8.当温度高于500K时,科学家成功利用二氧化碳和氢气合成了乙醇,这在节能减排、降低碳排放方面具有重大意义。
回答下列问题:
(1)该反应的化学方程式为____________________;其平衡常数表达式为K=______________________。
(2)在恒容密闭容器中,判断上述反应达到平衡状态的依据是________。
a.体系压强不再改变
b.H2的浓度不再改变
c.气体的密度不随时间改变
d.单位时间内消耗H2和CO2的物质的量之比为3∶1
(3)在一定压强下,测得由CO2制取CH3CH2OH的实验数据中,起始投料比、温度与CO2的转化率的关系如图。
根据图中数据分析:
①降低温度,平衡向________方向移动。
②在700K、起始投料比
=1.5时,H2的转化率为________。
③在500K、起始投料比
=2时,达到平衡后H2的浓度为amol·L-1,则达到平衡时CH3CH2OH的浓度为________。
解析:
(1)由题给信息可得到该反应的化学方程式为2CO2+6H2
C2H5OH+3H2O;该反应的平衡常数表达式为K=
。
(2)该反应为气体体积减小的化学反应,当体系的压强不再改变时,反应达到平衡状态,另外氢气的浓度不再变化,也能说明反应达到平衡状态;由于在500K时,所有物质均为气体,故在恒容状态下气体的密度恒为定值,密度不变不能说明反应达到平衡状态;根据化学方程式可知,任何单位时间内消耗H2和CO2的物质的量之比均为3∶1。
(3)①由图中信息可知,其他条件不变时,升高温度,CO2的转化率降低,说明平衡向逆反应方向移动,故正反应为放热反应,即降低温度,平衡将向正反应方向移动。
②700K时,当氢气与二氧化碳的起始投料比
=1.5时,由图像可知二氧化碳的转化率为20%,由化学方程式2CO2+6H2
C2H5OH+3H2O,可计算出氢气的转化率为40%。
③设起始时c(CO2)=xmol·L-1,则起始时c(H2)=2xmol·L-1,有
2CO2+6H2
C2H5OH+3H2O
起始浓度(mol·L-1)x2x00
转化浓度(mol·L-1)0.6x1.8x0.3x0.9x
平衡浓度(mol·L-1)0.4x0.2x0.3x0.9x
0.2x=a,得x=5a,平衡时c(CH3CH2OH)=0.3xmol·L-1=1.5amol·L-1。
答案:
(1)2CO2+6H2
C2H5OH+3H2O
(2)ab
(3)①正反应(或右) ②40% ③1.5amol·L-1
9.已知A(g)+B(g)C(g)+D(g)反应的平衡常数和温度的关系如下:
温度/℃
700
800
830
1000
1200
平衡常数
1.7
1.1
1.0
0.6
0.4
回答下列问题:
(1)该反应的平衡常数表达式K=________________,ΔH________(填“<”“>”或“=”)0。
(2)830℃时,向一个5L的密闭容器中充入0.20mol的A和0.80mol的B,如反应初始6s内A的平均反应速率v(A)=0.003mol·L-1·s-1,则6s时c(A)=________mol·L-1,C的物质的量为________mol;若反应经一段时间后,达到平衡时A的转化率为________,如果这时向该密闭容器中再充入1mol氩气,平衡时A的转化率为_______。
(3)判断该反应是否达到平衡的依据为________(填字母)。
a.压强不随时间改变
b.气体的密度不随时间改变
c.c(A)不随时间改变
d.单位时间里生成C和D的物质的量相等
(4)1200℃时反应C(g)+D(g)A(g)+B(g)的平衡常数的值为________。
解析:
K=
;由表中数据知,温度升高,K值减小,说明升高温度平衡向逆反应方向移动,故正反应为放热反应,即ΔH<0。
(2)v(A)=0.003mol·L-1·s-1,则6s后A减少的浓度Δc(A)=v(A)·t=0.018mol·L-1,故剩余的A的浓度c(A)=
-0.018mol·L-1=0.022mol·L-1;A减少的物质的量为0.018mol·L-1×5L=0.09mol,根据方程式的化学计量数关系可知,生成的C的物质的量也为0.09mol。
设830℃达平衡时,转化的A的浓度为xmol·L-1,则:
A(g) + B(g)C(g)+D(g)
起始浓度(mol·L-1)0.040.1600
转化浓度(mol·L-1)xxxx
平衡浓度(mol·L-1)0.04-x0.16-xxx
有:
=1,解得x=0.032,故A的转化率α(A)=
×100%=80%;由于容器的容积是固定的,通入氩气后各组分的浓度不变,反应速率不改变,平衡不移动。
(3)由于该反应是反应前后气体体积不变的反应,且反应物和生成物都是气体,故容器中压强、气体的密度始终不变,a、b错误;不论是否达平衡,单位时间内生成C和D的物质的量一定相等,d错误。
(4)反应“C(g)+D(g)A(g)+B(g)”与“A(g)+B(g)C(g)+D(g)”互为逆反应,平衡常数互为倒数关系,故1200℃时,C(g)+D(g)A(g)+B(g)的K=
=2.5。
答案:
(1)
<
(2)0.022 0.09 80% 80% (3)c (4)2.5
10.开发新能源是解决环境污染的重要举措,工业上常用CH4与CO2反应制备H2和CO,再用H2和CO合成甲醇。
(1)已知:
①2CH3OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+4H2O(g) ΔH1=-1274.0kJ·mol-1
②2CO(g)+O2(g)===2CO2(g)ΔH2=-566.0kJ·mol-1
③H2O(g)===H2O(l) ΔH3=-44kJ·mol-1
则甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为___________________。
(2)在恒容密闭容器中通入CH4与CO2,使其物质的量浓度均为1.0mol·L-1,在一定条件下发生反应:
CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率与温度及压强的关系如图所示:
则:
①该反应的ΔH________0。
(填“<”“=”或“>”)
②压强p1、p2、p3、p4由大到小的关系为______________________。
压强为p4时,在b点:
v(正)________v(逆)。
(填“<”“=”或“>”)
③对于气相反应,用某组分(B)的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数(记作Kp),则该反应的平衡常数的表达式Kp=__________________;如果p4=0.36MPa,求a点的平衡常数Kp=______________。
(保留3位有效数字,用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)
④为探究速率与浓度的关系,该实验中,根据相关实验数据,粗略绘制出了2条速率—浓度关系曲线:
v正~c(CH4)和v逆~c(CO)。
则:
(ⅰ)与曲线v正~c(CH4)相对应的是图中曲线______(填“甲”或“乙”)。
(ⅱ)当降低到某一温度时,反应重新达到平衡,相应的平衡点分别为________(填字母)。
解析:
(1)根据盖斯定律,由(①-②+③×4)×
可得:
CH3OH(l)+O2(g)===CO(g)+2H2O(l) ΔH=(ΔH1-ΔH2+ΔH3×4)×
=(-1274.0kJ·mol-1+566.0kJ·mol-1-44kJ·
mol-1×4)×
=-442kJ·mol-1。
(2)①根据图示,压强不变时,升高温度,CH4的平衡转化率增大,说明平衡向正反应方向移动。
根据升温时,平衡向吸热反应方向移动可知,正反应为吸热反应,ΔH>0。
②该平衡的正反应为气体分子数增大的反应,温度不变时,降低压强,平衡向正反应方向移动,CH4的平衡转化率增大,故p4>p3>p2>p1。
压强为p4时,b点未达到平衡,反应正向进行,故v(正)>v(逆)。
③由用平衡浓度表示的平衡常数类推可知,用平衡压强表示的平衡常数K=
。
压强为p4时,a点CH4的平衡转化率为80%,则平衡时c(CH4)=c(CO2)=0.2mol·L-1,c(CO)=c(H2)=1.6mol·L-1,则p(CH4)=p(CO2)=p4×
=
p4,p(CO)=p(H2)=p4×
=
p4,故K=
=
=1.64(MPa)2。
④(ⅰ)CH4的浓度由1.0mol·L-1逐渐减小,而CO的浓度由0逐渐增加,故v正~c(CH4)相对应的曲线为乙。
(ⅱ)降低温度,正、逆反应速率均减小,平衡向逆反应方向移动,则CH4的浓度增大,而CO的浓度减小,故相应的平衡点分别为B、F。
答案:
(1)CH3OH(l)+O2(g)===CO(g)+2H2O(l)ΔH=-442kJ·mol-1
(2)①>
②p4>p3>p2>p1 >
③
1.64(MPa)2
④(ⅰ)乙 (ⅱ)B、F
[已学知识回顾练]
11.(2015·上海高考)对于合成氨反应,达到平衡后,以下分析正确的是( )
A.升高温度,对正反应的反应速率影响更大
B.增大压强,对正反应的反应速率影响更大
C.减小反应物浓度,对逆反应的反应速率影响更大
D.加入催化剂,对逆反应的反应速率影响更大
解析:
选B A.合成氨反应的正反应是放热反应,升高温度,正反应、逆反应的反应速率都增大,但是温度对吸热反应的速率影响更大,所以对该反应来说,对逆反应速率影响更大,错误。
B.合成氨的正反应是气体体积减小的反应。
增大压强,平衡正向移动,正反应速率大于逆反应速率,所以对正反应的反应速率影响更大,正确。
C.减小反应物浓度,使正反应的速率减小,由于生成物的浓度没有变化,所以逆反应速率不变,错误。
D.加入催化剂,使正反应、逆反应速率改变的倍数相同,正反应、逆反应速率相同,错误。
12.(2016·周口质检)某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,在不同的时间段,分别改变影响反应的一个条件,测得容器中物质的物质的量浓度、反应速率分别随时间的变化如图所示:
下列说法中正确的是( )
A.30~40min内该反应使用了催化剂
B.化学方程式中的x=1,正反应为吸热反应
C.30min时降低温度,40min时升高温度
D.8min前A的平均反应速率为0.08mol·L-1·min-1
解析:
选D 若使用催化剂,则化学反应速率增大,A错误;由左图可知,A、B的浓度变化相同,故A、B的化学计量数相同,都为1;由右图可知,30min时改变的条件为减小压强,40min时改变的条件为升高温度,且升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,B、C错误;前8min内A的平均反应速率为
=0.08mol·L-1·min-1,D正确。