乙醇是一种重要的工业原料,广泛应用于能源、化工、食品等领域。
Ⅰ.工业上乙烯水化制乙醇过程中能量变化如图所示:
(1)图中所示活化能最大的步骤是第_______ 步。
(2)写出该反应过程中速率最快的基元反应:_______ 。
Ⅱ.研究显示乙酸甲酯催化加氢也可以制取乙醇,主要反应如下:
①
②
(3)已知反应的,则_______ 。
(4)在体积密闭容器中进行上述反应时发现,流速过大时乙酸甲酯的转化率下降,其原因可能是_______ 。
Ⅲ.乙醇的一种重要用途是与乙酸反应合成乙酸乙酯。已知纯物质和相关恒沸混合物的常压沸点如下表:
(5)实际生产中,一般控制乙酸过量。若 ,则控制乙酸过量的作用有_______ 。
(6)一种新的乙醇催化合成乙酸乙酯的方法如下:。在常压下反应,冷凝收集,测得常温下液态收集物中主要产物的质量分数如图所示。关于该方法,下列推测不合理的是_______。
Ⅰ.工业上乙烯水化制乙醇过程中能量变化如图所示:
(1)图中所示活化能最大的步骤是第
(2)写出该反应过程中速率最快的基元反应:
Ⅱ.研究显示乙酸甲酯催化加氢也可以制取乙醇,主要反应如下:
①
②
(3)已知反应的,则
(4)在体积密闭容器中进行上述反应时发现,流速过大时乙酸甲酯的转化率下降,其原因可能是
Ⅲ.乙醇的一种重要用途是与乙酸反应合成乙酸乙酯。已知纯物质和相关恒沸混合物的常压沸点如下表:
纯物质 | 沸点/℃ | 恒沸混合物(质量分数) | 沸点/℃ |
乙醇 | 78.3 | 乙酸乙酯(0.92)+水(0.08) | 70.4 |
乙酸 | 117.9 | 乙酸乙酯(0.69)+乙醇(0.31) | 71.8 |
乙酸乙酯 | 77.1 | 乙酸乙酯(0.83)+乙醇(0.08)+水(0.09) | 70.2 |
(6)一种新的乙醇催化合成乙酸乙酯的方法如下:。在常压下反应,冷凝收集,测得常温下液态收集物中主要产物的质量分数如图所示。关于该方法,下列推测不合理的是_______。
A.该反应的最宜温度应为325℃ |
B.适当减小体系压强,有利于提高乙醇平衡转化率 |
C.在催化剂作用下,乙醚是反应历程中的中间产物 |
D.提高催化剂的活性和选择性,减少乙醚、乙烯等副产物是工艺的关键 |
更新时间:2022-11-03 22:22:21
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解题方法
【推荐1】甲醇是一种可再生能源,具有广泛的开发和应用前景。工业上一般采用下列两种反应合成甲醇。
反应Ⅰ:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH1
反应Ⅱ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2
下表所列数据是反应Ⅰ在不同温度下的化学平衡常数(KⅠ):
(1)在一定条件下将2 mol CO和6 mol H2充入2 L的密闭容器中发生反应Ⅰ,5 min后测得c(CO)=0.4 mol·L-1,计算可得此段时间的反应速率(用H2表示)为________ mol·L-1·min-1。
(2)由表中数据判断ΔH1______ (填“>”“<”或“=”)0;反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH3=_________ (用ΔH1和ΔH2表示)。
(3)若容器容积不变,则下列措施可提高反应Ⅰ中CO转化率的是______ (填序号)。
a.充入CO,使体系总压强增大
b.将CH3OH(g)从体系中分离
c.充入He,使体系总压强增大
d.使用高效催化剂
(4)写出反应Ⅱ的化学平衡常数表达式:KⅡ=__________________ ;保持恒温恒容,将反应Ⅱ的平衡体系中各物质浓度均增大为原来的2倍,则化学平衡_______ (填“正向”“逆向”或“不”)移动,平衡常数KⅡ__________ (填“变大”“变小”或“不变”)。
(5)比较这两种合成甲醇的方法,原子利用率较高的是______ (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
反应Ⅰ:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH1
反应Ⅱ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2
下表所列数据是反应Ⅰ在不同温度下的化学平衡常数(KⅠ):
温度 | 250 ℃ | 300 ℃ | 350 ℃ |
KⅠ | 2.0 | 0.27 | 0.012 |
(1)在一定条件下将2 mol CO和6 mol H2充入2 L的密闭容器中发生反应Ⅰ,5 min后测得c(CO)=0.4 mol·L-1,计算可得此段时间的反应速率(用H2表示)为
(2)由表中数据判断ΔH1
(3)若容器容积不变,则下列措施可提高反应Ⅰ中CO转化率的是
a.充入CO,使体系总压强增大
b.将CH3OH(g)从体系中分离
c.充入He,使体系总压强增大
d.使用高效催化剂
(4)写出反应Ⅱ的化学平衡常数表达式:KⅡ=
(5)比较这两种合成甲醇的方法,原子利用率较高的是
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解答题-原理综合题
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解题方法
【推荐2】I.以高纯H2为燃料的质子交换膜燃料电池具有能量效率高、无污染等优点,但燃料中若混有CO将显著缩短电池寿命。
(1)以甲醇为原料制取高纯H2是重要研究方向。甲醇水蒸气重整制氢主要发生以下两个反应:
主反应:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) △H=+49kJ·mol-1
副反应:H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g) △H=+41kJ·mol-1
甲醇蒸气在催化剂作用下裂解得到H2和CO,则该反应的热化学方程式为____ 。
II.工业上用CH4与水蒸气在一定条件下制取H2,原理为:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H=+203kJ·mol-1。
该反应逆反应速率表达式为:v逆=k•c(CO)•c3(H2),k为速率常数,某温度下测得实验数据如表:
(2)由上述数据可得该温度下,该反应的逆反应速率常数k为____ L3·mol-3·min-1。
(3)在体积为3L的密闭容器中通入物质的量均为3mol的CH4和水蒸气,在一定条件下发生上述反应,测得平衡时H2的体积分数与温度及压强的关系如图所示:
则压强P1___ P2(填“大于”或“小于”,后同),N点v(正)____ M点v(逆),Q点对应温度下该反应的平衡常数K=____ 。
(1)以甲醇为原料制取高纯H2是重要研究方向。甲醇水蒸气重整制氢主要发生以下两个反应:
主反应:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) △H=+49kJ·mol-1
副反应:H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g) △H=+41kJ·mol-1
甲醇蒸气在催化剂作用下裂解得到H2和CO,则该反应的热化学方程式为
II.工业上用CH4与水蒸气在一定条件下制取H2,原理为:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H=+203kJ·mol-1。
该反应逆反应速率表达式为:v逆=k•c(CO)•c3(H2),k为速率常数,某温度下测得实验数据如表:
CO浓度(mol·L-1) | H2浓度(mol·L-1) | 逆反应速率(mol·L-1·min-1) |
0.05 | c1 | 4.8 |
c2 | c1 | 19.2 |
c2 | 0.15 | 8.1 |
(3)在体积为3L的密闭容器中通入物质的量均为3mol的CH4和水蒸气,在一定条件下发生上述反应,测得平衡时H2的体积分数与温度及压强的关系如图所示:
则压强P1
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【推荐3】甲烷化是绿色低碳前沿技术研发的热点方向之一,在环境保护方面显示出较大潜力。涉及反应如下:
主反应:
副反应: ,
回答下列问题:
(1)向密闭容器中充入反应合成,平衡时混合气体中含碳物质的物质的量随温度的变化如图所示。
①工业上,常选用作为合成温度,原因是__________ 。
②时,经过t分钟反应达平衡,t分钟内用表示的反应速率为______ ;该温度下对甲烷的选择性=________ 。(已知:选择性)
(2)在体积相等的多个恒容密闭容器中,分别充入和发生上述主反应(忽略副反应),已知该反应的速率方程为,,其中为速率常数,只受温度影响。在不同温度下反应相同时间,测得转化率与温度关系如图所示。
①c点______ (填“达平衡”或“未平衡”)。
②主反应活化能(正)___ (逆)(填“>”或“<”),代表的曲线是______ (填“”或“”)。
③温度下达平衡时总压为p,该反应的________ (列出计算式)。
(3)生物电化学系统可实现合成甲烷。阴极功能微生物可以直接从阴极表面获得电子还原二氧化碳生产甲烷。酸性环境下该过程的电极反应式________ 。
主反应:
副反应: ,
回答下列问题:
(1)向密闭容器中充入反应合成,平衡时混合气体中含碳物质的物质的量随温度的变化如图所示。
①工业上,常选用作为合成温度,原因是
②时,经过t分钟反应达平衡,t分钟内用表示的反应速率为
(2)在体积相等的多个恒容密闭容器中,分别充入和发生上述主反应(忽略副反应),已知该反应的速率方程为,,其中为速率常数,只受温度影响。在不同温度下反应相同时间,测得转化率与温度关系如图所示。
①c点
②主反应活化能(正)
③温度下达平衡时总压为p,该反应的
(3)生物电化学系统可实现合成甲烷。阴极功能微生物可以直接从阴极表面获得电子还原二氧化碳生产甲烷。酸性环境下该过程的电极反应式
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【推荐1】汽车尾气系统中装置催化转化器可减少CO和NO的污染。
(1)查阅资料可知使用相同的催化剂,当催化剂质量相等时,催化剂的比表面积对催化效率有影响。某实验小组的实验数据、图像分析与结论如下:
三组实验中:CO的浓度随时间的变化如图所示。
①在催化剂作用下,CO和NO反应转化为无害气体的化学方程式:___________ 。
②第II组实验中,温度t=___________ ℃。
③由曲线___________ (从“a”“b”“c”选填)可知,增大催化剂的比表面积,该化学反应的速率将___________ (填“增大”“减小”或“无影响”)。
④第I组实验中,如果5分钟达到反应平衡,用NO表示该化学反应速率为___________ mol/L·min。
⑤由实验I和III可得出的结论是___________ 。
(2)汽车尾气中NO和CO的生成及转化
①已知汽缸中生成NO的反应为:。若1mol空气含0.8molN2和0.2molO2,1300℃时在密闭容器内反应达到平衡,测得NO为8×10-4mol。计算该温度下的平衡常数K=___________ 。
②汽车燃油不完全燃烧时产生CO,有人设想按下列反应除去CO:。已知该反应的△H>0,简述该设想能否实现的依据:___________ 。
(1)查阅资料可知使用相同的催化剂,当催化剂质量相等时,催化剂的比表面积对催化效率有影响。某实验小组的实验数据、图像分析与结论如下:
编号 | t/℃ | c(NO)/(mol/L) | c(CO)/(mol/L) | 催化剂的比表面积 |
I | 280 | 6.50×10⁻³ | 4.00×10⁻³ | 80.0m²/g |
II | t=? | 6.50×10⁻³ | 4.00×10⁻³ | 120m²/g |
III | 360 | 6.50×10⁻³ | 4.00×10⁻³ | 80.0m²/g |
①在催化剂作用下,CO和NO反应转化为无害气体的化学方程式:
②第II组实验中,温度t=
③由曲线
④第I组实验中,如果5分钟达到反应平衡,用NO表示该化学反应速率为
⑤由实验I和III可得出的结论是
(2)汽车尾气中NO和CO的生成及转化
①已知汽缸中生成NO的反应为:。若1mol空气含0.8molN2和0.2molO2,1300℃时在密闭容器内反应达到平衡,测得NO为8×10-4mol。计算该温度下的平衡常数K=
②汽车燃油不完全燃烧时产生CO,有人设想按下列反应除去CO:。已知该反应的△H>0,简述该设想能否实现的依据:
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【推荐2】甲酸(HCOOH)常用于橡胶、医药等工业。铋基催化剂对CO2电化学还原制取HCOOH具有高效的选择性。其反应历程与能量变化如图所示。
(1)制取HCOOH催化效果较好的催化剂为___________ 。
(2)不同催化剂下,该历程的最大能垒(活化能)为___________ eV;由生成的反应为___________ 。
(3)HCOOH燃料电池的工作原理如图所示。
①该离子交换膜为___________ (填“阳”或“阴”)离子交换膜。
②电池负极反应式为___________ 。
③当电路中转移0.2 mol电子时,理论上消耗标准状况下O2的体积为___________ L,需补充物质X的化学式为___________ 。
(1)制取HCOOH催化效果较好的催化剂为
(2)不同催化剂下,该历程的最大能垒(活化能)为
(3)HCOOH燃料电池的工作原理如图所示。
①该离子交换膜为
②电池负极反应式为
③当电路中转移0.2 mol电子时,理论上消耗标准状况下O2的体积为
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解题方法
【推荐3】N2O是一种大气污染物,不仅具有强烈的温室效应,其增温潜能是CO2的数百倍,而且会对大气臭氧层造成破坏。目前全球由制造业、农业、工业以及航天领域等人为活动产生的N2O排放量迅速增加,对人类生存环境造成了潜在的威胁。因此,N2O的排放控制和去除引起了研究者的重视。回答下列问题:
(1)理论计算环丁烯负离子(C4H)去除N2O的一种反应过程及相对能量变化如图所示。
C4H(g)+N2O(g)=C4H5O-(g)+N2(g)的△H=______ ;生成()的能垒为0,原因是_____ ;下列各步反应中,决定总反应速率的是_______ (填标号)。
a.IM1→IM2 b.IM2→IM3 c.IM3→IM4 d.IM4→C4H5O-(g)+N2(g)
(2)将N2O直接催化分解为N2和O2是最有前途和最经济的技术之一。
①N2O的催化分解机理之一为(*表示催化剂表面活性位):
N2O+*N2O*
N2O*O*+N2
2O*O2*+*
O2*=O2+*
研究发现,N2O混有O2时,O2对催化剂有抑制作用,原因是_______ .
②相同条件下,将流速为50mL·min-1的N2O/Ar混合气体分别通过装有不同物质的反应管,测得N2O的转化率随温度的变化如图所示(HAP、FAP分别代表羟基磷灰石、氟磷灰石)。分析图象可知:300~600°C,HAP、FAP对N2O直接分解没有催化作用;无催化剂时,N2O的热分解温度高于520°C;催化剂可降低N2O直接分解所需温度。据图至少还可以得出的两个结论是________________ 。
(3)温度恒为TK,总压恒为pkPa,在体积可变的密闭容器中投入nmolN2O,初始体积为V0L,发生反应2N2O2N2+O2,达到平衡时,体积变为VL,则N2O的平衡转化率α=_____ ,该温度下反应的平衡常数K=______ mol·L-1。
(1)理论计算环丁烯负离子(C4H)去除N2O的一种反应过程及相对能量变化如图所示。
C4H(g)+N2O(g)=C4H5O-(g)+N2(g)的△H=
a.IM1→IM2 b.IM2→IM3 c.IM3→IM4 d.IM4→C4H5O-(g)+N2(g)
(2)将N2O直接催化分解为N2和O2是最有前途和最经济的技术之一。
①N2O的催化分解机理之一为(*表示催化剂表面活性位):
N2O+*N2O*
N2O*O*+N2
2O*O2*+*
O2*=O2+*
研究发现,N2O混有O2时,O2对催化剂有抑制作用,原因是
②相同条件下,将流速为50mL·min-1的N2O/Ar混合气体分别通过装有不同物质的反应管,测得N2O的转化率随温度的变化如图所示(HAP、FAP分别代表羟基磷灰石、氟磷灰石)。分析图象可知:300~600°C,HAP、FAP对N2O直接分解没有催化作用;无催化剂时,N2O的热分解温度高于520°C;催化剂可降低N2O直接分解所需温度。据图至少还可以得出的两个结论是
(3)温度恒为TK,总压恒为pkPa,在体积可变的密闭容器中投入nmolN2O,初始体积为V0L,发生反应2N2O2N2+O2,达到平衡时,体积变为VL,则N2O的平衡转化率α=
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【推荐1】我国力争于2030年前做到碳达峰,2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一,可利用CH4与CO2制备“合成气”(CO、H2),合成气可直接制备甲醇,发生反应:CO(g)+2H2(g)⇌ CH3OH(g) ΔH=-99kJ·mol-1。
(1)已知:CH3OH(g)=CH3OH(1) ΔH=-29.09kJ·mol-1,H2(g)的燃烧热ΔH=-285.8kJ·mol-1,CO(g)的燃烧热ΔH=-283.0kJ·mol-1。则CH3OH(l)的燃烧热ΔH=___________ kJ·mol-1。
(2)在恒温,恒容密闭容器中,对于合成气合成甲醇的反应,下列说法中能说明该反应达到化学平衡状态的是___________(填字母序号)。
(3)T1℃下,在2L恒容密闭容器中充入2mol CO和6mol H2合成CH3OH,经5min恰好达到平衡,平衡时CH3OH的浓度是0.5mol·L-1。0~5min内以CO表示的平均反应速率为___________ ;T1℃时,该反应的化学平衡常数K=___________ 。(T1+100)℃时,在1L恒容密闭容器中充入1mol CO、2mol H2和3mol CH3OH,此时反应将___________ (填“向左进行”“向右进行”“达到平衡”或“无法判断”)。
(4)在T2℃时,向体积为2L的恒容容器中充入物质的量之和为3mol的H2和CO,发生反应:CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g),达到平衡时CH3OH的体积分数(φ)与起始时的关系如图所示。
①当起始时=2,反应经过5min达到平衡,若此时CO的转化率为0.6,则0~5min内平均反应速率v(H2)=___________ 。若此时再将容器容积缩小为1L,达新平衡时H2的转化率将___________ (填“增大”“减小”或“不变”)。
②当起始时=3.5,反应达到平衡状态后,CH3OH的体积分数可能对应图中的___________ (填“D”“E”或“F”)点。
(1)已知:CH3OH(g)=CH3OH(1) ΔH=-29.09kJ·mol-1,H2(g)的燃烧热ΔH=-285.8kJ·mol-1,CO(g)的燃烧热ΔH=-283.0kJ·mol-1。则CH3OH(l)的燃烧热ΔH=
(2)在恒温,恒容密闭容器中,对于合成气合成甲醇的反应,下列说法中能说明该反应达到化学平衡状态的是___________(填字母序号)。
A.混合气体的密度不再变化 |
B.混合气体的平均相对分子质量不再变化 |
C.CO、H2、CH3OH的物质的量之比为1:2:1 |
D.甲醇的百分含量不再变化 |
(4)在T2℃时,向体积为2L的恒容容器中充入物质的量之和为3mol的H2和CO,发生反应:CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g),达到平衡时CH3OH的体积分数(φ)与起始时的关系如图所示。
①当起始时=2,反应经过5min达到平衡,若此时CO的转化率为0.6,则0~5min内平均反应速率v(H2)=
②当起始时=3.5,反应达到平衡状态后,CH3OH的体积分数可能对应图中的
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【推荐2】铅铬黄是一种颜料,主要成分是铬酸铅PbCrO4。现以CrCl3•6H2O 和 Pb(NO 3)2等为原料制备该物质,并测定产物纯度。
(1)溶解、过滤、洗涤操作时, 均需要用到的以下仪器为______________ (填标号)。
(2)第①步所得绿色溶液的主要成分为 NaCrO2,已知 Cr(OH)3不溶于水,与Al(OH)3类似,具有两性。写①步发生反应的离子方程式_____________________ 。
(3)第②步中加入H2O2浓溶液的目的是___________________ 。溶液逐步变为亮黄色后,仍须持续煮沸溶液一段时间,目的是_____________________ 。
(4)第③步加入醋酸的目的是,防止pH 较高时,加入 Pb(NO3)2溶液会产生______ (填化学式)沉淀,影响产率。利用pH 试纸,调节 pH 的实验操作是_____________ 。pH逐步降低时, 溶液中的CrO42-转化为 ____________ 离子(填化学式)。
(5)由于铬酸铅的溶解度比重铬酸铅的小的多,在第④ 步中逐滴滴加 Pb(NO3)2溶液后,产PbCrO4黄色沉淀, 此时为了提高铅铬黄的产率,可补加少量NaOH溶液,请用化学平衡移动原理加以解释:________________ 。
(1)溶解、过滤、洗涤操作时, 均需要用到的以下仪器为
(2)第①步所得绿色溶液的主要成分为 NaCrO2,已知 Cr(OH)3不溶于水,与Al(OH)3类似,具有两性。写①步发生反应的离子方程式
(3)第②步中加入H2O2浓溶液的目的是
(4)第③步加入醋酸的目的是,防止pH 较高时,加入 Pb(NO3)2溶液会产生
(5)由于铬酸铅的溶解度比重铬酸铅的小的多,在第④ 步中逐滴滴加 Pb(NO3)2溶液后,产PbCrO4黄色沉淀, 此时为了提高铅铬黄的产率,可补加少量NaOH溶液,请用化学平衡移动原理加以解释:
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【推荐3】碳和氮的化合物在生产、生活中广泛存在。请回答下列问题:
(1)甲醇是重要的化工原料,又可作为燃料,工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇的有关反应的化学方程式及其在不同温度下的化学平衡常数如下表所示。
①下列措施能使反应③的平衡体系中增大的是_______ (填字母代号)。
A.将H2O(g)从体系中分离出去
B.恒容充入H2(g), 使体系压强增大
C.升高温度
D.恒容时再充入l mol H2(g)
②500℃时测得反应③在某时刻H2(g)、CO2(g)、 CH3OH(g)、 H2O(g)的浓度分别为0.8 mol/L、0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.15 mol/L,则此时v(正)________ (填“>”“ =“或“<")v (逆)。
(2)如图表示反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H<0 在某一时间段反应速率与反应过程的曲线关系图:
①达到平衡后,若只改变一个条件,则t1条件为_____ ;t3条件为_____ ;t4条件为_____ ;
②则图中氨的百分含量最低的时间段是________ (填选项字母).
A. t0-t1 B. t2-t3 C. t3-t4 D. t5-t6 .
③请在上图中画出t6时刻既增加氢气浓度同时又减小氨气浓度的速率随时间的变化图____________ 。
(1)甲醇是重要的化工原料,又可作为燃料,工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇的有关反应的化学方程式及其在不同温度下的化学平衡常数如下表所示。
化学反应 | 化学平衡常数 | 温度(℃) | ||
500 | 700 | 800 | ||
①2H2(g)+CO(gCH3OH(g) △H | K1 | 2.5 | 0.34 | 0.15 |
②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H2 | K2 | 1.0 | 1.70 | 2.52 |
③3H2(g)+CO2(g)H3OH(g)+ H2O(g) △H3 | K3 |
①下列措施能使反应③的平衡体系中增大的是
A.将H2O(g)从体系中分离出去
B.恒容充入H2(g), 使体系压强增大
C.升高温度
D.恒容时再充入l mol H2(g)
②500℃时测得反应③在某时刻H2(g)、CO2(g)、 CH3OH(g)、 H2O(g)的浓度分别为0.8 mol/L、0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.15 mol/L,则此时v(正)
(2)如图表示反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H<0 在某一时间段反应速率与反应过程的曲线关系图:
①达到平衡后,若只改变一个条件,则t1条件为
②则图中氨的百分含量最低的时间段是
A. t0-t1 B. t2-t3 C. t3-t4 D. t5-t6 .
③请在上图中画出t6时刻既增加氢气浓度同时又减小氨气浓度的速率随时间的变化图
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