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2022高考化学一轮专题复习 第23讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向
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这是一份2022高考化学一轮专题复习 第23讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向，共39页。
第23讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向
目标要求
核心素养
1.了解化学平衡常数(K)的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。
2.能正确计算化学反应的转化率(α)。
3.了解化学反应的方向与化学反应的焓变与熵变的关系。
4.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焓变和熵变判断化学反应的方向。
5.了解化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
1.变化观念与平衡思想：能从化学平衡常数的角度分析化学反应，运用化学平衡常数解决问题。能多角度、动态地分析化学反应的转化率，运用化学反应原理解决实际问题。
2.证据推理与模型认知：知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。能运用模型(Qc与K的关系)解释化学平衡的移动，揭示现象的本质和规律。
3.科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能运用化学平衡原理对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断。
考点1 化学平衡常数及其应用
授课提示：对应学生用书第158页
1．概念
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，这个常数称为化学平衡常数，用符号K表示。
2．表达式
对于反应：mA(g)＋nB(g)pC(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)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。
(2)K只受温度的影响，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．应用
(1)判断可逆反应进行的程度。
(2)判断化学反应进行的方向
对于可逆反应：aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，在一定温度下的任意时刻，反应物与生成物浓度有如下关系：
＝Q称为浓度商。
Q
(3)判断可逆反应的热效应
1．书写下列化学平衡的平衡常数表达式。
(1)Cl2＋H2OHCl＋HClO
(2)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)
(3)CH3COOH(g)＋C2H5OH(g)CH3COOC2H5(g)＋H2O(g)
(4)CO＋H2OHCO＋OH－
(5)CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)
提示：(1)K＝ (2)K＝
(3)K＝
(4)K＝
(5)K＝c(CO2)
2．一定温度下，分析下列三个反应的平衡常数的关系：
①N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) K1
②N2(g)＋H2(g)NH3(g) K2
③2NH3(g)N2(g)＋3H2(g) K3
(1)K1和K2，K1＝________。
(2)K1和K3，K1＝________。
提示：(1)K (2)
(1)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度。(×)
(2)增大反应物的浓度，平衡正向移动，化学平衡常数增大。(×)
(3)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。(√)
(4)对某一可逆反应，升高温度则化学平衡常数一定变大。(×)
(5)平衡常数发生变化，化学平衡必定发生移动。(√)
(6)反应A(g)＋3B(g)2C(g)达到平衡后，温度不变，增大压强，平衡正向移动，平衡常数增大。(×)
题组一 化学平衡常数及影响因素
1．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．恒温条件下压缩容器的体积，平衡不移动，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．恒温恒压条件下，通入氦气，平衡正向移动，平衡常数K不发生变化
解析：固态浓度为“常数”，视为“1”，不需写入平衡常数表达式，A项错误；增大压强平衡逆向移动，B项错误；升温该反应正向进行，K增大，C项错误；恒压条件下，通入氦气，容器体积增大，平衡向气体体积增大的方向移动，即平衡正向移动，K只与温度有关，温度不变，K不发生变化，D项正确。
答案：D
2．O3是一种很好的消毒剂，具有高效、洁净、方便、经济等优点。O3可溶于水，在水中易分解，产生的[O]为游离氧原子，有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生的反应如下：
反应① O3O2＋[O] ΔH＞0 平衡常数为K1；
反应② [O]＋O32O2 ΔH＜0 平衡常数为K2；
总反应：2O33O2 ΔH＜0 平衡常数为K。
下列叙述正确的是( )
A．降低温度，总反应K减小 B．K＝K1＋K2
C．适当升温，可提高消毒效率 D．压强增大，K2减小
解析：降温，总反应平衡向右移动，K增大，A项错误；K1＝、K2＝、K＝＝K1·K2，B项错误；升高温度，反应①平衡向右移动，c([O])增大，可提高消毒效率，C项正确；对于给定的反应，平衡常数只与温度有关，D项错误。
答案：C
题组二 化学平衡常数的应用
3．在体积为1 L的密闭容器中，进行如下化学反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，化学平衡常数K与温度T的关系如表：
T/℃
700
800
850
1 000
1 200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题：
(1)升高温度，化学平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。
(2)若某温度下，平衡浓度符合下列关系：
c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，此时的温度为________；在此温度下，若该容器中含有1 mol CO2、1.2 mol H2、0.75 mol CO、1.5 mol H2O，则此时反应所处的状态为________(填“向正反应方向进行中”“向逆反应方向进行中”或“平衡状态”)。
解析：(1)由表格数据可知，随着温度升高，平衡常数增大，说明化学平衡向正反应方向移动；(2)由c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，则计算出K＝1.0，即此时温度为850 ℃，此温度下Q＝＝≈0.94<1.0，故反应所处的状态为向正反应方向进行中。
答案：(1)正反应 (2)850 ℃ 向正反应方向进行中
题组三 命题新热点——推导平衡常数的两种方法
4．研究氮氧化物与悬浮在大气中海盐粒子的相互作用时，涉及如下反应：
2NO2(g)＋NaCl(s)NaNO3(s)＋ClNO(g) K1
2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g) K2
则4NO2(g)＋2NaCl(s)2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)的平衡常数K＝________(用K1、K2表示)。
解析：K1＝，K2＝，K＝，所以K＝。
答案：
5．升高温度绝大多数的化学反应速率增大，但是2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的速率却随温度的升高而减小。某化学小组为研究特殊现象的实质原因，查阅资料知：
2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步：
①2NO(g)N2O2(g)(快)
v1正＝k1正·c2(NO)，v1逆＝k1逆·c(N2O2) ΔH1＜0
②N2O2(g)＋O2(g)2NO2(g)(慢)
v2正＝k2正·c(N2O2)·c(O2)
v2逆＝k2逆·c2(NO2) ΔH2＜0
一定温度下，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)达到平衡状态，请写出用k1正、k1逆、k2正、k2逆表示的平衡常数表达式K＝______________________________________________。
解析：由反应达到平衡状态可知，v1正＝v1逆、v2正＝v2逆，所以v1正·v2正＝v1逆·v2逆，即k1正·c2(NO)×k2正·c(N2O2)·c(O2)＝k1逆·c(N2O2)·k2逆·c2(NO2)，则K＝＝。
答案：
考点2 化学平衡常数、转化率的计算
授课提示：对应学生用书第159页
1．一个模式——“三段式”
如mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量浓度分别为a mol·L－1、b mol·L－1，达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mx mol·L－1。
mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)
c始/(mol·L－1) a b 0 0
c转/(mol·L－1) mx nx px qx
c平/(mol·L－1) a－mx b－nx px qx
K＝。
2．明确三个量的关系
(1)三个量：即起始量、变化量、平衡量。
(2)关系
①对于同一反应物，起始量－变化量＝平衡量。
②对于同一生成物，起始量＋变化量＝平衡量。
③各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。
3．掌握四个公式
(1)反应物的转化率＝×100%＝×100%。
(2)生成物的产率：实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲，转化率越大，原料利用率越高，产率越大。产率＝×100%。
(3)混合物组分的百分含量＝×100%。
(4)某组分的体积分数＝×100%。
模型构建：计算压强平衡常数的思维模型
在化学平衡体系中，用各气体物质的分压代替浓度，计算的平衡常数叫压强平衡常数。
题组一 化学平衡常数与转化率相结合的计算
1．加热N2O5依次发生的分解反应为①N2O5N2O3＋O2，②N2O3N2O＋O2；在2 L密闭容器中充入8 mol N2O5，加热到t ℃，达到平衡状态后O2为9 mol，N2O3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
解析：设分解的N2O3物质的量为x，反应过程中共生成N2O3(x＋3.4)mol，在①反应中N2O5分解了(x＋3.4)mol，同时生成O2(x＋3.4)mol。在②反应中生成氧气x mol。
则(x＋3.4)＋x＝9，
求得x＝2.8。
所以平衡后N2O5、N2O3、O2浓度依次为
c(N2O5)＝(8－2.8－3.4)÷2＝0.9 (mol·L－1)，
c(N2O3)＝3.4÷2＝1.7 (mol·L－1)，
c(O2)＝9÷2＝4.5 (mol·L－1)，
反应①的平衡常数：
K＝＝＝8.5 (mol·L－1)。
答案：B
2．已知可逆反应：M(g)＋N(g)P(g)＋Q(g) ΔH＞0，请回答下列问题：
(1)在某温度下，反应物的起始浓度分别为c(M)＝1 mol·L－1，c(N)＝2.4 mol·L－1；达到平衡后，M的转化率为60%，此时N的转化率为________。
(2)若反应温度升高，M的转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为c(M)＝4 mol·L－1，c(N)＝a mol·L－1；达到平衡后，c(P)＝2 mol·L－1，a＝________。
(4)若反应温度不变，反应物的起始浓度为c(M)＝c(N)＝b mol·L－1，达到平衡后，M的转化率为________。
解析：(1)M(g) ＋ N(g) P(g)＋Q(g)
始态 1 mol·L－1 2.4 mol·L－1 0 0
变化量1 mol·L－1×60% 1 mol·L－1×60%
因此N的转化率为×100%＝25%。
(2)由于该反应的ΔH＞0，即该反应为吸热反应，因此升高温度，平衡右移，M的转化率增大。
(3)根据(1)可求出各物质的平衡浓度：c(M)＝0.4 mol·L－1，
c(N)＝1.8 mol·L－1，c(P)＝0.6 mol·L－1，c(Q)＝0.6 mol·L－1。
因此化学平衡常数K＝＝＝。
由于温度不变，因此K不变，达到平衡后
c(P)＝2 mol·L－1，c(Q)＝2 mol·L－1，c(M)＝2 mol·L－1，c(N)＝(a－2)mol·L－1，
K＝＝＝，
解得a＝6。
(4)设M的转化率为x，则达到平衡后各物质的平衡浓度分别为c(M)＝b(1－x)mol·L－1，c(N)＝b(1－x)mol·L－1，c(P)＝bx mol·L－1，c(Q)＝bx mol·L－1。
K＝＝＝，解得x≈41%。
答案：(1)25% (2)增大 (3)6 (4)41%
题组二 压强平衡常数及其计算
3．一定量的CO2与足量的C在恒压密闭容器中发生反应：C(s)＋CO2(g)2CO(g) ΔH＝＋173 kJ·mol－1，若压强为p kPa，平衡时体系中气体体积分数与温度的关系如图所示，回答下列问题：
(1)650 ℃时CO2的平衡转化率为________。
(2)t1℃时平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)；该温度下达平衡后若再充入等物质的量的CO和CO2气体，则平衡__________(填“正向”“逆向”或“不”)移动，原因是________________________________。
解析：(1)650 ℃，平衡时CO2的体积分数为60%，设其物质的量为0.6 mol，则平衡时CO的物质的量为0.4 mol，起始时CO2的物质的量为0.6 mol＋×0.4 mol＝0.8 mol，故CO2的平衡转化率为×100%＝25%。(2)t1 ℃，平衡时CO与CO2的体积分数相等，其平衡分压均为0.5p kPa，则此时的平衡常数为Kp＝＝0.5p。
答案：(1)25% (2)0.5p 不 Qp＝Kp
借助题链，破解平衡常数的命题角度
授课提示：对应学生用书第160页
题链
1
压强平衡常数
[典例1] 乙醇是重要的有机化工原料，可由乙烯直接水合法或间接水合法生产。乙烯气相直接水合反应C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)，回答下列问题：
如图为气相直接水合法中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系[其中n(H2O)∶n(C2H4)＝1∶1]。
列式计算乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
[解析] A点乙烯的平衡转化率是20%。根据反应列三段式：
CH2===CH2＋H2OC2H5OH
起始 1 mol 1 mol 0
转化 0.2 mol 0.2 mol 0.2 mol
平衡 0.8 mol 0.8 mol 0.2 mol
则平衡时乙烯的分压：p(C2H4)＝7.85 MPa×0.8 mol/1.8 mol≈3.488 9 MPa，
水蒸气的分压：p(H2O)＝7.85 MPa×0.8 mol/1.8 mol≈3.488 9 MPa，
乙醇的分压：p(C2H5OH)＝7.85 MPa×0.2 mol/1.8 mol≈0.872 2 MPa，
则平衡常数Kp＝＝0.872 2 MPa/(3.488 9 MPa×3.489 9 MPa)≈0.07 MPa－1。
[答案] 0.07 MPa－1
题链
2
平衡常数、质量作用定律
[典例2] Bodenstein研究了下列反应：
2HI(g)H2(g)＋I2(g)
在716 K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表：
t/min
0
20
40
60
80
120
x(HI)
1
0.91
0.85
0.815
0.795
0.784
x(HI)
0
0.60
0.73
0.773
0.780
0.784
(1)根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为_______________________。
(2)上述反应中，正反应速率为v正＝k正·x2(HI)，逆反应速率为v逆＝k逆·x(H2)·x(I2)，其中k正、k逆为速率常数，则k逆为________(以K和k正表示)。
[解析] (1)注意表格中的两列数据是正向和逆向的两组数据。716 K时，取第一行数据计算：
2HI(g) H2(g) ＋ I2(g)
n(始)(取1 mol) 1 0 0
Δn(mol) 0.216 0.108 0.108
n(平)(mol) 0.784 0.108 0.108
化学平衡常数为K＝＝。
(2)问题的要点是：平衡状态下，v正＝v逆，
故有：k正·x2(HI)＝k逆·x(H2)·x(I2)，
变形：k正/k逆＝x(H2)·x(I2)/x2(HI)＝K，
故有：k逆＝k正/K。
[答案] (1)K＝
(2)k正/K
题链
3
平衡常数
[典例3] 元素铬(Cr)在溶液中主要以Cr3＋(蓝紫色)、[Cr(OH)](绿色)、Cr2O(橙红色)、CrO(黄色)等形式存在，Cr(OH)3为难溶于水的灰蓝色固体，回答下列问题：
CrO和Cr2O在溶液中可相互转化。室温下，初始浓度为1.0 mol·L－1的Na2CrO4溶液中c(Cr2O)随c(H＋)的变化如图所示。
(1)用离子方程式表示Na2CrO4溶液中的转化反应：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)由图A点数据，计算该转化反应的平衡常数为____________。
[解析] 根据反应并结合A点数据，列三段式：
2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O
起始/(mol·L－1) 1.0 0
转化/(mol·L－1) 0.5 0.25
平衡/(mol·L－1) 0.5 1.0×10－7 0.25
K＝＝＝1．0×1014。
[答案] (1)2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O
(2)1.0×1014
考点3 化学反应进行的方向
授课提示：对应学生用书第161页
1．自发反应
在一定条件下无须外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。
2．熵、熵变
(1)熵的概念：衡量体系混乱度的物理量，其符号为S。
(2)熵的特点：混乱度越大，体系越无序，体系的熵值就越大。
(3)熵的影响因素：
①相同条件下，物质不同，熵不同；
②同一物质：S(g)＞S(l)＞S(s)。
(4)熵变：即熵的变化，符号为ΔS。
(5)正负判断依据：
①物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程，ΔS＞0，是熵增加的过程；
②气体体积增大的反应，熵变通常都是ΔS＞0，是熵增加的反应；
③气体体积减小的反应，熵变通常都是ΔS＜0，是熵减小的反应。
3．判断化学反应方向的判据
ΔG＝ΔH－TΔS
ΔG<0时，反应能自发进行；
ΔG＝0时，反应达到平衡状态；
ΔG>0时，反应不能自发进行。
(1)放热过程均可以自发进行， 吸热过程均不能自发进行。(×)
(2)CaCO3CaO＋CO2↑是一个熵增的过程。(√)
(3)焓变是影响反应是否具有自发性的唯一因素。(×)
(4)ΔH＜0、ΔS＞0时，反应能自发进行。(√)
(5)熵增的反应一定能自发进行。(×)
归纳整合：焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响
ΔH
ΔS
ΔH－TΔS
反应情况
－
＋
永远是负值
在任何温度下均能自发进行
＋
－
永远是正值
在任何温度下均不能自发进行
＋
＋
低温为正；高温为负
低温时不能自发进行；高温时能自发进行
－
－
低温为负；高温为正
低温时能自发进行；高温时不能自发进行
1．下列内容与结论不对应的是( )
选项
内容
结论
A
H2O(g)变成H2O(l)
该过程的ΔS＞0
B
硝酸铵溶于水可自发进行
因为ΔS＞0
C
一个反应的ΔH＞0、ΔS＜0
该反应一定不能自发进行
D
H2(g)＋F2(g)===2HF(g)的ΔH＝－271 kJ·mol－1、ΔS＝8 J·mol－1·K－1
该反应在任何温度下均可自发进行
答案：A
2．(2021·哈尔滨模拟)下列说法中不正确的是( )
A．反应SiO2(s)＋2C(s)===Si(s)＋2CO(g)只能在高温下自发进行，则该反应的ΔH＞0
B．反应3C(s)＋CaO(s)===CaC2(s)＋CO(g)在常温下不能自发进行，说明该反应的ΔH＞0
C．反应BaSO4(s)＋4C(s)===BaS(s)＋4CO(g)在室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH＜0
D．反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)在常温下能够自发进行，则该反应的ΔH＜0
答案：C
3．灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以制造器皿。现把白锡制成的器皿放在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用(已知在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡反应的焓变和熵变分别为ΔH＝－2.180 9 kJ·mol－1，ΔS＝－6.6 J·mol－1·K－1，当ΔH－TΔS<0时能自发反应)( )
A．会变 B．不会变
C．不能确定 D．升高温度才会变
答案：A
4．(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO，有人设想按下列反应除去CO：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)。已知该反应的ΔH＞0，判断该设想能否实现并写出依据：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2，化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。若反应能够自发进行，则反应的ΔH________(填“＞”“＜”或“＝”)0。
解析：(1)2CO(g)===2C(s)＋O2(g)，该反应是焓增、熵减的反应。根据ΔG＝ΔH－TΔS＞0，该设想不能实现。
(2)该反应为熵减反应，能自发进行，说明ΔH＜0。
答案：(1)该设想不能实现，因为该反应是焓增、熵减的反应，任何温度下均不能自发进行 (2)＜
5．①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g) ΔH＝－515 kJ·mol－1
②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)
ΔH＝－353 kJ·mol－1，上述①②反应在热力学上趋势均很大的原因是_____________，
其中反应ΔS>0的是反应________。
答案：两个反应均为放热量大的反应 ①
化学反应原理在物质制备中的调控作用
授课提示：对应学生用书第162页
一、控制反应条件的目的
1．促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。
2．抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。
二、控制反应条件的基本措施
1．控制化学反应速率的措施
通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。
2．提高转化率的措施
通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。
三、以工业合成氨为例，理解运用化学反应原理选择化工生产中的适宜条件
1．反应原理：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
2.
3．从反应快慢和反应限度两个角度选择反应条件
4．综合考虑——选择适宜的生产条件
(1)温度：400～500 ℃
(2)压强：10～30 MPa
(3)投料比：＝
(4)以铁触媒作催化剂
(5)采用循环操作提高原料利用率
[考能突破练]
1．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇(CH3CH2OH)已成为现实：
2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)
下列叙述错误的是( )
A．使用CuZnFe催化剂可大大提高生产效率
B．升高温度，该反应平衡常数K一定增大
C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O，可提高CO2和H2的利用率
答案：B
2．CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH________(填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250 ℃ 、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：< 在1.3×104 kPa下，CO的转化率已经较高，再增大压强，CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失
3．利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：TaS2(s)＋2I2(g)TaI4(g)＋S2(g) ΔH>0 如图所示，反应在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的TaS2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1________(填“>”“<”或“＝”)T2。上述反应体系中循环使用的物质是________。
答案：< I2
4．合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，一种工业合成氨的简易流程图如下：
(1)天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式：_________________。
(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下：
①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) ΔH＝＋206.4 kJ·mol－1
②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2 kJ·mol－1
对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2的百分含量，又能加快反应速率的措施是________(填字母)。
a．升高温度 b．增大水蒸气浓度
c．加入催化剂 d．降低压强
利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2的产量。若1 mol CO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应，得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合气体，则CO转化率为________。
(3)图1表示500 ℃，60.0 MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：________。
(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图2坐标中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图。
(5)上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：__________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)由题给反应信息不难写出再生反应的化学方程式为2NH4HS＋O22S↓＋2NH3·H2O。
(2)增大水蒸气浓度，平衡右移，但H2百分含量不一定提高；加入催化剂，对平衡无影响，不能提高H2百分含量；降低压强，反应速率减慢。
设达到平衡时CO转化了x mol。
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
n起始 0.2 mol 0 mol 0.8 mol
n平衡 (0.2－x)mol x mol (0.8＋x)mol
(0.2－x)＋x＋(0.8＋x)＝1.18，解得x＝0.18，αCO＝×100%＝90%。
(3)方法1：设达到平衡时N2转化了x mol。
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
n起始 n mol 3n mol 0
n平衡 (n－x) mol (3n－3x) mol 2x mol
×100%＝42%，x＝0.592n。
故N2的平衡体积分数＝×100%＝×100%≈14.5%。
方法2：由N2、H2按1∶3投料，N2与H2又按照1∶3发生反应，故从反应开始到反应平衡，N2和H2之比始终为1∶3。N2的平衡体积分数＝×(1－42%)＝14.5%。
(4)反应初期，NH3从无到有，在未达到平衡前，NH3物质的量是增大的，达到平衡后，温度升高，平衡逆向移动，NH3物质的量逐渐减小，曲线见答案。
(5)通过热交换器(步骤Ⅳ)，加热进入合成塔的原料气，同时冷却从合成塔出来的平衡混合气。提高原料总转化率的方法有：①对N2、H2加压；②将产物NH3液化分离，减小生成物浓度；③将未反应的N2、H2循环使用。
答案：(1)2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓
(2)a 90% (3)14.5% (4)
(5)Ⅳ 对原料气加压；分离液氨后，未反应的N2、H2循环使用
1.必记1个表达式——化学平衡常数表达式
对于可逆反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，
K＝。
2.牢记影响化学平衡常数的1个因素——温度
化学平衡常数仅与温度有关，与反应物、生成物的浓度无关。
3.掌握平衡常数K的应用
(1)判断反应进行的程度。
(2)判断反应进行的方向。
(3)判断反应的热效应。
(4)计算物质的含量、转化率、平衡浓度等。
4.判断化学反应方向的判据：ΔG＝ΔH－TΔS
(1)ΔG＜0时，反应能自发进行。
(2)ΔG＝0时，反应达平衡状态。
(3)ΔG＞0时，反应不能自发进行。
授课提示：对应学生用书第163页
1．(2020·高考全国卷Ⅰ节选)硫酸是一种重要的基本化工产品。接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化：SO2(g)＋O2(g)SO3(g) ΔH＝－98 kJ·mol－1。回答下列问题：
(1)当SO2(g)、O2(g)和N2(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，SO2平衡转化率α随温度的变化如图所示。反应在5.0 MPa、550 ℃时的α＝________，判断的依据是________。影响α的因素有________。
(2)将组成(物质的量分数)为2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% 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SO2转化率为α，则SO3压强为________，平衡常数Kp＝________(以分压表示，分压＝总压×物质的量分数)。
(3)研究表明，SO2催化氧化的反应速率方程为：
v＝k0.8(1－nα′)
式中：k为反应速率常数，随温度t升高而增大；α为SO2平衡转化率，α′为某时刻SO2转化率，n为常数。在α′＝0.90时，将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程，得到vt曲线，如图所示。
曲线上v最大值所对应温度称为该α′下反应的最适宜温度tm。ttm后，v逐渐下降，原因是__________________________________________________。
解析：(1)反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的正反应是气体总分子数减少的放热反应，其他条件相同时，增大压强，平衡正向移动，SO2平衡转化率增大，则图中p1＝5.0 MPa，p3＝0.5 MPa。由图可知，反应在5.0 MPa、550 ℃时SO2的平衡转化率α＝0.975。温度、压强和反应物的起始浓度(组成)都会影响SO2的平衡转化率α，温度一定时，压强越大，α越大；压强一定时，温度越高，α越小。
(2)在温度t、压强p条件下进行反应，平衡时SO2转化率为α，由于N2对反应无影响，可认为混合气体由SO2和O2组成，则有2m%＋m%＝1，设SO2有2m mol，则O2有m mol，利用“三段式法”计算：
SO2(g) ＋ O2(g)SO3(g)
起始量/mol 2m m 0
转化量/mol 2mα mα 2mα
平衡量/mol 2m×(1－α) m×(1－α) 2mα
平衡时混合气体的总物质的量为2m×(1－α)mol＋m×(1－α)mol＋2mα mol＝(3m－mα)mol，由于2m%＋m%＝1，SO3的物质的量分数为[2mα mol/(3m－mα)mol]×100%＝[2mα/(3m－mα)]×100%，则平衡时SO3的压强为p×[2mα/(3m－mα)]×100%＝p。平衡时，SO2、O2的压强分别为p、p，则平衡常数Kp＝＝。
(3)在α′＝0.90时，SO2催化氧化的反应速率为v＝
k0.8·(1－0.90n)。升高温度，k增大使v逐渐提高，但α降低使v逐渐下降。ttm后，k增大对v的提高小于α引起的降低。
答案：(1)0.975 该反应气体分子数减少，增大压强，α提高。5.0 MPa>2.5 MPa＝p2，所以p1＝5.0 MPa 温度、压强和反应物的起始浓度(组成)
(2)p
(3)升高温度，k增大使v逐渐提高，但α降低使v逐渐下降。ttm后，k增大对v的提高小于α引起的降低
2．(2020·高考全国卷Ⅱ节选)天然气的主要成分为CH4，一般还含有C2H6等烃类，是重要的燃料和化工原料。
(1)乙烷在一定条件可发生如下反应：C2H6(g)===C2H4(g)＋H2(g) ΔH1，相关物质的燃烧热数据如下表所示：
物质
C2H6(g)
C2H4(g)
H2(g)
燃烧热ΔH/( kJ·mol－1)
－1 560
－1 411
－286
容器中通入等物质的量的乙烷和氢气，在等压下(p)发生上述反应，乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
(2)高温下，甲烷生成乙烷的反应如下：2CH4C2H6＋H2。反应在初期阶段的速率方程为r＝k×cCH4，其中k为反应速率常数。
①设反应开始时的反应速率为r1，甲烷的转化率为α时的反应速率为r2，则r2＝________ r1。
②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是________。
A．增加甲烷浓度，r增大
B．增加H2浓度，r增大
C．乙烷的生成速率逐渐增大
D．降低反应温度，k减小
答案：(1)×p
(2)①1－α ②AD
3．(2019·高考全国卷Ⅰ节选)水煤气变换[CO(g)＋H2O(g)===CO2(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)Shibata曾做过下列实验：
①使纯H2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H2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________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H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2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
解析：(1)根据题目提供的实验数据可知用H2还原CoO制取金属Co，反应的化学方程式为H2(g)＋CoO(s)Co(s)＋H2O(g)，平衡混合气体中H2的物质的量分数为0.025 0, K1＝c(H2O)/c(H2)＝(1－0.025 0)/0.025 0＝39；CO还原CoO制取金属Co的化学方程式为CO(g)＋CoO(s)Co(s)＋ CO2(g)，平衡混合气体中CO的物质的量分数为0.019 2，K2＝c(CO2)/c(CO)＝(1－0.019 2)/0.019 2 ≈51.08。K1＜K2，说明还原CoO制取金属Co的倾向CO大于H2。
(2)H2(g)＋CoO(s)Co(s)＋ H2O(g)①
CO(g)＋CoO(s)Co(s)＋ CO2(g)②
②－①可得CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋ H2(g)
设起始CO、H2O的物质的量为a mol，转化的物质的量为x mol，容器容积为1 L，则：
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
a a 0 0
x x x x
a－x a－x x x
则该反应的K＝x2/(a－x)2＝K2/K1 ≈1.31，求得：x≈0.534a，则平衡时H2的物质的量分数约为＝0.267。
答案：(1)大于 (2)C
4．(2019·高考全国卷Ⅱ)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：
(1)已知：(g)===(g)＋H2(g)
ΔH1＝100.3 kJ·mol－1 ①
H2(g)＋I2(g)===2HI(g)
ΔH2＝－11.0 kJ·mol－1 ②
对于反应：(g)＋I2(g)(g)＋2HI(g) ③
ΔH3＝________kJ·mol－1。
(2)某温度下，等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应③，起始总压为105 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Kp＝_______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
解析：(1)根据盖斯定律可得，反应①＋②可得反应③，则ΔH3＝ΔH1＋ΔH2＝100.3 kJ•mol－1 －11.0 kJ·mol－1＝89.3 kJ·mol－1。
(2)设碘和环戊烯的物质的量均为1 mol，达平衡时转化的物质的量为x mol，由题意得：
(g)＋I2(g) (g)＋2HI(g)
1 1 0 0
x x x 2x
1－x 1－x x 2x
平衡时，容器内气体总物质的量为(2＋x) mol，
则有×100%＝20%，解得x＝0.4，则环戊烯的转化率为×100%＝40%，
总压强为105 Pa×(1＋20%)＝1.2×105 Pa，
因此平衡时各气体的分压分别为p()＝1.2×105 Pa×＝0.3×105 Pa，
p(I2)＝1.2×105 Pa×＝0.3×105 Pa，
p()＝1.2×105 Pa×＝0.2×105 Pa，
p(HI)＝1.2×105 Pa×＝0.4×105 Pa，
反应的平衡常数＝≈3.56×104 Pa。
欲增加环戊烯的平衡转化率，则平衡正向移动，由于该反应是吸热反应，因此升温可使平衡正向移动；增加碘的浓度，平衡正向移动，环戊烯的转化率提高。
答案：(1)89.3 (2)40% 3.56×104 BD
课时作业 单独成册 对应学生用书第349页
[A组 基础题组]
1．只改变一个影响化学平衡的因素，平衡常数K与化学平衡移动的关系叙述不正确的是( )
A．K值不变，平衡可能移动
B．平衡向右移动时，K值不一定变化
C．K值有变化，平衡一定移动
D．相同条件下，同一个反应的方程式的化学计量数增大2倍，K值也增大2倍
解析：因改变压强或浓度引起化学平衡移动时，K值不变，A项和B项均正确；K值只与温度有关，K值发生了变化，说明体系的温度改变，则平衡一定移动，C项正确；相同条件下，同一个反应的方程式的化学计量数增大2倍，K值应该变为K，D项错误。
答案：D
2．对于处于化学平衡状态的反应CO＋H2O(g)CO2＋H2，K正代表正反应的平衡常数，K逆代表逆反应的平衡常数，下列有关说法正确的是( )
A．K正＝K逆 B．K正＞K逆
C．K正＜K逆 D．K正·K逆＝1
答案：D
3．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g) ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是( )
A．这是一个放热的熵减反应，在低温条件下该反应一定可自发进行
B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B，以提高A的转化率
C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高
D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高反应物的转化率
解析：这是一个放热的熵减反应，只有当ΔH－TΔS<0时，该反应才能自发进行，A错误；加入过量的B，可以提高A的转化率，B正确；升高温度，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C错误；使用催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，不能提高反应物的转化率，D错误。
答案：B
4．反应：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＜0达到平衡后，只改变一个反应条件，下列所画示意图不正确的是( )
解析：升温，化学平衡逆向移动，CH3OH产率降低，A正确；升温，CO的转化率降低，B不正确；加压，化学平衡正向移动，H2的转化率升高，C正确；增大压强，平衡常数不变，D正确。
答案：B
5．已知反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s)和反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g)，在相同的某温度下的平衡常数分别为K1和K2，该温度下反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)的平衡常数为K。则下列说法正确的是( )
A．反应①的平衡常数K1＝
B．反应③的平衡常数K＝
C．对于反应③，恒容时升高温度，H2浓度减小，则该反应为吸热反应
D．对于反应②，恒温恒容下增大压强，H2浓度一定增大
解析：反应①的平衡常数K1＝，固体浓度按1计，故A错误；反应③可由①－②得到，故反应③的平衡常数K＝，B正确；对于反应③，恒容时升高温度，H2浓度减小，平衡逆向移动，则该反应为放热反应，C错误；对于反应②，恒温恒容下，压强增大，H2浓度不变，故D错误。
答案：B
6．已知，相关数据见下表：
编号
化学方程式
平衡常数
温度
979 K
1 173 K
Ⅰ
Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)
K1
1.47
2.15
Ⅱ
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
K2
1.62
b
Ⅲ
Fe(s)＋H2O(g)FeO(s)＋H2(g)
K3
a
1.68
根据以上信息判断，下列结论错误的是( )
A．a>b
B．增大压强，平衡状态Ⅱ不移动
C．升高温度平衡状态Ⅲ向正反应方向移动
D．反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应
解析：由Ⅰ＋Ⅱ＝Ⅲ，得K3＝K1·K2，则a>2，b <1，a>b，A项正确；Ⅱ是等体积反应，增大压强，平衡不移动，B项正确；由a>2，b<1，可知随温度升高，K2、K3均减小，故反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应，D项正确；升温时反应Ⅱ、Ⅲ均向逆反应方向移动，C项不正确。
答案：C
7．在容积一定的密闭容器中，置入一定量的一氧化氮和足量碳发生化学反应：C(s)＋2NO(g)CO2(g)＋N2(g)，平衡时c(NO)与温度T的关系如图所示，则下列说法正确的是( )
A．该反应的ΔH>0
B．若该反应在T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2，则K1
D．在T2 ℃时，若反应体系处于状态D，则此时v正>v逆
解析：升高温度，NO的浓度增大，说明平衡左移，则该反应的ΔH<0，故A错误；ΔH<0，升高温度平衡常数减小，则K1>K2，故B错误；反应中气体物质的量不变，压强与温度有关，温度越高压强越大，则pC>pD＝pB，故C错误；在T2 ℃时，若反应体系处于状态D，达到平衡时NO的浓度要减小，反应正向进行，则此时v正>v逆，故D正确。
答案：D
8．(2020·安徽皖江各校联考)一定条件下，反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g) ΔH>0，达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．压强：p1>p2
B．b、c两点对应的平衡常数：Kc>Kb
C．a点：2v正(NH3)＝3v逆(H2)
D．a点：NH3的转化率为
解析：该反应为气体分子数增大的反应，恒温时，压强越大，N2的体积分数越小，则p1Kb，故B正确；反应速率之比等于化学计量数之比，3v正(NH3)＝2v逆(H2)，故C错误；对于反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)，假设反应前氨气的物质的量为1 mol，转化的氨气的物质的量为x mol，则＝0.1，解得x＝，因此氨气的转化率为，故D错误。
答案：B
9．在一定条件下探究二甲醚的制备反应为2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH，测定结果如图所示。下列判断错误的是( )
A．该反应的ΔH<0
B．该反应伴随有副反应的发生
C．工业选择的较适宜温度为280～290 ℃
D．加入催化剂可以提高CH3OCH3的产率
解析：由题图知，随着温度升高，CO的转化率降低，所以升高温度，平衡逆向移动，则该反应是放热反应，ΔH<0，A项说法正确；从图中可知，CO的转化率降低的同时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别较大，即说明该反应伴随有副反应的发生，B项说法正确；在280～290 ℃间，CH3OCH3的产率很高，则工业选择的较适宜温度为280～290 ℃，C项说法正确；加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间，但不能提高CH3OCH3的产率，D项说法错误。
答案：D
10．按要求回答下列问题：
对于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92 kJ·mol－1，在相同体积的甲、乙两密闭容器中，恒温条件下，甲容器中充入1 mol N2、3 mol H2，乙容器中充入2 mol NH3，达到平衡时：
(1)甲容器中N2的转化率________(填“等于”“大于”或“小于”)H2的转化率。
(2)甲容器中N2的转化率与乙容器中NH3的分解率之和为________。
(3)甲容器中释放的热量与乙容器中吸收的热量之和为________。
答案：(1)等于 (2)1 (3)92 kJ
11．活性炭也可用于处理汽车尾气中的NO，在1 L恒容密闭容器中加入0.100 0 mol NO和2.030 mol固体活性炭，生成A、B两种气体，在不同温度下测得平衡体系中各物质的物质的量以及容器内压强如下表：
活性炭/mol
NO/mol
A/mol
B/mol
p/MPa
200 ℃
2.000
0.040 0
0.030 0
0.030 0
3.93
335 ℃
2.005
0.050 0
0.025 0
0.025 0
p
根据上表数据，写出容器中发生反应的化学方程式：__________________________
________________________________________________________________________。
判断p________(用“>”“<”或“＝”填空)3.93 MPa。计算反应体系在200 ℃时的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×体积分数)。
解析：1 L恒容密闭容器中加入0.100 0 mol NO和2.030 mol 固体活性炭，生成A、B两种气体，从不同温度下测得平衡体系中各物质的物质的量以及容器内压强数据可以看出：Δn(C)∶Δn(NO)∶Δn(A)∶Δn(B)＝1∶2∶1∶1，所以可以推断出生成的A、B两种气体为N2和CO2，反应的化学方程式为C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)。由表中数据可知，容器内气体的总物质的量相同，但温度不同，温度越高，压强越大，故p＞3.93 MPa，该反应的平衡常数Kp＝，200 ℃时，容器的体积为1 L，平衡分压之比等于平衡浓度之比，带入表中数据计算得Kp＝。
答案：C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g) > (或0.5625)
[B组 提升题组]
12．一定条件下，CO2(g)＋3H2(g)H2O(g)＋CH3OH(g) ΔH＝－53.7 kJ·mol－1；向2 L恒容恒温密闭容器中充入1 mol CO2和2.8 mol H2发生反应，图中过程Ⅰ、Ⅱ是在两种不同催化剂作用下建立平衡的过程中CO2的转化率[α(CO2)]随时间(t)的变化曲线。下列说法中不正确的是( )
A．m点：v(正)>v(逆)
B．活化能：过程Ⅱ>过程Ⅰ
C．n点时该反应的平衡常数K＝50
D．过程Ⅰ，t2时刻改变的反应条件可能是升高温度
解析：m点CO2的转化率不是最大，反应向正反应方向进行，因此v(正)>v(逆)，A项正确；过程Ⅰ首先达到平衡状态，说明反应速率快，因此活化能：过程Ⅱ>过程Ⅰ，B项正确；n点时CO2的转化率是80%，则可列“三段式”：
CO2(g)＋3H2(g)H2O(g)＋CH3OH(g)
0.5 1.4 0 0
0.4 1.2 0.4 0.4
0.1 0.2 0.4 0.4
所以该反应的平衡常数K＝＝200，C项错误；过程Ⅰ，t2时刻CO2的转化率降低，说明反应向逆反应方向进行，由于正反应放热，因此改变的反应条件可能是升高温度，D项正确。
答案：C
13．100 kPa时，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)中NO的平衡转化率与温度的关系曲线如图1，反应2NO2(g)N2O4(g)中NO2的平衡转化率与温度的关系曲线如图2。
(1)图1中A、B、C三点表示不同温度、压强下2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)达到平衡时NO的转化率，则________点对应的压强最大。
(2)100 kPa、25 ℃时，2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中N2O4的物质的量分数为________，N2O4的分压p(N2O4)＝________kPa，列式计算平衡常数KP＝________(KP用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
(3)100 kPa、25℃时，V mL NO与0.5V mL O2混合后最终气体的体积为________mL。
解析：(1)图1中曲线为等压线，A、C在等压线下方，B在等压线上方，温度不变时，A、C点相对于等压线，NO的平衡转化率减小，则平衡逆向移动，为减小压强所致，B点相对于等压线，NO的平衡转化率增大，则平衡正向移动，为增大压强所致，故压强最大的点为B点。(2)100 kPa、25 ℃时，NO2的平衡转化率为80%，设起始时NO2的浓度为a，则平衡时NO2的浓度为0.2a、N2O4的浓度为0.4a，故N2O4的物质的量分数为×100%≈66.7%。N2O4的分压p(N2O4)＝100 kPa×66.7%＝66.7 kPa。KP＝＝≈0.06。(3)100 kPa、25℃时，V mL NO与0.5V mL O2生成V mL NO2,2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中NO2的转化率为80%，知平衡时气体的体积为V mL×(1－80%)＋V mL×80%×＝0.6V mL。
答案：(1)B (2)66.7% 66.7 ＝≈0.06 (3)0.6V
14．对于可逆反应CO＋H2O(g)CO2＋H2，回答下列问题：
(1)830 K时，若起始时c(CO)＝2 mol·L－1，c(H2O)＝3 mol·L－1，平衡时CO的转化率为60%，水蒸气的转化率为________；平衡常数K的值为________。
(2)830 K时，若只将起始时c(H2O)改为6 mol·L－1，则水蒸气的转化率为________。
(3)若830 K时，起始浓度c(CO)＝a mol·L－1，c(H2O)＝b mol·L－1，H2的平衡浓度c(H2)＝c mol·L－1，则：
①a、b、c之间的关系式是____________；
②当a＝b时，a＝________c。
解析：(1) CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) 2 3 0 0
转化浓度/(mol·L－1) 1.2 1.2 1.2 1.2
平衡浓度/(mol·L－1) 0.8 1.8 1.2 1.2
K＝＝1，α(H2O)＝×100%＝40%。
(2)设CO的转化浓度为x mol·L－1
CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) 2 6 0 0
转化浓度/(mol·L－1) x x x x
平衡浓度/(mol·L－1) 2－x 6－x x x
K＝＝1，解得x＝1.5，
则α(H2O)＝×100%＝25%。
(3) CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) a b 0 0
转化浓度/(mol·L－1) c c c c
平衡浓度/(mol·L－1) a－c b－c c c
＝1，化简得c＝，当a＝b时，a＝2c。
答案：(1)40% 1 (2)25% (3)①c＝ ②2
核心素养 专项提能
核心素养提升(七) “化学反应速率、化学平衡图像”类型与突破
授课提示：对应学生用书第165页
一 利用图像“断点”探究外因对反应速率的影响
1．当可逆反应达到一种平衡后，若某一时刻外界条件发生改变，都可能使速率时间图像的曲线出现不连续的情况，根据出现“断点”前后的速率大小，即可对外界条件的变化情况作出判断。如图：
t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂或增大压强(仅适用于反应前后气体物质的量不变的反应)。
2．常见含“断点”的速率变化图像分析
图像
t1时刻所改变的条件
温度
升高
降低
升高
降低
正反应为放热的反应
正反应为吸热的反应
压强
增大
减小
增大
减小
正反应为气体物质的量增大的反应
正反应为气体物质的量减小的反应
[典例1] 某密闭容器中充入等物质的量的A和B，一定温度下发生反应A(g)＋xB(g)2C(g)，达到平衡后，在不同的时间段内反应物的浓度随时间的变化如图甲所示，正逆反应速率随时间的变化如图乙所示，下列说法中正确的是( )
A．30～40 min间该反应使用了催化剂
B．化学方程式中的x＝1，正反应为吸热反应
C．30 min时降低温度，40 min时升高温度
D．8 min前A的平均反应速率为0.08 mol·L－1·min－1
[解析] 若使用催化剂，则化学反应速率加快，故A错误；由甲图像可知，A、B的浓度变化相同，故A、B的化学计量数相同，都为1；由乙图像可知，30 min时改变的条件为减小压强，40 min时改变的条件为升高温度，且升高温度平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，故B、C错误；8 min前A的平均反应速率为＝0.08 mol·L－1·min－1，故D正确。
[答案] D
二 突破常规图像
1．图像类型及特点
(1)转化率(或质量分数等)－压强－温度图像
特点：表示两个外界条件同时变化时，A的转化率的变化规律。解决这类图像题，采用“定一议二”法，即把自变量(温度、压强)之一设为恒量，讨论另外两个变量的关系。
特点：曲线上的点表示平衡状态，而X、Y点表示未达平衡状态，使反应由X点达到平衡状态，反应需向B的百分含量减小的方向进行；要使反应由Y点达到平衡状态，反应需向B的百分含量增大的方向进行。
(2)质量分数－时间图像
特点：表示不同条件下反应速率的快慢以及平衡混合物中D的质量分数大小。解题方法是“先拐先平，数值大”，即曲线先出现拐点的首先达到平衡，反应速率快，以此判断温度或压强的高低，再依据外界条件对平衡的影响分析。
(3)特殊图像
①对于化学反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，M点前，表示从反应开始，v正>v逆；M点为刚达到平衡点(如图)；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH<0。
②对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，L线上所有的点都是平衡点(如图)。L线的左上方(E点)，A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量，所以E点v正>v逆；则L线的右下方(F点)，v正
一看面：即看清坐标所代表的意义。
二看线：看准线的走向、变化趋势及量的变化(需作辅助线、等温线、等压线等)。
三看点：弄懂曲线上点的意义，特别是一些特殊点(如起点、交点、转折点、极值点等)。
四看量：看横坐标和纵坐标所表示的物理量的变化。
[典例2] 对于可逆反应：2A(g)＋B(g)2C(g) ΔH<0，下列各图正确的是( )
[解析] 2A(g)＋B(g)2C(g) ΔH<0，反应放热，平衡后升高温度反应逆向移动，c(B)增大，故A错误；加压时正反应速率和逆反应速率都增大，故B错误；温度相同时，加压有利于反应正向进行，故w(C)增大，压强恒定时，升高温度反应逆向进行，w(C)减小，故C正确；压强恒定时，升高温度，反应逆向进行，A的转化率减小，故D错误。
[答案] C
三 化工生产图像分类突破
1．转化率—投料比—温度图像
[典例3] 将燃煤废气中的CO2转化为CH3OCH3的反应原理为2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)
已知在压强为a MPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的转化率见下图：
此反应________(填“放热”或“吸热”)；若温度不变，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，则K将________(填“增大”“减小”或“不变”)。
[解析] 当投料比一定时，温度越高，CO2的转化率越低，所以升温，平衡左移，正反应为放热反应。平衡常数只与温度有关，不随投料比的变化而变化。
[答案] 放热 不变
2．根据图像判断投料比
[典例4] 采用一种新型的催化剂(主要成分是CuMn合金)，利用CO和H2制备CH3OCH3(DME)。
主反应：2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)
副反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)
测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。
则催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为________时最有利于CH3OCH3的合成。
[解析] 由图可知当催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为2.0时，CO的转化率最大，生成的CH3OCH3最多。
[答案] 2.0
3．废物回收及污染处理图像
[典例5] (1)一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气进行回收。反应为
2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l) ΔH＝－270 kJ·mol－1
①其他条件相同、催化剂不同，SO2的转化率随反应温度的变化如图1，Fe2O3和NiO作催化剂均能使SO2的转化率达到最高，不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3的主要优点是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②某科研小组用Fe2O3作催化剂。在380 ℃时，分别研究了[n(CO)∶n(SO2)]为1∶1、3∶1时SO2转化率的变化情况(图2)。则图2中表示n(CO)∶n(SO2)＝3∶1的变化曲线为________。
(2)目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图3，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图4所示。
①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：_____________________________________
________________________________________________________________________。
②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是__________。
(3)汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，这使NOx的有效消除成为环保领域的重要课题。某研究小组在实验室以AgZSM5为催化剂，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图5所示。
若不使用CO，温度超过775 K，发现NO的分解率降低，其可能的原因是
________________________________________________________________________。
在n(NO)/n(CO)＝1的条件下，应控制的最佳温度在________左右。
[答案] (1)①Fe2O3作催化剂时，在相对较低温度可获得较高的SO2转化率，从而节约能源 ②a
(2)①6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O
②350 ℃、负载率3.0%
(3)NO分解反应是放热反应，升高温度不利于分解反应进行 870 K
[素养专项练]
1．已知反应：2SO3(g)2SO2(g)＋O2(g) ΔH>0，某温度下，将2 mol SO3置于10 L密闭容器中，反应达平衡后，SO3的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图甲所示。则下列说法中正确的是( )
①由图甲推断，B点SO2的平衡浓度为0.3 mol·L－1
②由图甲推断，A点对应温度下的平衡常数为1.25×10－3
③达平衡后，压缩容器容积，则反应速率变化图像可以用图乙表示
④相同压强、不同温度下SO3的转化率与温度关系如图丙所示
A．①② B．②③
C．③④ D．①④
解析：三氧化硫起始浓度为＝0.2 mol·L－1，由图甲可知B点SO3的转化率为0.15，根据浓度变化量之比等于化学计量数之比，所以Δc(SO2)＝Δc(SO3)＝0.15×0.2 mol·L－1＝0.03 mol·L－1，故二氧化硫的平衡浓度为0.03 mol·L－1，①错误；A点时，SO3的转化率为0.20，Δc(SO3)＝0.20×0.2 mol·L－1＝0.04 mol·L－1，平衡时，SO3、SO2、O2的浓度分别为0.16 mol·L－1、0.04 mol·L－1、0.02 mol·L－1，则K＝＝1.25×10－3，②正确；压缩体积，相当于增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动，即逆向移动，因体积减小，各物质的浓度增大，故化学反应速率加快，③正确；升高温度平衡向吸热的方向移动，即正向移动，SO3的转化率将增大，与图丙不符，④错误。
答案：B
2．科学家研究以太阳能为热源分解Fe3O4，最终循环分解水制H2，其中一步重要反应为2Fe3O4(s)6FeO(s)＋O2(g) ΔH＝a kJ·mol－1。在一定压强下，Fe3O4的平衡转化率随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法不正确的是( )
A．a>0
B．压强p1＞p2
C．升高温度，该反应的平衡常数增大
D．将体系中O2分离出去，能提高Fe3O4的转化率
解析：根据图像分析，压强一定，温度升高，Fe3O4的平衡转化率升高，该反应为吸热反应，ΔH＞0，即a＞0，A选项正确；温度一定时，压强增大，平衡逆向移动，Fe3O4的平衡转化率降低，故p1＜p2，B选项错误；升高温度，平衡正移，反应的平衡常数增大，C选项正确；将体系中O2分离出去，平衡正向移动，能提高Fe3O4的转化率，D选项正确。
答案：B
3．以二氧化碳和氢气为原料制取乙醇的反应为2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)。某压强下的密闭容器中，按CO2和H2的物质的量之比为1∶3投料，不同温度下平衡体系中各物质的物质的量分数(y%)随温度变化如图所示。下列说法正确的是( )
A．a点的平衡常数小于b点
B．b点，v正(CO2)＝v逆(H2O)
C．a点，H2和H2O的物质的量相等
D．其他条件恒定，充入更多H2，v(CO2)不变
解析：从图像可知，温度越高氢气的含量越高，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，故平衡常数：a>b，A错误；b点只能说明该温度下，CO2和H2O的物质的量分数相等，不能说明v正(CO2)＝v逆(H2O)，B错误；从图像可知，a点H2和H2O的物质的量分数相等，故物质的量相等，C正确；其他条件恒定，充入更多H2，反应物浓度增大，正反应速率增大，v(CO2)也增大，D错误。
答案：C
4．以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示。250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是____________________________________________。
解析：在两条曲线中注意弄清每条曲线所表示的含义，分析两个量之间内在的联系。这里涉及影响反应速率的两个因素：催化剂和温度，弄清影响因素即可。所以，250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低。
答案：温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低
5．研究发现利用NH3可消除硝酸工业尾气中的NO污染。NH3与NO的物质的量之比分别为1∶3、3∶1、4∶1时，NO脱除率随温度变化的曲线如图所示。
(1)曲线a中，NO的起始浓度为6×10－4 mg·m－3，从A点到B点经过0.8 s，该时间段内NO的脱除速率为________mg·m－3·s－1。
(2)曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比是________，其理由是____________。
解析：(1)从A点到B点的浓度变化为(0.75－0.55)×6×10－4 mg·m－3＝1.2×10－4 mg·m－3，脱除速率为＝1.5×10－4 mg·m－3·s－1；(2)根据勒夏特列原理，NH3与NO的物质的量之比越大，NH3的量越多，促使平衡向正反应方向移动，NO的脱除率越大，再根据图像，可推得曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比为3∶1。
答案：(1)1.5×10－4 (2)3∶1 NH3与NO的物质的量之比越大，NO的脱除率越大，a、b、c三曲线对应的NH3与NO的物质的量之比依次为4∶1、3∶1、1∶3
章末新素材命题(七)
授课提示：对应学生用书第168页
[命题新素材]
材料一 过氧化氢化学式为H2O2，其水溶液俗称双氧水。外观为无色透明液体，是一种强氧化剂，由于其还原产物为水，因此在工业上称为绿色氧化剂。其水溶液适用于医用伤口消毒及环境消毒和食品消毒。在一般情况下会分解生成水和氧气，但分解速度极慢，改变条件可以加快反应速度，例如升高温度、加入适当的催化剂(MnO2、某些金属离子如Fe3＋、Cu2＋等)。
[设题新角度]
问题1：0.1 g MnO2粉末加入50 mL H2O2溶液中，测得在标准状况下放出气体的体积和时间的关系如图所示。若溶液的体积保持50 mL不变，计算前3 min H2O2的平均速率。(素养角度——证据推理与模型认知)
问题2：为比较Fe3＋和Cu2＋对H2O2分解的催化效果，某实验小组的同学设计了如图所示的实验装置进行实验。
有同学认为上述实验设计不合理，不能得出相应的结论。请简述理由并提出改进措施。(素养角度——科学探究与创新意识)
问题1.提示：前3 min H2O2反应放出50 mL O2，H2O2的分解反应的化学方程式为2H2O22H2O＋O2↑，则Δn(H2O2)＝×2≈0.004 46 mol，
v(H2O2)＝≈0.03 mol·L－1·min－1。
问题2.提示：二者的阴离子不同，对实验会造成干扰。为消除阴离子不同造成的干扰，可将0.1 mol·L－1的FeCl3溶液改为0.05 mol·L－1的Fe2(SO4)3溶液，或者将0.1 mol·L－1的CuSO4溶液改为0.1 mol·L－1的CuCl2溶液。
[命题新素材]
材料二 温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。 自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列极其严重的问题，引起了全世界各国的关注。近年我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展，其反应为3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－48.9 kJ·mol－1。
[设题新角度]
问题1：为提高CH3OH的产率，理论上应采用什么样的条件？(素养角度——变化观念与平衡思想)
问题2：250 ℃，在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，下图为不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时某反应物X平衡转化率变化曲线。判断反应物X是CO2还是H2。(素养角度——证据推理与模型认知)
问题3：催化剂和反应条件与反应物转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，有如下四组实验数据：
实验编号
温度/K
催化剂
CO2转化率/%
甲醇选择性/%
A
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
B
543
Cu/ZnO纳米片
11.9
72.7
C
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
D
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
70.6
根据上表所给数据，判断用CO2生产甲醇的最佳选项。(素养角度——科学探究与创新意识)
问题1 提示：根据热化学方程式可知，生成CH3OH的方向是放热反应方向，也是气体体积减小的方向，因此提高CH3OH的产率，需要降低温度、增大压强。
问题2 提示：观察图中的横坐标，其物理量为，若假设n(CO2)为定值，则X的转化率随n(H2)的增大而增大，则X为CO2。
问题3 提示：选择性是指产物的专一性，在一个化学反应中若有多个产物，其中某一产物是目标产物，若这个物质的产率越高，说明该反应的选择性越好。观察四组数据，相比之下，B、D的选择性很高，且B的CO2转化率比D稍低些，但是B的CH3OH的选择性高出了不少，故最佳选项为B。
[命题新素材]
材料三 改革开放以来，我国的经济发展取得了辉煌成绩，人民生活水平不断提高，从20世纪70年代出行基本靠走到如今私家车进入千家万户，家庭出行交通工具发生了质的飞跃。汽车走进寻常百姓家，给人们的生活带来便利，车水马龙的车流让马路变得热闹。但是汽车保有量的增多也给我们的环境带来了严重的问题，尾气中的主要污染物有CxHy、NOx、CO、SO2及固体颗粒物等。研究汽车尾气的成分及其发生的反应，可以为更好地治理汽车尾气提供技术支持。
[设题新角度]
问题1：在T1、T2温度下，一定量的NO发生分解反应时，N2的体积分数随时间变化如图所示，根据图像判断反应N2(g)＋O2(g)2NO(g)是放热反应还是吸热反应。(素养角度——变化观念与平衡思想)
问题2：汽车排气装置中的三元催化装置，可以利用反应2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)实现气体的无害化排放。T ℃时，在恒容的密闭容器中通入一定量的CO和NO，能自发进行上述反应，测得不同时间CO和NO的浓度如下表：
时间/s
0
1
2
3
4
5
c(NO)/ (10－3mol·L－1)
1.00
0.45
0.25
0.15
0.10
0.10
c(CO)/ (10－3mol·L－1)
3.60
3.05
2.85
2.75
2.70
2.70
计算该温度下的反应的平衡常数K。(素养角度——证据推理与模型认知)
问题3：尾气中的NO2通常会发生反应2NO2(g)N2O4(g)，在100 kPa时NO2的平衡转化率与温度的关系曲线如图所示。
计算100 kPa、25 ℃时，反应2NO2(g)N2O4(g)的平衡常数Kp。(Kp用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)(素养角度——证据推理与模型认知)
问题1 提示：由温度高时反应速率快，达到平衡的时间短，判断T2＞T1，由图像可知，温度高时，N2的体积分数小，即升高温度会使平衡正向移动，则该反应的正反应为吸热反应，ΔH＞0。
问题2 提示：据表中数据，平衡时，c(NO)＝0.10×10－3 mol·L－1，c(CO)＝2.70×10－3 mol·L－1，根据化学反应方程式：2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)，则平衡时，c(N2)＝0.45×10－3 mol·L－1，c(CO2)＝0.9×10－3 mol·L－1，则平衡常数为
K＝＝＝5 000。
问题3.提示：100 kPa、25 ℃时，2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中，由图可知，NO2的平衡转化率为80%，设NO2的起始量为1 mol，则其变化量为0.8 mol，N2O4的变化量为0.4 mol，NO2和N2O4的平衡量分别为0.2 mol和0.4 mol，则平衡体系中，NO2和N2O4的体积分数分别为和，因此，平衡常数Kp＝＝0.06。
第23讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向
目标要求
核心素养
1.了解化学平衡常数(K)的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。
2.能正确计算化学反应的转化率(α)。
3.了解化学反应的方向与化学反应的焓变与熵变的关系。
4.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焓变和熵变判断化学反应的方向。
5.了解化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
1.变化观念与平衡思想：能从化学平衡常数的角度分析化学反应，运用化学平衡常数解决问题。能多角度、动态地分析化学反应的转化率，运用化学反应原理解决实际问题。
2.证据推理与模型认知：知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。能运用模型(Qc与K的关系)解释化学平衡的移动，揭示现象的本质和规律。
3.科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能运用化学平衡原理对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断。
考点1 化学平衡常数及其应用
授课提示：对应学生用书第158页
1．概念
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，这个常数称为化学平衡常数，用符号K表示。
2．表达式
对于反应：mA(g)＋nB(g)pC(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)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。
(2)K只受温度的影响，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．应用
(1)判断可逆反应进行的程度。
(2)判断化学反应进行的方向
对于可逆反应：aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，在一定温度下的任意时刻，反应物与生成物浓度有如下关系：
＝Q称为浓度商。
Q
(3)判断可逆反应的热效应
1．书写下列化学平衡的平衡常数表达式。
(1)Cl2＋H2OHCl＋HClO
(2)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)
(3)CH3COOH(g)＋C2H5OH(g)CH3COOC2H5(g)＋H2O(g)
(4)CO＋H2OHCO＋OH－
(5)CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)
提示：(1)K＝ (2)K＝
(3)K＝
(4)K＝
(5)K＝c(CO2)
2．一定温度下，分析下列三个反应的平衡常数的关系：
①N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) K1
②N2(g)＋H2(g)NH3(g) K2
③2NH3(g)N2(g)＋3H2(g) K3
(1)K1和K2，K1＝________。
(2)K1和K3，K1＝________。
提示：(1)K (2)
(1)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度。(×)
(2)增大反应物的浓度，平衡正向移动，化学平衡常数增大。(×)
(3)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。(√)
(4)对某一可逆反应，升高温度则化学平衡常数一定变大。(×)
(5)平衡常数发生变化，化学平衡必定发生移动。(√)
(6)反应A(g)＋3B(g)2C(g)达到平衡后，温度不变，增大压强，平衡正向移动，平衡常数增大。(×)
题组一 化学平衡常数及影响因素
1．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．恒温条件下压缩容器的体积，平衡不移动，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．恒温恒压条件下，通入氦气，平衡正向移动，平衡常数K不发生变化
解析：固态浓度为“常数”，视为“1”，不需写入平衡常数表达式，A项错误；增大压强平衡逆向移动，B项错误；升温该反应正向进行，K增大，C项错误；恒压条件下，通入氦气，容器体积增大，平衡向气体体积增大的方向移动，即平衡正向移动，K只与温度有关，温度不变，K不发生变化，D项正确。
答案：D
2．O3是一种很好的消毒剂，具有高效、洁净、方便、经济等优点。O3可溶于水，在水中易分解，产生的[O]为游离氧原子，有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生的反应如下：
反应① O3O2＋[O] ΔH＞0 平衡常数为K1；
反应② [O]＋O32O2 ΔH＜0 平衡常数为K2；
总反应：2O33O2 ΔH＜0 平衡常数为K。
下列叙述正确的是( )
A．降低温度，总反应K减小 B．K＝K1＋K2
C．适当升温，可提高消毒效率 D．压强增大，K2减小
解析：降温，总反应平衡向右移动，K增大，A项错误；K1＝、K2＝、K＝＝K1·K2，B项错误；升高温度，反应①平衡向右移动，c([O])增大，可提高消毒效率，C项正确；对于给定的反应，平衡常数只与温度有关，D项错误。
答案：C
题组二 化学平衡常数的应用
3．在体积为1 L的密闭容器中，进行如下化学反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，化学平衡常数K与温度T的关系如表：
T/℃
700
800
850
1 000
1 200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题：
(1)升高温度，化学平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。
(2)若某温度下，平衡浓度符合下列关系：
c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，此时的温度为________；在此温度下，若该容器中含有1 mol CO2、1.2 mol H2、0.75 mol CO、1.5 mol H2O，则此时反应所处的状态为________(填“向正反应方向进行中”“向逆反应方向进行中”或“平衡状态”)。
解析：(1)由表格数据可知，随着温度升高，平衡常数增大，说明化学平衡向正反应方向移动；(2)由c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，则计算出K＝1.0，即此时温度为850 ℃，此温度下Q＝＝≈0.94<1.0，故反应所处的状态为向正反应方向进行中。
答案：(1)正反应 (2)850 ℃ 向正反应方向进行中
题组三 命题新热点——推导平衡常数的两种方法
4．研究氮氧化物与悬浮在大气中海盐粒子的相互作用时，涉及如下反应：
2NO2(g)＋NaCl(s)NaNO3(s)＋ClNO(g) K1
2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g) K2
则4NO2(g)＋2NaCl(s)2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)的平衡常数K＝________(用K1、K2表示)。
解析：K1＝，K2＝，K＝，所以K＝。
答案：
5．升高温度绝大多数的化学反应速率增大，但是2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的速率却随温度的升高而减小。某化学小组为研究特殊现象的实质原因，查阅资料知：
2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步：
①2NO(g)N2O2(g)(快)
v1正＝k1正·c2(NO)，v1逆＝k1逆·c(N2O2) ΔH1＜0
②N2O2(g)＋O2(g)2NO2(g)(慢)
v2正＝k2正·c(N2O2)·c(O2)
v2逆＝k2逆·c2(NO2) ΔH2＜0
一定温度下，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)达到平衡状态，请写出用k1正、k1逆、k2正、k2逆表示的平衡常数表达式K＝______________________________________________。
解析：由反应达到平衡状态可知，v1正＝v1逆、v2正＝v2逆，所以v1正·v2正＝v1逆·v2逆，即k1正·c2(NO)×k2正·c(N2O2)·c(O2)＝k1逆·c(N2O2)·k2逆·c2(NO2)，则K＝＝。
答案：
考点2 化学平衡常数、转化率的计算
授课提示：对应学生用书第159页
1．一个模式——“三段式”
如mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量浓度分别为a mol·L－1、b mol·L－1，达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mx mol·L－1。
mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)
c始/(mol·L－1) a b 0 0
c转/(mol·L－1) mx nx px qx
c平/(mol·L－1) a－mx b－nx px qx
K＝。
2．明确三个量的关系
(1)三个量：即起始量、变化量、平衡量。
(2)关系
①对于同一反应物，起始量－变化量＝平衡量。
②对于同一生成物，起始量＋变化量＝平衡量。
③各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。
3．掌握四个公式
(1)反应物的转化率＝×100%＝×100%。
(2)生成物的产率：实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲，转化率越大，原料利用率越高，产率越大。产率＝×100%。
(3)混合物组分的百分含量＝×100%。
(4)某组分的体积分数＝×100%。
模型构建：计算压强平衡常数的思维模型
在化学平衡体系中，用各气体物质的分压代替浓度，计算的平衡常数叫压强平衡常数。
题组一 化学平衡常数与转化率相结合的计算
1．加热N2O5依次发生的分解反应为①N2O5N2O3＋O2，②N2O3N2O＋O2；在2 L密闭容器中充入8 mol N2O5，加热到t ℃，达到平衡状态后O2为9 mol，N2O3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
解析：设分解的N2O3物质的量为x，反应过程中共生成N2O3(x＋3.4)mol，在①反应中N2O5分解了(x＋3.4)mol，同时生成O2(x＋3.4)mol。在②反应中生成氧气x mol。
则(x＋3.4)＋x＝9，
求得x＝2.8。
所以平衡后N2O5、N2O3、O2浓度依次为
c(N2O5)＝(8－2.8－3.4)÷2＝0.9 (mol·L－1)，
c(N2O3)＝3.4÷2＝1.7 (mol·L－1)，
c(O2)＝9÷2＝4.5 (mol·L－1)，
反应①的平衡常数：
K＝＝＝8.5 (mol·L－1)。
答案：B
2．已知可逆反应：M(g)＋N(g)P(g)＋Q(g) ΔH＞0，请回答下列问题：
(1)在某温度下，反应物的起始浓度分别为c(M)＝1 mol·L－1，c(N)＝2.4 mol·L－1；达到平衡后，M的转化率为60%，此时N的转化率为________。
(2)若反应温度升高，M的转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为c(M)＝4 mol·L－1，c(N)＝a mol·L－1；达到平衡后，c(P)＝2 mol·L－1，a＝________。
(4)若反应温度不变，反应物的起始浓度为c(M)＝c(N)＝b mol·L－1，达到平衡后，M的转化率为________。
解析：(1)M(g) ＋ N(g) P(g)＋Q(g)
始态 1 mol·L－1 2.4 mol·L－1 0 0
变化量1 mol·L－1×60% 1 mol·L－1×60%
因此N的转化率为×100%＝25%。
(2)由于该反应的ΔH＞0，即该反应为吸热反应，因此升高温度，平衡右移，M的转化率增大。
(3)根据(1)可求出各物质的平衡浓度：c(M)＝0.4 mol·L－1，
c(N)＝1.8 mol·L－1，c(P)＝0.6 mol·L－1，c(Q)＝0.6 mol·L－1。
因此化学平衡常数K＝＝＝。
由于温度不变，因此K不变，达到平衡后
c(P)＝2 mol·L－1，c(Q)＝2 mol·L－1，c(M)＝2 mol·L－1，c(N)＝(a－2)mol·L－1，
K＝＝＝，
解得a＝6。
(4)设M的转化率为x，则达到平衡后各物质的平衡浓度分别为c(M)＝b(1－x)mol·L－1，c(N)＝b(1－x)mol·L－1，c(P)＝bx mol·L－1，c(Q)＝bx mol·L－1。
K＝＝＝，解得x≈41%。
答案：(1)25% (2)增大 (3)6 (4)41%
题组二 压强平衡常数及其计算
3．一定量的CO2与足量的C在恒压密闭容器中发生反应：C(s)＋CO2(g)2CO(g) ΔH＝＋173 kJ·mol－1，若压强为p kPa，平衡时体系中气体体积分数与温度的关系如图所示，回答下列问题：
(1)650 ℃时CO2的平衡转化率为________。
(2)t1℃时平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)；该温度下达平衡后若再充入等物质的量的CO和CO2气体，则平衡__________(填“正向”“逆向”或“不”)移动，原因是________________________________。
解析：(1)650 ℃，平衡时CO2的体积分数为60%，设其物质的量为0.6 mol，则平衡时CO的物质的量为0.4 mol，起始时CO2的物质的量为0.6 mol＋×0.4 mol＝0.8 mol，故CO2的平衡转化率为×100%＝25%。(2)t1 ℃，平衡时CO与CO2的体积分数相等，其平衡分压均为0.5p kPa，则此时的平衡常数为Kp＝＝0.5p。
答案：(1)25% (2)0.5p 不 Qp＝Kp
借助题链，破解平衡常数的命题角度
授课提示：对应学生用书第160页
题链
1
压强平衡常数
[典例1] 乙醇是重要的有机化工原料，可由乙烯直接水合法或间接水合法生产。乙烯气相直接水合反应C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)，回答下列问题：
如图为气相直接水合法中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系[其中n(H2O)∶n(C2H4)＝1∶1]。
列式计算乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
[解析] A点乙烯的平衡转化率是20%。根据反应列三段式：
CH2===CH2＋H2OC2H5OH
起始 1 mol 1 mol 0
转化 0.2 mol 0.2 mol 0.2 mol
平衡 0.8 mol 0.8 mol 0.2 mol
则平衡时乙烯的分压：p(C2H4)＝7.85 MPa×0.8 mol/1.8 mol≈3.488 9 MPa，
水蒸气的分压：p(H2O)＝7.85 MPa×0.8 mol/1.8 mol≈3.488 9 MPa，
乙醇的分压：p(C2H5OH)＝7.85 MPa×0.2 mol/1.8 mol≈0.872 2 MPa，
则平衡常数Kp＝＝0.872 2 MPa/(3.488 9 MPa×3.489 9 MPa)≈0.07 MPa－1。
[答案] 0.07 MPa－1
题链
2
平衡常数、质量作用定律
[典例2] Bodenstein研究了下列反应：
2HI(g)H2(g)＋I2(g)
在716 K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表：
t/min
0
20
40
60
80
120
x(HI)
1
0.91
0.85
0.815
0.795
0.784
x(HI)
0
0.60
0.73
0.773
0.780
0.784
(1)根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为_______________________。
(2)上述反应中，正反应速率为v正＝k正·x2(HI)，逆反应速率为v逆＝k逆·x(H2)·x(I2)，其中k正、k逆为速率常数，则k逆为________(以K和k正表示)。
[解析] (1)注意表格中的两列数据是正向和逆向的两组数据。716 K时，取第一行数据计算：
2HI(g) H2(g) ＋ I2(g)
n(始)(取1 mol) 1 0 0
Δn(mol) 0.216 0.108 0.108
n(平)(mol) 0.784 0.108 0.108
化学平衡常数为K＝＝。
(2)问题的要点是：平衡状态下，v正＝v逆，
故有：k正·x2(HI)＝k逆·x(H2)·x(I2)，
变形：k正/k逆＝x(H2)·x(I2)/x2(HI)＝K，
故有：k逆＝k正/K。
[答案] (1)K＝
(2)k正/K
题链
3
平衡常数
[典例3] 元素铬(Cr)在溶液中主要以Cr3＋(蓝紫色)、[Cr(OH)](绿色)、Cr2O(橙红色)、CrO(黄色)等形式存在，Cr(OH)3为难溶于水的灰蓝色固体，回答下列问题：
CrO和Cr2O在溶液中可相互转化。室温下，初始浓度为1.0 mol·L－1的Na2CrO4溶液中c(Cr2O)随c(H＋)的变化如图所示。
(1)用离子方程式表示Na2CrO4溶液中的转化反应：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)由图A点数据，计算该转化反应的平衡常数为____________。
[解析] 根据反应并结合A点数据，列三段式：
2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O
起始/(mol·L－1) 1.0 0
转化/(mol·L－1) 0.5 0.25
平衡/(mol·L－1) 0.5 1.0×10－7 0.25
K＝＝＝1．0×1014。
[答案] (1)2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O
(2)1.0×1014
考点3 化学反应进行的方向
授课提示：对应学生用书第161页
1．自发反应
在一定条件下无须外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。
2．熵、熵变
(1)熵的概念：衡量体系混乱度的物理量，其符号为S。
(2)熵的特点：混乱度越大，体系越无序，体系的熵值就越大。
(3)熵的影响因素：
①相同条件下，物质不同，熵不同；
②同一物质：S(g)＞S(l)＞S(s)。
(4)熵变：即熵的变化，符号为ΔS。
(5)正负判断依据：
①物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程，ΔS＞0，是熵增加的过程；
②气体体积增大的反应，熵变通常都是ΔS＞0，是熵增加的反应；
③气体体积减小的反应，熵变通常都是ΔS＜0，是熵减小的反应。
3．判断化学反应方向的判据
ΔG＝ΔH－TΔS
ΔG<0时，反应能自发进行；
ΔG＝0时，反应达到平衡状态；
ΔG>0时，反应不能自发进行。
(1)放热过程均可以自发进行， 吸热过程均不能自发进行。(×)
(2)CaCO3CaO＋CO2↑是一个熵增的过程。(√)
(3)焓变是影响反应是否具有自发性的唯一因素。(×)
(4)ΔH＜0、ΔS＞0时，反应能自发进行。(√)
(5)熵增的反应一定能自发进行。(×)
归纳整合：焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响
ΔH
ΔS
ΔH－TΔS
反应情况
－
＋
永远是负值
在任何温度下均能自发进行
＋
－
永远是正值
在任何温度下均不能自发进行
＋
＋
低温为正；高温为负
低温时不能自发进行；高温时能自发进行
－
－
低温为负；高温为正
低温时能自发进行；高温时不能自发进行
1．下列内容与结论不对应的是( )
选项
内容
结论
A
H2O(g)变成H2O(l)
该过程的ΔS＞0
B
硝酸铵溶于水可自发进行
因为ΔS＞0
C
一个反应的ΔH＞0、ΔS＜0
该反应一定不能自发进行
D
H2(g)＋F2(g)===2HF(g)的ΔH＝－271 kJ·mol－1、ΔS＝8 J·mol－1·K－1
该反应在任何温度下均可自发进行
答案：A
2．(2021·哈尔滨模拟)下列说法中不正确的是( )
A．反应SiO2(s)＋2C(s)===Si(s)＋2CO(g)只能在高温下自发进行，则该反应的ΔH＞0
B．反应3C(s)＋CaO(s)===CaC2(s)＋CO(g)在常温下不能自发进行，说明该反应的ΔH＞0
C．反应BaSO4(s)＋4C(s)===BaS(s)＋4CO(g)在室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH＜0
D．反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)在常温下能够自发进行，则该反应的ΔH＜0
答案：C
3．灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以制造器皿。现把白锡制成的器皿放在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用(已知在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡反应的焓变和熵变分别为ΔH＝－2.180 9 kJ·mol－1，ΔS＝－6.6 J·mol－1·K－1，当ΔH－TΔS<0时能自发反应)( )
A．会变 B．不会变
C．不能确定 D．升高温度才会变
答案：A
4．(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO，有人设想按下列反应除去CO：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)。已知该反应的ΔH＞0，判断该设想能否实现并写出依据：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2，化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。若反应能够自发进行，则反应的ΔH________(填“＞”“＜”或“＝”)0。
解析：(1)2CO(g)===2C(s)＋O2(g)，该反应是焓增、熵减的反应。根据ΔG＝ΔH－TΔS＞0，该设想不能实现。
(2)该反应为熵减反应，能自发进行，说明ΔH＜0。
答案：(1)该设想不能实现，因为该反应是焓增、熵减的反应，任何温度下均不能自发进行 (2)＜
5．①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g) ΔH＝－515 kJ·mol－1
②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)
ΔH＝－353 kJ·mol－1，上述①②反应在热力学上趋势均很大的原因是_____________，
其中反应ΔS>0的是反应________。
答案：两个反应均为放热量大的反应 ①
化学反应原理在物质制备中的调控作用
授课提示：对应学生用书第162页
一、控制反应条件的目的
1．促进有利的化学反应：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。
2．抑制有害的化学反应：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。
二、控制反应条件的基本措施
1．控制化学反应速率的措施
通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。
2．提高转化率的措施
通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。
三、以工业合成氨为例，理解运用化学反应原理选择化工生产中的适宜条件
1．反应原理：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
2.
3．从反应快慢和反应限度两个角度选择反应条件
4．综合考虑——选择适宜的生产条件
(1)温度：400～500 ℃
(2)压强：10～30 MPa
(3)投料比：＝
(4)以铁触媒作催化剂
(5)采用循环操作提高原料利用率
[考能突破练]
1．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇(CH3CH2OH)已成为现实：
2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)
下列叙述错误的是( )
A．使用CuZnFe催化剂可大大提高生产效率
B．升高温度，该反应平衡常数K一定增大
C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O，可提高CO2和H2的利用率
答案：B
2．CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH________(填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250 ℃ 、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：< 在1.3×104 kPa下，CO的转化率已经较高，再增大压强，CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失
3．利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：TaS2(s)＋2I2(g)TaI4(g)＋S2(g) ΔH>0 如图所示，反应在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的TaS2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1________(填“>”“<”或“＝”)T2。上述反应体系中循环使用的物质是________。
答案：< I2
4．合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，一种工业合成氨的简易流程图如下：
(1)天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式：_________________。
(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下：
①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) ΔH＝＋206.4 kJ·mol－1
②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2 kJ·mol－1
对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2的百分含量，又能加快反应速率的措施是________(填字母)。
a．升高温度 b．增大水蒸气浓度
c．加入催化剂 d．降低压强
利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2的产量。若1 mol CO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应，得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合气体，则CO转化率为________。
(3)图1表示500 ℃，60.0 MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：________。
(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图2坐标中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图。
(5)上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：__________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)由题给反应信息不难写出再生反应的化学方程式为2NH4HS＋O22S↓＋2NH3·H2O。
(2)增大水蒸气浓度，平衡右移，但H2百分含量不一定提高；加入催化剂，对平衡无影响，不能提高H2百分含量；降低压强，反应速率减慢。
设达到平衡时CO转化了x mol。
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
n起始 0.2 mol 0 mol 0.8 mol
n平衡 (0.2－x)mol x mol (0.8＋x)mol
(0.2－x)＋x＋(0.8＋x)＝1.18，解得x＝0.18，αCO＝×100%＝90%。
(3)方法1：设达到平衡时N2转化了x mol。
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
n起始 n mol 3n mol 0
n平衡 (n－x) mol (3n－3x) mol 2x mol
×100%＝42%，x＝0.592n。
故N2的平衡体积分数＝×100%＝×100%≈14.5%。
方法2：由N2、H2按1∶3投料，N2与H2又按照1∶3发生反应，故从反应开始到反应平衡，N2和H2之比始终为1∶3。N2的平衡体积分数＝×(1－42%)＝14.5%。
(4)反应初期，NH3从无到有，在未达到平衡前，NH3物质的量是增大的，达到平衡后，温度升高，平衡逆向移动，NH3物质的量逐渐减小，曲线见答案。
(5)通过热交换器(步骤Ⅳ)，加热进入合成塔的原料气，同时冷却从合成塔出来的平衡混合气。提高原料总转化率的方法有：①对N2、H2加压；②将产物NH3液化分离，减小生成物浓度；③将未反应的N2、H2循环使用。
答案：(1)2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓
(2)a 90% (3)14.5% (4)
(5)Ⅳ 对原料气加压；分离液氨后，未反应的N2、H2循环使用
1.必记1个表达式——化学平衡常数表达式
对于可逆反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，
K＝。
2.牢记影响化学平衡常数的1个因素——温度
化学平衡常数仅与温度有关，与反应物、生成物的浓度无关。
3.掌握平衡常数K的应用
(1)判断反应进行的程度。
(2)判断反应进行的方向。
(3)判断反应的热效应。
(4)计算物质的含量、转化率、平衡浓度等。
4.判断化学反应方向的判据：ΔG＝ΔH－TΔS
(1)ΔG＜0时，反应能自发进行。
(2)ΔG＝0时，反应达平衡状态。
(3)ΔG＞0时，反应不能自发进行。
授课提示：对应学生用书第163页
1．(2020·高考全国卷Ⅰ节选)硫酸是一种重要的基本化工产品。接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化：SO2(g)＋O2(g)SO3(g) ΔH＝－98 kJ·mol－1。回答下列问题：
(1)当SO2(g)、O2(g)和N2(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，SO2平衡转化率α随温度的变化如图所示。反应在5.0 MPa、550 ℃时的α＝________，判断的依据是________。影响α的因素有________。
(2)将组成(物质的量分数)为2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% 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SO2转化率为α，则SO3压强为________，平衡常数Kp＝________(以分压表示，分压＝总压×物质的量分数)。
(3)研究表明，SO2催化氧化的反应速率方程为：
v＝k0.8(1－nα′)
式中：k为反应速率常数，随温度t升高而增大；α为SO2平衡转化率，α′为某时刻SO2转化率，n为常数。在α′＝0.90时，将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程，得到vt曲线，如图所示。
曲线上v最大值所对应温度称为该α′下反应的最适宜温度tm。t
解析：(1)反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的正反应是气体总分子数减少的放热反应，其他条件相同时，增大压强，平衡正向移动，SO2平衡转化率增大，则图中p1＝5.0 MPa，p3＝0.5 MPa。由图可知，反应在5.0 MPa、550 ℃时SO2的平衡转化率α＝0.975。温度、压强和反应物的起始浓度(组成)都会影响SO2的平衡转化率α，温度一定时，压强越大，α越大；压强一定时，温度越高，α越小。
(2)在温度t、压强p条件下进行反应，平衡时SO2转化率为α，由于N2对反应无影响，可认为混合气体由SO2和O2组成，则有2m%＋m%＝1，设SO2有2m mol，则O2有m mol，利用“三段式法”计算：
SO2(g) ＋ O2(g)SO3(g)
起始量/mol 2m m 0
转化量/mol 2mα mα 2mα
平衡量/mol 2m×(1－α) m×(1－α) 2mα
平衡时混合气体的总物质的量为2m×(1－α)mol＋m×(1－α)mol＋2mα mol＝(3m－mα)mol，由于2m%＋m%＝1，SO3的物质的量分数为[2mα mol/(3m－mα)mol]×100%＝[2mα/(3m－mα)]×100%，则平衡时SO3的压强为p×[2mα/(3m－mα)]×100%＝p。平衡时，SO2、O2的压强分别为p、p，则平衡常数Kp＝＝。
(3)在α′＝0.90时，SO2催化氧化的反应速率为v＝
k0.8·(1－0.90n)。升高温度，k增大使v逐渐提高，但α降低使v逐渐下降。t
答案：(1)0.975 该反应气体分子数减少，增大压强，α提高。5.0 MPa>2.5 MPa＝p2，所以p1＝5.0 MPa 温度、压强和反应物的起始浓度(组成)
(2)p
(3)升高温度，k增大使v逐渐提高，但α降低使v逐渐下降。t
2．(2020·高考全国卷Ⅱ节选)天然气的主要成分为CH4，一般还含有C2H6等烃类，是重要的燃料和化工原料。
(1)乙烷在一定条件可发生如下反应：C2H6(g)===C2H4(g)＋H2(g) ΔH1，相关物质的燃烧热数据如下表所示：
物质
C2H6(g)
C2H4(g)
H2(g)
燃烧热ΔH/( kJ·mol－1)
－1 560
－1 411
－286
容器中通入等物质的量的乙烷和氢气，在等压下(p)发生上述反应，乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
(2)高温下，甲烷生成乙烷的反应如下：2CH4C2H6＋H2。反应在初期阶段的速率方程为r＝k×cCH4，其中k为反应速率常数。
①设反应开始时的反应速率为r1，甲烷的转化率为α时的反应速率为r2，则r2＝________ r1。
②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是________。
A．增加甲烷浓度，r增大
B．增加H2浓度，r增大
C．乙烷的生成速率逐渐增大
D．降低反应温度，k减小
答案：(1)×p
(2)①1－α ②AD
3．(2019·高考全国卷Ⅰ节选)水煤气变换[CO(g)＋H2O(g)===CO2(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)Shibata曾做过下列实验：
①使纯H2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H2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________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H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2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
解析：(1)根据题目提供的实验数据可知用H2还原CoO制取金属Co，反应的化学方程式为H2(g)＋CoO(s)Co(s)＋H2O(g)，平衡混合气体中H2的物质的量分数为0.025 0, K1＝c(H2O)/c(H2)＝(1－0.025 0)/0.025 0＝39；CO还原CoO制取金属Co的化学方程式为CO(g)＋CoO(s)Co(s)＋ CO2(g)，平衡混合气体中CO的物质的量分数为0.019 2，K2＝c(CO2)/c(CO)＝(1－0.019 2)/0.019 2 ≈51.08。K1＜K2，说明还原CoO制取金属Co的倾向CO大于H2。
(2)H2(g)＋CoO(s)Co(s)＋ H2O(g)①
CO(g)＋CoO(s)Co(s)＋ CO2(g)②
②－①可得CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋ H2(g)
设起始CO、H2O的物质的量为a mol，转化的物质的量为x mol，容器容积为1 L，则：
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
a a 0 0
x x x x
a－x a－x x x
则该反应的K＝x2/(a－x)2＝K2/K1 ≈1.31，求得：x≈0.534a，则平衡时H2的物质的量分数约为＝0.267。
答案：(1)大于 (2)C
4．(2019·高考全国卷Ⅱ)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：
(1)已知：(g)===(g)＋H2(g)
ΔH1＝100.3 kJ·mol－1 ①
H2(g)＋I2(g)===2HI(g)
ΔH2＝－11.0 kJ·mol－1 ②
对于反应：(g)＋I2(g)(g)＋2HI(g) ③
ΔH3＝________kJ·mol－1。
(2)某温度下，等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应③，起始总压为105 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Kp＝_______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
解析：(1)根据盖斯定律可得，反应①＋②可得反应③，则ΔH3＝ΔH1＋ΔH2＝100.3 kJ•mol－1 －11.0 kJ·mol－1＝89.3 kJ·mol－1。
(2)设碘和环戊烯的物质的量均为1 mol，达平衡时转化的物质的量为x mol，由题意得：
(g)＋I2(g) (g)＋2HI(g)
1 1 0 0
x x x 2x
1－x 1－x x 2x
平衡时，容器内气体总物质的量为(2＋x) mol，
则有×100%＝20%，解得x＝0.4，则环戊烯的转化率为×100%＝40%，
总压强为105 Pa×(1＋20%)＝1.2×105 Pa，
因此平衡时各气体的分压分别为p()＝1.2×105 Pa×＝0.3×105 Pa，
p(I2)＝1.2×105 Pa×＝0.3×105 Pa，
p()＝1.2×105 Pa×＝0.2×105 Pa，
p(HI)＝1.2×105 Pa×＝0.4×105 Pa，
反应的平衡常数＝≈3.56×104 Pa。
欲增加环戊烯的平衡转化率，则平衡正向移动，由于该反应是吸热反应，因此升温可使平衡正向移动；增加碘的浓度，平衡正向移动，环戊烯的转化率提高。
答案：(1)89.3 (2)40% 3.56×104 BD
课时作业 单独成册 对应学生用书第349页
[A组 基础题组]
1．只改变一个影响化学平衡的因素，平衡常数K与化学平衡移动的关系叙述不正确的是( )
A．K值不变，平衡可能移动
B．平衡向右移动时，K值不一定变化
C．K值有变化，平衡一定移动
D．相同条件下，同一个反应的方程式的化学计量数增大2倍，K值也增大2倍
解析：因改变压强或浓度引起化学平衡移动时，K值不变，A项和B项均正确；K值只与温度有关，K值发生了变化，说明体系的温度改变，则平衡一定移动，C项正确；相同条件下，同一个反应的方程式的化学计量数增大2倍，K值应该变为K，D项错误。
答案：D
2．对于处于化学平衡状态的反应CO＋H2O(g)CO2＋H2，K正代表正反应的平衡常数，K逆代表逆反应的平衡常数，下列有关说法正确的是( )
A．K正＝K逆 B．K正＞K逆
C．K正＜K逆 D．K正·K逆＝1
答案：D
3．某工业生产中发生反应：2A(g)＋B(g)2M(g) ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是( )
A．这是一个放热的熵减反应，在低温条件下该反应一定可自发进行
B．若物质B价廉易得，工业上一般采用加入过量的B，以提高A的转化率
C．工业上一般采用较高温度合成M，因温度越高，反应物的转化率越高
D．工业生产中常采用催化剂，因为使用催化剂可提高反应物的转化率
解析：这是一个放热的熵减反应，只有当ΔH－TΔS<0时，该反应才能自发进行，A错误；加入过量的B，可以提高A的转化率，B正确；升高温度，平衡逆向移动，反应物的转化率降低，C错误；使用催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，不能提高反应物的转化率，D错误。
答案：B
4．反应：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＜0达到平衡后，只改变一个反应条件，下列所画示意图不正确的是( )
解析：升温，化学平衡逆向移动，CH3OH产率降低，A正确；升温，CO的转化率降低，B不正确；加压，化学平衡正向移动，H2的转化率升高，C正确；增大压强，平衡常数不变，D正确。
答案：B
5．已知反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s)和反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g)，在相同的某温度下的平衡常数分别为K1和K2，该温度下反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)的平衡常数为K。则下列说法正确的是( )
A．反应①的平衡常数K1＝
B．反应③的平衡常数K＝
C．对于反应③，恒容时升高温度，H2浓度减小，则该反应为吸热反应
D．对于反应②，恒温恒容下增大压强，H2浓度一定增大
解析：反应①的平衡常数K1＝，固体浓度按1计，故A错误；反应③可由①－②得到，故反应③的平衡常数K＝，B正确；对于反应③，恒容时升高温度，H2浓度减小，平衡逆向移动，则该反应为放热反应，C错误；对于反应②，恒温恒容下，压强增大，H2浓度不变，故D错误。
答案：B
6．已知，相关数据见下表：
编号
化学方程式
平衡常数
温度
979 K
1 173 K
Ⅰ
Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)
K1
1.47
2.15
Ⅱ
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
K2
1.62
b
Ⅲ
Fe(s)＋H2O(g)FeO(s)＋H2(g)
K3
a
1.68
根据以上信息判断，下列结论错误的是( )
A．a>b
B．增大压强，平衡状态Ⅱ不移动
C．升高温度平衡状态Ⅲ向正反应方向移动
D．反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应
解析：由Ⅰ＋Ⅱ＝Ⅲ，得K3＝K1·K2，则a>2，b <1，a>b，A项正确；Ⅱ是等体积反应，增大压强，平衡不移动，B项正确；由a>2，b<1，可知随温度升高，K2、K3均减小，故反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应，D项正确；升温时反应Ⅱ、Ⅲ均向逆反应方向移动，C项不正确。
答案：C
7．在容积一定的密闭容器中，置入一定量的一氧化氮和足量碳发生化学反应：C(s)＋2NO(g)CO2(g)＋N2(g)，平衡时c(NO)与温度T的关系如图所示，则下列说法正确的是( )
A．该反应的ΔH>0
B．若该反应在T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2，则K1
D．在T2 ℃时，若反应体系处于状态D，则此时v正>v逆
解析：升高温度，NO的浓度增大，说明平衡左移，则该反应的ΔH<0，故A错误；ΔH<0，升高温度平衡常数减小，则K1>K2，故B错误；反应中气体物质的量不变，压强与温度有关，温度越高压强越大，则pC>pD＝pB，故C错误；在T2 ℃时，若反应体系处于状态D，达到平衡时NO的浓度要减小，反应正向进行，则此时v正>v逆，故D正确。
答案：D
8．(2020·安徽皖江各校联考)一定条件下，反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g) ΔH>0，达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．压强：p1>p2
B．b、c两点对应的平衡常数：Kc>Kb
C．a点：2v正(NH3)＝3v逆(H2)
D．a点：NH3的转化率为
解析：该反应为气体分子数增大的反应，恒温时，压强越大，N2的体积分数越小，则p1
答案：B
9．在一定条件下探究二甲醚的制备反应为2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH，测定结果如图所示。下列判断错误的是( )
A．该反应的ΔH<0
B．该反应伴随有副反应的发生
C．工业选择的较适宜温度为280～290 ℃
D．加入催化剂可以提高CH3OCH3的产率
解析：由题图知，随着温度升高，CO的转化率降低，所以升高温度，平衡逆向移动，则该反应是放热反应，ΔH<0，A项说法正确；从图中可知，CO的转化率降低的同时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别较大，即说明该反应伴随有副反应的发生，B项说法正确；在280～290 ℃间，CH3OCH3的产率很高，则工业选择的较适宜温度为280～290 ℃，C项说法正确；加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间，但不能提高CH3OCH3的产率，D项说法错误。
答案：D
10．按要求回答下列问题：
对于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92 kJ·mol－1，在相同体积的甲、乙两密闭容器中，恒温条件下，甲容器中充入1 mol N2、3 mol H2，乙容器中充入2 mol NH3，达到平衡时：
(1)甲容器中N2的转化率________(填“等于”“大于”或“小于”)H2的转化率。
(2)甲容器中N2的转化率与乙容器中NH3的分解率之和为________。
(3)甲容器中释放的热量与乙容器中吸收的热量之和为________。
答案：(1)等于 (2)1 (3)92 kJ
11．活性炭也可用于处理汽车尾气中的NO，在1 L恒容密闭容器中加入0.100 0 mol NO和2.030 mol固体活性炭，生成A、B两种气体，在不同温度下测得平衡体系中各物质的物质的量以及容器内压强如下表：
活性炭/mol
NO/mol
A/mol
B/mol
p/MPa
200 ℃
2.000
0.040 0
0.030 0
0.030 0
3.93
335 ℃
2.005
0.050 0
0.025 0
0.025 0
p
根据上表数据，写出容器中发生反应的化学方程式：__________________________
________________________________________________________________________。
判断p________(用“>”“<”或“＝”填空)3.93 MPa。计算反应体系在200 ℃时的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×体积分数)。
解析：1 L恒容密闭容器中加入0.100 0 mol NO和2.030 mol 固体活性炭，生成A、B两种气体，从不同温度下测得平衡体系中各物质的物质的量以及容器内压强数据可以看出：Δn(C)∶Δn(NO)∶Δn(A)∶Δn(B)＝1∶2∶1∶1，所以可以推断出生成的A、B两种气体为N2和CO2，反应的化学方程式为C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)。由表中数据可知，容器内气体的总物质的量相同，但温度不同，温度越高，压强越大，故p＞3.93 MPa，该反应的平衡常数Kp＝，200 ℃时，容器的体积为1 L，平衡分压之比等于平衡浓度之比，带入表中数据计算得Kp＝。
答案：C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g) > (或0.5625)
[B组 提升题组]
12．一定条件下，CO2(g)＋3H2(g)H2O(g)＋CH3OH(g) ΔH＝－53.7 kJ·mol－1；向2 L恒容恒温密闭容器中充入1 mol CO2和2.8 mol H2发生反应，图中过程Ⅰ、Ⅱ是在两种不同催化剂作用下建立平衡的过程中CO2的转化率[α(CO2)]随时间(t)的变化曲线。下列说法中不正确的是( )
A．m点：v(正)>v(逆)
B．活化能：过程Ⅱ>过程Ⅰ
C．n点时该反应的平衡常数K＝50
D．过程Ⅰ，t2时刻改变的反应条件可能是升高温度
解析：m点CO2的转化率不是最大，反应向正反应方向进行，因此v(正)>v(逆)，A项正确；过程Ⅰ首先达到平衡状态，说明反应速率快，因此活化能：过程Ⅱ>过程Ⅰ，B项正确；n点时CO2的转化率是80%，则可列“三段式”：
CO2(g)＋3H2(g)H2O(g)＋CH3OH(g)
0.5 1.4 0 0
0.4 1.2 0.4 0.4
0.1 0.2 0.4 0.4
所以该反应的平衡常数K＝＝200，C项错误；过程Ⅰ，t2时刻CO2的转化率降低，说明反应向逆反应方向进行，由于正反应放热，因此改变的反应条件可能是升高温度，D项正确。
答案：C
13．100 kPa时，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)中NO的平衡转化率与温度的关系曲线如图1，反应2NO2(g)N2O4(g)中NO2的平衡转化率与温度的关系曲线如图2。
(1)图1中A、B、C三点表示不同温度、压强下2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)达到平衡时NO的转化率，则________点对应的压强最大。
(2)100 kPa、25 ℃时，2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中N2O4的物质的量分数为________，N2O4的分压p(N2O4)＝________kPa，列式计算平衡常数KP＝________(KP用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
(3)100 kPa、25℃时，V mL NO与0.5V mL O2混合后最终气体的体积为________mL。
解析：(1)图1中曲线为等压线，A、C在等压线下方，B在等压线上方，温度不变时，A、C点相对于等压线，NO的平衡转化率减小，则平衡逆向移动，为减小压强所致，B点相对于等压线，NO的平衡转化率增大，则平衡正向移动，为增大压强所致，故压强最大的点为B点。(2)100 kPa、25 ℃时，NO2的平衡转化率为80%，设起始时NO2的浓度为a，则平衡时NO2的浓度为0.2a、N2O4的浓度为0.4a，故N2O4的物质的量分数为×100%≈66.7%。N2O4的分压p(N2O4)＝100 kPa×66.7%＝66.7 kPa。KP＝＝≈0.06。(3)100 kPa、25℃时，V mL NO与0.5V mL O2生成V mL NO2,2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中NO2的转化率为80%，知平衡时气体的体积为V mL×(1－80%)＋V mL×80%×＝0.6V mL。
答案：(1)B (2)66.7% 66.7 ＝≈0.06 (3)0.6V
14．对于可逆反应CO＋H2O(g)CO2＋H2，回答下列问题：
(1)830 K时，若起始时c(CO)＝2 mol·L－1，c(H2O)＝3 mol·L－1，平衡时CO的转化率为60%，水蒸气的转化率为________；平衡常数K的值为________。
(2)830 K时，若只将起始时c(H2O)改为6 mol·L－1，则水蒸气的转化率为________。
(3)若830 K时，起始浓度c(CO)＝a mol·L－1，c(H2O)＝b mol·L－1，H2的平衡浓度c(H2)＝c mol·L－1，则：
①a、b、c之间的关系式是____________；
②当a＝b时，a＝________c。
解析：(1) CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) 2 3 0 0
转化浓度/(mol·L－1) 1.2 1.2 1.2 1.2
平衡浓度/(mol·L－1) 0.8 1.8 1.2 1.2
K＝＝1，α(H2O)＝×100%＝40%。
(2)设CO的转化浓度为x mol·L－1
CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) 2 6 0 0
转化浓度/(mol·L－1) x x x x
平衡浓度/(mol·L－1) 2－x 6－x x x
K＝＝1，解得x＝1.5，
则α(H2O)＝×100%＝25%。
(3) CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) a b 0 0
转化浓度/(mol·L－1) c c c c
平衡浓度/(mol·L－1) a－c b－c c c
＝1，化简得c＝，当a＝b时，a＝2c。
答案：(1)40% 1 (2)25% (3)①c＝ ②2
核心素养 专项提能
核心素养提升(七) “化学反应速率、化学平衡图像”类型与突破
授课提示：对应学生用书第165页
一 利用图像“断点”探究外因对反应速率的影响
1．当可逆反应达到一种平衡后，若某一时刻外界条件发生改变，都可能使速率时间图像的曲线出现不连续的情况，根据出现“断点”前后的速率大小，即可对外界条件的变化情况作出判断。如图：
t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂或增大压强(仅适用于反应前后气体物质的量不变的反应)。
2．常见含“断点”的速率变化图像分析
图像
t1时刻所改变的条件
温度
升高
降低
升高
降低
正反应为放热的反应
正反应为吸热的反应
压强
增大
减小
增大
减小
正反应为气体物质的量增大的反应
正反应为气体物质的量减小的反应
[典例1] 某密闭容器中充入等物质的量的A和B，一定温度下发生反应A(g)＋xB(g)2C(g)，达到平衡后，在不同的时间段内反应物的浓度随时间的变化如图甲所示，正逆反应速率随时间的变化如图乙所示，下列说法中正确的是( )
A．30～40 min间该反应使用了催化剂
B．化学方程式中的x＝1，正反应为吸热反应
C．30 min时降低温度，40 min时升高温度
D．8 min前A的平均反应速率为0.08 mol·L－1·min－1
[解析] 若使用催化剂，则化学反应速率加快，故A错误；由甲图像可知，A、B的浓度变化相同，故A、B的化学计量数相同，都为1；由乙图像可知，30 min时改变的条件为减小压强，40 min时改变的条件为升高温度，且升高温度平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，故B、C错误；8 min前A的平均反应速率为＝0.08 mol·L－1·min－1，故D正确。
[答案] D
二 突破常规图像
1．图像类型及特点
(1)转化率(或质量分数等)－压强－温度图像
特点：表示两个外界条件同时变化时，A的转化率的变化规律。解决这类图像题，采用“定一议二”法，即把自变量(温度、压强)之一设为恒量，讨论另外两个变量的关系。
特点：曲线上的点表示平衡状态，而X、Y点表示未达平衡状态，使反应由X点达到平衡状态，反应需向B的百分含量减小的方向进行；要使反应由Y点达到平衡状态，反应需向B的百分含量增大的方向进行。
(2)质量分数－时间图像
特点：表示不同条件下反应速率的快慢以及平衡混合物中D的质量分数大小。解题方法是“先拐先平，数值大”，即曲线先出现拐点的首先达到平衡，反应速率快，以此判断温度或压强的高低，再依据外界条件对平衡的影响分析。
(3)特殊图像
①对于化学反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，M点前，表示从反应开始，v正>v逆；M点为刚达到平衡点(如图)；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH<0。
②对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，L线上所有的点都是平衡点(如图)。L线的左上方(E点)，A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量，所以E点v正>v逆；则L线的右下方(F点)，v正
一看面：即看清坐标所代表的意义。
二看线：看准线的走向、变化趋势及量的变化(需作辅助线、等温线、等压线等)。
三看点：弄懂曲线上点的意义，特别是一些特殊点(如起点、交点、转折点、极值点等)。
四看量：看横坐标和纵坐标所表示的物理量的变化。
[典例2] 对于可逆反应：2A(g)＋B(g)2C(g) ΔH<0，下列各图正确的是( )
[解析] 2A(g)＋B(g)2C(g) ΔH<0，反应放热，平衡后升高温度反应逆向移动，c(B)增大，故A错误；加压时正反应速率和逆反应速率都增大，故B错误；温度相同时，加压有利于反应正向进行，故w(C)增大，压强恒定时，升高温度反应逆向进行，w(C)减小，故C正确；压强恒定时，升高温度，反应逆向进行，A的转化率减小，故D错误。
[答案] C
三 化工生产图像分类突破
1．转化率—投料比—温度图像
[典例3] 将燃煤废气中的CO2转化为CH3OCH3的反应原理为2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)
已知在压强为a MPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的转化率见下图：
此反应________(填“放热”或“吸热”)；若温度不变，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，则K将________(填“增大”“减小”或“不变”)。
[解析] 当投料比一定时，温度越高，CO2的转化率越低，所以升温，平衡左移，正反应为放热反应。平衡常数只与温度有关，不随投料比的变化而变化。
[答案] 放热 不变
2．根据图像判断投料比
[典例4] 采用一种新型的催化剂(主要成分是CuMn合金)，利用CO和H2制备CH3OCH3(DME)。
主反应：2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)
副反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)
测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。
则催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为________时最有利于CH3OCH3的合成。
[解析] 由图可知当催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为2.0时，CO的转化率最大，生成的CH3OCH3最多。
[答案] 2.0
3．废物回收及污染处理图像
[典例5] (1)一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气进行回收。反应为
2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l) ΔH＝－270 kJ·mol－1
①其他条件相同、催化剂不同，SO2的转化率随反应温度的变化如图1，Fe2O3和NiO作催化剂均能使SO2的转化率达到最高，不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3的主要优点是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②某科研小组用Fe2O3作催化剂。在380 ℃时，分别研究了[n(CO)∶n(SO2)]为1∶1、3∶1时SO2转化率的变化情况(图2)。则图2中表示n(CO)∶n(SO2)＝3∶1的变化曲线为________。
(2)目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图3，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图4所示。
①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：_____________________________________
________________________________________________________________________。
②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是__________。
(3)汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，这使NOx的有效消除成为环保领域的重要课题。某研究小组在实验室以AgZSM5为催化剂，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图5所示。
若不使用CO，温度超过775 K，发现NO的分解率降低，其可能的原因是
________________________________________________________________________。
在n(NO)/n(CO)＝1的条件下，应控制的最佳温度在________左右。
[答案] (1)①Fe2O3作催化剂时，在相对较低温度可获得较高的SO2转化率，从而节约能源 ②a
(2)①6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O
②350 ℃、负载率3.0%
(3)NO分解反应是放热反应，升高温度不利于分解反应进行 870 K
[素养专项练]
1．已知反应：2SO3(g)2SO2(g)＋O2(g) ΔH>0，某温度下，将2 mol SO3置于10 L密闭容器中，反应达平衡后，SO3的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图甲所示。则下列说法中正确的是( )
①由图甲推断，B点SO2的平衡浓度为0.3 mol·L－1
②由图甲推断，A点对应温度下的平衡常数为1.25×10－3
③达平衡后，压缩容器容积，则反应速率变化图像可以用图乙表示
④相同压强、不同温度下SO3的转化率与温度关系如图丙所示
A．①② B．②③
C．③④ D．①④
解析：三氧化硫起始浓度为＝0.2 mol·L－1，由图甲可知B点SO3的转化率为0.15，根据浓度变化量之比等于化学计量数之比，所以Δc(SO2)＝Δc(SO3)＝0.15×0.2 mol·L－1＝0.03 mol·L－1，故二氧化硫的平衡浓度为0.03 mol·L－1，①错误；A点时，SO3的转化率为0.20，Δc(SO3)＝0.20×0.2 mol·L－1＝0.04 mol·L－1，平衡时，SO3、SO2、O2的浓度分别为0.16 mol·L－1、0.04 mol·L－1、0.02 mol·L－1，则K＝＝1.25×10－3，②正确；压缩体积，相当于增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动，即逆向移动，因体积减小，各物质的浓度增大，故化学反应速率加快，③正确；升高温度平衡向吸热的方向移动，即正向移动，SO3的转化率将增大，与图丙不符，④错误。
答案：B
2．科学家研究以太阳能为热源分解Fe3O4，最终循环分解水制H2，其中一步重要反应为2Fe3O4(s)6FeO(s)＋O2(g) ΔH＝a kJ·mol－1。在一定压强下，Fe3O4的平衡转化率随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法不正确的是( )
A．a>0
B．压强p1＞p2
C．升高温度，该反应的平衡常数增大
D．将体系中O2分离出去，能提高Fe3O4的转化率
解析：根据图像分析，压强一定，温度升高，Fe3O4的平衡转化率升高，该反应为吸热反应，ΔH＞0，即a＞0，A选项正确；温度一定时，压强增大，平衡逆向移动，Fe3O4的平衡转化率降低，故p1＜p2，B选项错误；升高温度，平衡正移，反应的平衡常数增大，C选项正确；将体系中O2分离出去，平衡正向移动，能提高Fe3O4的转化率，D选项正确。
答案：B
3．以二氧化碳和氢气为原料制取乙醇的反应为2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)。某压强下的密闭容器中，按CO2和H2的物质的量之比为1∶3投料，不同温度下平衡体系中各物质的物质的量分数(y%)随温度变化如图所示。下列说法正确的是( )
A．a点的平衡常数小于b点
B．b点，v正(CO2)＝v逆(H2O)
C．a点，H2和H2O的物质的量相等
D．其他条件恒定，充入更多H2，v(CO2)不变
解析：从图像可知，温度越高氢气的含量越高，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，故平衡常数：a>b，A错误；b点只能说明该温度下，CO2和H2O的物质的量分数相等，不能说明v正(CO2)＝v逆(H2O)，B错误；从图像可知，a点H2和H2O的物质的量分数相等，故物质的量相等，C正确；其他条件恒定，充入更多H2，反应物浓度增大，正反应速率增大，v(CO2)也增大，D错误。
答案：C
4．以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示。250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是____________________________________________。
解析：在两条曲线中注意弄清每条曲线所表示的含义，分析两个量之间内在的联系。这里涉及影响反应速率的两个因素：催化剂和温度，弄清影响因素即可。所以，250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低。
答案：温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低
5．研究发现利用NH3可消除硝酸工业尾气中的NO污染。NH3与NO的物质的量之比分别为1∶3、3∶1、4∶1时，NO脱除率随温度变化的曲线如图所示。
(1)曲线a中，NO的起始浓度为6×10－4 mg·m－3，从A点到B点经过0.8 s，该时间段内NO的脱除速率为________mg·m－3·s－1。
(2)曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比是________，其理由是____________。
解析：(1)从A点到B点的浓度变化为(0.75－0.55)×6×10－4 mg·m－3＝1.2×10－4 mg·m－3，脱除速率为＝1.5×10－4 mg·m－3·s－1；(2)根据勒夏特列原理，NH3与NO的物质的量之比越大，NH3的量越多，促使平衡向正反应方向移动，NO的脱除率越大，再根据图像，可推得曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比为3∶1。
答案：(1)1.5×10－4 (2)3∶1 NH3与NO的物质的量之比越大，NO的脱除率越大，a、b、c三曲线对应的NH3与NO的物质的量之比依次为4∶1、3∶1、1∶3
章末新素材命题(七)
授课提示：对应学生用书第168页
[命题新素材]
材料一 过氧化氢化学式为H2O2，其水溶液俗称双氧水。外观为无色透明液体，是一种强氧化剂，由于其还原产物为水，因此在工业上称为绿色氧化剂。其水溶液适用于医用伤口消毒及环境消毒和食品消毒。在一般情况下会分解生成水和氧气，但分解速度极慢，改变条件可以加快反应速度，例如升高温度、加入适当的催化剂(MnO2、某些金属离子如Fe3＋、Cu2＋等)。
[设题新角度]
问题1：0.1 g MnO2粉末加入50 mL H2O2溶液中，测得在标准状况下放出气体的体积和时间的关系如图所示。若溶液的体积保持50 mL不变，计算前3 min H2O2的平均速率。(素养角度——证据推理与模型认知)
问题2：为比较Fe3＋和Cu2＋对H2O2分解的催化效果，某实验小组的同学设计了如图所示的实验装置进行实验。
有同学认为上述实验设计不合理，不能得出相应的结论。请简述理由并提出改进措施。(素养角度——科学探究与创新意识)
问题1.提示：前3 min H2O2反应放出50 mL O2，H2O2的分解反应的化学方程式为2H2O22H2O＋O2↑，则Δn(H2O2)＝×2≈0.004 46 mol，
v(H2O2)＝≈0.03 mol·L－1·min－1。
问题2.提示：二者的阴离子不同，对实验会造成干扰。为消除阴离子不同造成的干扰，可将0.1 mol·L－1的FeCl3溶液改为0.05 mol·L－1的Fe2(SO4)3溶液，或者将0.1 mol·L－1的CuSO4溶液改为0.1 mol·L－1的CuCl2溶液。
[命题新素材]
材料二 温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。 自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列极其严重的问题，引起了全世界各国的关注。近年我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展，其反应为3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－48.9 kJ·mol－1。
[设题新角度]
问题1：为提高CH3OH的产率，理论上应采用什么样的条件？(素养角度——变化观念与平衡思想)
问题2：250 ℃，在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，下图为不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时某反应物X平衡转化率变化曲线。判断反应物X是CO2还是H2。(素养角度——证据推理与模型认知)
问题3：催化剂和反应条件与反应物转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，有如下四组实验数据：
实验编号
温度/K
催化剂
CO2转化率/%
甲醇选择性/%
A
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
B
543
Cu/ZnO纳米片
11.9
72.7
C
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
D
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
70.6
根据上表所给数据，判断用CO2生产甲醇的最佳选项。(素养角度——科学探究与创新意识)
问题1 提示：根据热化学方程式可知，生成CH3OH的方向是放热反应方向，也是气体体积减小的方向，因此提高CH3OH的产率，需要降低温度、增大压强。
问题2 提示：观察图中的横坐标，其物理量为，若假设n(CO2)为定值，则X的转化率随n(H2)的增大而增大，则X为CO2。
问题3 提示：选择性是指产物的专一性，在一个化学反应中若有多个产物，其中某一产物是目标产物，若这个物质的产率越高，说明该反应的选择性越好。观察四组数据，相比之下，B、D的选择性很高，且B的CO2转化率比D稍低些，但是B的CH3OH的选择性高出了不少，故最佳选项为B。
[命题新素材]
材料三 改革开放以来，我国的经济发展取得了辉煌成绩，人民生活水平不断提高，从20世纪70年代出行基本靠走到如今私家车进入千家万户，家庭出行交通工具发生了质的飞跃。汽车走进寻常百姓家，给人们的生活带来便利，车水马龙的车流让马路变得热闹。但是汽车保有量的增多也给我们的环境带来了严重的问题，尾气中的主要污染物有CxHy、NOx、CO、SO2及固体颗粒物等。研究汽车尾气的成分及其发生的反应，可以为更好地治理汽车尾气提供技术支持。
[设题新角度]
问题1：在T1、T2温度下，一定量的NO发生分解反应时，N2的体积分数随时间变化如图所示，根据图像判断反应N2(g)＋O2(g)2NO(g)是放热反应还是吸热反应。(素养角度——变化观念与平衡思想)
问题2：汽车排气装置中的三元催化装置，可以利用反应2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)实现气体的无害化排放。T ℃时，在恒容的密闭容器中通入一定量的CO和NO，能自发进行上述反应，测得不同时间CO和NO的浓度如下表：
时间/s
0
1
2
3
4
5
c(NO)/ (10－3mol·L－1)
1.00
0.45
0.25
0.15
0.10
0.10
c(CO)/ (10－3mol·L－1)
3.60
3.05
2.85
2.75
2.70
2.70
计算该温度下的反应的平衡常数K。(素养角度——证据推理与模型认知)
问题3：尾气中的NO2通常会发生反应2NO2(g)N2O4(g)，在100 kPa时NO2的平衡转化率与温度的关系曲线如图所示。
计算100 kPa、25 ℃时，反应2NO2(g)N2O4(g)的平衡常数Kp。(Kp用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)(素养角度——证据推理与模型认知)
问题1 提示：由温度高时反应速率快，达到平衡的时间短，判断T2＞T1，由图像可知，温度高时，N2的体积分数小，即升高温度会使平衡正向移动，则该反应的正反应为吸热反应，ΔH＞0。
问题2 提示：据表中数据，平衡时，c(NO)＝0.10×10－3 mol·L－1，c(CO)＝2.70×10－3 mol·L－1，根据化学反应方程式：2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)，则平衡时，c(N2)＝0.45×10－3 mol·L－1，c(CO2)＝0.9×10－3 mol·L－1，则平衡常数为
K＝＝＝5 000。
问题3.提示：100 kPa、25 ℃时，2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中，由图可知，NO2的平衡转化率为80%，设NO2的起始量为1 mol，则其变化量为0.8 mol，N2O4的变化量为0.4 mol，NO2和N2O4的平衡量分别为0.2 mol和0.4 mol，则平衡体系中，NO2和N2O4的体积分数分别为和，因此，平衡常数Kp＝＝0.06。
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