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- 2021-07-06 发布
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第3讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向
A组 基础题组
1.对于处于化学平衡状态的反应CO+H2O(g) CO2+H2,K正反应代表正反应的平衡常数,K逆反应代表逆反应的平衡常数,下列有关说法正确的是( )
A.K正反应=K逆反应 B.K正反应>K逆反应
C.K正反应Kc>Ka
答案 B A项,题图上的三点都为平衡状态,故错误;B项,增加二氧化硫的物质的量,平衡正向移动,二氧化硫的转化率降低,所以a点二氧化硫的转化率最大,故正确;C项,从图像分析,二氧化硫的含量越高,混合气体中三氧化硫的体积分数先增大后减小,因为剩余的二氧化硫的量在逐渐增大,故错误;D项,因为没有改变温度,所以三点的平衡常数相同,故错误。
5.在一体积不变的密闭容器中发生化学反应:Fe2O3(s)+2NH3(g) 2Fe(s)+N2(g)+3H2O(g) ΔH,实验测得化学平衡时的有关变化曲线如图所示。已知:平衡常数可用平衡分压代替平衡浓度计算,气体分压=气体总压×物质的量分数。下列说法不正确的是( )
A.该反应的ΔH>0
B.气体压强p2>p1
C.平衡后再加入Fe2O3,则NH3转化率增大
D.M点的平衡常数Kp=(p1×0.187 5)(p1×0.562 5)3(p1×0.25)2
答案 C 由题图可知,随温度升高,氨的体积分数降低,平衡正向移动,正反应是吸热反应,该反应的ΔH>0,故A正确;由于Fe2O3(s)+2NH3(g) 2Fe(s)+N2(g)+3H2O(g)是气体体积增大的反应,加压平衡逆向移动,氨的体积分数增大,气体压强p2 >p1,故B正确;Fe2O3是固体,增加其用量对平衡没有影响,平衡后再加入Fe2O3,则NH3转化率不变,故C错误;
Fe2O3(s)+2NH3(g) 2Fe(s)+N2(g)+3H2O(g)
起始量(mol) 2 0 0
变化量(mol) 2x x 3x
平衡量(mol) 2-2x x 3x
由图可知M点时氨气的体积分数为25%,得到(2-2x)/(2+2x)=0.25,x=0.6,气体总物质的量=2 mol+2x mol=3.2 mol,图中M点的平衡常数Kp=(p1×0.63.2)(p1×0.6×33.2)3(p1×0.83.2)2 =(p1×0.187 5)(p1×0.562 5)3(p1×0.25)2,故D正确。
6.将一定量的氨基甲酸铵置于恒容的密闭真空容器中(固体体积忽略不计),使其达到化学平衡:H2NCOONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)。实验测得不同温度下的平衡数据如下表:
温度/℃
15
20
25
30
35
平衡总压强/kPa
5.7
8.3
12.0
17.1
24.0
平衡气体总浓度/(10-3 mol/L)
2.4
3.4
4.8
6.8
9.4
下列有关叙述正确的是( )
A.在低温下该反应能自发进行
B.15 ℃时,该反应的化学平衡常数约为2.0
C.当混合气体平均相对分子质量不变时,该反应达到化学平衡状态
D.恒温条件下,向原平衡体系中再充入2 mol NH3和1 mol CO2,达平衡后CO2浓度不变
答案 D 根据平衡数据,温度升高,平衡总压强增大,平衡气体总浓度增大,说明升温平衡向正反应方向移动,正反应是吸热反应,ΔH>0,根据ΔG=ΔH-TΔS,因为ΔH>0,ΔS>0,所以高温下该反应能自发进行,A错误;15 ℃时平衡气体总浓度为2.4×10-3 mol/L,则平衡浓度c(NH3)=23×2.4×10-3 mol/L=1.6×10-3 mol/L,c(CO2)=13×2.4×10-3 mol/L=0.8×10-3 mol/L,K=c2(NH3)×c(CO2)≈2×10-9,B错误;混合气体的平均相对分子质量始终不变,C错误;温度不变,化学平衡常数不变,即c(CO2)·c2(NH3)不变,所以恒温、恒容条件下,向原平衡体系中再充入2 mol NH3和1 mol CO2,平衡逆向移动,达平衡后CO2浓度不变,D正确。
7.(2018山东济宁二模)实施以节约能源和减少废气排放为基本内容的节能减排政策,是应对全球气候问题、建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。试运用所学知识,回答下列问题:
(1)已知在一定温度下,①C(s)+CO2(g) 2CO(g) ΔH1=a kJ/mol 平衡常数为K1;
②CO(g)+H2O(g) H2(g)+CO2(g) ΔH2=b kJ/mol 平衡常数为K2;
某反应的平衡常数表达式K3=c(CO)·c(H2)c(H2O),请写出此反应的热化学方程式: ,K1、K2、K3之间的关系是: 。
(2)将原料气按n(CO2)∶n(H2)=1∶4置于密闭容器中发生反应CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g),测得H2O(g)的物质的量分数与温度的关系如图所示。(虚线表示平衡曲线)。
①该反应的平衡常数K随温度降低而 (填“增大”或“减小”)。
②在密闭恒温(高于100 ℃)恒容装置中进行该反应,下列能说明达到平衡状态的是 。
A.混合气体密度不再改变
B.混合气体压强不再改变
C.混合气体平均摩尔质量不再改变
D.n(CO2)∶n(H2)=1∶2
③200 ℃达到平衡时体系的总压强为p,该反应平衡常数Kp的计算表达式为 。(不必化简,用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)
(3)500 ℃时,CO与水反应生成CO2和H2。将CO2和H2分离得到H2的过程示意图如下。
①吸收池中所有离子浓度的等式关系是 。
②结合电极反应式,简述K2CO3溶液的再生原理:
。
答案 (1)C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH= (a+b)kJ/mol K3=K1·K2
(2)①增大 ②BC
③0.3p×(0.6p)20.02p×(0.08p)4
(3)c(K+)+c(H+)=2c(CO32-)+c(HCO3-)+c(OH-) ②阴极反应:2H2O+2e- H2↑+2OH-,OH-+HCO3- CO32-+H2O,使K2CO3溶液得以再生
解析 平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积,平衡常数中,分子为生成物,分母为反应物,所以该方程式为C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g),根据盖斯定律,①和②相加得此反应,ΔH=(a+b)kJ/mol ,因此,该反应的热化学方程式为 C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH=(a+b)kJ/mol ,根据化学方程式可知:K1=c2(CO)/c(CO2),K2=c(H2)·c(CO2)c(CO)·c(H2O),K3=c(CO)·c(H2)c(H2O),所以K3=K1·K2。
(2)①根据图中平衡时H2O(g)的物质的量分数随温度的降低而增大,可知该反应正反应为放热反应,K随温度降低而增大。②根据在密闭恒温(高于100 ℃)恒容装置中进行反应CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)可知混合气体密度不会改变,所以不能作为平衡的依据,故A错;由反应可知两边化学计量数不相等,混合气体压强不再改变标志达到平衡,故B正确;混合气体平均摩尔质量不再改变,M=m/n,说明n不再改变,则达到了平衡,故C正确;n(CO2)∶n(H2)=1∶2不符合化学平衡的定义,不能作为判断平衡的依据,故D错。③在密闭容器里全部由气体参与的反应中,平衡时气体压强之比=气体物质的量之比=气体物质的量浓度之比。根据200 ℃反应达到平衡时H2O(g)的物质的量分数,可知平衡时H2O(g)所占的压强为0.6p,根据化学方程式可知CH4所占的压强为0.3p,因此CO2和H2所占的压强为0.1p。根据初始投料比以及CO2和H2化学计量数之比可知达到平衡时,两者的物质的量之比也为1∶4,故平衡时CO2所占的压强为0.02p,H2所占的压强为0.08p,故可写出Kp的计算表达式为0.3p×(0.6p)20.02p×(0.08p)4。
(3)①由图示可知吸收池用的是K2CO3溶液,吸收CO2,离子方程式为CO32-+CO2+H2O 2HCO3-,根据电荷守恒知c(K+)+c(H+)=2c(CO32-)+c(HCO3-)+c(OH-)。
8.(2018陕西西安长安一中四检)工业上一般在恒容密闭容器中用H2和CO生产燃料甲醇,反应方程式为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH。
(1)下表所列数据是反应在不同温度下的化学平衡常数(K)。
温度/℃
250
300
350
K
2.041
0.270
0.012
①由表中数据判断ΔH 0(填“>”“=”或“<”)。
②某温度下,将2 mol CO和6 mol H2充入2 L的密闭容器中,充分反应后,达到平衡时测得c(CO)=0.2 mol/L,则CO的转化率为 ,此时的温度为 。
(2)在100 ℃、0.1 MPa条件下,容积为V L的某密闭容器中a mol CO与2a mol H2在催化剂作用下反应生成甲醇,达平衡时CO的转化率为50%,则100 ℃该反应的平衡常数K= (用含a、V的代数式表示并化简至最简单的形式)。此时保持温度、容积不变,再向容器中充入a mol CH3OH(g),平衡向 (填“正”或“逆”)反应方向移动,再次达到新平衡时,CO的体积分数 (填“减小”“增大”或“不变”)。
(3)要提高CO的转化率,可以采取的措施是 。
A.升温 B.加入催化剂
C.增加CO的浓度 D.恒容充入H2
E.恒压充入惰性气体 F.分离出甲醇
(4)判断反应达到平衡状态的依据是 。
A.生成CH3OH的速率与消耗CO的速率相等
B.混合气体的密度不变
C.混合气体的平均相对分子质量不变
D.CH3OH、CO、H2的浓度都不再发生变化
答案 (1)①< ②80% 250 ℃
(2)V2a2 逆 减小
(3)DF
(4)CD
解析 (1)①升高温度,平衡常数减小,即ΔH<0。
② CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)
始/mol 2 6 0
转/mol 1.6 3.2 1.6
平/mol 0.4 2.8 1.6
CO的转化率为1.6mol2mol×100%=80%;此温度下K=c(CH3OH)c(CO)·c2(H2)=0.80.2×1.42≈2.041,则此时的温度为250 ℃。
(2) CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)
始/mol a 2a 0
转/mol 0.5a a 0.5a
平/mol 0.5a a 0.5a
K=c(CH3OH)c(CO)·c2(H2)=0.5aV(aV)2×0.5aV=V2a2;恒温、恒容条件下,再充入a mol CH3OH,平衡逆向移动;充入a mol CH3OH,相当于又充入a mol CO、2a mol H2,相当于将原容器容积缩小一半,增大压强,平衡正向移动,CO的体积分数减小。
(3)升温,平衡逆向移动,CO转化率减小,A不正确;催化剂不影响平衡状态,B不正确;增加CO的浓度,平衡正向移动,H2转化率提高,CO转化率减小,C不正确;恒容充入H2,平衡正向移动,CO转化率提高,D正确;恒压充入惰性气体,容器体积变大,相当于给平衡体系减小压强,平衡逆向移动,CO转化率减小,E不正确;分离出甲醇,平衡正向移动,CO转化率提高,F正确。
(4)CH3OH的生成速率与CO的消耗速率均为正反应速率,A不正确;恒容条件下,反应物与生成物全部为气体的反应,密度为定值,B不正确;M=m总(气体)n总(气体),m总为定量,n总为变量,故M为变量,当混合气体的平均相对分子质量不变时,可判断该反应已达平衡状态,C正确;反应物、生成物的浓度在反应过程中均为变量,当CH3OH、CO、H2的浓度不再发生变化时,可判断该反应已达平衡状态,D正确。
B组 提升题组
9.(2018湖南五市十校联考)某温度下,在甲、乙、丙、丁四个恒容密闭容器中投入H2和I2,发生反应:H2(g)+I2(g) 2HI(g)。反应体系中各物质浓度的有关数据如下。
容器
起始浓度
平衡浓度
c(H2)/(mol·L-1)
c(I2)/(mol·L-1)
c(HI)/(mol·L-1)
甲
0.01
0.01
0.004
乙
0.01
0.02
a
丙
0.02
0.01
b
丁
0.02
0.02
c
下列判断不正确的是( )
A.HI的平衡浓度:a=b>0.004,c=0.008
B.平衡时,H2的转化率:丁>甲
C.平衡时,乙中H2的转化率大于20%
D.丙中条件下,该反应的平衡常数K=0.25
答案 B 甲、乙比较,乙中碘的浓度大,促进氢气的转化;甲、丙比较,丙中氢气浓度大,促进碘单质转化,乙、丙达到相同平衡状态,则HI的平衡浓度:a=b>0.004,反应前后气体体积不变,丙投料是甲的2倍,c=0.008,故A正确;甲、丁比较,起始物质的量为2倍关系,且物质的量之比等于化学计量数之比,增大压强平衡不移动,则平衡时,H2的转化率:甲=丁,故B错误;由甲中数据可知,甲中氢气转化率为0.002mol·L-10.01mol·L-1×100%=20%,但甲、乙比较,乙中碘的浓度大,促进氢气的转化,故C正确;甲、丙温度相同,K相同,结合表格中数据可知,K=(0.004)2/(0.01-0.002)2=0.25,故D正确。
10.甲醇是一种新型的汽车动力燃料,工业上可通过CO和H2化合来制备CH3OH(g)。已知某些化学键的键能数据如下表所示:
化学键
C—C
C—H
H—H
C—O
H—O
键能/kJ·mol-1
348
413
436
358
1 098
463
请回答下列问题:
(1)已知CO中的C与O之间为三键连接,则工业制备CH3OH(g)的热化学方程式为 。
(2)在恒温恒容时,下列说法中能表明上述反应达到平衡状态的有 。
A.CO的物质的量不再变化
B.v正(H2)=2v逆(CH3OH)
C.混合气体的密度不再变化
D.混合气体的平均相对分子质量不再变化
(3)某研究小组在初始投料量相同的条件下,分别在250 ℃、300 ℃及350 ℃模拟工业上通过CO与H2反应制备甲醇的实验,测得不同温度下CO的平衡转化率与压强的关系如图所示(A、B、C分别表示不同温度下的CO的平衡转化率曲线)。
①TC= ℃;KA (填“>”“=”或“<”)KB。
②实际生产时,通常选择温度为TA ℃、压强1.3×104 kPa左右,选择此压强的理由是 。
(4)常温下,利用甲醇燃料电池电解100 mL 0.1 mol·L-1食盐水,电解一段时间后,收集到氢气0.224 L(已换算成标准状况下,忽略电解前后溶液体积的变化)。
①电解后恢复至常温,U形管中溶液的pH= (忽略Cl2与NaOH的反应)。
②继续电解一段时间,将燃料电池中产生的0.1 mol CO2通入含有0.15 mol NaOH的溶液中,则所得溶液中所有离子的浓度由大到小的顺序为 。
答案 (1)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=
-90 kJ·mol-1
(2)ABD
(3)①350 > ②此压强下CO的转化率已经很高,再增大压强转化率提高不大且会增加生产成本
(4)①13 ②c(Na+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)
解析 (1)CO和H2合成CH3OH的化学方程式为CO+2H2CH3OH,所以该反应的反应热ΔH=E(键)+2E(H—H键)-3E(C—H键)-E(C—O键)-E(H—O键)=1 098 kJ·mol-1+2×436 kJ·mol-1-3×413 kJ·mol-1-358 kJ·mol-1-463 kJ·mol-1=-90 kJ·mol-1,所以该反应的热化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-90 kJ·mol-1。(2)C项,该反应的气体质量和容器的体积不变,所以混合气体的密度始终保持不变,故C项不符合题意。(3)①由于
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的正反应为放热反应,所以温度越高,CO的平衡转化率越低,即TAKB>KC。②由图像可知在TA ℃、压强为1.3×104 kPa时CO的平衡转化率已经很高,再增大压强CO的转化率提高不大,且会增加生产成本。(4)①电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑,n(NaCl)=0.1 L×0.1 mol·L-1=0.01 mol,所以可生成标准状况下V(H2)=n(NaCl)2×22.4 L· mol-1=0.112 L<0.224 L,则剩余的H2是由电解水得到的,所以n(NaOH) =n(NaCl) =0.01 mol,则c(NaOH)=0.01mol0.1 L=0.1 mol·L-1,U形管中溶液的pH=13。②CO2通入NaOH溶液中发生的反应依次为CO2+2NaOHNa2CO3+H2O、Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3,所以0.1 mol CO2与0.15 mol NaOH反应生成0.05 mol Na2CO3和0.05 mol NaHCO3,由于CO32-水解程度大于HCO3-的电离程度,所以c(Na+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)。
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