第一部分专题十三 化学平衡.docx

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第一部分专题十三化学平衡

[限时规范训练]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　单独成册

1．（2019·山东青岛模拟节选）某温度下，N2O5气体在一体积固定的容器中发生如下反应：

2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）（慢反应）　ΔH<0,2NO2（g）N2O4（g）（快反应）　ΔH<0，体系的总压强p总和pO2随时间的变化如下图所示：

①上图中表示O2压强变化的曲线是________（填“甲”或“乙”）。

②已知N2O5分解的反应速率v＝0.12pN2O5（kPa·h－1），t＝10h时，pN2O5＝________kPa，v＝________kPa·h－1（结果保留两位小数，下同）。

③该温度下2NO2N2O4反应的平衡常数Kp＝________kPa－1（Kp为以分压表示的平衡常数）。

解析：

①根据反应分析，随着反应的进行氧气的压强从0开始逐渐增大，所以乙为氧气的压强曲线；

②t＝10h时，pO2＝12.8kPa,2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）分析，反应的五氧化二氮的分压为25.6kPa，起始压强为53.8kPa，所以10h时pN2O5＝53.8－25.6＝28.2kPa，N2O5分解的反应速率v＝0.12pN2O5（kPa·h－1）＝0.12×28.2＝3.38kPa·h－1；

③2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）

53．8　　　　107.6　　26.9

　　　　2NO2　　N2O4

起始分压　　107.6　　　　O

改变分压　　2x　　　　x

平衡分压　　107.6－2xx

有107.6－2x＋x＋26.9＝94.7，解得x＝39.8kPa，平衡常数＝

＝0.05kPa－1。

答案：

①乙　②28.2　3.38　③0.05

2．（2019·河南郑州模拟节选）

（1）汽车尾气中的NO和CO可在催化剂作用下生成无污染的气体而除去。

在密闭容器中充入10molCO和8molNO发生反应，测得平衡时NO的体积分数与温度、压强的关系如下图：

①已知T2>T1，则反应2NO（g）＋2CO（g）

N2（g）＋2CO2（g），ΔH________0（填“>”“＝”或“<”）。

②该反应达到平衡后，为同时提高反应速率和NO的转化率，可采取的措施有________（填字母序号）

a．改用高效催化剂　　　B．缩小容器的体积

c．增加CO的浓度D．升高温度

③压强为10MPa、温度为T1下，若反应进行到20min达到平衡状态，此时容器的体积为4L，则用N2的浓度变化表示的平均反应速率v（N2）＝________，该温度下用分压表示的平衡常数Kp＝________MPa－1（分压＝总压×物质的量分数）。

④在D点，对反应容器升温的同时扩大体积至体系压强减小，重新达到的平衡状态可能是图中A～G点中________点。

（2）在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2，将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体匀速通入装有催化剂M的反应器中反应，反应相同时间，NOx的去除率随反应温度的变化曲线如图所示。

①在50℃～150℃范围内随温度升高，NOx的去除率迅速上升的原因是_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

②当反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_____________________________________________________________________

___________________________________________________________________。

解析：

（1）①已知T2>T1，由图示可知反应2NO（g）＋2CO（g）

N2（g）＋2CO2（g），升高温度后，平衡后NO的体积分数增大，说明升高温度，平衡逆向移动，逆反应方向为吸热反应，则ΔH<0；

②2CO（g）＋2NO（g）N2（g）＋2CO2（g）　ΔH<0；

a．改用高效催化剂加快反应速率，平衡不变，转化率不变，故a错误；

b．缩小容器的体积，体系内压强增大，反应速率增大，平衡正向进行，NO的转化率增大，故b正确：

c．增加CO的浓度反应速率增大，平衡正向进行，NO的转化率增大，故c正确；

d．升高温度反应速率增大，反应为放热反应，升温平衡逆向进行，NO的转化率减小，故d错误；故选bc；

③在密闭容器中充入10molCO和8molNO，发生反应，压强为10MPa、温度为T1，若反应进行到20min达到平衡状态，NO体积分数为25%，结合三行计算列式计算，设反应生成氮气物质的量为x，

　　　2CO（g）＋2NO（g）N2（g）＋2CO2（g）

起始量（mol）　10　　　8　　　　0　　　0

变化量（mol）　2x　2x　x　2x

平衡量（mol）　10－2x　8－2x　x　2x

（8－2x）/（10－2x＋8－2x＋x＋2x）×100%＝25%，x＝2mol，v（N2）＝Δc/Δt＝2mol/（4L×20min）＝0.025mol·L－1·min－1；

平衡气体总物质的量＝16mol，该温度下平衡常数Kp＝

＝0.089（MPa）－1；

④若在D点升温的同时扩大体积至体系压强减小，则平衡会正向移动，NO的体积分数增大，重新达到的平衡状态可能是图中A点；

（2）在一定温度范围内催化剂活性较大，超过其温度范围，催化剂活性降低，根据图知，

①催化剂活性随温度升高而增大，使NOx去除反应速率迅速增大；温度升高，反应速率加快。

②在一定温度范围内催化剂活性较大，超过其温度范围，催化剂活性下降；（或在温度、催化剂条件下，氨气能被催化氧化生成NO），即：

当反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是催化剂活性下降（或NH3与O2反应生成了NO）。

答案：

（1）①<　②bc　③0.025mol·L－1·min－1　4/45（或0.089）　④A

（2）①催化剂活性随温度升高而增大，使NOx去除反应速率迅速增大；温度升高，反应速率加快

②催化剂活性下降（或NH3与O2反应生成了NO）

3．（2019·河北石家庄模拟）甲烷是一种重要的化工原料和清洁能源，研究其再生及合理利用有重要意义。

请回答：

（1）已知一定条件下发生如下反应：

CO2（g）＋2H2O（g）CH4（g）＋2O2（g）　ΔH＝＋802kJ·mol－1。

将一定量的CO2（g）和H2O（g）充入10L密闭容器中，分别在催化剂M、N的作用下发生上述反应，CH4（g）的产量（n）与光照时间（t）和温度（T）变化的关系如图1所示。

①若甲烷的燃烧热（ΔH）为－890kJ·mol－1，则水的汽化热ΔH＝________。

（汽化热指1mol液体转化为气体时吸收的热量）

②T1℃、催化剂M作用下，0～20h内该反应速率v（H2O）＝________。

③根据图1判断，T1________T2（填“>”“<”或“＝”），理由为_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

催化剂的催化效果：

M________N（填“强于”或“弱于”）。

（2）甲烷可用于制备合成气：

CH4（g）＋H2O（g）CO（g）＋3H2（g）　ΔH。

将CH4（g）和H2O（g）以物质的量之比为1∶3充入盛有催化剂的刚性容器中发生该反应。

相同时间段内测得CO的体积分数（φ）与温度（T）的关系如图2所示。

①T0℃时，CO的体积分数最大的原因为_______________________。

②若T0℃时，容器内起始压强为p0，CO的平衡体积分数为10%，则反应的平衡常数Kp＝________（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数）。

解析：

（1）①已知：

CO2（g）＋2H2O（g）CH4（g）＋2O2（g）　ΔH＝＋802kJ·mol－1　a，甲烷的燃烧热为ΔH＝－890kJ·mol－1，则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为CH4（g）＋2O2（g）===CO2（g）＋2H2O（l）　ΔH＝－890kJ·mol－1　b，根据盖斯定律，－

（a＋b）可得：

H2O（l）===H2O（g）　ΔH＝－

[＋802kJ·mol－1＋（－890kJ·mol－1）]＝＋44kJ·mol－1；

②根据图像可知，T1℃、催化剂M作用下，0～20h内水的物质的量变化为0.6mol，则v（CH4）＝0.003mol·L－1·h－1，所以v（H2O）＝2v（CH4）＝0.006mol·L－1·h－1；

③该反应为吸热反应，温度升高，CH4的产量增大，根据图像可知，温度为T1条件下，平衡时甲烷的物质的量较大，则T1>T2；已知温度T1>T2，若不使用催化剂，应该在温度T1条件下优先达到平衡状态，根据图像可知，使用催化剂N的曲线优先达到平衡状态，说明催化剂的催化效果：

M弱于N；

（2）①在温度低于T0℃时，相同时间段内温度越高反应速率越快，则CO的体积分数越大；在温度为T0℃时，反应达到平衡，由于该反应为放热反应，温度越高CO的体积分数越小，所以T0℃时CO的体积分数最大；

②CH4（g）和H2O（g）的物质的量之比为1∶3，设CH4为xmol，H2O为3xmol，平衡时生成的CO为ymol，CO的平衡体积分数为10%。

　　　CH4（g）＋H2O（g）CO（g）＋3H2（g）

初始（mol）　　x　　　3x　　　　0　　　　0

转化（mol）y　y　y　3y

平衡（mol）x－y3x－yy3y

则：

×100%＝10%，解得：

y＝0.5x，平衡时混合气体的总物质的量为：

x－0.5x＋3x－0.5x＋0.5x＋0.5x×3＝5x，反应前总物质的量为4xmol，容器容积相同时，气体的压强与物质的量成正比，T0℃时，容器内起始压强为p0，则平衡时压强为：

p0×

＝1.25p0，平衡时p（CH4）＝

×1.25p0＝

p0，p（H2O）＝

×1.25p0＝

p0，p（CO）＝

×1.25p0＝

p0，p（CH4）＝

×1.25p0＝

p0，反应的平衡常数Kp＝

＝

。

答案：

（1）①＋44kJ·mol－1　②0.006mol·L－1·h－1　③>　该反应为吸热反应，温度升高，CH4的产量增大　弱于　

（2）①低于T0℃时，相同时间段内温度越高反应速率越快，CO的体积分数越大；高于T0℃时，反应达到平衡，该反应为放热反应，温度越高CO的体积分数越小　②

4．（2019·湖北沙市模拟节选）世界能源消费的90%以上依靠化学技术。

回答下列问题：

（1）质子交换膜燃料电池中作为燃料的H2通常来自水煤气。

已知：

C（s）＋

O2（g）===CO（g）

ΔH1＝－110.35kJ·mol－1

2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）

ΔH2＝－571.6kJ·mol－1

H2O（l）===H2O（g）ΔH3＝＋44.0kJ·mol－1

则反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）　ΔH4＝________。

某实验小组在实验室模拟反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g），其平衡常数表达式为K＝________。

一定温度下，在2L盛有足量炭粉的恒容密闭容器中通入0.8molH2O,6min时生成0.7gH2。

则6min内以CO表示的平均反应速率为________（保留3位有效数字）。

（2）燃料气（主要含N2和H2，还含有少量其他杂质）中的CO会使电极催化剂中毒，使用CuO/CeO2催化剂可使CO优先氧化而脱除。

CeO2可由草酸铈[Ce（C2O4）3]灼烧制得，反应的化学方程式为____________________________。

在CuO/CeO2催化剂中加入不同的酸（HIO3或H3PO4），测得燃料气中CO优先氧化的转化率随温度的变化如下图所示。

加入H3PO4________（填“促进”或“抑制”）CuO/CeO2的催化。

温度为120℃，催化剂为CuO/CeO2－HIO3时，若燃料气流速为1800mL·min－1，CO的体积分数为0.68%，则反应0.5h后CO的体积为________mL。

解析：

（1）已知：

①C（s）＋

O2（g）===CO（g）　ΔH1＝－110.35kJ·mol－1

②2H2O（l）===2H2（g）＋O2（g）

ΔH2′＝＋571.6kJ·mol－1

③H2O（l）===H2O（g）　ΔH3＝＋44.0kJ·mol－1

则：

反应C（s）＋H2O（g）===CO（g）＋H2（g）可以是①＋②×

－③得到，所以ΔH4＝ΔH1＋ΔH′2×

－ΔH3＝（－110.35kJ·mol－1）＋（571.6kJ·mol－1）×

－44.0kJ·mol－1＝＋131.45kJ·mol－1；

反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）的平衡常数表达式为K＝

；

6min时生成0.7gH2，c（H2）＝

＝0.175mol/L，根据反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）可知，转化的c（CO）＝c（H2），则6min内以CO表示的平均反应速率为v（CO）＝

＝0.0292mol·L－1·min－1；

（2）灼烧草酸铈[Ce（C2O4）3]分解制得CeO2、一氧化碳以及二氧化碳，反应方程式为：

Ce2（C2O4）3

2CeO2＋4CO↑＋2CO2↑；

相同时间内，CO的转化率越高，说明催化性能越好，由图像知道当H3PO4加入时，CO的转化率降低，则抑制CuO/CeO2的催化；120℃时，CO的转化率是80%，气体混合物流速为1800mL·min－1；CO的体积分数为0.68%，则反应0.5小时后CO的体积为1800mL·min－1×0.5h×60min/h×0.68%×（1－80%）＝73.44mL。

答案：

（1）＋131.45kJ·mol－1　

　0.0292mol·L－1·min－1　

（2）Ce2（C2O4）3

2CeO2＋4CO↑＋2CO2↑　抑制　73.44

5．（2019·广东揭阳模拟）丙烯（C3H6）是重要的有机化工原料。

丙烷脱氢制丙烯发生的主要反应及能量变化如下图。

（1）丙烷脱氢制丙烯为强吸热过程。

①为提供反应所需热量，恒压时若向原料气中掺入水蒸气，则K（主反应）________（填“增大”“减小”或“不变”，下同），转化率α（C3H8）________。

②温度升高，副反应更容易发生的主要原因是_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

（2）下图为丙烷直接脱氢法中丙烷和丙烯的平衡体积分数与温度、压强的关系（图中的压强分别为104Pa和105Pa）。

①104Pa时，图中表示丙烯的曲线是________（填“ⅰ”“ⅱ”“ⅲ”或“ⅳ”）。

②104Pa、500℃时，主反应用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp＝________（已知：

气体分压＝气体总压×体积分数）。

（3）利用CO2的弱氧化性，开发了丙烷氧化脱氢制丙烯的新工艺。

该工艺可采用铬的氧化物为催化剂，其反应机理如图。

已知：

CO和H2的燃烧热分别为ΔH＝－283.0kJ·mol－1、ΔH＝－285.8kJ·mol－1。

①图中催化剂为________。

②298K时，该工艺总反应的热化学方程式为_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

③该工艺可以有效消除催化剂表面的积炭，维持催化剂活性，原因是_____________________________________________________________________

____________________________________________________________________。

解析：

（1）①由图可知，丙烷脱氢制丙烯为吸热反应：

C3H8（g）C3H6（g）＋H2（g）　ΔH＝＋124.3kJ/mol，恒压时若向原料气中掺入水蒸气，反应温度升高，平衡向正反应方向移动，化学平衡常数K增大，丙烷的转化率增大；②由图可知，副反应的活化能低于主反应的活化能，温度升高，活化能较低的副反应更容易发生。

（2）①丙烷脱氢制丙烯为气体体积增大的反应，增大压强，平衡向逆反应方向移动，丙烯的平衡体积分数减小，故曲线ⅰ代表104Pa时丙烯的平衡体积分数；

②104Pa、500℃时，丙烯的平衡体积分数为33%，设起始丙烷为1mol，转化率为x，由题意建立如下三段式：

C3H8（g）C3H6（g）＋H2（g）

起/mol　　　1　　　　　0　　　0

变/molx　x　x

平/mol1－x　x　x

则由丙烯的平衡体积分数为33%可得，x/（1＋x）＝0.33，解得x≈0.5，丙烷、丙烯和氢气的分压均为104Pa×1/3，则用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp＝（104Pa×1/3）×（104Pa×1/3）/（104Pa×1/3）＝104Pa×1/3＝3.3×103Pa；

（3）①由图可知，反应ⅰ为3C3H8＋2CrO33C3H6＋Cr2O3＋3H2O，反应ⅱ为3CO2＋Cr2O32CrO3＋3CO，则催化剂为CrO3；

②由题意可得H2（g）＋1/2O2（g）===H2O（l）　ΔH＝－285.8kJ/mola　CO（g）＋1/2O2（g）===CO2（g）　ΔH＝－283.0kJ/molb　C3H8（g）C3H6（g）＋H2（g）　ΔH＝＋124.3kJ/molc，由盖斯定律c－b＋a得热化学方程式C3H8（g）＋CO2（g）C3H6（g）＋CO（g）＋H2O（l），则ΔH＝（＋124.3kJ/mol）＋（－285.8kJ/mol）－（－283.0kJ/mol）＝＋121.5kJ/mol；

③该工艺中碳与CO2反应生成CO，可以有效消除催化剂表面的积碳，维持催化剂活性。

答案：

（1）①增大　增大　②副反应的活化能低于主反应的活化能

（2）①ⅰ　②3.3×103Pa　（3）①CrO3　②C3H8（g）＋CO2（g）C3H6（g）＋CO（g）＋H2O（l）　ΔH＝＋121.5kJ/mol　③碳与CO2反应生成CO，脱离催化剂表面