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- 2021-05-13 发布
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化学平衡状态的判断
1. “低碳经济”正成为科学家研究的主要课题,为了减少空气中的温室气体,并且充分利用二氧化碳资源,科学家们设想了一系列捕捉和封存二氧化碳的方法。
(1)有科学家提出可利用FeO吸收和利用CO2,相关热化学方程式如下:
6FeO(s)+CO2(g)=2Fe3O4(s)+C(s) ΔH=-76.0 kJ·mol-1
①上述反应中每生成1 mol Fe3O4,转移电子的物质的量为_______mol。
②已知:C(s)+2H2O(g)=CO2(g)+2H2(g) △H=+113.4kJ·mol-1,则反应:3FeO(s)+ H2O(g)= Fe3O4(s)+ H2(g)的△H=__________。
(2)用氨水捕集烟气中的CO2生成铵盐是减少CO2排放的可行措施之一。
①分别用不同pH的吸收剂吸收烟气中的CO2,CO2脱除效率与吸收剂的pH关系如图所示,若烟气中CO2的含量(体积分数)为12%,烟气通入氨水的流量为0.052 m3·h-1(标准状况),用pH为12.81的氨水吸收烟气30min,脱除的CO2的物质的量最多为____________(精确到0.01)。
②通常情况下温度升高,CO2脱除效率提高,但高于40℃时,脱除CO2效率降低的主要原因是______________。
(3)一定条件下,Pd-Mg/SiO2催化剂可使CO2“甲烷化”从而变废为宝,其反应机理如图所示。
①该反应的化学方程式为______________________;反应过程中碳元素的化合价为-2价的中间体是_________________。
②向一容积为2 L的恒容密闭容器中充入一定量的CO2和H2,在300℃时发生上述反应,达到平衡时各物质的浓度分别为CO2:0.2 mol·L-1、H2:0.8 mol·L-1、CH4:0.8 mol·L-1、H2O:1.6 mol·L-1,CO2的平衡转化率为_________________;300℃时上述反应的平衡常数K=___________________。
③已知该反应正反应放热,现有两个相同的恒容绝热(与外界无热量交换)密闭容器Ⅰ、Ⅱ,在Ⅰ中充入1molCO2和4molH2,在Ⅱ中充入1molCH4和2molH2O(g),300℃下开始反应。达到平衡时,下列说法正确的是___________________(填字母)。
A.容器Ⅰ、Ⅱ中正反应速率相同
B.容器Ⅰ、Ⅱ中CH4的物质的量分数相同
C.容器Ⅰ中CO2的物质的量比容器Ⅱ中的多
D.容器Ⅰ中CO2的转化率与容器Ⅱ中CH4的转化率之和小于1
【答案】 2 +18.7kJ·mol-1 0.13mol 碳酸氢铵受热分解生成二氧化碳,氨水受热挥发
CO2+4H2CH4+2H2O MgOCH2 80% 25 CD
2.《巴黎协定》所倡导的是全球绿色、低碳。如何降低大气中CO2的含量及有效地开发利用CO2引起了全世界的普遍重视。为减小和消除CO2对环境的影响,一方面世界各国都在限制其排放量,另一方面科学家加强了对CO2创新利用的研究。二氧化碳的捕集、利用是我国能源领域的一个重要战略方向。
(1)科学家提出由CO2制取C的太阳能工艺如图14 甲所示,总反应的化学方程式为__________。
(2)CO2经催化加氢可合成低碳烯烃,合成乙烯的反应为2CO2(g)+6H2(g)=C2H4(g)+4H2O(g) ΔH。
向1L恒容密闭容器中充入2mol CO2(g)和n mol H2(g),在一定条件下发生该反应。CO2的转化率与温
度、投料比[x=]的关系如图乙所示。
①该反应的ΔH__________0(填“>”、“<”或“=”)。
②为提高CO2的平衡转化率,除改变温度外,还可采取的措施是____________(写1条即可)。
③图中X1_________X2(填“<”“>”.或“=”,下同)。
④若图乙中B点的投料比为2,则500℃时的平衡常数K(B)=_________________。
(3)工业上用CO2生产甲醇燃料,进一步可合成二甲醚。已知:298K和101kPa条件下,
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(l) △H=-akJ•mol-1
2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H=-bkJ•mol-1
CH3OH(g)=CH3OH(l) △H=-ckJ•mol-1
①CH3OH(l)燃烧热的热化学方程式为________________________________。
②合成二甲醚的总反应为2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) △H=-130.8kJ•mol-1。一定条件下,该反应达到平衡状态后,若改变反应的某一个条件,下列变化能说明平衡一定向正反应方向移动的是_____________(填序号)。
a.逆反应速率先增大后减小 b.H2的转化率增大 c.反应物的体积百分含量减小[来源:学&科&网Z&X&X&K]
③在某压强下,合成二甲醚的反应在不同温度、不同投料比时,CO2的平衡转化率如图所示。T1温度下,将6molCO2和12mol H2充入2L的密闭容器中,5min后反应达到平衡状态,则0~5min内的平均反应速率v(CH3OCH3)=____________;KC、KD、KE三者之间的大小关系为___________________。
【答案】 CO2C+O2 < 增大压强或增大c(H2)(或其他合理答案) > 8L3·mol−3 CH3OH(l)+ O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) b 0.18mol/(L·min) KC=KE>KD
3.研究NO2、NO、SO2 、CO等大气污染气体的处理具有重要意义。
(1)已知: CO可将部分氮的氧化物还原为N2。
反应I :2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g) △H=-746kJ.mol-1
反应II :4CO(g)+2NO2(g) N2(g)+4CO2(g) △H=-1200kJ.mol-1
则反应NO2(g)+CO(g) CO2(g)+NO(g)的△H=______kJ/mol。
(2)一定条件下,将NO2与CO以体积比1:2置于密闭容器中发生反应II,下列能说明反应达到平衡状态的是________。
a.体系压强保持不变 b.容器中气体密度保持不变
c.混合气体颜色保持不变 d.每消耗2molNO2的同时生成1molN2
(3)温度为T、容积为10L的恒容密闭容器中,充入1molCO和0.5 mol SO2发生反应:2CO(g)+SO2(g) 2CO2(g)+S(g) 实验测得生成的CO2体积分数(φ) 随着时间的变化曲线如图所示:
①达到平衡状态时,SO2的转化率为__,该温度下反应的平衡常数K=______。
②其它条件保持不变,再向上述平衡体系中充入SO2(g).CO(g)、S(g)、CO2(g)各0.2mol,此时v(正)___v(逆) (填“>”“<”或“=”)。
(4)SCR法是工业上消除氦氧化物的常用方法,反应原理为4NH3(g)+4NO(g)+O2(g) 4N2(g)+6H2O(g) △H<0.在催化剂作用下,NO转化率与温度的关系如图所示:
图中A点处NO的转化率_______(填“可能是”、“一定是 ”或“一定不是”)该温度下的平衡转化率;B点之后,NO转化率降低的原因可能是________。
A.平衡常数变大 B.副反应增多
C.催化剂活性降低 D.反应活化能增大
(5)2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) △H=-198kJ.mol-l 是制备硫酸的重要反应。在VL恒容密闭容器中充入2molSO2和1molO2,在不同条件下进行反应,反应体系总压强随时间的变化如右图所示。a和b平衡时,SO3体积分数较大的是_______; 判断的依据是________。
【答案】 -227 ac 60% 3.375 > 一定不是 BC a b起始压强大于a,说明其温度高于a,而该反应是放热反应,温度升高,平衡逆向移动,SO3体积分数减小
4.碳和氮的化合物在生产、生活中广泛存在。请回答下列问题:
(1)资料显示,可用次氯酸钠处理废水中的氨氮(NH3),使其转化为氮气除去。其主要反应如下
I.NH3(aq)+ HClO(aq)= NH2 Cl(aq)+H2O(1)
II. 2NH2 Cl(aq)+HClO(aq)=N2(g) +H2O(1)+3HCl(aq)
①以上反应中HClO的来源用化学用语解释是__________________________________
②实验测得.废水中pH与氨氮去除率的关系如图所示。pH较高时,氨氮去除率下降的原因是____________________________________
(2)甲酶是重要的化工原料,又可作为燃料,工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇的有关反应的化学方程式及其在不同温度下的化学平衡常数如下表所示。
①下列措施能使反应③的平衡体系中增大的是________(填字母代号)。
A.将H2O(g)从体系中分离出去 B.充人He(g),使体系压强增大
C.升高温度 D.恒容时再充入1mol H2 (g)
②500℃时测得反应③在某时刻H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的浓度分別为0.8mol·L-1、0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.15mol·L-1,则此时v(正) ________ (填“>” “=”或“<”) v (逆)
(3)常温下,在(NH4)2C2O4溶液屮,反应NH4++C2O42-+H2O NH3·H2O+HC2O4ˉ的化学平衡常数K=____________。(已知:常温下,NH3·H2O的电离平衡常数Kb=2×10-5,H2C2O4的电离衡常数Ka1=5×10-2、Ka2=5×10-5)
(4)电解硝酸上业的尾气NO可制备NH4NO3,其工作原理如图所示:
①阴极的电极反应式为____________________________________
②将电解生成的HNO3全部转化为NH4NO3,则通入的NH3与实际参加反应的NO的物质的量之比至少为_________________________________。
【答案】 ClO-+H2OHClO+OH- pH较大时,c(OH-)较大,抑制NaClO水解,c(HClO)较小导致氧化能力弱,氨氮去除率降低 AD > 1×10-5 NO+5e-+6H+=NH4++H2O 1:4
5.汽车尾气中排放的NOx和CO污染环境,在汽车尾气系统中装置催化转化器,可有效降低NOx和CO的排放。
已知:①2CO(g)+O2(g)2CO2(g) ΔH=-akJ/mol
②N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH=+bkJ/mol
③2NO(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH=-ckJ/mol
回答下列问题:
(1)CO的燃烧热为_________。
(2)CO将NO2还原为单质的热化学方程式为_________。
(3)为了模拟反应2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)在催化转化器内的工作情况,控制一定条件,让反应在恒容密闭容器中进行,用传感器测得不同时间NO和CO的浓度如下表:
时间/s
0
1
2
3
4
5
c(NO)/(10-4mol/L)
10.0
4.50
2.50
1.50
1.00
1.00
c(CO)/(10-3mol/L)[来源:1]
3.60
3.05
2.85
2.75
2.70
2.70
①前2s内的平均反应速率v(N2)=_________,此温度下,该反应的平衡常数K=_________。
②能说明上述反应达到平衡状态的是________。
A.2n(CO2)=n(N2) B.混合气体的平均相对分子质量不变
C.气体密度不变 D.容器内气体压强不变
③当NO与CO浓度相等时,体系中NO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
则NO的平衡转化率随温度升高而减小的原因是______________,图中压强(P1、P2、P3)的大小顺序为_____________,理由是____________。
【答案】 (a/2)kJ/mol 2NO2(g)+4CO(g)N2(g)+4CO2(g) ΔH=-(2a+b-c)KJ/mol 1.875×10-4mol·L-1·s-1 5000(或5000L/mol) BD 该反应正反应放热,升高温度,平衡逆向移动,NO的平衡转化率减小 P1>P2>P3 正反应为体积减小的反应,增压平衡正向移动,NO的衡转化率增大
6.Ⅰ.开发新能源,新材料是实现社会可持续发展的需要。下图是LiBH4/MgH2体系放氢的焓变示意图,则Mg(s)+2B(s)==MgB2(s)的ΔH=_________kJ·mol-1。
Ⅱ.在1.0L恒容密闭容器中放入0.10mol A(g),在一定温度时进行如下反应:A(g)==2B(g)+C(g)+D(S) ΔH=+85.1kJ·mol-1。
容器内气体总压强P与起始压强P0的比值随反应时间变化数据见下表:
时间t/min
0
1
2
4
8
16
20
25
P/P0
1.00
1.50
1.80
2.20
2.30
2.38
2.40
2.40
回答下列问题:
(1)下列能提高A的转化率的是______________。
A.升高温度 B.向体系中通入气体A
C. 减少D的物质的量 D.向体系中通入稀有气体
(2)下列说法能表明该反应达到化学平衡状态的是_______________。
A.A、B、C的物质的量之比为1∶2∶1 B.单位时间内生成2n mol B,同时生成n mol C
C.容器中气体的密度不变 D.容器中气体的平均摩尔质量不变
(3)达到平衡状态时A的转化率是________(结果保留两位有效数字)。
(4)相同条件下,若该反应从逆向开始,建立与上述相同的化学平衡,则D的取值范围为n(D)_______ mol。
(5)相同条件下,若将容器改为恒压容器,进行上述反应,某时刻,A的转化率为75%,则此时B的物质的量浓度为______________mol/L。
【答案】 -93 A CD 70% >0.03 0.06
7.碳、氮及其化合物在工农业生产生活中有着重要作用。请回答下列问题:
(1)汽车尾气中的处理NO的方法也可用H2将NO还原为N2。
已知:
H2还原NO生成氮气和水蒸气的热化学方程是_______________________________。
(2)高炉炼铁产生的高炉气中含有CO、H2、CO2等气体,利用CO和H2在催化剂作用下合成甲醇,是减少污染、节约能源的一种新举措,反应原理为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH。在体积不同的两个恒容密闭容器中分别充入1molCO和2mol H2,测得平衡混合物中CH3OH 的体积分数在不同压强下随温度的变化如图。
①上述合成甲醇的反应是__________________(填“吸热”或“放热”)反应,图像中的压强p1、p2的大小关系是_______________,判断的理由是________________________。
②从上图A、B、C三点中选填下表物理量对应最大的点(用“A”、“B”或“C”填写)。
反应速率V
平衡常数K
平衡转化率a
____________
_____________
_____________
③在300℃时,向C点平衡体系中再充入0.25molCO、0.5molH2和0.25molCH3OH。该平衡_________(填“向正反应方向”、“向逆反应方向”或“不”)移动。
(3)有利于提高CO平衡转化率的措施有_________________。
A.使用催化剂 B.投料比不变,增加CO的浓度
C.降低反应温度 D.通入He气体使体系的压强增大
(4)一定温度下,CO的转化率与起始投料比的变化关系如图所示,测得D点氢气的转化率为40%,则x=__________________。
【答案】 2NO(g)+2H2(g)=N2(g)+2H2O(g) △H1= -665 kJ•mol-1 放热 p10。平衡时,体系中气体体积分数与温度的关系如下图所示。
①T℃时,在容器中若充入稀有气体,v(正)___v(逆)(填“>”“<”或“=”);若充入等体积的CO2 和CO,平衡________移动(填“正向”“逆向”或“不”)。
②650℃,CO2 的转化率为_____________。
③已知:气体分压(P分)=气体总压×体积分数。用平衡分压代替平衡浓度表示平衡常数,925℃时,Kp=_____________
(用含P总的代数式表示)。
【答案】 -86.98 K1·K2 低温 AC 否 > 不 25% 23.04P总
9.2019年5月,中国对“可燃冰”试采成功。“可燃冰”是天然气水合物,被称为未来新能源。回答下列问题:
(1)用Cu2Al2O4作催化剂制备乙酸
已知:,各物质相对能量大小如图。
①a=____。
②反应物的活化分子浓度大小:过程I___ 过程Ⅱ(填“大于”、“小于”或“等于”)。
(2)甲烷超干催化重整(DRM)制备CO,在Ni、CaO及Fe3O4的共同催化作用下,可以获得极高浓度的CO,其机理如下:
第①步:Ni基催化
第②步:Fe的还原
第③步:CO2的捕获
第④步:CO2的释放与还原
设计第②步与第③步反应有利于实现氢物种与____的彻底分离,从勒夏特列原理的角度看,这也有利于____;过程①中,当投料比= ___时,才能保持催化剂组成不变。
(3)甲烷催化重整与压强的关系
已知:,现有温度相同的I、Ⅱ、Ⅲ三个恒压密闭容器,均已充入1 mol CH4(g)和1 mol CO2 (g),三个容器的反应压强分别为P1 atm、P2 atm、P3 atm,在其他条件相同的情况下,反应均进行到t min时,CO2)的平衡体积分数φ(CO2)如下左图,此时I、Ⅱ、Ⅲ三个容器中一定处于化学平衡状态的是 ___(填番号);求该温度条件下反应的平衡常数Kp=___ (计算表达式)。【已知:Kp是用分压力代替各物质的浓度计算的平衡常数,任一组分B的分压p(B)等于总压p乘以它的体积分数y(B)】
(4)甲烷用于燃料电池
已知:甲烷电池的工作原理如上有图,则负极反应方程式为 ___;当A极消耗标况下44.8 LCH4时,理论上B极转移电子的物质的量为 ___mol。
【答案】 E2-E1 小于 碳物种 第①步平衡正向移动或提高甲烷的转化率 1/3 Ⅲ
CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O 16
10.二甲醚又称甲醚,简称DME,熔点-141.5℃,沸点-24.9℃,与石油液化气(LPG) 相似,被誉为“21
世纪的清洁燃料”。制备原理如下:
I.由天然气催化制备二甲醚:
①2CH4(g)+O2(g)CH3OCH3(g) +H2O(g) △H1=- 283.6 kJ/mol
II.由合成气制备二甲醚:
②CO(g) +2H2(g)CH3OH(g) △H2=- 90.7 kJ/mol
③2CH3OH (g)CH3OCH3(g) +H2O(g) △H3
回答下列问题:
(1) 反应③中的相关的化学键键能数据如表:
化学键
H—H
C—O
H—O(水)
H—O(醇)
C—H
E/(kJ/mol )
436
343
465
453
413
△H3=_______kJ/mol。
(2) 制备原理I中,在恒温、恒容的密闭容器中合成,将气体按n(CH4): n(O2) =2: 1混合,能正确反映反应①中CH4的体积分数随温度变化的曲线是_______。下列能表明反应①达到化学平衡状态的是________。
a.混合气体的密度不变
b.反应容器中二甲醚的百分含量不变
c.反应物的反应速率与生成物的反应速率之比等于化学计量数之比
d.混合气体的压强不变
(3) 有人模拟制备原理II,在500K时的2L 的密闭容器中充入2mol CO和6mol H2,8min达到平衡,平衡时CO 的转化率为80%,c(CH3OCH3)=0.3mol/L,用H2表示反应②的速率是______;可逆反应③的平衡常数K=_______。若在500K 时,测得容器中n(CH3OH)=n(CH3OCH3),此时反应③v ( 正)______v (逆),说明原因________________。
【答案】 -24kJ/mol b bd 0.2mol/(L·min) 2.25 > 浓度商Q<2.25,反应正向进行,V(正)>v(逆)
11.能源问题是人类社会面临的重大课题,甲醇是未来重要的绿色能源之一。
(1)利用工业废气 CO2 可制取甲醇。 下列两个反应的能量关系如图:
则 CO2与 H2 反应生成 CH3OH 的热化学方程式为_______________________。
(2)CH4 和 H2O(g)通过下列转化也可以制得 CH3OH;
I. CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) △H>0
II. CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H<0
将 1.0 mol CH4和 3.0 mol H2O(g)通入反应室(容积为 100 L)中,在一定条件下发生反应 I, CH4 的转化率与温度、压强的关系如下图所示:
①已知压强 p1, 温度为 100 ℃时反应 I 达到平衡所需的时间为 5 min,则用 H2表示的平均反应速率为______________;
②图中的 p1_______p2(填“<”、 “>”或“=”),判断的理由是________________________。
③若反应 II 在恒容密闭容器进行,下列能判断反应 II 达到平衡状态的是_________(填字母)。
a.CH3OH 的生成速率与消耗 CO 的速率相等
b.混合气体的密度不变
c混合气体的总物质的量不变
d.CH3OH、CO、H2的浓度都不再发生变化
④ 在某温度下,将一定量的CO和 H2投入10 L 的密闭容器中发生反应 II, 5 min 时达到平衡,各物质的物质的浓度(mol·L ﹣1)变化如下表所示:
若 5 min 时只改变了某一条件,则所改变的条件是_____________; 10 min 时测得各物质浓度如上表,此时 v正_______v逆(填“<”、 “>”或“=”)。
【答案】 CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(l) △H=-50kJ/mol 0.003mol/(L·min) < 该反应为反应前后气体分子数增大的反应,温度相同时,增大压强,平衡向左移动,CH4的平衡转化率越小 cd 向容器中充入1molH2 >
12.某温度时,将2molCO与5molH2的混合气体充入容积为2L的密闭容器中,在催化剂的作用下发生反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。
(1)经过5min后,反应达到平衡,此时转移电子6mol。该反应的平衡常数为_______。V(H2)=_____mol/(L·min)。若保持体积不变,再充入2mulCO和1.5mol CH3OH,此时v(正)___ v(逆)(填“>”“<”或“=”)。
(2)在其他条件不变的情况下,再增加2molCO与5molH2,达到新平衡时,CO的转化率____(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)下列不能说明该反应已达到平衡状态的是__________
a.CH3OH 的质量不变 b.混合气体的平均相对分子质量不再改变
c.V逆(CO)=2V正(H2) d.混合气体的密度不再发生改变
(4)在一定压强下,容积为VL的容器充入a molCO与2amolH2,在催化剂作用下反应生成甲醇,平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
则p1_____p2(填“大于”“小于” 或“等于”,下同),△H_____0。该反应在_______( 填“高温” 或“低温” )下能自发进行。
(5)能使该反应的反应速率增大,且平衡向正反应方向移动的是_____。
a.及时分离除CH3OH气体 b.适当升高温度
c.增大H2的浓度 d.选择高效催化剂
(6)下面四个选项是四位学生在学习化学反应速率与化学反应限度以后,联系化工生产实际所发表的看法,你认为不正确的是_______。
a.化学反应速率理论可指导怎样在一定时间内快出产品
b.有效碰撞理论可指导怎样提高原料的转化率
c.勒夏特列原理可指导怎样使用有限原料多出产品
d.正确利用化学反应速率和化学反应限度都可以提高化工生产的综合经济效益
【答案】 3 0.3 > 增大 cd 小于 小于 低温 c b