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化学反应的方向与限度
(时间:45分钟 满分:100分)
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分,每小题只有一个选项符合题目要求)
1.(2013北京理综)下列实验事实不能用平衡移动原理解释的是( )
A.
将NO2球浸泡在冷水和热水中
B.
t/℃
25
50
100
KW/10-14
1.01
5.47
55.0
C.
D.
c(氨水)/(mol·L-1)
0.1
0.01
pH
11.1
10.6
答案:C
解析:催化剂不能使化学平衡发生移动,C选项与化学平衡移动无关。
2.下列关于ΔH-TΔS说法中正确的是( )
A.ΔH-TΔS可用于判断所有条件下的反应能否自发进行
B.ΔH-TΔS只用于判断温度、体积一定的反应能否自发进行
C.ΔH-TΔS只用于判断温度、压强一定的反应能否自发进行
D.ΔH-TΔS<0的反应,在该条件下一定剧烈反应
答案:C
解析:ΔH-TΔS这一复合判据只能用于判断温度、压强一定的条件下反应能否自发进行,当ΔH-TΔS<0只能判断该条件下反应自发进行的趋势,能否实际发生还应考虑反应速率。
3.对于任意一个化学平衡体系,以下变化或采取的措施能说明平衡一定发生移动的是( )
①加入一种反应物 ②增大体系的压强 ③化学平衡常数减小 ④使用催化剂 ⑤各组分的百分含量发生变化
A.①③ B.②③④ C.③⑤ D.①②④⑤
答案:C
解析:当反应物为固体或纯液体时改变它们的用量平衡不移动;压强对气体体积不变的可逆反应无影响;平衡常数发生改变,一定是改变了温度,平衡一定发生移动;催化剂等程度改变正、逆反应速率,对平衡无影响;当反应混合物中各组分的百分含量发生改变时平衡一定发生移动。
4.25 ℃时,在含有Pb2+、Sn2+的某溶液中,加入过量金属锡(Sn),发生反应:Sn(s)+Pb2+(aq)Sn2+(aq)+Pb(s),体系中[Pb2+]和[Sn2+]变化关系如图所示。下列判断正确的是( )
A.往平衡体系中加入金属铅后,[Pb2+]增大
B.往平衡体系中加入少量Sn(NO3)2固体后,[Pb2+]变小
C.升高温度,平衡体系中[Pb2+]增大,说明该反应ΔH>0
D.25 ℃时,该反应的平衡常数K=2.2〚导学号95380253〛
答案:D
解析:A项,金属铅属于固体,加入金属铅平衡不移动;B项,加入Sn2+,平衡逆向移动,[Pb2+]增大;C项,升温时,平衡向吸热方向移动,由于[Pb2+]增大,说明正反应放热,ΔH<0;D项,根据平衡后[Pb2+]和[Sn2+],可以求出K=2.2,正确。
5.高温下,某反应在催化剂作用下达到平衡,平衡常数K=。恒容时,温度升高,H2浓度减小。下列说法中正确的是( )
A.该反应的焓变为正值
B.恒温恒容下,增大压强,H2浓度一定减小
C.升高温度,逆反应速率减小
D.该反应的化学方程式为CO+H2OCO2+H2〚导学号95380254〛
答案:A
解析:根据平衡常数的表达式可得出该反应的化学方程式为CO2+H2CO+H2O;升高温度,正、逆反应速率均增大;温度升高,H2浓度减小,平衡正向移动,说明正反应是吸热的,焓变为正值;在恒温恒容下,增大压强的方法有多种,H2浓度变化不确定。
6.据报道,在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实,其反应的化学方程式为2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g)。下列叙述中正确的是( )
A.当v(CO2)=2v(CH3CH2OH)时,反应一定达到平衡状态
B.当平衡向正反应方向移动时,平衡常数一定增大
C.增大压强,可提高CO2和H2的转化率
D.相同条件下,2 mol氢原子所具有的能量等于1 mol氢分子所具有的能量
答案:C
解析:A项没说明正逆速率,所以无法判断正逆速率相等,错误;B项,平衡常数只与温度有关,所以平衡正向移动,平衡常数不一定改变,错误;C项,增大压强,平衡正向移动,可以提高反应物的转化率,正确;D项,2 mol氢原子形成氢分子放出能量,所以二者具有的能量不相等,错误。
7.(2015北京海淀期末)工业上用CO和H2合成CH3OH:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。反应的平衡常数如表所示:
温度/℃
0
100
200
300
400
平衡常数
667
13
1.9×10-2
2.4×10-4
1×10-5
下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH>0
B.加压、增大H2浓度和加入催化剂都能提高CO的转化率
C.工业上采用5×103 kPa和250 ℃的条件,其原因是原料气的转化率高
D.t ℃时,向1 L密闭容器中投入0.1 mol CO和0.2 mol H2,平衡时CO的转化率为50%,则该温度时反应的平衡常数的数值为100
答案:D
解析:由表中数据看出,随温度升高平衡常数减小,说明温度升高,平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0,A项错误;加入催化剂不能提高反应物的转化率,B项错误;增大压强有利于增大反应物的转化率,而升高温度则不利于增大反应物的转化率,工业上选用250 ℃的条件主要考虑催化剂的催化活性和反应速率,C项错误;t ℃时,向1 L密闭容器中投入0.1 mol CO和0.2 mol H2,平衡时CO的转化率为50%,则平衡时CO、H2、CH3OH的浓度分别为0.05 mol·L-1、0.1 mol·L-1和0.05 mol·L-1,化学平衡常数K==100,D项正确。
8.(2015山东日照模拟)相同温度下,体积均为0.25 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应:
X2(g)+3Y2(g)2XY3(g) ΔH=-92.6 kJ·mol-1
实验测得反应在起始、达到平衡时的有关数据如下表所示:
容器
编号
起始时各物质物质的量/mol
达平衡时体
系能量的变化
X2
Y2
XY3
①
1
3
0
放热23.15 kJ
②
0.6
1.8
0.8
Q(Q>0)
下列叙述不正确的是( )
A.容器①、②中反应的平衡常数相等
B.达平衡时,两个容器中XY3的物质的量浓度均为2 mol·L-1
C.容器②中反应达到平衡时放出的热量为Q
D.若将容器①体积缩小为0.20 L,则达平衡时放出的热量大于23.15 kJ
答案:C
解析:温度不变,化学平衡常数不变,A项正确;达到平衡时,容器①中平衡与容器②中平衡为等效平衡,利用容器①中数据进行计算:由放出热量的数值可知X2的转化率为×100%=25%,平衡时XY3的物质的量为0.5 mol,故其浓度为=2 mol·L-1,B项正确;由以上分析可知,容器②中反应逆向进行才能达到平衡,故容器②中反应达到平衡时吸收的热量为Q,C项错误;若将容器①体积缩小,则平衡右移,放出的热量多,D项正确。
9.(2015安徽联考)氢能是最重要的新能源,储氢是氢能利用的关键技术,其中一种储氢的方法为:
(g)(g)+3H2(g) ΔH>0。
若该反应在恒容的密闭容器中进行,下列有关该反应的图像判断正确的是( )
〚导学号95380255〛
答案:D
解析:该反应正反应为吸热反应,升温,平衡常数增大,A项图像错误;增大环己烷的物质的量,环己烷的转化率应降低,B项图像错误;根据“先拐先平数值大”知p1>p2,增大压强平衡逆向移动,苯的体积分数应减小,C项图像错误;t1时使用催化剂,该可逆反应的正、逆反应速率同等倍数增大,D项图像正确。
10.(2015江西南昌调研)化工生产中常用MnS作沉淀剂除去工业废水中的Cu2+:
Cu2+(aq)+MnS(s)CuS(s)+Mn2+(aq)
下列有关叙述中正确的是( )
①MnS的Ksp大于CuS的Ksp
②达到平衡时c(Mn2+)=c(Cu2+)
③溶液中加入少量Na2S固体后,溶液中c(Cu2+)、c(Mn2+)保持不变
④该反应平衡常数K=
A.①④ B.②③ C.①②③ D.②③④
答案:A
解析:化学式相似的物质,溶度积大的物质可转化为溶度积小的物质,所以MnS的Ksp比CuS的Ksp大,①正确;该反应达到平衡时各离子的浓度保持不变,但不一定相等,②错误;溶液中加入少量Na2S固体后,溶液中c(S2-)增大,由于温度不变,溶度积不变,故c(Cu2+)、c(Mn2+)均减小,③错误;反应的平衡常数K===,④正确。
二、非选择题(本题共4个小题,共50分)
11.(2015南昌模拟)(12分)CO2是引起“温室效应”的主要物质,节能减排,高效利用化石能源,控制CO2排放,探索CO2的循环利用是保护环境,促进经济可持续发展的重要举措。
在一定温度下,向2 L固定容积的密闭容器中通入2 mol CO2,3 mol H2,发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-490 kJ·mol-1。测得CO2(g)和CH3OH(g)的浓度随时间变化如图所示。
(1)能说明该反应已达到平衡状态的是 。
A.CO2(g)体积分数在混合气体中保持不变
B.单位时间内有1.2 mol H—H键断裂,同时有1.2 mol O—H键生成
C.混合气体的密度不随时间变化
D.体系中c(H2O)∶c(CH3OH)=1∶1,且保持不变
(2)下列措施能使增大的是 。
A.升高温度
B.恒温恒容充入He(g)
C.使H2O(g)变成H2O(l)
D.恒温恒容下,再充入2 mol CO2,3 mol H2
(3)计算该温度下此反应的平衡常数K= ;若使K=1,则应采取的措施是 。
A.增大压强 B.恒压加入一定量H2
C.恒容通入CO2 D.降低温度
E.升高温度
答案:(1)A (2)CD (3)0.20 D
解析:(1)反应达平衡时各物质的物质的量、体积分数、浓度保持不变,A项能说明反应已达到平衡状态;B项表示同一方向,B项不能说明反应已达到平衡状态;反应物和生成物均为气体且容器的容积不变,则密度为一定值,C项不能说明反应已达到平衡状态;由反应方程式CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)可知,体系中c(CH3OH)∶c(H2O)始终为1∶1,D项不能说明反应已达到平衡状态。(2)A项,该反应为放热反应,升高温度,平衡左移,比值变小;B项,恒温恒容时充入He(g),平衡不发生移动,比值不变;C项,使H2O(g)变成H2O(l),平衡右移,比值增大;D项,恒温恒容下,再充入2 mol CO2,3 mol H2,相当于增大压强,平衡右移,比值增大。本题选C、D。(3)由图像可以得到平衡时CH3OH的浓度为0.25 mol·L-1,CO2的浓度为0.75 mol·L-1。根据“三段式”得:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
开始/(mol·L-1) 1 1.5 0 0
转化/(mol·L-1) 0.25 0.75 0.25 0.25
平衡/(mol·L-1) 0.75 0.75 0.25 0.25
K===0.20,若使平衡常数K增大到1,则应使平衡右移,且必须改变温度,分析选项知只有D项符合。
12.(2015北京朝阳期末)(12分)甲醇汽油是一种新能源清洁燃料,可以作为汽油的替代物。工业上可用CO和H2制取甲醇,化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=a kJ·mol-1。
为研究平衡时CO的转化率与反应物投料比及温度的关系,研究小组在10 L的密闭容器中进行模拟反应,并绘出下图:
回答下列问题。
(1)反应热a (填“>”或“<”)0,判断依据是
。
(2)若其他条件相同,曲线Ⅰ、Ⅱ分别表示投料比不同时的反应过程。
①投料比:Ⅰ (填“>”或“<”)Ⅱ。
②若Ⅱ反应的n0(CO)=10 mol、投料比为0.5,A点的平衡常数KA= ,B点的平衡常数KB (填“>”“<”或“=”)KA。
(3)为提高CO转化率可采取的措施是 (至少答出两条)。
答案:(1)< 升高温度,CO的转化率降低,平衡左移,正反应为放热反应 (2)①< ②1 = (3)减小投料比、降低温度、增大压强、分离出CH3OH(任选两条)
解析:(1)从曲线走向看,随温度的升高CO的转化率降低,说明平衡逆向移动,正反应为放热反应,ΔH<0,即a<0。
(2)①由A到B,CO的转化率升高,c(CO)不变时,增大c(H2)可提高CO的转化率,减小,故Ⅰ<Ⅱ。
②n(CO)=10 mol,n(H2)=20 mol,CO的转化率为50%,可列出三段式:
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=a kJ·mol-1
1 2 0
0.5 1 0.5
0.5 1 0.5
K==1
由于A、B温度相同,故KB=KA。
(3)提高CO的转化率,可减小投料比、降温、加压、分离出CH3OH等。
13.(2015广东深圳模拟)(12分)在100 ℃时,将0.100 mol N2O4气体充入1 L恒容抽空的密闭容器中,隔一定时间对该容器内物质的浓度进行分析得到如表数据:
时间(s)
0
20
40
60
80
[N2O4]/(mol·L-1)
0.100
c1
0.050
c3
c4
[NO2]/(mol·L-1)
0.000
0.060
c2
0.120
0.120
(1)该反应的平衡常数表达式为 ;从表中分析:c1 (填“>”“<”或“=”,下同)c2,c3 c4。
(2)在上述条件下,从反应开始直至达到化学平衡时,N2O4的平均反应速率为 mol·L-1·s-1。
(3)达到平衡后下列条件的改变可使NO2气体浓度增大的是 (填字母序号)。
A.扩大容器的容积
B.再充入一定量的N2O4
C.分离出一定量的NO2
D.再充入一定量的He
(4)若在相同条件下,起始时只充入0.080 mol NO2气体,则达到平衡时NO2气体的转化率为 。
答案:(1)K= < = (2)0.001 (3)B (4)25%
解析:(1)本题的化学方程式为N2O4(g)2NO2(g),由表中数据可计算出c1=0.070,c2=0.100,根据60 s和80 s时[NO2]相等可确定在60 s时反应已达平衡状态,则有c3=c4。(2)由表中数据知,从反应开始直至达到化学平衡,v(NO2)=0.002 mol·L-1·s-1,则v(N2O4)=0.001 mol·L-1·s-1。(3)选项A和C中改变条件后,[NO2]减小,选项D中改变条件后,[NO2]保持不变。(4)在题设条件下反应N2O4(g)2NO2(g)的平衡常数K===0.36。现充入NO2气体0.080 mol,相当于0.040 mol N2O4,设达到平衡时N2O4的浓度变化了x mol·L-1,则有K===0.36,解得x=0.030,即达到平衡时混合气体中有0.06 mol NO2和0.01 mol N2O4,所以NO2的转化率为25%。
14.(2014全国Ⅱ)(14分)在容积为1.00 L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应N2O4(g)2NO2(g),随温度升高,混合气体的颜色变深。
回答下列问题:
(1)反应的ΔH (填“大于”或“小于”)0;100 ℃时,体系中各物质浓度随时间变化如上图所示。在0~60 s时段,反应速率v(N2O4)为 mol·L-1·s-1;反应的平衡常数K1为 。
(2)100 ℃时达平衡后,改变反应温度为T,c(N2O4)以0.002 0 mol·L-1·s-1的平均速率降低,经10 s又达到平衡。
a.T (填“大于”或“小于”)100 ℃,判断理由是 。
b.列式计算温度T时反应的平衡常数K2: 。
(3)温度T时反应达平衡后,将反应容器的容积减少一半。平衡向 (填“正反应”或“逆反应”)方向移动,判断理由是
。
〚导学号95380256〛
答案:(1)大于 0.001 0 0.36 mol·L-1
(2)a.大于 反应正方向吸热,反应向吸热方向进行,故温度升高
b.平衡时,[NO2]=0.120 mol·L-1+0.002 0 mol·L-1·s-1×10 s×2=0.16 mol·L-1
[N2O4]=0.040 mol·L-1-0.002 0 mol·L-1·s-1×10 s=0.020 mol·L-1 K2==1.3 mol·L-1
(3)逆反应 对于气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动
解析:(1)随温度升高气体颜色变深,正向为吸热反应,ΔH>0;v(N2O4)===0.001 0 mol·L-1·s-1;K1===0.36 mol·L-1。(2)a.改变温度后,N2O4浓度减小,反应正向进行,正向吸热,故温度升高。b.平衡时,[NO2]=0.120 mol·L-1+0.002 mol·L-1·s-1×10 s×2=0.16 mol·L-1
[N2O4]=0.040 mol·L-1-0.002 0 mol·L-1·s-1×10 s=0.020 mol·L-1 K2==1.3 mol·L-1。
(3)增大压强,平衡向气体分子数减小的方向进行,将反应容器的体积减少一半,相当于增大压强,故平衡向逆反应方向进行。
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