2021届高考化学人教版一轮创新教学案：第7章第23讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向

第23讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向

一、化学平衡常数

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，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＝

3．实例

4．意义

(1)K值越大，平衡时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。

5．平衡转化率

平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的量与转化前该反应物的量之比，用来表示反应限度。对于反应：aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，反应物A的转化率可以表示为α(A)＝×100%。

二、化学反应进行的方向

1．自发过程

(1)含义：不用借助于外力就可以自动进行的过程。

(2)特点

2．熵与熵变

(1)熵：描述体系混乱程度的物理量，符号为S。熵值越大，体系混乱度越大。

(2)常见的熵增过程

①同一种物质的不同状态：S(g)＞S(l)＞S(s)。

②反应后气体物质的量增加的反应。

3．化学反应方向的判据

1.判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。

(1)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式为K＝。(×)

错因：固体和纯液体通常不计入平衡常数表达式中。

(2)恒温、恒容条件下，发生反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)达到平衡，向容器中再充入1 mol SO2，平衡正向移动，化学平衡常数增大。(×)

错因：K仅与温度有关。

(3)改变条件，使反应物的平衡转化率都增大，该可逆反应的平衡常数一定增大。(×)

错因：K仅与温度有关。

(4)改变条件，平衡右移，则反应物的转化率一定增大。(×)

错因：在合成氨的反应中，其他条件不变时，增加N2的量，平衡右移，但N2的转化率减小。

(5)反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH>0。(×)

错因：ΔG＝ΔH－TΔS<0时反应可自发进行，又ΔS<0，所以ΔH<0。

(6)因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或熵变均可以单独作为反应自发性的判据。(×)

错因：焓变或熵变不全面，需由复合判据ΔG＝ΔH－TΔS来判定反应的自发性。

2．教材改编题

(据人教选修四P32T2)已知反应A(g)＋3B(g)3C(g)在一定温度下达到平衡，该反应的平衡常数表达式为____________。若各物质的平衡浓度分别为c(A)＝2.0 mol·L－1、c(B)＝2.0 mol·L－1、c(C)＝1.0 mol·L－1，则K＝________。

答案　K＝　

考点一　化学平衡常数及应用

[解析]　A项，因该反应中氢气前的系数为2，则该反应的平衡常数的表达式为K＝，错误；B项，由图像可知，反应从T2到T1时，甲醇的物质的量增大，根据平衡常数计算式可知T1时的平衡常数比T2时的大，错误；C项，由图像可知在T2温度下反应先达到平衡，反应速率较T1快，则有T2>T1，从图像的纵坐标分析可得温度降低，平衡向正反应方向移动，则正反应为放热反应，错误；D项，处于A点的反应体系从T1变到T2的过程中，平衡向逆反应方向移动，则c(H2)增大，而c(CH3OH)减小，达到平衡时应该增大，正确。

[答案]　D

1．平衡常数的几个易错点

(1)正、逆反应的平衡常数互为倒数；若方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。

(2)固体与纯液体以及溶液中H2O的浓度可看为常数，不能代入平衡常数表达式。

(3)两反应加和得到的新反应，其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积；两反应相减，得到的新反应，其化学平衡常数是两反应平衡常数相除得到的商。

2．化学平衡常数的应用

(1)利用K可以推测可逆反应进行的程度

K的大小表示可逆反应进行的程度，K大说明反应进行的程度大，反应物的平衡转化率大；K小说明反应进行的程度小，反应物的平衡转化率小。

(2)利用K可判断反应的热效应

若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应；若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。

(3)利用K的表达式确定化学反应方程式

根据平衡常数的书写原则确定出反应物、生成物以及各物质的化学计量数。

(4)借助平衡常数，可以判断一个化学反应是否达到化学平衡状态以及反应的方向

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，通过浓度商与K的相对大小来确定反应是否达到平衡状态。Qc＝。

Qc

1．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　O3O2＋[O]　ΔH>0　平衡常数为K1；

反应②　[O]＋O32O2　ΔH<0　平衡常数为K2；

总反应：2O33O2　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

答案　C

解析　降温，总反应平衡向右移动，K增大，A错误；K1＝、K2＝、K＝＝K1·K2，B错误；升高温度，反应①平衡向右移动，反应②平衡向左移动，c([O])增大，可提高消毒效率，C正确；对于给定的反应，平衡常数只与温度有关，D错误。

2．已知在600 ℃时，以下三个反应的平衡常数：

反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s)　K1

反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g)　K2

反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　K3

(1)反应①的平衡常数表达式为____________，反应④2CO(g)＋2CuO(s)2CO2(g)＋2Cu(s)的平衡常数K4与K1的关系是____________。

(2)反应②的K值随着温度升高而增大，则反应②的反应热ΔH________0。

(3)反应③的K3值与K1、K2的关系是____________。

(4)若其他条件不变，向反应③所在的密闭容器中充入H2O(g)，则平衡将向________移动，该反应的平衡常数________(填“变大”“变小”或“不变”)。

答案　(1)K1＝　K4＝K　(2)＞　

(3)K3＝　(4)正反应方向　不变

解析　(1)CuO和Cu都是固体，不代入平衡常数表达式，故反应①的平衡常数表达式为K1＝，由反应①×2得反应④方程式，则K4＝K。

(2)温度升高，可逆反应向吸热方向进行，而K值增大，平衡正向移动，则正向为吸热的方向，故ΔH＞0。

(3)反应③＝反应①－反应②，则K3＝。

(4)依据平衡移动原理，平衡将向正反应方向移动，由于K值仅受温度影响，故K值不变。

考点二　化学平衡常数的计算

[解析]　(1)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，反应在恒容绝热容器中进行，所以体系温度最高，反应速率最快，达平衡所需时间最短，而由题图可知最快达到平衡的是c。

(2)平衡常数只与温度有关，温度不变K不变，而曲线a和曲线b的温度相同，故平衡常数相同，曲线b条件下反应达平衡时N2的转化率为80%，根据题意列出三段式：

　　　　　N2(g)　＋　3H2(g)2NH3(g)

起始物质的量  1 mol  2.8 mol  0

变化物质的量  0.8 mol  2.4 mol  1.6 mol

平衡物质的量  0.2 mol  0.4 mol  1.6 mol

所以K＝＝＝800。

(3)b对应容器中M点最终达平衡状态时氮气的转化率减小，反应逆向进行，则v(正)小于v(逆)。

[答案]　(1)c　(2)800　(3)小于

“三段式法”解答有关平衡常数、转化率的计算

“三段式法”是有效解答化学平衡计算题的“万能钥匙”。解题时，要注意条理清楚地列出起始量、转化量、平衡量，按题目要求进行计算，同时还要注意单位的统一。

1．解题步骤

(1)写出涉及的可逆反应的化学方程式。

(2)找出起始量、转化量和平衡量中哪些是已知量，哪些是未知量，按“三段式”列出。

(3)根据问题建立相应的关系式进行计算。

2．具体方法

(1)分析三个量：即起始量、转化量、平衡量。

(2)明确三个关系

①对于同一反应物，起始量－转化量＝平衡量。

②对于同一生成物，起始量＋转化量＝平衡量。

③各变化量之比等于各物质的化学计量数之比，且三段式中只有转化量之比一定等于各物质化学计量数之比，起始量和平衡量不一定。

(3)计算模式

对于反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量(mol)分别为a、b，达到平衡后，A的消耗量为mx，容器容积为V L。

mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)

起始(mol)  a  b  0  0

转化(mol)  mx  nx  px  qx

平衡(mol)  a－mx  b－nx  px  qx

则有：①平衡常数：K＝。

②A的平衡浓度：c平(A)＝ mol·L－1。

③A的转化率：α平(A)＝×100%，

α(A)∶α(B)＝∶＝。

④A的体积分数：φ(A)＝×100%。

⑤平衡与起始压强之比：＝。

⑥混合气体的平均密度

混＝ g·L－1。

⑦混合气体的平均摩尔质量

＝ g·mol－1。

3．(2019·河南汝州实验中学高三期末)对温室气体二氧化碳的研究一直是科技界关注的重点。

在催化剂存在下用H2还原CO2是解决温室效应的重要手段之一，相关反应如下：主反应：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH1①，副反应：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1，已知H2和CH4的燃烧热分别为285.5 kJ·mol－1和890.0 kJ·mol－1，H2O(l)===H2O(g)　ΔH＝＋44 kJ·mol－1。

(1)ΔH1＝________ kJ·mol－1。

(2)有利于提高CH4平衡产率的反应条件是(至少写两条)__________________。工业上提高甲烷反应选择性的关键因素是________。

(3)T ℃时，若在体积恒为2 L的密闭容器中同时发生上述反应，将物质的量之和为5 mol的H2和CO2以不同的投料比进行反应，结果如图所示。若a、b表示反应物的转化率，则表示H2转化率是________，c、d分别表示CH4(g)和CO(g)的体积分数，由图可知＝________时，甲烷产率最高。若该条件CO的产率趋于0，则T ℃时①的平衡常数K＝________。

答案　(1)－164.0　(2)降低温度，增大压强　催化剂　(3)b　4　100

解析　(3)随着比值的增大，氢气的转化率降低，则表示H2转化率的是b；随着比值的增大，氢气的量增多，一氧化碳的量减少，甲烷的量增加，故c为CH4(g)的体积分数，由图可知＝4时，甲烷产率最高。若该条件下CO的产率趋于0，则＝4，开始物质的量之和为5 mol的H2和CO2分别为4 mol和1 mol，平衡转化率为80%，则平衡时各物质的量浓度为：

CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)

开始时浓度/

mol·L－1  0.5  2  0  0

改变的浓度/

mol·L－1  0.4  1.6  0.4  0.8

平衡时浓度/

mol·L－1  0.1  0.4  0.4  0.8

K＝＝100。

4．(2019·佛山市高三教学质量检测)石油化工生产中，利用裂解反应可以获得重要化工原料乙烯、丙烯。一定条件下，正丁烷裂解的主反应如下：

反应Ⅰ　C4H10(g)CH4(g)＋CH3CH===CH2(g)　ΔH1；

反应Ⅱ　C4H10(g)C2H6(g)＋CH2===CH2(g)　ΔH2。

一定温度下，向容积为5 L的密闭容器中通入正丁烷，反应时间(t)与容器内气体总压强(p)数据如下：

(1)该温度下，正丁烷的平衡转化率α＝________；反应速率可以用单位时间内分压的变化表示，即v＝，前2a min内正丁烷的平均反应速率v(正丁烷)＝________MPa·min－1。

(2)若平衡时甲烷、乙烯的体积分数分别为、，则该温度下反应Ⅰ的平衡常数Kp＝________MPa(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数，保留三位有效数字)。

(3)若反应在恒温、恒压条件下进行，平衡后反应容器的体积________8.8 L(填“>”“<”或“＝”)。

(4)实际生产中发现温度高于640 K后，乙烯和丙烯的产率随温度升高增加幅度减小，可能的原因是________________(任写一条)。

答案　(1)76%　　(2)2.13　(3)>　(4)催化剂活性降低(或反应物浓度降低等)

解析　(1)该温度下，正丁烷的平衡转化率为α，平衡时，5×(1－α)＋5α＋5α＝8.8，α＝0.76；

前2a min内压强从5 MPa增大到8.4 MPa，v(正丁烷)＝＝＝ MPa·min－1。

(2)反应Ⅰ　C4H10(g)CH4(g)＋CH3CH===CH2(g)，若平衡时甲烷、乙烯的体积分数分别为、，则丙烯和乙烷的体积分数分别为、，正丁烷为1－－－－＝，Kp＝≈2.13。

(3)反应为体积变大的反应，若反应在恒温、恒压条件下进行，平衡后反应容器的体积变大，故体积大于8.8 L。

考点三　化学反应进行的方向

[解析]　ΔH－TΔS＝－2.1809 kJ·mol－1－273 K×(－6.61×10－3 kJ·mol－1·K－1)≈－0.38 kJ·mol－1<0，能自发进行。

[答案]　会自发变成灰锡

焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响

5．下列说法正确的是(　　)

A．凡是放热反应都是自发的，因为吸热反应都是非自发的

B．自发反应的熵一定增大，非自发反应的熵一定减小

C．常温下，反应C(s)＋CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH>0

D．反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则该反应的ΔH>0

答案　C

解析　若ΔH<0，ΔS>0，则一定自发，若ΔH>0，ΔS<0，则一定不能自发，若ΔH<0，ΔS<0或ΔH>0，ΔS>0，反应能否自发，和温度有关，A、B错误；C项中反应的ΔS>0，若ΔH<0，则一定自发，现常温下不自发，说明ΔH>0，正确；D项中反应的ΔS<0，能自发，说明ΔH<0，错误。

6．下列说法中，正确的是(　　)

A．反应产物的总能量大于反应物的总能量时，ΔH＜0

B．已知反应H2(g)＋I2(g)2HI(g)平衡常数为K，则2H2(g)＋2I2(g)4HI(g)的平衡常数为2K

C．ΔH＜0、ΔS＞0的反应在温度低时不能自发进行

D．在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，不能改变化学反应进行的方向

答案　D

解析　因为相同温度下，化学计量数变为原来的n倍，则化学平衡常数为原来的n次方，所以反应2H2(g)＋2I2(g)4HI(g)的平衡常数为K2，B错误；根据ΔG＝ΔH－TΔS判断，对于ΔH＜0、ΔS＞0的反应在任何温度下ΔG都小于0，反应都能自发进行，C错误；催化剂只改变反应速率，不改变化学反应进行的方向，D正确。

　　建议用时：40分钟　　　满分：100分

一、选择题(每题8分，共72分)

1．下列反应过程中，ΔH>0，且ΔS>0的是(　　)

A．NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)

B．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)

C．4Al(s)＋3O2(g)===2Al2O3(s)

D．HCl(aq)＋NaOH(aq)===NaCl(aq)＋H2O(l)

答案　B

解析　A、C、D三项均为放热反应，ΔH<0；B项为吸热反应，ΔH>0，且正向气体分子数增多，ΔS>0。

2．(2019·张家口高三模拟)只改变一个影响因素，平衡常数K与化学平衡移动的关系叙述正确的是(　　)

A．K值有变化，平衡一定移动

B．平衡向正反应方向移动时，K值一定增大

C．K值不变，平衡不可能移动

D．相同条件下，同一个反应其化学方程式的计量数增大2倍，K值也增大2倍

答案　A

解析　K值是温度的函数，K值变化，说明温度发生了改变，则平衡一定发生移动，A正确；若在其他条件不变时，增大反应物的浓度或减小生成物的浓度，有利于反应正向进行，但K值不变，若其他条件不变，只改变压强使平衡正向移动时，K值也不变。B、C错误；相同条件下，同一个反应，其化学方程式的计量数变为原来的2倍，K值应变为原数值的平方，D错误。

3．已知在25 ℃时，下列反应的平衡常数如下：

①N2(g)＋O2(g)2NO(g)　K1＝1×10－30

②2H2(g)＋O2(g)2H2O(g)　K2＝2×1081

③2CO2(g)2CO(g)＋O2(g)　K3＝4×10－92

下列说法正确的是(　　)

A．NO分解反应：NO(g)N2(g)＋O2(g)的平衡常数为1×10－30

B．根据K2的值可以判断常温下H2和O2很容易反应生成H2O

C．常温下，NO、H2O、CO2三种物质分解放出O2的倾向顺序为NO>H2O>CO2

D．温度升高，上述三个反应的平衡常数均增大

答案　C

解析　A项，NO(g)N2(g)＋O2(g)的平衡常数为＝1×1015，错误；B项，根据平衡常数可判断反应进行的程度但并不能判断反应的难易，错误；C项，常温下，NO、H2O、CO2三种物质分解放出O2的平衡常数依次为1×1030、5×10－82、4×10－92，平衡常数越大，则反应进行的程度越大，正确；D项，反应②为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，错误。

4．已知反应FeO(s)＋C(s)===CO(g)＋Fe(s)的ΔH＞0(假设ΔH、ΔS不随温度变化而变化)，下列叙述中正确的是(　　)

A．低温下为自发过程，高温下为非自发过程

B．高温下为自发过程，低温下为非自发过程

C．任何温度下为非自发过程

D．任何温度下为自发过程

答案　B

解析　已知ΔH＞0，固固反应生成气体的反应ΔS＞0，化学反应能自发进行的判据是ΔH－TΔS＜0，即TΔS＞ΔH，因此此反应只能是高温自发，B正确。

5．将一定量纯净的氨基甲酸铵(NH2COONH4)粉末置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计)，在恒定温度下使其达到分解平衡：NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)。实验测得不同温度下的平衡数据列于下表：

下列说法正确的是(　　)

A．该反应的ΔH<0

B．该反应在较低温度下能自发进行

C．25 ℃ 时平衡常数的值K≈1.6×10－8

D．再加入少量NH2COONH4平衡正向移动

答案　C

解析　A项，由表中数据可知，升高温度，平衡气体总浓度增大，说明平衡向正反应方向移动，故正反应为吸热反应，ΔH>0，错误；B项，反应前后气体分子数增大，则ΔS>0，在较低温度下，ΔH－TΔS>0，反应不能自发进行，错误；C项，25 ℃时，NH3、CO2的平衡浓度分别为3.2×10－3 mol·L－1、1.6 ×10－3 mol·L－1，因此K＝c2(NH3)·c(CO2)≈1.6×10－8，正确；D项，NH2COONH4为固体，加入少量NH2COONH4              平衡不移动，错误。

6．某温度下，密闭容器中X、Y、Z、W四种气体的初始浓度和平衡浓度如表所示，下列说法错误的是(　　)

A．反应达到平衡时，X的转化率为80%

B．该反应的平衡常数表达式为K＝

C．增大压强其平衡常数不变，但使平衡向生成Z的方向移动

D．改变温度可以改变此反应的平衡常数

答案　C

解析　平衡时X的转化率＝×100%＝×100%＝80%，A正确；从表中数据可推出其反应比例为0.4∶0.5∶0.4∶0.6＝4∶5∶4∶6，则化学方程式计量数之比为4∶5∶4∶6，B正确；增大压强其平衡常数不变，但该反应为气体体积增大的反应，所以增大压强时平衡向逆反应方向移动，C错误；平衡常数只与温度有关，D正确。

7.(2019·日照质量检测)T ℃时，在恒容密闭容器中充入一定量的H2和CO，在催化剂作用下发生反应：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0。反应达到平衡时，CH3OH的体积分数与的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．反应达平衡时，升高体系温度，CO转化率升高

B．反应达平衡时，再充入一定量Ar，平衡右移，平衡常数不变

C．容器内混合气体的密度不再变化说明该反应达到平衡状态

D.＝2.5时达到平衡状态：CH2OH的体积分数可能是图中的F点

答案　D

解析　气体投料比等于化学计量数之比时，平衡时生成物的体积分数最大，当＝2.5时，达到平衡状态，CH3OH的体积分数比C点时对应的CH3OH的体积分数小，可能是图中的F点，D正确。该反应在T ℃下在恒容密闭容器中进行，反应达平衡时，再充入一定量Ar，平衡不移动，温度不变平衡常数不变，B错误；因该反应前后均是气体，故混合气体的总质量不变，又容器容积不变，故混合气体的密度始终保持不变，C错误。

8．某温度下，将3 mol A和2 mol B充入一密闭容器中，发生反应：aA(g)＋B(g)C(g)＋D(g)，5 min后达平衡，各物质的平衡浓度的关系为ca(A)·c(B)＝c(C)·c(D)。若在温度不变的情况下将容器的容积扩大为原来的10倍，B的转化率不发生变化，则B的转化率为(　　)

A．60%  B．40%  C．24%  D．4%

答案　A

解析　扩大容器容积为原来的10倍，B的转化率不变，则a＝1，

　　　　　A(g)＋B(g)C(g)＋D(g)

起始(mol):  3  2  0  0

变化(mol):  x  x  x  x

平衡(mol):  3－x  2－x  x  x

根据平衡浓度的关系，(3－x)×(2－x)＝x×x，x＝1.2 mol，则B的转化率为×100%＝60%，A正确。

9．恒温恒容下，向2 L密闭容器中加入MgSO4(s)和CO(g)，发生反应：MgSO4(s)＋CO(g)MgO(s)＋CO2(g)＋SO2(g)。反应过程中测定的部分数据见下表：

下列说法正确的是(　　)

A．反应在0～4 min内容器内气体的密度没有变化

B．0～2 min内的平均速率为v(CO)＝0.6 mol·L－1·min－1

C．其他条件不变，若升高温度，反应的平衡常数变为1.0，则正反应为吸热反应

D．其他条件不变，若起始时容器中MgSO4、CO均为1.0 mol，则平衡时n(SO2)＝0.6 mol

答案　C

解析　ρ＝，随着反应的进行，固体质量逐渐减少，气体质量逐渐增大，容器体积不变，所以密度增大，A错误；t＝2 min时，列三段式

MgSO4(s)＋CO(g)MgO(s)＋CO2(g)＋SO2(g)

n(始)

/mol  2  2  0  0  0

n(变)

/mol  1.2  1.2  1.2  1.2  1.2

n(平)

/mol  0.8  0.8  1.2  1.2  1.2

可知，2～4 min气体浓度无变化，已达平衡，所以K＝＝＝0.9，升高温度，平衡常数增大，说明平衡向正反应方向移动，正反应是吸热反应，C正确；其他条件不变，投料量减少一半，若建立等效平衡，则平衡时n(SO2)＝0.6 mol，但减小气体投料量，相当于减压，平衡向正反应方向移动，则n(SO2)>0.6 mol，D错误。

二、非选择题(共28分)

10．(2019·福建六校联盟高三联考)(14分)大气、水体污染的治理是化学工作者研究的重要课题，燃煤的烟道气和汽车尾气是造成雾霾天气污染的原因之一。

(1)用CH4催化还原氮氧化物，已知CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH1＝a kJ·mol－1。欲计算反应CH4(g)＋4NO(g)===2N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(l)的焓变ΔH2，则还需要查找某化合反应的焓变ΔH3，该化合反应中各物质化学计量数之比为最简整数比时ΔH3＝b kJ·mol－1，则该化合反应的热化学方程式为____________________________________。据此计算出ΔH2＝________kJ·mol－1(用含a和b的式子表示)。

(2)汽车尾气转化的反应之一：2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)　ΔH＝－746.5 kJ·mol－1。

在某温度时，探究某种催化剂作用下的反应速率，用气体传感器测得不同时间的NO和CO浓度如下表：

请回答下列问题(均不考虑温度变化对催化剂催化效率的影响)：

①前2 s内的平均反应速率v(N2)＝________。

②在该温度下，反应的平衡常数K＝________(只写出计算结果)。

③对于该可逆反应，通过综合分析以上信息，至少可以说明________(填字母)。

A．该反应的反应物混合后很不稳定

B．在催化剂的作用下，该反应一旦发生将在较短的时间内完成

C．该反应体系达到平衡时至少有一种反应物的百分含量较小

D．该反应在一定条件下能自发进行

E．该反应使用催化剂意义不大

答案　(1)N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔH3＝b kJ·mol－1　a－2b

(2)①1.875×10－4 mol·L－1·s－1　②5000　③BCD

解析　(1)将题中已知热化学方程式记作①，观察CH4与NO的反应可看出要计算ΔH2，缺少N2和NO的有关反应，根据题中信息可写出N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔH3＝b kJ·mol－1并记作②，根据盖斯定律，由①－②×2得ΔH2＝(a－2b) kJ·mol－1。

(2)③该反应的反应物必须在催化剂和某温度下才能反应，A、E项错误；该反应在催化剂作用下，反应速率较快，即短时间内可完成该反应，B项正确；结合②及表格中数据可知，该反应体系达到平衡时，NO的百分含量较小，C项正确；该反应为ΔS<0且ΔH<0的反应，则温度较低时ΔH－TΔS<0，即该反应在一定条件下能自发进行，D项正确。

11．(2019·广东清远高三期末)(14分)氨的合成与应用一直是众多科学家研究的热门话题，目前该研究领域已经催生了三位诺贝尔化学奖得主，N2不仅可以与H2合成氨气，N2还可以与其他物质反应生成氨气，回答下列相关问题：

(1)德国化学家哈伯研究“N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)”反应贡献巨大，1918年荣获诺贝尔化学奖，已知该反应在298 K时，ΔH＝－92.2 kJ/mol，平衡常数K＝4.1×106 (mol/L)－2

①若从平衡常数角度分析，反应限度已经较大，但为何化工生产中还需要使用催化剂：________________________________________________。

②升高温度，反应物的转化率会降低，而实际化工生产中常常采用700 K左右的温度，其原因是________________________________________________________________________。

(2)研究发现，常温恒压密闭容器中，N2在催化剂表面可以与水发生反应：2N2(g)＋6H2O(l)4NH3(g)＋3O2(g)

①下列各项能够作为判断该反应一定达到平衡的依据是________(填标号)。

A．容器中N2(g)、NH3(g)、O2(g)的浓度之比为2∶4∶3

B．N2与NH3浓度之比恒定不变

C．v正(N2)＝2v逆(NH3)

D．混合气体中氨气的质量分数不变

E．压强保持不变

②平衡后若分别改变下列一个条件，可以使N2转化率增大的是________(填标号)。

A．转移掉部分O2  B．转移掉部分NH3

C．适当增加H2O(l)的量  D．增加N2的量

(3)科学研究发现，天然气CH4(g)与N2(g)在催化剂作用下可以直接用于合成氨气，同时生成副产物焦炭，已知每转移1 mol电子，该反应吸收的热量为Q kJ。

①写出该反应的热化学反应方程式：________________________________________。

②700 ℃时，将3 mol CH4与3 mol N2在2 L的恒容密闭容器中发生上述反应，达到平衡时生成a mol C，此时混合气体中氨气的体积分数为____________(用含a的数学表达式即可，下同)；该温度下的平衡常数K＝__________________。

答案　(1)①使用催化剂，主要目的是加快反应速率，提高单位时间内的产量　②该温度下，催化剂的活性大，催化效率高，反应速率快，此温度下，虽然反应限度有所降低，但综合考虑，单位时间内的产量仍较高

(2)①BD　②AB

(3)①3CH4(g)＋2N2(g)3C(s)＋4NH3(g)　

ΔH＝＋12Q kJ/mol　

②×100%　

解析　(2)①平衡时各物质浓度比不一定等于系数比，所以N2(g)、NH3(g)、O2(g)的浓度之比为2∶4∶3可能是反应处于平衡状态，也可能未达到平衡状态，不能作为判断平衡的标志，A错误；N2是反应物，NH3是生成物，若二者浓度之比恒定不变，则反应达到平衡状态，B正确；任何时刻，v正(N2)∶v正(NH3)＝2∶4，若反应达到平衡，则v正(NH3)＝v逆(NH3)，则平衡时v正(N2)∶v逆(NH3)＝2∶4，所以2v正(N2)＝v逆(NH3)，C错误；若混合气体中氨气的质量分数不变，则反应处于平衡状态，D正确；该反应是在恒温恒压下进行，任何时刻压强保持不变，不能作为判断平衡的标准，E错误；故合理选项是B、D。