突破03 小题专练——守恒法在化学平衡多重反应中的应用-备战2023年高考化学《反应原理综合大题》逐空突破系列

守恒法在化学平衡多重反应中的应用

——平衡常数、平衡浓度、转化率计算

例1、[2019·天津Ⅰ·节选] 在 1 L真空密闭容器中加入 a mol PH4I固体，t℃ 时发生如下反应：

PH4I (s)PH3(g) + HI (g)           ①

4 PH3(g)P4(g)+ 6H2(g)         ②

2HI (g)H2 (g) + I2 (g)         ③

达到平衡时，体系中n(HI)=b mol，n(I2)=c mol， n(H2)=d mol，则t℃时反应①的平衡常数K值为        

【答案】K＝(b+)b或 K＝(b－)b

【解析】对于连续反应，本题采取原子守恒法

设平衡时为PH4I 为x mol，PH3为y mol，P4为z mol，根据：

P守恒：a=x+y+4z

H守恒：4a=4x+3y+b+2d

I守恒：a=x+b+2c

解得：x=a-b-2c，y=，z=，则反应的平衡常数k=

例2、将固体NH4I置于密闭容器中，在一定温度下发生下列反应：①NH4I(s)NH3(g)＋HI(g) ②2HI(g)H2(g)＋I2(g)达到平衡时，c(H2)＝0.5mol·L-1，c(HI)＝4mol·L-1，则此温度下反应①的平衡常数为        ，平衡时NH3的浓度       

A．9                 B．16                  C．20                D．25

【答案】20    5 mol·L-1

【解析】设起始状态时NH4I为x mol·L-1 ，平衡时NH4I为a mol·L-1，NH3为b mol·L-1，I2为c mol·L-1，根据：

N守恒：x=a+b

H守恒：4x=4a+3b+4+2×0.5

I守恒：x=a+2c+4

解得：b=5，c=0.5，此题平衡时NH4I浓度无法求的，反应①的平衡常数K=4×5=20

例3、二甲醚是一种清洁能源，用水煤气制取二甲醚的原理如下：

I、CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

II、2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

500K时，在2L密闭容器中充入4molCO和8molH2，4min达到平衡，平衡时CO的转化率为80%，且2c(CH3OH)=c(CH3OCH3)，则：

①0～4min，反应I的v(H2)＝______

②反应II中CH3OH的转化率α＝__________，反应I的平衡常数K＝_______

【答案】①0.8 mol·L-1·min-1          ②80%         1.25

【解析】设平衡时CO为x mol，H2为y mol，CH3OH为zmol，则CH3OCH3为2z mol，H2O为b mol，根据：

C守恒：x+z+2×2z=4

H守恒：2y+4z+6×2z+2b=2×8

O守恒：x+z+2z+b=4

CO的转化率=，解得x=0.8，y=1.6，z=0.64，b=1.28，

v(H2)＝mol·L-1·min-1，

反应I中CO的转化率为80%，则生成的CH3OH为4×80%=3.2，反应II生成的CH3OCH3为2z即2×0.64=1.28mol，则反应II转化的2×1.28=2.56mol，则反应II中CH3OH的转化率α＝

根据之前所解方程，可得平衡时：CH3OH、H2、CO的浓度分别为0.32mol·L-1、0.8mol·L-1、0.4mol·L-1，反应I的平衡常数K＝

【经典练习】

1、将固体NH4I置于密闭容器中，在一定温度下发生下列反应：①NH4I(s)NH3(g)＋HI(g) ②2HI(g)H2(g)＋I2(g)达到平衡时，c(H2)＝0.5mol·L-1，c(HI)＝3mol·L-1，则此温度下反应①的平衡常数为_____

2、加热N2O5，依次发生的分解反应为①N2O5(g)N2O3(g)＋O2(g)，②N2O3(g)N2O(g)＋O2(g)。在容积为2 L的密闭容器中充入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

3、在某温度T时能同时发生反应：①2N2O5(g)2 N2O4(g)+O2(g)  k1 

                                                ②N2O4(g)2 NO2(g)          k2 

若向一体积固定为2L的密闭容器内加入N2O5 2 mol 一段时间后，容器内的反应达到平衡，此时n(NO2)＝0.4 mol已知K2＝0.1，请计算出k1＝    

4、在容积为2 L的恒容密闭容器中充入4 mol N2O3，恒温t℃时发生反应：N2O3(g)N2O(g)＋O2(g)，

N2O3(g)＋O2(g)N2O5(g)，达平衡时，测得N2O5为0.7 mol / L，O2为0.5 mol / L，则(　　)        

A. c(N2O3)＝0.8 mol/L              B. c(N2O3)＝0.1 mol/L 

C. c(N2O)＝0.5 mol/L                D. c(N2O)＝1.2 mol/L 

A. 1 mol/L           B. 0.9 mol/L        C. 1.9 mol/L         D. 1.8 mol/L 

6、某温度下，4molH2O和lmolCH4在体积为2L的刚性容器内同时发生I、II反应，达平衡时，体系中n(CO)＝bmol、n(CO2)＝dmol，则该温度下反应I的平衡常数K值为__________________(用字母表示)

I、CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)     △H1＝+206.4kJ·mol－1

II、CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)     △H2

7、甲醚又称二甲醚，简称DME，熔点－141.5 ℃，沸点－24.9 ℃，与石油液化气(LPG)相似，被誉为“21世纪的清洁燃料”。由合成气(CO、H2)制备二甲醚的反应原理如下：

①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)   ΔH1＝－90.0 kJ·mol－1

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH2

有人模拟该制备原理，500 K时，在2 L的密闭容器中充入2 mol CO和6 mol H2,5 min达到平衡，平衡时CO的转化率为60%，c(CH3OCH3)＝0.2 mol·L－1，用H2表示反应①的速率是________ mol·L－1·min－1，可逆反应②的平衡常数K2＝________。若在500 K时，测得容器中n(CH3OCH3)＝2n(CH3OH)，此时反应②的v正____v逆(填“＞”“＜”或“＝”)

例1、CO2在 Cu-ZnO催化下，同时发生如下反应I，II，是解决温室效应和能源短缺的重要手段。

Ⅰ、CO2(g)+3H2(g)CH3OH (g)+H2O(g)    △H1<0

Ⅱ、CO2(g)+H2(g)CO(g)+ H2O(g)        △H2>0

保持温度T时，在容积不变的密闭容器中，充入一定量的CO2及H2，起始及达平衡时，容器内各气体物质的量及总压强如下表：

若反应I、II均达平衡时，p0=1.4p，则表中n=__________；反应1的平衡常数Kp=________ (kPa)－2。(用含p的式子表示)

【答案】0.2       

【解析】对于竞争反应，本题同样采取原子守恒法

设平衡时CO2 为x mol，H2为y mol，CO为z mol，根据：

C守恒：x+n+z=0.5

H守恒：2y+4n+0.3×2=0.9×2

O守恒：2x+n+0.3+z=0.5×2

解得：x=0.2，y=0.2，z=0.1，n=0.2

平衡后物质的总量：0.2+0.6-2×0.2+0.2+0.3+0.3-0.2=1.0mol

平衡后各物质分压： CO2(g):（0.2/1）P=0.2P   H2(g) :(0.2/1)P=0.2P   CH3OH (g):(0.2/1)P=0.2P   H2O(g):(0.3/1)P=0.3P 

Kp==

【经典练习】

1、二甲醚(CH3OCH3)是一种新兴化工原料，具有甲基化反应性能。

反应i　2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH1

反应ii　2CH3OH(g)C2H4(g)＋2H2O(g)　ΔH2＝－29.1 kJ·mol－1

某温度下，以CH3OH(g)为原料，平衡时各物质的分压数据如下表：

则反应i中，CH3OH(g)的平衡转化率α＝________，反应i的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算；结果保留两位有效数字)

2、CO2在Cu−ZnO催化下，可同时发生如下的反应I、II，其可作为解决温室效应及能源短缺的重要手段。，保持温度T不变，在一刚性密闭容器中，充入一定量的CO2及H2，起始及达平衡时，容器内各气体物质的量如下表：

I、CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＝－57.8kJ/mol

II、CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝+41.2kJ/mol

若反应I、II均达平衡时，p0＝1.2p，则表中n1＝_____；若此时n2＝3．则反应I的平衡常数Kp＝_____(无需带单位，用含总压p的式子表示)

3、NH3作为一种重要化工原料，被大量应用于工业生产，与其有关性质反应的催化剂研究曾被列入国家863计划。催化剂常具有较强的选择性，即专一性。已知：

反应I：4NH3(g) +5O2(g)4NO(g) +6H2O(g)      △H＝－905.0 kJ·molˉ1

反应 II：4NH3(g)+3O2(g)2N2(g) +6H2O(g)      △H＝－1266.6 kJ·mol-1

氨催化氧化时会发生上述两个竞争反应I、II。为分析某催化剂对该反应的选择性，在1L密闭容器中充入1 mol NH3和2mol O2，测得有关物质的量关系如下图：

①该催化剂在低温时选择反应_______(填“ I ”或“ II”）。

② 52℃时，4NH3+3O22N2+6H2O的平衡常数K＝_______(不要求得出计算结果，只需列出数字计算式)

③ C点比B点所产生的NO的物质的量少的主要原因________

4、CO2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：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)

反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(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 CO2和4 mol H2，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)。

5、将4 mol SO3气体和4 mol NO置于2 L容器中，一定条件下发生如下可逆反应(不考虑NO2和N2O4之间的相互转化)：2SO3(g)2SO2(g)＋O2(g)，2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)

(1)当上述系统达到平衡时，O2和NO2的物质的量分别为n(O2)＝0.1 mol，n(NO2)＝3.6 mol，则此时SO3气体的物质的量为________

(2)当上述系统达到平衡时，欲求其混合气体的平衡组成，则至少还需要知道两种气体的平衡浓度，但这两种气体不能同时是SO3和________或NO和________(填它们的分子式)

(3)在其他条件不变的情况下，若改为起始时在1 L容器中充入2 mol NO2和2 mol SO2，则反应达到平衡时，c(SO2)

是________ mol·L－1

【守恒法在化学平衡多重反应中的应用】答案

类型一  连续反应

【经典练习】

1、12

2、B

3、0.16

4、B

5、B  

6、

7、0.24　1　＜　

类型二  竞争反应(平行反应)

【经典练习】

1、75%　3.6

2、1.0mol       

3、II      该反应为放热反应，温度升高，平衡向逆反应方向移动或催化剂活性降低

4、反应Ⅰ　

5、(1)0.2 mol　(2)SO2　NO2　(3)1.9