高考化学一轮复习专题15 平衡原理综合应用.docx
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高考化学一轮复习专题15平衡原理综合应用
专题15平衡原理综合应用
2018年化学高考题
1.(2018全国Ⅱ理综,27,14分)CH4-CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2),还对温室气体的减排具有重要意义。
回答下列问题:
(1)CH4-CO2催化重整反应为:
CH4(g)+CO2(g)
2CO(g)+2H2(g)。
已知:
C(s)+2H2(g)
CH4(g)ΔH=-75kJ·mol-1
C(s)+O2(g)
CO2(g)ΔH=-394kJ·mol-1
C(s)+1/2O2(g)
CO(g)ΔH=-111kJ·mol-1
该催化重整反应的ΔH=kJ·mol-1。
有利于提高CH4平衡转化率的条件是(填标号)。
A.高温低压B.低温高压
C.高温高压D.低温低压
某温度下,在体积为2L的容器中加入2molCH4、1molCO2以及催化剂进行重整
反应,达到平衡时CO2的转化率是50%,其平衡常数为mol2·L-2。
(2)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低,同时存在的消碳反应则使积碳量减少。
相关数据如下表:
1上表判断,催化剂XY(填“优于”或“劣于”),理由是。
在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下,某催化剂表面的积碳量随温度的变化
关系如图1所示,升高温度时,下列关于积碳反应、消碳反
应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是(填标号)。
A.K积、K消均增加
B.v积减小、v消增加
C.K积减小、K消增加
D.v消增加的倍数比v积增加的倍数大
2一定温度下,测得某催化剂上沉积碳的生成速率
方程为
。
在p(CH4)一定时,不同p(CO2)下积碳量随时间的变化趋势如图2所示,则pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)从大到小的
顺序为。
1.
(1)247(2分)A(2分)1/3(2分)
(2)①劣于(2分)相对于催化剂X,催化剂Y积碳反应的活化能大,积碳反应的速率小;而消碳反应活化能相对小,消碳反应速率大(2分)AD(2分)②pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2)(2分)
【解析】本题考查化学反应与能量、化学反应速率和化学平衡等知识的综合运用。
(1)将已知中3个反应依次记为①、②、③,根据盖斯定律③×2-①-②得该催化重整反应的ΔH=(-111×2+75+394)kJ·mol-1=+247kJ·mol-1。
由于该反应为吸热且气体体积增大的反应,要提高CH4的平衡转化率,需在高温低压下进行。
根据平衡时消耗的CO2为1mol×50%=0.5mol,则消耗的CH4为0.5mol,生成的CO和H2均为1mol,根据三段式法可知平衡时CH4、CO2、CO和H2的平衡浓度分别为0.75mol·L-1、0.25mol·L-1、0.5mol·L-1、0.5mol·L-1,则平衡常数K=
。
(2)①从表格中数据可看出相对于催化剂X,用催化剂Y催化时积碳反应的活化能大,则积碳反应的反应速率小,而消碳反应活化能相对小,则消碳反应的反应速率大,再根据题干信息“反应中催化剂活性会因积碳反应而降低”可知催化剂X劣于催化剂Y。
结合图示可知500~600℃随温度升高积碳量增加,而600~700℃随温度升高积碳量减少,故随温度升高,K积和K消均增加,且消碳反应速率增加的倍数比积碳反应的大,故A、D正确。
②由该图象可知在反应时间和p(CH4)相同时,图象中速率关系va>vb>vc,结合沉积碳的生成速率方程v=
,在p(CH4)相同时,随着p(CO2)增大,反应速率逐渐减慢,即可判断:
pc(CO2)>pb(CO2)>pa(CO2)。
【解后反思】解答该化学反应原理题,需明确要结合盖斯定律计算反应热,涉及已知反应方向或计量数的调整;根据催化重整反应的特点采取适当措施提高CH4的转化率;结合三段式法和反应中CO2的转化率计算平衡时各物质的物质的量浓度,然后计算化学平衡常数等。
2017年化学高考题
1.【2017年高考全国卷II】丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。
回答下列问题:
(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1-丁烯(C4H8)的热化学方程式如下:
①C4H10(g)
C4H8(g)+H2(g) ΔH1
已知:
②C4H10(g)+1/2O2(g)
C4H8(g)+H2O(g) ΔH2=-119kJ·mol-1
③H2(g)+1/2O2(g)
H2O(g) ΔH3=-242kJ·mol-1
反应①的ΔH1为 kJ·mol-1。
图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图,x 0.1(填“大于”或“小于”);欲使丁烯的平衡产率提高,应采取的措施是 (填标号)。
A.升高温度 B.降低温度 C.增大压强 D.降低压强
(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。
图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。
图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是 。
(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。
丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是 、 ;590℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是 。
【答案】
(1)123 小于 AD
(2)氢气是产物之一,随着n(氢气)/n(丁烷)增大,逆反应速率增大
(3)升高温度有利于反应向吸热方向进行 温度升高反应速率加快 丁烯高温裂解生成短链烃类
【解析】本题主要考查盖斯定律和化学平衡知识的应用。
本题给出了3个图象,图象信息量比较大,正确分析图象是解答本题的关键。
解答试题时要根据图象作出正确判断,从图(a)中要看出在温度相同时,改变压强对平衡转化率的影响;从图(b)中要看出在达到平衡之前,丁烯产率逐渐增大,但达到平衡后再增大n(氢气)/n(丁烷),平衡逆向移动,丁烯产率降低;从图(c)中要看出590℃前后产率的变化情况,并结合第(3)问中副产物是高温裂解生成的短链烃类,分析丁烯产率随温度变化的原因。
(1)根据盖斯定律,可得①=②-③,则ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119kJ·mol-1+242kJ·mol-1=123kJ·mol-1。
反应①为气体总体积增大的反应,在温度相同时降低压强有利于提高平衡转化率,故x<0.1。
反应①为吸热反应,升高温度有利于平衡正向移动,A项正确;降低压强平衡向气体总体积增大的方向移动,D项正确。
(2)结合图(b)可看出随着n(氢气)/n(丁烷)增大,丁烯产率先升高后降低,这是因为氢气是生成物,当n(氢气)/n(丁烷)逐渐增大时,逆反应速率加快,故丁烯的产率逐渐降低。
(3)在590℃之前随温度升高丁烯产率逐渐增大,这是因为温度升高不仅能加快反应速率,还能促使平衡正向移动;但温度高于590℃时,丁烯高温裂解生成短链烃类,导致丁烯产率快速降低。
2.【2017年高考全国卷III】砷(As)是第四周期ⅤA族元素,可以形成As2S3、As2O5、H3AsO3、H3AsO4等化合物,有着广泛的用途。
回答下列问题:
(1)画出砷的原子结构示意图 。
(2)工业上常将含砷废渣(主要成分为As2S3)制成浆状,通入O2氧化,生成H3AsO4和单质硫。
写出发生反应的化学方程式 。
该反应需要在加压下进行,原因是 。
(3)已知:
As(s)+3/2H2(g)+2O2(g)
H3AsO4(s) ΔH1
H2(g)+1/2O2(g)
H2O(l) ΔH2
2As(s)+5/2O2(g)
As2O5(s) ΔH3
则反应As2O5(s)+3H2O(l)
2H3AsO4(s)的ΔH= 。
(4)298K时,将20mL3x mol·L-1 Na3AsO3、20mL3x mol·L-1 I2和20mLNaOH溶液混合,发生反应:
AsO33-(aq)+I2(aq)+2OH-(aq)
AsO43-(aq)+2I-(aq)+H2O(l)。
溶液中c(AsO43-)与反应时间(t)的关系如图所示。
①下列可判断反应达到平衡的是 (填标号)。
a.溶液的pH不再变化
b.v(I-)=2v(AsO33-)
c.c(AsO43-)/c(AsO33-)不再变化
d.c(I-)=y mol·L-1
②tm时,v正 v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。
③tm时v逆 tn时v逆(填“大于”“小于”或“等于”),理由是 。
④若平衡时溶液的pH=14,则该反应的平衡常数K为 。
【答案】1)
(2)2As2S3+5O2+6H2O
4H3AsO4+6S 增加反应物O2的浓度,提高As2S3的转化速率
(3)2ΔH1-3ΔH2-ΔH3(4)①a、c ②大于 ③小于 tm时生成物浓度较低 ④
(mol·L-1)-1
【解析】本题考查原子结构、盖斯定律、化学平衡移动原理、平衡常数计算等。
(1)从内向外P的各层电子数依次是2、8、5,砷与磷位于同主族且相邻,砷原子比磷原子多一个电子层,所以从内向外砷的各层电子数分别为2、8、18、5,据此可画出其原子结构示意图。
(2)根据得失电子守恒先确定As2S3与O2的化学计量数分别为2、5,再结合元素守恒得出H3AsO4、S和H2O的化学计量数分别为4、6、6。
(3)将已知热化学方程式依次编号为①、②、③,根据盖斯定律,由①×2-②×3-③可得:
As2O5(s)+3H2O(l)
2H3AsO4(s) ΔH=2ΔH1-3ΔH2-ΔH3。
(4)①溶液的pH不再变化,即OH-的浓度不再变化,所以平衡体系中各组分的浓度均不再变化,说明反应达到平衡状态,a项正确;当v正(I-)=2v逆(AsO33-)或v逆(I-)=2v正(AsO33-)时反应达到平衡状态,选项中的速率未指明是正反应速率还是逆反应速率,故b项错误;反应达到平衡之前,c(AsO33-)逐渐减小而c(AsO43-)逐渐增大,故c(AsO43-)/c(AsO33-)逐渐增大,当c(AsO43-)/c(AsO33-)不变时反应达到平衡状态,c项正确;根据离子方程式可知反应体系中恒有c(I-)=2c(AsO43-),观察图象可知反应达到平衡时c(AsO43-)=y mol·L-1,此时c(I-)=2y mol·L-1,故d项错误。
②tm时反应未达到平衡状态,所以v正大于v逆。
③从tm到tn,反应逐渐趋于平衡状态,反应物浓度逐渐减小而生成物浓度逐渐增大,所以正反应速率逐渐减小,逆反应速率逐渐增大,故tm时v逆小于tn时v逆。
④根据题意,起始时c(AsO33-)=c(I2)=x mol·L-1。
根据图象可知平衡时c(AsO43-)=y mol·L-1,则此时c(I-)=2y mol·L-1,c(AsO33-)= c(I2)=(x-y)mol·L-1,平衡时溶液的pH=14,则c(OH-)=1mol·L-1,故该反应的平衡常数K=
=
(mol·L-1)-1。
3.【2017年高考浙江卷】以氧化铝为原料,通过碳热还原法可合成氮化铝(AlN);通过电解法可制取铝。
电解铝时阳极产生的CO2可通过二氧化碳甲烷化再利用。
请回答:
(1)已知:
2Al2O3(s)===4Al(g)+3O2(g)ΔH1=3351kJ·molˉ1
2C(s)+O2(g)===2CO(g)ΔH2=-221kJ·molˉ1
2Al(g)+N2(g)===2AlN(s)ΔH3=-318kJ·molˉ1
碳热还原Al2O3合成AlN的总热化学方程式是________,该反应自发进行的条件
________。
(2)在常压、Ru/TiO2催化下,CO2和H2混和气体(体积比1∶4,总物质的量amol)进行反应,测得CO2转化率、CH4和CO选择性随温度变化情况分别如图1和图2所示(选择性:
转化的CO2中生成CH4或CO的百分比)。
反应ⅠCO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g)ΔH4
反应ⅡCO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g)ΔH5
①下列说法不正确的是________
A.ΔH4小于零
B.温度可影响产物的选择性
C.CO2平衡转化率随温度升高先增大后减少
D.其他条件不变,将CO2和H2的初始体积比改变为1∶3,可提高CO2平衡转化率
②350℃时,反应Ⅰ在t1时刻达到平衡,平衡时容器体积为VL,该温度下反应Ⅰ的平衡常数为________(用a、V表示)
③350℃下CH4物质的量随时间的变化曲线如图3所示。
画出400℃下0~t1时刻CH4物质的量随时间的变化曲线。
(3)据文献报道,CO2可以在碱性水溶液中电解生成甲烷,生成甲烷的电极反应式是
________。
【答案】
(1)Al2O3(s)+3C(s)+N2(g)===2Al(g)+3CO(g)+2AlN(s),ΔH=+1026kJ·molˉ1高温
(2)①CD②625V2/a2
③
(3)CO2+6H2O+8eˉ===6CH4+8OHˉ
【考点】考查利用盖斯定律书写热化学方程式、反应自反条件判断、平衡常数计算、结合图像解答平衡移动相关问题和利用平衡移动原理画图、电解电极方程式
【解析】
(1)通过观察已知三个方程式,用Al2O3合成AlN的方程式为
Al2O3(s)+3C(s)+N2(g)===2Al(g)+3CO(g)+2AlN(s),ΔH=(ΔH1+3ΔH2+2ΔH3)/2=+1026kJ·molˉ1,又∵ΔS>0,∴高温自发
(2)由图一转化率随温度变化看出,350℃之前为未平衡之前的转化率,之后为CO2的平衡转化率,温度升高转化率降低,说明反应Ⅰ为放热反应A正确,C错误;从图2可以看出温度对生成产物(产物的选择性)有影响,B正确;相同条件下CO2和H2的初始体积比从1:
4改变为1∶3,前者CO2的转化率高,D错误;故选择C、D
根据图一350℃CO2的平衡转化率为0.8,三段式进行计算
CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g)
初n1/5a4/5a00
转化n1/5a×0.81/5a×0.8×41/5a×0.81/5a×0.8×2
平衡n1/5a×0.21/5a×0.81/5a×0.81/5a×1.6
代入求平衡常数K=[1/5a×0.8×(1/5a×1.6)2×
]/[1/5a×0.2×(1/5a×0.8)4×
]=625V2/a2
(要除以体积转化为浓度之后代入)
t1时350℃达到平衡,反应为放热反应,400℃反应速率加快,平衡逆移动,后生成甲烷的量减少。
2016-2013年化学高考题
1.【2016年高考海南卷】(9分)顺—1,2—二甲基环丙烷和反—1,2—二甲基环丙烷可发生如下转化:
该反应的速率方程可表示为:
v(正)=k(正)c(顺)和v(逆)=k(逆)c(反),k(正)和k(逆)在一定温度时为常数,分别称作正,逆反应速率常数。
回答下列问题:
(1)已知:
t1温度下,k(正)=0.006s-1,k(逆)=0.002s-1,该温度下反应的平衡常数值K1=_____;该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆),则ΔH_______0(填“小于”“等于”或“大于”)。
(2)t2温度下,图中能表示顺式异构体的质量分数随时间变化的曲线是_______(填曲线编号),平衡常数值K2=;温度t2t1(填“小于”“等于”或“大于”),判断理由是。
【答案】
(1)3小于
(2)B7/3大于放热反应升高温度时平衡向逆反应方向移动
【解析】
(1)根据v(正)=k(正)c(顺)、k(正)=0.006s-1,则v(正)=0.006c(顺),v(逆)=k(逆)c(反),
k(逆)=0.002s-1,v(逆)=0.002c(反),化学平衡状态时正逆反应速率相等,则0.006c(顺)=0.002c(反),K1=c(反)/c(顺)=3;该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆),说明断键吸收的能量小于成键释放的能量,即该反应为放热反应,则ΔH小于零。
(2)随着时间的推移,顺式异构体的质量分数不断减少,则符合条件的曲线是B,设顺式异构体的起始浓度为x,该可逆反应左右物质系数相等,均为1,则平衡时,顺式异构体为0.3x,反式异构体为0.7x,所以平衡常数值K2=0.7x÷0.3x=7/3,因为K1>K2,放热反应升高温度时平衡向逆反应方向移动,所以温度t2大于t1。
【考点定位】化学平衡常数的计算,影响平衡的因素等知识。
【名师点睛】化学平衡的影响因素可以结合勒夏特列原理:
如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强,以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。
而化学平衡常数的计算则根据定义,结合本题所给新信息可得。
2.【2016年高考上海卷】(12分)随着科学技术的发展和环保要求的不断提高,CO2的捕集利用技术成为研究的重点。
完成下列填空:
(1)目前国际空间站处理CO2的一个重要方法是将CO2还原,所涉及的反应方程式为:
CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g)已知H2的体积分数随温度的升高而增加。
若温度从300℃升至400℃,重新达到平衡,判断下列表格中各物理量的变化。
(选填“增大”、“减小”或“不变”)
v正
v逆
平衡常数K
转化率α
(2)相同温度时,上述反应在不同起始浓度下分别达到平衡,各物质的平衡浓度如下表:
[CO2]/mol·L-1
[H2]/mol·L-1
[CH4]/mol·L-1
[H2O]/mol·L-1
平衡Ⅰ
a
b
c
d
平衡Ⅱ
m
n
x
y
a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为。
(3)碳酸:
H2CO3,Ki1=4.3×10-7,Ki2=5.6×10-11
草酸:
H2C2O4,Ki1=5.9×10-2,Ki2=6.4×10-5
0.1mol/LNa2CO3溶液的pH__________0.1mol/LNa2C2O4溶液的pH。
(选填“大于”“小于”或“等于”)
等浓度广东草酸溶液和碳酸溶液中,氢离子浓度较大的是___________。
若将等浓度的草酸溶
液和碳酸溶液等体积混合,溶液中各种离子浓度大小的顺序正确的是_____。
(选填编号)
a.[H+]>[HC2O4-]>[HCO3-]>[CO32-]b.[HCO3-]>[HC2O4-]>[C2O42-]>[CO32-]
b.[H+]>[HC2O4-]>[C2O42-]>[CO32-]d.[H2CO3]>[HCO3-]>[HC2O4-]>[CO32-]
(4)人体血液中的碳酸和碳酸氢盐存在平衡:
H++HCO3-
H2CO3,当有少量酸性或碱性物质进入血液中时,血液的pH变化不大,用平衡移动原理解释上述现象。
【答案】
(1)
v正
v逆
平衡常数K
转化率α
增大
增大
减小
减小
(2)
(3)大于草酸ac
(4)当少量酸性物质进入血液中,平衡向右移动,使H+浓度变化较小,血液中的pH基本不变;当少量碱性物质进入血液中,平衡向左移动,使H+浓度变化较小,血液的pH基本不变。
(合理即给分)
【解析】
(1)H2的体积分数随温度的升高而增加,这说明升高温度平衡向逆反应方向进行,即正反应是放热反应。
升高温度正逆反应速率均增大,平衡向逆反应方向进行,平衡常数减小,反应物的转化率减小。
(2)相同温度时平衡常数不变,则a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为
。
(3)根据电离常数可知草酸的酸性强于碳酸,则碳酸钠的水解程度大于草酸钠,所以0.1mol/LNa2CO3溶液的pH大于0.1mol/LNa2C2O4溶液的pH。
草酸的酸性强于碳酸,则等浓度草酸溶液和碳酸溶液中,氢离子浓度较大的是草酸。
草酸的二级电离常数均大于碳酸的,所以草酸的电离程度大,故溶液中[H+]>[HC2O4-]>[C2O42-]>[HCO3-]>[CO32-],a、c正确,b、d错误。
(4)根据平衡可知当少量酸性物质进入血液中,平衡向右移动,使H+浓度变化较小,血液中的pH基本不变;当少量碱性物质进入血液中,平衡向左移动
,使H+浓度变化较小,血液的pH基本不变。
【考点定位】考查外界条件对平衡状态的影响、电离常数应用等。
【名师点睛】高中化学中,我们除了学习了化学反应平衡以外,还学习了水溶液中的电离平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡。
溶液中的这三大平衡,和普通的化学反应平衡一样,都适用勒夏特列原理,所有关于平衡的原理、规律、计算都是相通的,在学习过程中,不可将他们割裂开来。
勒夏特列原理(又称平衡移动原理)的内容是:
改变影响平衡的一个因素,平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。
关键词“减弱”有两层含义,
(1)平衡移动方向:
与改变条件相反的方向;
(2)平衡移动程度:
不能抵消这种改变。
它定性揭示了化学平衡与外界条件的关系,在帮助中学生判断平衡移动方向,分析平衡移动后浓度、体积百分含量、转化率变化等方面非常方便实用。
而且“勒夏特列原理有广泛适用性,可用于研究所有的化学动态平衡,如沉淀溶解平衡、电离平衡、盐类水解平衡等,所以它是一个很重要的基本规律。
另外注意平衡常数只是温度的函数,温度不变,K值不变。
3.【2016年高考天津卷】(节选)氢能是发展中的新能源,它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节。
回答下列问题:
(3)在恒温恒容的密闭容器中,某储氢反应:
MHx(s)+yH2(g)
MHx+2y(s)ΔH<0达到化学平衡。
下列有关叙述正确的是________。
a.容器内气体压强保持不变
b.吸收ymolH2只需1molMHx
c.若降温,该反应的平衡常数增大
d.若向容器内通入少量氢气,则v(放氢)>v(吸氢)
(4)利用太阳能直接分解水制氢,是最具吸引力的制氢途径,其能量转化形式为_______。
【答案】(3)ac(4)光能转化为化学能
【解析】(3)该反应达到平衡状态时气体的量不变(只有氢气为气体),故压强不变,a正确;由于该反应为可逆反应,反应物不能完全转化,要吸收ymol氢气,需要的MHx的物质的量要大于1mol,故b错误;平衡常数只与温度有关,该反应为放热反应,降温,平衡右移,平衡常数增大,故c正确;向平衡体系中通入氢气,平衡右移,则v(吸氢)>v(放氢),故d错误。
(4)利用太阳能分解水制得氢气和氧气,其能量转化形式是光能转化为化学能。
(4)利用太阳能直接分解水制氢,是将光能转化为化学能,故答案为:
光能转化为化学能。
【考点定位】考查化学反应中的能量变化、电解原理及其应用。
【名师点晴】本题以氢气利用为线索考查了化学反应中的能量变化、电解原理及其应用等相关知识。
:
③负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物,与溶液的酸碱性有关(如+4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在,在碱性溶液中以CO32-形式存在);④溶液中不存在O2-:
在酸性溶液中它与H+结合成H2O、在碱性或中性溶液中它与水结合成OH-。
本题的易错点和难点是c(Na2FeO4)低于最高值的原因分析。
分析时,要注意从题目中寻找线索并结合反应的特征分析。
4.【2016年高考新课标Ⅰ卷】(节选)
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