高中化学学业水平考试7.3化学平衡常数学案.pdf

化学平衡常数1.了解化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。2.了解化学反应的方向与化学反应的焰变与熠变的关系。3.掌握化学反应在一定条件下能否自发进行的判断依据，能够利用化学反应的焰变和燧 变判断化学反应的方向。考点一化学平衡常数1知识梳理1.化学平衡常数的定义在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物 与反应物的比值是一个常数，用符号表示。2.表达式对于反应加(g)+B(g)-fC(g)+qD(g),K=(固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。3.意义及影响因素(1)/值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。(2)只受 影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。(4)平衡常数与反应方程式的关系在相同温度下，对于给定的可逆反应，正逆反应的平衡常数互为倒数，即(正=9。方程式乘以某个系数X,则平衡常数变为原来的X次方。两方程式相加得总方程式，则总方程式的平衡常数等于两分方程式平衡常数的乘积，即总=4 K2O4.常见应用(1)判断正在进行的可逆反应是否达到平衡或反应进行的方向对于可逆反应：nA(g)+/7B(g)w质(g)+qD(g),若浓度商.=；：,号)则将 C(A)C Cd)浓度商和平衡常数作比较可判断可逆反应所处的状态。-1-QcD逆 Qc=K：反应处于化学平衡状态，正=已逆长：反应向逆反应方向进行，3正 0平衡常数为人；反应0+03M 2。2 bHVO平衡常数为4；总反应：2030 3。2 bH S(l)S(s)AS 0的反应，有自发进行的倾向，AS vO的反应，有些也能自发进行,故该判据也不全面(结判据()(嫡判毓(AS)_S_复合判据(AG=A7AS)0、AH-T AS_0,反应非自发进行 H-TXS=O,处于平衡状态XH-TAS 0,反应自会行判断(正确的打“J”，错误的打X”)高温(1)CaC03(s)=CaO(s)+C02(g)是一个燧增加的过程()(2)水0,AS O的反应，一定是自发反应()(3)吸热且端增加的反应，当温度升高时，反应一定能自发进行()(4)凡是放热反应都是自发的，吸热反应都是非自发的()(5)-10 的水结成冰，可用燃变的判据来解释反应的自发性()(6)Na与也0的反应是牖增的放热反应，该反应能自发进行()(7)2N0(g)+2C0(g)=N2(g)+2C02(g)在常温下能自发进行，则该反应的0()-8-(8)反应N&(g)+HC1(g)=NH4C1(s)在室温下可自发进行，该反应的 S 03(g)=-98kJ-m ol，回答下列问题：(1)机催化剂参与反应的能量变化如图(a)所示，V2O5(s)与S 02(g)反应生成VOS。”(s)和 V204(s)的 热 化 学 方 程 式 为V2O4(s)+S O3(g)I a/72=-24 kJ m of,萼+S O3(g)V2Os(s)+S O2(g)A/71=-399 kJ-m ol-1 Vyoso/s)反应过程(2)当S O2(g)、02(g)和/(g)起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时，在0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa压强下，S O2平衡转化率a随温度的变化如图(b)所示。反 应在5.0 MPa、550时的a=,判断的依据是影响a的因素有(3)将组成(物质的量分数)为2成)S 02(g)、跳02(g)和冰N2(g)的气体通入反 应器，在温度t、压强P条件下进行反应。平衡时，若S O2转化率为a,则S O3压强为，平衡常数4=(以分压表示，分压=总压义物质的量分数)。(4)研究表明，S O2催化氧化的反应速率方程为:-12-v=k I)0-2 *8(172a)a2.2020 全国卷III,28二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO?的热点研究领域。回答下列问题：(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中，产物的物质的量之比(C2Ht)：n(H20)=0当反应达到平衡时，若增大压强，则n(C2H,)(填“变大”“变小”或“不变”)。(2)理论计算表明，原料初始组成(CO?):n(H2)=1：3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时，四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。式中：A为反应速率常数，随温度%升高而增大；a为S 0?平衡转化率，a为某时刻 S O2转化率，为常数。在a=0.90时，将一系列温度下的A、a值代入上述速率方程，得 到。曲线，如图(c)所示。反应速率”420 460 500 540 580七图(c)曲线上了最大值所对应温度称为该a 下反应的最适宜温度*K&.时，“逐渐提高；力与 后，”逐 渐 下 降。原 因 是-13-图中，表示C2H八C02变化的曲线分别是、O C02催化加氢合成C2%反 应的 0(填“大于”或“小于”)。(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数4=(MPa)7(列出计算式。以分压表示，分压=总压X物质的量分数)。(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成C3H6、C3H8、C风等低碳燃。一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和乙烯选择性，应当3.2019 全国卷 I,28水煤气变换CO(g)+H20(g)=C02(g)+H2(g)是重要 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)S hib ata曾做过下列实验：使纯比缓慢地通过处于721 下的过量氧化钻CoO(s),氧化钻部分被还原为金属钻Co(s),平衡后气体中同的物质的量分数为0.025 0o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 2O根据上述实验结果判断，还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO H2(填“大于”或“小于”)。(2)721 时，在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和乩。(g)混合，采用适当的 催化剂进行反应，则平衡时体系中同的物质的量分数为(填标号)。A.0.50-14-(3)我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注。O该历程中最大31.25_一-O.*of+x土00)6。.HO+X7.+HOO。过渡态2OH+X+HOO。(gH+x+,HCK.O。过渡态1(3OX+OX+.O。6)OZHr+&)o。0(填“大于”“等于”或“2 1 0-1 Aews女提可知水煤气变换的(3OF 为)x+0g能垒(活化能)正=eV,写出该步骤的化学方程式(4)S hoic hi研究了 467、489 时水煤气变换中CO和比分压随时间变化关系(如 下图所示)，催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的山。和外相等、区。2和项2相等。4.84.44.03.63.2 Z82.01.61.20.80 60 120 180 240 300 360r/m in计算曲线a的反应在3090 m in内的平均速率。(a)=kPa,m in-1o 46 7 c时加2和小随时间变化关系的曲线分别是、。489 时闭2和R。随时间变化关系的曲线分别是、o4.2018 全国卷H,27CHqC(催化重整不仅可以得到合成气(C0和比)，还对温室 气体的减排具有重要意义，回答下列问题：(1)C%C02催化重整反应为：CH4(g)+C02(g)=2C0(g)+2H2(g)o已知：C(s)+2H2(g)=CH1(g)=75 kJ,m ol-1C(s)+02(g)z=CC)2(g)A=-394 kJ m oP1C(s)+4)2(g)=C0(g)AH=-111 kJ-m ol-1该催化重整反应的仁 kJ-m oP1,有利于提高CH平衡转化率的条件是-15-（填标号）。A.高温低压 B.低温高压C.同温向压 D.低温低压某温度下，在体积为2 L的容器中加入2 m ol CH4.1 m ol CO2以及催化剂进行重整反应,达到平衡时CO2的转化率是50%,其平衡常数为 m ol2-L-%（2）反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少，相关数据如下表：积碳反应CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反应CO2(g)+C(s)-2CO(g)H/(kJ-mo l-1)75172活化能/(kJ,mo l-1)催化剂X3391催化剂Y4372由上表判断，催化剂X Y（填“优于”或“劣于”），理由是,在反应进料气组成，压强及反应时间相同的情况下,某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图1所示，碳反应的平衡常数（芯）和速率（/）的叙述正确的是12|I-白/二 I：S：F=i:500 550 600 650 700温度/七图1A.一积、/消均增加B.v积减小、v消增加升高温度时，下列关于积碳反应，消_（填标号）。0 4 8 12 16反应时间/min图2C.芯积减小、C消增加D./消增加的倍数比v枳增加的倍数大-16-在一定温度下，测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为=k-p(CH4)p(c oz)5(A为速率常数)。在夕(CHJ 一定时，不同夕(CO2)下积碳量随 时间的变化趋势如图2所示，则区(C02)a(CO2)、Pc(C02)从大到小的顺序 为 o-17-第3讲 化学平衡常数 考点一1知识梳理1.浓度事之积浓度基之积K 犬.。)3.温度4.(2)吸热放热放热吸热思考1.答案：=2解析：民及=鬻翳畀，笔结合 喘，可知所=。c(H2)c(C。)K2答案：a.4=c(C02)c(CO)b.K1K2判断答案：义(2)x(3)x(4)X(5)x(6)V(7)X(8)X2对点速练1.解析：A项，降温，总反应平衡右移，4增大，错误；B项，警、K=c，(取0)常数和计算式可知3时的平衡常数比2时的大，错误；C项，由图像可知在7；温度下反应先 达到平衡，反应速率较力快，则有几从图像的纵坐标分析可得温度降低，平衡向正反应 方向移动，则正反应为放热反应，错误；D项，处于A点的反应体系从7；变到7；的过程中，平衡向逆反应方向移动，则c(H,)增大，而c(CH3()H)减小，达到平衡时力念应该增大，正确。答案：D3.答案：(1)V MA)(2)见下图-18-温度相同的条件下，增大压强，平衡右移，。增大，因此曲线应在原曲线上方(3)BD4解析:(3)某温度各物质的平衡浓度有如F关系3c(CO?)c(H2)=5c(C0)-c(H2O),根据平衡常数表达式仁磊喘可知,-3/5=0.6,平衡常数只与温度有关，温度一定,平衡常数为定值，所以此时对应的温度为700 0(6)120。时4=喏*,将各物质的浓度代入可得Q=4,而此温度下的平衡常数 为2.6,即Q，所以平衡向逆反应方向移动。答案：(1)c(CO)/(电0)c(C02)-c(H2)(2)吸热(3)700(4)等于不(6)逆反应方向5.解析：因为C()2(g)+3H2(g)CH30H(g)+H20(g),平衡常数K的表达式为人蜉鬻；因为C0和比的标准燃烧热分别为一283.0 kJ-m o。和一285.8 kJ m olT,可 CCO)-L(电)得下列热化学方程式：CO(g)+l/2O2(g)=CO2(g)=283.0 kJ-m oLH2(g)+l/202(g)=H20(l)=285.8 kJ m ol_1又同03)=同0(1)=44.0 kJ-m ol_1根据盖斯定律，由一一得：C02(g)+H2(g)C0(g)+H20(g)/=+41.2 kJ-m ol-1(2)根据可逆反应：C02(g)+3H2(g)CH30H(g)+H20(g),使用催化剂不能使平衡发生移动，即不能提高平衡转化率，A、B错误；该反应为放热反应，降低温度平衡正向移动，平 衡转化率提高，C项正确；投料比不变，增加反应物浓度，相当于增大压强，平衡正向移动，平衡转化率提高，D项正确；增大二氧化碳和氢气的初始投料比，能提高氢气的转化率，但二 氧化碳的转化率会降低，故E错误；故选CD。(3)从表格数据分析，在相同的温度下，不同的催化剂，其二氧化碳的转化率也不同，-19-说明不同的催化剂的催化能力不同；相同催化剂不同的温度，二氧化碳的转化率不同，且温 度高的转化率大，因为正反应为放热反应，说明表中数据是未到平衡数据。故由表中数据表 明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应I的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响。答案:+4 2C(CO)-C3(H2)(2)CD(3)表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应I的催化能力不同，因而 在该时刻下对甲醇选择性有影响6.解析：C(s)+2N0(g)N2(g)+C02(g)，=-34.0 kjm ol图表数据 得到010 m in内，N0的平均反应速率“(N0)=-=1。喇匚-858则上1=042 m ol/(L-m in),由于该反应的正反应为放热反应，所以升高温度，化学平衡向吸热的逆反应 方向移动，故化学平衡常数减小；30 m in后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g),依据图表数据分析，平衡状态物质浓度增大，依据平衡常数计算仁萼等平衡常数会随温度变化，而平衡常数不变说明改变的条件一定不是温度；依据数据分析，氮 气浓度增大，一氧化氮浓度增大，反应前后气体体积不变，所以可能是减小容器体积或加入 一定量一氧化氮；A.加入一定量的活性炭，炭是固体物质，对化学平衡无影响，平衡不移动，A错误；B.通入一定量的N0,新平衡状态下物质平衡浓度增大，B正确；C.适当缩小容器的体 积，反应前后体积不变，平衡状态物质浓度增大，C正确；D.加入合适的催化剂，催化剂只改 变化学反应速率，不能使化学平衡移动，D错误；故合理选项是BC。(2)1 050 kPa前反应未达平衡状态，增大压强，物质的浓度增大，反应速率加快，N02 转化率提高，在1 100 kPa时二氧化氮转化率为40%,结合三行计算列式得到；设通入二氧化 氮 2 m ol,2C(s)+2NO2(g)N2(g)+2C02(g)起始量/m ol 2 0 0变化量/m ol 2X40%=0.8 0.4 0.8平衡量/m ol 1.2 0.4 0.8NO2的体积分数=；()、0 0,则一定自发，若於0,AS 0,则一定不能自发，若水0,S 0,反应能否自发，和温度有关，A、B错误；C项中反应的AS O,若AIKO,则一定自发，现常温下不自发，说明冷0,正确；D项中反应的AS V),能自发，说明水0,错误。答案：C-21-4.答案：(1)不能(2)能(3)1111.6 K5.解析:(l)2C0(g)=2C(s)+02(g),该反应是熔增、炳减的反应。根据 G=卜H T&S,60,不能实现。(2)该反应为炳减反应，能自发进行说明水0。答案：(1)该反应是培增、熠减的反应，任何温度下均不自发进行(2)6.解析：(1)由题目所给的图1可以看出，反应(最上面那条线)当AG=0时、对应 的横坐标温度是1 000C;从反应前后气体分子数的变化来看，反应的燧变化不大，而反应 中嫡是减小的，可见燃变对反应的自发更不利，而结果反应的AC更小，说明显然是烙 变产生了较大的影响，即导致反应的AG小(两个反应对应的凡一个为正值，一 个为负值，大小比较很明显)。(2)图2给的是不同温度下的转化率，注意依据控制变量法思 想，此时所用的时间一定是相同的，所以图示中A、B、C点反应均正向进行，D点刚好达到平 衡，D点到E点才涉及平衡的移动。a项正确，B点反应正向进行，正反应速率大于逆反应速 率；b项错误，温度越高，反应速率越快，所以E点的正(或逆)反应速率均大于A点；c项正 确，C到D点，S iHCL的转化率较高，选择此温度范围比较合适，在实际工业生产中还要综合 考虑催化剂的活性温度。(3)将反应反向，并与反应直接相加可得反应，所以=4 一，因(),所以必小于0,即反应正反应为放热反应，而放热反应的化 学平衡常数随着温度的升高而减小。答案：(1)1 000 导致反应的AG小(2)a、c(3)一 减小 本讲真题研练1.解析：(1)V。和S 02反应生成V0S 04和V2O4的化学方程式为2V205+2S02=2V0S04+V204o 由题图(a)可得以下两个热化学方程式：V204(s)+2S 03(g)=2VOS OXs)=399 kJ-m ol_1,VA(s)+S 03(g)=V205(s)+S 02(g)=一24 kJ m o，将一2义可得：2V205(s)+2S 02(g)=2V0S 04(s)+V204(s)=351 kJ m oL。(2)该反应的正反应是气体分子数减少的反应，压强增大，平衡正向移动，S 02的平衡转 化率变大，故在相同温度下，压强越大，S O2的平衡转化率越高，则R=5.0MPa,由题图可知 在550、5.0 MPa时，a=0.975；由该反应的正反应是气体分子数减少的放热反应可知，影响a的因素有压强、温度和反应物的起始浓度等。(3)设充入气体的总物质的量为100 m ol,则S O2为2勿m ol,02为m m ol,此为(10034 m ol,S O2的转化率为a,列三段式为：S O2(g)+夕 2(g)so3(g)(起始)/m ol 2m m 0(转化)/m ol 2ma ma 2勿 a-22-(平衡)/m ol 2/n2,ma m ma 2/a故平衡时容器中的气体的总物质的量为(2v2a+/一/a+2zz?a+100-3zz?)m ol=(100/77a)m ol o各物质的分压分别为0(S O2)=初一物巴夕，(02)=山p,p(S 03)=100ma 100一勿 a2ma-P，100/a2ma-P 100一勿 a故 p/ff2/z?a mma 100/a，J00-zaa(La)(4)由反应的速率方程可知，当a=0.90时，(1 a)是常数，温度大于图后，温 度升高，左增大，而。逐渐下降，原因是S 02(g)+3(g)S(U g)是放热反应，升高温度时 平衡逆向移动，a减小，b一I1减小，A增大对厂的提高小于a引起的降低。答案：(1)2V2O5(s)+2S 02(g)=2V0S 0,t(s)+20,(s)A，=351 kJ m oL(2)0.975该反应气体分子数减少，增大压强，a提高。5.0 MPa 2,5 MPa=p2,所以 P,=5.0 MPa温度、压强和反应物的起始浓度(组成)/q 2ma 2ma2 8X4 m inp)气薄d(4)升高温度，A增大使-逐渐提高，但a降低使。逐渐下降。K图时，A增大对。的提 高大于a引起的降低；ft,后,A增大对。的提高小于a引起的降低2.解析：(1)由题意知二氧化碳与氢气反应生成乙烯和水，反应的化学方程式为2c+6 H2 CH2=CH2+4H20,92匕)：(比0)=1:4；此反应为气体体积减小的反应，增大压强，平衡向气体体积减小的方向(正反应方向)移动，变大。(2)反应方程式中CO2和比的系 数之比为1:3,开始时加入的/?(C02):/7(H2)=1:3,则平衡时(CO?)：(比)也应为1:3,(C2H应为1:4,由题图可知曲线a为比,b为同0,c为CO2，d为C2%,随温度升高,平衡时C2匕和比0的物质的量分数逐渐减小，比和C02的物质的量分数逐渐增加，说明升高温 度平衡逆向移动，根据升高温度平衡向吸热的方向移动，知正反应方向为放热反应，小于 0o(3)在440 K时，氢气的物质的量分数为0.39,比0的物质的量分数也为0.39,根据平 衡时 72(C02):/2(H2)=l:3,知 CO2的物质的量分数为 0.39/3,根据平衡时/?(C2H4):/7(H20)=1:4,知 C2H4的物质的量分数为 0.39/4,则 p(H2)=0.39X0.1 MPa,p(H20)=0.39X0.1 MPa,0(C2H)=0.39义与 MPa,p(C02)=0.39X-MPa,廿乃“。)乎H=4 X-(MPa)-34 3 p(H2)p(C02)2l2z|0.I30.396义1 3 J9 1=-X(MPa)-3o(4)压强和温度一定，若要提高反应速率和乙烯的选择性，可采用选择合 4 0.0393-23-适催化剂等方法。答案：(1)1:4变大(2)d c小于4 0.390.391X。，4(3)-X-fr Q X 4 0.0393|0.391 0.I30.396*1 3 J(4)选择合适催化剂等3.解析：本题涉及化学反应速率、化学平衡的相关计算及化学平衡移动的影响因素，主要考查学生运用图表、图形分析和解决化学问题的能力。借助水煤气变换反应认识化学变 化有一定限度、速率，体现变化观念与平衡思想的学科核心素养。(1)相同温度下，分别用房、C0还原CoO(s),平衡时房的物质的量分数(0.025 0)大于 C0的物质的量分数(0.019 2),说明转化率：H2 H2O(2)利用“三段式”解答。721 时，设气体反应物开始浓度均为1 m ol-L-1,则H2(g)+CoO(s)Co(s)+H2O(g)起始(m ol-L-1)1 0转化(m ol 1)x x平衡(m ol,。)x x则有匕4.025 0,解得x=0.975,故4=典=-=39；1。(比)1xCO(g)+CoO(s)Co(s)+C02(g)起始(m ol L-1)1 0转化(m ol L_1)y y平衡(m ol*。)1-y y则有匕=0.019 2,解得y=0.980 8,故&=照囚=一匕=阻龙仁51；1-c(C0)1-y 0.019 2C0(g)+H20(g)CO2(g)+H2(g)起始(m ol L-1)110 0转化(m ol L-1)z z z z平衡(m ol,L-1)lz z z z则有及=-F=旦，解得z=0.532 7O(1-z)2&39比的物质的量分数为2=0.26 6 4,故选C。2(3)观察计算机模拟结果，据仁生成物总能量一反应物总能量，可知=().72 0 CO和&的平衡浓度分别为0.75 m ol广1、0.25 m ol L 八广 t t 八 广 1.-i rutf2皿 (0.5 m ol,L_1)2X(0.5 m ol,L-1)2 1 12,-2 0.5 m ol L、0.5 m ol L,则平衡常数 K=-=-m ol-L。0.75 m ol L-1X0.25 m ol L-1 3(2)从表格中数据可看出相对于催化剂X,用催化剂Y催化时积碳反应的活化能大，则积碳反应的反应速率小，而消碳反应活化能相对小，则消碳反应的反应速率大，再根据题 干信息“反应中催化剂活性会因积碳反应而降低”可知催化剂X劣于催化剂Y。结合图示可知 500600 随温度升高积碳量增加，而600700 随温度升高积碳量减少，故随温度升高，芯积和芯消均增加，且消碳反应速率增加的倍数比积碳反应的大，故A、D正确。由该图像可 知在反应时间和p(CH)相同时，图像中速率关系阳外匕，结合沉积碳的生成速率方程 k p(CH.,)/?(C02)-5,在夕(CH)相同时，随着夕(CO?)增大，反应速率逐渐减慢，即可判断：A(C02)a(CO2)A(C02)o答案：(1)+247 A；(2)劣于相对于催化剂X,催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而 消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大AD(2)r(C02)A(CO2)a(CO2)-25-