2021届（鲁科版）高考化学一轮复习化学平衡常数及转化率的计算　工业合成氨作业 19页

化学平衡常数及转化率的计算　工业合成氨 一、选择题(本题包括4小题,每题8分,共32分)‎ ‎1.(2020·郑州模拟)已知反应A(g)+B(g)C(g)+D(g)的平衡常数和温度的关系如下:‎ 温度/℃‎ ‎700‎ ‎800‎ ‎830‎ ‎1 000‎ ‎1 200‎ 平衡常数 ‎1.7‎ ‎1.1‎ ‎1.0‎ ‎0.6‎ ‎0.4‎ 现有两个相同的2 L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器Ⅰ、Ⅱ,在Ⅰ中充入1 mol A和1 mol B,在Ⅱ中充入1 mol C和1 mol D,800℃条件下开始反应。达到平衡时,下列说法正确的是 (　　)‎ A.容器Ⅰ、Ⅱ中的压强相等 B.容器Ⅰ、Ⅱ中反应的平衡常数相同 C.该反应的正反应是放热反应 D.容器Ⅰ中A的浓度比容器Ⅱ中的小 ‎【解析】选C。由题中平衡常数与温度的关系可得该反应的正反应是放热反应,C正确;由于反应体系是绝热体系,则容器Ⅰ达到平衡时的温度比容器Ⅱ高,故其平衡常数小,平衡时压强大,A、B错误;容器Ⅰ比容器Ⅱ温度高,故平衡时A的浓度容器Ⅰ大于容器Ⅱ,D错误。‎ ‎2.(2020·沈阳模拟)对于反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)　ΔH>0,下列有关说法正确的是 (　　)‎ A.平衡常数表达式为K=‎ B.增大体系压强,平衡常数K不发生变化 C.升高体系温度,平衡常数K减小 D.增加C(s)的量,平衡正向移动 ‎【解析】选B。平衡常数表达式应为K=,A错误;增大体系压强,温度不变,故平衡常数K不发生变化,B正确;升高体系温度,平衡正向移动,平衡常数K增大,C错误;增加C(s)的量,平衡不移动,D错误。‎ ‎3.(2020·如皋模拟)固体碘化铵置于密闭容器中,加热至一定温度后恒温,容器中发生反应:‎ ‎①NH4I(s)NH3(g)+ HI(g)　②2HI(g)H2(g)+I2(g),测得平衡时[I2]=0.5 mol ‎·L-1,反应①的平衡常数为20,则下列结论不正确的是 (　　)‎ A.平衡时[NH3]=5 mol·L-1‎ B.平衡时HI分解率为20%‎ C.混合气体的平均摩尔质量不再发生变化不可以作为判断该反应达到平衡状态的标志 D.平衡后缩小容器容积,NH4I的物质的量增加,I2的物质的量不变 ‎【解析】选D。设碘化铵生成氨气和碘化氢的物质的量浓度为x。‎ ‎　　　　　　　　2HI(g)H2(g)+I2(g)‎ 起始(mol·L-1) x 0 0‎ 变化(mol·L-1) 1 0.5 0.5‎ 平衡(mol·L-1) x-1 0.5 0.5‎ 根据反应①的平衡常数为20,得x(x-1)=20,解得x=5 mol·L-1,c(NH3)=5 mol·L-1,A正确;平衡时HI分解率为×100%=20%,B正确;反应①固体生成气体,平均摩尔质量始终不变,反应②反应前后物质的量不变,‎ 平均摩尔质量始终不变,故混合气体的平均摩尔质量不再发生变化不可以作为判断该反应达到平衡状态的标志,C正确;平衡后缩小容器容积,平衡①逆向移动,NH4I的物质的量增加,HI的物质的量降低,平衡②逆向移动,则I2的物质的量减小,D错误。‎ ‎4.(2020·泰安模拟)某绝热恒容容器中充入2 mol·L-1 NO2,发生反应2NO2(g)N2O4(g)　ΔH=-56.9 kJ·mol-1,下列分析不正确的是(　　)‎ A.5 s时NO2的转化率为75%‎ B.0～3 s内v(NO2)增大是因为体系温度升高 C.3 s时化学反应处于平衡状态 D.9 s时再充入N2O4,平衡后K较第一次平衡时大 ‎【解析】选C。分析图象可知,0～5 s内Δc(NO2)=2 mol·L-1-0.5 mol·L-1=‎ ‎1.5 mol·L-1,结合转化率的概念计算出NO2的转化率为×100%=75%,A项正确;该反应的正反应是放热反应,在绝热恒容容器中,随着反应进行不断放出热量,体系温度升高,反应速率增大,故0～3 s内v(NO2)增大是因为体系温度升高,B项正确;3 s时二氧化氮反应速率最大,3～7 s时v(NO2)随时间减小,7 s后v(NO2)不变,反应才处于平衡状态,C项错误;9 s时反应处于平衡状态,再充入N2O4,平衡逆向进行,体系温度降低,平衡常数增大,D项正确。‎ 二、非选择题(本题包括1小题,共18分)‎ ‎5.(2020·石家庄模拟)科学家研究出一种以天然气为燃料的“燃烧前捕获系统”,其简单流程如图所示(条件及物质未标出): ‎ ‎(1)已知:CH4、CO、H2的燃烧热分别为890.3 kJ·mol-1、283.0 kJ·mol-1、‎ ‎285.8 kJ·mol-1,则上述流程中第一步反应2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g)的ΔH=　　　　。 ‎ ‎(2)工业上可用H2和CO2制备甲醇,其反应的化学方程式为CO2(g)+3H2(g)‎ CH3OH(g)+H2O(g),某温度下,将1 mol CO2和3 mol H2充入2 L恒容密闭容器中,发生上述反应,测得不同时刻反应前后的压强关系如下表:‎ 时间/h ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎0.90‎ ‎0.85‎ ‎0.83‎ ‎0.81‎ ‎0.80‎ ‎0.80‎ ‎①用H2表示前2 h内的平均反应速率v(H2)=　　　　。 ‎ ‎②该温度下,CO2的平衡转化率为　　　　。 ‎ ‎(3)在300 ℃、8 MPa下,将CO2和H2按物质的量之比1∶3通入一恒压密闭容器中发生(2)中反应,达到平衡时,测得CO2的平衡转化率为50%,则该反应条件下的平衡常数Kp=　　　　　　　　　(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。 ‎ ‎(4)CO2经催化加氢可合成低碳烯烃:2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)　ΔH。在0.1 MPa时,按n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,不同温度(T)下,平衡时四种气态物质的物质的量(n)关系如图所示。‎ ‎①该反应的ΔH　　　　(填“>”或“<”)0。 ‎ ‎②曲线c表示的物质为　　　　。 ‎ ‎③为提高H2的平衡转化率,除改变温度外,还可采取的措施是 　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　。 ‎ ‎【解析】(1)CH4、CO、H2的燃烧热分别为890.3 kJ·mol-1、283.0 kJ·mol-1、‎ ‎285.8 kJ·mol-1,据此写出热化学方程式。‎ ‎①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)　ΔH1=-890.3 kJ·mol-1‎ ‎②CO(g)+O2(g)CO2(g)　ΔH2=-283.0 kJ·mol-1‎ ‎③H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH3=-285.8 kJ·mol-1‎ 根据盖斯定律,由①×2-②×2-③×4可得2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g),则有ΔH=2ΔH1-2ΔH2-4ΔH3=(-890.3 kJ·mol-1)×2-(-283.0 kJ·mol-1)×2-‎ ‎(-285.8 kJ·mol-1)×4=-71.4 kJ·mol-1。‎ ‎(2)①恒温恒容时,气体的压强之比等于其物质的量之比,2 h时,=0.85,设消耗CO2的物质的量为x mol,则:‎ CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔV ‎1 2‎ x mol 2x mol 有=0.85,解得x=0.3,故前2 h内的平均反应速率v(H2)==‎ ‎0.225 mol·L-1·h-1。‎ ‎②该温度下,反应进行5 h时达到平衡状态,此时=0.80,设消耗CO2的物质的量为y mol,则有=0.80,解得y=0.4,故CO2的平衡转化率为×100%=40%。‎ ‎(3)设开始时投入CO2和H2的物质的量分别为1 mol、3 mol,CO2的平衡转化率为50%,则有:‎ ‎　　　　 　CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)‎ 起始量/mol 1 3 0 0‎ 转化量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5‎ 平衡量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5‎ 则平衡时p(CO2)=p(CH3OH)=p(H2O)=8 MPa×= MPa,p(H2)=8 MPa×=‎ ‎4 MPa,故该反应条件下的平衡常数Kp==。‎ ‎(4)①由图可知,随着温度的升高,n(H2)逐渐增大,说明平衡逆向移动,则正反应为放热反应,故有ΔH<0。②随着温度的升高,n(H2)逐渐增大,由于H2是反应物,则另一条逐渐增大的曲线a代表CO2;C2H4(g)、H2O(g)都是生成物,随着平衡逆向移动,二者的物质的量逐渐减小,根据化学计量数的关系可知,曲线b代表H2O(g),曲线c代表C2H4(g)。③该反应的正反应是气体分子数减少的放热反应,欲提高H2的平衡转化率,除改变温度外,还可以增大压强或不断分离出产物H2O(g)。‎ 答案:(1)-71.4 kJ·mol-1‎ ‎(2)①0.225 mol·L-1·h-1　②40%‎ ‎(3)‎ ‎(4)①<　②C2H4　③加压(或不断分离出水蒸气)‎ ‎【加固训练】‎ ‎　　含氮化合物是化工、能源、环保等领域的研究热点。请回答下列问题:‎ ‎(1)合成尿素[CO(NH2)2]的反应式为2NH3(g)+CO2(g)H2O(l)+H2NCONH2(s)　ΔH=-134 kJ·mol-1。向恒容密闭容器中按物质的量之比4∶1充入NH3和CO2,使反应进行,保持温度不变,测得CO2的转化率随时间的变化情况如图1所示。‎ ‎　①若统一用CO2的浓度变化表示反应速率,则A点的逆反应速率　　　　B点的正反应速率(填“>”“<”或“=”)。 ‎ ‎②下列叙述中不能说明该反应达到平衡状态的是　　　　(填字母标号)。 ‎ A.体系压强不再变化 B.气体平均摩尔质量不再变化 C.NH3消耗速率和CO2的消耗速率之比为2∶1‎ D.固体质量不再发生变化 ‎③工业上合成尿素时,既能加快反应速率,又能提高原料利用率的措施有　　　　(填序号)。 ‎ A.升高温度 B.加入催化剂 C.将尿素及时分离出去 D.增大反应体系的压强 ‎(2)汽车尾气已成为许多大城市空气的主要污染源,其中存在大量NO。实验发现,NO易发生二聚反应2NO(g)N2O2(g)并快速达到平衡。向真空钢瓶中充入一定量的NO进行反应,测得温度T1和T2时NO的转化率随时间变化的结果如图2所示。‎ 在温度T2下,达到平衡时体系的总压强为200 kPa,X点N2O2的物质的量分数为　　　　　　,X点对应的平衡常数Kp=　　　　　　(用分压表示);提高NO平衡转化率的条件为　　　　　　　　　　　　　(任答两点)。 ‎ ‎【解析】(1)①由图象可知,A点时反应未达平衡,在达到平衡过程中,v(逆)增大,平衡时v(正)=v(逆),故A点的逆反应速率2.0×10-7 mol·L-1‎ ‎【解析】选D。A项,pH越小,c(H+)越大,越有利于平衡正向移动,平衡时c(Cr2)越大;B项,A点c(Cr2)=0.25 mol·L-1,反应的c(Cr)=0.25 mol·L-1×2=‎ ‎0.5 mol·L-1,Cr的平衡转化率为50%;C项,A点时,平衡常数K=‎ ‎==1014;D项,若溶液中c(Cr2)=c(Cr),则二者约为0.33 mol·L-1,此时,c(H+)<2.0×10-7 mol·L-1。‎ ‎【加固训练】‎ ‎　　(2020·洛阳模拟)将1 mol N2和 3 mol H2充入体积可变的恒温密闭容器中,在380 ℃下发生反应:‎ N2(g)+3H2(g)2NH3(g)‎ 平衡时,体系中氨的体积分数φ(NH3)随压强变化的情况如下表:‎ 压强/MPa ‎10‎ ‎20‎ ‎30‎ ‎40‎ φ(NH3)‎ ‎0.30‎ ‎0.45‎ ‎0.54‎ ‎0.60‎ 下列说法正确的是 (　　)‎ A.10 MPa时,H2的转化率为75%‎ B.20 MPa时,NH3的物质的量浓度是10 MPa时的1.5倍 C.40 MPa时,若容器的体积为V L,则平衡常数K=‎ D.30 MPa时,若向容器中充入惰性气体,则平衡向正反应方向移动 ‎【解析】选C。N2(g)+3H2(g)2NH3(g)‎ 开始(mol) 1 3 0‎ 反应(mol) x 3x 2x 平衡(mol) 1-x 3-3x 2x ‎10 MPa时,2x=0.30×(4-2x),解得x=,H2的转化率为46%,故A错误;20 MPa时,2x=0.45×(4-2x),解得x=,NH3的物质的量浓度是10MPa时的÷=(倍),故B错误;40 MPa时,2x=0.60×(4-2x),解得x=0.75,若容器的体积为V L,则平衡常数K==,故C正确;30 MPa时,若向容器中充入惰性气体,容器的体积增大,相当于减小压强,平衡向逆反应方向移动,故D错误。‎ ‎2.(2020·苏州模拟)t ℃时,在一固定容积的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g)C(s)　ΔH<0,按照不同配料比充入A、B,达到平衡时容器中A、B浓度变化如图中曲线(实线)所示,下列判断正确的是 (　　)‎ A.t ℃时,该反应的平衡常数值为4‎ B.c点没有达到平衡,此时反应向逆向进行 C.若c为平衡点,则此时容器内的温度高于t ℃‎ D.t ℃时,直线cd上的点均为平衡状态 ‎【解析】选C。A项,平衡常数K===0.25,错误;B项,分析图象可知,c点浓度商Qc0”或“<0”)。 ‎ ‎(3)①该反应的催化剂为V2O5,其催化反应过程为 SO2+V2O5SO3+V2O4　K1‎ O2+V2O4V2O5　K2‎ 则在相同温度下2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)的平衡常数K=　　　　(以含K1、K2的代数式表示)。 ‎ ‎②V2O5加快反应速率的原因是　　　　　　　　　, ‎ 其催化活性与温度的关系如图2。‎ ‎(4)在7.0% SO2、11% O2、82% N2(数值均为气体体积分数)时,SO2平衡转化率与温度、压强的关系如图3,则列式计算460 ℃、1.0 atm下,SO2(g)+O2(g)SO3(g)的Kp=　　　　(已知:各气体的分压=总压×各气体的体积分数)。 ‎ ‎(5)综合第(3)、(4)题图给的信息,工业生产最适宜的温度范围为　　　　,压强通常采用常压的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ‎ ‎　　　　　　　。 ‎ ‎【解析】(1)根据图1可知,随着n(SO2)/n(O2)的逐渐增大,φ(SO3)逐渐增大,当两者恰好完全反应时,φ(SO3)达到最大值;随着n(SO2)/n(O2)的继续增大,φ(SO3)又逐渐减小,故b点n(SO2)/n(O2)=2。温度不变,平衡常数不变,A不符合题意;随着n(SO2)/n(O2)的逐渐增大,φ(SO3)先逐渐增大后又逐渐减小,SO3的平衡产率也是先增大后逐渐减小,B不符合题意;随着n(SO2)/n(O2)的逐渐增大,平衡不断向正反应方向移动,O2的平衡转化率逐渐增大,C不符合题意;随着 n(SO2)/n(O2)的逐渐增大,平衡不断向正反应方向移动,但是SO2的平衡转化率逐渐减小,D符合题意。‎ ‎(2)lg Kp=-4.645 5,随着温度T的增大而减小,则Kp随着温度T的增大而减小,说明升高温度,平衡逆向移动,正反应为放热反应。‎ ‎(3)①根据盖斯定律,将两方程式相加后再乘以2得2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),则K=(K1×K2)2。‎ ‎②催化剂降低反应的活化能,活化分子百分数增大,有效碰撞几率提高,反应速率加快。‎ ‎(4)各气体的分压=总压×各气体的体积分数,起始时SO2的分压为0.070 atm,O2的分压为0.11 atm,SO3的分压为0 atm,平衡时,SO2的分压为0.070×(1-‎ ‎0.97) atm=0.002 1 atm,O2的分压为(0.11-0.070×0.97×)atm≈0.076 atm,SO3的分压为0.070×0.97 atm=0.067 9 atm,Kp=≈117。‎ ‎(5)根据图2,催化剂在500 ℃左右催化活性最高,根据图3,增大压强,SO2的平衡转化率增大不明显,常压下SO2的平衡转化率已经很高,再增大压强,对设备要求较高。‎ 答案:(1)2　D　(2)<0‎ ‎(3)①(K1×K2‎)2‎ ‎②降低反应的活化能,活化分子百分数增大,有效碰撞几率提高 ‎ ‎(4)117‎ ‎(5)400～500 ℃　常压下SO2的平衡转化率已经很高,再增大压强,对设备要求较高