高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二节 化学平衡导学案及答案

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1．考查化学平衡常数(K)的计算方法——三段式法
三段式法就是依据化学方程式列出各物质的起始量、变化量和平衡量，然后根据已知条件建立代数等式而进行解题的一种方法。这是解答化学平衡计算题的一种“万能方法”，只要已知起始量和转化率就可用平衡模式法解题。对于反应前后气体体积变化的反应，如果已知反应前气体的总物质的量与反应后气体的总物质的量的差值，也可用差量法解题。
【例1】 在1.5 L的密闭容器中通入2 ml N2和3 ml H2，混合气体在一定温度下发生反应。达到平衡时，容器内压强为反应开始时的0.8，则该反应的化学平衡常数约为( )
A．0.34 B．0.64 C．0.44 D．0.54
C [定T、V的情况下，压强之比等于物质的量之比，设N2转化x ml，则
N2(g) ＋ 3H2(g)2NH3(g)
起始量/ml 2 3 0
转化量/ml x 3x 2x
平衡量/ml 2－x 3－3x 2x
eq \f(p平,pM始)＝eq \f(n平,n始)＝eq \f(5－2x,5)＝eq \f(0.8,1)，解得x＝0.5，
则K＝eq \f(c2NH3,cN2·c3H2)＝eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,1.5)))eq \s\up12(2),\f(1.5,1.5)×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1.5,1.5)))eq \s\up12(3))＝eq \f(4,9)≈0.44。]
2．考查利用K值变化判断反应的热效应
其他条件不变时，若正反应是吸热反应，由于升高(或降低)温度时平衡向正(或逆)反应方向移动，K值增大(或减小)；若正反应是放热反应，由于升高(或降低)温度时平衡向逆(或正)反应方向移动，K值减小(或增加)；所以温度升高时平衡常数可能增大，也可能减小，但不会不变。
【例2】 高炉炼铁过程中发生的主要反应为eq \f(1,3)Fe2O3(s)＋CO(g)eq \f(2,3)Fe(s)＋CO2(g)。已知该反应在不同温度下的平衡常数如下：
该反应的平衡常数表达式K＝__________，ΔH________0(填“＞”“＜”或“＝”)。
[解析] 因Fe和Fe2O3都为固体，不能代入平衡常数的表达式，所以K＝eq \f(cCO2,cCO)，由表中数据知，温度升高，平衡常数减小，说明平衡向左移动，故ΔH＜0。
[答案] eq \f(cCO2,cCO) ＜
3．考查可逆反应是否达到平衡状态及反应方向的判断
在温度一定的条件下，判断一个化学反应是否达到平衡的根据是：计算出来某一时刻该反应的浓度商Q，将其与平衡常数K进行比较，如果二者相等，则说明反应已达到平衡状态，否则该反应处于非平衡状态。如果反应中有固体或纯液体参加，则它们的浓度不列入平衡常数表达式中，一般步骤为设任一时刻的浓度商(即同样应用K的计算式，但为某一时刻的)为Q，若Q＝K，说明反应平衡；Q>K，说明反应向逆向进行；Q【例3】 在一定体积的密闭容器中，进行如下化学反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，其化学平衡常数K和温度t的关系如表所示：
在800 ℃时，发生上述反应，某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)为2 ml·L－1、c(H2)为1.5 ml·L－1、c(CO)为1 ml·L－1、c(H2O)为3 ml·L－1，则下一时刻，反应________(填“正向”或“逆向”)进行。
[解析] 判断反应进行的方向时，可根据Q与K的大小关系进行判断，此时刻下，Q＝eq \f(cCO·cH2O,cCO2·cH2)＝eq \f(1 ml·L－1×3 ml·L－1,2 ml·L－1×1.5 ml·L－1)＝1>0.9，所以反应向逆反应方向进行。
[答案] 逆向
4．考查利用K计算平衡浓度和反应物的转化率
依据起始浓度(或平衡浓度)和平衡常数可以计算平衡浓度(或起始浓度)，从而计算反应物的转化率。对于反应：aA＋bBcC＋dD，反应物A的转化率可以表示为α(A)＝eq \f(A的初始浓度－A的平衡浓度,A的初始浓度)×100%＝eq \f(c0A－cA,c0A)×100%＝eq \f(反应物转化的物质的量或浓度,反应物起始的物质的量或浓度)×100%。
【例4】 可逆反应CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)在密闭容器中建立了平衡。当温度为749 K时，K＝eq \f(9,4)。请回答下列问题：
(1)当CO和H2O的起始浓度为2 ml·L－1时，CO的转化率为________。
(2)当CO的起始浓度仍为2 ml·L－1，H2O的起始浓度为6 ml·L－1时，CO的转化率为________。
[解析] (1)设CO的转化量为x ml·L－1，
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
起始/(ml·L－1) 2 2 0 0
转化/(ml·L－1) x x x x
平衡/(ml·L－1) 2－x 2－x x x
K＝eq \f(x2,2－x2)＝eq \f(9,4)，解得：x＝1.2，
CO的转化率：eq \f(1.2 ml·L－1,2 ml·L－1)×100%＝60%。
(2)设CO的转化量为y ml·L－1，
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
起始/(ml·L－1) 2 6 0 0
转化/(ml·L－1) y y y y
平衡/(ml·L－1) 2－y 6－y y y
K＝eq \f(y2,2－y6－y)＝eq \f(9,4)，解得：y≈1.7
CO的转化率：eq \f(1.7 ml·L－1,2 ml·L－1)×100%＝85%。
[答案] (1)60% (2)85%
1．某温度下，向容积为2 L的密闭反应器中充入0.10 ml SO3，当反应器中的气体压强不再变化时，测得SO3的转化率为20%，则该温度下反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的平衡常数为( )
A．3.2×103 B．1.6×103
C．8.0×102 D．4.0×102
A [ 2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)
c(始)/(ml·L－1) 0 0 0.05
c(变)/(ml·L－1) 0.01 0.005 0.01
c(平)/(ml·L－1) 0.01 0.005 0.04
K＝eq \f(c2SO3,c2SO2·cO2)＝3.2×103。]
2．在25 ℃时，密闭容器中X、Y、Z三种气体的初始浓度和平衡浓度如下表：
下列说法错误的是( )
A．反应达到平衡时，X的转化率为50%
B．反应可表示为X＋3Y2Z，其平衡常数为1 600
C．增大压强使平衡向生成Z的方向移动，平衡常数增大
D．改变温度可以改变此反应的平衡常数
C [反应达到平衡状态时，X的转化率＝eq \f(0.1－0.05 ml·L－1,0.1 ml·L－1)×100%＝50%,A正确；根据表中数据知，反应达到平衡状态时Δc(X)＝(0.1－0.05) ml·L－1＝0.05 ml·L－1、Δc(Y)＝(0.2－0.05) ml·L－1＝0.15 ml·L－1、Δc(Z)＝(0.1－0) ml·L－1＝0.1 ml·L－1，同一反应中同一段时间内各物质浓度变化量之比等于其化学计量数之比，所以X、Y、Z的计量数之比＝0.05 ml·L－1∶0.15 ml·L－1∶0.1 ml·L－1＝1∶3∶2，其方程式为X＋3Y2Z，化学平衡常数K＝eq \f(c2Z,cX·c3Y)＝eq \f(0.12,0.05×0.053)＝1 600,B正确；该反应前后气体体积减小，增大压强，平衡正向移动，化学平衡常数只与温度有关，温度不变，化学平衡常数不变，C错误；平衡常数只受温度的影响，温度改变时，化学平衡常数一定变化，D正确。]
温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低温大气层作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列极其严重的问题，引起了全世界各国的关注。近年我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展，其反应为
Ⅰ．3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g) ＋H2O(g) ΔH1＝－48.9 kJ·ml－1。
[问题1] 为提高CH3OH的产率，理论上应采用什么样的条件？
[提示] 根据热化学方程式可知，生成CH3OH的方向是放热反应方向，也是气体体积减小的方向，因此提高CH3OH的产率，需要降低温度增大压强。
[问题2] 250 ℃、在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，如图为不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时某反应物X平衡转化率变化曲线。判断反应物X是CO2还是H2。
[提示] 观察图中的横坐标，其物理量为eq \f(nH2,nCO2)，若假设n(CO2)为定值，则X的转化率随n(H2)的增大而增大，则X为CO2。
[问题3] 催化剂和反应条件与反应物转化率和产物的选择性有高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，有如下四组实验数据：
根据上表所给数据，判断用CO2生产甲醇的最佳选项。
[提示] 选择性是指产物的专一性，在一个化学反应中若有多个产物，其中某一产物是目标产物，若这个物质的产率越高，说明该反应的选择性越好。观察四组数据，相比之下，BD的选择性很高，且B的CO2转化率比D稍低些，但是B的CH3OH的选择性高出了不少，故最佳选项为B。
[问题4] 在催化剂CZZA(普通铜基催化剂)作用下合成甲醇时会发生如下副反应
Ⅱ．CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝41.2 kJ·ml－1。现将1 mlCO2与3 ml H2通入恒容密闭容器中进行反应，CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率：转化的CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图所示：
请分析随着温度的升高，CO2的平衡转化率增加但甲醇的选择率降低的原因。
[提示] 升高温度，反应Ⅰ为放热反应，平衡逆向移动，反应Ⅱ为吸热反应，平衡正向移动且程度较大，所以CO2平衡转化率增加但甲醇的选择率降低，故答案为随温度升高，反应Ⅰ放热，平衡逆向移动，反应Ⅱ吸热，平衡正向移动且程度较大，所以CO2平衡转化率增加但甲醇的选择率降低。
通过本情境素材中对化学平衡移动方向、移动条件、转化率等问题的分析探究，提升学生变化观念与平衡思想、宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
1．某温度下，可逆反应mA(g) ＋nB(g)pC(g)的化学平衡常数为K，下列说法正确的是( )
A．其他条件不变，升高温度，K值一定增大
B．其他条件不变，增大B(g)的浓度，K值增大
C．其他条件不变，增大压强，K值不变
D．K值不会随反应条件的改变而改变
C [若该反应正反应是放热反应，升高温度，平衡向逆反应移动，平衡常数降低，若正反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应移动，平衡常数增大，A错误；化学平衡常数只受温度影响，与浓度无关，增大B(g)的浓度，能使平衡正向移动，但温度不变，化学平衡常数不变，B错误；化学平衡常数只受温度影响，与浓度无关，增大压强，平衡可能移动，但温度不变，化学平衡常数不变，C正确；化学平衡常数只受温度影响，如果温度发生变化，平衡常数一定发生变化，D错误。]
2．关于可逆反应A(s)＋ ＋B(g)2C(g) ΔH＜0，平衡常数为K，下列说法正确的是( )
A．K＝c2(C)/c(A)×c(B)
B．K越大表示达到平衡时，正反应进行程度越大
C．其他条件不变时，温度升高，K增大
D．其他条件不变时，压强减小，K减小
B [在可逆反应中，A是固体，浓度为1，不在平衡常数的表达式中，A错误；K表达了化学反应进行的程度，K越大表示达到平衡时，正反应进行程度越大，B正确；对于放热反应，温度升高，平衡左移，K减小，C错误；影响K的外界因素只有温度，压强减小，温度不变，K不变，D错误。]
3．一定条件下，将3 mlA和1 mlB两种气体混合于固定容积为2 L的密闭容器中，发生如下反应：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(s)。2 min末该反应达到平衡，生成0.8 mlD，并测得C的浓度为0.2 ml·L－1。下列判断正确的是( )
A．该条件下此反应的化学平衡常数约为0.91
B．A的平均反应速率为0.3 ml·L－1·s－1
C．B的转化率为60%
D．若混合气体的密度不再改变时，该反应不一定达到平衡状态
A [平衡时，n(C)＝0.2 ml·L－1×2 L＝0.4 ml，n(D)＝0.8 ml，故n(C)∶n(D)＝1∶2，所以x＝1；平衡时A、B、C的浓度分别为0.9 ml·L－1、0.3 ml·L－1、0.2 ml·L－1，则平衡常数K＝eq \f(0.2,0.93×0.3)≈0.91，A对；v(C)＝eq \f(0.2 ml·L－1,2 min)＝0.1 ml·L－1·min－1，v(A)＝3v(C)＝0.3 ml·L－1·min－1，B错；B转化的物质的量n(B)＝eq \f(1,2)n(D)＝0.4 ml，故B的转化率为α(B)＝eq \f(0.4 ml,1 ml)×100%＝40%，C错；该反应前后气体分子数不相等，且气体质量也不相等，因此混合气体的密度不再改变时，该反应一定达到平衡状态，D错。]
4．(2021·广东深圳高二检测)向起始温度为298 K的10 L刚性恒容密闭容器中充入1 ml NO和1 ml H2发生反应：2NO(g)＋2H2(g)N2(g)＋2H2O(g) ΔH。
已知①体系内总压强(p)与时间(t)的关系如图所示：
②曲线中平衡时的温度与起始时的温度相同。
则下列说法中不正确的是( )
A．该反应的ΔH<0
B．0～10 min内v(H2)＝0.08 ml·L－1·min－1
C．298 K时，该反应的平衡常数K＝1 600
D．10 min时反应达到平衡，NO的转化率为80%
B [根据图像可知，在反应平衡之前，因为反应放热，使容器内气体膨胀，压强增大，故该反应的ΔH<0，A正确；根据阿伏加德罗定律可知，恒温恒体积时，压强之比等于物质的量之比，设一氧化氮消耗了x ml，列三段式：
2NO(g)＋2H2(g)N2(g)＋2H2O(g)
反应前/ml 1 1 0 0
变化量/ml x x 0.5x x
平衡时/ml 1－x 1－x 0.5x x
即eq \f(2,1－x＋1－x＋0.5x＋x)＝eq \f(2,2－0.5x)＝eq \f(5,4)，x＝0.8，即0～10 min内
v(H2)＝eq \f(0.8 ml,10 L×10 min)＝0.008 ml·L－1·min－1，B错误； 298 K时，该反应的平衡常数K＝eq \f(cN2·c2H2O,c2NO·c2H2)＝1 600，C正确； 10 min时反应达到平衡，NO的转化率为eq \f(0.8 ml,1 ml)×100%＝80%，D正确。]
5．一定条件下合成乙烯：6H2(g) ＋2CO2(g) CH2===CH2(g)＋4H2O(g)。已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图，下列说法正确的是( )
A．生成乙烯的速率：v(M)一定小于v(N)
B．化学平衡常数：KN＞K M
C．当温度高于250 ℃时，升高温度，平衡向逆反应方向移动，从而使催化剂的催化效率降低
D．若投料比n(H2)∶n(CO2)＝3∶1，则图中M点时，乙烯的体积分数为7.7%
D [M点的温度低于N点的温度，但M点的催化效率高于N点的，所以生成乙烯的速率：v(M)不一定小于v(N)，A错误；升高温度，CO2的平衡转化率降低，说明升温，平衡逆向移动，正反应为放热反应，则化学平衡常数：KN6H2(g) ＋2CO2(g) CH2===CH2(g) ＋4H2O(g)
起始量/ml 3a a 0 0
变化量/ml 1.5a 0.5a 0.25a a
平衡量/ml 1.5a 0.5a 0.25a a
则乙烯的体积分数为0.25a/(1.5a＋0.5a＋0.25a＋a)×100%≈7.7%，D正确。]
探 究 任 务
通过化学平衡常数模型的构建，学习该模型在判断平衡状态、反应方向、反应的焓变、反应物的转化率等方面的综合应用。
温度/℃
1 000
1 150
1 300
平衡常数
4.0
3.7
3.5
t/℃
700
800
830
1 000
1 200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
物质
X
Y
Z
初始浓度/ml·L－1
0.1
0.2
0
平衡浓度/ml·L－1
0.05
0.05
0.1
实验编号
温度(K)
催化剂
CO2转化率(%)
甲醇选择性(%)
A
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
B
543
Cu/ZnO纳米片
11.9
72.7
C
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
D
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
70.6