热点专项练12 化学反应速率与化学平衡综合考查1.(2021山东聊城一中开学模拟)CO、H2是重要的化工原料,可用于合成许多重要的有机化合物。(1)已知:①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90.1kJ·mol-1,欲利用ΔH1求出反应②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=akJ·mol-1的a值,则还需要知道一个反应的反应热ΔH,该反应的热化学方程式为 。 (2)350℃时,按投料比n(H2)∶n(CO)=2∶1向容积为10L、初始压强为0.3MPa的刚性密闭容器中充入H2和CO,在某催化剂存在下使其发生反应2CO(g)+4H2(g)C2H4(g)+2H2O(g),平衡时CO的转化率为60%,此时的Kp= (MPa)-3(以分压表示,分压=总压×物质的量分数),若反应从开始到达到平衡过程中v(H2)=0.012MPa·min-1,则相应的时间t= min。若本反应是在恒压条件(其他条件相同)下进行的,则达到平衡所用时间 t(填“>”“<”或“=”)。 (3)以Na2O/Fe5C2为催化剂时,丙烯催化加氢得到丙烷的反应历程与相对能量的关系如图所示。TS1表示过渡态1、TS2表示过渡态2,吸附在催化剂表面的物种用※标出。由图可知,该历程中最大活化能= eV,写出该步骤的反应方程式: 。该历程中C3转化为C3的速率比C3转化为C3H8的速率 (填“大”或“小”)。 (4)熔融盐燃料电池具有较高的能量转化效率,某CO熔融盐燃料电池用Li2CO3、Na2CO3作电解质。则工作时负极上电极反应式为 ,当有2molC发生定向移动时,电路中转移的电子数目为 (用NA表示阿伏加德罗常数的值)。 2.氮氧化物(NOx)的排放对环境造成严重污染。回答下列问题:(1)工业上可利用C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g)反应处理氮氧化物。已知:N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH1=+180.5kJ·mol-1,碳的摩尔燃烧焓ΔH=-393.5kJ·mol-1,则C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g) ΔH2= kJ·mol-1。 (2)用活性炭还原法处理氮氧化物的有关反应为C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)。向一恒压密闭容器中加入一定量(足量)的活性炭和NO,在t2时刻改变某一条件,其反应过程如图所示。\n①则t2时刻改变的条件为 。 ②t1时刻的v(逆) (填“>”“<”或“=”)t2时刻的v(正)。 (3)在恒容密闭容器中发生反应2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH<0。下列说法正确的是 (填字母)。 A.及时分离出生成的尿素,有利于NH3的转化率增大B.反应达到平衡后,混合气体的密度不再发生改变C.反应在任何温度下都能自发进行D.当尿素的质量不变时,说明反应达到平衡3.(2021山东日照一模)氯化法制备TiCl4的工艺为:800℃时,向15L容器中加入5molTiO2与15mol木炭,通入10molCl2进行反应,生成TiCl4气体,经过处理得到TiCl4成品。反应容器内发生以下两个反应:反应Ⅰ:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO(g) ΔH=-48kJ·mol-1反应Ⅱ:TiO2(s)+2Cl2(g)+2CO(g)TiCl4(g)+2CO2(g) ΔH=-210kJ·mol-1回答下列问题:(1)TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)的ΔH= kJ·mol-1。 (2)800℃时,不同时间测得混合体系内各物理量如下表所示:t/min10203040n(Cl2)/mol62.511n(C)/mol121099p(CO)∶p(CO2)2∶11∶11∶11∶1①起始总压强为6MPa,10min时,体系总压强p10min= MPa;反应开始至20min时,v(TiCl4)= MPa·min-1。 ②30min时,C的转化率为 ;40min时,反应Ⅱ的平衡常数K= (mol·L-1)-1。 (3)向混合体系中加入少量FeCl3,TiO2的氯化速率明显提高,同时测得CO含量明显高于CO2,则FeCl3改变的是反应 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)的反应历程。 (4)我国科研工作者利用TiCl4和Mg3N2制备高硬度物质TiN,可能发生a和b反应。其对应的吉布斯自由能(ΔG=ΔH-TΔS)与温度(200~700℃)的关系如图所示,分析可得更易发生 (填“a”或“b”)反应。 a.Mg3N2(s)+2TiCl4(g)2TiN(s)+3MgCl2(s)+Cl2(g)\nb.Mg3N2(s)+TiCl4(g)TiN+3MgCl2+N2(g)4.(2021河北邯郸三模)2020年9月,习近平主席在第75届联合国大会提出我国要实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。因此CO2的捕集、利用与封存成为科学家研究的重要课题。Ⅰ.研究表明CO2与CH4在催化剂存在下可发生反应制得合成气:CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH。(1)一定压强下,由最稳定单质生成1mol化合物的焓变为该物质的摩尔生成焓。已知CO2(g)、CH4(g)、CO(g)的摩尔生成焓分别为-395kJ·mol-1、-74.9kJ·mol-1、-110.4kJ·mol-1。则上述反应的ΔH= kJ·mol-1。 (2)此反应的活化能Ea(正) (填“>”“=”或“<”)Ea(逆);有利于反应自发进行的条件是 (填“高温”或“低温”)。 (3)一定温度下,向一恒容密闭容器中充入CO2和CH4发生上述反应,初始时CO2和CH4的分压分别为14kPa、16kPa,一段时间达到平衡后,测得体系压强是起始时的1.4倍,则该反应的平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。 Ⅱ.CO2和H2合成甲烷也是CO2资源化利用的重要方法。对于反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-165kJ·mol-1,催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂条件下反应相同时间,测得CO2转化率和生成CH4选择性随温度变化的影响如下图所示。(4)高于320℃后,以Ni-CeO2为催化剂,CO2转化率略有下降,而以Ni为催化剂,CO2转化率却仍在上升,其原因是 。 (5)对比上述两种催化剂的催化性能,工业上应选择的催化剂是 ;使用的合适温度为 。 Ⅲ.以铅蓄电池为电源可将CO2转化为乙烯,其原理如下图所示,电解所用电极材料均为惰性电极。\n(6)阴极上的电极反应为 ;每生成0.5mol乙烯,理论上需消耗铅蓄电池中 mol硫酸。 参考答案热点专项练12 化学反应速率与化学平衡综合考查1.答案(1)CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) ΔH或CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH(2)1.65×103 10 <(3)0.77 C3+H※C3H8 大(4)CO-2e-+C2CO2 4NA解析(1)根据盖斯定律知,由反应②-①可得到CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) ΔH,或用反应①-②得CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH。(2)根据题意可知,开始时H2、CO的分压分别为p始(CO)=0.1MPa,p始(H2)=0.2MPa。设起始充入CO的物质的量为xmol,由题意可列三段式: 2CO(g)+4H2(g)C2H4(g)+2H2O(g)起始量/molx2x00转化量/mol0.6x1.2x0.3x0.6x平衡量/mol0.4x0.8x0.3x0.6x同温同压时,气体物质的量之比等于压强之比,故平衡时p(总)=p(始)=0.7p(始)=0.21MPa,由此可求出平衡时p平(H2O)=0.06MPa、p平(C2H4)=0.03MPa、p平(CO)=0.04MPa、p平(H2)=0.08MPa。Kp=(MPa)-3≈1.65×103(MPa)-3。v(H2)==0.012MPa·min-1,求得t=10min。由于正反应是气体分子数减小的反应,在刚性容器中进行反应时,随着反应的进行,容器中气体压强减小,反应速率变慢,故在恒压条件下达到平衡所用时间小于t。(3)由图可知,C3转化为C3和C3转化为C3H8的活化能分别为0.68eV、\n0.77eV,故最大活化能为0.77eV,此过程反应物为C3、H※,反应产物为C3H8。活化能越小,反应速率越大,故C3转化为C3的速率比C3转化为C3H8的速率大。(4)CO燃料电池总反应为2CO+O22CO2,CO在负极上失去电子转化为CO2,电极反应式为CO-2e-+C2CO2。电路中转移电子的数目与定向移动的C所带电荷总数相等,故转移的电子数目为4NA。2.答案(1)-574 (2)①向密闭容器中加入NO ②< (3)BD解析(1)已知:①N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH1=+180.5kJ·mol-1②C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH=-393.5kJ·mol-1②-①可得目标化学方程式,则ΔH2=ΔH-ΔH1=-574kJ·mol-1。(2)①因为恒压容器中,改变条件的瞬间,逆反应速率减小,但平衡正向移动且达平衡后,逆反应速率与原平衡相同,所以t2时刻改变的条件为向密闭容器中加入NO。②t1时刻,反应达到平衡,v(正)=v(逆),t2时刻,充入NO,反应物的浓度增大,正反应速率增大,则v(正)<v'(正),所以t1时刻的v(逆)<t2时刻的v(正)。(3)因为尿素呈固态,所以及时分离出生成的尿素,对NH3的转化率没有影响,A不正确;因为达平衡前,混合气体的质量减小,但体积不变,所以密度不断减小,当混合气体的密度不再发生改变时,反应达平衡状态,B正确;ΔH<0,ΔS<0,ΔH-TΔS<0时反应自发进行,则低温下反应能自发进行,但高温下反应不能自发进行,C不正确;当尿素的质量不变时,正、逆反应速率相等,反应达平衡状态,D正确。3.答案(1)-129 (2)①6.6 0.1125 ②40% 22.5 (3)Ⅰ(4)b解析(1)反应Ⅰ:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO(g) ΔH=-48kJ·mol-1,反应Ⅱ:TiO2(s)+2Cl2(g)+2CO(g)TiCl4(g)+2CO2(g) ΔH=-210kJ·mol-1,根据盖斯定律,由(Ⅰ+Ⅱ)可得目标方程:TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g) ΔH=-129kJ·mol-1;(2)①列三段式进行分析: 反应Ⅰ TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO(g)起始量/mol5101500变化量/mol331.53某时刻/mol7121.53 反应Ⅱ TiO2(s)+2Cl2(g)+2CO(g)TiCl4(g)+2CO2(g)起始\n量/mol7300变化量/mol110.5110min/mol620.5110min时总物质的量为6mol+2mol+1mol+2mol=11mol,,则p10min=6.6MPa,同理,20min时,n(TiCl4)=×(15mol-10mol)+×2.5mol=3.75mol,20min时总的物质的量n=2.5mol+2.5mol+2.5mol+3.75mol=11.25mol,则,解得p20min=6.75MPa,则,解得=2.25MPa,则v(TiCl4)==0.1125MPa·min-1;②30min时,n(C)=9mol,C的转化率为α=×100%=40%。40min时反应已达平衡,利用三段式分析:反应ⅠTiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO(g)起始量/mol5101500变化量/mol6636平衡量/mol4936反应ⅡTiO2(s)+2Cl2(g)+2CO(g)TiCl4(g)+2CO2(g)起始量/mol4600变化量/mol331.53平衡量/mol131.53则反应Ⅱ的K==22.5(mol·L-1)-1;(3)CO多说明反应Ⅰ快,则FeCl3改变的是反应Ⅰ的反应历程。\n(4)吉布斯自由能越小,反应越易自发进行,则更易发生b反应。4.答案(1)+249.1 (2)> 高温 (3)259.2(kPa)2(4)以Ni-CeO2为催化剂测定转化率时,CO2甲烷化反应已达平衡,升高温度平衡逆向移动,CO2转化率下降;以Ni为催化剂时,CO2甲烷化反应速率较慢,升高温度反应速率加快,反应相同时间时CO2转化率增加(5)Ni-CeO2 320℃(6)2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O 6解析(1)根据摩尔生成焓的定义,推出①C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1=-395kJ·mol-1,②C(s)+2H2(g)CH4(g) ΔH2=-74.9kJ·mol-1,③C(s)+O2(g)CO(g) ΔH3=-110.4kJ·mol-1,根据目标反应方程式及盖斯定律可知,③×2-②-①得目标方程式,所以ΔH=[(-110.4)×2-(-74.9)-(-395)]kJ·mol-1=+249.1kJ·mol-1。(2)根据第(1)问分析可知,该反应为吸热反应,所以活化能Ea(正)>Ea(逆);根据ΔH-TΔS<0可自发进行,当ΔH>0、ΔS>0时,高温有利于自发进行。(3)根据已知信息,设平衡时转化的二氧化碳的压强为pkPa,则 CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)起始/kPa141600转化/kPapp2p2p平衡/kPa14-p16-p2p2p由平衡的p总=(14+16)kPa×1.4=42kPa可知,(14-p)+(16-p)+2p+2p=30+2p=42kPa,则p=6kPa。所以平衡时,p平(CO2)=8kPa,p平(CH4)=10kPa,p平(CO)=12kPa,p平(H2)=12kPa,则平衡常数Kp=(kPa)2=259.2(kPa)2。(4)高于320℃后,以Ni-CeO2为催化剂测定转化率时,CO2甲烷化反应已达平衡,升高温度平衡逆向移动,CO2转化率下降;以Ni为催化剂时,CO2甲烷化反应速率较慢,升高温度反应速率加快,反应相同时间时CO2转化率增加。(5)根据图像分析可知,温度适宜(320℃)时,以Ni-CeO2为催化剂明显比以Ni为催化剂时CO2转化率高,且催化剂选择性强,所以应选择Ni-CeO2为催化剂,最佳温度为320℃。(6)以铅蓄电池为电源可将CO2转化为乙烯,根据装置图分析,CO2在阴极得到电子转化为乙烯,所以阴极上的电极反应为2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O;铅蓄电池放电时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,则根据电子转移数守恒可得到,C2H4~12e-~6Pb~12H2SO4,则每生成0.5mol乙烯,理论上需消耗铅蓄电池中硫酸的物质的量为0.5mol×12=6mol。
