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第2節(jié) 化學平衡移動原理及應用
[課后達標檢測]
一、選擇題
1.(2019張家口模擬)下列說法不能用勒夏特列原理來解釋的是( )
A.在一定濃度的鹽酸中加入氫氧化鈉溶液,體系溫度逐漸升高,隨后又逐漸降低
B.夏天打開啤酒,會有大量氣泡冒出
C.實驗室制備氯氣時,用排飽和氯化鈉溶液收集氯氣
D.在K2CrO4溶液中加入幾滴稀硫酸,顏色由黃色變?yōu)槌壬?
解析:選A。HCl+NaOH===NaCl+H2O不屬于可逆反應,不存在化學平衡,故不能用勒夏特列原理解釋。
2.對于可逆反應:2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH<0,下列說法正確的是( )
A.加入催化劑,平衡正向移動
B.在恒溫、恒容條件下,加入氫氧化鈉,平衡不移動
C.在恒溫、恒壓條件下,通入He,平衡不移動
D.降溫,平衡正向移動
解析:選D。A項,催化劑不影響化學平衡的移動,A錯;B項,加入的NaOH會吸收二氧化碳氣體,平衡正向移動,B錯;C項,恒溫、恒壓下通入He,體系體積會增大,相當于減小壓強,則平衡逆向移動,C錯。
3.(2019煙臺自主練習)已知NO和O2經反應①和反應②轉化為NO2,其能量變化隨反應過程如圖所示。
①2NO(g)N2O2(g) ΔH1,平衡常數(shù)K1
②N2O2(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH2,平衡常數(shù)K2
下列說法中不正確的是( )
A.ΔH1<0,ΔH2<0
B.2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的平衡常數(shù)K=K1/K2
C.2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的ΔH=ΔH1+ΔH2
D.反應②的速率大小決定2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反應速率
解析:選B。由題圖可知,反應①和反應②的反應物總能量均高于生成物總能量,所以ΔH1<0,ΔH2<0,A項正確;反應①+反應②得2NO(g)+O2(g)2NO2(g),所以K=K1K2,B項錯誤;反應①+反應②得2NO(g)+O2(g)2NO2(g),所以ΔH=ΔH1+ΔH2,C項正確;反應速率主要取決于慢反應的反應速率,反應②的活化能大于反應①,所以反應②的反應速率小于反應①,故反應②的速率大小決定2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反應速率,D項正確。
4. (2019貴陽一模)一定條件下,向密閉容器中充入一定量的NH3。反應2NH3(g)N2(g)+3H2(g)達到平衡時,N2的體積分數(shù)與溫度、壓強的關系如圖所示,下列說法正確的是( )
A.a點時,NH3的轉化率為25%
B.達到平衡時,2v正(NH3)=3v逆(H2)
C.b、c兩點對應的平衡常數(shù):Kb>Kc
D.壓強:p1>p2
解析:選A。設起始充入NH3的物質的量為x mol,a點時,生成N2 y mol,則=0.1,整理得x=8y,故a點時NH3的轉化率為100%=25%,A項正確;達到平衡時,3v正(NH3)=2v逆(H2),B項錯誤;該反應的正反應是吸熱反應,c點溫度高,平衡常數(shù)大,故Kb
v逆
D.T2 ℃時,若起始時向丙中充入0.06 mol N2和0.12 mol CO2,則達平衡時N2的轉化率小于40%
解析:選D。由題圖可知,甲容器中反應先達到平衡狀態(tài),故T1>T2,升高溫度,平衡時CO2的物質的量減少,說明反應逆向進行,故該反應的正反應為放熱反應,A項正確。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知,乙容器中反應相當于對甲容器中的反應增大壓強,該反應為氣體分子數(shù)減小的反應,故增大壓強,平衡正向移動,故達到平衡時,乙中CO2的體積分數(shù)比甲中的大,B項正確。結合題中數(shù)據(jù)可知,T1 ℃甲容器中反應達到平衡時,[CO2]=0.05 molL-1,[N2]=0.025 molL-1,[NO]=0.05 molL-1,[CO]=0.05 molL-1,故平衡常數(shù)K==10(Lmol-1),若起始時充入0.40 mol NO、0.40 mol CO、0.40 mol N2和0.40 mol CO2,則濃度商Q==5(Lmol-1)v逆,C項正確。在丙容器中,達到平衡狀態(tài)時,n(N2)=0.06 mol,根據(jù)等效平衡,起始時充入0.20 mol NO和0.20 mol CO相當于充入0.10 mol N2和0.20 mol CO2,故平衡時N2的轉化率為100%=40%,現(xiàn)若充入0.06 mol N2和0.12 mol CO2,相當于在丙容器中反應達到平衡后減小壓強,反應逆向進行,故平衡時N2的轉化率大于40%,D項錯誤。
二、非選擇題
8.(2016高考全國卷Ⅰ)CrO和Cr2O在溶液中可相互轉化。室溫下,初始濃度為1.0 molL-1的Na2CrO4溶液中c(Cr2O)隨c(H+)的變化如圖所示。
(1)用離子方程式表示Na2CrO4溶液中的轉化反應:_____________________________。
(2)由圖可知,溶液酸性增大,CrO的平衡轉化率__________(填“增大”“減小”或“不變”)。根據(jù)A點數(shù)據(jù),計算出該轉化反應的平衡常數(shù)為_____________________。
(3)升高溫度,溶液中CrO的平衡轉化率減小,則該反應的ΔH________0(填“大于”“小于”或“等于”)。
解析:(1)從題圖可看出,鉻酸根離子在酸性條件下逐漸轉化成重鉻酸根離子,離子方程式為2CrO+2H+Cr2O+H2O。(2)從圖像看出,酸性越強,c(Cr2O)越大,說明CrO的平衡轉化率越大。A點對應的離子濃度:[Cr2O]=0.25 molL-1,[H+]=1.010-7 molL-1,[CrO]=1.0 molL-1-0.25 molL-12=0.5 molL-1。平衡常數(shù)K===1.01014 mol-3L3。(3)升高溫度,CrO的平衡轉化率減小,說明平衡向左移動,根據(jù)平衡移動原理,正反應是放熱反應,ΔH<0。
答案:(1)2CrO+2H+Cr2O+H2O (2)增大 1.01014 mol-3L3 (3)小于
9.(2016高考全國卷Ⅱ)丙烯腈(CH2===CHCN)是一種重要的化工原料,工業(yè)上可用“丙烯氨氧化法”生產,主要副產物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等?;卮鹣铝袉栴}:
(1)以丙烯、氨、氧氣為原料,在催化劑存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副產物丙烯醛(C3H4O)的熱化學方程式如下:
①C3H6(g)+NH3(g)+O2(g)===C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515 kJ/mol
②C3H6(g)+O2(g)===C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353 kJ/mol
兩個反應在熱力學上趨勢均很大,其原因是_________________________;有利于提高丙烯腈平衡產率的反應條件是________________;提高丙烯腈反應選擇性的關鍵因素是__________。
(2)圖(a)為丙烯腈產率與反應溫度的關系曲線,最高產率對應的溫度為460 ℃。低于460 ℃時,丙烯腈的產率________(填“是”或“不是”)對應溫度下的平衡產率,判斷理由是________________________________________________________________________;
高于460 ℃時,丙烯腈產率降低的可能原因是________(雙選,填標號)。
A.催化劑活性降低 B.平衡常數(shù)變大
C.副反應增多 D.反應活化能增大
(3)丙烯腈和丙烯醛的產率與n(氨)/n(丙烯)的關系如圖(b)所示。由圖可知,最佳n(氨)/n(丙烯)約為___________________,理由是_________________________________________。
進料氣氨、空氣、丙烯的理論體積比約為____________。
解析:(1)由于反應①和②均為放出熱量較多的反應,產物的能量較低,故兩個反應在熱力學上趨勢很大;由于反應①為放熱反應,且該反應為氣體分子數(shù)增大的反應,故降低溫度和降低壓強均有利于反應正向進行,從而提高丙烯腈的平衡產率;提高丙烯腈反應選擇性的關鍵因素是使用合適的催化劑。(2)反應①為放熱反應,升高溫度,丙烯腈的平衡產率應降低,故低于460 ℃時,丙烯腈的產率不是對應溫度下的平衡產率;高于460 ℃時,催化劑的活性降低、副反應增多均可能導致丙烯腈的產率降低,A、C項正確;該反應為放熱反應,升高溫度,平衡常數(shù)減小,B項錯誤;升高溫度可以提高活化分子的百分數(shù),但不能改變反應所需的活化能,D項錯誤。(3)從題圖(b)中可看出當n(氨)/n(丙烯)≈1.0時,丙烯腈的產率最高,此時幾乎沒有丙烯醛;只發(fā)生反應①時NH3、O2、C3H6的物質的量之比為1∶1.5∶1,結合空氣中O2的體積分數(shù)約為20%,可確定進料氣NH3、空氣、C3H6的理論體積之比約為1∶7.5∶1。
答案:(1)兩個反應均為放熱量大的反應 降低溫度、降低壓強 催化劑
(2)不是 該反應為放熱反應,平衡產率應隨溫度升高而降低 AC
(3)1.0 該比例下丙烯腈產率最高,而副產物丙烯醛產率最低 1∶7.5∶1
10.(2019廣州一測)氮的固定意義重大,氮肥的使用大幅度提高了糧食產量。
(1)目前人工固氮最有效的方法是___________________________(用一個化學方程式表示)。
(2)自然界發(fā)生的一個固氮反應是N2(g)+O2(g)2NO(g),已知N2、O2、NO三種分子中化學鍵斷裂所吸收的能量依次為946 kJmol-1、498 kJmol-1、632 kJmol-1,則該反應的ΔH=________kJmol-1。該反應在放電或極高溫度下才能發(fā)生,原因是
________________________________________________________________________。
(3)100 kPa時,反應2NO(g)+O2(g)2NO2(g)中NO的平衡轉化率與溫度的關系曲線如圖1,反應2NO2(g)N2O4(g)中NO2的平衡轉化率與溫度的關系曲線如圖2。
①圖1中A、B、C三點表示不同溫度、壓強下2NO(g)+O2(g)2NO2(g)達到平衡時NO的轉化率,則________點對應的壓強最大。
②100 kPa、25 ℃時,2NO2(g)N2O4(g)平衡體系中N2O4的物質的量分數(shù)為________,N2O4的分壓p(N2O4)=________kPa,列式計算平衡常數(shù)Kp=______________________(Kp用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓物質的量分數(shù))。
③100 kPa、25 ℃時,V mL NO與0.5V mL O2混合后最終氣體的體積為________mL。
(4)室溫下,用注射器吸入一定量NO2氣體,將針頭插入膠塞密封(如圖3) ,然后迅速將氣體體積壓縮為原來的一半并使活塞固定,此時手握針筒有熱感,繼續(xù)放置一段時間。從活塞固定時開始觀察,氣體顏色逐漸________(填“變深”或“變淺”),原因是__________________________________。[已知:2NO2(g)N2O4(g)在幾微秒內即可達到化學平衡]
解析:(2)根據(jù)ΔH=反應物總鍵能-生成物總鍵能,知該反應的ΔH=946 kJmol-1+498 kJmol-1-632 kJmol-12=180 kJmol-1。(3)①圖1中曲線為等壓線,A、C在等壓線下方,B在等壓線上方,A、C點相對等壓線,NO的平衡轉化率減小,則平衡逆向移動,為減小壓強所致,B點相對等壓線,NO的平衡轉化率增大,則平衡正向移動,為增大壓強所致,故壓強最大的點為B點。②100 kPa、25 ℃時,NO2的平衡轉化率為80%,設起始時NO2的濃度為a,則平衡時NO2的濃度為0.2a、N2O4的濃度為0.4a,故N2O4的物質的量分數(shù)為100%=66.7%。N2O4的分壓p(N2O4)=100 kPa66.7% =66.7 kPa。Kp===0.06 (kPa)-1。③V mL NO與0.5V mL O2生成V mL NO2,根據(jù)100 kPa、25 ℃時,2NO2(g)N2O4(g)平衡體系中NO2的轉化率為80%,知平衡時氣體的體積為V mL(1-80%)+V mL80%=0.6V mL。(4)根據(jù)題圖2,知2NO2(g)N2O4(g)為放熱反應,將氣體體積壓縮為原來的一半并使活塞固定,相當于增大壓強,會使平衡正向移動,反應放出熱量,直至達到平衡,繼續(xù)放置時氣體溫度降低,促使平衡向正反應方向移動,NO2濃度降低,氣體顏色逐漸變淺。
答案:(1)N2+3H22NH3
(2)180 N2分子中化學鍵很穩(wěn)定,反應需要很高的活化能
(3)①B?、?6.7% 66.7
==0.06 (kPa)-1
③0.6V
(4)變淺 活塞固定時2NO2(g)N2O4(g)已達平衡狀態(tài),因反應是放熱反應,放置時氣體溫度下降,平衡向正反應方向移動,NO2濃度降低
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