专题15 平衡原理综合应用

专题15 平衡原理综合应用1.(2020,14CH,一般还含有CH4 26(1)乙烷在一定条件可发生如下反应:CH(g)C(1)乙烷在一定条件可发生如下反应:CH(g)CH(g)+H(g)ΔH,相关物质的燃烧热数据如表所示:

26 24 2 1物质 CH(g)CH(g) H(g)26 24 2燃烧热Δ/(kJmol-1)

-1560 -1411 -286①ΔH= kJ·mol-1。1②提高该反应平衡转化率的方法有 、 。③容器中通入等物质的量的乙烷和氢气,在等压下(p)发生上述反应,乙烷的平衡转化率为。反应的平衡常数K= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分p数)。(2)高温下,甲烷生成乙烷的反应如下:2CHCH(2)高温下,甲烷生成乙烷的反应如下:2CHCH+Hr=,其中k为反应速率常数。①设反应开始时的反应速率为r,甲烷的转化率为α时的反应速率为rr=1 2 2r。1②对于处于初期阶段的该反下列说法正确的是 。r增大增加Hr增大2乙烷的生成速率逐渐增大k减小(3)CH和CO都是比较稳定的分子,科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化,其原理4 2如图所示:①阴极上的反应式为 。②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1,则消耗的CH和CO体积比为 。1.(1)①137(2分)②升高温度(1分)减小压强(增大体积)(1分)③×1.(1)①137(2分)②升高温度(1分)减小压强(增大体积)(1分)③×p(2分)②AD(2(3)①CO2

CO+O2-(2分)②6∶5(2分)(i)CH(g)+(i)CH(g)+7O(g)2CO(g)+3HO(l) ΔH=-1560kJ·mol-1、(ii)CH(g)+3O(g)26222242CO(g)+2HO(l)22411kJ·mol-1(iii)H(g)+1O(g)HO(l)ΔH=-286kJ·mol-1,2222222222(i)-(ii)-(iii)得CH(g)2CH(g)+H(g)ΔH=137kJ·mol-1。②由于该反应为吸热反应、且为气体分子数增大的反应,因此可通过升高温度、减小体系压强等提高该反应的平衡转化率。③设起始时CH和H1高该反应的平衡转化率。③设起始时CH和H1mol26 2CH(g)CH(g)+H(g)起始/mol1 0 1转化/molα α α平衡/mol1-α α 1+α平衡时CHC平衡时CHCH和H对应的分压分别为,则该反应的平衡常数 K=(2)①设反应初始时 =amol·L-1,根据初期阶段的速率方程可知r知r=ka,题给反应反应前后气体分子数不变,当CH的转化率为α时,mol·L-1,则此时r则此时r可知,CH的浓度越大,反应速率r,A项正确;增加H浓度,CH的浓度减小或不变,则r减小或不变,B项错误;随着反应的进行,CH的浓度逐渐减小,4 4,Ck,D(3)①结合图示可知CO在阴极上发生还原反应生成CO,即阴极上的反应式为CO+2e-2 2CO+O2-。②设生成CH和CH2mol1mol,则反应中转移电子的物质24 264×2mol+1×2mol=10mol,根据碳原子守恒,可知反应的CH6mol;由COCO4 210mol5molCOCH和CO6∶5。2 4 22.(2020全国卷Ⅰ,14分)硫酸是一种重要的基本化工产品。接触法制硫酸生产中的关键工序SO:SOSO:SO(g)+1O(g)SO(g)kJ·mol-1(a)所示,VO)与SO(g)反应生成VOSO(s)和VO(s)25 2 4 24的热化学方程式为 。SO(g)、O(g)和N(g7.510.5820.5MPa、2 2 22.5MPa5.0MPa,SO平衡转化率α(b5.0MPa、2550℃时的判断的依据是 。影响α的因素有 。2m%SO(g(g)和(g)的气体通入反应器,在温度2 2 2强p条件下进行反应。平衡时,若SO2

转化率为α,则SO3

压强为 ,平衡常数K=p(以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。(4)研究表明,SO催化氧化的反应速率方程为v=2k为反应速率常数,随温度tα为SO2'为某时刻SO(4)研究表明,SO催化氧化的反应速率方程为v=2k为反应速率时,将一系列温度下的α值代入上述速率方程,得到v~t(c)所示。图(c)曲线上v最大值所对应温度称为该下反应的最适宜温度tt<t时,vt>t后,vm m m逐渐下降。原因是 。2.(每空2分)(1)2V2.(每空2分)(1)2VO(s)+2SO(g)2VOSO(s)+VO(s)ΔH=-351kJ·mol-1 (2)0.975α5.0MPa>2.5MPa=p,所以p=5.0MPa温度、压强和反应物的起始浓度(组成)(3)2 1强和反应物的起始浓度(组成)(3)k增大使vα降低使vt<t时,k增大对v的提高大于mαt>t后,k增大对v的提高小于α引起的降低m【解析】本题考查热化学方程式、化学反应速率与化学平衡等知识,考查的化学核心素养是变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知等。(1)根据题图(a)知,VO(s)+SO(g)24 3VO是变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知等。(1)根据题图(a)知,VO(s)+SO(g)24 3VO(s)+SO(g) ΔH=-24kJ·mol-1①,VO(s)+2SO(g) 2VOSO(s) ΔH=-399kJ·mol-1②。根据盖斯定律,由②-①×2得:2VO(s)+2SO(g) 2VOSO(s)+VO(s)25 2 4 24ΔH=(-399+48)kJ·mol-1=-351kJ·mol-1(2反应,其他条件一定时,增大压强,SO2

平衡转化率增大,故p=5.0MPa(b5.0MPa、1550℃时对应的SO平衡转化率为0.975。影响平衡转化率的因素有:温度、压强、反应物的2(3)设通入的SOON100mol2 2 2SO(g)+1O(g)SO(g)+1O(g)SO(g)起始量/mol2mm0转化量/mol2mαmα2mα平衡量/mol2m-2mαm-mα2mα平 衡 时 气 体 的 总 物 质 的 量 为 mol, 则2 2 3=,代入计算得p(SO)=K=。(4kvαt<tm时,k增大对v的提高大于αt>t后,k增大对v的提高小于α引起的降低。m3.(202013.(20201,10分)研究NO之间的转化具有重要意义。x(1:NO(g)2NO(g)将一定量NOT。24 1①下列可以作为反应达到平衡的判据。A.气体的压强不变B.v(NO2v(NOC.K不变D.容器内气体的密度不变E.容器正 24 逆 2内颜色不变1NO242NO1NO242NO(g)的平衡常数K=2p24[对于气相反应,用某组分B的平衡压强p(B)代替Kp衡系统中B的物质的量分数]。③反应温度为TO(时间)变化曲线如图1,画出0~tc(NOt变化曲线。1 24 2 2T(T>T0~tt变化趋势的曲2 2 1 2 2线。(2)NO:2NO(g)+O(g)2NO(g(2)NO:2NO(g)+O(g)2NO(g。Ⅰ2NO(g)2NO(g)ΔH222 1ⅡNO(g)+O(g) 2NO(g)ΔH①决定NO氧化反应速率的步骤是 (填“Ⅰ”或。②在恒容的密闭容器中充入一定量的NO和O气体,保持其他条件不变,控制反应温度分别为2TT(T>T),测得3。3 4 4 3转化相同量的NO,在温度 (填“T”或“T”)下消耗的时间较长,试结合反应过程3 4能 量 图 ( 图 2) 分 析 其 原因。3.(1)①AE(2分)②36p(2分)③(2③(2(2)①Ⅱ(1T(1ΔH<0O4 1 22响大于温度对反应Ⅱ速率的影响(2分)【解析】本题以NOx之间的相互转化为背景考查化学平衡的判断,平衡常数的计算,图像的绘制,反应条件的分析等。(1)①2v

(NOv(NO,B正 24 逆 2错误;反应温度不变,K不变,故恒温下K不变不能作为判断反应达到平衡的依据,C项错误;反应前后全是气体,气体总质量不变,容器体积不变,故容器内气体的密度始终保持不变,气,DAENO的物质24的量为1mol,达到平衡时NO的平衡转化率为75%,则平衡体系中O)=0.2524 24mol,n(NO)=1.5molOmol,n(NO)=1.5molO1,x(NO6K=NO是生成物,根据热NONO24 2T2度升高,平衡正向移动,NO2

的平衡浓度增大,但反应不可能进行到底,平衡时c(NO)小于0.082(2NO3可知,当消耗相同量的NO时,温度为T4

时消耗的时间更长。由题图2可知,反应Ⅰ和Ⅱ均为放热反应,但反应Ⅰ的活化能较低,外界条件变化后能迅速达到平衡,温度升高,反应Ⅰ平衡逆移,OO22 22温度升高的影响。4.(2020全国卷Ⅲ,14分)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO的热点研究领域。回答2下列问题:CO催化加氢生成乙烯和水的反应产物的物质的量之比HO)= 当2 24 2反应达到平衡,若增大压,则H) (填“变大”“变小”或“不变。24理论计算表明,原料初始组成=1∶30.1MPa,反应达到平衡2 2时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。图中表示CH、CO变化的曲线分别是 、 CO催化加氢合成CH反应的24 2 2 24ΔH 0根据图中点A(440K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数K= (MPa)-3(列出计算p式。以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。CHCHCH36 38 48度和压强条件,为了提高反应速率和乙烯选择应当 。4.(每空2分)(1)1∶4变大(2)dc小于(3)9×

0.394×0.39

4×1等(4)选择合43适催化剂等3

4 0.0393

0.396×(0.39)2

0.13【解析】本题考查化学平衡、反应热等知识,考查的化学核心素养是变化观念与平衡思想。(1)由题意知二氧化碳与氢气反应生成乙烯和水,反应的化学方程式为(1)由题意知二氧化碳与氢气反应生成乙烯和水,反应的化学方程式为2CO+6HCHCH+4HO,n(CHO)=1∶42 2 24 2H(2CO和H24 2 21∶3,开始时加入的n(CO)∶n(H)=1∶3,则平衡时n(CO)∶n(H)也应为2 2 2 21∶3,n(CHO1∶4,由题图可知曲线aH变化,曲线bHOc24 2 2 2COdCHCH和HO2 24 24 2小,H和CO的物质的量分数逐渐增加,说明升高温度平衡逆向移动,根据升高温度平衡向吸2 2ΔH小于0。)在440K时,氢气的物质的量分数为0.39,HO0.39,根据平衡时)=1∶3,知CO的物质的量分数2 2 2 2为0.39/3,根据平衡时HO)=1∶4CH的物质的量分数为0.39/4,24 2 24p(H)=0.39×0.1MPa,p(HO)=0.39×0.1MPa,=0.39×p(H)=0.39×0.1MPa,p(HO)=0.39×0.1MPa,=0.39×0.1 MPa,p(CO)=0.39×0.1MPa,KMPa,K=p=0.39×40.394 ×10.13(MPa)-3=9×1(MPa)-3。(4)压强和温度一定,若要提0.396×(0.39)24 0.0393高反应速率和乙烯的选择性,可采用选择合适催化剂等方法。5.(20207,10

C

制C

对资源综合利用有重要意义。相关的ⅠCH(g)ⅠCH(g)CH(g)+H(g)ΔH=136kJ·mol-1262421ⅡCH(g)+CO(g) CH(g)+HO(g)+CO(g)ΔH=177kJ·mol-1

2 26 24262622422ⅢCH(g)+2CO(g) 4CO(g)+3H(g)ΔH26223ⅣCO(g)+H(g) CO(g)+HO(g)ΔH=41kJ·mol-1已知:298K1)。图1可根据相关物质的相对能量计算反应或变化的HO(g) HO(l)ΔH=-286kJ·mol-1-(-242kJ·mol-1)=-44kJ·mol-1。2 2请回答:①根据相关物质的相对能量计算ΔH= kJ·mol-1。3②下列描述正确的是 。升高温度反应Ⅰ的平衡常数增大加压有利于反应Ⅰ、Ⅱ的平衡正向移动CD.恒温恒压下通水蒸气,反应Ⅳ的平衡逆向移动CH(g)+CO26 2→【CH(g)+H(g)+CO(g)】24 2 2→【CH(g)+CO(g)+HO(g210kJ·mol-1)。根据相关24 2物质的相对能量,画出反应Ⅱ分两步进行的“能量-反应过程图”,起点从【CH(g)+CO(g)】26 2-477kJ·mol-12)。图2①COCH1∶1923KX2 26“CO氧化CHCH2 26 2426224催化剂X19.037.63.3催化剂转化率CH/%26224催化剂X19.037.63.3结合具体反应分析,在催化剂X作用下,CO氧化CH的主要产物是 ,判断依据2 26是 。CHCH24 24CH773K9.1%,保持温度和其26他实验条件不变,采用选择性膜技术,乙烷转化率可提高到11.0%。结合具体反应说明乙烷转化率增大的原因是 。5.(1)①430(1分)②AD(2分)③(3分(2)①CO(1分)C2H4的产率低,说明催化剂X有利于提高反应Ⅲ速率(2分)②选择性膜吸附C2H4,促进反应Ⅱ平衡正向移动(1分)(1ΔH3=0+4×(-110kJ·mol-1)-2×(-393kJ·mol-1)-(-84kJ·mol-1)=430kJ·mol-10,A平衡向逆反应方向移动,B项错误;反应Ⅲ的生成物中有CO,而由反应Ⅱ可知,生成乙烯的同时还有CO生成,故反应Ⅲ抑制了反应Ⅱ的进行,即抑制了乙烯的生成,C项错误;水蒸气是反,D,C,D,CH(g)26CH(g)+H(g) ΔH=136kJ·mol-1,而题图2中反应起点对应物质的能量为-477kJ·mol-1-477kJ·mol-1+136kJ·mol-1=-341kJ·mol-1,由第二步反应的活化能为210kJ·mol-1-300kJ·mol-1(2乙烯和CO,CO2物是CO。催化剂X度降低,从而促使反应Ⅱ的平衡向正反应方向移动。6.(2020ft,12CHOHCHOH3 3COH为原料合成CHOH2 2 3223CHOH(g)21Ⅱ.CO(g)+2H(g)ΔH=-90.4kJ·mol-1223CHOH(g)21Ⅱ.CO(g)+2H(g)ΔH=-90.4kJ·mol-12Ⅲ.CO(g)+H2Ⅲ.CO(g)+H(g)32CO(g)+HO(g)ΔH回答下列问题:(1)ΔH= kJ·mol-1。3一定条件下,向体积为VL1molCO和3molH2 2平衡,容器中CHOH(g)为amol,CO为bmol,此时HO(g)的浓度为 mol·L-1(用含、3 2、V的代数式表下),反应Ⅲ的平衡常数为 。不同压强下,按照n(COn(H)=1∶3CO的平衡转化率和CHOH2 2 2 3率随温度的变化关系如图所示。已知:CO的平衡转化率=2已知:CO的平衡转化率=2×100%CHCHOH3×100%

平衡转化率的是图 (填“甲”或“乙压强pp

由大到2 1 2 3小的顺序为 ;图乙中T1

温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是 。为同时提高CO的平衡转化率和CHOH的平衡产,应选择的反应条件为 (填标2 3号)。A.低温、高压 B.高温、低C.低温、低压 D.高温、高6.(1)+40.9(1分)(2)6.(1)+40.9(1分)(2)(2分)(2分)(3)乙(1分)p、pp(2分)T1

时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响(2分)(4)A(2分)衡思想、证据推理与模型认知。(1)分析三个热化学方程式,可应用盖斯定律计算,ΔH=ΔH-ΔH=-49.5kJ·mol-1-(-90.4kJ·mol-1)=+40.9kJ·mol-1(2)由题述三个反应可知,平衡时HO(g可知,平衡时HO(g2CHOH(g)和CO(g)的浓度之和,即HO(g)的浓度为3 2mol·L-1。平衡时CHOH(g)、CO(g)、HO(g)的浓度分别为32,则从开始至平衡,消耗CO(g)的浓度为2,消耗H(g)的浓度为2,即平衡时CO,即平衡时CO(gH(g)的浓度分别为22,则反应Ⅲ的平衡常数为。(3)反应Ⅰ为放热2发生反应Ⅲ,则温度越高,CO2

的平衡转化率越高,即图乙的纵坐标表示的是CO2

的平衡转化率。反应Ⅰ为气体分子数减少的反应,反应Ⅲ为气体分子数不变的反应,因此低温阶段压强越大,COp、p、p2 1 2 3高时,主要发生反应Ⅲ,且反应Ⅲ前后气体分子数相等,故CO的平衡转化率几乎不再受压强2(4CHOH的平衡产率、CO的平衡转化3 2率,且p>p>p,A1 2 37.(2020天津节选,13分)利用太阳能光解水,制备的H用于还原CO合成有机物,可实现资源2 2的再利用。回答下列问题:Ⅰ.半导体光催化剂浸入水或电解质溶液中,光照时可在其表面得到产物图1为该催化剂在水中发生光催化反应的原理示意图。光解水能量转化形式为 。若将该催化剂置于NaSO溶液,产物之一为SO2−,另一产物为 若将该催化剂2 3 4置于AgNO溶液中,产物之一为O,写出生成另一产物的离子反应3 2式 。图1 图2Ⅱ.用H还原CO可以在一定条件下合成CHOH(不考虑副反应)2 2Ⅱ.用H还原CO可以在一定条件下合成CHOH(不考虑副反应)2 2CO(g)+3H(g)3CHOH(g)+HO(g),CO2

和H的起始浓度分别为amol·L-1和3amol·L-1,反应平2衡时,CH3OH的产率为该温度下