2.研究和深度开发CO、CO2的应用对构建生态文明社会具有重要的意义。
(1)CO可用于炼铁,已知:
Fe2O3(s)+3C(s)=2Fe(s)+3CO(g)ΔH1=+489.0kJ·mol-1
C(s)+CO2(g)=2CO(g)ΔH2=+172.5kJ·mol-1。
则CO还原Fe2O3(s)的热化学方程式为_________________________________________________。
(2)分离高炉煤气得到的CO与空气可设计成燃料电池(以KOH溶液为电解液)。
写出该电池的负极反应式:
__________________________________________________。
(3)①CO2和H2充入一定体积的密闭容器中,在两种温度下发生反应:
CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g),测得CH3OH的物质的量随时间的变化如图。
①曲线I、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为KⅠ___________________KⅡ(填“>”或“=”或“<”)。
②一定温度下,在容积相同且固定的两个密闭容器中,按如下方式加入反应物,一段时间后达到平衡。
容器
甲
乙
反应物投入量
1molCO2、3molH2
amolCO2、bmolH2、
cmolCH3OH(g)、cmolH2O(g)
若甲中平衡后气体的压强为开始的0.8倍,要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等,且起始时维持化学反应向逆反应方向进行,则c的取值范围为______________________。
③一定温度下,此反应在恒压容器中进行,能判断该反应达到化学平衡状态的依据是______________。
a.容器中压强不变b.H2的体积分数不变c.c(H2)=3c(CH3OH)
d.容器中密度不变e.2个C=O断裂的同时有3个H-H断裂
(4)将燃煤废气中的CO2转化为二甲醚的反应原理为:
2CO2(g)+6H2(g)
CH3OCH3(g)+3H2O(g)。
已知一定条件下,该反应中CO2的平衡转化率随温度、投料比[n(H2)/n(CO2)]的变化曲线如图,若温度不变,提高投料比n(H2)/n(CO2),则K将__________;该反应△H_________0(填“>”、“<”或“=”)。
【答案】Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5KJ/molCO-2e-+4OH-=CO32-+2H2O>0.4<c≤1bd不变<
【解析】
【分析】
(1)已知:
①Fe2O3(s)+3C(石墨)=2Fe(s)+3CO(g)△H1=+489.0kJ/mol, ②C(石墨)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172.5kJ/mol,根据盖斯定律有①-②×3可得;
(2)根据原电池负极失去电子发生氧化反应结合电解质环境可得;
(3)①Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物质的量少,根据K=
判断;
②根据平衡三段式求出甲中平衡时各气体的物质的量,然后根据平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等,且起始时维持反应逆向进行来判断范围;
③根据化学平衡状态的特征分析;
(4)由图可知,投料比
一定,温度升高,CO2的平衡转化率减小,根据温度对化学平衡的影响分析可得。
【详解】
(1)已知:
①Fe2O3(s)+3C(石墨)=2Fe(s)+3CO(g)△H1=+489.0kJ/mol, ②C(石墨)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172.5kJ/mol,根据盖斯定律有①-②×3,得到热化学方程式:
Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5kJ/mol;
(2)CO与空气可设计成燃料电池(以KOH溶液为电解液),负极电极反应为:
CO-2e-+4OH-=CO32-+2H2O;
(3)①Ⅱ比Ⅰ的甲醇的物质的量少,则一氧化碳和氢气的物质的量越多,根据K=
可知,平衡常数越小,故KⅠ>KⅡ;
②
甲中平衡后气体的压强为开始时的0.8倍,即(4-2x)÷4=0.8,解得x=0.4mol;依题意:
甲、乙为等同平衡,且起始时维持反应逆向进行,所以全部由生成物投料,c的物质的量为1mol,c的物质的量不能低于平衡时的物质的量0.4mol,所以c的物质的量为:
0.4mol<n(c)≤1mol;
③a.反应在恒压容器中进行,容器中压强始终不变,故a错误;
b.反应开始,减少,H2的体积分数不变时,反应平衡,故b正确;
c.c(H2)与c(CH3OH)的关系与反应进行的程度有关,与起始加入的量也有关,所以不能根据它们的关系判断反应是否处于平衡状态,故c错误;
d.根据ρ=
,气体的质量不变,反应开始,体积减小,容器中密度不变时达到平衡,故d正确;
e.C=O断裂描述的正反应速率,H-H断裂也是描述的正反应速率,故e错误;
故答案为:
bd;
(4)由图可知,投料比
一定,温度升高,CO2的平衡转化率减小,说明温度升高不利于正反应,即正反应为放热反应△H<0;K只与温度有关,温度不变,提高投料比
,K不变。
【点睛】
注意反应达到平衡状态时,正逆反应速率相等,必须是同一物质的正逆反应速率相等;反应达到平衡状态时,平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化,此类试题中容易发生错误的情况往往有:
平衡时浓度不变,不是表示浓度之间有特定的大小关系;正逆反应速率相等,不表示是数值大小相等;对于密度、相对分子质量等是否不变,要具体情况具体分析等。
3.将气体A、B置于固定容积为2L的密闭容器中,发生如下反应:
3A(g)+B(g)⇌2C(g)+2D(g),反应进行到10s末,达到平衡,测得A的物质的量为1.8mol,B的物质的量为0.6mol,C的物质的量为0.8mol。
(1)用C表示10s内反应的平均反应速率为_____________。
(2)反应前A的物质的量浓度是_________。
(3)10s末,生成物D的浓度为________。
(4)平衡后,若改变下列条件,生成D的速率如何变化(填“增大”、“减小”或“不变”):
①降低温度____;②增大A的浓度_____;③恒容下充入氖气________。
(5)下列叙述能说明该反应已达到化学平衡状态的是(填标号)_________。
A.v(B)=2v(C)
B.容器内压强不再发生变化
C.A的体积分数不再发生变化
D.器内气体密度不再发生变化
E.相同时间内消耗nmol的B的同时生成2nmol的D
(6)将固体NH4I置于密闭容器中,在某温度下发生下列反应:
NH4I(s)⇌NH3(g)+HI(g),2HI(g)⇌H2(g)+I2(g)。
当反应达到平衡时,c(H2)=0.5mol·L−1,c(HI)=4mol·L−1,则NH3的浓度为_______________。
【答案】0.04mol/(L∙s)1.5mol/L0.4mol/L减小增大不变C5mol·L−1
【解析】
【分析】
【详解】
(1)由题可知,10s内,C的物质的量增加了0.8mol,容器的容积为2L,所以用C表示的反应速率为:
;
(2)由题可知,平衡时A的物质的量为1.8mol,且容器中C的物质的量为0.8mol;又因为发生的反应方程式为:
,所以反应过程中消耗的A为1.2mol,那么初始的A为3mol,浓度即1.5mol/L;
(3)由于初始时,只向容器中加入了A和B,且平衡时生成的C的物质的量为0.8mol,又因为C和D的化学计量系数相同,所以生成的D也是0.8mol,那么浓度即为0.4mol/L;
(4)①降低温度会使反应速率下降,所以生成D的速率减小;
②增大A的浓度会使反应速率增大,生成D的速率增大;
③恒容条件充入惰性气体,与反应有关的各组分浓度不变,反应速率不变,因此生成D的速率也不变;
(5)A.由选项中给出的关系并不能推出正逆反应速率相等的关系,因此无法证明反应处于平衡状态,A项错误;
B.该反应的气体的总量保持不变,由公式
,恒温恒容条件下,容器内的压强恒定与是否平衡无关,B项错误;
C.A的体积分数不变,即浓度不再变化,说明该反应一定处于平衡状态,C项正确;
D.根据公式:
,容器内气体的总质量恒定,总体积也恒定,所以密度为定值,与是否平衡无关,D项错误;
E.消耗B和生成D的过程都是正反应的过程,由选项中的条件并不能证明正逆反应速率相等,所以不一定平衡,E项错误;
答案选C;
(6)由题可知,NH4I分解产生等量的HI和NH3;HI分解又会产生H2和I2;由于此时容器内c(H2)=0.5mol/L,说明HI分解生成H2时消耗的浓度为0.5mol/L×2=1mol/L,又因为容器内c(HI)=4mol/L,所以生成的HI的总浓度为5mol/L,那么容器内NH3的浓度为5mol/L。
【点睛】
通过反应速率描述可逆反应达到平衡状态,若针对于同一物质,则需要有该物质的生成速率与消耗速率相等的关系成立;若针对同一侧的不同物质,则需要一种描述消耗的速率,另一种描述生成的速率,并且二者之比等于相应的化学计量系数比;若针对的是方程式两侧的不同物质,则需要都描述物质的生成速率或消耗速率,并且速率之比等于相应的化学计量系数比。
4.某温度时,在2L容器中X、Y、Z三种气体物质的物质的量(n)随着时间(t)变化的曲线如图所示。
由图中数据分析:
(1)该反应的化学方程式为_________________。
(2)反应开始至2min,用Z表示的平均反应速率为_____________。
(3)下列叙述能说明上述反应达到平衡状态的是_____________(填序号)。
A.X、Y、Z的物质的量之比为3∶1∶2
B.混合气体的压强不随时间的变化而变化
C.单位时间内每消耗3molX,同时生成2molZ
D.混合气体的总质量不随时间的变化而变化
E.混合气体的总物质的量不随时间的变化而变
【答案】3X+Y≒2Z0.05mol·L-1·min-1BE
【解析】
【分析】
【详解】
(1)从图像可知,X和Y物质的量分别减少0.3mol、0.1mol,做反应物,Z的物质的量增加0.2mol,根据反应中物质的量之比=系数之比,推断出方程式为:
3X+Y
2Z,故答案为:
3X+Y
2Z;
(2)2min时,v(Z)=
,故答案为:
0.05mol·L-1·min-1;
(3)A.物质的量成正比关系不能说明达到平衡状态,故A错误;
B.反应前后气体体积数不同,故压强不变时说明达到平衡状态,B正确;
C.消耗X正反应方向,生成Z也是正反应方向,不能说明达到平衡状态,C错误;
D.化学反应遵循质量守恒定律,故D错误;
E.混合气体的总物质的量不随时间的变化而变化,说明正反应速率=逆反应速率,故达到平衡状态,E正确;
故答案为:
BE。
5.二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的新型燃料,25℃,101kPa时呈气态,它清洁、高效、具有优良的环保性能。
92g气态二甲醚25℃,101kPa时燃烧放热2910kJ。
(1)当燃烧放热582kJ热量时,转移的电子数为___。
(2)已知H2(g)和C(s)的燃烧热分别是285.8kJ/mol、393.5kJ/mol;计算反应4C(s)+6H2(g)+O2(g)═2CH3OCH3(g)的反应热为__;
(3)工业上利用H2和CO2合成二甲醚的反应如下:
6H2(g)+2CO2(g)⇌CH3OCH3(g)+3H2O(g)△H<0
①一定温度下,在一个固定体积的密闭容器中进行该反应,下列能判断反应达到化学平衡状态的是__(选填字母编号)
A.c(H2)与c(H2O)的比值保持不变
B.单位时间内有2molH2消耗时有1molH2O生成
C.容器中气体密度不再改变
D.容器中气体压强不再改变
E.反应产生的热量不再变化
②温度升高,该化学平衡移动后到达新的平衡,CH3OCH3的产量将__(填“变大”、“变小”或“不变”,下同),混合气体的平均摩尔质量将__。
【答案】4.8NA-378.8kJ/molADE变小变小
【解析】
【分析】
92g气态二甲醚25℃,101kPa时燃烧放热2910kJ,则燃烧的热化学方程式为CH3OCH3(g)+3O2(g)==2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1455kJ/mol①
(1)当燃烧放热582kJ热量时,转移的电子数为
。
(2)已知H2(g)和C(s)的燃烧热分别是285.8kJ/mol、393.5kJ/mol;
则热化学方程式为C(s)+O2(g)==CO2(g)△H=-393.5kJ/mol②
H2(g)+
O2(g)=H2O(l)△H=-285.8kJ/mol③
利用盖斯定律,将②×4+③×6-①×2,即得反应4C(s)+6H2(g)+O2(g)═2CH3OCH3(g)的反应热;
(3)工业上利用H2和CO2合成二甲醚的反应如下:
6H2(g)+2CO2(g)⇌CH3OCH3(g)+3H2O(g)△H<0
①A.c(H2)与c(H2O)的比值保持不变,则对题给反应来说,二者的浓度保持不变;
B.单位时间内有2molH2消耗时有1molH2O生成,反应方向相同;
C.气体的质量不变,体积不变,所以容器中气体密度始终不变;
D.反应前后气体分子数不等,容器中气体压强不再改变,反应达平衡;
E.反应产生的热量不再变化,则反应达平衡状态。
②温度升高,平衡逆向移动;混合气体的质量不变,物质的量增大。
【详解】
92g气态二甲醚25℃,101kPa时燃烧放热2910kJ,则燃烧的热化学方程式为CH3OCH3(g)+3O2(g)==2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1455kJ/mol①
(1)当燃烧放热582kJ热量时,转移的电子数为
=4.8NA。
答案为:
4.8NA;
(2)已知H2(g)和C(s)的燃烧热分别是285.8kJ/mol、393.5kJ/mol;
则热化学方程式为C(s)+O2(g)==CO2(g)△H=-393.5kJ/mol②
H2(g)+
O2(g)=H2O(l)△H=-285.8kJ/mol③
利用盖斯定律,将②×4+③×6-①×2,即得反应4C(s)+6H2(g)+O2(g)═2CH3OCH3(g)△H=-378.8kJ/mol。
答案为:
-378.8kJ/mol;
(3)工业上利用H2和CO2合成二甲醚的反应如下:
6H2(g)+2CO2(g)⇌CH3OCH3(g)+3H2O(g)△H<0
①A.c(H2)与c(H2O)的比值保持不变,则对题给反应来说,二者的浓度保持不变,反应达平衡状态,A符合题意;
B.单位时间内有2molH2消耗时有1molH2O生成,反应方向相同,不一定达平衡状态,B不合题意;
C.气体的质量不变,体积不变,所以容器中气体密度始终不变,反应不一定达平衡状态,C不合题意;
D.反应前后气体分子数不等,容器中气体压强不再改变,反应达平衡状态,D符合题意;
E.反应产生的热量不再变化,则反应达平衡状态,E符合题意;
故选ADE。
答案为:
ADE;
②温度升高,平衡逆向移动,CH3OCH3的产量将变小;混合气体的质量不变,物质的量增大,则混合气体的平均摩尔质量将变小。
答案为:
变小;变小。
【点睛】
利用盖斯定律进行计算时,同一反应的热化学方程式可以写出无数个,但反应热△H与化学计量数的比值是一个定值。
6.某温度下,在2L的密闭容器中,X、Y、Z三种物质随时间变化的曲线如图所示.请回答下列问题
(1)由图中数据分析,该反应的化学方程式为___________________________
(2)反应开始至2min,Z的平均反应速率为________
(3)3min时,Z的生成速率与Z的消耗速率相比较,前者________(填“大于”“小于”或“等于”)后者.
(4)上述反应进行过程中,如果降低温度,则其反应速率________(填“增大”“减小”或“不变”).
(5)下列各项中不可以说明上述反应达到平衡的是________(填字母).
a.生成1molZ和同时生成1.5molXb.X、Y、Z的反应速率之比为3:
2:
1
c.同一物质的正反应速率等于逆反应速率d.X的浓度保持不变
【答案】3X+Y
2Z
相等减小acd
【解析】
【分析】
【详解】
(1)由图象可知,反应中X、Y的物质的量减少,应为反应物,Z的物质的量增多,应为生成物,当反应进行到2min时,X、Y的物质的量不变且不为0,属于可逆反应,△n(X)=0.3mol,△n(Y)=0.1mol,△n(Z)=0.2mol,则△n(X):
△n(Y):
△n(Z)=3:
1:
2,参加反应的物质的物质的量之比等于化学计量数之比,则反应的方程式为:
3X+Y
2Z;
(2)反应开始至2min,Z的平均反应速率为
;
(3)3min时达到平衡状态,3min时Z的生成速率与消耗速率相等;
(4)温度降低,单位体积内活化分子数会降低,分子运动速率会降低,有效碰撞频率会降低,化学反应速率会减小;
(5)a.生成1molZ表示正向反应速率,生成1.5molX表示逆向反应速率,二者速率之比等于2:
3,与对应物质的系数之比相等,可说明反应达到平衡状态,故a符合题意;
b.未确定该反应速率表示方向,因此无法判断正逆反应速率是否相等,因此不能确定反应是否达到平衡状态,且处于平衡状态时,其X、Y、Z的反应速率之比为3:
1:
2,故b不符合题意;
c.同一物质的正反应速率等于逆反应速率,说明各物质的浓度不再发生变化,可说明反应处于平衡状态,故c符合题意;
d.X的浓度保持不变,则说明正逆反应速率相等,可说明反应达到平衡状态,故d符合题意;
故答案为:
acd。
【点睛】
判断化学平衡状态的方法:
各种“量”不变:
①各物质的质量、物质的量或浓度不变;②各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数等)不变;③温度、压强(化学反应方程式两边气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变;总之,若物理量由变量变成了不变量,则表明该可逆反应达到平衡状态;若物理量为“不变量”,则不能作为平衡标志。
7.一定温度下,向1.0L的密闭容器中加入0.60molX(g),发生反应X(g)
Y(s)+2Z(g),测得反应物X的浓度与反应时间的关系如表所示:
反应时间t/min
0
1
2
3
4
6
8
c(X)/(mol·L-1)
0.60
0.42
0.30
0.21
0.15
a
0.0375
(1)0~3min内用Z表示的平均反应速度v(Z)=___。
(2)分析该反应中反应物的浓度与时间的关系,得出的结论是___。
由此规律推出在6min时反应物X的浓度为___mol·L-1。
(3)该反应的逆反应速率随时间变化的曲线如图所示,t2时改变的条件可能是___、___。
【答案】0.26mol·L-1·min-1每隔2minX的浓度减少为原来的一半0.075加入Z增大体系的压强
【解析】
【分析】
(1)0~3min内可先求出X表示的平均反应速率,然后利用化学计量数关系求出用Z表示的平均反应速度v(Z)。
(2)分析该反应中反应物的浓度与时间的关系,寻找规律数据的规律性,由此得出的结论。
由此规律可推出在6min时反应物X的浓度。
(3)依据反应,t2时改变的条件从浓度、压强、温度、催化剂等条件进行分析。
【详解】
(1)0~3min内,∆c(X)=(0.60-0.21)mol/L=0.39mol/L,平均反应速率v(X)=
=0.13mol·L-1·min-1,而v(Z)=2v(X),故v(Z)=0.26mol·L-1·min-1。
答案为:
0.26mol·L-1·min-1;
(2)根据表中数据可知,每隔2min,X的浓度减少为原来的一半,由此规律推出在6min时反应物X的浓度为0.075mol·L-1。
答案为:
0.075;
(3)
时刻,
瞬间增大,可能的原因是加入生成物Z或增大体系的压强。
答案为:
加入Z;增大体系的压强。
【点睛】
从数据中确定a,也就是必须找出数据间隐藏的规律。
我们在寻找此规律时,若从相邻数据间找不到规律,就从相隔数据间去寻找规律。
8.“低碳经济”已成为全世界科学家研究的重要课题。
为减小和消除C