利用γ-丁内酯制备1,4-丁二醇,反应过程中伴有生成四氢呋喃和1-丁醇的副反应,涉及反应如下:已知:①反应Ⅰ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响;②因反应Ⅰ在高压氛围下进行,故压强近似等于总压。回答下列问题:
(1)以或为初始原料,在的高压氛围下,分别在恒压容器中进行反应。达平衡时,以为原料,体系向环境放热,转化率为α;以为原料,体系从环境吸热,转化率为。忽略副反应,反应Ⅰ焓变_______ 与的数学关系为_______ 。
(2)初始条件同上。表示某物种i的物质的量与除外其它各物种总物质的量之比,和随时间t变化关系如图1所示。实验测得,则图中表示初始反应物为_______ (填“”或“”)时的变化关系;反应Ⅰ平衡常数_______ (保留两位有效数字)。以为原料时,时刻_______ ,产率=_______ (保留两位有效数字)。(3)三种条件下,以为初始原料,在相同体积的刚性容器中发生反应,反应物的转化率随时间t变化关系如图2所示。因反应在高压氛围下进行,可忽略压强对反应速率的影响。曲线a、b、c中,对应条件的是_______ (填代号);与曲线b相比,曲线c达到平衡所需时间更长,原因是_______ 。
(1)以或为初始原料,在的高压氛围下,分别在恒压容器中进行反应。达平衡时,以为原料,体系向环境放热,转化率为α;以为原料,体系从环境吸热,转化率为。忽略副反应,反应Ⅰ焓变
(2)初始条件同上。表示某物种i的物质的量与除外其它各物种总物质的量之比,和随时间t变化关系如图1所示。实验测得,则图中表示初始反应物为
更新时间:2024-04-19 13:36:19
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解题方法
【推荐1】C、CO、是常见还原剂。不同的反应,选择合理的还原剂以达到不同的工艺意图。工业上常见几种还原反应如下:
反应I:
反应Ⅱ:
反应Ⅲ:
反应Ⅳ:
反应V:
回答下列问题。
(1)从的角度,说明反应I自发进行的可能性:_______ 。
(2)①其他条件不变,分别测定CO还原FeO、还原FeO反应体系中,平衡时、CO体积分数与温度的关系如图所示。关于该类还原反应,有关说法不正确的是_______ 。
A.温度越高,FeO被CO还原的程度越大
B.温度越低,还原生成铁所需的的浓度越大
C.若还原FeO活化能相对较小,则混合气体系中的还原FeO速率由决定
D.宜在低温下进行
②结合反应I及图示信息,说明随温度升高,在平衡体系中,与CO还原FeO的能力发生变化的原因:_______ 。
③计算576℃反应Ⅲ的平衡常数K=_______ 。
(3)根据反应Ⅳ,在如图中分别画出、的能量变化,并进行必要的标注_______ 。
(4)已知基元反应的速率方程可表示为:(k为速率常数,下同)。碰撞理论研究发现,大多数化学反应并不是经过简单的碰撞就能完成,往往需经过多个反应步骤才反应过程能实现。用还原合成HI的反应实际上经过两步基元反应完成的:
已知快反应近似平衡态。若在温度为T℃下,,。写出T℃下反应的速率方程:v=_______ (用含、、、a、b的代数式表示)
反应I:
反应Ⅱ:
反应Ⅲ:
反应Ⅳ:
反应V:
回答下列问题。
(1)从的角度,说明反应I自发进行的可能性:
(2)①其他条件不变,分别测定CO还原FeO、还原FeO反应体系中,平衡时、CO体积分数与温度的关系如图所示。关于该类还原反应,有关说法不正确的是
A.温度越高,FeO被CO还原的程度越大
B.温度越低,还原生成铁所需的的浓度越大
C.若还原FeO活化能相对较小,则混合气体系中的还原FeO速率由决定
D.宜在低温下进行
②结合反应I及图示信息,说明随温度升高,在平衡体系中,与CO还原FeO的能力发生变化的原因:
③计算576℃反应Ⅲ的平衡常数K=
(3)根据反应Ⅳ,在如图中分别画出、的能量变化,并进行必要的标注
(4)已知基元反应的速率方程可表示为:(k为速率常数,下同)。碰撞理论研究发现,大多数化学反应并不是经过简单的碰撞就能完成,往往需经过多个反应步骤才反应过程能实现。用还原合成HI的反应实际上经过两步基元反应完成的:
已知快反应近似平衡态。若在温度为T℃下,,。写出T℃下反应的速率方程:v=
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(0.15)
【推荐2】(1)汽车发动机工作时会引发N2和O2反应,生成NOx等污染大气。其中生成NO的能量变化示意图如下:
①反应的热化学方程式为__________________________________ 。
②根据下图所示,只改变条件R,当N2的转化率从a3到a1时,平衡常数K_________ 。
E.增大、减小、不变均有可能
(2)尿素(又称碳酰胺)是含氮量最高的氮肥,工业上利用CO2和NH3在一 定条件下合成尿素的反应分为:
第一步:2NH3(g)+CO2(g) H2NCOONH4 (氨基甲酸铵) (l)
第二步:H2NCOONH4(l) H2O(g)+H2NCONH2(l)
某实验小组模拟工业上合成尿素的条件,在一体积为500 L的密闭容器中投入4 mol氨和1 mol二氧化碳,验测得反应中各组分的物质的量随时间的变化如图所示:
①合成尿素总反应的快慢由第_____ 步反应决 定。
②反应进行到10 min时测得CO2的物质的量如 上图所示,则用CO2表示的第一步反应的速率v(CO2)=___ mol/(L·min)。
③由氨基甲酸铵和CO2曲线变化可得出关于浓度 变化和平衡状态的两条结论是:
a.______________________________________________________ ;
b.______________________________________________________ 。
①反应的热化学方程式为
②根据下图所示,只改变条件R,当N2的转化率从a3到a1时,平衡常数K
A.可能增大 |
B.一定不变 |
C.可能不变 |
D.可能减小 |
(2)尿素(又称碳酰胺)是含氮量最高的氮肥,工业上利用CO2和NH3在一 定条件下合成尿素的反应分为:
第一步:2NH3(g)+CO2(g) H2NCOONH4 (氨基甲酸铵) (l)
第二步:H2NCOONH4(l) H2O(g)+H2NCONH2(l)
某实验小组模拟工业上合成尿素的条件,在一体积为500 L的密闭容器中投入4 mol氨和1 mol二氧化碳,验测得反应中各组分的物质的量随时间的变化如图所示:
①合成尿素总反应的快慢由第
②反应进行到10 min时测得CO2的物质的量如 上图所示,则用CO2表示的第一步反应的速率v(CO2)=
③由氨基甲酸铵和CO2曲线变化可得出关于浓度 变化和平衡状态的两条结论是:
a.
b.
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(0.15)
【推荐3】甲醇(CH3OH)是重要的溶剂和替代燃料。
(1)CO和H2的混合气体俗称合成气,可以在一定条件下制备甲醇。
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0,该反应平衡常数的表达式为_______ 。若压强、投料比x[n(CO)/n(H2)]对该反应的影响如图所示,则图中曲线所示的压强关系:p1______ p2(填“=”“>”或“<”)。
(2)NH4Cl(s) = NH3(g) + HCl(g) ΔH =" +163.9" kJ•mol-1
HCl(g) + CH3OH(g) → CH3Cl(g) + H2O(g) ΔH =" -31.9" kJ•mol-1
写出氯化铵和甲醇反应的热化学方程式________ ,该反应在一定条件下能自发进行的原因是________ 。由右图知,HCl和CH3OH的混合气体通过催化剂时的最佳流速在20 L•min-1~30 L• min-1之间。流速过快,会导致氯甲烷产率下降,原因是________ 。流速过慢,会使副产物二甲醚增多,其反应为2CH3OH→CH3OCH3 + H2O,生产中常通入适量的水蒸气,该操作对制备CH3Cl的影响是_______________ 。
(3)将有机污水去除氧气后加入到如图所示的微生物电解池内,可以实现污水处理和二氧化碳还原制甲醇。写出电解时阴极的电极反应式_______ 。
(1)CO和H2的混合气体俗称合成气,可以在一定条件下制备甲醇。
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0,该反应平衡常数的表达式为
(2)NH4Cl(s) = NH3(g) + HCl(g) ΔH =" +163.9" kJ•mol-1
HCl(g) + CH3OH(g) → CH3Cl(g) + H2O(g) ΔH =" -31.9" kJ•mol-1
写出氯化铵和甲醇反应的热化学方程式
(3)将有机污水去除氧气后加入到如图所示的微生物电解池内,可以实现污水处理和二氧化碳还原制甲醇。写出电解时阴极的电极反应式
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【推荐1】乙醇-水蒸气催化重整制氢过程发生的主要反应如下:
i.C2H5OH (g) +3H2O (g) 2CO2 (g) +6H2 (g) ΔH1
ii.CO2 (g) +H2 (g) CO (g) +H2O (g) ΔH2=+41kJ·mol-1
在1.0x105Pa时,向恒压密闭容器中通入1mol C2H5OH和3 mol H2O,若仅考虑上述反应,平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。[CO的选择性=]
回答下列问题:
(1)物质的标准摩尔生成焓是指由最稳定的单质合成标准压力p下单位物质的量的物质的反应焓变,用符号ΔfHm表示。
已知18g液态水气化需要吸收44kJ的能量,则ΔH1=___________ kJ·mol-1。
(2)已知曲线②代表H2的产率,温度在100~200℃时,H2的产率很低,原因是___________ 。
(3)下列措施可提高H2平衡产率的是___________ 。
a.高温高压 b.低温高压 c.使用高效催化剂 d.及时分离出CO2
(4)500℃、1.0x105Pa条件下,反应经过t分钟达到平衡,H2的产率为80%,则C2H5OH的反应速率为___________ kPa·min-1(保留小数点后一位),反应ii的物质的量分数平衡常数Kx的值为___________ 。
(5)乙醇重整制氢两条途径的机理如下图,Co/SiO2、Co/Al2O3和Co/MgO催化剂(酸性Al2O3>MgO>SiO2)在反应中表现出良好的催化活性和氢气选择性,但经长期反应后,催化剂表面均发现了积碳,积碳量Co/Al2O3>Co/MgO>Co/SiO2.试分析Al2O3表面的积碳量最大的原因___________ 。
i.C2H5OH (g) +3H2O (g) 2CO2 (g) +6H2 (g) ΔH1
ii.CO2 (g) +H2 (g) CO (g) +H2O (g) ΔH2=+41kJ·mol-1
在1.0x105Pa时,向恒压密闭容器中通入1mol C2H5OH和3 mol H2O,若仅考虑上述反应,平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。[CO的选择性=]
回答下列问题:
(1)物质的标准摩尔生成焓是指由最稳定的单质合成标准压力p下单位物质的量的物质的反应焓变,用符号ΔfHm表示。
物质 | C2H5OH(g) | H2O() | CO2(g) | H2(g) |
ΔfHm/ kJ∙mol−1 | −235 | −286 | −393.5 | 0 |
(2)已知曲线②代表H2的产率,温度在100~200℃时,H2的产率很低,原因是
(3)下列措施可提高H2平衡产率的是
a.高温高压 b.低温高压 c.使用高效催化剂 d.及时分离出CO2
(4)500℃、1.0x105Pa条件下,反应经过t分钟达到平衡,H2的产率为80%,则C2H5OH的反应速率为
(5)乙醇重整制氢两条途径的机理如下图,Co/SiO2、Co/Al2O3和Co/MgO催化剂(酸性Al2O3>MgO>SiO2)在反应中表现出良好的催化活性和氢气选择性,但经长期反应后,催化剂表面均发现了积碳,积碳量Co/Al2O3>Co/MgO>Co/SiO2.试分析Al2O3表面的积碳量最大的原因
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【推荐2】甲烷蒸汽重整(SMR)是目前工业制氢的主要手段,主要包括甲烷催化重整以及水煤气变化两步反应。
反应I:
反应Ⅱ:
(1)SMR工艺的总反应: =___________ 。
(2)下列反应条件选择及解释正确的是___________(填字母)。
(3)100kPa下,将n(CH4):n(H2O)=1:3的混合气体投入恒压反应器p=100kPa中,平衡时,各组分的物质的量分数与温度的关系如图所示。
①图中CO平衡曲线分别是=___________ (选填“A”或“B”)。
②反应在600℃、t小时后达到平衡,t小时内计算v(CH4)=___________ kPa.h-1(用含t的代数式表示)。
③反应在600℃,CH4的平衡转化率___________ (保留小数点后两位),反应I的Kp=___________ 。
④系统中H2的含量,在700℃左右出现峰值,试从平衡角度解释出现峰值的原因:
a.低于700℃,___________ ;b.高于700℃,___________ 。
反应I:
反应Ⅱ:
(1)SMR工艺的总反应: =
(2)下列反应条件选择及解释正确的是___________(填字母)。
A.升高温度,反应I平衡正向移动、反应Ⅱ平衡逆向移动 |
B.为提高甲烷催化重整的转化率,反应I应该在较高温度下进行 |
C.恒温、恒容条件下,通入Ar,体系压强增大,反应速率加快 |
D.恒温、恒容条件下,通入水蒸气,活化分子百分数增大,反应速率加快 |
(3)100kPa下,将n(CH4):n(H2O)=1:3的混合气体投入恒压反应器p=100kPa中,平衡时,各组分的物质的量分数与温度的关系如图所示。
①图中CO平衡曲线分别是=
②反应在600℃、t小时后达到平衡,t小时内计算v(CH4)=
③反应在600℃,CH4的平衡转化率
④系统中H2的含量,在700℃左右出现峰值,试从平衡角度解释出现峰值的原因:
a.低于700℃,
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(0.15)
【推荐3】苯乙烯是生产塑料、橡胶的重要原料,工业上以铁钴催化剂催化乙苯催化脱氢可获得苯乙烯。主要发生的反应为:_______ 。
(2)已知,在298K、101kPa条件下,某些物质的相对能量(△H)变化关系如图所示,则△H2=_______ kJ•mol-1。(3)在恒温恒压的条件下只发生反应I,下列事实能作为反应I达到平衡的依据的是_______ 。
(4)往刚性密闭容器中同时通入乙苯和一定比例水蒸气,控制反应温度为600℃、体系起始总压强为100kPa的条件下进行反应。
①通入水蒸气的作用有_______ 。
②假设容器中只发生反应I,测得体系总压和乙苯转化率随时间变化结果如图所示。则平衡时,p(H2O)=_______ kPa,平衡常数Kp=_______ kPa(Kp为以分压表示的平衡常数,气体分压=气体总压×体积分数)。
③反应速率v正=k正×p(乙苯),v逆=k逆×p(苯乙烯)×p(氢气),k正、k逆分别为正、逆反应速率常数,则a点时=_______ 。
(5)工业上也可以利用CO2弱氧化性在催化剂条件下制备苯乙烯,其反应的机理如图所示(α、β表示乙苯分子中C或H原子的位置;A、B为催化剂的活性位点,其中A位点带部分正电荷,B1、B2位点带部分负电荷)。αC—H的极性_______ (选填“>”或“<”)βC—H,步骤Ⅲ形成苯乙烯后更容易脱附的原因为_______ 。
反应I:(g)(g)+H2(g) △H1=+117.6kJ•mol-1
反应Ⅱ:(g)+H2(g)(g)+CH4(g) △H2
反应Ⅲ:(g)8C(s)+H2(g) △H3=-1.67kJ•mol-1
(1)铁钴催化剂中基态Co原子的电子排布式为(2)已知,在298K、101kPa条件下,某些物质的相对能量(△H)变化关系如图所示,则△H2=
A.v正(C6H5C2H5)=v正(C6H5C2H3) | B.容器内气体密度不再变化 |
C.苯乙烯、H2的分子数之比不再变化 | D.气体的平均相对分子质量不再变化 |
(4)往刚性密闭容器中同时通入乙苯和一定比例水蒸气,控制反应温度为600℃、体系起始总压强为100kPa的条件下进行反应。
①通入水蒸气的作用有
②假设容器中只发生反应I,测得体系总压和乙苯转化率随时间变化结果如图所示。则平衡时,p(H2O)=
③反应速率v正=k正×p(乙苯),v逆=k逆×p(苯乙烯)×p(氢气),k正、k逆分别为正、逆反应速率常数,则a点时=
(5)工业上也可以利用CO2弱氧化性在催化剂条件下制备苯乙烯,其反应的机理如图所示(α、β表示乙苯分子中C或H原子的位置;A、B为催化剂的活性位点,其中A位点带部分正电荷,B1、B2位点带部分负电荷)。αC—H的极性
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(0.15)
解题方法
【推荐1】(1)在恒容绝热(不与外界交换能量)条件下进行2A(g)+B(g) 2C(g)+D(s) △H1<0反应,按下表数据投料,反应达到平衡状态,测得体系压强升高。
①该反应的平衡常数表达式为K=___ 。升高温度,平衡常数将____ (填“增大”“减小”或“不变”)。
②能判断该反应是否达到化学平衡状态的依据是________ 。
A.容器中压强不变
B.混合气体的密度不变
C.υ(A):υ(B):υ(C)=2:1:2
D.c(A)=c(C)
(2)为研究不同条件对反应2NO(g)+Cl2(g) 2C1NO(g) △H2<0的影响,在恒温条件下,向2 L恒容密闭容器中加入0.2 mol NO和0.1 mol C12,10 min时反应达到平衡。测得NO的转化率为。其他条件保持不变,反应在恒压条件下进行,平衡时NO的转化率为,则__________ ,(填“大于”“小于”或“等于”)。
(3)甲醇(CH3OH)是重要的能源物质,研究甲醇具有重要意义。为提高甲醇燃料的利用率,科学家发明了一种燃料电池,电池的一个电极通入空气,另一个电极通入甲醇气体,电解质是掺入了Y2O3的ZrO2晶体,在高温下它能传导O2—离子。电池工作时负极反应式为_________________ 。用该燃料电池作电源,以石墨为电极电解足量的硫酸铜溶液,当电路中通过0.1 mol电子时,若要使溶液恢复到起始浓度(温度不变,忽略溶液体积的变化),可向溶液中加入_____ (填物质名称),其质量约为_______ g。
物质 | A | B | C | D |
起始投料/mol | 2 | 1 | 2 | 0 |
①该反应的平衡常数表达式为K=
②能判断该反应是否达到化学平衡状态的依据是
A.容器中压强不变
B.混合气体的密度不变
C.υ(A):υ(B):υ(C)=2:1:2
D.c(A)=c(C)
(2)为研究不同条件对反应2NO(g)+Cl2(g) 2C1NO(g) △H2<0的影响,在恒温条件下,向2 L恒容密闭容器中加入0.2 mol NO和0.1 mol C12,10 min时反应达到平衡。测得NO的转化率为。其他条件保持不变,反应在恒压条件下进行,平衡时NO的转化率为,则
(3)甲醇(CH3OH)是重要的能源物质,研究甲醇具有重要意义。为提高甲醇燃料的利用率,科学家发明了一种燃料电池,电池的一个电极通入空气,另一个电极通入甲醇气体,电解质是掺入了Y2O3的ZrO2晶体,在高温下它能传导O2—离子。电池工作时负极反应式为
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【推荐2】“碳达峰、碳中和”是我国社会发展重大战略之一,CH4还原(CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一)相关的主要反应有:
Ⅰ.CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)ΔH1=+247kJ/mol
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41kJ/mol
Ⅲ.CH4(g)+3CO2(g)4CO(g)+2H2O(g)ΔH3
回答下列问题:
(1)ΔH3=_______ kJ/mol。
(2)有利于提高CO2平衡转化率的条件是___________。
(3)一定条件下,向体积为2L的恒容密闭容器中通入1molCH4和3molCO2发生上述反应,达到平衡时,容器中H2(g)为0.5mol,CO为1.5mol,此时CH4(g)的浓度为___________ mol/L,反应Ⅱ的平衡常数为___________ 。
(4)CH4还原能力(R)可衡量(CO2转化效率R=同一时段内CO2与CH4物质的量变化量之比)。
①常压下CH4和CO2按物质的量之比1:3投料,某一时段内(CH4和CO2的转化率随温度变化如图,则1000℃时R值为___________ 。400~1000℃间R的变化趋势是___________ (填序号,下同)。
A.一直增大 B.一直减小 C.先增大后减小 D.先减小后增大
②催化剂X可提高R值,另一时段内CH4转化率、R值随温度变化如下表:
下列说法不正确的是_____
A.R值提高可能是由于催化剂X选择性提高反应Ⅱ的速率
B.温度越低,含氢产物中H2O占比越低
C.温度升高,CH4转化率增加,CO2转化率降低,R值减小
D.改变催化剂,提高CH4转化率,R值不一定增大
Ⅰ.CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)ΔH1=+247kJ/mol
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41kJ/mol
Ⅲ.CH4(g)+3CO2(g)4CO(g)+2H2O(g)ΔH3
回答下列问题:
(1)ΔH3=
(2)有利于提高CO2平衡转化率的条件是___________。
A.低温低压 | B.低温高压 | C.高温低压 | D.高温高压 |
(3)一定条件下,向体积为2L的恒容密闭容器中通入1molCH4和3molCO2发生上述反应,达到平衡时,容器中H2(g)为0.5mol,CO为1.5mol,此时CH4(g)的浓度为
(4)CH4还原能力(R)可衡量(CO2转化效率R=同一时段内CO2与CH4物质的量变化量之比)。
①常压下CH4和CO2按物质的量之比1:3投料,某一时段内(CH4和CO2的转化率随温度变化如图,则1000℃时R值为
A.一直增大 B.一直减小 C.先增大后减小 D.先减小后增大
②催化剂X可提高R值,另一时段内CH4转化率、R值随温度变化如下表:
温度/℃ | 480 | 500 | 520 | 550 |
CH4转化率/% | 7.9 | 11.5 | 20.2 | 34.8 |
R | 2.6 | 2.4 | 2.1 | 1.8 |
A.R值提高可能是由于催化剂X选择性提高反应Ⅱ的速率
B.温度越低,含氢产物中H2O占比越低
C.温度升高,CH4转化率增加,CO2转化率降低,R值减小
D.改变催化剂,提高CH4转化率,R值不一定增大
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困难
(0.15)
解题方法
【推荐3】减少氮的氧化物和碳的氧化物在大气中的排放是环境保护的重要内容之一、我国学者结合实验与计算机模拟结果,研究了均相NO-CO的反应[ ]历程,该反应经历的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个过渡态分别对应阶段①、阶段②、阶段③。图中显示的是反应过程中每一阶段内各驻点的能量相对于此阶段内反应物能量的差值(图中标出的物质均为气态)。
(1)反应历程Ⅲ的热化学方程式为___________ ;该反应过程中决速步为___________ (填“阶段①”、“阶段②”或“阶段③”)。
(2)若按的投料比将NO(g)与CO(g)充入体积可变的恒压密闭容器中,在一定条件下发生反应,用NO表示的正反应速率为,用表示的逆反应速率为(、表示速率常数且只与温度有关),NO(g)的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
①压强、、由大到小的顺序是___________ ,X、Y、Z三点的压强平衡常数由小到大的顺序是___________ 。
②℃、压强为时,向VL容器中充入2.0molNO(g)和2.0molCO(g)发生上述反应,5min后反应达到平衡(X点),该温度下的浓度平衡常数___________ (不写单位,下同),___________ ,M点的___________ 。
(1)反应历程Ⅲ的热化学方程式为
(2)若按的投料比将NO(g)与CO(g)充入体积可变的恒压密闭容器中,在一定条件下发生反应,用NO表示的正反应速率为,用表示的逆反应速率为(、表示速率常数且只与温度有关),NO(g)的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
①压强、、由大到小的顺序是
②℃、压强为时,向VL容器中充入2.0molNO(g)和2.0molCO(g)发生上述反应,5min后反应达到平衡(X点),该温度下的浓度平衡常数
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