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课时规范练25　化学平衡常数　化学反应的方向与调控
一、选择题:本题共6小题,每小题只有一个选项符合题目要求。
1.(2024广西贵港模拟)下列关于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH<0的说法正确的是(　　)
A.基态V原子核外电子排布为3d34s2
B.反应达到平衡状态时,v逆(SO3)=2v正(O2)
C.使用V2O5是为了增大SO2的平衡转化率
D.其他条件相同时,增大压强,平衡常数增大
2.氯化氢和氯气在生产、生活中具有广泛应用。舍勒发现将软锰矿和浓盐酸混合加热可产生氯气,该方法仍是当今实验室制备氯气的主要方法之一。Deacon曾提出在催化剂作用下,氧气直接氧化氯化氢制备氯气,该反应为可逆反应,热化学方程式为4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)　ΔH=-116 kJ·mol-1。关于Deacon提出的制备Cl2的反应,下列说法正确的是(　　)
A.该反应一定能自发进行
B.每生成22.4 L Cl2,放出58 kJ的热量
C.增大起始时的值,可提高HCl的平衡转化率
D.断裂4 mol H—Cl的同时,有4 mol H—O生成,说明该反应达到平衡状态
3.下列说法正确的是(　　)
A.反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的ΔH<0,ΔS>0
B.反应2CO+2NON2+2CO2在常温下能自发进行,则反应的ΔH>0,ΔS<0
C.反应TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+O2(g)　ΔH>0能自发进行,其原因是ΔS>0
D.反应4Fe(s)+3O2(g)2Fe2O3(s)常温下可自发进行,该反应为吸热反应
4.二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域,对节能减排有重要意义。已知反应:6H2(g)+2CO2(g)CH2CH2(g)+4H2O(g),温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图所示,下列说法不正确的是(　　)
A.正反应为放热反应
B.化学平衡常数:KM>KN
C.当温度高于250 ℃时,催化剂的催化效率降低是因为平衡逆向移动引起的
D.若初始投料比n(H2)∶n(CO2)=3∶1,则图中M点的乙烯体积分数约为7.7%
5.(2024广西百色模拟)羰基硫(COS)是一种粮食熏蒸剂,其合成原理为CO(g)+H2S(g)COS(g)+H2(g)　ΔH<0,在恒容密闭容器中发生该反应并达到平衡状态。下列说法正确的是(　　)
A.催化剂能改变ΔH
B.升温,平衡常数增大
C.通入He(g),压强增大,H2S的转化率增大
D.该反应正反应的活化能小于逆反应的活化能
6.(2024湖南名校联盟模拟)NO2是常见的环境污染性气体。一定温度下,向三个容积不等的恒容密闭容器中分别投入1 mol NO2,用足量活性炭还原NO2的反应为2NO2(g)+2C(s)N2(g)+2CO2(g)。反应相同时间后,三个容器中NO2的物质的量(n)如图中A、B、C三点所示。下列叙述不正确的是(　　)
A.A点达到平衡,B、C点均未达到平衡
B.若B点达到平衡时,在该温度下的平衡常数K=0.25
C.若C点使用催化剂,能提高NO2的转化率
D.C点时,瞬间压缩容器体积至1 L后,NO2的物质的量增大
二、非选择题:本题共2小题。
7.丙烯是三大合成材料的基本原料之一,可用于生产多种重要有机化工原料。由丙烷制丙烯的两种方法如下:
Ⅰ.丙烷氧化脱氢法:C3H8(g)+O2(g)C3H6(g)+H2O(g)　ΔH1
Ⅱ.丙烷无氧脱氢法:C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)　ΔH2=+124 kJ·mol-1
请回答下列问题:
(1)已知H2(g)+O2(g)H2O(g)　ΔH=-242 kJ·mol-1,由此计算ΔH1=　　　　 kJ·mol-1。
(2)在催化剂作用下,C3H8氧化脱氢除生成C3H6外,还生成CO、CO2等物质。C3H8的转化率和C3H6的产率随温度变化关系如图所示。
①图中C3H8的转化率随温度升高而增大的原因是 　　　　　　　　　　　　　　。
②在550 ℃时,C3H6的选择性为　　　(保留1位小数)(C3H6的选择性=
×100%)。
③C3H6的选择性:550 ℃　　　　　(填“大于”或“小于”)575 ℃。
(3)某温度下,在刚性密闭容器中充入C3H8发生无氧脱氢制备丙烯。
①下列能说明该反应达到平衡状态的是　　　　(填字母)。
a.v正(C3H8)=v正(C3H6)
b.容器内气体的密度不再发生变化
c.容器内气体平均相对分子质量不再变化
d.容器内的压强不再发生变化
②若起始时容器内压强为10 kPa,反应达平衡后总压强为14 kPa,则C3H8的平衡转化率为　　　　　　;该反应的压强平衡常数Kp=　　　　　　(保留1位小数)。
8.(2023浙江卷,节选)水煤气变换反应是工业上的重要反应,可用于制氢。
水煤气变换反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)　ΔH=-41.2 kJ·mol-1
该反应分两步完成:
3Fe2O3(s)+CO(g)2Fe3O4(s)+CO2(g)　ΔH1=-47.2 kJ·mol-1
2Fe3O4(s)+H2O(g)3Fe2O3(s)+H2(g)　ΔH2>0
请回答:
(1)恒定总压1.70 MPa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。
分压
条件1 0.40 0.40 0
条件2 0.42 0.36 0.02
①在条件1下,水煤气变换反应的平衡常数K=　　　　。
②对比条件1,条件2中H2产率下降是因为发生了一个不涉及CO2的副反应,写出该反应的化学方程式: 　　　　　　　　　　　　　　。
(2)下列说法正确的是　　　　　。
A.通入反应器的原料气中应避免混入O2
B.恒定水碳比[n(H2O)∶n(CO)],增加体系总压可提高H2的平衡产率
C.通入过量的水蒸气可防止Fe3O4被进一步还原为Fe
D.通过充入惰性气体增加体系总压,可提高反应速率
(3)水煤气变换反应是放热的可逆反应,需在多个催化剂反应层间进行降温操作以“去除”反应过程中的余热(如图1所示),保证反应在最适宜温度下进行。
图1
图2
图3
①在催化剂活性温度范围内,图2中b~c段对应降温操作的过程,实现该过程的一种操作方法是　　　　。
A.按原水碳比通入冷的原料气
B.喷入冷水(蒸汽)
C.通过热交换器换热
②若采用喷入冷水(蒸汽)的方式降温,在图3中作出CO平衡转化率随温度变化的曲线。
(4)在催化剂活性温度范围内,水煤气变换反应的历程包含反应物分子在催化剂表面的吸附(快速)、反应及产物分子脱附等过程。随着温度升高,该反应的反应速率先增大后减小,其速率减小的原因是 　　　　　　　　　　　　　　。
参考答案
课时规范练25　化学平衡常数　化学反应的方向与调控
1.B　解析 V为第23号元素,基态V原子核外电子排布为1s22s22p63d34s2,A项错误;反应达到平衡状态时,v逆(SO3)=2v正(O2),B项正确;催化剂可以增大化学反应速率,不能使平衡移动,不能改变平衡转化率,C项错误;化学平衡常数只受温度的影响,温度改变,平衡常数才会改变,D项错误。
2.C　解析 该反应为气体体积减小的反应,ΔS<0,ΔH<0,当ΔG=ΔH-TΔS<0时反应自发进行,则需要低温的条件,A错误;没指明气体所处的状态,无法计算Cl2的物质的量,B错误;增大氧气的量,可促进HCl的转化,即增大起始时的值,可提高HCl的平衡转化率,C正确;断裂H—Cl和生成H—O,都指正反应方向,不能说明该反应达到平衡状态,D错误。
3.C　解析 该反应的正反应为气体分子数减少的反应,ΔS<0,A项错误;从化学方程式中气体物质化学计量数来看,物质的量在减小,即熵减小,但反应能自发,则该反应是放热反应,ΔH<0,B项错误;一个吸热反应如果能自发进行,则该反应一定是熵增大的反应,C项正确;该反应的气体分子数减小,即熵减小,但反应能自发,说明反应一定为放热反应,D项错误。
4.C　解析 由题图知,随着温度的升高,CO2平衡转化率下降,说明温度升高,平衡逆向移动,故逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,A正确;升高温度,平衡逆向移动,平衡常数K减小,故KM>KN,B正确;当温度高于250 ℃时,催化剂催化效率下降,是因为温度升高使催化剂活性下降,而不是因为平衡移动,C错误;由图示知,M点的CO2平衡转化率为50%,设起始时H2的物质的量为3 mol,CO2的物质的量为1 mol,列三段式如下:
　　　　 6H2 + 2CO2 CH2CH2 + 4H2O
起始/mol 3 1 0 0
转化/mol 1.5 0.5 0.25 1
平衡/mol 1.5 0.5 0.25 1
则平衡时乙烯的体积分数=×100%≈7.7%,D正确。
5.D　解析 催化剂只能改变反应的途径,但不能改变反应的始态和终态,即不能改变反应的焓变ΔH,A项错误;由题干信息可知,该反应是一个放热反应,则升温平衡逆向移动,导致平衡常数减小,B项错误;在恒容密闭容器中,通入He(g),容器压强虽然增大,但反应体系中各物质的浓度均不改变,平衡不移动,即H2S的转化率不变,C项错误;根据反应热ΔH等于正反应的活化能减去逆反应的活化能可知,该反应正反应的活化能小于逆反应的活化能,D项正确。
6.D　解析 该反应正向气体分子数增大,恒温恒容条件下,A点的容器体积最小,压强最大,A点的反应速率最大;C点的容器体积最大,压强最小,C点的反应速率最小。根据A、C点NO2的物质的量可知A点已经达到平衡状态,C点未达平衡状态。根据“三段式”计算平衡常数K:
　　　 2NO2(g)+2C(s)N2(g) + 2CO2(g)
初始/mol 1 0 0
转化/mol 0.5 0.25 0.5
平衡/mol 0.5 0.25 0.5
K==0.25。
计算B点浓度商Q:
　　　 2NO2(g)+2C(s)N2(g) + 2CO2(g)
初始/mol 1 0 0
转化/mol 0.6 0.3 0.6
平衡/mol 0.4 0.3 0.6
Q=≈0.177.答案 (1)-118　(2)①温度升高,催化剂活性增大,反应速率加快　②61.5%　③大于　(3)①cd　②40%　2.7 kPa
解析 (1)根据盖斯定律,把C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)
ΔH2=+124 kJ·mol-1和H2(g)+O2(g)H2O(g)
ΔH=-242 kJ·mol-1相加,即得C3H8(g)+O2(g)C3H6(g)+H2O(g)　ΔH1=+124 kJ·mol-1-
242 kJ·mol-1=-118 kJ·mol-1。
(2)①由(1)可知该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,C3H8的转化率应该降低,但实际上C3H8的转化率随温度的升高而增大,可能是升高温度,催化剂的活性增大,反应速率加快的缘故。
②由图可知,550 ℃时,C3H8的转化率为13%,C3H6的产率为8%,设起始时C3H8的物质的量为100 mol,则反应的C3H8的物质的量为13 mol,生成的C3H6的物质的量为8 mol,则C3H6的选择性为×100%≈61.5%。
③550 ℃时,C3H6的选择性为61.5%,575 ℃时,C3H6的选择性为×100%≈51.5%,因此550 ℃时C3H6的选择性大于575 ℃时C3H6的选择性。
(3)①在C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)反应中,v正(C3H8)=v正(C3H6)均表示正反应速率,无法确定正、逆反应速率是否相等,无法判断反应达到平衡状态,a不选;反应物和生成物都是气体,容器内混合气体的总质量是不变的,且容器容积恒定,所以容器内气体密度是定值,则容器内气体的密度不再发生变化时,不能说明反应达到平衡状态,b不选;反应物和生成物都是气体,容器内混合气的质量是不变的,反应前后气体的物质的量发生改变,所以容器内气体的平均相对分子质量在未平衡前是变化的,当容器内气体的平均相对分子质量不再变化时,说明反应达到平衡状态,c选;该反应前后气体计量数之和不相等,所以平衡建立过程中,混合气体的物质的量是变化的,在恒温恒容条件下,压强和气体的物质的量成正比,所以当容器内的压强不再发生变化时,反应达到平衡状态,d选。
②恒温恒容条件下,气体的物质的量和压强成正比,起始时容器内压强为10 kPa,反应达平衡后总压强为14 kPa,则压强变化了4 kPa,根据化学方程式可知,各物质变化的分压均为4 kPa,所以平衡时C3H8、C3H6、H2的分压分别为6 kPa、4 kPa、4 kPa。则C3H8的平衡转化率为×100%=40%;Kp==≈2.7 kPa。
8.答案 (1)①2　②CO+3H2CH4+H2O
(2)AC
(3)①AC　②
(4)温度过高时,不利于反应物分子在催化剂表面的吸附,从而导致反应物分子在催化剂表面的吸附量及浓度降低,反应速率减小;温度过高还会导致催化剂的活性降低,从而使化学反应速率减小
解析 (1)①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下平衡时容器的总容积为V,参加反应的一氧化碳的物质的量为x mol,根据已知信息可得以下“三段式”:
　　 CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
开始/mol 5 12 0 0
转化/mol x x x x
平衡/mol 5-x 12-x x x
p(H2)=×1.7 MPa=0.40 MPa,解得x=4,
则平衡常数K==2。
②根据表格中的数据可知,有甲烷生成,氢气的产率降低,且该副反应没有二氧化碳参与,则该反应的化学方程式为CO+3H2CH4+H2O。
(2)CO和H2都可以与O2反应,则通入反应器的原料气中应避免混入O2,A正确;该反应前后气体化学计量数相同,则增加体系总压平衡不移动,不能提高H2的平衡产率,B错误;通入过量的水蒸气可以促进四氧化三铁被氧化为氧化铁,且过量的水蒸气可以降低体系中CO和H2的浓度,从而防止铁的氧化物被还原为单质铁,C正确;若保持容器的容积不变,充入惰性气体可增加体系总压,但反应物浓度不变,反应速率不变,D错误。
(3)①按原水碳比通入冷的原料气,可以降低温度,同时化学反应速率稍减小,导致CO的转化率稍减小,与图中变化相符,A正确;喷入冷水(蒸汽),可以降低温度,但是同时水蒸气的浓度增大,会导致CO的转化率增大,与图中变化不符,B错误;通过热交换器换热,可以降低温度,且不改变投料比,同时化学反应速率稍减小,导致CO的转化率稍减小,与图中变化相符,C正确。
②喷入冷水(蒸汽),可以降低温度,平衡正向移动,则一氧化碳的平衡转化率增大,新曲线会高于原平衡曲线。
(4)反应物分子在催化剂表面的吸附是一个快速过程,温度过高时,不利于反应物分子在催化剂表面的吸附,从而导致反应物分子在催化剂表面的吸附量及浓度降低,反应速率减小;温度过高还会导致催化剂的活性降低,从而使化学反应速率减小。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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