高中 | 化学平衡图像分析 题目答案及解析

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选修四

第二章 化学反应速率和化学平衡

第三节 化学平衡

化学平衡图像分析

$\text{C}{{\text{l}}_{2}}$生产某些含氯有机物时会产生副产物$\rm HCl$。利用反应$\rm A$,可实现氯的循环利用。反应$\rm A$$4\text{HCl}+{{\text{O}}_{2}}\overset{催化剂}{\underset{ {{400}^{{}^\circ}}\text{C}}{\rightleftharpoons}}2\text{C}{{\text{l}}_{2}}+2{{\text{H}}_{2}}\text{O}$,

已知:$\rm i$.反应$\rm A$中,$\rm 4$ $\rm mol$ $\rm HCl$被氧化,放出$\rm 115.6$ $\rm kJ$的热量。

$\rm ii$

${{\text{H}}_{2}}\text{O}$的电子式是                

②反应$\rm A$的热化学方程式是                

③断开$1\text{ mol H}-\text{O}$键与断开$1\text{ mol H}-\text{Cl}$键所需能量相差约为                 $\rm kJ$

[["

$4\\text{HCl}\\left( \\text{g} \\right)+{{\\text{O}}_{2}}\\left( \\text{g} \\right)\\overset{ \\text{CuO}/\\text{CuC}{{\\text{l}}_{2}}}{\\underset{ {{400}^{{}^\\circ}}\\text{C}}{\\rightleftharpoons}}2\\text{C}{{\\text{l}}_{2}}\\left( \\text{g} \\right)+2{{\\text{H}}_{2}}\\text{O}\\left( \\text{g} \\right)\\quad \\Delta H=-115.6\\text{ kJ}\\cdot \\text{mo}{{\\text{l}}^{-1}}$$\\rm 31.9$

"]]

①水分子的中心原子为氧原子,氧原子分别和两个氢原子各形成一对共用电子对,电子式为

②反应$\rm A$中,$4\text{ mol HCl}$被氧化,放出$115.6\text{ kJ}$的热量,则反应$\rm A$的热化学方程式为$4\text{HCl}\left( \text{g} \right)+{{\text{O}}_{2}}\left( \text{g} \right)\overset{ \text{CuO}/\text{CuC}{{\text{l}}_{2}}}{\underset{ {{400}^{{}^\circ}}\text{C}}{\rightleftharpoons}}2\text{C}{{\text{l}}_{2}}\left( \text{g} \right)+2{{\text{H}}_{2}}\text{O}\left( \text{g} \right)\quad \Delta H=-115.6\text{ kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

$\Delta H=$反应物总键能$\rm -$生成物总键能,则对于反应$\rm A$$\Delta H=\left( 4\times {{E}_{\text{H-Cl}}}+498-4\times {{E}_{\text{H-O}}}-2\times 243 \right)\text{ kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}=-115.6\text{ kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$,有${{E}_{\text{H-O}}}-{{E}_{\text{H-Cl}}}=-31.9\text{ kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$,则断开$1\text{ mol H}-\text{O}$键与断开$1\text{ mol H}-\text{Cl}$键所需能量相差为$\rm 31.9$ $\rm kJ$

对于反应$\rm A$,下图是在$\rm 4$种投料比$ [n(\text{HCl}):n\left( {{\text{O}}_{2}} \right)$,分别为$\rm 1$$\rm 1$$\rm 2$$\rm 1$$\rm 4$$\rm 1$$\rm 6$$\rm 1]$下,反应温度对$\rm HCl$平衡转化率影响的曲线。

①曲线$\rm b$对应的投料比是                

②当曲线$\rm b$$\rm c$$\rm d$对应的投料比达到相同的$\rm HCl$平衡转化率时,对应的反应温度与投料比的关系是                

③投料比为$\rm 2$$\rm 1$、温度为$400\ {}^\circ \text{C}$时,平衡混合气中$\text{C}{{\text{l}}_{2}}$的物质的量分数是                

[["

$\\rm 4$$\\rm 1$ ; 投料比越高,对应的温度越低 ; $\\rm 30.8\\%$

"]]

①观察$\rm 4$个投料比的数据,可以看作是$\rm O_{2}$的量不变,$\rm HCl$的量依次增加,则$\rm HCl$的转化率依次降低;在图中,同一温度下,$\rm a$$\rm b$$\rm c$$\rm d$$\rm HCl$的转化率依次降低,所以四条曲线对应的投料比依次为$\rm 6$$\rm 1$$\rm 4$$\rm 1$$\rm 2$$\rm 1$$\rm 2$$\rm 1$

②结合图象,作纵坐标垂线可知,达到相同的$\rm HCl$平衡转化率时,投料比越高,对应的温度越低;

③投料比$\rm 2$$\rm 1$对应的是曲线$\rm c$$\rm 400$ $\rm ^\circ\rm C$时,$\rm HCl$的转化率为$\rm 80\%$;设起始时有$\rm 2$ $\rm mol$$\rm HCl$,则有$\rm 1$ $\rm mol$ $\rm O_{2}$,则平衡时反应的三段式为$\rm ($单位$\rm :mol):$

$\begin{matrix} {} & \text{4HCl} & +{{\text{O}}_{\text{2}}} & \rightleftharpoons & \text{2C}{{\text{l}}_{\text{2}}} & \text{+2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O} \\ 起始& \text{2} & \text{1} & {} & \text{0} & \text{0} \\ 转化& \text{1}\text{.6} & \text{0}\text{.4} & {} & \text{0}\text{.8} & \text{0}\text{.8} \\平衡 & \text{0}\text{.4} & \text{0}\text{.6} & {} & \text{0}\text{.8} & \text{0}\text{.8} \\ \end{matrix}$

则平衡时,$\rm Cl_{2}$的物质的量分数为$\dfrac{0.8\text{ mol}}{(0.4+0.6+0.8+0.8)\text{ mol}}\times 100\%=30.8\%$

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