2024版新教材高考化学全程一轮总复习第七章化学反应速率与化学平衡第24讲化学平衡常数化学反应的方向学生用书

第24讲　化学平衡常数　化学反应的方向复 习 目 标1．了解化学平衡常数(K)的含义。2.能利用化学平衡常数进行相关计算。3.能正确计算化学反应的转化率(α)。考点一　化学平衡常数必备知识整理1.化学平衡常数及表达式(1)概念：在一定温度下，当一个可逆反应达到____________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①对于反应mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)的平衡常数K＝____________。②固体或纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式a．C(s)＋H2O(g)⇌CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式K＝。b．Fe3＋(aq)＋3H2O(l)⇌Fe(OH)3(s)＋3H＋(aq)的平衡常数表达式K＝。微点拨　化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，化学反应方向改变或化学计量数改变，化学平衡常数均发生改变。(1)同一反应的正逆平衡常数互为倒数，即K正＝。(2)反应的化学计量数变为原来的n倍，则平衡常数是原平衡常数的n次方，即K′＝Kn。2．意义及影响因素特别提醒一般地，当K＞105时，反应基本完全了。3.主要应用(1)判断可逆反应的反应方向以及反应是否达到平衡(2)判断可逆反应的反应热[正误判断]　(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(　　)＋H2O⇌NH3·H2O＋H＋的平衡常数表达式为K＝(　　)(4)对于N2(g)＋3H2(g) ⇌2NH3　ΔH＜0反应，降温和加压均右移，平衡常数均增大(　　)(5)升高温度，平衡常数K一定增大(　　)(6)平衡常数发生变化，化学平衡不一定发生移动(　　)(7)一定温度下，2SO2＋O2⇌2SO3与2SO3⇌O2＋2SO2的平衡常数互为相反数(　　)对点题组训练题组一　化学平衡常数的含义及其影响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2．反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均会在工业生产硝酸过程中发生，其中反应Ⅰ、Ⅱ发生在氧化炉中，反应Ⅲ发生在氧化塔中，不同温度下各反应的化学平衡常数如表所示。下列说法正确的是(　　)A.使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可增大氧化炉中NO的含量B．通过改变氧化炉的温度可促进反应Ⅰ而抑制反应ⅡC．通过改变氧化炉的压强可促进反应Ⅰ而抑制反应ⅡD．氧化炉出气在进入氧化塔前应进一步提高温度题组二　化学平衡常数的计算与应用3．已知COS氢解：H2(g)＋COS(g)⇌H2S(g)＋CO(g)　ΔH＝＋6.2 kJ·mol－1。COS(g)氢解反应的平衡常数K与温度T的关系如图。(1)能表示COS(g)氢解反应的直线为________(填“x”“y”或“z”)。(2)某温度下向刚性容器中通入m mol COS(g)和n mol H2(g)发生氢解反应。已知COS(g)的平衡转化率为α，则该温度下氢解反应的平衡常数K＝________(用m、n、α等符号表示)。4．减少汽车尾气污染的原理为2NO(g)＋2CO(g)eq \o(,\s\up7(催化剂))N2(g)＋2CO2(g)　ΔH＜0，向恒温恒容密闭容器中充入NO和CO，用传感器测得的数据如下表所示。(1)为了提高尾气处理的效果，可采取的措施有________________(写出两种即可)。(2)此条件下达到平衡时，计算该反应的平衡常数K＝________________________。新 情 境 新 高 考O3的消毒原理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，能杀灭新冠肺炎病毒。已知常温常压下发生的反应如下：反应①O3⇌O2＋[O]　ΔH>0平衡常数为K1(反应进行程度较小)反应②[O]＋O3⇌2O2　ΔH0，该分解反应是吸热反应，即ΔH>0，故D正确。答案：AD4．解析：在合成氨反应中，生成物气体分子数小于反应物气体分子数，所以反应的ΔS＜0，A不正确；反应的ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和＝E(N≡N)＋3E(H—H)－6E(N—H)(E表示键能)，B不正确；由合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)，可建立如下关系式：N2～3H2～6e－，则反应中每消耗1 mol H2转移电子的数目约等于2 mol×6.02×1023 mol－1＝2×6.02×1023，C正确；合成氨反应为放热的可逆反应，高温可加快反应速率，但会使平衡逆向移动，不能提高H2的平衡转化率，使用催化剂只能改变反应速率，但不能改变H2的平衡转化率，也就不能提高H2的平衡转化率，D不正确。答案：C5．解析：(1)NO与CO反应生成两种无毒气体，应为CO2和N2，化学方程式应为2CO(g)＋2NO(g)⇌2CO2(g)＋N2(g)；由已知：①2NO(g)⇌N2(g)＋O2(g)　ΔH1＝；②CO(g)＋O2(g)⇌CO2(g)　ΔH2＝－283 kJ·mol－1；根据盖斯定律可知①＋②×2可得2CO(g)＋2NO(g)⇌2CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝－180.5 kJ·mol－1＋(－283 kJ·mol－1)×2＝－746.5 kJ·mol－1。(2)①据图可知相同时间内使用催化剂Ⅰ的反应最先达到平衡，所以使用催化剂Ⅰ最好；据图可知A点曲线的斜率更大，反应速率更快。②据图可知25 s时氮气的物质的量不再改变说明反应达到平衡，此时n(N2)＝0.2 mol，根据方程式可知此时容器中n(CO2)＝0.4 mol，Δn(NO)＝Δn(CO)＝0.4 mol，初始投料为0.5 mol CO和0.5 mol NO，所以平衡时容器内n(NO)＝n(CO)＝0.1 mol，容器的容积为2 L，所以K＝＝640。答案：(1)2CO(g)＋2NO(g)⇌2CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝－746.5 kJ·mol－1　(2)①Ⅰ　v(A)>v(B)②640　③6．解析：(1)根据题干可知，该反应为氧化铁与H2S反应，生成硫化铁和水，反应的化学方程式为：Fe2O3＋3H2S===Fe2S3＋3H2O。(2)①根据盖斯定律2×ⅱ－ⅰ－ⅲ＝2×ⅳ－ⅲ＋ⅰ＝ⅱ＋ⅳ－ⅲ，则ΔH5＝2ΔH2－ΔH1－ΔH3＝2ΔH4－ΔH3＋ΔH1＝ΔH2＋ΔH4－ΔH3。②根据表格中产氢率，＝1.0时最高；由0到0.5时，H2的体积分数显著增加的原因是CaO作为CO2的吸收剂，使产气中CO2分压降低，从而使水煤气变换反应平衡向生成H2的方向移动。③根据表格可知750 ℃时，产氢率最高。④CaO与二氧化碳反应生成碳酸钙，附着在CaO的表面，阻止了CaO对CO2的进一步吸收。(3)甲醇的结构简式为CH3OH，脱氢反应中断裂的化学键是O—H和C—H；该反应的相对能量降低，反应放热。答案：(1)Fe2O3＋3H2S===Fe2S3＋3H2O(2)①2ΔH2－ΔH1－ΔH3(或2ΔH4－ΔH3＋ΔH1或ΔH2＋ΔH4－ΔH3)　②1.0　CaO作为CO2的吸收剂，使产气中CO2分压降低，从而使水煤气变换反应平衡向生成H2的方向移动　③750 ℃　④CaO吸收CO2产生的CaCO3附着在CaO的表面，阻止了CaO对CO2的进一步吸收(3)O—H和C—H　小于本讲真题研练1．解析：(1)①平衡时向容器中充入惰性气体，各物质浓度不变，反应Ⅰ的平衡不移动，A错误；C(s)在反应过程中转化成气体，气体质量增大，使气体密度增大，直至反应达到平衡，B正确；由Ⅰ＋Ⅱ得C(s)＋2H2O(g)⇌CO2(g)＋2H2(g)，当该反应进行到底时，H2的体积分数为，但可逆反应不可能进行到底，故C错误；将炭块粉碎，增大了炭与水蒸气的接触面积，可加快反应速率，D正确。②设反应达到平衡时，反应Ⅰ消耗x mol H2O(g)、反应Ⅱ消耗y mol H2O(g)，由题中信息可得：　　　　　　Ⅰ.C(s)＋H2O(g)⇌CO(g)＋H2(g)起始量/mol：　1　　　0　　　0变化量/mol: xxx　　　　Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)⇌CO2(g)＋H2(g)变化量/mol: yyyy平衡量/mol: x－y 1－x－yyx＋y则x＋y＝50%×1、x－y＝0.1，解得x＝0.3、y＝0.2，故整个体系的热量变化为＋131.4 kJ·mol－1×0.3 mol－41.1 kJ·mol－1×0.2 mol＝＋31.2 kJ(吸收热量)。平衡时气体总物质的量是1.3 mol，总压强为0.26 MPa，故反应Ⅰ的平衡常数Kp＝＝＝0.02 MPa。(2)①由Ka2＝＝5.0×10－11、)＝1∶2，可得c(H＋)＝1.0×10－10mol·L－1，pH＝－lg c(H＋)＝10。②再生塔中产生CO2的同时生成K2CO3，说明KHCO3在水蒸气加热条件下发生分解反应。③由题意知，CO2在阴极得到电子生成C2H4，图中质子交换膜提示有H＋参与反应，故阴极反应式为2CO2＋12H＋＋12e－===C2H4＋4H2O。答案：(1)①BD　②吸收　31.2　0.02 MPa(2)①10　②③2CO2＋12H＋＋12e－===C2H4＋4H2O2．解析：Na2CS3中的S为－2价，能被氧化，A项错误；由Na2CO3溶液为碱性可以推测Na2CS3溶液也为碱性，B项正确； 该反应由固体和液体生成固体和气体，是熵增过程，C项错误；S原子半径比O原子大，C===S键比C===O键的键能小，故CS2的热稳定性比CO2的低，D项错误。答案：B3．解析：(1)根据盖斯定律可知，反应④＝(①＋②)÷3－③，即ΔH4＝(ΔH1＋ΔH2)÷3－ΔH3＝＋170 kJ·mol－1。(2)克劳斯工艺无法获取H2，且存在副产物SO2，高温热分解能够获得H2，H2可作燃料，且副产物少；高温热分解法的缺点是需要高温条件，能耗高。(3)设初始时H2S为1 mol，则Ar为4 mol，H2S转化了2x mol，列三段式：　　　　2H2S(g)⇌S2(g)＋2H2(g)初始量/mol: 　1 　0 　0转化量/mol: 　2xx 　2x平衡量/mol: 　1－2xx2x平衡时H2S与H2的分压相等，则n(H2S)＝n(H2)，1－2x＝2x，可得x＝0.25，则H2S的平衡转化率＝×100%＝50%，平衡时，n(H2S)＝n(H2)＝0.5 mol，n(S2)＝0.25 mol，此时容器中气体总物质的量为0.5 mol＋0.5 mol＋0.25 mol＋4 mol＝5.25 mol，则H2S(g)、S2(g)、H2(g)的分压分别为(100×) kPa、(100×) kPa、(100×) kPa，代入Kp＝，可得Kp≈4.76 kPa。(4)①n(H2S)∶n(Ar)越小，可理解为恒压条件下，不断充入Ar，导致H2S的分压降低，相当于进行减压操作，H2S的热分解反应为气体分子数增大的反应，减压时平衡正向移动，H2S的平衡转化率升高。②由①中分析知n(H2S)∶n(Ar)＝1∶9时的转化率仅低于n(H2S)∶n(Ar)＝1∶19时的转化率，故对应图中曲线d，0.1 s时，H2S的转化率为24%，设H2S、Ar初始量分别为1 mol、9 mol，列三段式：　　　　2H2S(g)⇌S2(g)＋2H2(g)初始量/mol: 　1 　0 　0变化量/mol: 　0.24 0.12 0.240．1 s时/mol: 0.76 0.12 0.24H2S的初始分压＝100× kPa＝10 kPa，0.1 s时，H2S的分压＝100× kPa≈7.51 kPa，则变化的H2S分压约为10 kPa－7.51 kPa＝2.49 kPa，故H2S分压的平均变化率为2.49 kPa÷0.1 s＝24.9 kPa·s－1。答案：(1)＋170(2)高温热分解能够获得H2，H2可作燃料，且副产物少　能耗高(3)50%　4.76(4)①越高(或越大)　H2S的热分解反应为气体分子数增大的反应，恒压条件下，不断充入Ar，导致H2S的分压降低，相当于减压，平衡正向移动，H2S的平衡转化率升高　②d　24.94．解析：(1)反应Ⅰ、反应Ⅱ都是吸热反应，升高温度，平衡均正向移动，CO2的平衡转化率增大；反应Ⅰ的气体分子数增大，反应Ⅱ的气体分子数不变，减小压强，反应Ⅰ平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大，因此有利于提高CO2平衡转化率的条件为高温低压。(2)根据盖斯定律，由Ⅰ＋Ⅱ×2，可得CH4(g)＋3CO2(g)⇌4CO(g)＋2H2O(g)　ΔH＝＋247 kJ·mol－1＋41 kJ·mol－1×2＝＋329 kJ·mol－1，根据化学计量数扩大为原来的n倍，平衡常数为原来的n次方，反应相加，平衡常数相乘，知K＝。(3)①从流程图可以看出，Fe3O4和CaO都先反应，后生成，都能循环利用，A项错误；过程ⅱ中Fe3O4氧化CO：Fe3O4＋4CO⇌3Fe＋4CO2，CaO吸收CO2，c(CO2)减小，平衡正向移动，B项正确；根据流程可知，过程ⅱ产生的H2O在过程ⅲ中被排出，没有被CaO吸收，C项正确；该流程的总反应为CH4(g)＋3CO2(g)⇌4CO(g)＋2H2O(g)，由(2)可知，其还原1 mol CO2吸收的能量比反应Ⅰ少，D项错误。②过程ⅲ发生反应：CaCO3(s)⇌CaO(s)＋CO2(g)、3Fe(s)＋4CO2(g)⇌Fe3O4(s)＋4CO(g)，恒压时通入He，容器体积增大，CaCO3(s)⇌CaO(s)＋CO2(g)平衡正向移动，导致增大，从而使3Fe(s)＋4CO2(g)⇌Fe3O4(s)＋4CO(g)平衡正向移动，因此CO的物质的量上升。(4)①设起始时CH4、CO2分别为a mol、3a mol，根据图2，1 000 ℃时CH4转化率为100%，CO2转化率为60%，则Δn(CO2)＝3a mol×60%＝1.8a mol，Δn(CH4)＝a mol×100%＝a mol，R＝Δn(CO2)/Δn(CH4)＝1.8。根据图示，随着温度升高，CH4的转化率先逐渐增大，后基本不变，CO2的转化率逐渐增大，从图示可知，CH4、CO2的转化率之差先增大(约600 ℃时最大)后减小，最终比起始时大，则R先减小后增大，最终比起始时小。②反应Ⅰ中CH4和CO2的变化量相同，R值提高说明催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率，A项正确；由表可知，温度越低，R值越大，说明参与反应Ⅱ的CO2越多，生成的H2O越多，B项正确；温度升高，反应Ⅰ、Ⅱ平衡均正向移动，CH4、CO2转化率均增大，C项错误；由表中数据可知，改变催化剂提高CH4转化率，R值不一定增大，D项正确。答案：(1)C　(2)＋329　　(3)①BC　②通入He，CaCO3分解平衡正移，导致增大，促进Fe还原CO2平衡正移(4)①　②C意义K值越大正反应进行的程度越____反应物的转化率越____影响因素内因反应物本身的性质外因温度升高ΔH0，K值增大Q＝K体系处于平衡状态QK反应____向进行升高温度K值增大正反应为____热反应K值减小正反应为____热反应降低温度K值增大正反应为____热反应K值减小正反应为____热反应温度(K)化学平衡常数反应Ⅰ：4NH3＋5O2⇌4NO＋6H2O　反应Ⅱ：4NH3＋3O2⇌2N2＋6H2O　反应Ⅲ：2NO＋O2⇌2NO25001.1×10267.1×10341.3×1027002.1×10192.6×10251.0时间/s01234c(NO)/(×10－3 mol·L－1)9.004.002.001.001.00c(CO)/(×10－3 mol·L－1)9.004.002.001.001.00容器反应条件起始物质的量/mol达到平衡所用时间/min达到平衡过程中的能量变化X2Y2XY3①恒容13010放热0.1a kJ②恒压130t放热b kJn(Ca)/n(C)气体体积分数碳转化率/%H2COCO2CH4045.5822.7022.377.5461.220.552.9521.7419.115.1456.591.058.6222.3712.605.3161.42温度/℃气体体积分数碳转化率/%H2COCO270051.7820.7519.8954.3775058.6222.3712.6061.4280055.6326.0512.7173.4385054.1626.9413.8283.34温度/℃480500520550CH4转化率/%7.911.520.234.8R2.62.42.11.8