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文档简介
2025步步高大一轮复习讲义人教版高考化学第45讲过渡态理论催化剂对化学反应的影响[复习目标]1.知道化学反应是有历程的,了解基元反应、过渡态理论。2.知道催化剂可以改变反应历程,了解简单的催化机理及其对调控化学反应速率的重要意义。考点一基元反应过渡态理论1.基元反应(1)大多数化学反应都是分几步完成的,其中的每一步反应都称为基元反应。(2)基元反应速率方程对于基元反应aA+bB=gG+hH,其速率方程可写为v=k·ca(A)·cb(B)(其中k称为速率常数,恒温下,k不因反应物浓度的改变而变化),这种关系可以表述为基元反应的化学反应速率与反应物浓度以其化学计量数为指数的幂的乘积成正比。2.反应机理基元反应构成的反应序列称为反应历程(又称反应机理),基元反应的总和称为总反应。由几个基元反应组成的总反应也称复杂反应。例如H2(g)+I2(g)=2HI(g),它的反应历程有如下两步基元反应:①I2I·+I·(快)②H2+2I·=2HI(慢)其中慢反应为整个反应的决速步骤。3.过渡态理论(1)化学反应并不是通过反应物分子的简单碰撞就能完成的,而是在反应物到生成物的过程中经过一个高能的过渡态,处于过渡态的分子叫做活化络合物。活化络合物是一种高能量的不稳定的反应物原子组合体,它能较快地分解为新的能量较低的较稳定的生成物。(2)活化能(Ea)是处在过渡态的活化络合物分子平均能量与反应物分子平均能量的差值。[应用举例]对于反应NO2+CO=NO+CO2,CO和NO2先形成活化络合物[O—N…O…C—O],原有的N…O键部分地破裂,新的C…O键部分地形成,最后旧键完全破裂,新键形成,转变为生成物分子。(ⅰ)反应过程可表示为O—N—O+C—OO—N…O…C—O→N—O+O—C—O(ⅱ)反应过程能量图图示释义(1)Ea1表示正反应的活化能;(2)Ea2表示逆反应的活化能;(3)反应的焓变ΔH=Ea1-Ea2;(4)一般来说,Ea越小,反应速率越快,反应越易进行。一、用基元反应序列表示反应机理1.甲烷与氯气在光照条件下存在如下反应历程(“·”表示电子):①Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))2Cl·(慢反应)②CH4+Cl·→·CH3+HCl(快反应)③·CH3+Cl2→CH3Cl+Cl·(快反应)④·CH3+Cl·→CH3Cl(快反应)已知在一个分步反应中,较慢的一步反应控制总反应的速率。下列说法不正确的是()A.上述过程的总反应方程式为CH4+Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CH3Cl+HClB.光照的主要作用是促进反应①的进行从而使总反应速率加快C.反应②~④都是由微粒通过碰撞而发生的反应D.反应①是释放能量的反应答案D解析由反应历程可知,甲烷与氯气发生取代反应生成一氯甲烷和氯化氢,则总反应方程式为CH4+Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CH3Cl+HCl,故A正确;由反应历程可知,反应②~④都是由微粒通过有效碰撞而发生的反应,故C正确;反应①破坏氯气分子中的共价键吸收能量,故D错误。2.CO2和H2在Cu/ZnO催化下发生反应可合成清洁能源甲醇:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),该反应实际上分两步进行。第一步:Cu/ZnO*+H2=Cu/Zn*+H2O第二步:____________(写出化学方程式)。答案Cu/Zn*+CO2+2H2=Cu/ZnO*+CH3OH二、基元反应速率方程的理解3.已知2N2O(g)=2N2(g)+O2(g)的速率方程为v=k·cn(N2O)(k为速率常数,只与温度、催化剂有关)。实验测得,N2O在催化剂X表面反应的变化数据如下:t/min010203040506070c(N2O)/(mol·L-1)0.1000.080c10.0400.020c2c30下列说法正确的是()A.n=1,c1>c2=c3B.t=10min时,v(N2O)=2.0×10-3mol·L-1·s-1C.相同条件下,增大N2O的浓度或催化剂X的表面积,都能加快反应速率D.保持其他条件不变,若N2O起始浓度为0.200mol·L-1,当浓度减至一半时共耗时50min答案D解析根据表中数据分析,该反应的速率始终不变,N2O的消耗是匀速的,说明反应速率与c(N2O)无关,故速率方程中n=0,每10min一氧化二氮浓度减小0.02mol·L-1,则c1=0.06>c2=c3=0,A、C错误;t=10min时瞬时速率等于平均速率v(N2O)=eq\f(0.100-0.080mol·L-1,10min)=2.0×10-3mol·L-1·min-1,B错误;保持其他条件不变,该反应的反应速率不变,即为2.0×10-3mol·L-1·min-1,若起始浓度0.200mol·L-1,减至一半时所耗时间为eq\f(0.100mol·L-1,2.0×10-3mol·L-1·min-1)=50min,D正确。4.300℃时,2NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g)的正反应速率表达式为v正=k·cn(ClNO),测得速率和浓度的关系如表:序号c(ClNO)/(mol·L-1)v正/(mol·L-1·s-1)①0.303.60×10-9②0.601.44×10-8③0.903.24×10-8n=________;k=________。答案24×10-8L·mol-1·s-1解析根据表格①②中的数据,带入正反应速率表达式然后做比值:eq\f(3.60×10-9,1.44×10-8)=eq\f(k×0.30n,k×0.60n),解得n=2,进一步求出k=4×10-8L·mol-1·s-1。三、反应过程能量变化图分析5.反应物(X)转化为产物(Y)时的能量变化与反应过程的关系如图所示,下列说法正确的是()A.X的键能大于Y的键能B.M为反应的中间产物C.其他条件相同时,②的反应速率比①的更快D.对于反应①,升高温度,Y的平衡产率将增大答案C解析X的能量高,键能小于Y的键能,A错误;由图示可知,M参加反应后,最后一步反应又生成M,则M为反应的催化剂,B错误;因为过程②各步反应的活化能均小于过程①反应的活化能,所以其他条件相同时,②的反应速率比①的更快,C正确;反应①的ΔH<0,升高温度,平衡逆移,Y的平衡产率减小,D错误。6.如图是CH4与Zr形成过渡金属化合物的过程。下列说法正确的是()A.加入合适的催化剂待反应完成时可增大过渡金属化合物的产率B.Zr+CH4→CH3—Zr…H的活化能为99.20kJ·mol-1C.整个反应的快慢由→的反应快慢决定D.Zr+CH4→CH—Zr…H3ΔH=-39.54kJ·mol-1答案B解析催化剂能降低反应的活化能,加快反应速率,但化学平衡不移动,过渡金属化合物的产率不变,故A错误;由图可知,→状态2的活化能最大,反应速率最慢,决定整个反应的快慢,故C错误;由图可知,反应Zr+CH4→CH—Zr…H3ΔH=+39.54kJ·mol-1,故D错误。考点二催化机理催化剂对反应的影响1.催化机理从碰撞理论解释:催化剂通过参加反应,改变反应历程,降低反应的活化能,使活化分子百分数增多,从而加快反应速率,图示如下。2.催化剂的特征(1)催化剂只能改变反应途径(又称反应机理),不能改变反应的始态和终态。它同时加快了正、逆反应速率,缩短了达到平衡的时间,并不能改变平衡状态。(2)催化剂有选择性,不同的反应常用不同的催化剂,即每个反应有它特有的催化剂。生产上常利用催化剂的选择性,使所希望的化学反应加快,同时抑制某些副反应的发生。(3)每种催化剂只有在特定条件下才能体现出它的活性,否则将失去活性或发生催化剂中毒。一、催化反应中化学键和物质的变化1.(2020·北京,9)硫酸盐(含SOeq\o\al(2-,4)、HSOeq\o\al(-,4))气溶胶是PM2.5的成分之一。近期科研人员提出了雾霾微颗粒中硫酸盐生成的转化机理,其主要过程示意图如下:下列说法不正确的是()A.该过程有H2O参与B.NO2是生成硫酸盐的氧化剂C.硫酸盐气溶胶呈酸性D.该过程没有生成硫氧键答案D解析根据图示中各微粒的构造可知,该过程有H2O参与,故A正确;根据图示的转化过程,NO2转化为HNO2,N元素的化合价由+4变为+3,得电子被还原,作氧化剂,故B正确;硫酸盐(含SOeq\o\al(2-,4)、HSOeq\o\al(-,4))气溶胶中含有HSOeq\o\al(-,4),转化过程有水参与,则HSOeq\o\al(-,4)在水中可电离生成H+和SOeq\o\al(2-,4),则硫酸盐气溶胶呈酸性,故C正确;根据图示转化过程中,由SOeq\o\al(2-,3)转化为HSOeq\o\al(-,4),有硫氧键生成,故D错误。2.(2022·山东,10)在NO催化下,丙烷与氧气反应制备丙烯的部分反应机理如图所示。下列说法错误的是()A.含N分子参与的反应一定有电子转移B.由NO生成HONO的反应历程有2种C.增大NO的量,C3H8的平衡转化率不变D.当主要发生包含②的历程时,最终生成的水减少答案D解析根据反应机理图知,含N分子发生的反应有NO+·OOH=NO2+·OH、NO+NO2+H2O=2HONO、NO2+·C3H7=C3H6+HONO、HONO=NO+·OH,含N分子NO、NO2、HONO中N元素的化合价依次为+2价、+4价、+3价,上述反应中均有元素化合价的升降,都为氧化还原反应,一定有电子转移,A项正确;根据图示,由NO生成HONO的反应历程有2种,B项正确;NO是催化剂,增大NO的量,C3H8的平衡转化率不变,C项正确;无论反应历程如何,在NO催化下丙烷与O2反应制备丙烯的总反应都为2C3H8+O2eq\o(,\s\up7(NO))2C3H6+2H2O,当主要发生包含②的历程时,最终生成的水不变,D项错误。(1)反应历程中化学键的变化在反应中,旧键断裂与新键形成是同时进行的,形成中间过渡态。(2)反应历程中物质的变化①只进不出的是反应物(A→…);②只出不进的是产物(…→M);③先出后进的是中间体(…→X,X→…);④先进后出的是催化剂(R→…,…→R)。二、催化剂对化学反应的调控作用3.工业上利用NH3对烟道气进行脱硝(除氮氧化物)的SCR技术具有效率高、性能可靠的优势。SCR技术的原理为NH3和NO在催化剂(MnO2)表面转化为N2和H2O,反应过程中的相对能量变化如图所示。下列说法错误的是()A.总反应方程式为6NO+4NH3eq\o(=,\s\up7(MnO2))5N2+6H2OB.NH2NO是脱硝反应的活性中间体C.升高温度,脱硝反应的正反应速率的增大程度大于其逆反应速率的增大程度D.决定反应速率的步骤是“H的移除”答案C解析由图可知,NH3吸附在催化剂表面后,经过一定的反应形成了NH2NO,NH2NO又经过反应得到N2和H2O,所以NH2NO是脱硝反应的活性中间体,B说法正确;始态相对能量高于终态,说明这是一个放热反应,升高温度平衡逆向移动,脱硝反应的正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度,C说法错误;由图可知,全过程只有H的移除过程势能升高,其速率是全过程几个反应中最慢的,是总反应的控速步骤,D说法正确。4.为研究反应2X(s)+2Y(g)Z(g)+2W(g),向2L密闭容器中加入足量X和2molY发生反应。一定条件下,在甲、乙两种催化剂作用下,反应相同时间,测得Y的转化率与温度的关系如图所示。下列说法错误的是()A.该反应的ΔH<0B.在相同温度下,与甲催化剂相比,乙催化剂使反应活化能更低C.反应达到平衡后,再加入2molX,Y的转化率增大D.反应至M点时,体系中c(Z)=0.275mol·L-1答案C解析由图可知,Y的转化率随着温度的升高而降低,升高温度平衡逆向移动,则正反应为放热反应,即ΔH<0,故A正确;由图可知,在相同温度下,与甲催化剂相比,乙催化剂对该反应的催化效果更好,使反应活化能更低,故B正确;由于X是固体,平衡不发生移动,Y的转化率不变,故C错误;根据已知条件列出三段式:2X(s)+2Y(g)Z(g)+2W(g)起始/(mol·L-1)100转化/(mol·L-1)0.550.2750.55M点/(mol·L-1)0.450.2750.55体系中c(Z)=0.275mol·L-1,故D正确。5.已知反应:2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)ΔH>0,该反应的某种催化剂的催化效率与NO的消耗速率随温度的变化关系如图所示。300~350℃之间,NO的消耗速率加快的原因是__________。答案升高温度,消耗一氧化氮的反应速率增大,但催化剂的活性下降,消耗一氧化氮的反应速率减小,前者的影响比后者的大1.(2023·广东,15)催化剂Ⅰ和Ⅱ均能催化反应R(g)P(g)。反应历程(下图)中,M为中间产物。其他条件相同时,下列说法不正确的是()A.使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行B.反应达平衡时,升高温度,R的浓度增大C.使用Ⅱ时,反应体系更快达到平衡D.使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的最高浓度更大答案C解析由图可知两种催化剂均出现四个波峰,所以使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行,A正确;该反应是放热反应,升高温度平衡向左移动,R的浓度增大,B正确;由图可知Ⅰ的最高活化能小于Ⅱ的最高活化能,所以使用Ⅰ时反应速率更快,反应体系更快达到平衡,C错误;在前两个历程中使用Ⅰ活化能较低反应速率较快,后两个历程中使用Ⅰ活化能较高反应速率较慢,所以使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的最高浓度更大,D正确。2.(2021·山东,14)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解,部分反应历程可表示为:+OH-eq\o(,\s\up7(Ⅰ),\s\do5(Ⅱ))eq\o(,\s\up7(Ⅲ),\s\do5(Ⅳ))+CH3O-,能量变化如图所示。已知为快速平衡,下列说法正确的是()A.反应Ⅱ、Ⅲ为决速步B.反应结束后,溶液中存在18OH-C.反应结束后,溶液中存在CHeq\o\al(18,3)OHD.反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变答案B解析一般来说,反应的活化能越高,反应速率越慢,由图可知,反应Ⅰ和反应Ⅳ的活化能较高,因此反应的决速步为反应Ⅰ、Ⅳ,故A错误;反应Ⅰ为加成反应,而为快速平衡,反应Ⅱ的成键和断键方式为或,后者能生成18OH-,因此反应结束后,溶液中存在18OH-,故B正确;反应Ⅲ的成键和断键方式为或,因此反应结束后溶液中不会存在CH318OH,故C错误;该总反应对应反应物的总能量高于生成物的总能量,总反应为放热反应,因此和CH3O-的总能量与和OH-的总能量之差等于图示总反应的焓变,故D错误。3.(2022·北京,14)CO2捕获和转化可减少CO2排放并实现资源利用,原理如图1所示。反应①完成之后,以N2为载气,以恒定组成的N2、CH4混合气,以恒定流速通入反应器,单位时间流出气体各组分的物质的量随反应时间变化如图2所示。反应过程中始终未检测到CO2,在催化剂上有积碳。下列说法不正确的是()A.反应①为CaO+CO2=CaCO3;反应②为CaCO3+CH4eq\o(=,\s\up7(催化剂))CaO+2CO+2H2B.t1~t3,n(H2)比n(CO)多,且生成H2速率不变,可能有副反应CH4eq\o(=,\s\up7(催化剂))C+2H2C.t2时刻,副反应生成H2的速率大于反应②生成H2速率D.t3之后,生成CO的速率为0,是因为反应②不再发生答案C解析由题中图2信息可知,t1~t3,n(H2)比n(CO)多,且生成H2的速率不变,且反应过程中始终未检测到CO2,在催化剂上有积碳,故可能发生副反应:CH4eq\o(=,\s\up7(催化剂))C+2H2,B正确;由反应②的化学方程式可知,H2和CO的反应速率相等,而t2时,H2的反应速率未变,仍然为2mmol·min-1,而CO的反应速率为1~2mmol·min-1,故能够说明副反应生成H2的速率小于反应②生成H2速率,C错误;由图2可知,t3之后,CO的速率为0,CH4的速率逐渐增大至1mmol·min-1,说明反应②不再发生,而后副反应逐渐停止,D正确。4.[2023·全国甲卷,28(3)]电喷雾电离等方法得到的M+(Fe+、Co+、Ni+等)与O3反应可得MO+。MO+与CH4反应能高选择性地生成甲醇。MO+分别与CH4、CD4反应,体系的能量随反应进程的变化如图所示(两者历程相似,图中以CH4示例)。(ⅰ)步骤Ⅰ和Ⅱ中涉及氢原子成键变化的是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。(ⅱ)直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时,反应速率会变慢,则MO+与CD4反应的能量变化应为图中曲线________(填“c”或“d”)。(ⅲ)MO+与CH2D2反应,氘代甲醇的产量CH2DOD________CHD2OH(填“>”“<”或“=”)。若MO+与CHD3反应,生成的氘代甲醇有________种。答案(ⅰ)Ⅰ(ⅱ)c(ⅲ)<2解析(ⅰ)步骤Ⅰ涉及的是碳氢键的断裂和氢氧键的形成,步骤Ⅱ中涉及碳氧键的形成,所以符合题意的是步骤Ⅰ。(ⅱ)直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时,反应速率会变慢,则此时正反应活化能会增大,根据图示可知,MO+与CD4反应的能量变化应为图中曲线c。(ⅲ)由(ⅱ)中可知,CH2D2中C—H比C—D更易断裂,CHD2OH更易生成,产量更大。根据反应机理可知,若MO+与CHD3反应,生成的氘代甲醇可能为CHD2OD或CD3OH,共2种。课时精练1.已知反应:2NO(g)+Br2(g)2NOBr(g)ΔH=-akJ·mol-1(a>0),其反应机理如下:①NO(g)+Br2(g)NOBr2(g)快②NO(g)+NOBr2(g)2NOBr(g)慢下列有关该反应的说法正确的是()A.该反应的反应速率主要取决于反应①的快慢B.NOBr2是该反应的催化剂C.增大Br2(g)浓度能增大活化分子百分数,加快反应速率D.正反应的活化能比逆反应的活化能小akJ·mol-1答案D解析反应速率主要取决于慢的一步,所以该反应的反应速率主要取决于反应②的快慢,故A错误;NOBr2是反应过程中的中间产物,不是该反应的催化剂,故B错误;增大Br2(g)浓度,活化分子百分数不变,但单位体积内的活化分子数目增多,所以能加快反应速率,故C错误;由于该反应为放热反应,说明反应物的总能量高于生成物的总能量,所以正反应的活化能比逆反应的活化能小akJ·mol-1,故D正确。2.科学家结合实验与计算机模拟结果,研究出了均相催化的思维模型。总反应:A+B→AB(K为催化剂),①A+K→AKEa1,②AK+B→AB+KEa2。下列说法错误的是()A.第①步为决速步骤B.升高温度,该反应的速率加快C.该反应的ΔH=-EakJ·mol-1D.催化剂降低了活化能,加快了反应速率答案C解析第①步的正反应活化能Ea1>第②步正反应活化能Ea2,所以反应速率:①<②,而总反应速率取决于慢的反应,故决速步骤为①,A正确;温度升高,反应速率加快,B正确;Ea是该反应正反应的活化能,C错误;催化剂能降低反应的活化能,加快反应速率,D正确。3.异丁烯[CH2=C(CH3)2]是一种重要的化工原料,常用于制备丁基橡胶、甲基丙烯腈等。资料表明,异丁烷在固体杂多酸盐(用S表示)作用下制备异丁烯和H2的反应机理如下:过程ⅰ.CH3—CH(CH3)—CH3+S→CH3—CH(CH3)—CH3…S;过程ⅱ.CH3—CH(CH3)—CH3…S+S→CH2=C(CH3)2…S+H2…S;过程ⅲ.CH2=C(CH3)2…S→CH2=C(CH3)2+S;过程ⅳ.H2…S→H2(g)+S。下列说法错误的是()A.总反应的化学方程式为CH3—CH(CH3)—CH3eq\o(→,\s\up7(催化剂))CH2=C(CH3)2+H2B.固体杂多酸盐是反应的催化剂,降低了总反应的活化能C.CH2=C(CH3)2…S和H2…S均为催化剂D.过程ⅲ表示的是异丁烯在固体杂多酸盐表面的脱附过程答案C解析根据反应机理可知,CH2=C(CH3)2…S和H2…S均为中间产物,C错误。4.CO和N2O在Fe+作用下转化为N2和CO2,反应的能量变化及反应历程如图所示,两步基元反应:①N2O+Fe+=N2+FeO+K1,②CO+FeO+=CO2+Fe+K2。下列说法不正确的是()A.该反应ΔH<0B.两步反应中,决定总反应速率的是反应①C.升高温度,可提高N2O的平衡转化率D.Fe+增大了活化分子百分数,加快了化学反应速率,但不改变反应的ΔH答案C解析如图能量变化可知,生成物的总能量低于反应物的总能量,该反应为放热反应,ΔH<0,A项正确;两步反应均为放热反应,总反应的化学反应速率由反应速率慢的基元反应决定,即反应①决定,B项正确。5.二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的“清洁能源”,科学家研究在酸性条件下,用甲醇可合成二甲醚,反应历程中相对能量变化如图所示。下列叙述错误的是()A.循环过程中,催化剂参与了中间反应B.该历程中最小的能垒(基元反应活化能)为1.31kJ·mol-1C.制约总反应速率关键步骤的基元反应方程式为→CH3OCH3+H+D.总反应方程式为2CH3OHeq\o(=,\s\up7(催化剂))CH3OCH3+H2O答案B解析整个过程中H+是催化剂,先参与第一步反应,在最后一步反应生成,故A正确;由图可知该历程中最小的能垒(基元反应活化能)为131kJ·mol-1,故B错误;决定总反应速率的是活化能或能垒最高的基元反应,由图可知,该基元反应为→CH3OCH3+H+,故C正确。6.甲醇与水蒸气在催化剂作用下发生如下反应:反应Ⅰ:CH3OH(g)=CO(g)+2H2(g)ΔH1反应Ⅱ:CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)ΔH2根据能量变化示意图,下列说法正确的是()A.E3-E2>E4-E1B.反应Ⅱ决定整个反应的速率C.催化剂可以降低总反应的焓变D.CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g)ΔH=ΔH1-ΔH2答案A解析由于绝对值|E3-E2|<|E4-E1|,该值为负值,去掉绝对值后,E3-E2>E4-E1,A正确;由图可知,反应Ⅰ的活化能较大,反应Ⅰ决定整个反应的速率,B错误;催化剂不改变焓变,C错误;根据盖斯定律,反应Ⅰ+Ⅱ可得目标方程CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g)ΔH=ΔH1+ΔH2,D错误。7.目前,常利用催化技术将汽车尾气中NO和CO转化为CO2和N2。为研究不同条件下对该化学反应的影响。某课题组按下表数据进行了实验探究。实验中使用了等质量的同种催化剂,测得CO的浓度随时间的变化如图所示。下列说法不正确的是()编号T/℃c(NO)/(mol·L-1)c(CO)/(mol·L-1)催化剂的比表面积/(m2·g-1)Ⅰ2806.50×10-34.00×10-380.0Ⅱ6.50×10-34.00×10-3120Ⅲ3606.50×10-34.00×10-380.0A.实验Ⅱ的反应温度为280℃B.由实验Ⅰ、Ⅱ可知,增大催化剂的比表面积,该化学反应的反应速率增大C.实验Ⅰ达到平衡时,NO的浓度为4.50×10-3mol·L-1D.该反应的反应热ΔH<0答案C解析根据单一变量原则,实验Ⅰ和Ⅱ催化剂比表面积不同,温度应该相同,所以实验Ⅱ的反应温度为280℃,故A正确;实验Ⅰ、Ⅱ催化剂比表面积不同,增大催化剂的比表面积,化学反应速率增大,故B正确;NO和CO转化为CO2和N2的化学方程式为2NO+2COeq\o(,\s\up7(催化剂))2CO2+N2,Δc(NO)=Δc(CO)=4.00×10-3mol·L-1-1.00×10-3mol·L-1=3.00×10-3mol·L-1,所以平衡时,NO的浓度为6.50×10-3mol·L-1-3.00×10-3mol·L-1=3.50×10-3mol·L-1,故C错误;对比反应Ⅰ和Ⅲ,温度升高,平衡时CO浓度升高,平衡逆向移动,说明ΔH<0,故D正确。8.一定温度下,CH3CH2CH3的氯化、溴化反应势能图及一段时间后产物的选择性如图,下列叙述不正确的是()A.ΔH1+ΔH3=ΔH2+ΔH4B.升高温度,体系中n(1-氯丙烷)∶n(2-氯丙烷)的值增大C.以丙烷为原料合成丙醇时,“先溴代再水解”有利于提高2-丙醇的含量D.由图可知,丙烷中碳氢键的键能不完全相同答案A解析由图可知,①CH3CH2CH3+Cl·=CH3CH2CH2·+HClΔH1,②CH3CH2CH3+Cl·=·CH(CH3)2+HClΔH2,③CH3CH2CH3+Br·=CH3CH2CH2·+HBrΔH3,④CH3CH2CH3+Br·=·CH(CH3)2+HBrΔH4,反应①+③≠②+④,则ΔH1+ΔH3≠ΔH2+ΔH4,A错误;由于CH3CH2CH2··CH(CH3)2ΔH<0,升高温度,平衡逆移,所以体系中n(1-氯丙烷)∶n(2-氯丙烷)的值增大,B正确;由图可知,仲氢溴化反应的产率为97%明显高于仲氢氯化反应的55%,故以丙烷为原料合成2-溴丙烷的产率高,其水解得到2-丙醇的产率相应也高,C正确;由图可知,相同条件下丙烷氯化、溴化时,仲氢的选择性大,含量高,说明仲氢比伯氢活性强,键能不同,D正确。9.已知Cl2(g)+CO(g)COCl2(g)的速率方程v=k(Cl2)·c(CO)(k为速率常数),该反应可认为经过以下反应历程:第一步:Cl2(g)2Cl(g)快速平衡第二步:Cl(g)+CO(g)COCl(g)快速平衡第三步:COCl(g)+Cl2(g)→COCl2(g)+Cl(g)慢反应下列说法正确的是()A.第三步反应的活化能较低,是决速反应B.Cl是该总反应的中间产物,COCl是该总反应的催化剂C.c(Cl2)、c(CO)分别增大相同的倍数,对总反应速率的影响程度前者大D.升温可使k增大导致反应速率加快答案D解析第三步反应为慢反应,则反应的活化能较大,是决速反应,故A错误;Cl和COCl都是该总反应的中间产物,故B错误;从速率方程v=k(Cl2)·c(CO)中可以看出,c(CO)、c(Cl2)分别增大相同的倍数,对总反应速率的影响程度c(CO)大,故C错误;升温可以提高反应物中活化分子的百分数,使k增大导致反应速率加快,故D正确。10.一种以Pd-Cu为催化剂还原去除水体中NOeq\o\al(-,3)的机理如图a所示;其他条件相同,不同pH时,NOeq\o\al(-,3)转化率和不同产物在总还原产物中所占的物质的量的百分比如图b所示。已知:溶液pH会影响Pd对NOeq\o\al(-,2)的吸附,不影响对H的吸附。下列说法不正确的是()A.pH越小,Pd对NOeq\o\al(-,2)的吸附能力越强B.通过调节溶液的pH,可使NOeq\o\al(-,3)更多的转化为N2C.反应ii中生成NHeq\o\al(+,4)的离子方程式为NOeq\o\al(-,2)+6H+2H+=NHeq\o\al(+,4)+2H2OD.pH=12时,每处理6.2gNOeq\o\al(-,3),理论上消耗标准状况下H25.6L答案D解析由图b可知,随着pH减小,n(N2)增大,n(氨态氮)变化不大,n(NOeq\o\al(-,2))减小,说明pH越小,Pd对NOeq\o\al(-,2)的吸附能力越强,A正确;由图b可知,pH不同还原产物也不同,pH为4时还原产物主要为N2,pH为12时,还原产物几乎全是NOeq\o\al(-,2),故通过调节溶液的pH,可使NOeq\o\al(-,3)更多的转化为N2,B正确;由图b可知,pH=12时,还原产物几乎全是NOeq\o\al(-,2),则每处理6.2gNOeq\o\al(-,3)转移电子eq\f(6.2g,62g·mol-1)×2=0.2mol,根据得失电子守恒可知,理论上消耗标准状况下eq\f(0.2mol,2)×22.4L·mol-1=2.24LH2,D错误。11.某温度下,X2Y在金(Au)表面发生分解反应:2X2Y(g)=2X2(g)+Y2(g),该反应的速率方程为v=kca(X2Y)(k为速率常数,k只与温度、催化剂、接触面积等有关,与浓度无关,a为反应级数),实验测得剩余X2Y的物质的量浓度与时间的关系如表所示:时间/min020406080c(X2Y)/(mol·L-1)0.1000.0800.0600.0400.020下列说法正确的是()A.a=1B.反应过程中c(X2Y)与t的关系如图所示C.速率常数k=1.0×10-2mol·L-1·min-1D.其他条件不变,仅增大c(X2Y),反应速率增大答案B解析由表中数据可知,在0~20min、20~40min、40~60min,X2Y的浓度均减少了0.02mol·L-1,即该反应速率与起始浓度无关,为匀速反应,故a=0,v=k,A、D错误,B正确;0~20min内,k=v=eq\f(Δc,Δt)=eq\f(0.100mol·L-1-0.080mol·L-1,20min)=1.0×10-3mol·L-1·min-1,C错误。12.汽车排气管装有三元催化剂装置,在催化剂表面通过发生吸附、解吸消除CO、NO等污染物。反应机理如下[Pt(s)表示催化剂,右上角带“*”表示吸附状态]:Ⅰ.NO+Pt(s)=NO*Ⅱ.CO+Pt(s)=CO*Ⅲ.NO*=N*+O*Ⅳ.CO*+O*=CO2+Pt(s)Ⅴ.N*+N*=N2+Pt(s)Ⅵ.NO*+N*=N2O+Pt(s)经测定汽车尾气中反应物浓度及生成物浓度随温度T变化关系如图1和图2所示。(1)图1中温度从Ta升至Tb的过程中,反应物浓度急剧减小的主要原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)图2中T2℃时反应Ⅴ的活化能________(填“<”“>”或“=”)反应Ⅵ的活化能;T3℃时发生的主要反应为________(填“Ⅳ”“Ⅴ”或“Ⅵ”)。答案(1)温度升高,催化剂活性增强,反应速率加快(2)>Ⅳ解析(2)由图2可知,T2℃时,N2的浓度小于N2O的浓度,说明反应Ⅴ的反应速率小于反应Ⅵ的反应速率,则反应Ⅴ的活化能大于反应Ⅵ的活化能;T3℃时,生成物二氧化碳的浓度最大,说明发生的主要反应为反应Ⅳ。13.[2018·江苏,20(4)②]NOx(主要指NO和NO2)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。在有氧条件下,新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体,匀速通入装有催化剂M的反应器中反应(装置见图1)。反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如图2所示,在50~250℃范围内随着温度的升高,NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是_________________________________________________________________________________________;当反应温度高于380℃时,NOx的去除率迅速下降的原因可能是_______________________________________________________________________________________。答案迅速上升段是催化剂活性随温度升高而增大,与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大;上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大催化剂活性下降;NH3与O2反应生成了NO14.H2还原NO的化学方程式为2NO(g)+2H2(g)=N2(g)+2H2O(g)ΔH<0。(1)研究表明上述反应历程分两步:Ⅰ.2NO(g)+H2(g)N2(g)+H2O2(l)(慢反应)Ⅱ.H2O2(l)+H2(g)2H2O(g)(快反应)该总反应的速率由反应________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)决定,反应Ⅰ的活化能比反应Ⅱ的活化能________(填“高”或“低”)。(2)该反应常伴有副产物N2O和NH3的生成。以Pt作催化剂,用H2还原某废气中的NO(其他气体不反应),270℃时H2的体积分数对H2-NO反应的影响如图所示。随着H2体积分数的增大,N2的体积分数呈下降趋势,原因是_____________________________________________________________________________________________________________。(3)在一定温度下,副产物N2O分解反应的化学方程式为2N2O(g)=2N2(g)+O2(g),测得在恒容容器中N2O分解的部分实验数据如下表。反应时间/min020406080100c(N2O)/(mol·L-1)0.100.080.060.040.020.000~20min,反应速率v(N2O)为________mol·L-1·min-1;若N2O的起始浓度为0.20mol·L-1,则反应至40min时N2O的转化率α=________。答案(1)Ⅰ高(2)随着H2体积分数的增加,NO反应完后,在Pt催化下,N2和H2反应生成NH3,所以N2的体积分数呈下降趋势(3)0.00120%解析(3)由题给数据可知,0~20min,反应速率为v(N2O)=eq\f(0.10-0.08mol·L-1,20min)=0.001mol·L-1·min-1。由题给数据可知,反应速率v(N2O)与反应物N2O的浓度无关,反应速率恒定为0.001mol·L-1·min-1,则反应至40min时N2O的转化率α=eq\f(0.001mol·L-1·min-1×40min,0.20mol·L-1)×100%=20%。第46讲化学平衡状态与化学平衡常数[复习目标]1.理解化学反应的可逆性,能利用图像、数据等描述化学平衡的建立过程。2.理解化学平衡的含义,并能根据反应情况判断可逆反应是否达到平衡。3.知道化学平衡常数的含义及其表示方法,能通过化学平衡常数进行有关计算。考点一可逆反应、化学平衡状态1.可逆反应(1)概念在同一条件下,既可以向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的化学反应。(2)特点①双向性;②双同性(正、逆反应是在同一条件下,同时进行);③共存性。[应用举例](1)判断下列有关说法是否正确?不正确的请说明理由。①氢气燃烧生成水,而水可电解生成氢气和氧气,故此反应是可逆反应。②在工业生产条件下,氢气与氮气充分发生反应,氮气的转化率约为15%,故此反应是可逆反应。③少量氯气通入大量水中,所得溶液呈浅黄绿色,且具有酸性和漂白性,故氯气与水的反应为可逆反应。(2)在一定条件下,将SO2和18O2充入反应容器使之发生反应,当反应达到平衡时18O原子将存在于哪些物质中?答案(1)①不正确,两个反应发生的条件不同。②正确。③正确。(2)存在于氧气、二氧化硫和三氧化硫3种物质中。2.化学平衡状态(1)概念在一定条件下的可逆反应体系中,当正、逆反应速率相等时,反应物和生成物的浓度均保持不变,即体系的组成不随时间而改变,表明该反应中物质的转化达到了“限度”,这时的状态称之为化学平衡状态,简称化学平衡。(2)化学平衡的建立绘制“反应速率-时间”图像,表示从正反应开始建立化学平衡状态的过程。(3)平衡特征1.在化学平衡建立过程中,v正一定大于v逆()2.恒温恒容下进行的可逆反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),当SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等时,反应达到平衡状态()3.任何可逆反应都有一定限度,达到了化学平衡状态即达到了该反应的限度()4.化学反应达到限度时,正、逆反应速率相等()5.化学反应达到平衡后,反应物和生成物的浓度或百分含量相等()6.在一定条件下,向密闭容器中充入1molN2和3molH2充分反应,生成2molNH3()答案1.×2.×3.√4.√5.×6.×化学平衡状态的判断方法1.一定温度下,反应N2O4(g)2NO2(g)的焓变为ΔH。现将1molN2O4充入一恒压密闭容器中,下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是()A.①②B.②④C.③④D.①④答案D解析一定温度下,ΔH是恒量,不能作为判断平衡状态的标志,②不符合题意;该反应是充入1molN2O4,正反应速率应是逐渐减小直至不变,③曲线趋势不正确。2.在一定温度下的恒容容器中,当下列物理量不再发生变化时:①混合气体的压强;②混合气体的密度;③混合气体的总物质的量;④混合气体的平均相对分子质量;⑤混合气体的颜色;⑥各反应物或生成物的浓度之比等于化学计量数之比;⑦某种气体的百分含量。(1)能说明2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)达到平衡状态的是______________(填序号,下同)。(2)能说明I2(g)+H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是______________。(3)能说明C(s)+CO2(g)2CO(g)达到平衡状态的是______________。(4)能说明NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)达到平衡状态的是______________。(5)能说明5CO(g)+I2O5(s)5CO2(g)+I2(s)达到平衡状态的是______________。答案(1)①③④⑦(2)⑤⑦(3)①②③④⑦(4)①②③(5)②④⑦3.若上述题目中的(1)~(3)改成一定温度下的恒压密闭容器,结果又如何?(1)__________________。(2)__________________。(3)__________________。答案(1)②③④⑦(2)⑤⑦(3)②③④⑦化学平衡状态的判断方法(1)v正=v逆eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(同种物质,消耗速率等于生成速率,不同种物质,速率之比等于化学计量,数之比,但必须同时有正、逆反应))(2)宏观组成标志各组分的浓度保持不变,或各组分的质量、物质的量、百分含量、质量分数等保持不变的状态是平衡状态。(3)间接标志①有气体参加的不等体反应,气体的总压强、总体积、总物质的量不变时,达到平衡状态。②如果平衡体系中的物质有颜色,则平衡体系的颜色不变时,达到平衡状态。③气体的密度、气体的平均相对分子质量不变时,要具体分析各表达式中的分子或分母变化情况,判断是否平衡(若体系中各组分均为气体,气体质量守恒;若体系中不全是气体,要注意气体质量变化)。考点二化学平衡常数1.概念在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,即化学平衡常数,用符号K表示。2.表达式对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),当在一定温度下达到平衡时,K=eq\f(cpC·cqD,cmA·cnB)(固体和纯液体的浓度视为常数,通常不计入化学平衡常数表达式中)。[应用举例]写出下列反应的平衡常数表达式:(1)CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)K=c(CO2)。(2)Cr2Oeq\o\al(2-,7)(aq)+H2O(l)2CrOeq\o\al(2-,4)(aq)+2H+(aq)K=eq\f(c2CrO\o\al(2-,4)·c2H+,cCr2O\o\al(2-,7))。3.影响化学平衡常数的因素K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度变化、压强变化、是否使用催化剂无关。4.平衡常数的意义及应用(1)判断可逆反应进行的程度K<10-510-5~105>105反应程度很难进行反应可逆反应接近完全(2)判断反应是否达到平衡或进行的方向对于化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商Q=eq\f(ccC·cdD,caA·cbB)。Q<K,反应向正反应方向进行;Q=K,反应处于平衡状态;Q>K,反应向逆反应方向进行。(3)判断可逆反应的热效应1.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)的平衡常数表达式为K=eq\f(cCO·cH2,cC·cH2O)()2.平衡常数发生变化,化学平衡一定发生移动()3.化学平衡发生移动,平衡常数一定发生变化()4.平衡常数K越大,表示反应进行得越快()5.温度不变,增大反应物浓度,平衡正向移动,平衡常数增大()6.反应A(g)+B(g)C(g)达到平衡后,温度不变,增大压强,平衡正向移动,平衡常数增大()答案1.×2.√3.×4.×5.×6.×一、化学平衡常数与化学方程式的关系1.请写出下列反应的平衡常数,并找出K1和K2、K3的关系。(1)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)K1(2)eq\f(1,2)N2(g)+eq\f(3,2)H2(g)NH3(g)K2(3)2NH3(g)N2(g)+3H2(g)K3答案K1=eq\f(c2(NH3),c(N2)·c3(H2)),K2=,K3=eq\f(c(N2)·c3(H2),c2(NH3))。K2=,K3=eq\f(1,K1)。2.已知下列反应的平衡常数:①H2(g)+S(s)H2S(g)K1;②S(s)+O2(g)SO2(g)K2;则反应H2(g)+SO2(g)O2(g)+H2S(g)的平衡常数K=________(用K1和K2表示)。答案eq\f(K1,K2)(1)正、逆反应的化学平衡常数互为倒数。(2)若化学方程式中各物质的化学计量数都变成n倍或eq\f(1,n)倍,则化学平衡常数变为原来的n次幂或eq\f(1,n)次幂。(3)两化学方程式相加得到新的化学方程式,其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积。二、平衡常数的简单计算3.[2018·全国卷Ⅱ,27(1)节选]CH4—CO2催化反应为CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)ΔH=+247kJ·mol-1。某温度下,在体积为2L的容器中加入2molCH4、1molCO2以及催化剂进行反应,达到平衡时CO2的转化率是50%,其平衡常数为________。答案eq\f(1,3)解析CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)起始浓度/(mol·L-1)10.500转化浓度/(mol·L-1)0.250.250.50.5平衡浓度/(mol·L-1)0.750.250.50.5K=eq\f(c2CO·c2H2,cCH4·cCO2)=eq\f(0.52×0.52,0.75×0.25)=eq\f(1,3)。4.甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如下表所示:化学反应平衡常数温度/℃500800①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)K12.50.15②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)K21.02.50③3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)K3(1)据反应①与②可推导出K1、K2与K3之间的关系,则K3=________(用K1、K2表示)。(2)反应③的ΔH________0(填“>”或“<”)。(3)500℃时测得反应③在某时刻H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的浓度(mol·L-1)分别为0.8、0.1、0.3、0.15,则此时v正________v逆(填“>”“=”或“<”)。答案(1)K1·K2(2)<(3)>解析(1)K1=eq\f(cCH3OH,c2H2·cCO),K2=eq\f(cCO·cH2O,cH2·cCO2),K3=eq\f(cH2O·cCH3OH,c3H2·cCO2),K3=K1·K2。(2)根据K3=K1·K2,500℃、800℃时,反应③的平衡常数分别为2.5、0.375;升温,K减小,平衡左移,正反应为放热反应,所以ΔH<0。(3)500℃时,K3=2.5,Q=eq\f(cCH3OH·cH2O,c3H2·cCO2)=eq\f(0.3×0.15,0.83×0.1)≈0.88<K3,故反应正向进行,v正>v逆。1.(2020·北京,10)一定温度下,反应I2(g)+H2(g)2HI(g)在密闭容器中达到平衡时,测得c(I2)=0.11mmol·L-1,c(HI)=0.78mmol·L-1。相同温度下,按下列4组初始浓度进行实验,反应逆向进行的是()ABCDc(I2)/(mmol·L-1)1.000.220.440.11c(H2)/(mmol·L-1)1.000.220.440.44c(HI)/(mmol·L-1)1.001.564.001.56(注:1mmol·L-1=10-3mol·L-1)答案C解析题目中缺少c(H2),无法计算K,则不能通过Q与K的关系判断平衡的移动方向,但可比较4个选项中Q的大小关系,Q越大,则可能逆向移动。Q(A)=eq\f(1.002,1.00×1.00)=1,Q(B)=eq\f(1.562,0.22×0.22)≈50.28,Q(C)=eq\f(4.002,0.44×0.44)≈82.64,Q(D)=eq\f(1.562,0.44×0.11)≈50.28,Q(C)的值最大,答案为C。2.[2023·全国甲卷,28(1)节选]甲烷选择性氧化制备甲醇是一种原子利用率高的方法。回答下列问题:①3O2(g)=2O3(g)K1ΔH1=+285kJ·mol-1②2CH4(g)+O2(g)=2CH3OH(l)K2ΔH2=-329kJ·mol-1反应③CH4(g)+O3(g)=CH3OH(l)+O2(g)ΔH3的平衡常数K3=________(用K1、K2表示)。答案(或eq\r(\f(K2,K1)))解析根据平衡常数表达式与热化学方程式之间的关系可知,化学平衡常数K3=或eq\r(\f(K2,K1))。3.[2023·浙江6月选考,19(2)①]已知水煤气变换反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)ΔH=-41.2kJ·mol-1。恒定总压1.70MPa和水碳比[n(H2O)/n(CO)=12∶5]投料,在不同条件下达到平衡时CO2和H2的分压(某成分分压=总压×该成分的物质的量分数)如下表:p(CO2)/MPap(H2)/MPap(CH4)/MPa条件10.400.400条件20.420.360.02在条件1下,水煤气变换反应的平衡常数K=____________。答案2解析条件1下没有甲烷生成,只发生了水煤气变换反应,该反应是一个气体分子数不变的反应。设在条件1下平衡时容器的总体积为V,水蒸气和一氧化碳的投料分别为12mol和5mol,参加反应的一氧化碳为xmol,根据已知信息可得以下三段式:
CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)开始/mol51200转化/molxxxx平衡/mol5-x12-xxxeq\f(x,5-x+12-x+x+x)×1.7MPa=0.40MPa,解得x=4。则平衡常数K=eq\f(\f(4,V)×\f(4,V),\f(5-4,V)×\f(12-4,V))=2。4.[2023·湖南,16(2)]聚苯乙烯是一类重要的高分子材料,可通过苯乙烯聚合制得。在某温度、100kPa下,向反应器中充入1mol气态乙苯发生反应C6H5C2H5(g)C6H5CH=CH2(g)+H2(g),其平衡转化率为50%,欲将平衡转化率提高至75%,需要向反应器中充入________mol水蒸气作为稀释气(计算时忽略副反应)。答案5解析设充入H2O(g)物质的量为xmol;在某温度、100kPa下,向反应器中充入1mol气态乙苯发生已知反应。乙苯的平衡转化率为50%,可列三段式:C6H5C2H5(g)C6H5CH=CH2(g)+H2(g)n(起始)/mol100n(转化)/mol0.50.50.5n(平衡)/mol0.50.50.5此时平衡时混合气体总物质的量为1.5mol,此时容器的体积为V;当乙苯的平衡转化率为75%,可列三段式:C6H5C2H5(g)C6H5CH=CH2(g)+H2(g)n(起始)/mol100n(转化)/mol0.750.750.75n(平衡)/mol0.250.750.75此时乙苯、苯乙烯、H2物质的量之和为1.75mol,混合气的总物质的量为(1.75+x)mol,在恒温、恒压时,体积之比等于物质的量之比,此时容器的体积为eq\f(1.75+x,1.5)V;两次平衡温度相同,则平衡常数相等,则eq\f(\f(0.5,V)2,\f(0.5,V))=eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.75,\f(1.75+x,1.5)V)))2,\f(0.25,\f(1.75+x,1.5)V)),解得x=5。课时精练1.在下列反应CO+H2OCO2+H2中,加入C18O后,则18O存在于()A.只存在于CO和CO2中B.存在于CO、H2O、CO2中C.只存在于CO中D.存在于CO、H2O、CO2、H2中答案B解析由于反应CO+H2OCO2+H2为可逆反应,正、逆反应同时进行,则含有O元素的物质中均含有18O,故选B。2.一定温度下,向一体积不变的密闭容器中加入一定量的SO2和O2,发生反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-196.6kJ·mol-1。下列有关该反应的叙述正确的是()A.达到平衡状态时,正、逆反应速率相等B.达到平衡状态时,SO2和O2的浓度都为0C.若起始时加入2molSO2和1molO2,则达平衡时放出的热量为196.6kJD.若反应达到平衡状态后,2min时生成amolSO3,则4min时生成2amolSO3答案A解析该反应为可逆反应,达到平衡状态时,反应物不能完全转化为生成物,所以SO2和O2的浓度不等于0,B错误;因为是可逆反应,所以消耗的SO2的物质的量小于2mol、消耗O2的物质的量小于1mol,放出的热量小于196.6kJ,C错误;反应达到平衡状态时,各物质的物质的量不变,2~4min三氧化硫的物质的量不变,为amol,D错误。3.下列关于化学平衡常数K的说法错误的是()A.对于某一可逆反应来说,K只与温度有关,与浓度无关B.升高温度,K变小,正反应是放热反应C.K越大,反应进行得越彻底D.使用合适的催化剂,既可以改变反应速率,也可以改变平衡常数K答案D解析平衡常数只受温度影响,使用催化剂可以加快反应速率,但不影响平衡常数,D错误。4.在密闭容器中进行反应:X2(g)+Y2(g)2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.2mol·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度可能是()A.Z为0.3mol·L-1B.Y2为0.4mol·L-1C.X2为0.2mol·L-1D.Z为0.4mol·L-1答案A若Z完全转化为X2、Y2,则X2、Y2、Z的浓度分别是0.2mol·L-1、0.4mol·L-1、0mol·L-1;反应为可逆反应,反应物不能完全转化,所以0<c(X2)<0.2mol·L-1,0.2mol·L-1<c(Y2)<0.4mol·L-1,0<c(Z)<0.4mol·L-1。5.一定温度下,在恒容密闭容器中充入CO和H2,发生反应:2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)ΔH<0。下列图像符合实际且t0时达到平衡状态的是()答案D解析该反应中气体总质量、容器容积为定值,则密度始终不变,故A不符合题意;初始时CH3OH(g)的体积分数应该为0,故B不符合题意;2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)为气体体积减小的反应,混合气体总质量为定值,则建立平衡过程中混合气体的平均摩尔质量逐渐增大,反应过程中压强逐渐减小,当压强不再变化,t0时,表明达到平衡状态,故C不符合题意、D符合题意。6.利用CO2和CH4反应制备合成气(CO、H2)的原理是CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)ΔH>0。温度为T℃时,该反应的平衡常数为K。下列说法正确的是()A.K越大,说明反应速率、CO2的平衡转化率越大B.增大压强,平衡向逆反应方向移动,K减小C.升高温度,反应速率和平衡常数K都增大D.加入催化剂,能提高合成气的平衡产率答案C解析K越大,说明反应进行的越完全,CO2的平衡转化率越大,但反应速率受外界因素影响,反应速率不一定越大,A错误;K只受温度影响,温度不变,则K不变,B错误;升高温度,活化分子百分数增大,反应速率增大,该反应ΔH>0,为吸热反应,则平衡常数K增大,C正确;加入催化剂,只能改变反应速率,平衡不移动,则不能提高合成气的平衡产率,D错误。7.研究发现,液态苯是优质储氢材料:C6H6(l)+3H2(g)C6H12(l)。一定温度下,在密闭容器中充入一定量液态苯(足量)和适量氢气,经反应达到平衡后,测得c(H2)=2mol·L-1。保持温度不变,将体积压缩至原来的一半,达到新平衡时c(H2)为()A.1mol·L-1 B.2mol·L-1C.3mol·L-1 D.4mol·L-1答案B解析K=eq\f(1,c3H2),温度不变,K不变,则c(H2)不变,故c(H2)=2mol·L-1。8.研究氮氧化物与悬浮在大气中海盐粒子的相互作用时,涉及如下反应:2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+ClNO(g)K1ΔH1<0;2NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g)K2ΔH2<0。则反应4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)的平衡常数是()A.eq\f(K\o\al(2,1),K2) B.2K1-K2C.eq\f(2K1,K2) D.Keq\o\al(2,1)-K2答案A解析2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+ClNO(g)K1=eq\f(cClNO,c2NO2);2NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g)K2=eq\f(c2ClNO,c2NO·cCl2);4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)K=eq\f(cCl2·c2NO,c4NO2)=eq\f(cClNO,c2NO2)×eq\f(cClNO,c2NO2)×eq\f(c2NO·cCl2,c2ClNO)=eq\f(K\o\al(2,1),K2)。9.在1L恒温恒容的密闭容器中投入一定量N2O5,发生反应:反应1:N2O5(g)=N2O4(g)+eq\f(1,2)O2(g)ΔH=+28.4kJ·mol-1反应2:N2O4(g)2NO2(g)ΔH=-56.9kJ·mol-1现有下列情况:①混合气体的密度保持不变;②气体压强保持不变;③气体的平均摩尔质量保持不变;④eq\f(cNO2,cN2O4)保持不变;⑤O2的物质的量保持不变;⑥v正(N2O4)∶v逆(NO2)=1∶2。能表明反应2一定达到平衡状态的是()A.①②③⑤ B.②③④⑥C.①③⑤⑥ D.②③④⑤答案B解析①反应中各物质均为气体,混合气体的总质量不变,且反应在恒容条件下进行,则混合气体的密度始终不变,故不能据此判断反应2是否达到平衡,错误;②反应2的平衡建立过程中,气体总物质的量不断变化,则气体压强不断变化,当气体压强保持不变时,反应2达到平衡状态,正确;③平衡建立过程中,混合气体的总质量不变,但其总物质的量不断变化,故当气体的平均摩尔质量保持不变时,反应2达到平衡状态,正确;④eq\f(cNO2,cN2O4)保持不变,则c(NO2)、c(N2O4)均保持不变,反应2达到平衡状态,正确;⑤反应1是不可逆反应,O2的物质的量始终保持不变,不能据此判断反应2是否达到平衡,错误;⑥v正(N2O4)∶v逆(NO2)=1∶2,正、逆反应速率相等,反应2达到平衡状态,正确。10.在25℃时,密闭容器中X、Y、Z三种气体的起始浓度和平衡浓度如下表,下列说法错误的是()物质XYZ起始浓度/(mol·L-1)0.10.20平衡浓度/(mol·L-1)0.050.050.1A.反应达到平衡时,X的转化率为50%B.反应可表示为X+3Y2Z,平衡常数为1600C.其他条件不变时,增大压强可使平衡常数增大D.改变温度可以改变该反应的平衡常数答案C解析达到平衡时消耗X的物质的量浓度为(0.1-0.05)mol·L-1=0.05mol·L-1,因此X的转化率为50%,A项正确;根据化学反应速率之比等于化学计量数之比,三种组分的系数之比为(0.1-0.05)∶(0.2-0.05)∶0.1=1∶3∶2,因此反应方程式为X+3Y2Z,平衡常数K=eq\f(0.12,0.05×0.053)=1600,B项正确;化学平衡常数只受温度的影响,与浓度、压强无关,C项错误、D项正确。11.在300mL的密闭容器中,放入镍粉并充入一定量的CO气体,一定条件下发生反应:Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g),已知该反应平衡常数与温度的关系如下表所示。下列说法不正确的是()温度/℃2580230平衡常数5×10421.9×10-5A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应B.25℃时,反应Ni(CO)4(g)Ni(s)+4CO(g)的平衡常数为2×10-5C.80℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5mol·L-1,则此时v正>v逆D.80℃达到平衡时,测得n(CO)=0.3mol,则Ni(CO)4的平衡浓度为2mol·L-1答案C解析温度升高,平衡常数减小,故正反应为放热反应,A项正确;25℃时,逆反应的平衡则Q=eq\f(c[NiCO4],c4CO)=eq\f(0.5,0.54)=8>K,v正<v逆,C项错误;80℃达到平衡时,若n(CO)=0.3mol,c(CO)=1mol·L-1,故c[Ni(CO)4]=K·c4(CO)=2×14mol·L-1=2mol·L-1,D项正确。12.MTP是一类重要的药物中间体,可以由TOME经环化后合成。其反应式为为了提高TOME的转化率,反应进行时需及时从溶液体系中移出部分甲醇。TOME的转化率随反应时间的变化如图所示。设TOME的初始浓度为amol·L-1,反应过程中的液体体积变化忽略不计。下列说法错误的是()A.X、Y两点的MTP的物质的量浓度相等B.X、Z两点的瞬时速率大小为v(X)>v(Z)C.若Z点处于化学平衡,则210℃时反应的平衡常数K=eq\f(0.98a×0.98a,0.02a)D.190℃时,0~150min之间的MTP的平均反应速率为eq\f(0.67a,150)mol·L-1·min-1答案C解析A项,因起始浓度相同,X、Y两点转化率相同,所以MTP的浓度也相等,正确;B项,由图可知,X点曲线斜率大于Z点,且Z点转化率高,此时TOME的浓度只有0.02amol·L-1,所以瞬时速率:v(X)>v(Z),正确;C项,若Z点为平衡点,此时c(TOME)=0.02amol·L-1,c(MTP)=0.98amol·L-1,但因移出甲醇,甲醇浓度不为0.98amol·L-1,错误;D项,0~150min时间内,Δc(MTP)=0.67amol·L-1,正确。13.在1L的密闭容器中,加入0.5molCaCO3,发生反应:CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g),图中A表示CO2的平衡浓度与温度的关系曲线。(1)该反应正反应方向为__________(填“吸”或“放”)热反应,温度为T5℃时,该反应的平衡常数为__________。(2)达到平衡后,保持温度不变,再次通入1molCO2,平衡向__________(填“正反应方向”“逆反应方向”或“不”)移动,再次平衡后容器内的压强__________(填“增大”“减小”或“不变”)。(3)加快该化学反应速率并能增加该反应进行程度的措施:__________(写一种即可)。答案(1)吸0.20(2)逆反应方向不变(3)升高温度解析(1)由图可知,升高温度,CO2的平衡浓度增大,说明平衡正向移动,则该反应的正反应为吸热反应;温度为T5℃时,CO2的平衡浓度为0.20mol·L-1,则该反应的平衡常数K=c(CO2)=0.20。(2)达到平衡后,保持温度不变,再次通入1molCO2,生成物浓度增大,则平衡逆向移动,平衡常数K只与温度有关,温度不变,K不变,则再次平衡后容器内的c(CO2)=0.2mol·L-1,根据阿伏加德罗定律的推论可知,容器内的压强不变。14.(1)Deacon发明的氯化氢转化为氯气的直接氧化法为4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)。如图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系:(1)关于直接氧化法制氯气的反应,下列说法正确的是__________(填字母)。A.该反应的ΔH>0B.容器内气体的颜色不再变化时,说明该反应达到平衡状态C.反应达到平衡后,降低温度,能加快正反应速率,减小逆反应速率,使平衡正向移动D.其他条件一定时,氧气的投料越多,平衡时Cl2的体积分数越大(2)设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400℃)=__________________________________________________________________(列出计算式)。答案(1)B(2)eq\f(0.422×0.422,1-0.844×1-0.21c0)解析(1)由图可知,温度越高,HCl的平衡转化率越小,则该反应的ΔH<0,A项错误;反应中有Cl2生成,当容器内气体的颜色不再变化时,氯气浓度不再变化,说明反应达到平衡状态,B项正确;降低温度,正、逆反应速率均降低,C项错误;其他条件一定时,氧气的投料越多,平衡正向移动,生成Cl2的物质的量增大,但氧气的投料较大,平衡时Cl2的体积分数不一定增大,D项错误。(2)c(HCl)∶c(O2)比值越大,HCl转化率越低,结合图像,最上面即为c(HCl)∶c(O2)=1∶1的图像,400℃时,HCl平衡转化率为84%,可列出三段式:4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g)起始c0c000转化0.84c00.21c00.42c00.42c0平衡(1-0.84)c0(1-0.21)c00.42c00.42c0则K(400℃)=eq\f(c2Cl2·c2H2O,c4HCl·cO2)=eq\f(0.422×0.422,1-0.844×1-0.21c0)。15.已知:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH(1)经测定不同温度下该反应的平衡常数如下:温度/℃250300350K2.0410.2700.012该反应为________(填“放热”或“吸热”)反应。(2)250℃时,某时刻测得该反应的反应物与生成物浓度为c(CO)=0.4mol·L-
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