高中 | 化学平衡常数 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

化学平衡常数

Ⅰ.$\text{C}{{\text{O}}_{2}}$的捕集与转化是研究的重要课题。

二氧化碳加氢可以制取甲烷,向恒压、装有催化剂的密闭容器中通入$\rm 1\text{ mol }\text{C}{{\text{O}}_{2}}$$\rm 4\text{ mol }{{\text{H}}_{2}}$,若只考虑发生如下两个反应:

反应Ⅰ:$\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+4 \mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})=\mathrm{CH}_{4}(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})\qquad\Delta { H}=-164.7\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

反应Ⅱ:$\text{C}{{\text{O}}_{2}}(\text{g})+{{\text{H}}_{2}}(\text{g})=\text{CO}(\text{g})+{{\text{H}}_{2}}\text{O}(\text{g})\qquad \Delta { H}=41.2\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

则平衡时含碳物种的物质的量随温度的变化如图$\rm 1$所示。

说明$\rm B$代表的物质,并解释温度高于$\rm 600\;\rm ^\circ\rm C$$\rm B$的物质的量随温度升高而逐渐减小的原因                

[["

曲线$\\rm B$表示平衡时$n\\rm (CO_{2})$随温度的变化关系;升高温度时反应Ⅱ正向移动的程度大于反应$\\rm I$逆向移动的程度

"]]

反应$\rm I$为放热反应,反应Ⅱ为吸热反应,达到平衡后升高温度,反应$\rm I$的平衡逆向移动,反应Ⅱ的平衡正向移动,逆向移动使$n\rm (CH_{4})$减小,正向移动$n\rm (CO)$增大,并且随温度升高$n\rm (CO)$一直增大,$n\rm (CH_{4})$一直减小,则图中曲线$\rm A$表示平衡时$n\rm (CH_{4})$随温度的变化关系,曲线$\rm C$表示平衡时$n\rm (CO)$随温度的变化关系,曲线$\rm B$表示平衡时$n\rm (CO_{2})$随温度的变化关系,由图可知,温度高于$\rm 600\;\rm ^\circ\rm C$$\rm CO$的含量增大,$\rm CH_{4}$的含量减小,$\rm CO_{2}$的含量也减小,说明$\rm CO_{2}$的平衡转化率增大,$\rm CO$的平衡产率增大,$\rm CH_{4}$的平衡产率减小,即升高温度时反应Ⅱ正向移动的程度大于反应$\rm I$逆向移动的程度;

实际反应过程中,还会发生如下反应:

反应Ⅲ:$2\text{CO}(\text{g})=\text{C}{{\text{O}}_{2}}(\text{g})+\text{C}(\text{s})\qquad \Delta { H}=-172.5\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

反应Ⅳ:$\text{C}{{\text{H}}_{4}}(\text{g})=\text{C}(\text{s})+2{{\text{H}}_{2}}(\text{g})\qquad \Delta H$

则反应Ⅳ的$\Delta { H}=$                

[["

$\\rm +74.6\\text{ kJ}\\cdot \\text{mo}{{\\text{l}}^{-1}}$

"]]

根据盖斯定律,方程式Ⅱ$\times \rm 2+$$\rm -I$可得反应Ⅳ,则反应Ⅳ的$\Delta { H}=41.2\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\times 2-172.5\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}+164.7\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\rm =+74.6\text{ kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$

保持温度一定,实际反应过程中测得一段时间后,催化剂的活性会降低,原因是                

[["

反应Ⅲ和反应Ⅳ有单质碳生成,反应一段时间后产生的积碳会覆盖在催化剂表面,从而降低催化剂的活性

"]]

根据化学方程式可知,反应Ⅲ和反应Ⅳ有单质碳生成,反应一段时间后产生的积碳会覆盖在催化剂表面,从而降低催化剂的活性;

Ⅱ.$\rm Deacon$催化氧化法处理$\text{HCl}$废气,可实现氯资源的再利用。

$\rm Deacon$氧化反应为$4 \mathrm{HCl}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_{2}(\mathrm{g})=2 \mathrm{Cl}_{2}(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})\qquad \Delta { H}=-1144\;\rm \text{kJ}\cdot \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}$。将$\text{HCl}$${{\text{O}}_{2}}$分别以不同起始流速通入装有催化剂的反应器,在$\rm 360\;\rm ^\circ\rm C$$\rm 400\;\rm ^\circ\rm C$$\rm 440\;\rm ^\circ\rm C$下分别发生$\rm Deacon$氧化反应,通过检测不同温度下反应器出口处气体成分绘制$\text{HCl}$的转化率$\rm (\alpha)$曲线如图所示$\rm ($较低流速下转化率可近似为平衡转化率$\rm )$

图中${{ {T}}_{\text{3}}}=$                $\rm ^\circ\rm C$

[["

$\\rm 360$

"]]

$\rm Deacon$氧化反应为放热反应,由于在流速较低时的转化率视为平衡转化率,所以在流速低的时候,温度越高,$\rm HCl$的转化率越小,故$T_{1}$代表的温度为$440\;\rm ^\circ\rm C$$T_{3}$$360\;\rm ^\circ\rm C$

下列措施可提高$\rm M$$\text{HCl}$的转化率的是$(\quad\ \ \ \ )\rm ($填序号$\rm )$

["

增大$\\text{HCl}$的流速

","

将温度升高$\\rm 40\\;\\rm ^\\circ\\rm C$

","

增大$ {n\\rm(HCl)}:n \\left( {{\\text{O}}_{\\text{2}}} \\right)$

","

使用更高效的催化剂

"]
[["BD"]]

$\rm A$.由图像可知,增大$\rm HCl$的流速,$\rm HCl$的转化率减小,故$\rm A$不选;

$\rm B$$\rm M$对应温度为$\rm 360\;\rm ^\circ\rm C$,由图像可知,在$\rm HCl$流速均为$\rm 0.17\;\rm mol\cdot h^{-1}$时,升高温度,$\rm HCl$的转化率增大,故$\rm B$选;

$\rm C$.增大${n\rm (HCl)}: n\rm (O_{2})$$\rm HCl$的转化率降低,故$\rm C$不选;

$\rm D$.使用更高效的催化剂,可以增加该温度和$\rm HCl$流速下的反应速率,使单位时间内$\rm HCl$的转化率增大,故$\rm D$选;

图中较高流速时,$\alpha\left( {{ {T}}_{\text{3}}} \right)$小于$\alpha\left( {{ {T}}_{\text{1}}} \right)$$\alpha\left( {{ {T}}_{\text{2}}} \right)$,原因是                

[["

流速过快,反应物分子来不及在催化剂表面接触发生反应,导致转化率下降,同时$T_{3}$温度低,反应速率慢

"]]

图中在较高流速下,$T_{3}$温度下的转化率低于温度较高的$T_{1}$$T_{2}$,主要原因是:流速过快,反应物分子来不及在催化剂表面接触发生反应,导致转化率下降,同时$T_{3}$温度低,反应速率慢;

$\rm N$点的转化率为平衡转化率,则该温度下反应的平衡常数$ {K}=$                $\rm ($用平衡时气体物质的量分数代替气体平衡浓度计算$\rm )$

[["

$\\rm 36$

"]]

由图像可知,$\rm N$$\rm HCl$的平衡转化率为$\rm 80\%$,设起始${ n\rm(HCl)}=n\rm(O_{2})=4\;\rm mol$,可列出三段式:

$\begin{matrix} {} & \text{4HCl(g)+} & {{\text{O}}_{\text{2}}}\text{(g)} & \rightleftharpoons & \text{2C}{{\text{l}}_{\text{2}}}\text{(g)+} & \text{2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O(g)} \\ 起始\text{(mol)} & \text{4} & \text{4} & {} & \text{0} & \text{0} \\ 变化\text{(mol)} & \text{3}\text{.2} & \text{0}\text{.8} & {} & \text{1}\text{.6} & \text{1}\text{.6} \\ 平衡\text{(mol)} & \text{0}\text{.8} & \text{3}\text{.2} & {} & \text{1}\text{.6} & \text{1}\text{.6} \\ \end{matrix}$

平衡时气体总物质的量为$\rm 7.2\;\rm mol$,故$ K=\dfrac{{{(\dfrac{1.6}{7.2})}^{2}}\times {{(\dfrac{1.6}{7.2})}^{2}}}{{{(\dfrac{0.8}{7.2})}^{4}}\times \dfrac{3.2}{7.2}}\rm =36$

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