07专题七 化学反应速率与化学平衡docx.docx
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一、选择题
1.(2019北京石景山区一模,12)资料显示:
自催化作用是指反应产物之一使该反应速率加快的作用。
用稀硫酸酸化的KMnO4进行下列三组实验,一段时间后溶液均褪色(0.01mol·L-1可以记作0.01M)。
实验①
实验②
实验③
1mL0.01M的KMnO4溶液和1mL0.1M的H2C2O4溶液混合
1mL0.01M的KMnO4溶液和1mL0.1M的H2C2O4溶液混合
1mL0.01M的KMnO4溶液和1mL0.1M的H2C2O4溶液混合
褪色
比实验①褪色快
比实验①褪色快
下列说法不正确的是( )
A.实验①中发生氧化还原反应,H2C2O4是还原剂,产物MnSO4能起自催化作用
B.实验②褪色比①快,是因为MnSO4的催化作用加快了反应速率
C.实验③褪色比①快,是因为Cl-的催化作用加快了反应速率
D.若用1mL0.2M的H2C2O4做实验①,推测比实验①褪色快
1.C KMnO4具有强氧化性,H2C2O4具有还原性,二者发生氧化还原反应,H2C2O4被氧化生成CO2,MnO
则被还原生成Mn2+,溶液褪色;对比实验①和②,其他条件相同,实验②中加入MnSO4,溶液褪色更快,说明MnSO4对反应起催化作用,A、B项正确;实验③中加入稀盐酸,Cl-可被MnO
氧化生成Cl2,从而加快了溶液的褪色速率,Cl-并非作催化剂,C项错误;其他条件不变,用1mL0.2M的H2C2O4做实验①,增大反应物浓度,反应速率加快,推测比实验①褪色快,D项正确。
2.(2019北京大兴区一模,11)HI在一定条件下可发生反应2HI(g)⇄H2(g)+I2(g) ΔH,在2L恒容密闭容器中,充入一定量的HI(g),反应物的物质的量(n)随时间(t)变化的数据如下:
根据表中数据,下列说法正确的是( )
A.实验1中,反应在0至10min内,v(HI)=0.02mol·L-1·min-1
B.800℃时,该反应的平衡常数K=0.25
C.根据实验1和实验2可说明:
反应物浓度越大,反应速率越快
D.ΔH<0
2.B 容器容积为2L,在0至10min内,HI的物质的量减少0.20mol,则有v(HI)=
=0.01mol·L-1·min-1,A项错误;实验1在800℃下进行,达到平衡时n(HI)=0.50mol,按“三段式法”计算:
2HI(g)⇄H2(g)+I2(g)
起始浓度/(mol·L-1)0.50 0 0
转化浓度/(mol·L-1)0.250.1250.125
平衡浓度/(mol·L-1)0.250.1250.125
则800℃时,该反应的平衡常数K=
=
=0.25,B项正确;实验1和实验2达到平衡时n(HI)均为0.50mol,反应温度均为800℃,则起始n(HI)相同,a=1.0,实验2反应速率比实验1快,与反应物浓度无关,可能是加入了催化剂等,C项错误;对比实验1和实验3,温度升高,反应达到平衡时n(HI)减小,则反应正向进行的程度增大,则有ΔH>0,D项错误。
3.(2019北京西城区一模,11)在不同条件下进行化学反应2A(g)⇄B(g)+D(g),B、D起始浓度均为0,反应物A的浓度(mol·L-1)随反应时间的变化情况如下表:
下列说法不正确的是( )
A.①中B在0~20min平均反应速率为8.25×10-3mol·L-1·min-1
B.②中K=0.25,可能使用了催化剂
C.③中y=1.4mol·L-1
D.比较①④可知,该反应为吸热反应
3.C ①中在0~20minΔc(A)=0.33mol·L-1,则有v(A)=
=0.0165mol·L-1·min-1,根据化学反应速率与化学计量数的关系可得v(B)=
v(A)=
×0.0165mol·L-1·min-1=8.25×10-3mol·L-1·min-1,A项正确。
①中平衡时c(A)=0.50mol·L-1,平衡常数为K=
=
=0.25;②中K=0.25,与①平衡状态相同,但②达到平衡的时间短,反应速率快,则②可能使用了催化剂,B项正确。
③中温度仍为800℃,平衡常数K=0.25,则有K=
=0.25,解得y=1.2,C项错误。
①和④起始c(A)相同,④的温度高于①,达到平衡时,④中A的转化率高,说明升高温度,平衡正向移动,则该反应为吸热反应,D项正确。
4.(2019北京朝阳区二模,10)乙烯气相直接水合反应制备乙醇:
C2H4(g)+H2O(g)⇄C2H5OH(g)。
乙烯的平衡转化率随温度、压强的变化关系如图[起始时,n(H2O)=n(C2H4)=1mol,容器容积为1L]。
下列分析不正确的是( )
A.乙烯气相直接水合反应的ΔH<0
B.图中压强的大小关系为p1>p2>p3
C.图中a点对应的平衡常数K=
D.达到平衡状态a、b所需要的时间:
a>b
4.B 压强不变时,升高温度,乙烯平衡转化率降低,说明平衡逆向移动,正反应为放热反应,则ΔH<0,A项正确;相同温度下,增大压强,平衡正向移动,乙烯平衡转化率增大,根据题图知,相同温度下不同压强下的转化率:
p1<p2<p3,则压强p1<p2<p3,B项错误;a点乙烯平衡转化率为20%,则消耗的n(C2H4)=1mol×20%=0.2mol,按“三段式法”进行计算:
C2H4(g)+H2O(g)⇄C2H5OH(g)
开始/(mol·L-1) 1 1 0
转化/(mol·L-1) 0.2 0.2 0.2
平衡/(mol·L-1) 0.8 0.8 0.2
则化学平衡常数K=
=
=
,C项正确;温度越高,压强越大,化学反应速率越快,反应达到平衡时间越短,温度、压强均存在:
a<b,则反应速率a<b,所以达到平衡状态a、b所需要的时间:
a>b,D项正确。
5.(2019北京顺义区二模,11)研究表明,在催化剂a(或催化剂b)存在下,CO2和H2能同时发生两个平行反应,反应的热化学方程式如下:
①CO2(g)+3H2(g)⇄CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=-53.7kJ·mol-1
②CO2(g)+H2(g)⇄CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.2kJ·mol-1
某实验小组控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2。
在相同压强下,经过相同反应时间测得的实验数据如下:
实验编号
T/K
催化剂
CO2转化率/%
甲醇选择性/%
1
543
催化剂a
12.3
42.3
2
543
催化剂b
10.9
72.7
3
553
催化剂a
15.3
39.1
4
553
催化剂b
12.0
71.6
【备注】甲醇选择性:
转化的CO2中生成甲醇的百分比。
下列说法不正确的是( )
A.相同温度下,在该时刻催化剂b对CO2转化成CH3OH有较高的选择性
B.其他条件不变,升高温度反应①中CO2转化为CH3OH平衡转化率增大
C.其他条件不变,增大反应体系压强,反应②中平衡常数不变
D.反应①在无催化剂、有催化剂a和有催化剂b三种情况下能量示意图如下:
5.B 对比实验1和2、实验3和4,相同温度下,使用催化剂b时,对CO2转化成CH3OH有较高的选择性,A项正确;对比实验1和3、实验2和4,使用相同催化剂时,升高温度,CO2转化为CH3OH平衡转化率减小,B项错误;平衡常数K只与温度有关,故其他条件不变,增大反应体系压强,反应②中平衡常数不变,C项正确;反应①使用催化剂能降低反应的活化能,相同温度时,催化剂b对CO2转化成CH3OH的选择性强于催化剂a,说明催化剂b存在时,反应的活化能更低,D项正确。
二、非选择题
6.(2019广东深圳第二次调研,28)利用二甲醚(CH3OCH3)重整制取H2,具有无毒、无刺激性等优点。
回答下列问题:
(1)CH3OCH3和O2发生反应Ⅰ:
CH3OCH3(g)+
O2(g)===2CO(g)+3H2(g) ΔH
已知:
CH3OCH3(g)⇄CO(g)+H2(g)+CH4(g) ΔH1
CH4(g)+
O2(g)===CO(g)+2H2O(g) ΔH2
H2(g)+
O2(g)===H2O(g) ΔH3
①则反应Ⅰ的ΔH=__________________(用含ΔH1、ΔH2、ΔH3的代数式表示)。
②保持温度和压强不变,分别按不同进料比通入CH3OCH3和O2,发生反应Ⅰ。
测得平衡时H2的体积百分含量与进料气中
的关系如图(a)所示。
当
>0.6时,H2的体积百分含量快速降低,其主要原因是________(填字母)。
A.过量的O2起稀释作用
B.过量的O2与H2发生副反应生成H2O
C.
>0.6平衡向逆反应方向移动
(2)T℃时,在恒容密闭容器中通入CH3OCH3,发生反应Ⅱ:
CH3OCH3(g)⇄CO(g)+H2(g)+CH4(g),测得容器内初始压强为41.6kPa,反应过程中反应速率v(CH3OCH3)、时间t与CH3OCH3分压p(CH3OCH3)的关系如图(b)所示。
①t=400s时,CH3OCH3的转化率α=__________(保留2位有效数字);反应速率满足v(CH3OCH3)=kpn(CH3OCH3),k=______________s-1;400s时v(CH3OCH3)=______________kPa·s-1。
②达到平衡时,测得体系的总压强p总=121.6kPa,则该反应的平衡常数Kp=____________kPa2(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
③该温度下,要缩短达到平衡所需的时间,除改进催化剂外,还可采取的措施是____________________,其理由是________________________________________________。
6.
(1)①ΔH1+ΔH2-2ΔH3 ②B
(2)①16%(或0.16) 4.4×10-4(或0.00044) 1.65×10-2(或0.0165) ②4×104(或40000) ③增大反应物的压强 提高反应物的压强,化学反应速率加快(合理即可)
【解析】
(1)①将题给三个热化学方程式依次编号为ⅰ、ⅱ、ⅲ,根据盖斯定律,由ⅰ+ⅱ-ⅲ×2可得:
CH3OCH3(g)+
O2(g)===2CO(g)+3H2(g),则有ΔH=ΔH1+ΔH2-2ΔH3。
②反应Ⅰ是CH3OCH3(g)+
O2(g)⇄2CO(g)+3H2(g),由信息可知,过量的O2与H2发生副反应生成H2O,使H2的体积百分含量快速降低,A、C选项不能说明H2的体积百分含量快速降低,故选B。
(2)①设起始时CH3OCH3的物质的量为1mol,400s时CH3OCH3的转化率为α,则有
CH3OCH3(g)⇄CO(g)+H2(g)+CH4(g)
起始量/mol 1 0 0 0
转化量/mol α α α α
400s时量/mol1-α α α α
400s时CH3OCH3气体的物质的量为(1-α)mol。
由题图可知,400s时CH3OCH3气体的压强为35.0kPa。
根据恒温恒容下,气体的压强之比等于其物质的量之比,则有
=
,解得α=0.16=16%。
由题图像可知,当p(CH3OCH3)=10.0kPa时,v(CH3OCH3)=4.4×10-3kPa·s-1;根据反应速率方程:
v(CH3OCH3)=kpn(CH3OCH3),n=1,则k=4.4×10-4s-1;由题图像可知,400s时p(CH3OCH3)=35.0kPa,则v(CH3OCH3)=
=1.65×10-2kPa·s-1。
②设起始时CH3OCH3的物质的量为1mol,CH3OCH3的平衡转化率为α1,则有
CH3OCH3(g)⇄CO(g)+H2(g)+CH4(g)
起始量/mol 1 0 0 0
转化量/mol α1 α1 α1 α1
平衡量/mol1-α1 α1 α1 α1
平衡时气体总物质的量为(2α1+1)mol。
达到平衡时,体系的总压强为121.6kPa。
根据恒温恒容下,气体的压强之比等于其物质的量之比,则有
=
,解得α1=96.15%。
根据“气体的分压=总压×物质的量分数”可知,达到平衡时CH3OCH3(g)、CO(g)、H2(g)、CH4(g)分压分别为1.6kPa、40kPa、40kPa、40kPa,故该反应的平衡常数Kp=
=4×104kPa2。
③除使用催化剂外,提高反应物的压强,可加快化学反应速率。
7.(2019陕西咸阳一模,28)以氧化铝为原料,通过碳热还原法可合成氮化铝(AlN),通过电解法可制取铝。
电解铝时阳极产生的CO2,可通过二氧化碳甲醇化再利用。
请回答:
(1)已知:
2Al2O3(s)===4Al(g)+3O2(g)ΔH1=+3351kJ·mol-1
2C(s)+O2(g)===2CO(g) ΔH2=-221kJ·mol-1
2Al(g)+N2(g)===2AlN(s)ΔH3=-318kJ·mol-1
则碳热还原Al2O3合成氮化铝的总热化学方程式为______________________________。
(2)在常压,Ru/TiO2催化下,CO2和H2混合气体(体积比1∶4,总物质的量amol)进行反应,测得CO2的转化率、CH4和CO的选择性随温度的变化情况分别如图甲和图乙所示(选择性:
转化的CO2中生成CH4或CO的百分比)。
反应Ⅰ:
CO2(g)+4H2(g)⇄CH4(g)+2H2O(g)ΔH1
反应Ⅱ:
CO2(g)+H2(g)⇄CO(g)+H2O(g) ΔH2
①下列说法不正确的是________(填字母)。
A.ΔH1小于0
B.温度可影响产物的选择性
C.CO2的平衡转化率随温度升高先增大后减小
D.其他条件不变,将CO2和H2初始体积比改变为1∶3,可提高CO2的平衡转化率
②350℃时,反应Ⅰ在t1时刻达到平衡,平衡时容器的容积为VL,则该温度下反应Ⅰ的平衡常数K=____________(用含a、V的代数式表示)。
③350℃时,CH4的物质的量随时间的变化曲线如图丙所示。
画出400℃时,0~t1时间段内,CH4的物质的量随时间的变化曲线。
(3)CO2和H2在一定条件下发生反应CO2(g)+3H2(g)⇄CH3OH(g)+H2O(g),平衡常数K=
。
在容积为2L的密闭容器中,充入2molCO2和6molH2,恒温恒容时达到平衡状态。
相同条件下,在另一个2L的密闭容器中充入amolCO2、bmolH2、cmolCH3OH和dmolH2O(g),要使两容器达到相同的平衡状态,且起始时反应逆向进行,则d的取值范围为____________。
(4)研究表明,CO2可以在硫酸溶液中用惰性电极电解生成甲醇,生成甲醇的电极反应式为____________________________。
7.
(1)N2(g)+3C(s)+Al2O3(s)===2AlN(s)+3CO(g) ΔH=+1026kJ·mol-1(合理即可)
(2)①CD ②
③
(3)1<d<2 (4)CO2+6H++6e-===CH3OH+H2O
【解析】
(1)将题给三个热化学方程式依次编号为①②③,根据盖斯定律,由①×
+②×
+③可得:
N2(g)+3C(s)+Al2O3(s)===2AlN(s)+3CO(g),则该反应的ΔH=
ΔH1+
ΔH2+ΔH3=(+3351kJ·mol-1)×
+(-221kJ·mol-1)×
+(-318kJ·mol-1)=+1026kJ·mol-1。
(2)①由题图可知,350℃时CO2的转化率达到最大值,此时达到平衡状态,此后升高温度,CO2的转化率降低,说明升高温度,平衡逆向移动,则有ΔH1<0,A正确。
由选择性—温度图像可知,温度高于400℃后,升高温度,CH4的选择性减小,CO的选择性增大,说明温度影响产物的选择性,B正确。
由于ΔH1<0,升高温度,平衡逆向移动,CO2的转化率降低,C错误。
其他条件不变,将CO2和H2的初始体积比由1∶4变为1∶3,降低了起始混合气体中H2的体积分数,CO2的平衡转化率降低,D错误。
②起始充入0.2amolCO2和0.8amolH2,在350℃时,反应Ⅰ在t1时刻达到平衡,此时α(CO2)=80%,即反应中消耗0.2amol×80%=0.16amolCO2,则有:
CO2(g)+4H2(g)⇄CH4(g)+2H2O
起始量/mol 0.2a 0.8a 0 0
转化量/mol 0.16a0.64a0.16a0.32a
平衡量/mol 0.04a0.16a0.16a0.32a
则该温度下反应Ⅰ的平衡常数K=
=
。
③温度由350℃升高到400℃,化学反应速率加快,达到平衡的时间缩短;升高温度,反应Ⅰ平衡逆向移动,达到平衡时n(CH4)减小,据此画出400℃时n(CH4)随时间的变化曲线。
(3)反应CO2(g)+3H2(g)⇄CH3OH(g)+H2O(g)是前后气体总分子数不相等的反应,恒温恒容时,欲使两容器达到相同的平衡状态,则两容器中起始加入对应物质的物质的量分别相等。
将cmolCH3OH、dmolH2O(g)向左完全转化为CO2和H2,则有c=d,生成dmolCO2和3dmolH2,从而可得:
n(CO2)=amol+dmol=(a+d)mol=2mol,n(H2)=bmol+3dmol=(b+3d)mol=6mol,由于a>0,a+d=2,则有d<2。
容积为2L的密闭容器中充入amolCO2、bmolH2、cmolCH3OH、dmolH2O(g),此时Qc=
,又知b=3a、c=d,则有Qc=
。
欲使起始时反应逆向进行,应满足Qc>K,则有
>
,即d>a2,又知d=2-a,则2-a>a2,解得0<a<1,故d的取值范围为1<d<2。
(4)CO2可以在硫酸溶液中用惰性电极电解生成甲醇,C元素由+4价降低到-2价,则1molCO2得到6mol电子,考虑溶液呈酸性及质量守恒写出电极反应式:
CO2+6H++6e-===CH3OH+H2O。
8.(2019四川南充第三次诊断,28)随着石油资源的日益枯竭,天然气的开发利用越来越受到重视。
CH4/CO2催化重整制备合成气(CO和H2)是温室气体CO2和CH4资源化利用的重要途径之一,并受到了国内外研究人员的高度重视。
回答下列问题:
(1)已知:
①CH4(g)+H2O(g)⇄CO(g)+3H2(g)ΔH1=+205.9kJ·mol-1
②CO(g)+H2O(g)⇄CO2(g)+H2(g)ΔH2=-41.2kJ·mol-1
CH4/CO2催化重整反应为CH4(g)+CO2(g)⇄2CO(g)+2H2(g) ΔH
该催化重整反应的ΔH=__________kJ·mol-1。
要缩短该反应达到平衡的时间并提高H2的产率可采取的措施为________________。
(2)向2L刚性密闭容器中充入2molCH4和2molCO2进行催化重整反应,不同温度下平衡体系中CH4和CO的体积分数(φ)随温度变化如下表所示。
已知b>a>c,则T1____(填“>”“<”或“=”)T2。
T1下该反应的平衡常数K=________(mol2·L-2)。
(3)实验研究表明,载体对催化剂性能起着极为重要的作用,在压强0.03MPa,温度750℃条件下,载体对镍基催化剂性能的影响相关数据如下表:
由上表判断,应选择载体____________(填化学式),理由是________________________。
(4)现有温度相同的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个恒压密闭容器,均充入2molCH4(g)和2molCO2(g)进行反应,三个容器的反应压强分别为p1、p2、p3,在其他条件相同的情况下,反应均进行到tmin时,CO2的体积分数如图所示,此时Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个容器中一定处于化学平衡状态的是____________。
(5)利用合成气为原料合成甲醇,其反应为CO(g)+2H2(g)⇄CH3OH(g),在一定温度下查得该反应的相关数据如下表所示:
①该反应速率的通式为v正=k正cm(CO)·cn(H2)(k正是与温度有关的速率常数)。
由表中数据可确定反应速率的通式中n=____________(取正整数)。
②若该温度下平衡时组别1的产率为25%,则组别1平衡时的v正=________________(保留1位小数)。
8.
(1)+247.1 升高温度
(2)<
(3)MgO 在此条件下合成气产率高(其他合理答案均可)
(4)Ⅲ (5)①1 ②0.2mol·L-1·min-1
【解析】
(1)根据盖斯定律,由①-②可得:
CH4(g)+CO2(g)⇄2CO(g)+2H2(g),则有ΔH=ΔH1-ΔH2=(+205.9kJ·mol-1)-(-41.2kJ·mol-1)=+247.1kJ·mol-1。
要缩短该反应达到平衡的时间并提高H2的产率,应提高反应速率且使平衡正向移动,采取的措施是升高温度。
(2)反应CH4(g)+CO2(g)⇄2CO(g)+2H2(g)的ΔH>0,升高温度,平衡正向移动,CO的体积分数(φ)增大,由于b>a>c,则温度:
T1 利用“三段式法”计算: CH4(g)+CO2(g)⇄2CO(g)+2H2(g) 起始浓度/(mol·L-1) 1 1 0 0 转化浓度/(mol·L-1) x x 2x 2x 平衡浓度/(mol·L-1) 1-x 1-x 2x 2x T1下达到平衡时φ(CH4)=φ(CO)=a,则有 = ,解得x= ,故T1下该反应的平衡常数K= = = 。 (3)对比分析表中数据,载体为MgO时,CH4和CO2的转化率高,尾气中CH4和CO2的含量低,故选用MgO作载体。 (4)温度相同时,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个恒压密闭容器,达到平衡状态时,反应正向进行的程度越大,CO2的体积分数越小,从题图中可以看出三个容器中φ(CO2): Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ,容器Ⅱ中φ(CO2)最小,据此推测容器Ⅲ中反应一定处于平衡状态。 (5)①分别将第1、2组数据代入反应速率通式: (ⅰ)0.361=k正×0.24m×0.48n,(ⅱ)0.720=k正×0.24m×0.96n,由(ⅱ)÷(ⅰ)可得: n≈1。 将第3组数据代入反应速率通式: (ⅲ)0.719=k正×0.48m×0.48n,由(ⅲ)÷(ⅱ)及n≈1可得: m=1。 将m=1、n≈1代入(ⅰ)可得0.361=k正×0.24×0.48,则有k正≈3.13,故反应速率通式为v正=3.13c(CO)·c(H2)。 ②若该温度下平衡时组别1的产率为25%,则平衡时c(CO)=0.18mol·L-1,c(H2)=0.36mol·L-1,故组别1平衡时的v正=3.13c(
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