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第7讲化学反应速率与化学平衡一、选择题(本题包括7个小题,每小题7分,共49分)1.下列食品添加剂中,其使用目的与反应速率有关的是()A.抗氧化剂B.调味剂C.着色剂D.增稠剂答案A解析抗氧化剂属于还原剂,比食品更易与氧气反应,从而降低氧气浓度,减缓食品被氧化的反应速率,A项符合。2.下列有关颜色的变化不能用勒夏特列原理解释的是()A.平衡状态的H2、I2、HI混合气体体积压缩时颜色变深B.平衡状态的NO2和N2O4混合气体体积压缩时颜色先变深后变浅C.平衡状态的NO2、CO、NO、CO2混合气体升温时颜色变深D.向Fe(SCN)3溶液中滴加几滴浓KSCN溶液后颜色变深答案A解析对反应H2(g)+I2(g)2HI(g)而言,改变容器容积不能改变其平衡状态,故A项不能用勒夏特列原理解释。3.大量燃烧化石燃料产生的CO2被视为全球变暖的“元凶”,但在催化剂作用下,用CO2和H2可制备用途广泛的甲醇。已知下列三个热化学方程式:H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)H12H2(g)+CO(g)CH3OH(g)H23H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CH3OH(g)H3三个反应的平衡常数分别为K1、K2、K3,这些平衡常数与温度的关系如表所示:平衡常数温度/K1K2K35001.002.508002.500.15下列说法正确的是()A.反应为吸热反应B.K3(500 )=3.50C.K3(800 )=2.35D.H3=H1+H2答案D解析由表格中平衡常数数据可知K2(500 )K2(800 ),升高温度平衡逆向移动,故反应的正反应为放热反应,A错误。K3=K1K2,故K3(500 )=2.50,K3(800 )=0.375,B、C错误。由盖斯定律可知,+=,D正确。4.一定温度下,在3个容积均为1.0 L的恒容密闭容器中反应2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)达到平衡,下列说法正确的是()容器温度K物质的起始浓度(molL-1)物质的平衡浓度/(molL-1)c(H2)c(CO)c(CH3OH)c(CH3OH)4000.200.1000.0804000.400.200500000.100.025A.该反应的正反应吸热B.达到平衡时,容器中反应物转化率比容器中的大C.达到平衡时,容器中c(H2)大于容器中c(H2)的两倍D.达到平衡时,容器中的正反应速率比容器中的大答案D解析对比容器和可知两者投料量相当,若温度相同,最终建立等效平衡,但温度高,平衡时c(CH3OH)小,说明平衡向逆反应方向移动,即逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,A错误;相对于成比例增加投料量,相当于加压,平衡正向移动,转化率提高,所以中转化率高,B错误;不考虑温度,中投料量是的两倍,相当于加压,平衡正向移动,所以中c(H2)小于中c(H2)的两倍,且的温度比高,相对于,平衡向逆反应方向移动,c(H2)增大,C错误;对比和,温度相同时,两者建立等效平衡,两容器中速率相等,但温度高,速率加快,D正确。5.(2017海南高考,11)已知反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)Hp1,ap2,n=a+bD.图可能是不同温度对反应的影响,且T1T2,Qp1,增大压强,w(W)减小,说明平衡向逆反应方向移动,增大压强时平衡向气体分子数减小的方向进行,故ap2,n=a,C错误;若图是不同温度对反应的影响,则1用的时间短,速率快,温度高,T1T2,升高温度,w(W)增大,平衡向正反应方向移动,也就是向吸热反应方向移动,Q0,D错误。7.一定量的CO2与足量的碳在容积可变的恒压密闭容器中反应:C(s)+CO2(g)2CO(g),平衡时,体系中气体体积分数与温度的关系如图所示。已知:气体分压(p分)=气体总压(p总)体积分数。下列说法正确的是()A.550 时,若充入惰性气体,v(正)、v(逆)均减小,平衡不移动B.650 时,反应达平衡后CO2的转化率为25.0%C.T 时,若充入等体积的CO2和CO,平衡向逆反应方向移动D.925 时,用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp=24.0p总答案B解析因容器容积可变,故充入惰性气体,容积增大,与反应有关的气体浓度减小,平衡正向移动,A错误。设650 反应达平衡时气体总物质的量为100 mol,则有C(s)+CO2(g)2CO(g)平衡/mol6040反应/mol2040故CO2的转化率为2060+20100%=25.0%,B正确。由图像可知T 时,CO和CO2的体积分数相等,故充入等体积的这两种气体,平衡不移动,C错误。Kp=p2(CO)p(CO2)=(0.96p总)20.04p总=23.04p总,D错误。二、非选择题(包括4个小题,共51分)8.(11分)催化还原CO2是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。研究表明,在Cu/ZnO催化剂存在下,CO2和H2可发生两个平行反应,分别生成CH3OH和CO。反应的热化学方程式如下:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)H1=-53.7 kJmol-1CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)H2某实验室控制CO2和H2初始投料比为12.2,在相同压强下,经过相同反应时间测得如下实验数据:T/K催化剂CO2转化率/%甲醇选择性/%543Cat.112.342.3543Cat.210.972.7553Cat.115.339.1553Cat.212.071.6【备注】Cat.1:Cu/ZnO纳米棒;Cat.2:Cu/ZnO纳米片;甲醇选择性:转化的CO2中生成甲醇的百分比已知:CO和H2的燃烧热分别为283.0 kJmol-1和285.8 kJmol-1H2O(l)H2O(g)H3=44.0 kJmol-1请回答(不考虑温度对H的影响):(1)反应的平衡常数表达式K=;反应的H2= kJmol-1。(2)有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有。A.使用催化剂Cat.1B.使用催化剂Cat.2C.降低反应温度D.投料比不变,增加反应物的浓度E.增大CO2和H2的初始投料比(3)表中实验数据表明,在相同温度下不同的催化剂对CO2转化成CH3OH的选择性有显著的影响,其原因是。(4)在图中分别画出反应在无催化剂、有Cat.1和有Cat.2三种情况下“反应过程能量”示意图。答案(1)c(CH3OH)c(H2O)c(CO2)c3(H2)+41.2(2)CD(3)表中数据表明此时反应未达到平衡,不同的催化剂对反应的催化能力不同,因而在该时刻下对甲醇选择性有影响(4)解析(1)因为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),平衡常数K的表达式为K=c(CH3OH)c(H2O)c(CO2)c3(H2);因为CO和H2的燃烧热分别为283.0 kJmol-1和285.8 kJmol-1,可得下列热化学方程式:CO(g)+12O2(g)CO2(g)H=-283.0 kJmol-1H2(g)+12O2(g)H2O(l)H=-285.8 kJmol-1又H2O(g)H2O(l)H=-44.0 kJmol-1根据盖斯定律,由-得:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)H2=+41.2 kJmol-1(2)根据可逆反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),使用催化剂不能使平衡发生移动,即不能提高平衡转化率,A、B错误。该反应为放热反应,降低温度平衡正向移动,平衡转化率提高,C正确。投料比不变,增加反应物浓度,相当于增大压强,平衡正向移动,平衡转化率提高,D正确。增大二氧化碳和氢气的初始投料比,能提高氢气的转化率,但二氧化碳的转化率会降低。(3)从表格数据分析,在相同的温度下,不同的催化剂,其二氧化碳的转化率也不同,说明不同的催化剂的催化能力不同;相同催化剂不同的温度,二氧化碳的转化率不同,且温度高的转化率大,因为正反应为放热反应,说明表中数据是未到平衡数据。故由表中数据表明此时反应未达到平衡,不同的催化剂对反应的催化能力不同,因而在该时刻下对甲醇选择性有影响。(4)催化剂能降低反应的活化能,再结合表中的数据,Cat.2催化效果比Cat.1好,故可得到曲线为9.(2018全国,28)(14分)三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。回答下列问题:(1)SiHCl3在常温常压下为易挥发的无色透明液体,遇潮气时发烟生成(HSiO)2O等,写出该反应的化学方程式。(2)SiHCl3在催化剂作用下发生反应:2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)H1=48 kJmol-13SiH2Cl2(g)SiH4(g)+2SiHCl3(g)H2=-30 kJmol-1则反应4SiHCl3(g)SiH4(g)+3SiCl4(g)的H为 kJmol-1。(3)对于反应2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g),采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂,在323 K和343 K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。343 K时反应的平衡转化率=%。平衡常数K343 K=(保留2位小数)。在343 K下:要提高SiHCl3转化率,可采取的措施是;要缩短反应达到平衡的时间,可采取的措施有、。比较a、b处反应速率大小:vavb(填“大于”“小于”或“等于”)。反应速率v=v正-v逆=k正xSiHCl32-k逆xSiH2Cl2xSiCl4,k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数,x为物质的量分数,计算a处的v正v逆=(保留1位小数)。答案(1)2SiHCl3+3H2O(HSiO)2O+6HCl(2)114(3)220.02及时移去产物改进催化剂提高反应物压强(浓度)大于1.3解析(1)SiHCl3与H2O反应生成(HSiO)2O为非氧化还原反应,由原子守恒配平:2SiHCl3+3H2O(HSiO)2O+6HCl。(2)2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)H1=48 kJmol-13SiH2Cl2(g)SiH4(g)+2SiHCl3(g)H2=-30 kJmol-1根据盖斯定律:3+即可得4SiHCl3(g)SiH4(g)+3SiCl4(g)H=114 kJmol-1。(3)由图根据“先拐先平速率大”可知a曲线温度较高(343 K),平衡转化率为22%;设SiHCl3起始物质的量为1 mol,则有2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)起始物质的量/mol100转化物质的量/mol0.220.110.11平衡物质的量/mol0.780.110.11平衡常数K343 K=0.110.11(0.78)20.02a处反应相当于在b处反应的基础上升高温度,反应速率va大于vb;达平衡时v正、v逆相等,k正xSiHCl32=k逆xSiH2Cl2xSiCl4k正k逆=xSiH2Cl2xSiCl4xSiHCl32=K343 K=0.02a处SiHCl3转化率为20%,设起始时SiHCl3物质的量为1 mol,则有:2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)起始物质的量/mol100转化物质的量/mol0.20.10.1a点物质的量/mol0.80.10.1此时SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.8、0.1、0.1,v正v逆=k正xSiHCl32k逆xSiH2Cl2xSiCl4=0.020.820.10.1=1.281.3。10.(14分)自从德国化学家哈伯研究出合成氨的方法以来,氮的固定的相关研究获得了不断地发展。(1)下表列举了不同温度下大气固氮的部分平衡常数K值。反应大气固氮N2(g)+O2(g)2NO(g)温度/ 272 260K3.8410-311分析数据可知:大气固氮反应属于(填“吸热”或“放热”)反应。2 260 时,向2 L密闭容器中充入0.3 mol N2和0.3 mol O2,20 s时反应达到平衡。则此时得到NO mol,用N2表示的平均反应速率为。(2)已知工业固氮反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H”或“解析(1)由表中数据可以看出,温度越高,化学平衡常数越大,则该反应为吸热反应。由“三段式”进行计算,设达到平衡时,N2转化了x molL-1,则有:N2(g)+O2(g)2NO(g)起始/(molL-1)0.150.150转化/(molL-1)xx2x平衡/(molL-1)0.15-x0.15-x2xK=1=(2x)2(0.15-x)2,解得x=0.05。故平衡时n(NO)=20.05 molL-12 L=0.2 mol。v(N2)=0.05molL-120 s=0.002 5 molL-1s-1。(2)该反应为气体分子数减小的反应,增大压强,平衡正向移动,即压强越大,N2的平衡转化率越大,图A错误,图B正确。该反应为放热反应,温度越高,N2的平衡转化率越小,故T1T2。11.(12分)在容积为1.00 L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应N2O4(g)2NO2(g),随温度升高,混合气体的颜色变深。回答下列问题:(1)反应的H(填“大于”或“小于”)0。(2)100 时达平衡后,改变反应温度为T,c(N2O4)以0.002 0 molL-1s-1的平均速率降低,经10 s后又达到平衡。T(填“大于”或“小于”)100 ,判断理由是。(3)温度T时反应达平衡后,将反应容器的容积减少一半,平衡向(填“正反应”或“逆反应”)方向移动,判断理由是。答案(1)大于(2)大于反应正方向吸热,反应向吸热方向进行,故温度升高(3)逆反应对气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动解析(1)根据题意,温度升高,混合气体颜色变深,说明升温向生成二氧化氮的方向进行,即正反应是吸热反应,焓变大于零。(2)由题意可知,改变温度后c(N2O4)以0.002 0 molL-1s-1的平均速率降低,说明平衡向右进行,正反应是吸热反应,说明是升高温度。(3)温度为T时,反应达平衡后容器的容积减少一半,相当于增加压强,平衡将向气体体积减少的方向移动,即向逆反应方向移动。
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