练案[20]　第七章　第20讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向

[练案20]

第20讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向

A组　基础必做题

1．对于处于化学平衡状态的反应CO＋H2O(g)CO2＋H2，K正反应代表正反应的平衡常数，K逆反应代表逆反应的平衡常数。下列有关说法正确的是(　D　)

A．K正反应＝K逆反应 B．K正反应＝K逆反应

C．K正反应＜K逆反应 D．K正反应×K逆反应＝1

[解析]　对于处于化学平衡状态的反应CO＋H2O(g)CO2＋H2，K正反应＝[c(CO2)·c(H2)]/[c(CO)·c(H2O)]，K逆反应＝[c(CO)·c(H2O)]/[c(CO2)·c(H2)]，故K正反应×K逆反应＝1。

2．反应Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)，700 ℃时平衡常数为1.47,900 ℃时平衡常数为2.15。下列说法正确的是(　C　)

A．升高温度该反应的正反应速率增大，逆反应速率减小

B．该反应的化学平衡常数表达式为K＝

C．绝热容器中进行该反应，温度不再变化，则达到化学平衡状态

D．该反应的正反应是放热反应

[解析]　升高温度，正、逆反应速率都增大，故A错误；反应过程中，固体物质的浓度不发生变化，平衡常数表达式中不应该写固体，故B错误；反应过程中，伴随着能量变化，温度不变时，说明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故C正确；温度升高，平衡常数增大，平衡右移，说明正反应是吸热反应，故D错误。

3．在25 ℃时，密闭容器中X、Y、Z三种气体的起始浓度和平衡浓度如下表，下列说法错误的是(　C　)

A．反应达到平衡时，X的转化率为50%

B．反应可表示为X＋3Y2Z，平衡常数为1 600

C．其他条件不变时，增大压强可使平衡常数增大

D．改变温度可以改变该反应的平衡常数

[解析]　达到平衡时消耗X的物质的量浓度为0.05 mol·L－1，因此转化率为50%，A项正确；物质的量浓度变化之比等于化学计量数之比，因此(0.1－0.05)∶(0.2－0.05)∶0.1＝1∶3∶2，反应方程式为X＋3Y2Z，根据化学平衡常数的表达式，K＝＝1 600，B项正确；化学平衡常数只受温度的影响，与浓度、压强无关，C项错误、D项正确。

4．(2020·江苏卷)反应SiCl4(g)＋2H2(g)Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备。下列有关该反应的说法正确的是(　B　)

A．该反应ΔH＞0、ΔS＜0

B．该反应的平衡常数K＝

C．高温下反应每生成1 mol Si需消耗2×22.4 L H2

D．用E表示键能，该反应ΔH＝4E(Si—Cl)＋2E(H—H)－4E(H—Cl)

[解析]　氢气还原SiCl4制单质硅为吸热反应，ΔH＞0，该反应为气体分子数增大的反应，ΔS＞0，A项错误；反应的平衡常数为气态生成物浓度的幂之积与气态反应物浓度的幂之积的比值，B项正确；C项未指明H2所处的状态，无法用22.4 L·mol－1计算H2的体积，C项错误；反应的ΔH等于反应物的键能总和减去生成物的键能总和，D项错误。

5．在容积为1.00 L的容器中，通入一定量的N2O4，发生反应N2O4(g)2NO2(g)，随温度升高，混合气体的颜色变深。

回答下列问题：

(1)反应的ΔH__大于__0(填“大于”或“小于”)；100 ℃时，体系中各物质浓度随时间变化如图所示。在0～60 s时段，反应速率v(N2O4)为__0.001 0__ mol·L－1·s－1；反应的平衡常数K1为__0.36__。

(2)100 ℃时达平衡后，改变反应温度为T，c(N2O4)以0.002 0 mol·L－1·s－1的平均速率降低，经10 s又达到平衡。

①T__大于__100 ℃(填“大于”或“小于”)，判断理由是__正反应吸热，反应向吸热方向进行，故温度升高__。

②列式计算温度T时反应的平衡常数K2：__平衡时，c(NO2)＝0.120 mol·L－1＋0.002 0 mol·L－1·s－1×10 s×2＝0.160 mol·L－1，c(N2O4)＝0.040 mol·L－1－0.002 0 mol·L－1·s－1×10 s＝0.020 mol·L－1，K2＝＝1.28__。

(3)温度T时反应达平衡后，将反应容器的容积减小一半。平衡向__逆反应__(填“正反应”或“逆反应”)方向移动，判断理由是__对气体分子数增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动__。

[解析]　(1)随温度升高，混合气体的颜色变深，说明升温平衡向正反应方向移动，ΔH＞0。在0～60 s时段，v(N2O4)＝＝0.001 0 mol·L－1·s－1；平衡常数K1＝＝＝0.36。

(2)当温度由100 ℃变为T时，N2O4的浓度降低，“三段式”如下：

N2O4(g)　　2NO2(g)

100 ℃平衡时  0.040 mol·L－1     0.120 mol·L－1

温度T时变化  0.020 mol·L－1    0.040 mol·L－1

温度T平衡时  0.020 mol·L－1    0.160 mol·L－1

由于温度变为T时平衡向N2O4浓度减小的方向移动，即向吸热方向移动，故T＞100 ℃。当再次达到平衡时，平衡常数K2＝＝＝1.28。

(3)温度不变，将反应容器的容积减小一半，压强增大，平衡向气体分子数减小的方向(即逆反应方向)移动。

6．工业上可利用“甲烷蒸气转化法”生产氢气，反应的热化学方程式为CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋161.1 kJ·mol－1。

(1)已知温度、压强对甲烷平衡时的体积分数的影响如图1，请回答：

①图1中a、b、c、d四条曲线中的两条代表压强分别为1 MPa、2 MPa时甲烷体积分数的曲线，其中表示1 MPa的是__a__。

②该反应的平衡常数：K(600 ℃)__＜__(填“＞”“＜”或“＝”)K(700 ℃)。

(2)①已知：在700 ℃、1 MPa时、1 mol CH4与1 mol H2O在1 L的密闭容器中反应，6 min时达到平衡(如图2)，此时CH4的转化率为__80%__，该温度下反应的平衡常数为__276.5__(结果保留小数点后一位数字)

②从图2分析，由第一次平衡到第二次平衡，平衡是__向逆反应方向__(填“向正反应方向”或“向逆反应方向”)移动，采取的措施可能是__将容器体积缩小为原来的1/2或加入与原平衡等量的氢气__。

[解析]　(1)①由CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋161.1 kJ·mol－1可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，甲烷平衡时的体积分数会逐渐减小，因此排除曲线c、d，又因增大压强，平衡逆向移动，甲烷平衡时的体积分数增大，故压强为1MPa的是曲线a，压强为2MPa的是曲线b。②该反应为吸热反应，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，平衡常数增大。

(2)①　　　　CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

起始(mol/L)    1      1        0     0

变化(mol/L)   0.8     0.8      0.8    2.4

平衡(mol/L)   0.2     0.2      0.8    2.4

此时CH4的转化率为×100%＝80%；该温度下反应的平衡常数K＝≈276.5。

B组　能力提升题

7．(2022·安徽“江淮十校”联考)300 ℃时，将气体X和气体Y各0.16 mol充入10 L恒容密闭容器中，发生反应：X(g)＋Y(g)2Z(g)　ΔH＜0，一段时间后达到平衡。反应过程中测定的数据如表所示：

下列说法正确的是(　B　)

A．前2 min的平均反应速率v(X)＝2.0×10－2 mol·L－1·min－1

B．其他条件不变，再充入0.1 mol X和0.1 mol Y，再次平衡时Y的转化率不变

C．当v逆(Y)＝2v正(Z)时，说明反应达到平衡

D．该反应在250 ℃时的平衡常数小于1.44

[解析]　A项，前2 min的平均反应速率v(X)＝v(Y)＝ mol·L－1·min－1＝2.0×10－3 mol·L－1·min－1，错误；B项，其他条件不变，再充入0.1 mol X和0.1 mol Y，相当于加压，因为反应前后气体分子数不变，加压平衡不移动，再次平衡时Y的转化率不变，正确；C项，当v逆(Y)＝2v正(Z)时，反应未达到平衡，错误；D项，该反应在300 ℃时平衡常数为1.44，降温平衡右移，250 ℃时的平衡常数大于1.44，错误。

8．(2022·北京五中月考)在2 L恒容密闭容器中，加入X和Y各4 mol，一定条件下发生化学反应：2X(g)＋2Y(g)Z(g)＋2W(g)　ΔH＜0，反应进行到5 s时测得X的转化率为25%,10 s后达到化学平衡，测得Z的浓度为0.5 mol/L，则下列说法正确的是(　B　)

A．5 s内用Y表示的平均反应速率为v(Y)＝0.2 mol/(L·s)

B．该反应的平衡常数数值为0.5

C．保持容积不变，向容器中通入惰性气体可提高反应物的转化率

D．升高温度，当测得容器中密度不变时，表示该反应已经达到平衡状态

[解析]　根据5 s时X的转化率为25%，可知消耗X为4 mol×25%＝1 mol，则消耗Y也为1 mol,5 s内用Y表示的平均反应速率v(Y)＝＝0.1 mol/(L·s)，A项错误；根据平衡时Z为0.5 mol/L，结合三段式法可知平衡时X、Y、W均为1 mol/L，即该反应的平衡常数K＝＝0.5，B项正确；保持容积不变，通入惰性气体，对各物质浓度无影响，平衡不移动，不能提高反应物的转化率，C项错误；反应过程中质量和容积均保持不变，即密度始终不变，据此无法判断是否达到平衡状态，D项错误。

9．(2022·辽宁大连期中)已知常温下反应：①NH3＋H＋NH(平衡常数为K1)，②Ag＋＋Cl－AgCl(平衡常数为K2)，③Ag＋＋2NH3Ag(NH3)(平衡常数为K3)。①、②、③的平衡常数关系为K1＞K3＞K2，据此所做的以下推测合理的是(　C　)

A．氯化银不溶于氨水

B．银氨溶液中加入少量氯化钠有白色沉淀

C．银氨溶液中加入盐酸有白色沉淀

D．银氨溶液可在酸性条件下稳定存在

[解析]　根据K3＞K2，说明Ag＋＋2NH3Ag(NH3)更容易发生，即氯化银能溶于氨水，所以银氨溶液中加入少量氯化钠没有白色沉淀，A、B错误；K1最大，所以NH3＋H＋NH更容易发生，反应后溶液中有较多的Ag＋，Ag＋与Cl－反应生成AgCl白色沉淀，C正确；K1最大，所以NH3＋H＋NH更容易发生，所以银氨溶液在酸性条件下不能稳定存在，D错误。

10．(2022·北京朝阳区模拟)将不同量的CO(g)和H2O(g)分别通入体积为2 L的恒容密闭容器中，发生反应CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，得到如下三组数据：

下列说法不正确的是(　D　)

A．该反应的正反应为放热反应

B．实验1中，前5 min用CO表示的反应速率为0.16 mol·L－1·min－1

C．实验2中，平衡常数为K＝

D．实验3与实验2相比，改变的条件可能是温度

[解析]　由表中数据计算可知，650 ℃和900 ℃时CO的转化率分别为40%、20%，说明温度越高，CO的转化率越小，则该反应的正反应是放热反应，A正确；实验1中前5 min生成1.6 mol CO2，同时消耗1.6 mol CO，则有v(CO)＝＝0.16 mol·L－1·min－1，B正确；实验2中达到平衡时，n(CO2)＝0.4 mol，则有

CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)

   1     0.5       0       0

   0.2    0.2      0.2      0.2

   0.8    0.3      0.2      0.2

则900 ℃时该反应的平衡常数K＝＝＝，C正确；实验2和实验3中CO、H2O的起始量相等，实验3达到平衡所需时间比实验2短，则实验3的反应速率快，达到平衡时实验2和实验3中n(CO2)均为0.4 mol，而升高温度，平衡则会逆向移动，平衡时n(CO2)会减小，故改变的条件可能是使用了催化剂，不可能是改变温度，D错误。

11．化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。

Ⅰ．利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：TaS2(s)＋2I2(g)TaI4(g)＋S2(g)　ΔH＞0(Ⅰ)

(1)反应(Ⅰ)的平衡常数表达式K＝____。

(2)若K＝1，向某恒容密闭容器中加入1 mol I2(g)和足量TaS2(s)，I2(g)的平衡转化率为__66.7%__。

Ⅱ．恒温下，在容积为2 L的恒容密闭容器A中通入1 mol N2与1 mol H2的混合气体，发生如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，ΔH＜0，一段时间后，达到平衡，若平衡时氨气的物质的量为0.4 mol。

(1)此温度时该反应的K值为__12.5__。

(2)若在此温度下，向另一容积为1 L的恒容容器B中按物质的量分别为2 mol、1 mol、1 mol充入N2、H2、NH3，此时，该反应是否处于平衡状态__否__(填“是”或“否”)，此时若没有达平衡，反应向__正__方向进行(填“正”或“逆”)。

[解析]　Ⅰ．(1)根据题意反应(Ⅰ)的平衡常数表达式K＝，(2)若K＝1，设容器体积为1 L I2的平衡转化率为x，则参加反应的I2为x mol，平衡时生成TaI4和S2各0.5x mol，剩余I2为(1－x)mol，根据K＝＝＝1，解得：x＝66.7%。

Ⅱ．(1)　　　　　　　N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，

初始浓度(mol·L－1)     0.5     0.5      0

变化浓度(mol·L－1)     0.1     0.3     0.2

平衡浓度(mol·L－1)     0.4     0.2     0.2

K＝＝12.5。

(2)向另一容积为1 L的恒容容器B中按物质的量分别为2 mol、1 mol、1 mol充入N2、H2、NH3，此时Qc＝＝0.5＜K，所以不是平衡状态，反应会向着正方向进行。

12．(2022·吉林大学附属中学月考)甲醇是一种可再生能源，由CO2制备甲醇的过程可能涉及的反应如下。

反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.58 kJ·mol－1

反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2

反应Ⅲ：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH3＝－90.77 kJ·mol－1

回答下列问题：

(1)反应Ⅱ的ΔH2＝__＋41.19 kJ·mol－1__，若反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ平衡常数分别为K1、K2、K3，则K2＝____(用K1、K3表示)。

(2)在一定条件下向2 L恒容密闭容器中充入3 mol H2和1.5 mol CO2，仅发生反应Ⅰ，实验测得不同反应温度下体系中CO2的平衡转化率如下表所示。

①T__高于__(填“高于”或“低于”)500 ℃。

②温度为500 ℃时，该反应10 min时达到平衡。

a．用H2表示该反应的速率为__0.135 mol·L－1·min－1__。

b．该温度下，反应Ⅰ的平衡常数K＝__200__。

[解析]　(1)根据题目给的化学反应方程式和盖斯定律可得，反应Ⅱ＝反应Ⅰ－反应Ⅲ，因此ΔH2＝ΔH1－ΔH3＝－49.08 kJ·mol－1－(－90.77 kJ·mol－1)＝＋41.19 kJ·mol－1，K2＝。

(2)①反应Ⅰ是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，反应物转化率降低，则T高于500 ℃。

②根据“三段式”分析

CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)

  0.75     1.5        0       0

  0.45     1.35      0.45     0.45

  0.3      0.15      0.45     0.45

a．用H2表示该反应的速率为＝0.135 mol·L－1·min－1；b．化学平衡常数是在一定条件下，当可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积与反应物浓度的幂之积的比值，因此根据化学反应方程式可知该温度下，反应Ⅰ的平衡常数K＝＝200。