·ml-1
反应2:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH2=-178 kJ·ml-1
回答下列问题:
(1)2CH4(g)+H2O(g)CH3CHO(g)+3H2(g) ΔH= 。
(2)一定温度下,在容积不变的刚性密闭容器中充入一定量CO2和H2,发生反应1。
①下列情况表明该反应达到平衡状态的是 (填字母)。
A.混合气体密度保持不变
B.CO2(g)消耗速率和H2O(g)生成速率之比为2∶3
C.CH3CHO(g)、H2O(g)的浓度之比保持不变
D.混合气体平均摩尔质量保持不变
②达到平衡之后,其他条件不变仅改变下列一个条件,能提高CO2的平衡转化率的是 (填字母)。
A.增大CO2浓度
B.充入惰性气体
C.降低温度
D.加入高效催化剂
(3)已知反应2CO2(g)+5H2(g)CH3CHO(g)+3H2O(g)生成CH3CHO的净反应速率为v(净)=k(正)·c2(CO2)·c5(H2)-k(逆)·c(CH3CHO)·c3(H2O)[k(正)、k(逆)分别表示正、逆反应速率常数,只与温度、催化剂有关,与浓度无关]。该反应的平衡常数K与k(正)、k(逆)的关系为 。k(正)、k(逆)的负对数用pk表示,与温度(T)关系如图1所示。其中代表pk(正)与T关系的直线是 (填字母)。
图1
(4)一定温度下,在刚性密闭容器中充入1 ml CO2(g)和x ml H2(g),仅发生反应1,测得平衡体系中CH3CHO的体积分数(φ)与x关系如图2所示。在e、f、g、h四个点中,CH3CHO产率最大的是 (填字母),f点对应体系中H、O原子个数比接近 。
图2
(5)一定温度下,在刚性密闭容器中充入2 ml CO2和5 ml H2,发生反应1和反应2,达到平衡时测得CH4为0.1 ml,CO2的平衡转化率为45%,总压强为560 kPa。反应1的平衡常数Kp= (只列计算式,不带单位)。
2.氮氧化物(NOx)的排放对环境造成严重污染。回答下列问题:
(1)工业上可利用C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g)反应处理氮氧化物。
已知:N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH1=+180.5 kJ·ml-1,碳的燃烧热ΔH=-393.5 kJ·ml-1,则C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g) ΔH2= kJ·ml-1。
(2)用活性炭还原法处理氮氧化物的有关反应为C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)。向一恒压密闭容器中加入一定量(足量)的活性炭和NO,在t2时刻改变某一条件,其反应过程如图所示。
①则t2时刻改变的条件为 。
②t1时刻的v(逆) (填“>”“<”或“=”)t2时刻的v(正)。
(3)在恒容密闭容器中发生反应2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH<0。下列说法正确的是 (填字母)。
A.及时分离出生成的尿素,有利于NH3的转化率增大
B.反应达到平衡后,混合气体的密度不再发生改变
C.反应在任何温度下都能自发进行
D.当尿素的质量不变时,说明反应达到平衡
3.汽车尾气中的CO、NOx是大气污染物。我国科研工作者经过研究,可以用不同方法处理氮的氧化物﹐防止空气污染。回答下列问题:
(1)已知:N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH1=+180 kJ·ml-1
4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(l) ΔH2=-906 kJ·ml-1
请写出NH3将NO转化成无毒物质的热化学方程式: 。
(2)利用H2还原NO的反应:2H2(g)+2NO(g)N2(g)+2H2O(g)的速率方程为v=k·cα(H2)·cβ(NO),该反应在不同条件下的反应速率如下:
则速率方程中,α= ;β= 。
(3)活性炭处理汽车尾气中NO的方法:C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g) ΔH<0,在恒压密闭容器中加入足量的活性炭和一定量的NO气体,以下能说明该反应一定达到平衡状态的是 (填字母)。
A.v(N2)=v(CO2)
B.容器与外界不发生热交换
C.容器内气体的物质的量不变
D.容器内气体密度不变
(4)科研人员进一步研究了在C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)反应中,活性炭搭载钙、镧氧化物的反应活性对比。在三个反应器中分别加入C、CaO/C、La2O3/C,通入NO使其浓度达到0.1 ml·L-1。不同温度下,测得2小时后NO去除率如图所示:
①据图分析,490 ℃以下反应活化能最小的是 (填“a”“b”或“c”)。
②活性炭搭载CaO条件下,490 ℃时的反应速率v(NO)= ml·L-1·h-1。若某温度下此反应的平衡常数为100,则反应达到平衡时NO的去除率为 (保留两位有效数字)。
4.我国在第75届联合国大会上提出要实现2030年前“碳达峰”、2060年前“碳中和”的目标。因此CO2的捕集、利用与封存成为科学家研究的重要课题。
Ⅰ.研究表明CO2与CH4在催化剂存在下可发生反应制得合成气:CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH。
(1)一定压强下,由最稳定单质生成1 ml化合物的焓变为该物质的摩尔生成焓。已知CO2(g)、CH4(g)、CO(g)的摩尔生成焓分别为-395 kJ·ml-1、
-74.9 kJ·ml-1、-110.4 kJ·ml-1。则上述反应的ΔH= kJ·ml-1。
(2)此反应的活化能Ea(正) (填“>”“=”或“<”)Ea(逆);有利于反应自发进行的条件是 (填“高温”或“低温”)。
(3)一定温度下,向一恒容密闭容器中充入CO2和CH4发生上述反应,初始时CO2和CH4的分压分别为14 kPa、16 kPa,一段时间达到平衡后,测得体系压强是起始时的1.4倍,则该反应的平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
Ⅱ.CO2和H2合成甲烷也是CO2资源化利用的重要方法。对于反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-165 kJ·ml-1,催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂条件下反应相同时间,测得CO2转化率和CH4选择性随温度变化的影响如下图所示。
(4)高于320 ℃后,以Ni-CeO2为催化剂,CO2转化率略有下降,而以Ni为催化剂,CO2转化率却仍在上升,其原因是 。
(5)对比上述两种催化剂的催化性能,工业上应选择的催化剂是 ;使用的合适温度为 。
Ⅲ.以铅酸蓄电池为电源可将CO2转化为乙烯,其原理如下图所示,电解所用电极材料均为惰性电极。
(6)阴极上的电极反应为 ;每生成0.5 ml乙烯,理论上需消耗铅酸蓄电池中 ml硫酸。
参考答案
热点专项练12 化学反应速率与
化学平衡综合考查
1.答案 (1)+186 kJ·ml-1
(2)①D ②C (3)K=k(正)k(逆) c
(4)h 5∶2
(5)560×0.45.6×(560×1.45.6)3(560×1.15.6)2×(560×2.65.6)5
解析 (1)根据盖斯定律,ΔH=ΔH1-2ΔH2=-170 kJ·ml-1-(-178×2) kJ·ml-1=+186 kJ·ml-1。
(2)①容积不变的刚性容器中气体总质量保持不变,则混合气体的密度始终保持不变,即混合气体的密度不变,不能说明反应达到平衡状态,A错误;消耗CO2、生成H2O都是向正反应方向进行,因此CO2消耗速率和水蒸气生成速率之比为2∶3,不能说明反应达到平衡状态,B错误;CH3CHO、H2O都是生成物,物质的量浓度之比始终是1∶3,不能说明反应达到平衡状态,C错误;该反应为物质的量减少的反应,而气体总质量相等,因此平均摩尔质量为变量,当气体平均摩尔质量不变时,说明反应达到平衡状态,D正确。
②增大CO2浓度,二氧化碳转化率减小,A错误;充入惰性气体,平衡不移动,B错误;该反应正反应为放热反应,降低温度,平衡右移,CO2转化率增大,C正确;催化剂无法改变平衡转化率,D错误。
(3)当反应达到平衡状态时,v(正)=v(逆),即k(正)·c2(CO2)·c5(H2)=k(逆)·c(CH3CHO)·c3(H2O),可得c(CH3CHO)×c3(H2O)c2(CO2)×c5(H2)=k(正)k(逆)=K;该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向进行,平衡常数减小,k(正)k(逆)减小,升高温度,k(正)、k(逆)均增大,但k(正)增大的倍数小于k(逆)增大的倍数,pk(正)=-lg k(正)是减小的,且其减小程度比pk(逆)小,c符合。
(4)根据勒夏特列原理,随着氢气的物质的量增大,平衡向正反应方向移动,CO2转化率增大,即CH3CHO产率最大的点为h;f点时CH3CHO的体积分数最大,说明是按照化学方程式中反应物系数之比投料,即f点对应H2的物质的量为2.5 ml,H与O原子个数比为(2.5×2)∶2=5∶2。
(5)CO2的平衡转化率为45%,即消耗CO2的物质的量为2 ml×45%=0.9 ml,平衡时CH4为0.1 ml,根据碳元素守恒n(CH3CHO)=12×(0.9 ml-0.1 ml)=0.4 ml,结合化学方程式中的系数关系,从而求出容器中各气体的物质的量分别为n(CO2)=2 ml-0.9 ml=1.1 ml,n(CH3CHO)=0.4 ml,n(CH4)=0.1 ml,n(H2)=5 ml-5×0.4 ml-4×0.1 ml=2.6 ml,n(H2O)=3×0.4 ml+2×0.1 ml=1.4 ml,气体总物质的量为1.1 ml+0.4 ml+0.1 ml+2.6 ml+1.4 ml=5.6 ml,反应1的平衡常数Kp=p(CH3CHO)×p3(H2O)p2(CO2)×p5(H2)=560×0.45.6×(560×1.45.6)3(560×1.15.6)2×(560×2.65.6)5。
2.答案 (1)-574 (2)①向密闭容器中加入NO ②<
(3)BD
解析 (1)已知:
①N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH1=+180.5 kJ·ml-1
②C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH=-393.5 kJ·ml-1
②-①可得目标化学方程式,则ΔH2=ΔH-ΔH1=-574 kJ·ml-1。
(2)①因为恒压容器中,改变条件的瞬间,逆反应速率减小,但平衡正向移动且达平衡后,逆反应速率与原平衡相同,所以t2时刻改变的条件为向密闭容器中加入NO。
②t1时刻,反应达到平衡,v(正)=v(逆),t2时刻,充入NO,反应物的浓度增大,正反应速率增大,则v(正)(3)因为尿素呈固态,所以及时分离出生成的尿素,对NH3的转化率没有影响,A不正确;因为达平衡前,混合气体的质量减小,但容积不变,所以密度不断减小,当混合气体的密度不再发生改变时,反应达平衡状态,B正确;ΔH<0,ΔS<0,ΔH-TΔS<0时反应自发进行,则低温下反应能自发进行,但高温下反应不能自发进行,C不正确;当尿素的质量不变时,正、逆反应速率相等,反应达平衡状态,D正确。
3.答案 (1)4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(l) ΔH=-1 806 kJ·ml-1
(2)1 2 (3)BD (4)①a ②0.022 5 95%
解析 (1)①N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH1=+180 kJ·ml-1
②4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(l) ΔH2=-906 kJ·ml-1
根据盖斯定律有②-5×①得4NH3(g)+6NO(g)6H2O(l)+5N2(g) ΔH=ΔH2-5ΔH1=-906 kJ·ml-1-5×(+180 kJ·ml-1)=-1 806 kJ·ml-1。
(2)由表中数据可得:①v=k×0.1α×0.1β,②3v=k×0.3α×0.1β,③8v=k×0.2α×0.2β,联立三式可解得α=1,β=2。
(3)v(N2)=v(CO2),未指明是正反应速率还是逆反应速率,不能说明反应一定达到平衡状态,A不符合题意;化学反应伴随着能量变化,当反应未达平衡时,容器与外界存在热交换,因此当容器与外界不发生热交换时,说明反应已达平衡,B符合题意;该反应是气体体积不变的反应,无论反应是否平衡,容器内气体的物质的量均不变,因此容器内气体的物质的量不变,不能说明反应已达平衡,C不符合题意;同温同压下,气体的密度之比等于摩尔质量之比,当容器内气体密度不变时,则M不变,又因为M=mn,则气体质量m也不变,说明反应已达平衡,D符合题意。
(4)①活化能越小,反应越容易发生,反应速率越快,相同条件下NO去除率越大,因此490 ℃以下反应活化能最小的是a。
②活性炭搭载CaO条件下,490 ℃时,2小时后NO的去除率为45%,则NO浓度减小量为0.1 ml·L-1×45%=0.045 ml·L-1,反应速率v(NO)=
0.045ml·L-12 h=0.022 5 ml·L-1·h-1。设达到平衡时NO的去除率为x,则:
C(s)+2NO(g) N2(g) + CO2(g)
起始量/(ml·L-1)0.100
变化量/(ml·L-1)0.1x0.05x0.05x
平衡量/(ml·L-1)0.1-0.1x0.05x0.05x
平衡常数为100,则0.05x×0.05x(0.1-0.1x)2=100,解得x≈95%。
4.答案 (1)+249.1 (2)> 高温 (3)259.2(kPa)2
(4)以Ni-CeO2为催化剂测定转化率时,CO2甲烷化反应已达平衡,升高温度平衡逆向移动,CO2转化率下降;以Ni为催化剂时,CO2甲烷化反应速率较慢,升高温度反应速率增大,反应相同时间时CO2转化率增加
(5)Ni-CeO2 320 ℃
(6)2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O 6
解析 (1)根据摩尔生成焓的定义,推出①C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1=-395 kJ·ml-1,②C(s)+2H2(g)CH4(g) ΔH2=-74.9 kJ·ml-1,③C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH3=-110.4 kJ·ml-1,根据目标反应方程式及盖斯定律可知,③×2-②-①得目标方程式,所以ΔH=[(-110.4)×2-(-74.9)-(-395)] kJ·ml-1=+249.1 kJ·ml-1。
(2)根据第(1)问分析可知,该反应为吸热反应,所以活化能Ea(正)>Ea(逆);根据ΔH-TΔS<0可自发进行,当ΔH>0、ΔS>0时,高温有利于反应自发进行。
(3)根据已知信息,设平衡时转化的二氧化碳的压强为p kPa,则
CO2(g) + CH4(g) 2CO(g) + 2H2(g)
起始/kPa141600
转化/kPapp2p2p
平衡/kPa14-p16-p2p2p
由平衡的p总=(14+16) kPa×1.4=42 kPa可知,[(14-p)+(16-p)+2p+2p] kPa=(30+2p) kPa=42 kPa,则p=6。所以平衡时,p(CO2)=8 kPa,p(CH4)=10 kPa,p(CO)=12 kPa,p(H2)=12 kPa,则平衡常数Kp=p2(CO)·p2(H2)p(CO2)·p(CH4)=(12 kPa)2×(12 kPa)28 kPa×10 kPa=259.2(kPa)2。
(4)高于320 ℃后,以Ni-CeO2为催化剂测定转化率时,CO2甲烷化反应已达平衡,升高温度平衡逆向移动,CO2转化率下降;以Ni为催化剂时,CO2甲烷化反应速率较慢,升高温度反应速率增大,反应相同时间时CO2转化率增加。
(5)根据图像分析可知,温度适宜(320 ℃)时,以Ni-CeO2为催化剂明显比以Ni为催化剂时CO2转化率高,且CH4选择性大,所以应选择Ni-CeO2为催化剂,最佳温度为320 ℃。
(6)以铅酸蓄电池为电源可将CO2转化为乙烯,根据装置图分析,CO2在阴极得到电子转化为乙烯,所以阴极上的电极反应为2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O;铅酸蓄电池放电时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,则根据电子转移数守恒可得到,C2H4~12e-~6Pb~12H2SO4,则每生成0.5 ml乙烯,理论上需消耗铅酸蓄电池中硫酸的物质的量为0.5 ml×12=6 ml。
温度
c(H2)(ml·L-1)
c(NO)(ml·L-1)
反应速率
T1
0.1
0.1
v
T1
0.3
0.1
3v
T1
0.2
0.2
8v