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終結(jié)一下2022江蘇化學(xué)13題的討論

2023-03-17 16:04 作者:化學(xué)徐的小宇宙  | 我要投稿

相信很多小伙伴都見過此題吧:

圖1
還沒做過的小伙伴可以先自己思考一下,做過的就可以直接往下拉啦。












廢話不多說,此題選B。

其實(shí)之前我對B遲遲不敢下結(jié)論,只是通過排除法選了B。于是我把題目中的圖像重新畫了一遍,跟原題的圖像不能說是一模一樣,也算是基本一致了:

圖2

方法很簡單,在化學(xué)手冊上查到兩個反應(yīng)中各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)熵,計(jì)算出各自的熵變(分別為363.8J/(mol·K)、42.0?J/(mol·K)),再根據(jù)吉布斯-亥姆霍茲方程和范特霍夫等溫式計(jì)算出不同溫度下兩個反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù),將兩個反應(yīng)的轉(zhuǎn)化量設(shè)為未知數(shù),帶入初始值,列出關(guān)于兩個反應(yīng)平衡常數(shù)表達(dá)式的方程,解方程,作圖。

當(dāng)然這屬于作弊行為,考生顯然不可能這樣判斷。不過總算可以終結(jié)這個問題的答案了,對照原圖,隨著溫度升高,選擇性升高的是CO,所以B正確。

那么B該怎么分析呢?


先看看錯誤解析

不少認(rèn)為B項(xiàng)錯誤的解析,比如某市教研是這么考慮的(藍(lán)框部分):

圖3. 某市教研的解析,認(rèn)為選D

該解析說反應(yīng)①的熱效應(yīng)更大,因此溫度升高時(shí)對反應(yīng)①的影響更大(這一點(diǎn)問題不大,如何得到這個結(jié)論請看文末討論)。也就是相比反應(yīng)②,反應(yīng)①可以在相同的升溫量下獲得更高的轉(zhuǎn)化量。但這個問題并不是看反應(yīng)①生成了多少CO2,而是比較平衡體系中CO2與CO的多寡。生成多少不重要,重要的是能剩多少。

反應(yīng)①做出一塊蛋糕(總C量),反應(yīng)②來分一杯羹(CO),剩下的就是CO2;隨著溫度升高,反應(yīng)①做出的蛋糕越來越大,反應(yīng)②分的羹也越來越多。蛋糕做大了,能留給你的一定多嗎?

圖4

我的解法


仔細(xì)看題目中給出的選擇性的公式,聰明如你一定不難看出,其形式與水溶液中的分布系數(shù)非常相似,所涉及的CO2與CO恰好都出現(xiàn)在了反應(yīng)②中。那我們不妨利用反應(yīng)②的平衡常數(shù)K2對其進(jìn)行一番轉(zhuǎn)化:

由于兩個反應(yīng)中的H2O和H2都在可逆號兩側(cè),兩者必然此消彼長。題圖中可以看出,T?<300°C時(shí),隨著T?的升高,H2產(chǎn)率也升高(H2產(chǎn)率=平衡量/理論產(chǎn)量,理論產(chǎn)量取決于反應(yīng)物的量,是定值,所以H2產(chǎn)率升高即H2平衡量升高。關(guān)于哪條曲線是H2請到文末看A選項(xiàng)的解析),同時(shí)H2O的平衡量降低,K2升高(反應(yīng)吸熱)。于是在這個范圍內(nèi),K2·c(H2)/c(H2O)就會隨著T的升高而升高,代入選擇性的公式可知,CO2的選擇性則會降低。雖然在T?<200°C的范圍內(nèi),CO2與CO兩條曲線看不出明顯變化,但是200~300°C范圍內(nèi)的變化足以判斷結(jié)果了。

此時(shí)讓我們共同高呼:

平衡常數(shù)大法好,

關(guān)鍵時(shí)刻保平安。

要注意,無法通過T?>300°C時(shí),H2產(chǎn)率下降的部分來判斷結(jié)果,至于原因就交給小伙伴們自己分析吧。但這并不影響之前的判斷。

我們還可以解釋T?>300°C時(shí),H2產(chǎn)率下降的原因:300°C附近,反應(yīng)①的平衡常數(shù)K1已經(jīng)很大了(≈103,見圖5),反應(yīng)①的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)接近了100%,T?再升高對其轉(zhuǎn)化率的提升已經(jīng)是杯水車薪。然而此時(shí)反應(yīng)②勁頭正足,隨著T?的升高,K2還在不斷升高,消耗了反應(yīng)①生成的H2,造成產(chǎn)率下降。



溫度對平衡常數(shù)的影響

與反應(yīng)熱的關(guān)系


嚴(yán)格地說,是溫度對|ΔH|更大的反應(yīng)的平衡常數(shù)K影響更大,結(jié)合吉布斯-亥姆霍茲方程和范特霍夫等溫方程可以推導(dǎo)出這一結(jié)果:

當(dāng)溫度由T1變?yōu)門2時(shí),平衡常數(shù)的對數(shù)lnK的變化量lnK2-lnK1與ΔH成正比,即|ΔH|越大的反應(yīng),溫度T?對其平衡常數(shù)K的影響就越大。


圖5.?題中兩個反應(yīng)的K隨溫度的變化,注意縱坐標(biāo)是對數(shù)坐標(biāo),K1的變化率遠(yuǎn)大于K2

當(dāng)然上面所用到的公式顯然超綱了,不過也可以定性地考慮:ΔH=0時(shí),溫度對K沒有影響;ΔH≠0時(shí),不論±,溫度都對K有影響;可見|ΔH|越大,溫度對K的影響越大。



ACD選項(xiàng)解析


根據(jù)題目中給的CO或CO2的選擇性定義,兩者之和為1,圖像中很明顯能看出①、③是一對(此消彼長),所以氫氣產(chǎn)率肯定就是曲線②了,所以A不對;

C選項(xiàng)中增大n(C2H5OH)/n(H2O),若是減小n(H2O),平衡左移無疑降低了乙醇的轉(zhuǎn)化率;若是增大了n(C2H5OH),由于乙醇的計(jì)量數(shù)(1)小于所有產(chǎn)物的計(jì)量數(shù)之和(8),因此也會降低乙醇的轉(zhuǎn)化率(注意:增加某一反應(yīng)物的投料量,其自身轉(zhuǎn)化率是增大還是減小,取決于其自身計(jì)量數(shù)νA與所有產(chǎn)物計(jì)量數(shù)之和νB的大小關(guān)系,只有νA≤νB時(shí),其轉(zhuǎn)化率才能保證是減小的,詳見反應(yīng)物的起始濃度對其自身平衡轉(zhuǎn)化率的影響),所以C不對;

D選項(xiàng)已經(jīng)說了是平衡轉(zhuǎn)化率,那就不可能跟催化劑有關(guān)系了。催化劑只能通過增大其選擇性催化的反應(yīng)的速率,而改變有限時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率。所以D不對。前兩天和張國興老師聊的時(shí)候,張老師舉一個例子:劣質(zhì)男追女生,如果下手速率比較快,也許能追到手并在有限時(shí)間內(nèi)不分手;但只要時(shí)間足夠長,[女-劣男]+優(yōu)男?[女-優(yōu)男]+劣男 的平衡就會正向移動。嗯,真是正能量滿滿的例子啊。

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