高中 | 化学平衡常数 题目答案及解析

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高中 | 化学平衡常数题目答案及解析如下,仅供参考!

选修四

第二章 化学反应速率和化学平衡

第三节 化学平衡

化学平衡常数

甲硫醇$\rm (\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{SH}\rm )$是重要的有机化工中间体,可用于合成维生素。通过$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}$${{\text{H}}_{2}}\text{S}$合成$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{SH}$的主要反应如下:

反应Ⅰ:$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH(g)}+{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{S(g)}\rightleftharpoons \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SH(g)}+{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O(g)}\quad \Delta {{H}_{\text{1}}}$

反应Ⅱ:$\text{2C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH(g)+}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{S(g)}\rightleftharpoons \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SC}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{(g)+2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O(g)}\quad \Delta {{H}_{\text{2}}}=+a\,\text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{\text{-1}}}$  

回答下列问题:

已知反应Ⅱ中相关的化学键的键能数据如下:

化学键$\text{C-H}$$\text{C-O}$$\text{H-O}$$\text{S-H}$
键能$\text{/}\left( \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{\text{-1}}} \right)$$b$$c$$d$$e$

断开$1\text{ mol C}-\text{S}$键需要吸收                $\rm \;\rm kJ$的能量。

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$\\left( c+e-d-\\dfrac{a}{2} \\right)$

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反应物Ⅱ中断裂化学键,所需要的能量总和为:$3b\times 2+2c+2d+2e$,生成产物放出的能量总和是:$6b+2E\left( \text{C}-\text{S} \right)+4d$,根据$\Delta H=$ 断裂键所需总能量− 形成键所放出总能量$=\left( 6b+2c+2d+2e \right)-\left[ 6b+2E\left( \text{C}-\text{S} \right)+4d \right]=a$,所以断开$1\text{ mol C}-\text{S}$键需要吸收的能量是:$\left( c+e-d-\dfrac{a}{2} \right)\text{ kJ}$

甲醇的沸点$\rm (\text{64}\text{.7 }{}^\circ \text{C}\rm )$介于水$\rm ($沸点为$\text{100 }{}^\circ \text{C}\rm )$和甲硫醇$\rm ($沸点为$\text{7}\text{.6 }{}^\circ \text{C}\rm )$之间,其原因是                

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甲醇分子间可以形成氢键,但是其氢键的数目小于水,甲硫醇分子间没有氢键

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甲醇含有羟基,其分子间能够形成氢键,但是由于其形成的氢键数目小于水,甲硫醇分子间没有氢键,故其沸点居于两者之间。

下列有关$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}$${{\text{H}}_{2}}\text{S}$制取甲硫醇的说法正确的是                $\rm ($填字母$\rm )$

$\rm A$.使用催化剂或升高温度都可以提高活化分子百分数,从而缩短达到化学平衡的时间

$\rm B$.一定温度下,向恒容密闭容器中充入一定量$\rm \text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})$$\rm {{\text{H}}_{2}}\text{S}(\text{g})$,反应后,若容器内气体密度不再发生变化,则说明反应已达到化学平衡状态

$\rm C$.一定条件下,向恒容密闭容器中充入一定量$\rm \text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})$$\rm {{\text{H}}_{2}}\text{S}(\text{g})$,反应达到平衡后,若按相同比例再充入一定量$\rm \text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})$$\rm {{\text{H}}_{2}}\text{S}(\text{g}),\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})$的平衡转化率不变

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$\\text{AC}$

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$\rm A$.升高温度或使用催化剂都可以提高活化分子百分数,从而加快反应速率,使平衡更快到达,缩短达到化学平衡的时间,$\rm A$正确;

$\rm B$.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,在恒容容器中,气体的密度始终不变,因而“密度不再变化”并不能判定一定达到平衡状态,$\rm B$错误;

$\rm C$.若按相同比例再充入一定量$\rm \text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})$$\rm {{\text{H}}_{2}}\text{S}\left( \text{g} \right)$,相当于加压,两个反应都是气体分子数不变的反应,增大压强,平衡不移动,所以甲醇的平衡转化率不变,$\rm C$正确;

温度为${{T}_{1}}\text{ }{}^\circ \text{C}$,向压强为${{p}_{0}}$的恒压密闭容器中充入$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})$${{\text{H}}_{2}}\text{S}(\text{g})\rm ($物质的量之比为$1:2\rm )$发生反应Ⅰ和Ⅱ,达到平衡时,$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{OH}(\text{g})$的转化率为$80\%$$\text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{SC}{{\text{H}}_{3}}(\text{g})$的体积分数为$5\%$

$\mathrm{CH}_{3} \mathrm{SH}(\mathrm{g})$的选择性为                $\left( \text{C}{{\text{H}}_{3}}\text{SH} \right.$的选择性$=\dfrac{生成\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SH}的物质的量}{消耗\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH}的总物质的量}\times \text{100 }\!\!\%\rm )$

②反应$\rm I$的平衡常数${{K}_{\text{p}}}=$                $\rm ($保留$\rm 3$位有效数字,${{K}_{\text{p}}}$是用分压表示的平衡常数$\rm )$

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$62.5\\%$$1.48$

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①假设通入$\text{1}\,\text{mol}\,\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH}\left( \text{g} \right)$$\text{2}\,\text{mol}\,{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{S}\left( \text{g} \right)$,达到平衡时,甲醇的转化率是$80\%$,则平衡时参加反应的甲醇的物质的量为$\text{0}\text{.8 mol}$$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SC}{{\text{H}}_{\text{3}}}$的体积分数为$5\%$,反应Ⅰ、Ⅱ都是气体分子数不变的反应,则平衡时混合气体的总物质的量为$\rm 3$ $\rm mol$,生成的$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SC}{{\text{H}}_{\text{3}}}$的物质的量为:$3\,\text{mol}\times 5\%=0.15\,\text{mol}$,生成$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SC}{{\text{H}}_{\text{3}}}$消耗的甲醇的物质的量为$\text{0}\text{.3}\,\text{mol}$,则生成$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SH}$消耗的甲醇的物质的量为$0.8\,\text{mol}-0.3\,\text{mol}=0.5\,\text{mol}$,生成$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SH}$的物质的量为$0.5\,\text{mol}$,故$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SH}$的选择性为$\dfrac{\text{0}\text{.5}\,\text{mol}}{\text{0}\text{.8}\,\text{mol}}\times100\%=62.5\%$

②根据①的分析可知,平衡时甲醇的物质的量为$\text{0}\text{.2}\,\text{mol}$${{\text{H}}_{2}}\text{S}$的物质的量为:$2\,\text{mol}-0.5\,\text{mol}-0.15\,\text{mol}=1.35\,\text{mol}$$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{SH}$的物质的量为$0.5\,\text{mol}$,水的物质的量为:$0.5\,\text{mol}+0.15\,\text{mol}\times 2=0.8\,\text{mol}$,则反应Ⅰ的平衡常数${{K}_{\text{p}}}=\dfrac{\dfrac{0.8}{3}\times {{p}_{0}}\times \dfrac{0.5}{3}\times {{p}_{0}}}{\dfrac{1.35}{3}\times {{p}_{0}}\times \dfrac{0.2}{3}\times {{p}_{0}}}\approx 1.48$

甲醇燃料电池不需要燃料的前期预处理,能直接通过特定的方式使甲醇和空气反应产生电流,已广泛应用于电动车,其工作原理如图所示。负极的电极反应为                ,消耗$\rm 0.1$ $\rm mol$甲醇时需要消耗标准状况下${{\text{O}}_{2}}$的体积为                $\rm \;\rm L$

[["

$\\text{C}{{\\text{H}}_{\\text{3}}}\\text{OH}+{{\\text{H}}_{2}}\\text{O}-6{{\\text{e}}^{-}}=\\text{C}{{\\text{O}}_{2}}\\uparrow +6{{\\text{H}}^{+}}$$3.36$

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根据图示可知,通入甲醇的电极为负极,负极电极反应式为:$\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH}+{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}-6{{\text{e}}^{-}}=\text{C}{{\text{O}}_{2}}\uparrow +6{{\text{H}}^{+}}$。已知消耗$1\,\text{mol}\,{{\text{O}}_{\text{2}}}$得到$4\,\text{mol}\,{{\text{e}}^{-}}$,当消耗$0.1\,\text{mol}$甲醇,转移$0.6\,\text{mol }{{\text{e}}^{-}}$,故消耗氧气$0.15\,\text{mol}$,标准状况下氧气体积为:$0.15\,\text{mol}\times 22.4\,\text{L}/\text{mol}=3.36\,\text{L}$

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