第7章化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡（3） 1．(2018甘肅蘭州聯(lián)考)煤的氣化和液化是現(xiàn)代能源工業(yè)中重點考慮的能源綜合利用方案。最常見的氣化方法為用煤生產(chǎn)水煤氣，而當前比較流行的液化方法為用煤生產(chǎn)CH3OH。 (1)如圖甲是反應(yīng)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)在不同溫度下CO的轉(zhuǎn)化率隨時間變化的曲線。 ①T1和T2溫度下的平衡常數(shù)大小關(guān)系是K1__>__K2(填“＞”“＜”或“＝”)。 ②由CO合成甲醇時，CO在250 ℃、300 ℃、350 ℃下達到平衡時轉(zhuǎn)化率與壓強的關(guān)系曲線如圖乙所示，則曲線c所表示的溫度為__350__℃。實際生產(chǎn)條件控制在250 ℃、1.3104 kPa左右，選擇此壓強的理由是__250 ℃時，1.3104 kPa下CO的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，如果增大壓強，CO的轉(zhuǎn)化率提高不多，而生產(chǎn)成本增加很多，得不償失__。 ③以下有關(guān)該反應(yīng)的說法正確的是__AD__(填字母)。 A．恒溫、恒容條件下，若容器內(nèi)的壓強不發(fā)生變化，則可逆反應(yīng)達到平衡 B．一定條件下，H2的消耗速率是CO的消耗速率的2倍時，可逆反應(yīng)達到平衡 C．使用合適的催化劑能縮短達到平衡的時間并提高CH3OH的產(chǎn)率 D．某溫度下，將2 mol CO和6 mol H2充入2 L密閉容器中，充分反應(yīng)，達到平衡后，測得c(CO)＝0.2 molL－1，則CO的轉(zhuǎn)化率為80% (2)一定溫度下，向2 L固定體積的密閉容器中加入1 mol CH3OH(g)，發(fā)生反應(yīng)：CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)。H2的物質(zhì)的量隨時間變化的曲線如圖丙所示。 ①0～2 min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(CH3OH)＝__0.125 molL－1min－1__。 該溫度下，反應(yīng)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)的平衡常數(shù)K＝__4__。 ②相同溫度下，若開始時加入CH3OH(g)的物質(zhì)的量是原來的2倍，則__D__(填字母)是原來的2倍。 A．平衡常數(shù) B．CH3OH的平衡濃度 C．達到平衡的時間 D．平衡時氣體的密度 解析 (1)①由圖可知，T2>T1，升高溫度，CO的轉(zhuǎn)化率降低，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度時K減小，所以K1>K2。②相同壓強下，曲線c對應(yīng)的轉(zhuǎn)化率最低，則其對應(yīng)的溫度最高，所以曲線c所表示的溫度為350 ℃。(2)①0～2 min內(nèi)n(H2)的改變量為1.0 mol，濃度的變化量為0.5 molL－1，則v(H2)＝0.25 molL－1min－1，v(CH3OH)＝0.125 molL－1min－1；各物質(zhì)的平衡濃度分別為c(H2)＝0.5 molL－1，c(CO)＝0.25 molL－1，c(CH3OH)＝0.25 molL－1，則反應(yīng)CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)的平衡常數(shù)K1＝＝＝0.25，所以反應(yīng)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)的平衡常數(shù)K＝1/K1＝1/0.25＝4。 2．以焦炭為原料的制氨流程示意如下： 焦炭→→→→→→→氨氣 Ⅰ.“精制”過程是將含有少量CO、CO2、O2和H2S等雜質(zhì)的原料氣體通入含有氨水的醋酸二氨亞銅{化學(xué)式為[Cu(NH3)2]Ac}溶液中，以獲得純凈的原料氣。其中，吸收CO的反應(yīng)為CO＋[Cu(NH3)2]Ac＋NH3H2O [Cu(NH3)3CO]Ac＋H2O　ΔH<0。 (1)為提高CO的吸收率，可采取的一項措施是__降低溫度、增大壓強(或其他合理答案)__。 (2)除去氧氣時，氧氣將[Cu(NH3)2]Ac氧化為[Cu(NH3)4]Ac2，則反應(yīng)中還原劑與氧化劑的物質(zhì)的量之比是__4∶1__。 Ⅱ.“造氣”過程中，焦炭與水蒸氣在反應(yīng)體系中將發(fā)生如下四個反應(yīng)： ①C(s)＋2H2O(g)===CO2(g)＋2H2(g) ΔH1＝＋90.2 kJ/mol ②C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH2＝＋131.4 kJ/mol ③CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH3 ④C(s)＋2H2(g)===CH4(g)　ΔH4 該體系中，一些物質(zhì)的平衡組成與溫度的關(guān)系圖如下圖所示。 (3)由圖可知，若采用焦炭與水蒸氣反應(yīng)來獲得優(yōu)質(zhì)的水煤氣，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)盡量使焦炭和水蒸氣在__高溫__(填“高溫”“低溫”或“常溫”)條件下進行。 (4)ΔH3＝__－41.2 kJ/mol__。 (5)下表為碳與氫氣合成甲烷的相關(guān)數(shù)據(jù)： 溫度/℃ 600 800 1 000 平衡常數(shù) 3.2100－146 1.010－2 070 1.010－20 000 ①ΔH4__<__0(填“>”“<”或“＝”)。 ②預(yù)測1 000 ℃，焦炭與水蒸氣反應(yīng)體系中甲烷的含量__A__(填字母)。 A．幾乎為0　 B．與CO濃度相當 C．無法確定 解析 (1)吸收CO的反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，要提高CO的吸收率，就要使平衡正向移動，因此可以采取加壓或降溫的方法。(2)＋1價銅轉(zhuǎn)化為＋2價銅，每1 mol Cu失去1 mol e－，而1 mol O2可以得到4 mol e－，根據(jù)電子守恒可知，還原劑Cu(＋1價)和氧化劑O2的物質(zhì)的量之比為4∶1。(3)由圖可知，溫度越高，CO和H2的含量越高，因此工業(yè)生產(chǎn)水煤氣應(yīng)在高溫下進行。(4)因為方程式③＝方程式①－方程式②，根據(jù)蓋斯定律可求出ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝(90.2－131.4) kJ/mol＝－41.2 kJ/mol。(5)①表中數(shù)據(jù)表明，溫度越高，平衡常數(shù)越小，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故ΔH4<0。②1 000 ℃時，平衡常數(shù)極小，可認為在該溫度下，此反應(yīng)幾乎不能進行。 3．(2018江西臨川質(zhì)檢)一定條件下鐵可以和CO2發(fā)生反應(yīng)：Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)　ΔH＞0,1 100 ℃時，向某密閉容器中加入足量鐵粉并充入一定量的CO2氣體，反應(yīng)過程中CO2和CO的濃度與時間的關(guān)系如圖所示。 (1)該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式K＝　　。 (2)下列措施中能使平衡時K增大的是__A__(填字母，下同)。 A．升高溫度　　 B．增大壓強 C．充入一定量CO　　 D．降低溫度 (3)8 min內(nèi)，CO的平均反應(yīng)速率v(CO)＝__0.062 5__molL－1min－1。 (4)1 100 ℃時，在2 L的密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，保持恒溫、恒容，測得反應(yīng)達到平衡時的有關(guān)數(shù)據(jù)如下： 容器 甲 乙 反應(yīng)物投入量 3 mol Fe、 2 mol CO2 4 mol FeO、 3 mol CO CO的濃度(molL－1) c1 c2 CO2的體積分數(shù) φ1 φ2 體系壓強(Pa) p1 p2 氣態(tài)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 α1 α2 ①下列說法正確的是__BC__。 A．2c1＝3c2　　 B．φ1＝φ2 C．p1＜p2　　 D．α1＝α2 ②c1＝__0.67__、φ1＝__33.3%__、α2＝__33.3%__。 解析 (1)平衡常數(shù)表達式中不能出現(xiàn)固體物質(zhì)的濃度。(2)平衡常數(shù)只受溫度的影響，由于該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以升溫能增大平衡常數(shù)。(3)求平均反應(yīng)速率時，應(yīng)用濃度的變化值除以時間，即v(CO)＝＝0.062 5 molL－1min－1。(4)由圖像可計算平衡常數(shù)K＝＝＝2。①A項，當乙中CO為2 mol 時，c1＝c2，當乙中CO為3 mol時，c1＜c2,3c1＝2c2，錯誤；B項，由于該反應(yīng)為等體積反應(yīng)，改變CO或CO2的濃度，相當于改變壓強，平衡不移動，所以φ1＝φ2，正確；C項，因為乙中氣體分子數(shù)多，所以p1＜p2，正確；D項，由于平衡是從不同途徑建立的，所以α1＋α2＝1，錯誤。②K＝＝2，解得c1≈0.67。φ1＝100%≈33.3%。容器乙中平衡常數(shù)K′＝＝＝，c(CO2)＝0.5 molL－1。則容器乙中CO的轉(zhuǎn)化率α2＝100%≈33.3%。 4．(2018廣東信宜中學(xué)高三月考)Ⅰ.工業(yè)上可用CO或CO2來生產(chǎn)燃料甲醇。已知甲醇制備的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)以及在不同溫度下的化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)如下表所示： 化學(xué)反應(yīng) 平衡常數(shù) 溫度/℃ 500 800 ①2H2(g)＋CO(g)CH3OH(g) K1 2.5 0.15 ②H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g) K2 1.0 2.50 ③3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) K3 (1)根據(jù)反應(yīng)①與②可推導(dǎo)出K1、K2與K3之間的關(guān)系，則K3＝__K1K2__(用K1、K2表示)。500 ℃時測得反應(yīng)③在某時刻，H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的濃度(molL－1)分別為0.8、0.1、0.3、0.15，則此時v正__>__v逆(填“>”“<”或“＝”)。 (2)在3 L容積可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)②，已知c(CO)—反應(yīng)時間t變化曲線Ⅰ如圖所示，若在t0時刻分別改變一個條件，曲線Ⅰ變?yōu)榍€Ⅱ和曲線Ⅲ。當曲線Ⅰ變?yōu)榍€Ⅱ時，改變的條件是__加入催化劑__。當曲線Ⅰ變?yōu)榍€Ⅲ時，改變的條件是__將容器的體積(快速)壓縮至2 L__。 Ⅱ.利用CO和H2可以合成甲醇，反應(yīng)原理為CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。一定條件下，在容積為V L的密閉容器中充入a mol CO與2a mol H2合成甲醇，平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如下圖所示。 (1)p1__<__p2(填“>”“<”或“＝”)，理由是__甲醇的合成反應(yīng)是分子數(shù)減少的反應(yīng)，相同溫度下，增大壓強CO的轉(zhuǎn)化率提高__。 (2)該甲醇合成反應(yīng)在A點的平衡常數(shù)K＝　　(用a和V表示)。 (3)該反應(yīng)達到平衡時，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的關(guān)系是CO__＝__H2(填“>”“<”或“＝”)。 (4)下列措施中能夠同時滿足增大反應(yīng)速率和提高CO轉(zhuǎn)化率的是__C__(填字母)。 A．使用高效催化劑 B．降低反應(yīng)溫度 C．增大體系壓強 D．不斷將CH3OH從反應(yīng)混合物中分離出來 解析 Ⅰ.(1)根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的表達式，K1＝c(CH3OH)/[c(CO)c2(H2)]，K2＝c(CO)c(H2O)/[c(H2)c(CO2)]，K3＝c(H2O)c(CH3OH)/[c3(H2)c(CO2)]，因此K3＝K1K2，代入數(shù)值，500 ℃時 K3＝2.51.0＝2.5，此時的濃度商Qc＝0.30.15/(0.830.1)≈0.88<2.5，說明反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行，即v正>v逆。