2020届高考化学二轮复习化学反应速率、平衡的综合计算课件（34张） 34页

化学反应速率、平衡的综合计算 专题 六 　 大题 题 空逐空突破 ( 七 ) 高考必备 1 1. 化学平衡常数 (1) 意义：化学平衡常数 K 表示反应进行的程度， K 越大，反应进行的程度越大。 K ＞ 10 5 时，可以认为该反应已经进行完全。 K 的大小只与温度有关。 (2) 化学平衡常数表达式：对于可逆化学反应 m A(g) ＋ n B(g) p C(g) ＋ q D(g) 在一定温 度下达到化学平衡时， K ＝ 。另可用压强平衡常数表示： K p ＝ [ p (C) 为平衡时气体 C 的分压 ] 。 (3) 依据化学方程式计算平衡常数 ① 同一可逆反应中， K 正 · K 逆 ＝ 1 。 ② 同一方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小 n 倍，则新平衡常数 K ′ 与原平衡常数 K 间的关系是 K ′ ＝ K n 或 K ′ ＝ 。 ③ 几个可逆反应方程式相加，得总方程式，则总反应的平衡常数等于各分步反应平衡常数之积。 2. 转化率、产率及分压的计算 分压＝总压 × 物质的量分数 3. 常用的气体定律 同温同体积： p ( 前 ) ∶ p ( 后 ) ＝ n ( 前 ) ∶ n ( 后 ) 1. (2019· 海南， 14) 由 γ- 羟基丁酸生成 γ- 丁内酯的反应如下：   在 298 K 下， γ- 羟基丁酸水溶液的初始浓度为 0.180 mol·L － 1 ，测得 γ- 丁内酯的浓度随时间变化的数据如表所示。回答下列问题： 真题演练 2 1 2 3 4 (1) 该反应在 50 ～ 80 min 内的平均反应速率为 ________mol·L － 1 ·min － 1 。 (2)120 min 时 γ- 羟基丁酸的转化率为 ________ 。 t /min 21 50 80 100 120 160 220 ∞ c /mol·L － 1 0.024 0.050 0.071 0.081 0.090 0.104 0.116 0.132 0.000 7 0.5(50%) 5 1 2 3 4 (3)298 K 时该反应的平衡常数 K ＝ ___ 。 (4) 为提高 γ- 羟基丁酸的平衡转化率，除适当控制反应温度外，还可采取的措施是 _______________ 。 t /min 21 50 80 100 120 160 220 ∞ c /mol·L － 1 0.024 0.050 0.071 0.081 0.090 0.104 0.116 0.132 将 γ- 丁内酯移走 5 2. [2019· 全国卷 Ⅰ ， 28(1)(2)(4)] 水煤气变换 [CO(g) ＋ H 2 O(g) == = CO 2 (g) ＋ H 2 (g) 　 Δ H <0] 重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题： (1)Shibata 曾做过下列实验： ① 使纯 H 2 缓慢地通过处于 721 ℃ 下的过量氧化钴 CoO(s) ，氧化钴部分被还原为金属钴 Co(s) ，平衡后气体中 H 2 的物质的量分数为 0.025 0 。 ② 在同一温度下用 CO 还原 CoO(s) ，平衡后气体中 CO 的物质的量分数为 0.019 2 。 根据上述实验结果判断，还原 CoO(s) 为 Co(s) 的倾向是 CO______H 2 ( 填 “ 大于 ” 或 “ 小于 ” ) 。 1 2 3 4 大于 5 1 2 3 4 相同温度下，平衡常数越大，反应倾向越大，故 CO 还原氧化钴的倾向大于 H 2 。 5 (2)721 ℃ 时，在密闭容器中将等物质的量的 CO(g) 和 H 2 O(g) 混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中 H 2 的物质的量分数为 ___( 填标号 ) 。 A.<0.25 B.0.25 C.0.25 ～ 0.50 D.0.50 E.>0.50 1 2 3 4 C 5 1 2 3 4 解析　 实验 ① 和 ② 的温度相同，利用盖斯定律，由 (ii) － (i) 得 CO(g) ＋ H 2 O(g)  CO 2 (g) ＋ H 2 (g) 　 ≈ 1.31 。设起始时 CO(g) 、 H 2 O(g) 的物质的量都为 1 mol ，容器 体积为 1 L ，在 721 ℃ 下，反应达平衡时 H 2 的物质的量为 x mol 。 　　　　 CO(g) ＋ H 2 O(g)  H 2 (g) ＋ CO 2 (g) 起始 /mol 1 　　　 1 　　　 0 　 0 转化 /mol x 　　 x 　　　 x 　　　 x 平衡 /mol 1 － x 　 1 － x 　　 x 　　 x K ＝ ＝ 1.31 ，若 K 取 1 ，则 x ＝ 0.5 ， φ (H 2 ) ＝ 0.25 ；若 K 取 4 ，则 x ≈ 0.67 ， φ (H 2 ) ≈ 0.34 。氢气的物质的量分数介于 0.25 与 0.34 之间，故选 C 。 5 (4)Shoichi 研究了 467 ℃ 、 489 ℃ 时水煤气变换中 CO 和 H 2 分压随时间变化关系 ( 如图所示 ) ，催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的 和 p CO 相等、 和 相等。 计算曲线 a 的反应在 30 ～ 90 min 内的平均速率 (a) ＝ ________kPa·min － 1 。 467 ℃ 时 和 p CO 随时间变化关系的曲线分别是 ____ 、 ____ 。 489 ℃ 时 和 p CO 随时间变化关系的曲线分别是 _____ 、 _____ 。 1 2 3 4 0.004 7 b c a d 5 1 2 3 4 水煤气变换中 CO 是反应物， H 2 是产物，又该反应是放热反应，升高温度，平衡向左移动，重新达到平衡时， H 2 的压强减小， CO 的压强增大。故 a 曲线代表 489 ℃ 时 随时间变化关系的曲线， d 曲线代表 489 ℃ 时 p CO 随时间变化关系的曲线， b 曲线代表 467 ℃ 时 随时间变化关系的曲线， c 曲线代表 467 ℃ 时 p CO 随时间变化关系的曲线。 5 3. [2019· 全国卷 Ⅱ ， 27(2)(3) 改编 ] 环戊二烯 ( ) 是重要的有机化工原料，广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题： (2) 某温度，等物质的量的碘和环戊烯 ( ) 在刚性容器内发生反应 ③ ( (g) ＋ I 2 (g) == = (g) ＋ 2HI(g) 　 Δ H ＝ 89.3 kJ·mol － 1 ) ，起始总压为 10 5 Pa ，平衡时总压增加了 20% ，环戊烯的转化率为 _____ ，该反应的平衡常数 K p ＝ ________Pa 。达到平衡后，欲增加环戊烯的平衡转化率，可采取的措施有 ____( 填标号 ) 。 A. 通入惰性气体 B. 提高温度 C. 增加环戊烯浓度 D. 增加碘浓度 1 2 3 4 40% 3.56 × 10 4 BD 5 解析　 设容器中起始加入 I 2 (g) 和环戊烯的物质的量均为 a ，平衡时转化的环戊烯的物质的量为 x ，列出三段式： (g) 　＋　 I 2 (g) == = (g) ＋ 2HI(g) 起始： a a 　 0 　 0 转化： x x 　 x 　 2 x 平衡： a － x a － x 　 x 　 2 x 1 2 3 4 5 通入惰性气体，对反应 ③ 的平衡无影响， A 项不符合题意； 反应 ③ 为吸热反应，提高温度，平衡正向移动，可提高环戊烯的平衡转化率， B 项符合题意； 增加环戊烯浓度，能提高 I 2 (g) 的平衡转化率，但环戊烯的平衡转化率降低， C 项不符合题意； 增加 I 2 (g) 的浓度，能提高环戊烯的平衡转化率， D 项符合题意。 根据 p 总 ＝ 1.2 × 10 5 Pa ，可得 K p ＝ × 1.2 × 10 5 Pa ≈ 3.56 × 10 4 Pa 。 1 2 3 4 5 (3) 环戊二烯容易发生聚合生成二聚体，该反应为可逆反应。不同温度下，溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示，下列说法正确的是 ____( 填标号 ) 。 A. T 1 > T 2 B.a 点的反应速率小于 c 点的反应速率 C.a 点的正反应速率大于 b 点的逆反应速率 D.b 点时二聚体的浓度为 0.45 mol·L － 1 1 2 3 4 CD 5 解析　 由相同时间内，环戊二烯浓度减小量越大，反应速率越快可知， T 1 < T 2 ， A 项错误； a 点和 b 点温度相同， a 点时环戊二烯的浓度大于 b 点时环戊二烯的浓度，即 a 点的正反应速率大于 b 点的正反应速率，因为 b 点时反应未达到平衡， b 点的正反应速率大于逆反应速率，故 a 点的正反应速率大于 b 点的逆反应速率， C 项正确； 1 2 3 4 b 点时，环戊二烯的浓度减 小 0.9 mol·L － 1 ，结合生成的二聚体浓度为环戊二烯浓度变化量的 ，可知二聚体的浓度为 0.45 mol·L － 1 ， D 项正确。 5 4. [2018· 全国卷 Ⅱ ， 27(1) 节选 ] 对于 CH 4 —CO 2 催化重整反应为 CH 4 (g) ＋ CO 2 (g) == =2CO(g) ＋ 2H 2 (g) 　 Δ H ＝＋ 247 kJ·mol － 1 ，某温度下，在体积为 2 L 的容器中加入 2 mol CH 4 、 1 mol CO 2 以及催化剂进行重整反应，达到平衡时 CO 2 的转化率是 50% ，其平衡常数为 ____mol 2 ·L － 2 。 1 2 3 4 解析　 　 CH 4 (g) ＋ CO 2 (g) == =2CO(g) ＋ 2H 2 (g) 起始浓度 /mol·L － 1 　　 1 　　　 0.5 　　　 0 　　　 0 转化浓度 /mol·L － 1 0.25 0.25 0.5 0.5 平衡浓度 /mol·L － 1 0.75 0.25 0.5 0.5 5 5. [2018· 全国卷 Ⅰ ， 28(2) ④ ] F.Daniels 等曾利用测压法在刚性反应器中研究了 25 ℃ 时 N 2 O 5 (g) 分解反应： 1 2 3 4 其中 NO 2 二聚为 N 2 O 4 的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强 p 随时间 t 的变化如表所示 [ t ＝ ∞ 时， N 2 O 5 (g) 完全分解 ] ： t /min 0 40 80 160 260 1 300 1 700 ∞ p /kPa 35.8 40.3 42.5 45.9 49.2 61.2 62.3 63.1 25 ℃ 时 N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) 反应的平衡常数 K p ＝ ____kPa( K p 为以分压表示的平衡常数，计算结果保留 1 位小数 ) 。 13.4 5 1 2 3 4 解析　 时间无限长时 N 2 O 5 完全分解，故由 2N 2 O 5 (g) == =4NO 2 (g) ＋ O 2 (g) 知，此时生成的 ＝ 2 ＝ 2 × 35.8 kPa ＝ 71.6 kPa ， ＝ 0.5 × 35.8 kPa ＝ 17.9 kPa 。由题意知，平 衡时体系的总压强为 63.1 kPa ，则平衡体系中 NO 2 、 N 2 O 4 的压强和为 63.1 kPa － 17.9 kPa ＝ 45.2 kPa ，设 N 2 O 4 的压强为 x kPa ，则 N 2 O 4 (g)  2NO 2 (g) 初始压强 /kPa 0 71.6 转化压强 /kPa x 2 x 平衡压强 /kPa x 71.6 － 2 x 5 ( 一 ) 连续反应、竞争反应平衡常数的计算 1. 加热 N 2 O 5 依次发生的分解反应为： ① N 2 O 5 (g) N 2 O 3 (g) ＋ O 2 (g) ， ② N 2 O 3 (g) N 2 O(g) ＋ O 2 (g) 。在容积为 2 L 的密闭容器中充入 8 mol N 2 O 5 ，加热到 t ℃ ，达到平衡状态后 O 2 为 9 mol ， N 2 O 3 为 3.4 mol 。则 t ℃ 时反应 ① 的平衡常数为 A.10.7 B.8.5 C.9.6 D.10.2 模拟预测 3 1 2 √ 4 5 3 1 2 解析　 设 N 2 O 5 的转化浓度为 x ， N 2 O 3 的转化浓度为 y 。 　　　　　　 N 2 O 5 (g)  N 2 O 3 (g) ＋ O 2 (g) 开始 /mol·L － 1 4 0 0 转化 /mol·L － 1 x x x 平衡 /mol·L － 1 4 － x x x 　　　　　　 N 2 O 3 (g)  N 2 O(g) ＋ O 2 (g) 开始 /mol·L － 1 x 0 x 转化 /mol·L － 1 y y y 平衡 /mol·L － 1 x － y y x ＋ y 4 5 3 1 2 所以 x ＝ 3.1 mol·L － 1 y ＝ 1.4 mol·L － 1 4 5 3 反应 Ⅰ ： CO 2 (g) ＋ 4H 2 (g) CH 4 (g) ＋ 2H 2 O(g) 反应 Ⅱ ： 2CO 2 (g) ＋ 6H 2 (g) C 2 H 4 (g) ＋ 4H 2 O(g) 为分析催化剂对反应的选择性，在 1 L 密闭容器中充入 2 mol CO 2 和 4 mol H 2 ，测得有关物质的物质的量随温度变化如图所示： 该催化剂在较低温度时主要选择 ______( 填 “ 反应 Ⅰ” 或 “ 反应 Ⅱ” ) 。 520 ℃ 时，反应 Ⅰ 的平衡常数 K ＝ _________( 只列算式不计算 ) 。 1 2 2.CO 2 经催化加氢可以生成低碳烃，主要有以下两个竞争反应： 反应 Ⅰ 4 5 3 　　　　　 CO 2 (g) ＋ 4H 2 (g)  CH 4 (g) ＋ 2H 2 O(g) 转化 ( mol·L － 1 ) 0.2 0.8 0.2 0.4 　　　　　 2CO 2 ＋ 6H 2  C 2 H 4 (g) ＋ 4H 2 O(g) 转化 ( mol·L － 1 ) 0.4 1.2 0.2 0.8 c (CO 2 ) ＝ (2 － 0.2 － 0.4)mol·L － 1 ＝ 1.4 mol·L － 1 c (H 2 ) ＝ (4 － 0.8 － 1.2)mol·L － 1 ＝ 2 mol·L － 1 c (H 2 O) ＝ (0.4 ＋ 0.8)mol·L － 1 ＝ 1.2 mol·L － 1 1 2 解析　 温度较低时， CH 4 的物质的量多，所以该催化剂在较低温度时主要选择反应 Ⅰ 。 4 5 3 ( 二 ) 分压平衡常数的计算 3. 如 图为丙烷直接脱氢法中丙烷和丙烯的平衡体积分数与温度、压强的关系 ( 图中的压强分别为 10 4 Pa 和 10 5 Pa) 。 ( 已知：丙烷脱氢制丙烯为强吸热过程 ) (1)10 4 Pa 时，图中表示丙烯的曲线是 ___( 填 “ ⅰ ”“ ⅱ ”“ ⅲ ” 或 “ ⅳ ” ) 。 1 2 解析　 丙烷脱氢制丙烯为气体体积增大的反应，增大压强，平衡向逆反应方向移动，丙烯的平衡体积分数减小；该反应为吸热反应，温度升高，平衡向正反应方向移动，故曲线 ⅰ 代表 10 4 Pa 时丙烯的平衡体积分数。 ⅰ 4 5 3 (2)10 4 Pa 、 500 ℃ 时，主反应用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数 K p ＝ ________( 已知：气体分压＝气体总压 × 体积分数 ) 。 1 2 3.3 × 10 3 4 5 3 解析　 10 4 Pa 、 500 ℃ 时，丙烯的平衡体积 分数为 33% ，设起始丙烷为 1 mol ，转化率 为 x ，由题意建立如下三段式： 　　　　 C 3 H 8 (g)  C 3 H 6 (g) ＋ H 2 (g) 起 (mol) 1 0 0 变 (mol) x x x 平 (mol) 1 － x x x 1 2 4 5 3 1 2 4 5 3 4. 用测压法在刚性密闭容器中研究 T ℃ 时 4NO(g) N 2 (g) ＋ 2NO 2 (g) 的分解反应，现将一定量的 NO 充入该密闭容器中，测得体系的总压强随时间的变化如表所示： 1 2 反应时间 /min 0 10 20 30 40 压强 /MPa 15.00 14.02 13.20 12.50 12.50 (1)20 min 时， NO 的转化率 α ＝ ____% 。 48 4 5 3 解析　 在一定条件下 ，压强之比等于物质的量之比，因此可以直接用压强代替物质的量计算。 　　　　　　　 4NO(g)  N 2 (g) ＋ 2NO 2 (g) 开始的压强 /MPa 15 0 0 转化的压强 /MPa 4 x x 2 x 平衡的压强 /MPa 15 － 4 x x 2 x 1 2 4 5 3 (2) T ℃ 时， 4NO(g) N 2 (g) ＋ 2NO 2 (g) 反应的平衡常数 K p ＝ ____( K p 为以分压表示的平衡常数 ) 。 1 2 反应时间 /min 0 10 20 30 40 压强 /MPa 15.00 14.02 13.20 12.50 12.50 0.1 4 5 3 5. 在温度 T 下，容积固定的密闭容器中充入 3 mol NO 和 2 mol H 2 发生 2H 2 (g) ＋ 2NO(g) == =N 2 (g) ＋ 2H 2 O(g) ，起始压强为 p 0 ，一段时间后，反应达到平衡，此时压强 p ＝ 0.9 p 0 ，则 NO 的平衡转化率 α (NO) ＝ _______( 结果保留三位有效数字 ) ，该反应的平 衡常数 K p ＝ _____( 用含 p 的代数式表示， K p 为以分压表示的平衡常数，且某气体的分压＝总压 × 该气体的物质的量分数 ) 。 1 2 3 33.3% 4 5 解析　 根据题意可列出三段式： 　　　 2H 2 (g) ＋ 2NO(g) == =N 2 (g) ＋ 2H 2 O(g) 起始 /mol: 2 3 0 0 转化 /mol: 2 x 2 x x 2 x 平衡 /mol: 2 － 2 x 3 － 2 x x 2 x 1 2 3 4 5