大题突破练(三) 化学反应原理综合题
1.(2024·广东大亚湾区1月联合模拟)某课题组研究CO2加氢制甲醇。涉及的主要反应有:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-48.3 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
反应Ⅲ:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)
ΔH3=-154.8 kJ·mol-1
反应Ⅳ:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH4
回答下列有关问题:
(1)反应Ⅳ的ΔH4= 。
(2)下列有关说法正确的是 。
A.增压时,CO的物质的量分数一定增大
B.当甲醇的分压不再改变时,体系达到平衡
C.在恒容密闭容器中充入Ar,反应Ⅲ速率不变
D.升温时,反应Ⅱ逆反应速率加快的程度大于正反应速率
(3)研究发现,在3 MPa条件下,当起始n(CO2)∶n(H2)=1∶3,平衡时CO2的转化率、含碳产物的选择性(转化的CO2中生成CH3OH、CH4或CO的百分比,如甲醇的选择性=×100%)与温度关系如图所示。
①随着温度升高,甲醇选择性降低而CO2的转化率却升高的原因可能是 。
②在T温度下,若CH4的选择性为10%,计算此温度下反应Ⅱ的平衡常数K= 。
(4)一种在铜基催化剂上CO2加氢制甲醇的机理如图所示,其中吸附在铜基催化剂表面上的物种用“*”标注。
①基态铜原子的价电子排布式为 。
②决速步的反应方程式为 。
(5)写出甲醇在生产或生活中的一种应用 。
2.(2024·甘肃二模)苯乙烯是生产塑料和合成橡胶的重要有机原料,可由乙苯催化脱氢获得。乙苯催化脱氢制苯乙烯的反应为:
+H2(g)
(1)已知:
化学键 C—H C—C CC H—H
键能/(kJ·mol-1) 412 348 612 436
计算上述反应的ΔH= kJ·mol-1。
(2)为提高乙苯的平衡转化率,应选择的反应条件为 (填字母)。
A.低温、高压 B.高温、低压
C.低温、低压 D.高温、高压
(3)工业上,通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1∶9),控制反应温度600 ℃,并保持体系总压为常压的条件下进行反应。在不同反应温度下,乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图如下:
①掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率,解释说明该事实: 。
②控制反应温度为600 ℃的理由是 。
(4)100 kPa恒压下,T1 ℃时将2 mol乙苯蒸气通入容积可变的密闭容器中发生乙苯脱氢制苯乙烯反应。反应经过10 min达到平衡,此时苯乙烯的体积分数为0.375,则乙苯的转化率为 ,0~10 min内的平均反应速率v(H2)= kPa·min-1,该温度下的Kp= kPa。
3.(2024·湖北七市二模)为了实现“碳达峰”和“碳中和”的目标,将CO2转化成可利用的化学能源的“负碳”技术是世界各国关注的焦点。回答下列问题:
方法Ⅰ:CO2催化加氢制甲醇。
以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的反应如下:
反应ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.0 kJ·mol-1
反应ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.0 kJ·mol-1
反应ⅲ:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH3
(1)计算反应ⅲ的ΔH3= kJ·mol-1。
(2)一定温度和催化剂条件下,在密闭恒容容器中按照投料n(CO2)∶n(H2)∶n(N2)=1∶3∶1发生反应(N2不参与反应),平衡时CO2的转化率、CH3OH和CO的选择性[如CH3OH的选择性=×100%]随温度的变化曲线如图所示。
①图中曲线a表示物质 (填“CO2”“CH3OH”或“CO”)的变化。
②上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有 (填字母)。
A.升高温度,反应ⅰ逆向移动,所以正反应速率减小
B.向容器中再通入少量N2,CO2的平衡转化率下降
C.移去部分H2O(g),反应ⅲ平衡一定不移动
D.选择合适的催化剂能提高CH3OH的选择性
③保持温度不变,在恒容反应器中,初始总压为5p kPa,只发生反应ⅰ和ⅱ,达到平衡时CO2的转化率为80%,CO的选择性为25%,则H2的转化率为 ,反应ⅱ的压强平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
方法Ⅱ:催化加氢制甲酸。
(3)科研工作者通过开发新型催化剂,利用太阳能电池将工业排放的CO2转化为HCOOH。
已知CO2(g)+H2(g)HCOOH(g) ΔH=-31.4 kJ·mol-1。温度为T1 ℃达到平衡时,化学平衡常数K=1.8。实验测得:v正=k正c(CO2)·c(H2),v逆=k逆c(HCOOH),k正、k逆为速率常数。T1 ℃时,k正= k逆;若温度为T2 ℃达到平衡时,k正=1.9k逆,则T2 (填“>”“<”或“=”)T1。
4.(2024·吉林白山二模)氨是重要的化工原料,也是潜在的储氢材料。回答下列问题:
(1)氨的沸点为-33.35 ℃,易液化,工业上常用作制冷剂,其易液化的主要原因是 。
(2)在液氨中制备B2(NH)3的反应如下:
①BCl3(s)+6NH3(l)B(NH2)3(s)+3NH4Cl(s) ΔH1;
②2B(NH2)3(s)B2(NH)3(s)+3NH3(l) ΔH2;
③2BCl3(s)+9NH3(l)B2(NH)3(s)+6NH4Cl(s) ΔH3。
上述反应中,ΔH1、ΔH2、ΔH3之间等式关系为 。
(3)氨分解制备氢气,反应历程如图所示。
①N2(g)的键能为 kJ·mol-1。
②写出NH3分解总反应的热化学方程式: 。
(4)化学上,把反应物消耗一半所用时间叫作“半衰期”。在恒容密闭容器中充入适量钨和0.8 mol NH3,实验测得在钨表面氨气分解反应半衰期与温度(T)、起始压强(p)的关系如图所示。
T1 (填“>”“<”或“=”)T2。T2温度下,反应进行到t min时容器内反应体系总压强为 kPa。
(5)一定温度下,向1 L恒容密闭容器中充入1 mol N2和n mol H2合成氨气。NH3的平衡体积分数与投料比η[η=]关系如图所示。
①在a、b、c点中,N2的平衡转化率最大的是 (填字母)。
②若b点对应体系中,NH3体积分数为,则该温度下,平衡常数K为 L2·mol-2(只列计算式)。
5.(2023·湖北卷节选)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下,C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。
C40H20(g)C40H18(g)+H2(g)的反应机理和能量变化如下:
回答下列问题:
(1)图示历程包含 个基元反应,其中速率最慢的是第 个。
(2)C40H10纳米碗中五元环和六元环结构的数目分别为 、 。
(3)1 200 K时,假定体系内只有反应C40H12(g)C40H10(g)+H2(g)发生,反应过程中压强恒定为p0(即C40H12的初始压强),平衡转化率为α,该反应的平衡常数Kp为 (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(4)H19(g)C40H18(g)+H·(g)及H11(g)C40H10(g)+H·(g)反应的ln K(K为平衡常数)随温度倒数的关系如图所示。已知本实验条件下,ln K=-+c(R为理想气体常数,c为截距)。图中两条线几乎平行,从结构的角度分析其原因是 。
(5)下列措施既能提高反应物的平衡转化率,又能增大生成C40H10的反应速率的是 (填字母)。
a.升高温度
b.增大压强
c.加入催化剂
6.(2024·辽宁沈阳一模)2023杭州亚运会火炬塔燃料首次使用新型燃料——绿色零增碳甲醇,用实际行动向世界展示了我国对碳中和的决心和成果,具体流程如图。
回答下列问题:
(1)整个过程只消耗太阳能。H2O和CO2仅充当能量的媒介且可实现完美循环,这是典型的人工光合过程,则过程H2O+CO2CH3OH+O2为 (填“吸热”或“放热”)反应。
(2)CO2催化加氢制备甲醇,反应如下:
主反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
下表中数据是该反应中相关物质的标准摩尔生成焓(Δf)(标准摩尔生成焓是指在298.15 K、100 kPa由稳定态单质生成1 mol化合物时的焓变)。则ΔH1= kJ·mol-1。
物质 H2(g) CO2(g) H2O(g) CH3OH(g)
Δf/(kJ·mol-1) 0 -394 -242 -201
(3)探究影响CH3OH合成反应化学平衡的因素,有利于提高CH3OH的产率。CO2的平衡转化率X和CH3OH的选择性S随温度、压强变化如图。
CH3OH的选择性=×100%,则下列说法正确的是 (填字母)。
A.p1>p2
B.恒温密闭体系中,加压时副反应平衡不移动
C.300~350 ℃曲线变化的原因可能是此时以发生副反应为主
D.加入选择性更好的催化剂,可以提高甲醇的平衡产率
E.300 ℃时,当体系中混合气体的平均摩尔质量不再改变,则该体系达到平衡状态
(4)在T ℃下,恒压反应器中,按初始投料n(CO2)∶n(H2)=1∶1发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),初始总压为2 MPa,反应平衡后,H2的平衡转化率为60%,则该反应的平衡常数Kp= (MPa)-2(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(5)一种基于铜基金属簇催化剂电催化还原CO2制备甲醇的装置如图所示。控制其他条件相同,将一定量的CO2通入该电催化装置中,阴极所得产物及其物质的量与电压的关系如图所示。
①b电极生成CH3OH的电极反应式为 。
②控制电压为0.8 V,电解时转移电子的物质的量为 mol。
大题突破练(三) 化学反应原理综合题
1.(2024·广东大亚湾区1月联合模拟)某课题组研究CO2加氢制甲醇。涉及的主要反应有:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-48.3 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
反应Ⅲ:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)
ΔH3=-154.8 kJ·mol-1
反应Ⅳ:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH4
回答下列有关问题:
(1)反应Ⅳ的ΔH4= 。
(2)下列有关说法正确的是 。
A.增压时,CO的物质的量分数一定增大
B.当甲醇的分压不再改变时,体系达到平衡
C.在恒容密闭容器中充入Ar,反应Ⅲ速率不变
D.升温时,反应Ⅱ逆反应速率加快的程度大于正反应速率
(3)研究发现,在3 MPa条件下,当起始n(CO2)∶n(H2)=1∶3,平衡时CO2的转化率、含碳产物的选择性(转化的CO2中生成CH3OH、CH4或CO的百分比,如甲醇的选择性=×100%)与温度关系如图所示。
①随着温度升高,甲醇选择性降低而CO2的转化率却升高的原因可能是 。
②在T温度下,若CH4的选择性为10%,计算此温度下反应Ⅱ的平衡常数K= 。
(4)一种在铜基催化剂上CO2加氢制甲醇的机理如图所示,其中吸附在铜基催化剂表面上的物种用“*”标注。
①基态铜原子的价电子排布式为 。
②决速步的反应方程式为 。
(5)写出甲醇在生产或生活中的一种应用 。
答案:(1)-89.5 kJ·mol-1 (2)BC
(3)①生成甲醇的反应均为放热反应,升温时平衡逆向移动,甲醇选择性降低;反应Ⅱ是吸热反应,升温平衡正向移动,且反应Ⅱ占主导作用 ②0.198
(4)①3d104s1 ②CH3O*+OH*+2H*CH3OH*+H2O*
(5)作燃料(或溶剂或制甲醛等)
解析:(1)根据盖斯定律可知反应Ⅰ-反应Ⅱ=反应Ⅳ,ΔH4=ΔH1-ΔH2=-48.3 kJ·mol-1-(+41.2 kJ·mol-1)=-89.5 kJ·mol-1。
(2)反应Ⅱ是等体积变化的反应,反应Ⅳ是气体体积减小的反应,增压时反应Ⅳ的平衡正向移动,CO的物质的量分数减小,A错误;反应达到平衡时,各物质的浓度、含量均不变,则甲醇的分压不再改变时其浓度不变,体系达到平衡状态,B正确;在恒容密闭容器中充入Ar时,反应物、生成物的浓度均不变,则反应速率不变化,C正确;反应Ⅱ是吸热反应,升高温度时平衡正向移动,即升温时反应Ⅱ逆反应速率加快的程度小于正反应速率,D错误。
(3)②设起始时n(CO2)=1 mol、n(H2)=3 mol,由图可知,T温度平衡时CO2的转化率为60%、CH3OH的选择性为60%,CH4的选择性为10%,则CO的选择性为1-60%-10%=30%,平衡体系中CO2的物质的量为0.4 mol,n(CH3OH)=1 mol×60%×60%=0.36 mol,n(CH4)=0.06 mol,n(CO)=0.18 mol,根据H、O原子守恒可得:2n'(H2)+2n(H2O)+0.36 mol×4+0.06 mol×4=6 mol,n(H2O)+0.8 mol+0.36 mol+0.18 mol=2 mol,解得n'(H2)=1.5 mol,n(H2O)=0.66 mol,此温度下反应Ⅱ的平衡常数K==0.198。
(4)①Cu的原子序数为29,基态铜原子核外电子排布式为[Ar]3d104s1,其价电子排布式为3d104s1。
②反应的能垒或活化能越高,反应速率越慢,该步反应的反应速率决定整个反应的反应速率,是决速步,由图可知,过渡态5的能垒最高,该步反应为CH3O*+OH*+2H*CH3OH*+H2O*。
(5)甲醇具有可燃性,是良好的有机溶剂,是重要的化工原料等,可用作燃料、溶剂、制备甲醛等。
2.(2024·甘肃二模)苯乙烯是生产塑料和合成橡胶的重要有机原料,可由乙苯催化脱氢获得。乙苯催化脱氢制苯乙烯的反应为:
+H2(g)
(1)已知:
化学键 C—H C—C CC H—H
键能/(kJ·mol-1) 412 348 612 436
计算上述反应的ΔH= kJ·mol-1。
(2)为提高乙苯的平衡转化率,应选择的反应条件为 (填字母)。
A.低温、高压 B.高温、低压
C.低温、低压 D.高温、高压
(3)工业上,通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1∶9),控制反应温度600 ℃,并保持体系总压为常压的条件下进行反应。在不同反应温度下,乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图如下:
①掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率,解释说明该事实: 。
②控制反应温度为600 ℃的理由是 。
(4)100 kPa恒压下,T1 ℃时将2 mol乙苯蒸气通入容积可变的密闭容器中发生乙苯脱氢制苯乙烯反应。反应经过10 min达到平衡,此时苯乙烯的体积分数为0.375,则乙苯的转化率为 ,0~10 min内的平均反应速率v(H2)= kPa·min-1,该温度下的Kp= kPa。
答案:(1)+124 (2)B
(3)①正反应为气体分子数增大的反应,保持压强不变,加入水蒸气,容器容积增大,等效为降低压强,平衡向正反应方向移动 ②600 ℃时乙苯的转化率与苯乙烯的选择性均较高,温度过低,反应速率较慢,转化率较低,温度过高,选择性下降,高温下可能使催化剂失去活性,且消耗能量较大
(4)60% 3.75 56.25
解析:(1)反应热=反应物断键所吸收的热量-生成物成键放出能量,ΔH=2×412 kJ· mol-1+348 kJ· mol-1-612 kJ· mol-1-436 kJ· mol-1=+124 kJ· mol-1。
(2)正反应为气体分子数增大的反应,减小压强,有利于平衡正向移动;正反应为吸热反应,升高温度,有利于平衡正向移动,所以选择高温、低压。
(3)①正反应方向气体分子数增加,加入水蒸气起稀释作用,相当于起减压的效果,减压的条件下,平衡正向移动,乙苯的平衡转化率增大。
(4)根据方程式+H2(g),反应经过10 min达到平衡,设反应消耗的乙苯的物质的量为x mol,则剩下的乙苯为(2-x) mol,苯乙烯的体积分数为0.375=×100%,解得x=1.2,则乙苯的转化率为×100%=60%;0~10 min内的平均反应速率v(H2)==3.75 kPa·min-1;该温度下的Kp===56.25 kPa。
3.(2024·湖北七市二模)为了实现“碳达峰”和“碳中和”的目标,将CO2转化成可利用的化学能源的“负碳”技术是世界各国关注的焦点。回答下列问题:
方法Ⅰ:CO2催化加氢制甲醇。
以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的反应如下:
反应ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.0 kJ·mol-1
反应ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.0 kJ·mol-1
反应ⅲ:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH3
(1)计算反应ⅲ的ΔH3= kJ·mol-1。
(2)一定温度和催化剂条件下,在密闭恒容容器中按照投料n(CO2)∶n(H2)∶n(N2)=1∶3∶1发生反应(N2不参与反应),平衡时CO2的转化率、CH3OH和CO的选择性[如CH3OH的选择性=×100%]随温度的变化曲线如图所示。
①图中曲线a表示物质 (填“CO2”“CH3OH”或“CO”)的变化。
②上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有 (填字母)。
A.升高温度,反应ⅰ逆向移动,所以正反应速率减小
B.向容器中再通入少量N2,CO2的平衡转化率下降
C.移去部分H2O(g),反应ⅲ平衡一定不移动
D.选择合适的催化剂能提高CH3OH的选择性
③保持温度不变,在恒容反应器中,初始总压为5p kPa,只发生反应ⅰ和ⅱ,达到平衡时CO2的转化率为80%,CO的选择性为25%,则H2的转化率为 ,反应ⅱ的压强平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
方法Ⅱ:催化加氢制甲酸。
(3)科研工作者通过开发新型催化剂,利用太阳能电池将工业排放的CO2转化为HCOOH。
已知CO2(g)+H2(g)HCOOH(g) ΔH=-31.4 kJ·mol-1。温度为T1 ℃达到平衡时,化学平衡常数K=1.8。实验测得:v正=k正c(CO2)·c(H2),v逆=k逆c(HCOOH),k正、k逆为速率常数。T1 ℃时,k正= k逆;若温度为T2 ℃达到平衡时,k正=1.9k逆,则T2 (填“>”“<”或“=”)T1。
答案:(1)-90.0
(2)①CO ②D ③(或者66.7%) 0.8
(3)1.8 <
解析:(1)根据盖斯定律,ⅰ-ⅱ=ⅲ,所以ΔH3=ΔH1-ΔH2=-49.0 kJ·mol-1-(+41.0 kJ·mol-1)=-90.0 kJ·mol-1。
(2)①反应ⅱ为吸热反应,升高温度平衡正向移动,CO的选择性提高,反应中CO2的转化率升高,CO的选择性为曲线a;反应ⅰ为放热反应,升高温度平衡逆向移动,CH3OH的选择性降低,反应中CO2的转化率降低,CH3OH的选择性为曲线c;两反应综合效应,CO2的转化率为曲线b。
②升高温度,所有反应的正逆反应速率均升高,A项错误;在恒容容器中充入N2,反应体系中各物质的浓度不会发生改变,反应速率不变,平衡不移动,CO2转化率不变,B项错误;移去部分H2O(g),反应ⅰ、ⅱ均正向移动,导致CH3OH和CO增加,浓度商可能发生变化,反应ⅲ平衡可能发生移动,C项错误;催化剂具有专一性,所以选择合适的催化剂能提高CH3OH的选择性,D项正确。
③投料n(CO2)∶n(H2)∶n(N2)=1∶3∶1,假设初始物质的量分别为1 mol、3 mol、1 mol,因为发生反应ⅰ和ⅱ,达到平衡时CO2的转化率为80%,CO的选择性为25%,所以共反应掉CO2的物质的量为0.8 mol,生成CO物质的量为0.8 mol×25%=0.2 mol,根据C守恒,生成CH3OH物质的量为0.6 mol。列三段式:
CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)
起始/mol 1 3 0 0
转化/mol 0.6 1.8 0.6 0.6
平衡/mol 0.2 1 0.6 0.8
CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
起始/mol 1 3 0 0
转化/mol 0.2 0.2 0.2 0.2
平衡/mol 0.2 1 0.2 0.8
则H2的转化率为;平衡时气体(包括N2)的总物质的量为0.2 mol+1 mol+0.6 mol+0.8 mol+0.2 mol+1 mol=3.8 mol,平衡时总压强p平=3.8p kPa,CO2、H2、CO、H2O的分压分别为0.2p kPa、p kPa、0.2p kPa、0.8p kPa,反应ⅱ的Kp==0.8。
(3)反应CO2(g)+H2(g)HCOOH(g)的化学平衡常数表达式K=;而v正=k正c(CO2)·c(H2),v逆=k逆c(HCOOH),k正、k逆为速率常数,平衡时v正=v逆,即k正c(CO2)·c(H2)=k逆c(HCOOH),则K=,所以k正=1.8k逆;温度为T2 ℃时,k正=1.9k逆,则K=1.9,即平衡常数K增大,反应正向移动,该反应为放热反应,所以T2
(1)氨的沸点为-33.35 ℃,易液化,工业上常用作制冷剂,其易液化的主要原因是 。
(2)在液氨中制备B2(NH)3的反应如下:
①BCl3(s)+6NH3(l)B(NH2)3(s)+3NH4Cl(s) ΔH1;
②2B(NH2)3(s)B2(NH)3(s)+3NH3(l) ΔH2;
③2BCl3(s)+9NH3(l)B2(NH)3(s)+6NH4Cl(s) ΔH3。
上述反应中,ΔH1、ΔH2、ΔH3之间等式关系为 。
(3)氨分解制备氢气,反应历程如图所示。
①N2(g)的键能为 kJ·mol-1。
②写出NH3分解总反应的热化学方程式: 。
(4)化学上,把反应物消耗一半所用时间叫作“半衰期”。在恒容密闭容器中充入适量钨和0.8 mol NH3,实验测得在钨表面氨气分解反应半衰期与温度(T)、起始压强(p)的关系如图所示。
T1 (填“>”“<”或“=”)T2。T2温度下,反应进行到t min时容器内反应体系总压强为 kPa。
(5)一定温度下,向1 L恒容密闭容器中充入1 mol N2和n mol H2合成氨气。NH3的平衡体积分数与投料比η[η=]关系如图所示。
①在a、b、c点中,N2的平衡转化率最大的是 (填字母)。
②若b点对应体系中,NH3体积分数为,则该温度下,平衡常数K为 L2·mol-2(只列计算式)。
答案:(1)N的电负性较大,NH3分子间形成氢键
(2)ΔH3=2ΔH1+ΔH2
(3)①946 ②2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH=+90 kJ·mol-1
(4)< 150 (5)①c ②
解析:(2)由盖斯定律可知③=2×①+②,故ΔH3=2ΔH1+ΔH2。
(3)①2N(g)N2(g) ΔH=-(518-45)×2 kJ·mol-1=-946 kJ·mol-1,故N2的键能为946 kJ·mol-1。
②从图像看出,NH3(g)相对能量为0,N2(g)+H2(g)的相对能量为45 kJ·mol-1,故2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH=+90 kJ·mol-1。
(4)起始投入反应物的量相等,T1温度下半衰期大于T2,说明T1
②按化学计量数投料时氨平衡体积分数最大,故b点时n=3,设氮气转化量为x mol,则
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
起始量/mol 1 3 0
变化量/mol x 3x 2x
平衡量/mol 1-x 3-3x 2x
,解得x=0.2,则平衡时体系中氮气、氢气、氨气的浓度分别为0.8 mol·L-1、2.4 mol·L-1、0.4 mol·L-1,故K= L2·mol-2。
5.(2023·湖北卷节选)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下,C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。
C40H20(g)C40H18(g)+H2(g)的反应机理和能量变化如下:
回答下列问题:
(1)图示历程包含 个基元反应,其中速率最慢的是第 个。
(2)C40H10纳米碗中五元环和六元环结构的数目分别为 、 。
(3)1 200 K时,假定体系内只有反应C40H12(g)C40H10(g)+H2(g)发生,反应过程中压强恒定为p0(即C40H12的初始压强),平衡转化率为α,该反应的平衡常数Kp为 (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(4)H19(g)C40H18(g)+H·(g)及H11(g)C40H10(g)+H·(g)反应的ln K(K为平衡常数)随温度倒数的关系如图所示。已知本实验条件下,ln K=-+c(R为理想气体常数,c为截距)。图中两条线几乎平行,从结构的角度分析其原因是 。
(5)下列措施既能提高反应物的平衡转化率,又能增大生成C40H10的反应速率的是 (填字母)。
a.升高温度
b.增大压强
c.加入催化剂
答案:(1)3 3 (2)6 10 (3)
(4)两个反应的化学键变化相似,使得ΔH数值相近,ln K的斜率取决于ΔH,所以两条线几乎平行
(5)a
解析:(1)基元反应是指在反应中一步直接转化为产物的反应,从图上看包含3个基元反应,其中第3步活化能最大,故该步反应速率最慢。
(2)C40H20中有10个六元环、1个五元环。从C40H20C40H18,形成一个五元环,从C40H20C40H10需经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应,故新形成5个五元环。故C40H10中有6个五元环、10个六元环。
(3)起始C40H12为整体1,平衡转化率为α,则:
C40H12(g) C40H10(g) + H2(g)
起始: 1 0 0
转化: α α α
平衡: 1-α α α
平衡时,C40H12、C40H10、H2的分压分别为p0、p0、p0。
Kp=。
(4)因两个反应的化学键变化相似,使得ΔH数值相近,ln K的斜率取决于ΔH,所以两条线几乎平行。
(5)该反应是吸热反应,升高温度既可以增大反应速率,又能提高平衡转化率,a符合题意;该反应是气体分子数增大的反应,增大压强可以增大反应速率,而平衡转化率减小,b错误;加入催化剂可以增大反应速率,但不影响平衡转化率,c错误。
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回答下列问题:
(1)整个过程只消耗太阳能。H2O和CO2仅充当能量的媒介且可实现完美循环,这是典型的人工光合过程,则过程H2O+CO2CH3OH+O2为 (填“吸热”或“放热”)反应。
(2)CO2催化加氢制备甲醇,反应如下:
主反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
下表中数据是该反应中相关物质的标准摩尔生成焓(Δf)(标准摩尔生成焓是指在298.15 K、100 kPa由稳定态单质生成1 mol化合物时的焓变)。则ΔH1= kJ·mol-1。
物质 H2(g) CO2(g) H2O(g) CH3OH(g)
Δf/(kJ·mol-1) 0 -394 -242 -201
(3)探究影响CH3OH合成反应化学平衡的因素,有利于提高CH3OH的产率。CO2的平衡转化率X和CH3OH的选择性S随温度、压强变化如图。
CH3OH的选择性=×100%,则下列说法正确的是 (填字母)。
A.p1>p2
B.恒温密闭体系中,加压时副反应平衡不移动
C.300~350 ℃曲线变化的原因可能是此时以发生副反应为主
D.加入选择性更好的催化剂,可以提高甲醇的平衡产率
E.300 ℃时,当体系中混合气体的平均摩尔质量不再改变,则该体系达到平衡状态
(4)在T ℃下,恒压反应器中,按初始投料n(CO2)∶n(H2)=1∶1发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),初始总压为2 MPa,反应平衡后,H2的平衡转化率为60%,则该反应的平衡常数Kp= (MPa)-2(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(5)一种基于铜基金属簇催化剂电催化还原CO2制备甲醇的装置如图所示。控制其他条件相同,将一定量的CO2通入该电催化装置中,阴极所得产物及其物质的量与电压的关系如图所示。
①b电极生成CH3OH的电极反应式为 。
②控制电压为0.8 V,电解时转移电子的物质的量为 mol。
答案:(1)吸热 (2)-49 (3)ACE (4)0.5
(5)①CO2+6e-+6H+CH3OH+H2O
②2.8
解析:(1)整个过程只消耗太阳能,H2O和CO2仅充当能量的媒介且可实现完美循环,这是典型的人工光合过程,光合过程中太阳能转化为化学能(或CH3OH+O2CO2+H2O为放热反应),则过程H2O+CO2CH3OH+O2为吸热反应。(2)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=[(-201 kJ·mol-1)+(-242 kJ·mol-1)]-(-394 kJ·mol-1)=-49 kJ·mol-1。(3)主反应的正反应气体分子数减小,副反应反应前后气体分子数不变,其他条件相同时,增大压强,主反应平衡正向移动、CO2的平衡转化率增大,CH3OH的选择性增大,则p1>p2,A项正确;恒温密闭体系中,加压时主反应平衡正向移动,CO2、H2物质的量减小,副反应平衡逆向移动,B项错误;300~350 ℃在不同的压强下CO2的平衡转化率趋于重合、升高温度CO2的平衡转化率增大,说明压强影响不大、升温平衡正向移动为主,说明此时以发生副反应为主,C项正确;催化剂不能使平衡发生移动,不能提高甲醇的平衡产率,D项错误;该体系中所有物质都呈气态,建立平衡的过程中混合气体的总质量始终不变,混合气体的总物质的量是变量,混合气体的平均摩尔质量是变量,故当体系中混合气体的平均摩尔质量不再改变,则该体系达到平衡状态,E项正确。
(4)设CO2、H2的初始物质的量均为a mol。列三段式
CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)
n(起始)/mol a a 0 0
n(转化)/mol 0.2a 0.6a 0.2a 0.2a
n(平衡)/mol 0.8a 0.4a 0.2a 0.2a
平衡时总物质的量为1.6a mol,平衡时CO2、H2、CH3OH、H2O的分压依次为1 MPa、0.5 MPa、0.25 MPa、0.25 MPa,则该反应的平衡常数Kp==0.5(MPa)-2。
(5)①根据图示,a电极为阳极,b电极为阴极,b极上生成CH3OH的电极反应式为CO2+6e-+6H+CH3OH+H2O。②由图知,控制电压为0.8 V时,阴极生成0.2 mol C2H5OH和0.2 mol H2,阴极的电极反应式为2CO2+12e-+12H+C2H5OH+3H2O、2H++2e-H2↑,电解时转移电子物质的量为0.2 mol×12+0.2 mol×2=2.8 mol。
