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第二单元 化学反应的方向和限度 一、选择题 1．下列说法正确的是 ( )。 A．凡是放热反应都是自发的，因为吸热反应都是非自发的 B．自发反应的熵一定增大，非自发反应的熵一定减小 C．常温下，反应C(s)＋CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH＞0 D．反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则该反应的ΔH＞0 解析 反应的自发性是由熵变和焓变共同决定的，A、B错误。C项中反应的ΔS＞0，若ΔH＜0，则一定自发，现常温下不自发，说明ΔH＞0，正确。D项中反应的ΔS＜0，能自发，说明ΔH＜0，错误。 答案 C 2．高温下，某反应达平衡，平衡常数K＝，恒容时，温度升高，H2的浓度减小，下列说法正确的是( ) A．该反应的焓变为正值 B．恒温恒容下，增大压强，H2的浓度一定减小 C．升高温度，逆反应速率减小 D．该反应的化学方程式为CO＋H2O催化剂高温CO2＋H2 解析 由平衡常数表达式写出可逆反应为CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，D项错误；由于升高温度，H2浓度减小，说明升温平衡向正反应方向进行，因此正反应是吸热的，焓变为正值，A项正确；由于反应前后气体体积相等，增大压强平衡不移动，但若通入H2，其浓度会增大，B项错误；升高温度，正逆反应速率都会增大，C项错误。 答案 A 3．对可逆反应4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)，下列叙述中正确的是( ) A．达到化学平衡时4v正(O2)＝5v逆(NO) B．若单位时间内生成x mol NO的同时，消耗x mol NH3，则反应达到平衡状态 C．达到化学平衡时，若增大容器的体积，则正反应速率减小，逆反应速率增大 D．化学反应速率的关系是2v正(NH3)＝3v正(H2O) 解析 由4v正(O2)＝5v逆(NO)可得v正(O2)＝v逆(NO)，而v 逆(NO)＝v逆(O2)，即v正(O2)＝v逆(O2)，正、逆反应速率相等，A正确；B项都表示正反应速率，错误；C项，若增大容器体积，正、逆反应速率都减小，错误。D项应为3v(NH3)＝2v(H2O)。 答案 A 4．下列说法中，不正确的是 ( )。 A．常温下，反应4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)===4Fe(OH)3(s)的ΔH＜0、ΔS＜0 B．在其他条件不变时，反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) 的投料比与转化率的关系如图，纵坐标表示O2的转化率 C．在其他条件不变时，向H2(g)＋I2(g)2HI(g)平衡体系中加催化剂，反应速率加快，I2的转化率不变 D．14CO2与碳在高温条件下发生反应：CO2＋C2CO，达到化学平衡后，平衡混合物中含14C的微粒有CO2、C、CO 解析 A项中反应为熵减反应，能自发进行，说明是放热反应，正确；B项中提高O2的含量时SO2的转化率提高，而O2的转化率降低，错误；C项中催化剂同等程度地改变正、逆反应速率，不影响平衡移动，正确；D项化学平衡是一种动态平衡，正确。 答案 B 5．科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2，化学方程式如下：2NO＋2CO催化剂(催化剂程)2CO2＋N2 (1)为了测定在某种催化剂作用下的反应速率，在某温度下用气体传感器测得不同时间的NO浓度(mol·L－1)和CO浓度(mol·L－1)如下表： 时间/s 0 1 2 3 4 5 c(NO) 1.00×10－3 4.50×10－4 2.50×10－4 1.50×10－4 1.00×10－4 1.00×10－4 c(CO) 3.60×10－3 3.05×10－3 2.85×10－3 2.75×10－3 2.70×10－3 2.70×10－3 (2)为了探究各物质在浓度不变的情况下温度、催化剂、比表面积对化学反应速率的影响规律，并画出实验条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线如图，则下列说法不正确的是 ( )。 A．前2s内的平均反应速度v(N2)＝1.88×10－4mol·L－1·s－1 B．在该温度下，该反应的平衡常数为K＝5 000 C．由题意可知，曲线Ⅰ和曲线Ⅱ探究的是催化剂、比表面积对速率的影响 D．在密闭容器中进行该反应时，升高反应体系的温度或缩小容器的体积能提高NO转化率 解析 A项，由表中数据可求出v(NO)＝ ＝3.75×10－4mol·L－1·s－1，则v(N2)＝v(NO)＝1.88×10－4mol·L－1·s－1，正确；B项，由表中数据可知4 s时达到平衡，此时c(CO2)＝9.00×10－4mol·L－1，c(N2)＝4.50×10－4mol·L－1，故K＝＝5 000，正确；C项，曲线Ⅱ比曲线Ⅰ先达到平衡，但平衡时NO的浓度相同，故曲线Ⅰ和曲线Ⅱ应是探究催化剂、比表面积对速率的影响，正确；D项，反应Ⅲ先达到平衡，应为升高温度对平衡的影响，且高温时c(NO)大，说明升温平衡逆向移动，NO的转化率减小，错误。 答案 D 6．某温度下，在一个2 L的密闭容器中加入4 mol A和2 mol B进行如下反应：3A(g)＋2B(g)4C(s)＋D(g)，反应2 min后达到平衡，测得生成1.6 mol C，下列说法正确的是 ( )。 A．前2 min，D的平均反应速率为0.2 mol·L－1·min－1 B．此时，B的平衡转化率是40% C．增大该体系的压强，平衡不移动，化学平衡常数不变 D．增加B，平衡向右移动，B的平衡转化率增大 解析 生成1.6 mol C的同时消耗0.8 mol B，生成0.4 mol D，则前2 min，v(D)＝＝0.1 mol·L－1·min－1，B的平衡转化率为×100%＝40%，A错，B对；增大该体系的压强，平衡向正反应方向移动，但平衡常数不变，C错；增加B，平衡向右移动，A的平衡转化率增大但B的平衡转化率减小，D错。 答案 B 7．PCl3和PCl5都是重要的化工原料。将PCl3(g)和Cl2(g)充入体积不变的2 L密闭容器中，在一定条件下发生反应：PCl3(g)＋Cl2(g)PCl5(g)，并于10 min时达到平衡。有关数据如下： PCl3(g) Cl2(g) PCl5(g) 初始浓度(mol·L－1) 2.0 1.0 0 平衡浓度(mol·L－1) c1 c2 0.4 下列判断不正确的是 ( )。 A．10 min内，v(Cl2)＝0.04 mol·L－1·min－1 B．当容器中Cl2为1.2 mol时，反应达到平衡 C．升高温度(T1＜T2)，反应的平衡常数减小，平衡时PCl3的＜1 D．平衡后移走2.0 mol PCl3和1.0 mol Cl2，在相同条件下再达平衡时，c(PCl5)＜0.2 mol·L－1 解析 PCl3(g)＋Cl2(g)PCl5(g) c(起始)/mol·L－1 2.0 1.0 0 c(转化)/mol·L－1 0.4 0.4 0.4 c(平衡)/mol·L－1 1.6 0.6 0.4 10 min内，v(Cl2)＝0.04 mol·L－1·min－1，A正确；平衡时，n(Cl2)＝1.2 mol，B正确；平衡常数减小，说明平衡逆向移动，则PCl3的＞1，C错误；D项中当c(PCl5)＝0.2 mol·L－1时浓度商为Qc＝＝，而此温度下的平衡常数K＝＝由K＜Qc可得当c(PCl5)＝0.2 mol·L－1时反应未达到平衡状态，平衡向逆反应进行，故达到平衡时，c(PCl5)＜0.2 mol·L－1。 答案 C 二、非选择题 8．已知可逆反应CO＋H2O(g)高温(高温))CO2＋H2，达到平衡时，K＝，K是常数，只与温度有关，与浓度无关。 (1)830 K，若起始时：c(CO)＝2 mol/L，c(H2O)＝3 mol/L，平衡时CO的转化率为60%，水蒸气的转化率为________；K值为________。 (2)830 K，若只将起始时c(H2O)改为6 mol/L，则水蒸气的转化率为________。 (3)若830 K时，起始浓度c(CO)＝a mol/L，c(H2O)＝b mol/L，H2的平衡浓度c(H2)＝c mol/L， ①a、b、c之间的关系式是__________________； ②当a＝b时，a＝________。 解析 本题主要考查平衡常数的应用。 (1) CO＋ H2O(g) CO2＋H2 起始浓度(mol/L) 2 3 0 0 转化浓度(mol/L) 1.2 1.2 1.2 1.2 平衡浓度(mol/L) 0.8 1.8 1.2 1.2 H2O(g)的转化率＝×100%＝40% K＝＝＝1。 (2)设H2O(g)的转化浓度为x。 则有：K＝＝1求得x＝1.5 mol/L， H2O(g)的转化率＝×100%＝25%。 (3)由H2的平衡浓度c(H2)＝c mol/L，可知CO和H2O的平衡浓度分别为(a－c)mol/L，(b－c)mol/L。 K＝＝1求得c2＝(a－c)(b－c)。 当a＝b时，求得a＝2c。 答案 (1)40% 1 (2)25% (3)①c2＝(a－c)(b－c)②2c 9．科学家一直致力研究常温、常压下"人工固氮"的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、N2压力1.0×105 Pa，反应时间3 h)： T/K 303 313 323 353 NH3生成量/(10－6 mol) 4.8 5.9 6.0 8.0 相应的热化学方程式如下： N2(g)＋3H2O(l)===2NH3(g)＋O2(g) ΔH＝765.2 kJ·mol－1 回答下列问题： (1)请在坐标图中画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。 (2)工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为。计算： ①该条件下N2的平衡转化率； ②该条件下反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数。 解析 (1)作图时应注意以下两点：①催化剂可降低反应的活化能，但对这个反应前后能量变化不产生影响，即反应热不变；②该反应为吸热反应，所以反应物的总能量要低于生成物的总能量。 (2)①设反应过程中消耗x mol N2(g) N2(g) ＋ 3H2(g)2NH3(g) 起始物质的量/mol 0.60 1.60 0 平衡物质的量/mol 0.60－x 1.60－3x 2x 平衡时反应体系总物质的量＝[(0.60－x)＋(1.60－3x)＋2x] mol＝(2.20－2x) mol NH3(g)的物质的量分数＝＝，解得x＝0.40 N2的平衡转化率＝×100%＝67%。 ②设反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为K，平衡时， c(NH3)＝＝0.40 mol·L－1 c(N2)＝＝0.10 mol·L－1 c(H2)＝＝0.20 mol·L－1 K＝，代入数据得K＝5.0×10－3。 答案 (1) (2)见解析 10．研究CO、NO、NO2等气体的性质，以便消除污染或变废为宝，可以保护环境、节约资源。试运用所学知识，解决下列问题： (1)生产水煤气过程中有以下反应： ①C(s)＋CO2(g)2CO(g) ΔH1； ②CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g) ΔH2； ③C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH3； 若平衡表达式为K＝，则它所对应的化学反应方程式是(填序号)________；上述反应ΔH1、ΔH2、ΔH3之间的关系为________。 (2)不同温度下反应②的平衡常数如下表所示。则ΔH2________0(填"＜"或"＞")；在500 ℃时，把等物质的量浓度的CO和H2O(g)充入反应容器，达到平衡时c(CO)＝0.005 mol·L－1、c(H2)＝0.015 mol·L－1，则CO的平衡转化率为________。 温度/℃ 400 500 800 平衡常数K 9.94 9 1 (3)对反应2NO2(g)N2O4(g) ΔH＜0，在温度为T1、T2时，平衡体系N2O4的体积分数随压强变化曲线如图所示。则T1________T2(填"＞"或"＜")；增大压强，平衡向________反应方向移动；B、C两点的平衡常数B________C(填"＞"或"＜")。 解析 (1)化学平衡常数是生成物的平衡浓度的幂之乘积除以反应物平衡浓度的幂之乘积，所以H2、CO是生成物对反应③，反应③可由反应①＋反应②得到，所以ΔH3＝ΔH1＋ΔH2。(2)温度升高，K值减小，说明平衡向逆反应方向移动，正反应为放热反应。由反应CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)，可知CO的起始浓度为0.02 mol·L－1，则CO的转化率为75%。(3)压强相同时，比较温度变化对平衡的影响，取A、C两点，温度降低平衡正向移动，N2O4的体积分数增大，则A点温度低；温度相同时比较压强影响，取A、B两点，压强增大，N2O4体积分数增大，平衡正向移动。平衡常数是温度的函数，温度升高，平衡逆向移动，平衡常数减小，温度低，平衡常数大。 答案 (1)③ ΔH1＋ΔH2＝ΔH3 (2)＜ 75% (3)＜ 正 ＞ 11．二氧化碳捕集、存储和转化是当今化学研究的热点问题之一。 (1)用钌的配合物作催化剂，一定条件下可直接光催化分解CO2发生反应：2CO2(g)2CO(g)＋O2(g)，该反应的ΔH________0，ΔS________0(选填："＞"、"＜"或"＝")。 (2)CO2转化途径之一是：利用太阳能或生物质能分解水制H2，然后将H2与CO2转化为甲醇或其他的化学品。已知： 光催化制氢：2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g) ΔH＝571.5 kJ·mol－1① H2与CO2耦合反应：3H2(g)＋CO2(g)===CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH＝－137.8 kJ·mol－1② 则反应：4H2O(l)＋2CO2(g)===2CH3OH(l)＋3O2(g) ΔH＝________kJ·mol－1。你认为该方法需要解决的技术问题有：________。 a．开发高效光催化剂 b．将光催化制取的氢从反应体系中有效分离，并与CO2耦合催化转化 c．二氧化碳及水资源的来源供应 (3)用稀氨水喷雾捕集CO2最终可得产品NH4HCO3。在捕集时，气相中有中间体NH2COONH4(氨基甲酸铵)生成。为了测定该反应的有关热力学参数，将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计)，在恒定温度下使反应NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)达到分解平衡。实验测得不同温度及反应时间(t1＜t2＜t3)的有关数据见表。 表 氨基甲酸铵分解时温度、气体总浓度及反应时间的关系 温度/℃ 气体总浓度(mol·L－1) 时间/min 15 25 35 0 0 0 0 t1 0.9×10－3 2.7×10－3 8.1×10－3 t2 2.4×10－3 4.8×10－3 9.4×10－3 t3 2.4×10－3 4.8×10－3 9.4×10－3 ①氨基甲酸铵分解反应是：________反应(选填："放热"或"吸热")。在25 ℃，0～t1时间内产生氨气的平均速率为：_________________ _______________________________________________________。 ②根据表中数据可换算出，15 ℃时合成反应2NH3(g)＋CO2(g)NH2COONH4(s)平衡常数K约为________。 解析 (1)该反应是分解反应，且是CO燃烧的逆反应，所以应为吸热反应，即ΔH＞0，因气体的物质的量增多，所以ΔS＞0。(2)目标反应可由：①×3＋②×2，得ΔH＝－137.8 kJ·mol－1×2＋571.5 kJ·mol－1×3＝＋1 438.9 kJ·mol－1。(3)①25 ℃时，气体的总浓度为2.7×10－3 mol·L－1，c(NH3)为总浓度的，所以c(NH3)＝1.8×10－3 mol·L－1，由此可计算出NH3的反应速率。②由表格可知，15 ℃时，NH3平衡浓度为×2.4×10－3 mol·L－1＝1.6×10－3 mol·L－1，CO2平衡浓度为0.8×10－3 mol·L－1，题给反应为该反应的逆反应，K＝＝4.9×108。 答案 (1)＞ ＞ (2)1 438.9 ab (3)①吸热 1.8×10－3/t1 mol·L－1·min－1 ②4.9×108 1 |
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