2021版高考化学一轮复习核心素养测评二十六化学平衡常数化学反应进行的方向含解析新人教版 17页

化学平衡常数　化学反应进行的方向 一、选择题(本题包括4小题，每题8分，共32分)‎ ‎1.(双选)(2020·青岛模拟改编)下列说法中正确的是 (　　)‎ A.生成物的总能量大于反应物的总能量时，ΔH<0‎ B.已知反应H2(g)+I2(g)2HI(g)的平衡常数为K，则2H2(g)+2I2(g)4HI(g)的平衡常数为K2‎ C.ΔH<0、ΔS>0的反应在温度低时不能自发进行 D.在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，不能改变化学反应进行的方向 ‎【解析】选B、D。ΔH=生成物总能量-反应物总能量，当生成物的总能量大于反应物的总能量时，ΔH>0，A项错误；因为相同温度下，化学计量数变为原来的n倍，则化学平衡常数为原来的n次方，所以反应2H2(g)+2I2(g)4HI(g)的平衡常数为K2，B项正确；根据ΔG=ΔH-TΔS判断，对于ΔH<0、ΔS>0的反应，在温度低时Δ G<0，反应能自发进行，C项错误；催化剂只改变反应速率，不改变化学反应进行的方向，D项正确。‎ ‎2.(2020·武汉模拟)已知可逆反应3X(g)+2Y(s)nC(g)　ΔH。若p1T2>T3)，SiHCl3的平衡转化率增大，说明正反应是吸热反应，A错误；增大氢气的浓度可提高SiHCl3的平衡转化率，B正确；因正反应是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，反应的平衡常数增大，C错误；增大压强，平衡逆向移动，SiHCl3的平衡转化率降低，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=‎ - 17 -‎ ‎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。‎ - 17 -‎ ‎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。‎ - 17 -‎ ‎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：‎ - 17 -‎ ‎(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)。 ‎ - 17 -‎ ‎【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B、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】‎ ‎　　煤气化是综合利用煤的一种方式，由于气体燃料燃烧更加洁净，从而能更好地去除硫等污染物，并且气体燃烧的效率比固体要高，气体容易通过管道运输。煤气化的一种方法是在气化炉中给煤炭加氢，发生的主要反应为C(s)+2H2(g)CH4(g)。在V L的容器中投入a mol碳(足量)，同时通入2a mol H2，控制条件使其发生上述反应，实验测得碳的平衡转化率随压强及温度的变化关系如图所示。下列说法正确的是 (　　)‎ - 17 -‎ A.上述正反应为吸热反应 B.在4 MPa、1 200 K时，图中X点v正(H2)”或“<”)。 ‎ ‎348 K时，以物质的量分数表示的化学平衡常数Kx=________(保留2位有效数字)。 ‎ 在曲线①、②、③中，k正-k逆值最大的曲线是________；A、B、C、D四点中，‎ v正最大的是_____________， v逆最大的是__________________。 ‎ ‎(2)343 K时，己醇和乙酸甲酯按物质的量之比1∶1、1∶2和2∶1进行初始投料。则达到平衡后，初始投料比________时，乙酸甲酯转化率最大；与按1∶2投料相比，按2∶1投料时化学平衡常数Kx________(填“增大”“减小”或“不变”)。 ‎ ‎(3)该醇解反应使用离子交换树脂作催化剂，下列关于该催化剂的说法正确的是________。 ‎ a.参与了醇解反应，但并不改变反应历程 b.使k正和k逆增大相同倍数 c.降低了醇解反应的活化能 d.提高乙酸甲酯的平衡转化率 ‎【解析】(1)根据图象，①的速率最快，说明①对应的是最高温度348 K，温度升高，平衡时转化率增大，说明正向是吸热的，所以ΔH>0。348 K时，设初始投入为1 mol，则有：‎ - 17 -‎ 代入平衡常数表达式：Kx=x(CH3COOC6H13)·x(CH3OH)/[x(CH3COOCH3)·x(C6H13OH)] =0.32×0.32/(0.18×0.18)≈3.2‎ k正、k逆是温度的函数，根据平衡移动的规律，k正受温度影响更大，因此温度升高，k正增大的程度大于k逆，因此，k正-k逆值最大的曲线是①。根据v正=k正 x(CH3COOCH3)·x(C6H13OH)，v逆=k逆x(CH3COOC6H13)·x(CH3OH)，A点 x(CH3COOCH3)·x(C6H13OH)大，温度高，因此A点v正最大，C点x(CH3COOC6H13)·‎ x(CH3OH)大且温度高，因此C点v逆最大。‎ ‎(2)增大己醇的投入量，可以增大乙酸甲酯转化率，因此，2∶1时乙酸甲酯转化率最大。化学平衡常数Kx只与温度有关，因此不变。‎ ‎(3)催化剂参与了醇解反应，改变了反应历程，a错误；催化剂不影响化学平衡，说明催化剂使k正和k逆增大相同倍数，b正确；催化剂能够降低反应的活化能，c正确；催化剂不改变化学平衡，d错误。‎ 答案：(1)>　3.2　①　A　C ‎(2)2∶1　不变　(3)bc ‎【加固训练】‎ ‎　　(2020·遵义模拟)在1.0 L密闭容器中放入0.10 mol A(g)，在一定温度条件下进行如下反应：‎ A(g)B(g)+C(g) ΔH=+85.1 kJ·mol-1。‎ 反应时间(t)与容器内气体总压强(p)的数据见下表：‎ 时间t/h ‎0‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎4‎ ‎8‎ ‎16‎ ‎20‎ ‎25‎ ‎30‎ 总压强p ‎/100kPa ‎4.91‎ ‎5.58‎ ‎6.32‎ ‎7.31‎ ‎8.54‎ ‎9.50‎ ‎9.52‎ ‎9.53‎ ‎9.53‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)欲提高A的平衡转化率，应采取的措施为___________(答出两项措施)。 ‎ - 17 -‎ ‎(2)由总压强p和起始压强p0计算反应物A的转化率α(A)的表达式为______________，平衡时A的转化率为________，列式并计算反应的平衡常数 ‎ K：_________________。 ‎ ‎(3)①由总压强p和起始压强p0表示反应体系的总物质的量n总和反应物A的物质的量n(A)，n总=________mol，n(A)=________mol。 ‎ ‎②下表为反应物A浓度与反应时间的数据，计算：‎ a=________。 ‎ 反应时间t/h ‎0‎ ‎4‎ ‎8‎ ‎16‎ c(A)/(mol·L-1)‎ ‎0.10‎ a ‎0.026‎ ‎0.006 5‎ 分析该反应中反应物的浓度c(A)变化与时间间隔(Δt)的规律，得出的结论是_________________， 由此规律推出反应在12 h时反应物的浓度c(A)为________mol·L-1。 ‎ ‎【解析】(2)压强之比等于气体的物质的量之比，依据三段式进行求解：‎ ‎　　 　A(g)　 　　B(g)　+　C(g)‎ 始态： p0 0 0‎ 反应： p0·α(A) p0·α(A) p0·α(A)‎ 终态： p0-p0·α(A) p0·α(A) p0·α(A)‎ p=p0-p0·α(A)+p0·α(A)+p0·α(A)=p0+p0·α(A)，求得α(A)=(-1)×100%；25 h时反应已平衡，α(A)=(-1)×100%≈94.1%；依据三段式进行求解：‎ ‎　　　　　　　A(g)　　　　B(g)　　+　　C(g)‎ 始态/ (mol·L-1) 0.10 0 0‎ 反应/ (mol·L-1) 0.094 1 0.094 1 0.094 1‎ 平衡态/ (mol·L-1) 0.10-0.094 1 0.094 1 0.094 1‎ - 17 -‎ K=≈1.5。‎ ‎(3)①依据=可得n总=×0.1 mol；n(A)=0.1 mol×[1-α(A)]=0.1 mol×[1-(-1)]=0.1 mol×(2-)；②n(A)=0.1 mol×(2-)=0.1 mol×(2-)≈0.051 mol，体积为1 L，a=0.051；0～4 h时浓度大约变为0 h时的，4～‎ ‎8 h浓度又变为4 h时的，从8～16 h经过8个小时浓度变为8 h的，所以每经过4个小时浓度均降低为原来的。‎ 答案：(1)升高温度；降低压强 ‎(2)(-1)×100%　94.1%‎ ‎　　　A(g)　　　　 B(g)　　+　 C(g)‎ 起始 0.10 0 0‎ 平衡 0.10×(1-94.1%) 0.10×94.1% 0.10×94.1%‎ K=≈1.5‎ ‎(3)①0.10×　0.10×(2-)‎ ‎ ②0.051　达到平衡前每间隔4 h，c(A)减少约一半　0.013‎ ‎4.(16分)(2020·南昌模拟)硫酸是基础化工的重要产品，硫酸的消费量可作为衡量一个国家工业发展水平的标志。生产硫酸的主要反应为SO2(g)+O2(g)SO3(g)。 ‎ - 17 -‎ ‎(1)恒温恒容下，平衡体系中SO3的体积分数φ(SO3)和y与SO2、O2的物质的量之比[n(SO2)/n(O2)]的关系如图1，则b点n(SO2)/n(O2)=________；y为________(填字母)。 ‎ A.平衡常数 B.SO3的平衡产率 C.O2的平衡转化率 D.SO2的平衡转化率 ‎(2)Kp是以各气体平衡分压代替浓度平衡常数Kc中各气体的浓度的平衡常数。在400～650 ℃时，Kp与温度T(K)的关系为lg Kp=-4.645 5，则在此条件下SO2转化为SO3反应的ΔH________(填“>0”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)。 ‎ - 17 -‎ ‎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。‎ - 17 -‎ ‎(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 - 17 -‎