D.T1温度下的平衡常数为K1,T3温度下的平衡常数为K3,若K1>K3,则T1>T3
解析:
选C v(N2O5)=
=2.96×10-3mol·L-1·s-1,A正确;1000s后N2O5的浓度不再发生变化,即达到了化学平衡,列出三段式:
2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)
起始/(mol·L-1) 5.00 0 0
转化/(mol·L-1)2.505.001.25
平衡/(mol·L-1)2.505.001.25
则K=
=
=125,α(N2O5)=
×100%=50%,B正确;1000s时,T2温度下的N2O5浓度大于T1温度下的N2O5浓度,则改变温度使平衡逆向移动了,逆向是放热反应,则降低温度平衡向放热反应方向移动,即T2K3,则T1>T3,D正确。
6.T1℃时,向容器为2L的密闭容器中充入一定量的A(g)和B(g),发生如下反应A(g)+2B(g)C(g)。
反应过程中测定的部分数据如下表:
反应时间/min
n(A)/mol
n(B)/mol
0
1.00
1.20
10
0.50
30
0.20
下列说法错误的是( )
A.前10min内反应的平均速率为
v(C)=0.0250mol·L-1·min-1
B.其他条件不变,起始时向容器中充入0.50molA(g)和0.60molB(g),达到平衡时n(C)<0.25mol
C.其他条件不变时,向平衡体系中再充入0.50molA,与原平衡相比,达到平衡时B的转化率增大,A的体积分数增大
D.温度为T2℃时(T1>T2),上述反应的平衡常数为20,则该反应的正反应为放热反应
解析:
选D 前10min内消耗0.50molA,同时生成0.50molC,则有v(C)=
=0.0250mol·L-1·min-1,A正确。
10min时,反应的n(B)=2n(A)=2×(1.00mol-0.50mol)=1.00mol,则10min时,B的物质的量为0.20mol,与30min时B的物质的量相等,则反应10min时已达到平衡状态;其他条件不变,若起始时向容器中充入0.50molA(g)和0.60molB(g),将容积缩小为原来的
时与原平衡等效,达到平衡时n(C)=0.25mol,但扩大容积,恢复到原体积,压强减小,平衡逆向移动,故达到平衡时n(C)<0.25mol,B正确。
其他条件不变时,向平衡体系中再充入0.50molA,平衡正向移动,与原平衡相比,达到平衡时B的转化率增大,A的体积分数增大,C正确。
由上述分析可知,10min时n(A)=0.50mol,此时达到平衡状态,A、B、C的浓度(mol·L-1)分别为0.25、0.10和0.25,则有K(T1)=
=
=100>K(T2)=20,说明升高温度,平衡正向移动,则该反应的正反应为吸热反应,D错误。
7.工业合成氨反应为N2(g)+3H2(g)
2NH3(g),对其研究如下:
(1)已知H—H键的键能为436kJ·mol-1,N—H键的键能为391kJ·mol-1,N≡N键的键能是945.6kJ·mol-1,则上述反应的ΔH=________。
(2)上述反应的平衡常数K的表达式为______________________________________。
若反应方程式改写为
N2(g)+
H2(g)NH3(g),在该温度下的平衡常数K1=______
(用K表示)。
(3)在773K时,分别将2molN2和6molH2充入一个固定容积为1L的密闭容器中,随着反应的进行,气体混合物中n(H2)、n(NH3)与反应时间t的关系如下表:
t/min
0
5
10
15
20
25
30
n(H2)/mol
6.00
4.50
3.60
3.30
3.03
3.00
3.00
n(NH3)/mol
0
1.00
1.60
1.80
1.98
2.00
2.00
①该温度下,若向同容积的另一容器中投入的N2、H2、NH3的浓度分别为3mol·L-1、3mol·L-1、3mol·L-1,则此时v正________(填“大于”“小于”或“等于”)v逆。
②由上表中的实验数据计算得到“浓度-时间”的关系可用下图中的曲线表示,表示c(N2)t的曲线是___________________________________________________________。
在此温度下,若起始充入4molN2和12molH2,则反应刚达到平衡时,表示c(H2)t的曲线上相应的点为____________________________________________________________。
解析:
(1)根据ΔH=E(反应物的总键能)-E(生成物的总键能),知ΔH=945.6kJ·mol-1+436kJ·mol-1×3-391kJ·mol-1×6=-92.4kJ·mol-1。
(2)该反应的平衡常数K=
,
K1=
=
=K
。
(3)①该温度下,25min时反应处于平衡状态,平衡时c(N2)=1mol·L-1、c(H2)=3mol·L-1、c(NH3)=2mol·L-1,则K=
=
。
在该温度下,若向同容积的另一容器中投入的N2、H2和NH3的浓度均为3mol·L-1,则Q=
=
=
<K,反应向正反应方向进行,故v正大于v逆;②起始充入4molN2和12molH2,相当于将充入2molN2和6molH2的两个容器“压缩”为一个容器,假设平衡不移动,则平衡时c(H2)=6mol·L-1,而“压缩”后压强增大,反应速率加快,平衡正向移动,故平衡时3mol·L-1<c(H2)<6mol·L-1,且达到平衡的时间缩短,故对应的点为B。
答案:
(1)-92.4kJ·mol-1
(2)K=
K
(或
) (3)①大于 ②乙 B
8.甲烷在日常生活及有机合成中用途广泛,某研究小组研究甲烷在高温下气相裂解反应的原理及其应用。
(1)已知:
CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l)
ΔH1=-890.3kJ·mol-1
C2H2(g)+
O2(g)===2CO2(g)+H2O(l)
ΔH2=-1299.6kJ·mol-1
2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH3=-571.6kJ·mol-1
则甲烷气相裂解反应:
2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)的ΔH=________。
(2)该研究小组在研究过程中得出当甲烷分解时,几种气体平衡时分压(Pa)与温度(℃)的关系如图所示。
①T1℃时,向2L恒容密闭容器中充入0.3molCH4只发生反应2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g),达到平衡时,测得c(C2H4)=c(CH4)。
该反应达到平衡时,CH4的转化率为________。
②对上述平衡状态,若改变温度至T2℃,经10s后再次达到平衡,c(CH4)=2c(C2H4),则10s内C2H4的平均反应速率v(C2H4)=________,上述变化过程中T1________(填“>”或“<”)T2,判断理由是____________________________________________________。
(3)若容器中发生反应2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g),列式计算该反应在图中A点温度时的平衡常数K=________(用平衡分压代替平衡浓度);若只改变一个反应条件使该反应的平衡常数K值变大,则该条件是________(填字母)。
A.可能减小了C2H2的浓度
B.一定是升高了温度
C.可能增大了反应体系的压强
D.可能使用了催化剂
解析:
(1)将三个已知的热化学方程式依次编号为①②③,根据盖斯定律,由①×2-②-③×
可得热化学方程式2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g) ΔH=+376.4kJ·mol-1。
(2)①设达到平衡时,甲烷转化了xmol·L-1,根据“三段式”法进行计算:
2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)
起始/(mol·L-1) 0.15 0 0
转化/(mol·L-1)x0.5xx
平衡/(mol·L-1)0.15-x0.5xx
则有0.15-x=0.5x,解得x=0.1,故CH4的转化率为
×100%≈66.7%。
②由图像判断出该反应为吸热反应,因重新达到平衡后甲烷的浓度增大,故反应逆向移动,则T1℃→T2℃为降温过程,即T1>T2。
结合①的计算结果,设重新达到平衡时,甲烷的浓度变化了ymol·L-1,根据“三段式”法进行计算:
2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)
起始/(mol·L-1) 0.05 0.05 0.1
转化/(mol·L-1)y0.5yy
平衡/(mol·L-1)0.05+y 0.05-0.5y0.1-y
则有0.05+y=2×(0.05-0.5y),解得y=0.025。
则v(C2H4)=
=0.00125mol·L-1·s-1。
(3)由题图中数据可知,平衡时各物质分压如下:
2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)
1×103 1×10-1 1×104
平衡常数K=
=1×105。
平衡常数只与温度有关,由题给图像可知该反应为吸热反应,则升高温度可使化学平衡常数增大。
答案:
(1)+376.4kJ·mol-1
(2)①66.7% ②0.00125mol·L-1·s-1 > 从题给图像判断出该反应为吸热反应,对比T1℃和T2℃两种平衡状态,由T1℃到T2℃,CH4浓度增大,说明平衡逆向移动,则T1>T2
(3)1×105 B
9.Ⅰ.某压强下工业合成氨生产过程中,N2与H2按体积比为1∶3投料时,反应混合物中氨的体积分数随温度的变化曲线如图甲所示,其中一条是经过一定时间反应后的曲线,另一条是平衡时的曲线。
(1)图甲中表示该反应的平衡曲线的是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”);由图甲中曲线变化趋势可推知工业合成氨的反应是________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)图甲中a点,容器内气体n(N2)∶n(NH3)=________,图甲中b点,v(正)________v(逆)(填“>”“=”或“<”)。
Ⅱ.以工业合成氨为原料,进一步合成尿素的反应原理为2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(l)+H2O(g)。
工业生产时,需要原料气带有水蒸气,图乙中曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示在不同水碳比
时,CO2的平衡转化率与氨碳比
之间的关系。
(1)写出该反应的化学平衡常数表达式:
________________________________________________________________________。
(2)曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最大的是________,判断依据是________________________________________________________________________。
(3)测得B点氨气的平衡转化率为40%,则x1=_______。
解析:
Ⅰ.
(1)曲线Ⅱ表示随着反应的进行,NH3的体积分数逐渐增大,但反应达到平衡状态后继续升温,氨气的体积分数减小,这表明平衡后升高温度,平衡逆向移动,故合成氨是放热反应。
因合成氨为放热反应,故随着温度的升高,平衡逆向移动,NH3的体积分数会逐渐降低,故曲线Ⅰ表示该反应平衡时的曲线。
(2)设反应前N2、H2的物质的量分别为1mol、3mol,a点时消耗N2的物质的量为xmol。
N2+3H22NH3
n(初始)/mol130
n(变化)/molx3x2x
n(平衡)/mol1-x3-3x2x
=50%,解得x=
,此时n(N2)∶n(NH3)=
∶
=1∶4。
由图甲知,b点后NH3的体积分数仍在增大,说明反应仍在向正反应方向进行,此时v(正)>v(逆)。
Ⅱ.
(2)当氨碳比一定时,水碳比越大,说明原料气中含水蒸气越多,故二氧化碳的转化率越小,则曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中对应的水碳比最大的是曲线Ⅲ。
(3)B点二氧化碳的平衡转化率为60%,氨气的平衡转化率是40%,设NH3、CO2的起始物质的量分别为xmol、ymol,则xmol×40%×
=ymol×60%,解得
=3,即x1=3。
答案:
Ⅰ.
(1)Ⅰ 放热
(2)1∶4 >
Ⅱ.
(1)K=
(2)Ⅲ 当氨碳比相同时,水碳比越大,CO2的平衡转化率越小 (3)3
10.甲醚又称二甲醚,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”。
由合成气(CO、H2)制备二甲醚的反应原理如下:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
ΔH1=-90.0kJ·mol-1
②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2
回答下列问题:
(1)若由合成气(CO、H2)制备1molCH3OCH3(g),且生成H2O(l),整个过程中放出的热量为244kJ,则ΔH2=________kJ·mol-1。
[已知:
H2O(l)===H2O(g) ΔH=+44.0kJ·mol-1]
(2)有人模拟该制备原理,500K时,在2L的密闭容器中充入2molCO和6molH2,5min达到平衡,平衡时CO的转化率为60%,c(CH3OCH3)=0.2mol·L-1,用H2表示反应①的速率是________mol·L-1·min-1,可逆反应②的平衡常数K2=________。
若在500K时,测得容器中n(CH3OCH3)=2n(CH3OH),此时反应②的v正______v逆(填“>”“<”或“=”)。
(3)在体积一定的密闭容器中发生反应②,如果该反应的平衡常数K2值变小,下列说法正确的是________。
A.在平衡移动过程中逆反应速率先增大后减小
B.容器中CH3OCH3的体积分数增大
C.容器中混合气体的平均相对分子质量减小
D.达到新平衡后体系的压强增大
(4)一定条件下在恒温恒容的密闭容器中,按不同投料比充入CO(g)和H2(g)进行反应①,平衡时CO(g)和H2(g)的转化率如图所示,则a=________(填数值)。
解析:
(1)已知①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90.0kJ·mol-1,②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2,③H2O(l)===H2O(g) ΔH3=+44.0kJ·mol-1。
由合成气(CO、H2)制备1molCH3OCH3(g),且生成H2O(l),整个过程中放出的热量为244kJ,可写出热化学方程式为④2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(l) ΔH4=-244kJ·mol-1。
根据盖斯定律可知反应④=①×2+②-③,则ΔH4=2ΔH1+ΔH2-ΔH3,所以ΔH2=ΔH4+ΔH3-2ΔH1=-20.0kJ·mol-1。
(2) CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
起始量/(mol·L-1)130
转化量/(mol·L-1)0.61.20.6
平衡量/(mol·L-1)0.41.80.6
所以,用H2表示反应①的速率是v(H2)=
=
=0.24mol·L-1·min-1。
2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
起始量/(mol·L-1)0.600
转化量/(mol·L-1)0.40.20.2
平衡量/(mol·L-1)0.20.20.2
所以,可逆反应②的平衡常数K2=
=1。
若500K时,测得容器中n(CH3OCH3)=2n(CH3OH),n(CH3OCH3)=n(H2O),Q=
=4>K2,此时反应②向逆反应方向进行,所以v正<v逆。
(3)在体积一定的密闭容器中发生反应②,如果该反应的平衡常数K2值变小,由于平衡常数只受温度影响,正反应为放热反应,说明反应体系的温度升高了,正、逆反应速率都增大,化学平衡向逆反应方向移动,逆反应速率逐渐减小,正反应速率逐渐增大;由于反应前后气体分子数不变,容器中混合气体的平均相对分子质量不变;平衡逆向移动,所以容器中CH3OCH3的体积分数减小;虽然气体分子数不变,但是温度比原平衡升高使得达到新平衡后体系的压强增大。
综上所述,A、D正确。
(4)转化率=
×100%,不同反应物的变化量之比等于化学计量数之比,所以当反应物的起始量之比等于化学计量数之比时,不同反应物的转化率必然相等,所以
a=2。
答案:
(1)-20.0
(2)0.24 1 < (3)AD (4)2