全国通用版2022版高考化学一轮复习第7章化学反应速率和化学平衡3化学平衡常数化学反应进行的方向1课时作业含解析

化学平衡常数　化学反应进行的方向(B)

(45分钟　100分)

一、选择题(本题包括6小题,每题7分,共42分)

1. 利用下列反应:Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g),可以将粗镍转化为纯度达99.9%的高纯镍。下列说法正确的是              (　　)

A.50～80 ℃时,适当增大压强,有利于Ni(CO)4的生成

B.该反应的平衡常数表达式是K=

C.50～200 ℃范围内,该反应的平衡常数与温度无关

D.利用上述原理提纯粗镍需要消耗大量的CO气体

【解析】选A。A中正反应是气体体积减小的反应,增大压强平衡向正反应方向移动;B中固体和纯液体的浓度为定值,平衡常数表达式中不应该体现Ni的浓度;C中平衡常数与温度相关;D中CO在可逆反应中循环使用。

2. 化学平衡常数K的数值大小是衡量化学反应进行程度的标志,在常温下,下列反应的平衡常数的数值如下:

2NO(g)N2(g)+O2(g)　K1=1×1030

2H2(g)+O2(g)2H2O(g)　K2=2×1081

2CO2(g)2CO(g)+O2(g)　K3=4×10-92

以下说法正确的是 (　　)

A.常温下,NO分解产生O2的反应的平衡常数表达式为K1=c(N2)·c(O2)

B.常温下,水分解产生O2,此时平衡常数的数值约为5×10-80

C.常温下,NO、H2O、CO2三种物质分解放出O2的倾向由大到小的顺序为NO>H2O>CO2

D.以上说法都不正确

【解析】选C。A项,应为K1=[c(N2)·c(O2)]/[c2(NO)],错误;B项,常温下,水分解产生O2,此时平衡常数的数值约为=5×10-82,错误;C项,平衡常数越大,反应向正向进行的程度越大,正确。

【加固训练】

下列关于化学平衡常数的说法中,正确的是 (　　)

A.在任何条件下,化学平衡常数都是一个定值

B.当改变反应物的浓度时,化学平衡常数会发生改变

C.化学平衡常数K与温度、反应物浓度、体系的压强都有关

D.由化学平衡常数K可以推断一个可逆反应进行的程度

【解析】选D。化学平衡常数只与温度有关,与浓度、压强、催化剂无关。3.(2018·淮南模拟)下列对化学反应预测正确的是              (　　)

【解析】选B。根据复合判据:ΔG=ΔH-T·ΔS,M(s)X(g)+Y(s),固体分解生成气体,为熵增反应,ΔH>0,在高温下,能自发进行,A错误;W(s)+xG(g)2Q(g)

　ΔH<0,能自发进行,若熵增,任何温度下都能自发进行,若熵减,在低温条件下能自发进行,所以,G的计量数不确定,x等于1、2或3时,都符合题意,B正确;

4X(g)+5Y(g)4W(g)+6G(g)是熵增反应,当ΔH>0时,在高温下可能自发进行,C错误;4M(s)+N(g)+2W(l)4Q(s)为熵减反应,常温下能自发进行,说明该反应一定是放热反应,D错误。

【加固训练】

　　分析下列反应在任何温度下均能自发进行的是 (　　)

A.2N2(g)+O2(g)2N2O(g)  ΔH=+163 kJ·mol-1

B.H2O2(l)O2(g)+H2O(l)  ΔH=-98 kJ·mol-1

C.HgO(s)Hg(l)+O2(g) ΔH=+91 kJ·mol-1

D.Ag(s)+Cl2(g)AgCl(s)  ΔH=-127 kJ·mol-1

【解析】选B。A项,反应是熵减的吸热反应,ΔH>0,ΔS<0,在任何温度下都不能自发进行,错误;B项,反应是熵增的放热反应,ΔH<0,ΔS>0, 在任何温度下均能自发进行,正确;C项,反应是熵增的吸热反应,ΔH>0,ΔS>0,在低温下不能自发进行,错误;D项,反应是熵减的放热反应,ΔH<0,ΔS<0,在高温下不能自发进行,错误。

4.(2018·广州模拟)在一定温度下,改变反应物中n(SO2)对反应2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)　ΔH<0的影响如图所示,下列说法正确的是

 (　　)

A.反应b、c点均为平衡点,a点未达到平衡且向正反应方向进行

B.a、b、c三点的平衡常数Kb>Kc>Ka

C.上述图象可以得出SO2的含量越高得到的混合气体中SO3的体积分数越高

D.a、b、c三点中,a点时SO2的转化率最高

【解析】选D。题图中曲线是SO2的起始物质的量与平衡时SO3的体积分数的关系,因此曲线上的所有点都是在对应条件下平衡时SO3的体积分数,A项错误;由于温度没有变化,不同平衡点的平衡常数相等,B项错误;从曲线图上可以看出平衡时SO3的体积分数随起始时SO2的物质的量的增加先增大后减小,C项错误;反应达到平衡时SO2的转化率随SO2和氧气物质的量比增加而减小,因此a、b、c三点中,a点时SO2的转化率最高,D项正确。

5.已知:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=Q kJ·mol-1,850 ℃时在体积为10 L的反应容器中,通入一定量的CO和H2O(g)发生上述反应,CO和H2O(g)浓度变化如图所示,下列叙述错误的是               (　　)

A.850 ℃时,0～4 min时平均反应速率v(CO)= 0.03 mol·L-1·min-1

B.850 ℃时,起始时CO和H2O(g)共为1 mol,其中水蒸气的体积分数为x,则平衡时CO的转化率为y=x

C.该反应在500 ℃时进行,平衡常数为9,则Q<0

D.该反应能够自发进行是由熵判据决定的

【解析】选D。根据图象可知,0～4 min时,CO的浓度从0.20 mol·L-1减小到

0.08 mol·L-1,则反应速率为v(CO)==0.03 mol·L-1·min-1,A正确;由图知850 ℃时,K===1,起始时CO和H2O(g)共为1 mol,其中水蒸气的体积分数为x,所以H2O(g)的物质的量为xmol,CO的物质的量为(1-x)mol;设平衡时CO转化了a,根据平衡常数表达式可以得出K==计算出a=x-x2,则CO的转化率y==x,B正确;计算知850 ℃的K=1,500 ℃ 时K=9,该反应放热,Q<0,C正确;自发反应有能量降低的趋势,该反应为放热反应,有向正反应方向自发进行的趋势,故不仅仅由熵判据决定的,D错误。

6.一定温度下,在一个容积为1 L的密闭容器中,充入1 mol H2(g)和1 mol I2(g),发生反应H2(g)+I2(g)2HI(g),经充分反应达到平衡后,生成的HI(g)的体积分数为50%,在该温度下,在另一个容积为2 L的密闭容器中充入

1 mol HI(g)发生反应HI(g)H2 (g)+I2(g),则下列判断正确的是(　　)

A.后一反应的平衡常数为1

B.后一反应的平衡常数为0.5

C.后一反应达到平衡时,H2的平衡浓度为0.25 mol·L-1

D.后一反应达到平衡时,HI(g)的平衡浓度为0.5 mol·L-1

【解析】选B。一定温度下,将H2和I2各1 mol的气态混合物充入1 L的密闭容器中,充分反应,达到平衡后生成的HI(g)的气体占总体积的50%,设转化的氢气为x mol,依据化学平衡三段式列式为

                  H2　+　I2　2HI

起始量(mol·L-1)   1      1     0

变化量(mol·L-1)   x      x     2x

平衡量(mol·L-1)   1-x   1-x    2x

HI(g)的体积分数为50%,则×100%=50%,解得x=0.5。

故K==4,该温度下,在另一个容积为2 L的密闭容器中充入1 mol HI(g)发生反应HI(g)H2(g)+I2(g),等效为充入H2和I2各0.5 mol,又该反应为气体体积不变的反应,故与原平衡成比例等效,则新平衡时氢气为0.5 mol×=

0.25 mol,HI(g)为1 mol×=0.5 mol。根据平衡常数只与温度有关,结合正反应与逆反应的平衡常数成倒数关系,故2HIH2+I2的平衡常数为,又同一反应平衡常数与系数成幂次方关系,故后一反应的平衡常数为=0.5,故A错误,B正确;根据以上计算后一反应达到平衡时,H2的平衡浓度为=0.125 mol·L-1,故C错误;根据以上计算后一反应达到平衡时,HI(g)的平衡浓度为=

0.25 mol·L-1,故D错误。

二、非选择题(本题包括3小题,共58分)

7.(19分)已知:反应①Fe(s)+CO2(g)FeO(s)+CO(g)的平衡常数为K1;反应②Fe(s)+H2O(g)FeO(s)+H2(g)的平衡常数为K2,不同温度下K1、K2的值如下表所示:

(1)从表中数据可以推断:反应①是__________(填“吸”或“放”)热反应。 

(2)现有反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),写出该反应的平衡常数K3的表达式:

_______________________。 

(3)根据反应①与②,可推导出K1、K2与K3之间的关系式。据此关系式及表中数据,也能推断出反应③是吸热反应还是放热反应。欲使反应③在一定条件下建立的平衡向正反应方向移动,可采用的措施有__________(填序号)。 

A.缩小反应容器容积

B.扩大反应容器容积

C.降低温度

D.升高温度

E.使用合适的催化剂

F.设法减少CO的量

【解析】(1)反应①的平衡常数随温度的升高而增大,说明温度升高,平衡正向移动,反应①的正反应为吸热反应。

(2)K1= ,K2=,K3==。

(3)当973 K时,K3==≈0.62,而当1 173 K时,K3==≈1.29,反应③的平衡常数随温度升高而增大,故反应③的正反应为吸热反应,升高温度,可使平衡正向移动;由于该反应前后气体分子数不变,改变容器体积,不能使平衡发生移动;使用催化剂也不能使平衡发生移动;减少生成物的量,能使平衡正向移动。

答案:(1)吸　(2)K3=

(3)D、F

8.(19分)高炉炼铁是冶炼铁的主要方法,发生的主要反应为

Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)  ΔH=a kJ·mol-1。

(1)已知:①Fe2O3(s)+3C(石墨,s)2Fe(s)+3CO(g)　ΔH1=+489.0 kJ·mol-1

②C(石墨,s)+CO2(g)2CO(g) ΔH2=+172.5 kJ·mol-1,则a=__________。 

(2)冶炼铁的反应的平衡常数表达式为K=__________,温度升高后,K值__________(填“增大”“不变”或“减小”)。 

(3)在T ℃时,该反应的平衡常数K=64,在2 L恒容密闭容器甲和乙中,分别按下表所示加入物质,反应经过一段时间后达到平衡。

①甲容器中CO的平衡转化率为__________。 

②下列说法正确的是__________(填字母)。 

a.若容器内气体密度恒定,表示反应达到平衡状态

b.甲容器中CO的平衡转化率大于乙容器中的

c.甲、乙容器中,CO的平衡浓度之比为2∶3

d.增加Fe2O3的量可以提高CO的转化率

【解析】(1)根据盖斯定律,由①-②×3得Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)

　ΔH=(489.0-172.5×3)kJ·mol-1=-28.5 kJ·mol-1,故a=-28.5。

(2)固体物质不能写入平衡常数表达式中,故K=。由于该反应是放热反应,升高温度平衡逆向移动,平衡常数将减小。

(3)①设平衡时,反应用去x mol CO,则平衡时CO、CO2的物质的量分别为

(1-x) mol、(1+x) mol。因化学方程式中两气体物质的化学计量数相等,所以可将物质的量直接代入平衡常数表达式中,得=64,解得x=0.6,即CO的平衡转化率为60%,平衡时CO的浓度为0.2 mol·L-1。②由于该反应有固体参加和生成,故只要平衡发生移动,气体的质量就会发生变化,密度也就改变,所以当气体密度恒定时,反应一定达到平衡状态,a项正确;根据题给数据,可求得乙容器中平衡时CO的转化率为70%,浓度为0.3 mol·L-1,故b项错误、c项正确。Fe2O3是固体,增加它的量对平衡无影响,故d项错误。

答案:(1)-28.5　(2)　减小

(3)①60%　②a、c

9.(20分)(能力挑战题)(1)在固定体积的密闭容器中,进行如下化学反应:N2(g)

+3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0,其平衡常数K与温度T的关系如下表:

①该反应的平衡常数表达式:K=__________。 

②试判断K1__________K2(填写“>”“=”或“<”)。 

③下列各项能说明该反应已达到平衡状态的是__________(填字母)。 

a.容器内N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2

b.v正(N2)=3v逆(H2)

c.容器内压强保持不变

d.混合气体的密度保持不变

(2)对于合成氨反应而言,如图有关图象一定正确的是(填字母)________。 

(3)一定温度下,在1 L密闭容器中充入1 mol N2和 3 mol H2并发生反应。若容器容积恒定,10 min达到平衡时,气体的总物质的量为原来的,则N2的转化率α(N2)=__________,以NH3表示该过程的反应速率v(NH3)=__________。 

【解析】(1)此反应为放热反应,升高温度平衡常数减小;b选项正反应速率大于逆反应速率;d选项密度=,平衡移动气体质量不变,由固定体积的密闭容器可知气体体积不变,所以d选项不能说明反应已达到平衡状态。

(2)a.升高温度,平衡逆向移动,则氨气的体积分数减小,但反应到达平衡的时间缩短,正确;b.反应到达平衡时,各物质浓度变化量之比等于其化学计量数之比,氢气与氨气浓度变化量之比为3∶2,错误;c.使用催化剂加快反应速率,缩短反应时间,但不影响平衡移动,符合题意,正确。

(3)设N2的转化率为α。

则可知             N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)

开始时物质的量

浓度mol·L-1        1        3       0

平衡时物质的量

浓度mol·L-1        1-α   3-3α    2α

由题意可知=,α=25%,

v(NH3)===0.05 mol·L-1·min-1。

答案:(1)①　②>　③c　(2)a、c

(3)25%　0.05 mol·L-1·min-1

【加固训练】

　用NH3催化还原NxOy可以消除氮氧化物的污染。

已知

反应Ⅰ:4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(l)　ΔH1

反应Ⅱ:2NO(g)+O2(g)2NO2(g)　ΔH2(且|ΔH1|=2|ΔH2|)

反应Ⅲ:4NH3(g)+6NO2(g)5N2(g)+3O2(g)+6H2O(l)　ΔH3

反应Ⅰ和反应Ⅱ在不同温度时的平衡常数及其大小关系如表所示。

(1)推测反应Ⅲ是________反应(填“吸热”或“放热”)。 

(2)相同条件下,反应Ⅰ在2 L密闭容器内进行,选用不同的催化剂,反应产生N2的物质的量随时间的变化如图甲所示。

①计算0～4 min在A催化剂作用下,反应速率v(NO)=________。 

②下列说法正确的是________(填字母)。 

a.该反应的活化能大小顺序为Ea(A)>Ea(B)>Ea(C)

b.增大压强能使反应速率加快,是因为增加了活化分子百分数

c.单位时间内H—O键与N—H键断裂的数目相等时,说明反应已经达到平衡状态

d.若在恒容绝热的密闭容器中发生反应,当K值不变时,说明反应达到平衡状态

(3)一定条件下,反应Ⅱ达到平衡时体系中n(NO)∶n(O2)∶n(NO2)=2∶1∶2。在其他条件不变时,再充入NO2气体,分析NO2体积分数φ(NO2)的变化情况(填“变大”“变小”或“不变”):恒温恒压容器,φ(NO2)________;恒温恒容容器,φ(NO2)

________。 

(4)一定温度下,反应Ⅲ在容积可变的密闭容器中达到平衡,此时容积为3 L,c(N2)与反应时间t变化曲线X如图乙所示,若在t1 min时改变一个条件,曲线X变为曲线Y或曲线Z。则:变为曲线Y改变的条件是____________;变为曲线Z改变的条件是________________________________________。 

【解析】(1)分析表中数据可知,对反应Ⅰ和反应Ⅱ,温度升高时,K值减小,平衡逆向移动,故两个反应都是放热反应,即ΔH1<0,ΔH2<0。反应Ⅰ-反应Ⅱ×3得反应Ⅲ,则ΔH3=ΔH1-3ΔH2=2ΔH2-3ΔH2=-ΔH2,因为ΔH2<0,所以ΔH3>0,反应Ⅲ是吸热反应。

(2)①v(NO)=v(N2)=×=0.375 mol·L-1·min-1。②相同时间内生成的N2越多,则活化分子数越多,活化能越低,a项错误;增大压强能使反应速率加快,是因为增加了单位体积内的活化分子数,活化分子的百分数不变,b项错误;单位时间内H—O键与N—H键断裂的数目相等时,说明正反应速率等于逆反应速率,反应已经达到平衡状态,c项正确;若在恒容绝热的密闭容器中发生反应,当K值不变时,说明反应中放出的热量和吸收的热量相等,反应达到平衡状态,d项正确。(3)恒温恒压容器中的平衡是等效平衡,φ(NO2)不变;恒温恒容容器中,再充入NO2气体,相当于增大压强,平衡正向移动,φ(NO2)变大。(4)曲线Y比曲线X先达到平衡,但平衡状态相同,改变的条件是加入催化剂;曲线Z,N2的浓度由

2 mol·L-1瞬间增大到3 mol·L-1,容器体积应由3 L减小到2 L,改变的条件是将容器的体积快速压缩至2 L。

答案:(1)吸热

(2)①0.375 mol·L-1·min-1　②cd

(3)不变　变大　(4)加入催化剂　将容器体积快速压缩至2 L