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专题能力训练5　化学反应速率与化学平衡
一、选择题
1.乙二醇制备原理为CH3OOC—COOCH3(g)+4H2(g)HOCH2—CH2OH(g)+2CH3OH(g)　ΔH=-34 kJ·mol-1,下图表示一定温度下,达到平衡时乙二醇的产率随原料投料比[n(氢气)n(草酸二甲酯)]和压强的变化关系,其中三条曲线分别表示体系压强为1.5 MPa、2.5 MPa、3.5 MPa的情况,下列说法中正确的是(　　)。

A.原料投料比[n(氢气)n(草酸二甲酯)]增大,平衡常数K增大
B.原料投料比[n(氢气)n(草酸二甲酯)]越大,乙二醇的产率越小
C.升高温度后,v正>v逆
D.曲线丙对应的压强p(丙)=1.5 MPa
2.25 ℃,向40 mL 0.05 mol·L-1的FeCl3溶液中加入10 mL 0.15 mol·L-1的KSCN溶液,发生反应:FeCl3+3KSCNFe(SCN)3+3KCl,混合溶液中c(Fe3+)与反应时间(t)的变化如图所示。(盐类的水解影响、混合时溶液的体积变化均忽略不计)下列说法正确的是(　　)。

A.t4时向溶液中加入少量KCl固体,平衡不移动
B.E点对应的坐标为(0,0.05)
C.该反应的平衡常数表达式为K=
c[Fe(SCN)3]·c3(KCl)c(FeCl3)·c3(KSCN)
D.在该反应过程中,A点的正反应速率小于B点的逆反应速率
3.T K时,向2.0 L恒容密闭容器中充入0.10 mol COCl2,发生反应COCl2(g)Cl2(g)+CO(g),经过一段时间后反应达到平衡。反应过程中测得的部分数据见下表:
t/min
0
2
4
6
8
n(Cl2)/mol
0
0.030
0.039
0.040
0.040
下列说法正确的是(　　)。
A.保持其他条件不变,升高温度,平衡时c(Cl2)=0.038 mol·L-1,则反应的ΔH<0
B.前2 min内的平均反应速率v(CO)=0.015 mol·L-1·min-1
C.保持其他条件不变,起始时向容器中充入0.12 mol COCl2、0.060 mol Cl2和0.060 mol CO,反应达到平衡前的速率:v正<v逆
D.若反应过程中容器内气体的密度保持不变,即可判断该反应已达到化学平衡状态
二、非选择题
4.(2022广西南宁高三测试)Ⅰ.氨是重要的基础化工品之一。
(1)已知:N2(g)+O2(g)2NO(g)　ΔH1=+180.5 kJ·mol-1
4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)　ΔH2=-905.0 kJ·mol-1
2H2(g)+O2(g)2H2O(g)　ΔH3=-483.6 kJ·mol-1
①N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的ΔH=　　　　　　　。 
②已知合成氨反应的正反应活化能为Ea(单位为kJ·mol-1),则其逆反应活化能为　　　　　　　kJ· mol-1(用含Ea的代数式表示)。 
(2)T0℃时,在2 L 的恒容密闭容器中投入2 mol N2和6 mol H2发生反应,平衡时H2的体积分数为50%,则该温度下的平衡常数K=　　　　　　　;其他条件不变,若向此平衡体系中再充入3 mol H2和3 mol N2,则平衡　　　　　　　(填“正向”“逆向”或“不”)移动。 
Ⅱ.以NH3和CO2为原料生产尿素(NH2CONH2)的主要原理:
①2NH3(l)+CO2(l)NH2COONH4(l)　ΔH<0　(快反应)
②NH2COONH4(l)H2O(l)+NH2CONH2(l)　ΔH>0　(慢反应)
一定条件下,CO2的平衡转化率与温度、初始氨碳比[L=n(NH3)n(CO2)]的关系如图所示:

(3)两曲线中,L1　　　　　　　(填“>”“<”或“=”)L2。 
(4)若L2=3,T1 ℃时,NH3的平衡转化率为　　　　　　　。 
(5)其他条件不变,随着温度的升高,CO2的平衡转化率先升高后降低,“先升高”的原因是  　; 
“后降低”的原因是设备腐蚀加剧等,CO2的平衡转化率降低。
5.研究减少CO2排放是一项重要课题。CO2经催化加氢可以生成低碳有机物,主要有以下反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.6 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g)　ΔH2=+23.4 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH3
(1)ΔH3=　　　　 kJ·mol-1。 
(2)恒温恒容条件下,在密闭容器中通入等物质的量的CO2和H2,发生反应Ⅰ。下列描述能说明反应Ⅰ达到平衡状态的是　　　　(填字母)。 
A.反应体系总压强保持不变
B.容器内的混合气体的密度保持不变
C.水分子中断裂2NA个H—O键,同时氢分子中断裂3NA个H—H键
D.CH3OH和H2O的浓度之比保持不变
(3)反应Ⅱ在某温度下的平衡常数为0.25,此温度下,在密闭容器中加入等物质的量的CH3OCH3(g)和H2O(g),反应到某时刻测得各组分浓度如下:
物质
CH3OCH3(g)
H2O(g)
CH3OH(g)
浓度(mol·L-1)
1.8
1.8
0.4
此时v正　　　　(填“>”“<”或“=”)v逆,当反应达到平衡状态时,混合气体中CH3OH的体积分数=　　　　%。 
(4)在某压强下,反应Ⅲ在不同温度、不同投料比时,CO2的平衡转化率如图所示。

在T1下,将6 mol CO2和12 mol H2充入2 L的密闭容器中,5 min后反应达到平衡状态,则0~5 min内的平均反应速率v(CH3OCH3)=　　　　　　　;KA、KB、KC三者之间的大小关系为　　　　　　　　　。 
(5)恒压下将CO2和H2按体积比1∶3混合,在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅲ,在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如图。其中:CH3OH的选择性=CH3OH的物质的量反应的CO2的物质的量×100%

在上述条件下合成甲醇的工业条件是　　　　。 
A.210 ℃
B.230 ℃
C.催化剂CZT
D.催化剂CZ(Zr-1)T

参考答案

专题能力训练5　化学反应速率与化学平衡
1.D　解析 温度不变,原料投料比[n(氢气)n(草酸二甲酯)]增大,平衡常数K不变,A项错误;由图像可知,一定范围内原料投料比[n(氢气)n(草酸二甲酯)]越大,乙二醇的产率越大,B项错误;该反应正向放热,升高温度,平衡向逆反应方向移动,故v正<v逆,C项错误;该反应是气体分子数减小的反应,增大压强,平衡正向移动,乙二醇的产率增大,D项正确。
2.A　解析 反应中K+和Cl-不参与反应,t4时向溶液中加入少量KCl固体,Fe3+、SCN-、Fe(SCN)3的浓度都不发生改变,所以平衡不移动,A正确;E点时,c(Fe3+)=0.04 L×0.05mol·L-10.05 L=0.04 mol·L-1,所以对应的坐标为(0,0.04),B错误;该反应中,K+和Cl-没有参与反应,所以平衡常数表达式应为K=c[Fe(SCN)3]c(Fe3+)·c3(SCN-),C错误;在该反应未达到平衡时,正反应速率都大于逆反应速率,所以A点的正反应速率大于B点的逆反应速率,D错误。
3.C　解析 由表中数据可知,6 min时已经达到平衡,生成氯气为0.040 mol,其浓度为0.040mol2.0 L=0.02 mol·L-1,升高温度,平衡时c(Cl2)=0.038 mol·L-1,可知升高温度平衡正向移动,即正反应为吸热反应,反应的ΔH>0,故A错误;前2 min生成氯气为0.030 mol,由反应可知生成CO为0.030 mol,前2 min的平均反应速率v(CO)=0.030mol2.0 L2min=0.007 5 mol·L-1·min-1,故B错误;由表中数据可知K=
0.02mol·L-1×0.02 mol·L-10.03mol·L-1≈0.013,起始时向容器中充入0.12 mol COCl2、0.060 mol Cl2和0.060 mol CO,Qc=0.03mol·L-1×0.03 mol·L-10.06mol·L-1=0.015>0.013,平衡逆向移动,可知达到平衡前的速率:v正<v逆,故C正确;反应物和生成物都是气体,反应前后气体总质量不变,体积不变,反应过程中容器内气体的密度任意时刻保持不变,不可判断该反应已达到化学平衡状态,故D错误。
4.答案 (1)①-92.4 kJ· mol-1　②(Ea+92.4)
(2)0.593　正向
(3)>
(4)50%
(5)反应②为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,使NH2COONH4(l)的物质的量减少,从而使反应①平衡正向移动,CO2的转化率增大
解析 (1)ⅰ.N2(g)+O2(g)2NO(g)　ΔH1=+180.5 kJ· mol-1
ⅱ.4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)
ΔH2=-905.0 kJ· mol-1
ⅲ.2H2(g)+O2(g)2H2O(g)　ΔH3=-483.6 kJ· mol -1
①根据盖斯定律,将(ⅰ×2-ⅱ+ⅲ×3)÷2,即得N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的ΔH=(2×180.5 kJ·mol -1+905.0 kJ· mol-1-3×483.6 kJ· mol-1)÷2=-92.4 kJ· mol-1。
②合成氨反应为放热反应,正反应活化能为Ea(单位为kJ· mol-1),则其逆反应活化能为(Ea+92.4) kJ·mol-1。
(2)T0 ℃时,在2 L 的恒容密闭容器中投入2 mol N2和6 mol H2发生反应,平衡时H2的体积分数为50%,设N2的变化浓度为x mol·L-1,则:
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
起始浓度/(mol·L-1) 1 3 0
变化浓度/(mol·L-1) x 3x 2x
平衡浓度/( mol·L-1) 1-x 3-3x 2x
由题意知平衡时3-3x4-2x×100%=50%,解得x=0.5,K=c2(NH3)c(N2)·c3(H2)=0.593;其他条件不变,若向此平衡体系中再充入3 mol H2和3 mol N2,则Qc=0.019<0.593,所以平衡正向移动。
(3)对于反应2NH3(l)+CO2(l)NH2COONH4(l),增大NH3浓度,平衡正向移动,CO2的转化率增大,所以L1为初始氨碳比[L=n(NH3)n(CO2)]较大的曲线,从而得出L1>L2。
(4)若L2=3,设NH3的物质的量为3 mol ,则CO2的物质的量为1 mol ,T1 ℃时,CO2的平衡转化率为75%,则参加反应的CO2的物质的量为0.75 mol,参加反应的NH3的物质的量为1.5 mol ,NH3的平衡转化率为1.5mol3mol×100%=50%。
(5)其他条件不变,随着温度的升高,CO2的平衡转化率先升高后降低,“先升高”表明平衡正向移动,对反应②有利,所以应从反应②进行原因分析,由于反应②为吸热反应,升高温度有利于平衡正向移动,使NH2COONH4(l)的物质的量减少,从而使反应①平衡正向移动,CO2的转化率增大。
5.答案 (1)-122.6
(2)AC
(3)>　20
(4)0.18 mol·L-1·min-1　KA=KC>KB
(5)BD
解析 (1)反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.6 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g)
ΔH2=+23.4 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH3
根据盖斯定律,计算得ΔH3=2ΔH1-ΔH2=-49.6 kJ·mol-1×2-23.4 kJ·mol-1=-122.6 kJ·mol-1。
(2)该反应属于反应前后气体体积变化的反应,所以压强不变反应达到平衡状态,故A正确;反应在恒温恒容的密闭条件下进行,故体积为恒定值,反应前后混合气体的质量不变,密度始终保持不变,故B错误;水分子中断裂2NA个H—O键,同时氢分子中断裂3NA个H—H键,即v正=v逆,故C正确;起始时只加入了CO2和H2,反应中,CH3OH和H2O的浓度之比一直不变,因此CH3OH和H2O的浓度之比保持不变不能说明达到平衡状态,故D错误。
(3)在反应CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g)中,根据Qc=c2(CH3OH)c(CH3OCH3)c(H2O)=0.421.8×1.8<0.25,说明平衡向正反应方向移动,故此时v正>v逆。
　　　　 CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g)
某时刻(mol·L-1) 1.8 1.8 0.4
反应(mol·L-1) x x 2x
平衡(mol·L-1) 1.8-x 1.8-x 0.4+2x
根据K=(0.4+2x)(0.4+2x)(1.8-x)(1.8-x)=0.25,解得x=0.2,混合气体中CH3OH的体积分数为0.4+2×0.21.8-0.2+1.8-0.2+0.4+2×0.2=20%。
(4) 2CO2(g) + 6H2(g) CH3OCH3(g) + 3H2O(g)
起始mol 6 12 0 0
反应mol 2x 6x x 3x
平衡mol 6-2x 12-6x x 3x
已知投料比n(H2)n(CO2)=12mol6mol=2,由图知T1下CO2的平衡转化率为60% ,所以有2x6=0.6,解得x=1.8,故0~5 min内的平均反应速率v(CH3OCH3)=1.8mol2 L×5min=0.18 mol·L-1·min-1 ;由(1)知,该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,CO2的平衡转化率减小,故T1<T2,又因化学平衡常数只与温度有关,所以KA、KB、KC三者之间的大小关系为KA=KC>KB。
(5)温度为230 ℃时,CH3OH的选择性较高,催化剂为CZ(Zr-1)T时,CH3OH的选择性较高,故选择230 ℃和催化剂CZ(Zr-1)T 。

8