2022届高考化学（人教版）一轮总复习练习：第20讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向 Word版含解析

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第20讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向
A组 基础必做题(40分)
一、选择题(本题包括4小题，每题4分，共16分)
1．(2021·天津新华中学检测)在恒温条件下，向盛有食盐的2 L恒容密闭容器中加入0.2 ml NO2、0.2 ml NO和0.1 ml Cl2，发生如下两个反应：
①2NO2(g)＋NaCl(s)NaNO3(s)＋ClNO(g) ΔH1<0 平衡常数K1
②2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g) ΔH2<0 平衡常数K2
10 min时反应达到平衡，测得容器内体系的压强减少20%,10 min内用ClNO(g)表示的平均反应速率v(ClNO)＝7.5×10－3ml/(L·min)。下列说法不正确的是( C )
A．反应4NO2(g)＋2NaCl(s)2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)的平衡常数为eq \f(K\\al(2,1),K2)
B．平衡后c(Cl2)＝2.5×10－2ml/L
C．其他条件保持不变，反应在恒压条件下进行，则平衡常数K2增大
D．平衡时NO2的转化率为50%
[解析] C项，平衡常数只受温度影响，其他条件保持不变，反应在恒压条件下进行，则平衡常数K2不变。
2．(2021·重庆高三模拟)将粗硅转化成三氯硅烷(SiHCl3)，进一步反应也可以制得粗硅。其反应：SiHCl3(g)＋H2(g)Si(s)＋3HCl(g)，不同温度下，SiHCl3的平衡转化率随反应物的投料比的变化关系如图所示。下列说法正确的是( B )
A．该反应是放热反应
B．横坐标表示的投料比可以是eq \f(nH2,nSiHCl3)
C．该反应的平衡常数随温度升高而减小
D．实际生产中为提高SiHCl3的利用率，可以适当增大压强
[解析] 当投料比一定时(画等投料比例线)，随温度升高(T1>T2>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。
3．(2020·江苏单科，8)反应SiCl4(g)＋2H2(g)eq \(=====,\s\up7(高温))Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备。下列有关该反应的说法正确的是( B )
A．该反应ΔH>0、ΔS<0
B．该反应的平衡常数K＝eq \f(c4HCl,cSiCl4×c2H2)
C．高温下反应每生成1 ml Si需消耗2×22.4 L H2
D．用E表示键能，该反应ΔH＝4E(Si—Cl)＋2E(H—H)－4E(H—Cl)
[解析] 由反应方程式可知：ΔS>0，A项错；Si是固体，故该反应的平衡常数K＝eq \f(c4HCl,cSiCl4×c2H2)，B项正确；C项未指明是否为标准状况，气体摩尔体积不确定，故消耗氢气的体积无法计算，C项不正确；ΔH＝反应物键能之和－生成物键能之和＝4E(Si—Cl)＋2E(H—H)－4E(H—Cl)－2E(Si—Si)，D项不正确。
4.(2021·山东泰安模拟)某绝热恒容容器中充入2 ml·L－1NO2，发生反应2NO2(g)N2O4(g) ΔH＝－56.9 kJ·ml－1，下列分析不正确的是( C )
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] 分析图像可知，0～5 s内Δc(NO2)＝2 ml·L－1－0.5 ml·L－1＝1.5 ml·L－1，结合转化率的概念计算出NO2的转化率为eq \f(1.5 ml·L－1,2 ml·L－1)×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c(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2小题，共24分)
5．(2021·河北衡水高三检测)在容积为1.00 L的容器中，通入一定量的N2O4，发生反应N2O4(g)2NO2(g)，随温度升高，混合气体的颜色变深。
回答下列问题：
(1)反应的ΔH 大于 0(填“大于”或“小于”)；100 ℃时，体系中各物质浓度随时间变化如上图所示。在0～60 s时段，反应速率v(N2O4)为 0.001 0 ml·L－1·s－1；反应的平衡常数K1为 0.36 ml·L－1 。
(2)100 ℃时达平衡后，改变反应温度为T，c(N2O4)以0.002 0 ml·L－1·s－1的平均速率降低，经10 s又达到平衡。
①T 大于 100 ℃(填“大于”或“小于”)，判断理由是 反应正方向吸热，反应向吸热方向进行，故温度升高 。
②列式计算温度T时反应的平衡常数K2 平衡时，c(NO2)＝0.120 ml·L－1＋0.002 0 ml·L－1·s－1×10 s×2＝0.16 ml·L－1
c(N2O4)＝0.040 ml·L－1－0.002 0 ml·L－1·s－1×10 s＝0.020 ml·L－1
K2＝eq \f(0.16 ml·L－12,0.020 ml·L－1)＝1.28 ml·L－1
(3)温度T时反应达平衡后，将反应容器的容积减少一半。平衡向 逆反应 (填“正反应”或“逆反应”)方向移动，判断理由是 对气体分子数增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动 。
[解析] (1)随温度升高，混合气体的颜色变深，说明升温平衡向正反应方向移动，ΔH>0。在0～60 s时段，v(N2O4)＝eq \f(Δc,Δt)＝eq \f(0.100－0.040ml·L－1,60 s)＝0.001 0 ml·L－1·s－1；平衡常数K1＝eq \f(c2NO2,cN2O4)＝eq \f(0.120 ml·L－12,0.040 ml·L－1)＝0.36 ml·L－1。
(2)当温度由100 ℃变为T时，N2O4的浓度降低，“三段式”如下：
N2O4(g)  2NO2(g)
100 ℃平衡时 0.040 ml·L－1 0.120 ml·L－1
温度T时变化 0.020 ml·L－1 0.040 ml·L－1
温度T平衡时 0.020 ml·L－1 0.160 ml·L－1
由于温度变为T时平衡向N2O4浓度减小的方向移动，即向吸热方向移动，故温度升高，所以T>100 ℃。当再次达到平衡时，平衡常数K2＝eq \f(c2NO2,cN2O4)＝eq \f(0.160 ml·L－12,0.020 ml·L－1)＝1.28 ml·L－1。
(3)温度不变，将反应容器的容积减少一半，压强增大，平衡向气体分子数减小的方向(即逆反应方向)移动。
6．(2021·山东滨州高三检测)CH4—CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2)，还对温室气体的减排具有重要意义。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：
(1)由上表判断，催化剂X 劣于 (填“优于”或“劣于”)Y，理由是 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 。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右图所示。升高温度时，下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是 AD (填标号)。
A．K积、K消均增加
B．v积减小、v消增加
C．K积减小、K消增加
D．v消增加的倍数比v积增加的倍数大
(2)在一定温度下，测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为v＝k·p(CH4)·[p(CO2)]－0.8(k为速率常数)。在p(CH4)一定时，不同p(CO2)下积碳量随时间的变化趋势如右图所示，则pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)从大到小的顺序为 pc(CO2)>pb(CO2)>pa(CO2) 。
[解析] (1)分析表中数据，对比催化剂X和Y的积碳反应和消碳反应的活化能发现，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，故催化剂X劣于催化剂Y。积碳反应和消碳反应的ΔH均大于0，升高温度时，平衡正向移动，则K积、K消均增大，A项正确、C项错误；升高温度，v积、v消均增大，B项错误；由图可知，600 ℃时积碳量达到最大值，再升高温度，积碳量逐渐减小，说明v消增大的倍数比v积增大的倍数大，D项正确。
(2)由已知条件可知，沉积碳的生成速率与p(CH4)成正比，与p(CO2)成反比，则p(CH4)一定时，p(CO2)越大，积碳量越小，由图可知，p(CO2)的大小关系为pc(CO2)>pb(CO2)>pa(CO2)。
B组 能力提升题(60分)
一、选择题(本题包括4小题，每题6分，共24分)
1．(2020·山东淄博期末)向温度为300 ℃的2 L密闭容器中充入2 ml SO2和1 ml O2，发生反应2SO2(g)＋O2(g)===2SO3(g) ΔH<0，体系达到平衡状态后SO2的浓度为0.1 ml·L－1，下列说法错误的是( D )
A．该温度下，反应的平衡常数K＝1 620
B．SO2和O2的平衡转化率相等
C．平衡后保持温度和容器容积不变，再充入SO3(g)，平衡常数不变
D．若不再向容器中加入任何物质，仅改变条件不可能使SO2的浓度达到1 ml·L－1
[解析] 本题考查化学平衡常数和平衡转化率的计算、化学平衡移动及分析。利用“三段式法”计算平衡常数：
2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)
起始浓度/(ml·L－1) 1 0.5 0
转化浓度/(ml·L－1) 0.9 0.45 0.9
平衡浓度/(ml·L－1) 0.1 0.05 0.9
则该温度下，平衡常数K＝eq \f(c2SO3,c2SO2·cO2)＝eq \f(0.92,0.12×0.05)＝1 620，A正确；SO2和O2的平衡转化率均为90%，B正确；平衡常数只与温度有关，温度不变，充入SO3(g)，平衡常数不变，C正确；若缩小容器的容积，可能使SO2的浓度达到1 ml·L－1，D错误。
2．(2021·广东广州高三模拟)研究反应：H2(g)＋I2(g)2HI(g) ΔH<0。温度T时，在两个体积均为1 L的密闭容器中进行实验，测得气体混合物中碘化氢的物质的量分数w(HI)与反应时间t的关系如表：
研究发现上述反应中v(正)＝ka·w(H2)·w(I2)，v(逆)＝kb·w2(HI)，其中ka、kb为常数。下列说法正确的是( D )
A．温度为T时该反应的eq \f(ka,kb)＝32
B．容器Ⅰ中前20 min的平均速率v(HI)＝0.012 5 ml·L－1·min－1
C．若起始时，向容器Ⅰ中加入物质的量均为0.1 ml的H2、I2、HI，反应逆向进行
D．若两容器中，kaⅠ＝kaⅡ且kbⅠ＝kbⅡ，则x的值一定为1
[解析] 温度为T时该反应的eq \f(ka,kb)＝eq \f(\f(v正,wH2wI2),\f(v逆,w2HI))＝eq \f(w2HI,wH2wI2)＝eq \f(0.82,0.1×0.1)＝64，A错误；容器Ⅰ中前20 min w(HI)＝50%，则物质的量为0.5 ml，故平均速率v(HI)＝(0.5 ml÷1 L)÷20 min＝0.025 ml·L－1·min－1，B错误；容器Ⅰ平衡时H2、I2、HI浓度分别为0.1 ml·L－1、0.1 ml·L－1、0.8 ml·L－1，K＝eq \f(0.82,0.1×0.1)＝64，若起始时，向容器Ⅰ中加入物质的量均为0.1 ml的H2、I2、HI，Q＝eq \f(0.12,0.1×0.1)＝1<64，正反应速率大于逆反应速率，反应正向进行，C错误；若两容器中kaⅠ＝kaⅡ且kbⅠ＝kbⅡ则为恒容条件下的等效平衡，且容器Ⅰ、Ⅱ的正反应速率、逆反应速率相等，则x的值一定为1，D正确。
3．(2021·辽宁六校联考)t ℃时，在容积不变的密闭容器中发生反应X(g)＋3Y(g)2Z(g)，各组分在不同时刻的浓度如表所示，下列说法正确的是( D )
A.平衡时，X的转化率为20%
B．t ℃时，该反应的平衡常数为40
C．平衡后，增大体系压强，v正增大，v逆减小，平衡向正反应方向移动
D．前2 min内，用Y的变化量表示的平均反应速率v(Y)＝0.03 ml·L－1·min－1
[解析] 平衡时，X的转化率＝eq \f(0.1－0.05ml·L－1,0.1 ml·L－1)×100%＝50%，A项错误；t ℃时题给反应的平衡常数K＝eq \f(0.12,0.05×0.053)＝1 600，B项错误；题给反应是气体分子数减小的反应，平衡后，增大体系压强，v正、v逆均增大，平衡向正反应方向移动，C项错误；前2 min内，用Y的变化量表示的平均反应速率v(Y)＝3v(X)＝3×eq \f(0.1－0.08ml·L－1,2 min)＝0.03 ml·L－1·min－1，D项正确。
4．(2021·北京顺义牛栏山一中适应性测试)已知反应2NO(g)＋2H2(g)===N2(g)＋2H2O(g)生成N2的初始速率与NO、H2的初始浓度的关系为v＝kcx(NO)·cy(H2)，k为速率常数。在800 ℃时测得的相关数据如表所示。
下列说法中不正确的是( A )
A．关系式中x＝1、y＝2
B．800 ℃时，k的值为8×104
C．若800 ℃时，初始浓度c(NO)＝c(H2)＝4.00×10－3 ml·L－1，则生成N2的初始速率为5.12×10－3 ml·L－1·s－1
D．当其他条件不变时，升高温度，速率常数将增大
[解析] 本题考查平衡常数的计算及影响因素、化学反应速率的计算。将3组实验数据代入v＝kcx(NO)·cy(H2)中，有k(2.00×10－3)x×(6.00×10－3)y＝1.92×10－3，k(1.00×10－3)x×(6.00×10－3)y＝4.80×10－4，k(2.00×10－3)x×(3.00×10－3)y＝9.60×10－4，解得x＝2，y＝1，A错误；将x＝2、y＝1代入上述等式解得800 ℃时，k的值为8×104，B正确；800 ℃时，初始浓度c(NO)＝c(H2)＝4.00×10－3 ml·L－1，生成N2的初始速率为8×104×(4.00×10－3)2×(4.00×10－3)ml·L－1·s－1＝5.12×10－3 ml·L－1·s－1，C正确；其他条件不变时，生成N2的初始速率与k成正比，温度越高，反应速率越大，则k增大，D正确。
二、非选择题(本题包括2小题，共36分)
5．(2021·广西高三检测)合成气(CO、H2)是一种重要的化工原料，在化工生产中具有十分广泛的用途。工业上，利用水煤气法制取合成气，其中发生的一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2 kJ·ml－1。
(1)830 ℃时，在体积均为2 L的甲、乙两个密闭容器中，分别投入2 ml CO(g)和2 ml H2O(g)。甲在恒容条件下达到平衡，乙在恒压条件下达到平衡。测得甲中H2的平均生成速率为0.1 ml·L－1·min－1，从反应开始经过5 min达到平衡。
①CO的平衡转化率：甲 ＝ (填“>”“<”或“＝”)乙。
②下列各选项能说明乙中反应达到平衡状态的是 B (填标号)。
A．混合气体总压强保持不变
B．CO和CO2的消耗速率相等
C．混合气体平均摩尔质量不变
D．CO2和H2的体积分数之比不再变化
(2)上述反应的速率表达式：v正＝k正·c(CO)·c(H2O)，v逆＝k逆·c(CO2)·c(H2)(k正、k逆为化学反应速率常数)。
830 ℃时，反应达到平衡后，eq \f(k正,k逆)＝ 1.0 ，若将温度由830 ℃调节至850 ℃，则反应平衡后，eq \f(k正,k逆) 减小 (填“增大”“减小”或“不变”)。
[解析] (1)①容器体积、起始投料完全相同，且该可逆反应反应前后气体分子数相等，反应前后气体总物质的量不变，故恒温恒容和恒温恒压条件下达到的平衡状态相同，则两容器中CO的平衡转化率相等。②反应前后混合气体密度、压强、平均摩尔质量均不变，CO2和H2都是产物且方程式中二者的化学计量数均为1，则CO2和H2的体积分数之比始终不变；只有当CO和CO2的消耗速率相等时，表明正反应速率和逆反应速率相等，反应达到平衡状态。
(2)平衡时正、逆反应速率相等，则eq \f(k正,k逆)＝eq \f(cCO2·cH2,cCO·cH2O)＝K，由(1)知830 ℃下，反应达到平衡时，c(CO2)＝c(H2)＝0.1 ml·L－1·min－1×5 min＝0.5 ml·L－1，c(CO)＝c(H2O)＝0.5 ml·L－1，则eq \f(k正,k逆)＝K＝1.0；该反应的正反应为放热反应，升高温度，正、逆反应速率都会增大，但平衡逆向移动，平衡常数减小，eq \f(k正,k逆)减小。
6．(2021·湖北武汉高三月考)氮的固定以及利用氨合成其他含氮化合物是几百年来科学家一直研究的课题。
(1)下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分K值。
①分析数据可知，大气固氮反应属于 吸热 (填“吸热”或“放热”)反应。
②分析数据可知，人类不适合大规模模拟大气固氮的原因是 K值小，正向进行的程度小(或转化率低)，不适合大规模生产 。
③在500 ℃、2.02×107 Pa和铁催化条件下向一密闭容器中充入1 ml N2和3 ml H2，充分反应后，放出的热量 小于 (填“大于”“小于”或“等于”)92.4 kJ。
(2)工业固氮反应中，在其他条件相同时，分别测定N2的平衡转化率在不同压强(p1、p2)下随温度变化的曲线，如图所示的图示中，正确的是 A (填“A”或“B”)；比较p1、p2的大小关系： p2>p1 。
(3)在一定温度下，将1 ml N2和3 ml H2混合置于体积不变的密闭容器中发生工业合成氨反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8 ml。
①达平衡时，H2的转化率α1＝ 60% 。
②已知平衡时，容器压强为8 MPa，则平衡常数Kp＝ 0.26(MPa)－2 (用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
③为提高H2的转化率，实际生产中宜采取的措施有 CEF (填字母)。
A．降低温度
B．最适合催化剂活性的适当高温
C．适当增大压强
D．减小压强
E．循环利用和不断补充氮气
F．及时移出氨
[解析] (1)①由表格数据可知，对于大气固氮反应，温度越高，K值越大，说明升高温度，平衡正移，则正反应方向为吸热反应；②由表格数据可知，对于大气固氮反应，当温度升高到2 000 ℃时，K＝0.1，K值很小，则转化率很低，不适合大规模生产，所以人类不适合大规模模拟大气固氮；③热化学方程式中的能量变化指完全转化的热效应，而可逆反应不能完全转化，则向一密闭容器中充入1 ml N2和3 ml H2，充分反应后，放出的热量小于92.4 kJ。
(2)合成氨反应为放热反应，升高温度，转化率减小，所以图A正确，B错误；该反应正方向为气体体积减小的方向，增大压强平衡正向移动，转化率增大，p2的转化率大，则p2>p1。
(3)①设平衡时参加反应的氮气物质的量为x ml，根据三段式分析：
平衡时 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
起始(ml) 1 3 0
变化(ml) x 3x 2x
平衡(ml) 1－x 3－3x 2x
列式可得：(1－x)＋(3－3x)＋2x＝2.8，x＝0.6，
则氮气转化率＝eq \f(0.6 ml,1 ml)×100%＝60%，当加入反应物的物质的量之比等于其计量数之比时，各反应物的转化率相等，所以氢气的转化率也是60%；②平衡时各物质的压强之比等于其物质的量之比，所以p(N2)＝eq \f(1－0.6ml,2.8 ml)×8 MPa＝eq \f(8,7) MPa，
p(H2)＝eq \f(3×1－0.6ml,2.8 ml)×8 MPa＝eq \f(24,7) MPa，
p(NH3)＝eq \f(2×0.6ml,2.8 ml)×8 MPa＝eq \f(24,7) MPa，
则化学平衡常数Kp＝eq \f(p2NH3,pN2·p3H2)＝eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(24,7)))2,\f(8,7)×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(24,7)))3)(MPa)－2＝eq \f(49,192)(MPa)－2≈0.26(MPa)－2；
③因增大反应物的浓度，减少生成物的浓度，增大压强，降低温度工业合成氨反应向正反应方向移动，氢气的转化率提高，但在实际生产中不能用低温，因为温度低时化学反应速率慢，效率不高。
积碳反应
CH4(g)===C(s)＋2H2(g)
消碳反应
CO2(g)＋C(s)===2CO(g)
ΔH/(kJ·ml－1)
75
172
活化能/
(kJ·ml－1)
催化剂X
33
91
催化剂Y
43
72
容器
编号
起始物质
t/min
0
20
40
60
80
100
Ⅰ
0.5 ml I2、
0.5 ml H2
w(HI)/%
0
50
68
76
80
80
Ⅱ
x ml HI
w(HI)/%
100
91
84
81
80
80
物质
X
Y
Z
初始浓度/(ml·L－1)
0.1
0.2
0
2 min时浓度/(ml·L－1)
0.08
a
b
平衡浓度/(ml·L－1)
0.05
0.05
0.1
实验
数据
初始浓度
生成N2的初始速率/
(ml·L－1·s－1)
c(NO)/
(ml·L－1)
c(H2)/
(ml·L－1)
1
2.00×10－3
6.00×10－3
1.92×10－3
2
1.00×10－3
6.00×10－3
4.80×10－4
3
2.00×10－3
3.00×10－3
9.60×10－4
反应
大气固氮
N2(g)＋O2(g)2NO(g)
工业固氮N2(g)＋
3H2(g)2NH3(g)
ΔH＝－92.4 kJ·ml－1
温度/℃
27
2 000
25
400
450
K
3.8×10－31
0.1
5×108
0.507
0.152