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- 2021-07-09 发布
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v(逆)时,才使平衡向正反应方向移动。
(3)同等程度地改变反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。
(4)对于缩小体积增大压强,不管是否移动,各成分的浓度均增大,但增大的倍数可能不同也可能相同。
角度2 外界条件对转化率或产率的影响
3.(2017·成都模拟)工业上采取下列方法消除NO2污染:CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-867
kJ/mol,下列说法正确的是( )
A.冷却使水液化可提高NO2的平衡转化率
B.提高反应温度,平衡常数增大
C.缩小容器的体积,逆反应速率增大的程度比正反应速率增大的程度小
D.加入合适的催化剂可提高NO2的平衡转化率
A [选项A,减小生成物浓度,平衡向正反应方向移动,NO2的平衡转化率增大,正确;选项B,升温平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,错误;选项C,缩小容器体积相当于加压,平衡向逆反应方向移动,逆反应速率增大的程度更大,错误;选项D,使用催化剂对平衡的移动无影响,错误。]
4.(2015·全国卷Ⅱ节选)甲醇既是重要的化工原料,又可作为燃料,利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇。发生的主要反应如下:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1<0
②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2
③CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3>0
回答下列问题:
(1)反应①的化学平衡常数K表达式为________;图1中能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线为________(填曲线标记字母),其判断理由是
_____________________________________________________________。
图1
(2)合成气组成n(H2)/n(CO+CO2)=2.60时,体系中的CO平衡转化率(α)与温度和压强的关系如图2所示。α(CO) 值随温度升高而________(填“增大”或“减小”),其原因是
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________;
图2中的压强由大到小为________,其判断理由是
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_____________________________________________________________。
图2
[解析] (1)根据化学平衡常数的书写要求可知,反应①的化学平衡常数为K=c(CH3OH)/[c(CO)·c2(H2)]。
反应①为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,平衡常数K减小,故曲线a符合要求。
(2)由图2可知,压强一定时,CO的平衡转化率随温度的升高而减小,其原因是反应①为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,反应③为吸热反应,温度升高,平衡正向移动,又使产生CO的量增大,而总结果是随温度升高,CO的转化率减小。
反应①的正反应为气体总分子数减小的反应,温度一定时,增大压强,平衡正向移动,CO的平衡转化率增大,而反应③为气体总分子数不变的反应,产生CO的量不受压强的影响,因此增大压强时,CO的转化率提高,故压强p1、p2、p3的关系为p1<p2<p3。
[答案] (1)K=[或Kp=] a 反应①为放热反应,平衡常数数值应随温度升高而变小
(2)减小 升高温度时,反应①为放热反应,平衡向左移动,使得体系中CO的量增大;反应③为吸热反应,平衡向右移动,又使产生CO的量增大;总结果,随温度升高,使CO的转化率降低
p3>p2>p1 相同温度下,由于反应①为气体分子数减小的反应,加压有利于提升CO的转化率;而反应③
为气体分子数不变的反应,产生CO的量不受压强影响。故增大压强时,有利于CO的转化率升高
5.(2016·全国甲卷节选)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料,工业上可用“丙烯氨氧化法”生产,主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题:
(1)以丙烯、氨、氧气为原料,在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下:
①C3H6(g)+NH3(g)+O2(g)===C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515 kJ·mol-1
②C3H6(g)+O2(g)===C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353 kJ·mol-1
有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是__________;提高丙烯腈反应选择性的关键因素是________。
(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时,丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率,判断理由是
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________;
高于460 ℃时,丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选,填字母)。
A.催化剂活性降低 B.平衡常数变大
C.副反应增多 D.反应活化能增大
图(a) 图(b)
(3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。由图可知,最佳n(氨)/n(丙烯)约为________,理由是
_______________________________________________________________
_____________________________________________________________。
进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为________。
[解析] (1)由于反应①
是一个气体分子数增加的放热反应,降温、减压均有利于提高丙烯腈的平衡产率。有机反应中要提高某反应的选择性,关键是选择合适的催化剂。
(2)由于反应①是放热反应,温度降低,平衡右移,丙烯腈的平衡产率应增大,因此图(a)中460 ℃以下的产率不是对应温度下的平衡产率。反应①的平衡常数随温度的升高而变小,反应的活化能不受温度的影响,故当温度高于460 ℃时,丙烯腈的产率降低的可能原因是催化剂活性降低和副反应增多。
(3)由图(b)可知,当n(氨)/n(丙烯)=1时,丙烯腈的产率最高,而丙烯醛的产率已趋近于0,如果n(氨)/n(丙烯)再增大,丙烯腈的产率反而降低,故最佳n(氨)/n(丙烯)约为1。空气中O2的体积分数约为,结合反应①方程式及最佳n(氨)/n(丙烯)约为1可知,进料气氨、空气、丙烯的理论体积比应为1∶∶1=1∶7.5∶1。
[答案] (1)降低温度,降低压强 催化剂
(2)不是 该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低 AC
(3)1 该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低 1∶7.5∶1
平衡移动与转化率的关系
判断转化率的变化时,不要把平衡正向移动与反应物转化率提高等同起来,要视具体情况而定。若有多种反应物,增大某一反应物的浓度,则另外的反应物的转化率增大而自身的减小。
若只有一种反应物时(恒温恒容)
反应实例
反应物的浓度
平衡移动
转化率变化
产物百分含量
2SO3(g)2SO2(g)+O2(g)
增大
正向
减小
减小
2NO2(g)N2O4(g)
增大
正向
增大
增大
2HI(g)I2(g)+H2(g)
增大
正向
不变
不变
角度3 化学反应速率与化学平衡的综合应用
6.(2015·全国卷Ⅰ节选)Bodensteins研究了下列反应:
2HI(g)H2(g)+I2(g)
在716 K时,气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表:
【导学号:37742200】
t/min
0
20
40
60
80
120
x(HI)
1
0.91
0.85
0.815
0.795
0.784
x(HI)
0
0.60
0.73
0.773
0.780
0.784
(1)根据上述实验结果,该反应的平衡常数K的计算式为________。
(2)上述反应中,正反应速率为v正=k正x2(HI),逆反应速率为v逆=k逆x(H2)x(I2),其中k正、k逆为速率常数,则k逆为________(以K和k正表示)。若k正=0.002 7 min-1,在t=40 min时,v正=________min-1。
(3)由上述实验数据计算得到v正~x(HI)和v逆~x(H2)的关系可用下图表示。当升高到某一温度时,反应重新达到平衡,相应的点分别为________(填字母)。
[解析] (1)由表中数据可知,无论是从正反应方向开始,还是从逆反应方向开始,最终x(HI)均为0.784,说明此时已达到了平衡状态。设HI的初始浓度为1 mol·L-1,则: 2HI(g)H2(g)+I2(g)
初始浓度/mol·L-1 1 0 0
0.216 0.108 0.108
0.784 0.108 0.108
K==。
(2)建立平衡时,v正=v逆,即k正x2(HI)=k逆x(H2)·x(I2),k逆=k正。由于该反应前后气体分子数不变,故k逆=k正=k正=。在40
min时,x(HI)=0.85,则v正=0.002 7 min-1×0.852≈1.95×10-3 min-1。
(3)因2HI(g)H2(g)+I2(g) ΔH>0,升高温度,v正、v逆均增大,且平衡向正反应方向移动,HI的物质的量分数减小,H2、I2的物质的量分数增大。因此,反应重新达到平衡后,相应的点分别应为A点和E点。
[答案] (1) (2)k正/K 1.95×10-3 (3)A、E
考点2| “等效平衡”在平衡状态比较中的应用
[基础知识自查]
1.等效平衡的概念
在相同条件下(恒温、恒容或恒温、恒压),同一可逆反应体系,不管是从正反应方向开始,还是从逆反应方向开始,只要按化学方程式中各物质的化学计量数之比投入反应物或生成物,在达到化学平衡状态时,任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)均相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。
2.等效平衡的类型
等效类型
①
②
③
条件
恒温、恒容
恒温、恒容
恒温、恒压
反应的特点
任何可逆反应
反应前后气体分子数相等
任何可逆反应
起始投料
换算为化学方程式同一边物质, 其“量”相同
换算为化学方程式同一边物质,其“量” 符合同一比例
换算为化学方程式同一边物质,其“量”符合同一比例
平衡特点
质量分数(w%)
相同
相同
相同
浓度(c)
相同
成比例
相同(气体)
物质的量(n)
相同
成比例
成比例
[应用体验]
在恒温恒容条件下,可逆反应:2A(g)+B(g)3C(g)+D(g) ΔH=-Q1 kJ·mol-1(Q1>0),起始物质的量如表所示:
A
B
C
D
序号
①
2 mol
1 mol
0
0
②
4 mol
2 mol
0
0
③
1 mol
0.5 mol
1.5 mol
0.5 mol
④
0
1 mol
3 mol
1 mol
⑤
0
0
3 mol
1 mol
(1)上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?
________。
(2)达到平衡后,①放出的热量为Q2 kJ,⑤吸收的热量为Q3 kJ,则Q1、Q2、Q3的定量关系为________________________________________________。
(3)其他条件不变,当D为固体时,上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?________。
(4)将“恒温恒容”改为“恒温恒压”,a.上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?________。b.达平衡后①②放出的热量分别为Q1和Q2,则Q1与Q2的关系________。
[提示] (1)①③⑤ (2)Q2+Q3=Q1
(3)①②③⑤ (4)①②③⑤ Q2=2Q1
[考点多维探究]
角度1 同温同容条件下等效平衡的应用
1.(2017·石家庄模拟)同温度下,体积均为1 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.6 kJ/mol。测得数据如表:
容器编号
起始时各物质的物质的量/mol
达到平衡时体系能量的变化
N2
H2
NH3
①
2
3
0
27.78 kJ
②
1.6
1.8
0.8
Q
下列叙述不正确的是( )
A.容器①、②中反应达平衡时压强相等
B.容器②中反应开始时v(正)>v(逆)
C.容器②中反应达平衡时,吸收的热量Q为9.26 kJ
D.若条件为“绝热恒容”,容器①中反应达平衡时n(NH3)<0.6 mol
B [根据容器①中反应达到平衡时能量的变化可知,该反应中转化的N2为=0.3 mol,因此根据三段式法可得
N2(g)+ 3H2(g)2NH3(g)
起始(mol) 2 3 0
转化(mol) 0.3 0.9 0.6
平衡(mol) 1.7 2.1 0.6
故平衡常数K=≈0.023<≈0.069,因此容器②中反应向逆反应方向进行,v(正)
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