高考化学备考之化学反应的速率与限度压轴突破训练培优 易错 难题篇附答案解析.docx
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高考化学备考之化学反应的速率与限度压轴突破训练培优易错难题篇附答案解析
高考化学备考之化学反应的速率与限度压轴突破训练∶培优易错难题篇附答案解析
一、化学反应的速率与限度练习题(含详细答案解析)
1.某实验小组为确定过氧化氢分解的最佳催化条件,用如图实验装置进行实验,反应物用量和反应停止的时间数据如下:
分析表中数据回答下列问题:
MnO2
时间
H2O2
0.1g
0.3g
0.8g
10mL1.5%
223s
67s
56s
10mL3.0%
308s
109s
98s
10mL4.5%
395s
149s
116s
(1)相同浓度的过氧化氢的分解速率随着二氧化锰用量的增加而________。
(2)从实验效果和“绿色化学”的角度考虑,双氧水的浓度相同时,加入________g的二氧化锰为较佳选择。
(3)该小组的某同学分析上述数据后认为:
“当用相同质量的二氧化锰时,双氧水的浓度越小,所需要的时间就越少,亦即其反应速率越快”的结论,你认为是否正确________,理由是__________________________________。
(4)为加快过氧化氢的分解速率,除了使用MnO2作催化剂和改变过氧化氢的质量分数之外,还可以采取的加快反应速率的措施有_____。
(回答任意两个合理的措施)
【答案】加快0.3不正确H2O2的浓度扩大二倍(从1.5%→3.0%),但反应所需时间比其二倍小的多升高温度;粉碎二氧化锰,增大其表面积。
【解析】
【分析】
由题可知,该实验研究浓度和催化剂对反应速率的影响,通过表中数据可分析得出浓度和催化剂对反应速率的影响规律,因为该实验不是直接测出反应速率,而是测出反应停止的时间,要考虑反应物增多对反应时间的影响。
【详解】
(1)由表格中的数据可知:
相同浓度的H2O2,加入的MnO2越多,反应所用的时间越短,即分解速率越快。
(2)用0.1g催化剂的反应速率明显小于用0.3g和0.8g催化剂的反应速率;用0.8g催化剂和用0.3g催化剂的反应速率及反应时间相差不多,但用0.3g催化剂节约药品。
(3)从表中数据可知,相同体积3.0%的双氧水中的溶质含量是1.5%的双氧水中溶质含量的二倍,但反应的时间却比其反应时间的二倍小得多,由反应速率计算公式可得出,此实验条件下双氧水的浓度越大分解速率越快,由此得出上述结论不正确;
(4)加快反应速率的措施常见的有:
增加反应物浓度、适当升高温度、增加反应物表面积(接触面积)、使用催化剂等。
2.一定温度下,在2L的密闭容器中,X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示:
(1)写出该反应的化学方程式_________________________。
(2)计算反应开始到10s,用X表示的反应速率是___________。
(3)下列叙述中能说明上述反应达到平衡状态的是_________。
a.当X与Y的反应速率之比为1:
1
b.混合气体中X的浓度保持不变
c.X、Y、Z的浓度之比为1:
1:
2
(4)为使该反应的反应速率增大,可采取的措施是_______。
a.适当降低温度b.扩大容器的体积c.充入一定量Z
【答案】X+Y
2Z0.0395mol·L-1·s-1bc
【解析】
【分析】
由图表可知,随反应进行X、Y的物质的量减小,Z的物质的量增大,所以X、Y是反应物,Z是生产物,l0s后X、Y、Z的物质的量为定值,不为0,即10s达到平衡状态,反应是可逆反应,且△n(X):
△n(Y):
△n(Z)=(1.20-0.41)mol:
(1.00-0.21)mol:
1.58mol=1:
1:
2,参加反应的物质的物质的量之比等于化学计量数之比,故反应化学方程式为X(g)+Y(g)⇌2Z(g),然后结合v=
及平衡的特征“等、定”及速率之比等于化学计量数之比来解答。
【详解】
(1)由上述分析可知,该反应的化学方程式为X(g)+Y(g)⇌2Z(g);
(2)反应开始到10s,用X表示的反应速率是
=0.0395mol•(L•s)-1;
(3)a.随着反应的进行,X与Y的反应速率之比始终为1:
1,则不能判断是平衡状态,故a错误;
b.混合气体中X的浓度保持不变,符合平衡特征“定”,为平衡状态,故b正确;
c.X、Y、Z的浓度之比为1:
1:
2,与起始量、转化率有关,不能判断是平衡状态,故c错误;
故答案为b;
(4)a.适当降低温度,反应速率减小,故a错误;
b.扩大容器的体积,浓度减小,反应速率减小,故b错误;
c.充入一定量Z,浓度增大,反应速率加快,故c选;
故答案为c。
【点睛】
注意反应达到平衡状态时,正逆反应速率相等,必须是同一物质的正逆反应速率相等;反应达到平衡状态时,平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化,此类试题中容易发生错误的情况往往有:
平衡时浓度不变,不是表示浓度之间有特定的大小关系;正逆反应速率相等,不表示是数值大小相等;对于密度、相对分子质量等是否不变,要具体情况具体分析等。
3.二氧化氮在火箭燃料中可用作氧化剂,在亚硝基法生严流酸甲可用作催化剂,但直接将二氧化氮排放会造成环境污染。
已知反应CH4(g)+2NO2(g)
N2(g)+CO2(g)+2H2O(g),起始时向体积为V的恒容密闭容器中通人2molCH4和3molNO2,测得CH4.、N2、H2O的物质的量浓度与时间的关系如图所示。
(1)容器体积V=_______L。
(2)图中表示H2O的物质的量浓度与时间关系的是曲线___________.(填“甲”“乙"或"丙")。
(3)0~5min内,用N2表示的化学反应速率为____________________mol·L-1·min-1。
(4)a、b、c三点中达到平衡的点是______。
达到平衡时,NO2的转化率是___________(物质平衡转化=转化的物质的量/起始的物质的量×100%)。
(5)a点时,c(CO2)=__________mol·L-1(保留两位小数),n(CH4):
n(NO2)=_________________。
【答案】2甲0.1c80%或0.80.334:
5
【解析】
【分析】
依据图像,根据反应物、生成物反应前后物质的量变化之比等于物质的量之比确定甲、乙、丙三条曲线分别代表CH4.、N2、H2O中的哪种物质;依据单位时间内浓度的变化,计算出0~5min内,用N2表示的化学反应速率;达到平衡时的判断依据。
【详解】
(1)起始时向体积为V的恒容密闭容器中通人2molCH4和3molNO2,测得CH4.、N2、H2O的物质的量浓度与时间的关系如图所示,CH4是反应物,即起始时的物质的量浓度为1.0mol·L-1,依据c=
,得V=
=
=2L;
(2)由
(1)可知,丙代表CH4,从开始到平衡时,甲代表的物质的物质的量浓度增加量:
1.2mol·L-1,乙代表的物质的物质的量浓度增加量:
0.6mol·L-1,故从开始到平衡时,甲代表的物质的物质的量浓度增加量:
1.2mol·L-1×2L=2.4mol;故从开始到平衡时,乙代表的物质的物质的量浓度增加量:
0.6mol·L-1×2L=1.2mol,根据反应物、生成物反应前后物质的量变化之比等于物质的量之比,故甲代表H2O的物质的量浓度与时间关系,乙代表N2的物质的量浓度与时间关系;
(3)乙代表N2的物质的量浓度与时间关系,0~5min内,N2的物质的量浓度变化量为:
0.5mol·L-1-0=0.5mol·L-1,v(N2)=
=0.1mol·L-1·min-1;
(4)当达到平衡时反应物、生成物的浓度不再随着时间的变化而变化,故a、b、c三点中达到平衡的点是c;达到平衡时,c(N2)=0.6mol·L-1,即从开始平衡,N2的物质的量增加了:
0.6mol·L-1×2L=1.2mol,CH4(g)+2NO2(g)
N2(g)+CO2(g)+2H2O(g),依据方程式中反应物、生成物的物质的量的变化量之比等于化学计量数之比,即从开始到平衡,NO2的物质的量变化量为:
1.2mol×2=2.4mol,故达到平衡时,NO2的转化率是
=80%;
(5)设a点时的浓度为xmol·L-1,CH4(g)+2NO2(g)
N2(g)+CO2(g)+2H2O(g),依据方程式中反应物、生成物的物质的量的变化量之比等于化学计量数之比,(1.0-x):
x=1:
2,x=0.67,
=0.67mol·L-1×2L=1.34mol,
=1:
2:
1:
1:
2,a点时,
=0.67mol,c(CO2)=
=0.33mol·L-1;
=0.67mol,
=1.34mol,故a点时,n(CH4):
n(NO2)=(2mol-0.67mol):
(3mol-1.34mol)=4:
5。
4.新型材料AIN应用前景广泛,对其制备过程的研究成为热点。
(1)将物质的量均为amol的Al2O3与N2充入恒温恒容密闭容器中,控制温度发生反应:
2Al2O3(s)+2N2(g)
4AlN(s)+3O2(g)△H>0。
①下列可作为反应达到平衡的判据是_________(填序号)。
A.固体的质量不再改变
B.2v正(N2)=3v逆(O2)
C.△H不变
D.容器内气体的压强不变
E.N2分子数与O2分子数比为2:
3
②在起始压强为p的反应体系中,平衡时N2的转化率为α,则上述反应的平衡常数Kp__________(对于气相反应,用某组分B的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数,记作Kp,如p(B)=p总·x(B),p总为平衡总压强,x(B)为平衡系统中B的物质的量分数)。
③为促进反应的进行,实际生产中需加入焦炭,其原因是____________。
(2)铝粉与N2在一定温度下可直接生成AlN,加入少量NH4Cl固体可促进反应。
将等质量的A1粉与不同量的NH4Cl混合均匀后置于充N2的密闭容器中,电火花引燃,产品中AlN的质量分数[ω(AlN)]随原料中ω(NH4Cl)的变化如图1所示,燃烧过程中温度随时间变化如图2所示。
则:
①固体混合物中,ω(NH4Cl)的最佳选择是__________。
②结合图2解释当ω(NH4Cl)超过一定值后,ω(AlN)明显减少的原因__________。
(3)AIN粉末会缓慢发生水解反应,粒径为100nm的AlN粉末水解时溶液pH的变化如图3所示。
①AlN粉末水解的化学方程式是______________。
②相同条件下,请在图3中画出粒径为40nm的AlN粉末水解的变化曲线____________。
【答案】AD
p消耗O2、提供能量,均能使平衡向右移动3%NH4Cl分解吸热造成温度降低,不利于Al与N2反应AlN+4H2O
Al(OH)3+NH3•H2O
【解析】
【分析】
(1)①根据反应达到平衡后,正逆反应速率,各成分的浓度不变及由此衍生的其它物理量进行分析;
②平衡时N2的转化率为α,由于反应物中只有N2是气体,所以起始压强p即为起始时N2的分压,列三段式求Kp;
③碳在氧气中燃烧放出热量,焦炭既可以消耗氧气,使生成物浓度降低,又可以提供热量,这两方面的作用都可以使平衡右移;
(2)①根据图像分析,当ω(NH4Cl)=3%时,ω(AlN)最大;
②从图2可以看出,反应过程中温度会降低。
ω(NH4Cl)=3%时的温度比ω(NH4Cl)=1%时的温度降低得更多。
这是因为NH4Cl分解吸热,当ω(NH4Cl)超过一定值后,NH4Cl分解吸热造成温度降低不利于Al与N2反应,导致ω(AlN)明显减少;
(3)①AIN粉末会缓慢发生水解反应,生成Al(OH)3和NH3;
②相同条件下,由于粒径为40nm的AlN粉末和水的接触面积更大,所以其水解速率大于粒径为100nm的AlN粉末的水解速率,由于固体不影响平衡,所以最终溶液的pH是相同。
【详解】
(1)①A.消耗2molAl2O3会生成4molAlN,固体质量减少,当固体的质量不再改变时,反应达到了平衡状态;
B.当3v正(N2)=2v逆(O2)时,正逆反应速率相等,反应达到了平衡状态,但2v正(N2)=3v逆(O2)表示的正逆反应速率不相等,不是平衡状态;
C.△H取决于反应物和生成物的总能量的相对大小,和是否平衡无关;
D.在恒温恒容条件下,容器内的压强和气体的物质的量成正比。
该反应是反应前后气体分子数不相等的反应,在平衡建立过程中,气体总物质的量一直在改变,只有达到平衡时,气体总物质的量才不再不变,即容器内压强才不变,所以当容器内气体的压强不变时,反应达到了平衡状态;
E.N2分子数与O2分子数之比和起始投料以及转化率有关,当N2分子数与O2分子数比为2:
3时,反应不一定是平衡状态;
故选AD。
②反应2Al2O3(s)+2N2(g)
4AlN(s)+3O2(g),在起始时加入的是等物质的量的Al2O3与N2,由于反应物中只有N2是气体,所以起始压强p即为起始时N2的分压,列三段式求Kp,已知平衡时N2的转化率为α,则
Kp=
=
p。
③为促进反应的进行,实际生产中需加入焦炭,焦炭和氧气反应,放出热量。
焦炭既可以消耗氧气,使生成物浓度降低,又可以提供热量,这两方面的作用都可以使平衡右移,从而促进反应的进行。
(2)①从图1可以看出,当ω(NH4Cl)=3%时,ω(AlN)最大,所以最佳选择是ω(NH4Cl)=3%。
②从图2可以看出,反应过程中温度会降低。
ω(NH4Cl)=3%时的温度比ω(NH4Cl)=1%时的温度降低得更多。
这是因为NH4Cl分解吸热,当ω(NH4Cl)超过一定值后,NH4Cl分解吸热造成温度降低不利于Al与N2反应,导致ω(AlN)明显减少
(3)①AIN粉末会缓慢发生水解反应,生成Al(OH)3和NH3,AlN粉末水解的化学方程式是AlN+4H2O
Al(OH)3+NH3•H2O。
②相同条件下,由于粒径为40nm的AlN粉末和水的接触面积更大,所以其水解速率大于粒径为100nm的AlN粉末的水解速率,由于固体不影响平衡,所以最终溶液的pH是相同的。
粒径为40nm的AlN粉末水解的变化曲线为
。
5.现代工业的发展导致CO2的大量排放,对环境造成的影响日益严重,通过各国科技工作者的努力,已经开发出许多将CO2回收利用的技术,其中催化转化法最具应用价值。
回答下列问题:
(1)在催化转化法回收利用CO2的过程中,可能涉及以下化学反应:
①CO2(g)+2H2O
(1)
CH3OH
(1)+
O2(g)△H=+727kJ·mol-1△G=+703kJ·mol-1
②CO2(g)+2H2O
(1)
CH4(g)+2O2(g)△H=+890kJ·mol-1△G=+818kJ·mol-1
③CO2(g)+3H2(g)
CH3OH
(1)+H2O
(1)△H=-131kJ·mol-1△G=-9.35kJ·mol-1
④CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O
(1)△H=-253kJ·mol-1△G=-130kJ·mol-1
从化学平衡的角度来看,上述化学反应中反应进行程度最小的是____,反应进行程度最大的是_____。
(2)反应CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)称为Sabatier反应,可用于载人航空航天工业。
我国化学工作者对该反应的催化剂及催化效率进行了深入的研究。
①在载人航天器中利用Sabatier反应实现回收CO2再生O2,其反应过程如图所示,这种方法再生O2的最大缺点是需要不断补充_________(填化学式)。
②在1.5MPa,气体流速为20mL·min-l时研究温度对催化剂催化性能的影响,得到CO2的转化率(%)如下:
分析上表数据可知:
_____(填化学式)的催化性能更好。
③调整气体流速,研究其对某一催化剂催化效率的影响,得到CO2的转化率(%)如下:
分析上表数据可知:
相同温度时,随着气体流速增加,CO2的转化率____(填“增大”或“减小”),其可能的原因是_________________________________。
④在上述实验条件中,Sabatier反应最可能达到化学平衡状态的温度是____,已知初始反应气体中V(H2):
V(CO2)=4:
l,估算该温度下的平衡常数为___________(列出计算表达式)。
(3)通过改变催化剂可以改变CO2与H2反应催化转化的产物,如利用Co/C作为催化剂,反应后可以得到含有少量甲酸的甲醇。
为了研究催化剂的稳定性,将Co/C催化剂循环使用,相同条件下,随着循环使用次数的增加,甲醇的产量如图所示,试推测甲醇产量变化的原因_________________________________。
(已知Co的性质与Fe相似)
【答案】②④H2Co4N/Al2O3减小气流流速加快,导致反应物与催化剂接触时间不够360℃
反应产生的甲酸腐蚀催化剂,使催化剂活性降低
【解析】
【分析】
(1)在温度、压强一定的条件下,反应总是向△G<0的方向进行,由此判断。
(2)①分析反应过程图,CO2、O2、H2O属于循环过程中始终在循环过程中的,而H2属于循环过程中加入的,由此可知正确答案;
②分析表中数据,在相同温度下,对比不同催化剂时CO2的转化率可选择出催化性能更好的催化剂;
③分析表中数据,在温度不变的情况下,气流速度增大,CO2的转化率逐渐降低,据此分析原因;
④分析表中数据,大部分数据显示,在气流速度不变的情况下,CO2的转化率随着温度的增大而逐渐增大,但增大的幅度在逐渐减小,故在上述实验条件中,Sabatier反应最可能达到化学平衡状态的温度是360℃,根据此时CO2的转化率,计算该温度下的平衡常数;
(3)由图可知,随着Co/C催化剂循环次数的增多,甲醇的产量逐渐降低,说明该催化剂在循环过程中受到一定程度的影响,结合产物的性质进行分析;
【详解】
(1)分析四个反应,根据在温度、压强一定的条件下,反应总是向△G<0的方向进行,反应的△G越小反应进行程度越大,反之反应进行的程度就越小,故上述化学反应中反应进行程度最小的是②,反应进行程度最大的是④。
答案为:
②;④;
(2)①分析循环图,只有H2需不断补充,答案为:
H2;
②对比表中的数据,在相同温度下,催化剂为Co4N/Al2O3时,CO2的转化率更大,答案为:
Co4N/Al2O3;
③分析表中数据,温度不变时,随着气体流速的逐渐增大,CO2的转化率逐渐减小,可能是气体流速过快,来不及和催化剂充分接触,导致CO2的转化率减小。
答案为:
减小;气流流速加快,导致反应物与催化剂接触时间不够;
④分析表中数据,大部分数据表明,在320℃至360℃时,气体流速不变的情况下,CO2的转化率的增大幅度在逐渐减小,由此可知Sabatier反应最可能达到化学平衡状态的温度是360℃,结合题中所给信息,选择气体流速为10mL·min-1时CO2的转化率进行计算。
已知初始反应气体中V(H2):
V(CO2)=4:
l,根据在密闭容器里,全部由气体参与的反应中,压强、温度不变时,气体的体积比等于物质的量之比,可知V(H2):
V(CO2)=n(H2):
n(CO2)=4:
l,设初始气体中H2的物质的量为4mol,CO2的物质的量为1mol,则有:
在密闭容器中,全部由气体参与的反应中,平衡时气体的物质的量之比=气体物质的量浓度之比,可知该温度下,该反应的平衡常数K=
。
答案为:
360℃;
;
(3)根据题中催化剂循环次数和甲醇产量的关系:
催化剂的循环次数越多,甲醇的产量逐渐降低,说明催化剂一定程度受到了其他物质的影响,结合题给信息:
用Co/C作为催化剂,反应后可以得到含有少量甲酸的甲醇。
又已知Co的性质与Fe相似,说明甲酸可与催化剂中的Co进行反应,故催化剂的活性降低,进而影响甲醇的产量,答案为:
反应产生的甲酸腐蚀催化剂,使催化剂活性降低。
6.在一固定容积的密闭容器中进行着如下反应:
CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g),其平衡常数K和温度t的关系:
t℃
700
800
850
1000
1200
K
2.6
1.7
1.0
0.9
0.6
(1)K的表达式为:
_________;
(2)该反应的正反应为_________反应(“吸热”或“放热”);
(3)下列选项中可作为该反应在850℃时已经达到化学平衡状态的标志的是:
_________。
A.容器中压强不再变化B.混合气体中CO浓度不再变化
C.混合气体的密度不再变化D.c(CO2)=c(CO)=c(H2)=c(H2O)
(4)当温度为850℃,某时刻测得该温度下的密闭容器中各物质的物质的量见表:
CO
H2O
CO2
H2
0.5mol
8.5mol
2.0mol
2.0mol
此时上述的反应中正、逆反应速率的关系式是_________(填代号)。
A.v(正)>v(逆)B.v(正)<v(逆)C.v(正)=v(逆)D.无法判断
(5)在700℃通过压缩体积增大气体压强,则该反应中H2(g)的转化率_________(“增大”、“减小”或“不变”);工业生产中,通过此方法使容器内气体压强增大以加快反应,却意外发现H2(g)的转化率也显著提高,请你从平衡原理解释其可能原因是__________________________________________。
Ⅱ.设在容积可变的密闭容器中充入10molN2(g)和10molH2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的体积分数为0.25。
(6)求该条件下反应N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)的平衡常数__________。
(设该条件下,每1mol气体所占的体积为VL)上述反应的平衡时,再充入10mol的N2,根据计算,平衡应向什么方向移动?
[需按格式写计算过程,否则答案对也不给分]__________。
【答案】
放热B、DB不变压强增大使水蒸气液化,平衡向右移动8V2(mol·L-1)-2平衡向逆反应方向移动
【解析】
【分析】
根据平衡常数随温度的变化规律分析反应的热效应,根据化学平衡状态的特征分析达到化学平衡状态的标志,根据平衡移动原理分析化学平衡影响化学平衡移动的因素,根据浓度商与平衡常数的关系分析平衡移动的方向。
【详解】
(1)根据化学平衡常数的定义,可以写出该反应的K的表达式为
;
(2)由表中数据可知,该反应的平衡常数随着温度的升高而减小,说明升高温度后化学平衡向逆反应方向移动,故该反应的正反应为放热反应;
(3)A.该反应在建立化学平衡的过程中,气体的分子数不发生变化,故容器内的压强也保持不变,因此,无法根据容器中压强不再变化判断该反应是否达到平衡;
B.混合气体中CO浓度不再变化,说明正反应速率等于逆反应速率,该反应达到化学平衡状态;
C.由于容器的体积和混合气体的质量在反应过程中均保持不变,故混合气体的密度一直保持不变,因此,无法根据混合气体的密度不再变化判断该反应是否到达化学平衡状态;
D.由表中数据可知,该反应在850℃时K=1,当c(CO2)=c(CO)=c(H2)=c(H2O)时,
=1=K,
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