新教材适用2024版高考化学一轮总复习练案22第七章化学反应速率与化学平衡第22讲化学平衡常数化学反应的方向与调控

练案[22]　第22讲　化学平衡常数　化学反应的方向与调控

一、选择题：本题共10小题，每小题只有一个选项符合题目要求。

1．(2023·湖南长沙检测)对于反应C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)　ΔH>0，下列有关说法正确的是( D )

A．平衡常数表达式为K＝

B．恒温条件下压缩容器的体积，平衡逆向移动，平衡常数K减小

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]　固态物质浓度为“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，K不变，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，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。

2．(2023·山东潍坊检测)大气固氮(闪电时N2转化为NO)和工业固氮(合成氨)是固氮的重要形式，下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分K值：

下列说法正确的是( D )

A．常温时工业固氮的转化率较高，因此工业固氮应选择常温下进行

B．人类可以通过大规模模拟大气固氮利用氮资源

C．大气固氮与工业固氮的K值受温度和压强等的影响较大

D．大气固氮是吸热反应，工业固氮是放热反应

[解析]　仅从平衡角度分析，常温下工业固氮能够获得更高的平衡转化率，但是常温下工业固氮反应速率太低，所以工业固氮往往在高温、高压和催化剂的条件下进行，A项错误；分析表格中不同温度下的平衡常数可知，大气固氮反应的平衡常数很小，难以获得较高的转化率，因此不适合实现大规模固氮，B项错误；平衡常数是只和温度有关的常数，C项错误；对于大气固氮反应，温度越高，K越大，所以为吸热反应；对于工业固氮反应，温度越高，K越小，所以为放热反应，D项正确。

3．(2023·河北衡水检测)在恒温、恒容条件下发生下列反应：2X2O5(g)4XO2(g)＋O2(g)　ΔH>0，T ℃下的部分实验数据如下表。下列说法错误的是( D )

A.T ℃下，反应的平衡常数K＝64；100 s时X2O5的转化率为50%

B．50 s内，X2O5的反应速率为0.03 mol·L－1·s－1

C．已知T1 ℃下反应的平衡常数为K1，T2 ℃下反应的平衡常数为K2，若T1>T2，则K1>K2

D．若只将恒容改为恒压，其他条件都不变，则达到新平衡时X2O5的转化率和平衡常数都不变

[解析]　由表中数据可知，100 s时反应已达到平衡状态，平衡时c(X2O5)＝2.00 mol·L－1，则：

　　　　　　2X2O5(g)4XO2(g)＋O2(g)

起始(mol·L－1)  4.00       0      0

转化(mol·L－1)  2.00     4.00    1.00

平衡(mol·L－1)  2.00     4.00     1.00

T ℃下反应的平衡常数K＝＝＝64,100 s时X2O5的转化率为×100%＝50%，故A正确；50 s内，X2O5物质的量浓度变化为(4.00－2.50)mol·L－1＝1.5 mol·L－1，则50 s内X2O5的反应速率为＝0.03 mol·L－1·s－1，故B正确；因正反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡常数增大，若T1>T2，则K1>K2，故C正确；在恒容条件下，随反应进行容器内压强增大，若只将恒容改为恒压，其他条件都不变，等效为在原平衡基础上减小压强，平衡正向移动，平衡时X2O5的转化率增大，平衡常数只受温度影响，温度不变，平衡常数不变，故D错误。

4．(2023·山东济南模拟)下列有关化学反应方向的描述正确的是( A )

A．某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应

B．知道了某过程有自发性之后，可预测反应过程发生的快慢

C．CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)　ΔH>0，该反应能否自发进行与温度无关

D．冰融化为水的过程中：ΔH<0，ΔS>0

[解析]　ΔH－TΔS<0的反应可自发进行，则某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应，故A正确；自发反应的反应速率不一定大，知道了某过程有自发性，不能说明该反应一定发生，也不能说明该反应速率快慢，故B错误；由化学计量数可知ΔS>0，又ΔH>0，则该反应在高温下才能自发进行，所以能否自发进行与温度有关，故C错误；同一物质固态的能量小于液态，液态的熵大于固态，所以冰融化为水的过程中ΔH>0，ΔS>0，故D错误。

5．(2023·湖南长沙检测)25 ℃时，向40 mL 0.05 mol·L－1的FeCl3溶液中一次性加入10 mL 0.15 mol·L－1的KSCN溶液，发生反应，混合溶液中c(Fe3＋)与反应时间(t)的变化如图所示。下列说法正确的是( D )

A．该反应的离子方程式为Fe3＋＋3SCN－Fe(SCN)3↓

B．E点对应的坐标为(0,0.05)

C．t4时向溶液中加入50 mL 0.1 mol·L－1 KCl溶液，平衡不移动

D．若该反应是可逆反应，在25 ℃时平衡常数的数值为

[解析]　Fe3＋与SCN－反应生成络合物，不是沉淀，离子方程式为Fe3＋＋3SCN－Fe(SCN)3，故A错误；E点为反应起点，混合溶液体积为50 mL，此时溶液中c(Fe3＋)＝＝0.04 mol·L－1，所以E点对应的坐标为(0,0.04)，故B错误；t4时向溶液中加入50 mL 0.1 mol·L－1 KCl溶液，相当于稀释溶液，平衡逆向移动，故C错误；由图可知，平衡时Fe3＋浓度为m mol·L－1，则Fe(SCN)3的浓度为(0.04－m)mol·L－1，SCN－的浓度为－3×(0.04－m)mol·L－1＝(3m－0.09)mol·L－1，所以平衡常数K＝＝，故D正确。

6．(2023·宁夏银川一中期末)下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是( B )

A．使用铁触媒作催化剂，使N2和H2混合气体有利于合成氨

B．高压比常压条件更有利于合成氨的反应

C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应

D．合成氨时使用催化剂，可提高产率

[解析]　使用铁触媒作催化剂，能加快合成氨反应速率，化学平衡不移动，故不选A项；N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)正反应气体分子数减少，增大压强，平衡正向移动，高压比常压条件更有利于合成氨的反应，可用勒夏特列原理解释，故选B项；N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)正反应放热，升高温度平衡逆向移动，故不选C项；催化剂不能使平衡移动，合成氨时使用催化剂，不能提高产率，故不选D项。

7．(2023·山东滨州检测)目前人工固氮普遍采用的是氨的工业合成。化学家Gethard Ertl证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的过程，如图所示。

下列说法错误的是( D )

A．②→③需要吸收能量

B．为了提高氨的脱附速率，应适时地将氨从反应后的混合气体中分离出来

C．该过程中包含旧化学键的断裂和新化学键的生成

D．该催化剂可提高反应物的平衡转化率

[解析]　②→③时断裂N2、H2中化学键N≡N和H—H变为N、H原子，因此需要吸收能量，A正确；从合成氨气的环境中将氨气分离出来，就是减小生成物浓度，减少了氨气在催化剂表面的吸附几率，因此可以提高氨的脱附速率，B正确；在该过程中包含反应物N2、H2中旧化学键的断裂和生成物NH3中新化学键的生成，C正确；催化剂能够降低正反应、逆反应的活化能，因此可提高化学反应速率，但对正、逆反应速率的影响相同，对化学平衡移动无影响，因此不能改变反应物的平衡转化率，D错误。

8．(2023·北京海淀检测)合成氨工艺是人工固氮最重要的途径，已知N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，实际工业生产中，合成氨的原料气N2可通过分离空气得到，H2可通过天然气和水蒸气转化制得，原料气中N2和H2物质的量之比为12.8，常用工艺条件：铁触媒作催化剂，控制温度773 K、压强3.0×107 Pa。假设起始反应物N2和H2物质的量之比为13，且总物质的量不变，在不同压强和温度下，反应达到平衡时，体系中NH3的物质的量分数如下表所示

则下列说法正确的是( A )

A．上述任何条件下，反应达到平衡时N2和H2的转化率之比均为1

B．体系中NH3的物质的量分数越小，反应一定越先达到平衡

C．反应达到平衡时，放出的热量均为92.4 kJ

D．600 ℃、30 MPa条件下加入更高效的催化剂，平衡时NH3的物质的量分数大于0.129

[解析]　转化量之比等于物质的化学计量数之比，充入时氮气和氢气的物质的量之比为13，转化量之比也为13，故转化率相同，故A正确；反应是否达到平衡与氨气的物质的量分数大小无关，是否先达到平衡与温度、压强、浓度、催化剂有关，故B错误；反应中的ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，表示有1 mol N2完全反应时放出的热量为92.4 kJ，该反应为可逆反应，反应体系中始终存在反应物和生成物，若充入1 mol N2和3 mol H2，则达到平衡时转化的N2小于1 mol，则放出的热量小于92.4 kJ，故C错误；催化剂也不能改变平衡状态，故D错误。

9．(2023·湖南洪江一中第一次月考)335 ℃时，在恒容密闭容器中，1 mol C10H18(l)催化脱氢的反应过程如下：

反应Ⅰ：C10H18(l)===C10H12(l)＋3H2(g)　ΔH1

反应Ⅱ：C10H12(l)===C10H8(l)＋2H2(g)　ΔH2

反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡常数分别为K1和K2，反应过程中能量的变化及C10H12和C10H8的产率(x)随时间的变化关系如图1和图2所示。下列说法正确的是( B )

A．ΔH1>0，ΔH2<0

B．若温度高于335 ℃，则当x(C10H8)＝0.374时，所需时间可能小于8 h

C．更换更高效的催化剂，能提高C10H8的平衡产率

D．缩小容器体积，K1和K2均减小

[解析]　由图可知，反应Ⅰ和反应Ⅱ的反应物总能量都低于生成物总能量，都是吸热反应，则ΔH1>0、ΔH2>0，A错误；升高温度，化学反应速率增大，则若温度高于335 ℃，当x(C10H8)＝0.374时，反应所需时间可能小于8 h，B正确；更换更高效的催化剂，化学反应速率增大，但化学平衡不移动，不能提高C10H8的平衡产率，C错误；化学平衡常数是温度的函数，温度不变，平衡常数不变，则缩小容器体积，气体压强增大，但K1和K2均不变，D错误。

10．北京航空航天大学教授团队与中科院高能物理研究所合作，合成了Y、Sc(Y1/NC，Sc1/NC)单原子催化剂，用于常温常压下的电化学催化氢气还原氮气的反应。反应历程与相对能量模拟计算结果如图所示(*表示稀土单原子催化剂)。下列说法正确的是( C )

A．Y1/NC比Sc1/NC更有利于吸附氮气

B．实际生产中将催化剂的尺寸处理成纳米级颗粒可提高氨气的平衡转化率

C．使用Sc1/NC单原子催化剂的反应历程中，最大能垒的反应过程可表示为*N2＋H―→*NNH

D．升高温度一定可以提高氨气单位时间内的产率

[解析]　从图中可以看出，使用Sc1/NC吸附氮气的活化能更低，更有利于吸附氮气，A错误；催化剂只能改变反应速率，不能影响化学平衡移动，故实际生产中将催化剂的尺寸处理成纳米级颗粒不能提高氨气的平衡转化率，B错误；从图中可以看出，使用Sc1/NC单原子催化剂的反应历程中，最大能垒的反应过程可表示为*N2＋H―→*NNH，C正确；从图中可知，合成氨的反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，且温度越高，催化剂吸附N2越困难，故升高温度虽然可以加快反应速率，但不一定可以提高氨气单位时间内的产率，D错误。

二、非选择题：本题共4小题。

11．(2023·山东滨州检测)已知化学反应①：Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)，其平衡常数为K1；化学反应②：Fe(s)＋H2O(g)FeO(s)＋H2(g)，其平衡常数为K2。在温度973 K和1 173 K情况下，K1、K2的值分别如表所示：

(1)通过表格中的数值可以推断：反应①是 吸热　(填“吸热”或“放热”)反应。

(2)现有反应③：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，请你写出该反应的平衡常数K3的数学表达式：K3＝ 　。

(3)根据反应①与②可推导出K1、K2与K3之间的关系式为 K3＝　。根据此关系式及表中数据，也能推断出反应③是 吸热　(填“吸热”或“放热”)反应。

[解析]　(1)由表中数据可知，温度升高，①的平衡常数增大，说明平衡向正反应方向移动，则正反应吸热。(2)依据反应CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，根据平衡常数的概念，该反应的平衡常数K3的数学表达式：K3＝。(3)已知：①Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)；②Fe(s)＋H2O(g)FeO(s)＋H2(g)；利用盖斯定律将①－②可得：③H2(g)＋CO2(g)CO(g)＋H2O(g)；则K3＝＝×＝；依据图表平衡常数数据分析，温度升高增大，说明平衡正向进行，反应是吸热反应。

12．(2023·河北衡水检测)含氮化合物对环境、生产和人类生命活动等具有很大的影响。请按要求回答下列问题。

(1)工业上利用氨气生产氢氰酸(HCN)的反应为CH4(g)＋NH3(g)HCN(g)＋3H2(g)　ΔH>0

在一定温度下，向2 L密闭容器中加入n mol CH4和2 mol NH3，平衡时NH3体积分数随n变化的关系如图1所示。

a点时，CH4的转化率为 25　%；平衡常数：K(a) ＝　K(b)(填“>”“＝”或“<”)。

(2)肌肉中的肌红蛋白(Mb)与O2结合生成MbO2，其反应原理可表示为Mb(aq)＋O2(g)MbO2(aq)，该反应的平衡常数可表示为K＝。在37 ℃条件下达到平衡时，测得肌红蛋白的结合度(α)与p(O2)的关系如图2所示[α＝×100%]。研究表明正反应速率v正＝k正·c(Mb)·p(O2)，逆反应速率v逆＝k逆·c(MbO2)(其中k正和k逆分别表示正反应和逆反应的速率常数)。

①试写出平衡常数K与速率常数k正、k逆之间的关系式为K＝ 　(用含有k正、k逆的式子表示)。

②试求出图2中c点时，上述反应的平衡常数K＝ 2　kPa－1。已知k逆＝60 s－1，则速率常数k正＝ 120　s－1·kPa－1。

[解析]　(1)假设反应消耗CH4物质的量为x

对于反应：

　　　CH4(g)＋NH3(g)HCN(g)＋3H2(g)

开始/mol  2    2         0        0

转化/mol  x    x         x        3x

平衡/mol  2－x  2－x     x        3x

根据图像可知在平衡时氨气的体积分数是30%，可得×100%＝30%，解得x＝0.5，则a点时，CH4的转化率为×100%＝25%；由于温度不变，所以无论是在线上任何一点，化学反应的平衡常数都不变，因此K(a)＝K(b)。

(2)①可逆反应达到平衡状态时，v正＝v逆，由于v正＝k正·c(Mb)·p(O2)，v逆＝k逆·c(MbO2)，所以k正·c(Mb)·p(O2)＝k逆·c(MbO2)，＝，而反应Mb(aq)＋O2(g)MbO2(aq)的平衡常数K＝＝。②c点时，p(O2)＝4.50 kPa，肌红蛋白的结合度α＝90%，代入平衡常数表达式中可得K＝＝ kPa－1＝2 kPa－1；K＝，则k正＝K·k逆＝2 kPa－1×60 s－1＝120 s－1·kPa－1。

13．(2023·广东广州检测)氮氧化物(NOx)的排放对环境造成严重污染。回答下列问题：

(1)工业上可利用C(s)＋2NO(g)CO2(g)＋N2(g)反应处理氮氧化物。

已知：N2(g)＋O2(g)2NO(g)　ΔH1＝＋180.5 kJ·mol－1，碳的燃烧热ΔH＝－393.5 kJ·mol－1，则C(s)＋2NO(g)CO2(g)＋N2(g)　ΔH2＝ －574　kJ·mol－1。

(2)用活性炭还原法处理氮氧化物的有关反应为C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)。向一恒压密闭容器中加入一定量(足量)的活性炭和NO，在t2时刻改变某一条件，其反应过程如图所示。

①则t2时刻改变的条件为 向密闭容器中加入NO　。

②t1时刻的v(逆) <　(填“>”“<”或“＝”)t2时刻的v(正)。

(3)在恒容密闭容器中发生反应2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(s)＋H2O(g)　ΔH<0。下列说法正确的是 BD　(填选项字母)。

A．及时分离出生成的尿素，有利于NH3的转化率增大

B．反应达到平衡后，混合气体的密度不再发生改变

C．反应在任何温度下都能自发进行

D．当尿素的质量不变时，说明反应达到平衡

[解析]　(1)已知：①N2(g)＋O2(g)2NO(g)　ΔH1＝＋180.5 kJ·mol－1

②C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－393.5 kJ·mol－1

②－①可得目标化学方程式，则ΔH2＝ΔH－ΔH1＝－574 kJ·mol－1。

(2)①因为恒压容器中，改变条件的瞬间，逆反应速率减小，但平衡正向移动且达平衡后，逆反应速率与原平衡相同，所以t2时刻改变的条件为向密闭容器中加入NO。②t1时刻，反应达到平衡，v(正)＝v(逆)，t2时刻，充入NO，反应物的浓度增大，正反应速率增大，则t1时刻的v(正)<t2时刻的v(正)，所以t1时刻的v(逆)<t2时刻的v(正)。(3)因为尿素呈固态，所以及时分离出生成的尿素，对NH3的转化率没有影响，A不正确；因为达平衡前，混合气体的质量减小，但体积不变，所以密度不断减小，当混合气体的密度不再发生改变时，反应达平衡状态，B正确；ΔH<0，ΔS<0，ΔH－TΔS<0时反应自发进行，则低温下反应能自发进行，但高温下反应不能自发进行，C不正确；当尿素的质量不变时，正、逆反应速率相等，反应达平衡状态，D正确。

14．(2023·湖南名校月考)NOx(主要指NO和NO2)是大气主要污染物，有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。回答下列问题：

(1)某减少氮氧化物污染的方法涉及的反应如下：

①N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔH1；

②2C(s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH2；

③C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH3；

④2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)　ΔH4。

ΔH4＝ 2ΔH3－ΔH2－ΔH1　(填含“ΔH1”“ΔH2”或“ΔH3”的表达式)。

(2)向2 L恒容密闭容器中充入气体NO和CO各2.4 mol，在催化剂作用下发生反应：2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)。在温度为T1和T2下分别测得n(CO2)随时间t的变化曲线如图(a)所示。

①T1 >　(填“>”“<”或“＝”)T2，该反应是 放热　(填“放热”或“吸热”)反应。

②温度为T1时，0～10 s内N2的平均反应速率v(N2)＝ 0.025　mol·L－1·s－1,10 s末CO2的体积分数约为 23.3　(保留三位有效数字)%。

③向密闭容器中充入NO(g)和CO(g)，仅改变外界条件X，平衡时NO的转化率变化曲线如图(b)所示。则X可代表 b　(填标号)。

a．反应体系的温度

b．反应体系的压强

c．NO的物质的量

(3)氨气可以用来处理NO2，利用其反应原理设计的原电池装置如图(c)所示。

①气体A为 NH3　(填化学式)。

②电极Y为 正极　(填“正极”或“负极”)，该电极的电极反应式为 6NO2＋24e－＋12H2O===3N2＋24OH－　。

③当上述原电池中有1 344 mL(已折合成标准状况下)NO2完全反应时，两电极室内电解质溶液共增重 2.16　g(忽略其他影响电解质溶液质量的因素)。

[解析]　(1)根据盖斯定律，2×反应③－反应②－反应①＝反应④，则ΔH4＝2ΔH3－ΔH2－ΔH1。(2)①根据图像，T1>T2，升高温度，n(CO2)减小，平衡逆向移动，正反应是放热反应。②温度为T1时，0～10 s内的平均反应速率v(CO2)＝＝0.05 mol·L－1·s－1，v(N2)＝v(CO2)＝0.025 mol·L－1·s－1。10 s末，CO、NO、N2、CO2的物质的量分别为1.4 mol、1.4 mol、0.5 mol、1 mol，此时CO2的体积分数约为23.3%。③观察图(b)，该反应的正反应是放热反应，升高温度，NO的转化率减小，a项不符合题意；该反应的正反应是气体分子数减小的反应，X代表压强，b项符合题意；增加NO的量，NO的转化率降低，c项不符合题意。(3)根据图(c)中OH－的移动方向可知，电极X为负极，通入NH3，电极Y为正极，通入NO2。正极反应式为6NO2＋24e－＋12H2O===3N2＋24OH－，负极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，总反应式为8NH3＋6NO2===7N2＋12H2O，当原电池中有1 344 mL(已折合成标准状况下)NO2完全反应时，两电极室内电解质溶液共增重0.06×2×18 g＝2.16 g。