化学选择性必修1专题2 化学反应速率与化学平衡第二单元 化学反应的方向与限度学案及答案

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化学平衡状态的判断步骤
判断某反应是否达到平衡的“三看”“三注意”
三看：一看反应是否为可逆反应；二看物质的状态；三看气体的化学计量数。
三注意：一注意不同物质的平衡浓度之间无必然关系；二注意公式M＝eq \f(m,n)在讨论混合气体的平均相对分子质量时的应用；三注意公式ρ＝eq \f(m,V)在讨论混合气体密度时的应用。
将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空容器中(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H2NCOONH4(s) 2NH3(g)＋CO2(g)。
①2v(NH3)＝v(CO2)
②密闭容器中总压强不变
③密闭容器中混合气体的密度不变
④密闭容器中氨气的体积分数不变
⑤密闭容器中c(NH3)不变
能判断该反应已经达到化学平衡的是( )
A．②③⑤ B．②③④
C．①④⑤ D．全部
A [①没说明正反应速率和逆反应速率，且比值错误，故不能作为依据；②密闭容器中总压强与气体物质的量成正比，只有平衡时n(气)不变，故压强可以作为依据；③ρ＝eq \f(m气,V)，m(气)可变，故可以作为依据；④n(NH3)∶n(CO2)＝2∶1，故氨气的体积分数为恒值，不能作为依据；⑤根据定义，可以作为依据。]
1．工业上常用煤和水作原料经过多步反应制得氢气，其中一步反应的原理为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，下列选项的条件中可判断该反应达到平衡状态的是( )
A．单位时间内消耗2 ml的CO同时生成2 ml的CO2
B．两个H—O键断裂的同时有一个H—H键断裂
C．反应容器内的压强不再发生变化
D．混合气体的相对分子质量不发生变化
B [A项描述的反应速率都是v正，无法判断是否达到平衡；B项说明H2O的分解速率(v正)与H2的消耗速率(v逆)相等，即v正(H2O)＝v逆(H2)，能判断反应达到平衡；C项，由于该反应前后气体的物质的量不变，故压强始终不变，不能说明可逆反应达到平衡；D项，混合气体的质量不变，物质的量不变，反应前后混合气体的相对分子质量不变，故不能说明反应达到平衡状态。]
2．一定条件下，在密闭恒容的容器中，发生反应：3SiCl4(g)＋2N2(g)＋6H2(g)Si3N4(s)＋12HCl(g) ΔHt2，A项错误；
2A(g) ＋ B(g)2C(g) ΔH＝a kJ·ml－1
始态/ml 2 1 0 a
转化/ml 1.98 0.99 1.98 b
平衡/ml 0.02 0.01 1.98
所以1.98a＝2b，即99a＝100b，B项正确；因容器容积为1 L，故平衡常数K(t ℃)＝eq \f(c2C,c2A·cB)＝eq \f(1.982,0.022×0.01)＝9.801×105，C项正确；反应物A的转化率为eq \f(1.98 ml,2 ml)×100%＝99%，B的转化率为eq \f(0.99 ml,1 ml)×1 00%＝99%，D项正确。]
2．某温度下，在一个2 L的密闭容器中加入4 ml A和 2 ml B进行如下反应：3A(g)＋2B(g)4C(s)＋D(g)，反应2 min后达到平衡，测得生成1.6 ml C，下列说法正确的是( )
A．前2 min，D的平均反应速率为0.2 ml·L－1·min－1
B．此时，B的平衡转化率是60%
C．增大该体系的压强，化学平衡常数不变
D．增加B，平衡向右移动，B的平衡转化率增大
C [2 L的密闭容器中，加入4 ml A和2 ml B进行如下反应：3A(g)＋2B(g)4C(s)＋2D(g)，反应一段时间后达到平衡，测得生成1.6 ml C，则
3A(g)＋2B(g)4C(s)＋D(g)
开始/ml 4 2 0 0
转化/ml 1.2 0.8 1.6 0.4
平衡/ml 2.8 1.2 1.6 0.4
A．v＝eq \f(Δc,Δt)＝eq \f(\f(0.4 ml,2 L),2 min)＝0.1 ml·L－1·min－1，故A错误；
B．达到平衡，参加反应的B的物质的量为1.6 ml×eq \f(1,2)＝0.8 ml，故B的转化率为eq \f(0.8 ml,2 ml)×100%＝40%，故B错误；
C．化学平衡常数只受温度影响，增大压强平衡常数不变，故C正确；
D．增加B的浓度增大，平衡向正反应方向移动，A的转化率增大，B的转化率降低，故D错误。]
3．在容积不变的容器中加入一定量的A和B，发生反应：2A(g)＋B(g)2C(g)，在相同时间内，测得不同温度下A的转化率如下表所示。下列说法正确的是( )
A．该反应随着温度升高，反应速率先变大后变小
B．400 ℃时，若B的平衡浓度为0.5 ml·L－1，则该反应的平衡常数K＝2
C．200 ℃，A的转化率为75%时，反应达到平衡状态
D．当单位时间内生成n ml B的同时消耗2n ml C时，反应达到平衡状态
B [A．任何化学反应速率都是随着温度升高而变大，A错误；B．400 ℃时，若B的平衡浓度为0.5 ml·L－1，假设A的起始浓度为c ml/L，则根据三段式进行计算：
2A(g) ＋ B(g) 2C(g)
起始浓度/(ml/L) c 0.25c＋0.5 0
转化浓度/(ml/L) 0.5c 0.25c 0.5c
平衡浓度/(ml/L) 0.5c 0.5 0.5c
则该反应的平衡常数K＝eq \f(c2C,c2A·cB)＝eq \f(0.5c ml/L2,0.5c ml/L2×0.5 ml/L)＝2，B正确；C．由表中数据可知200 ℃和300 ℃，A的转化率均为75%，故说明200 ℃，A的转化率为75%时，反应并未达到平衡状态，300 ℃早已达到平衡，C错误；D．生成n ml B的同时消耗2n ml C均表示逆反应，故当单位时间内生成n ml B的同时消耗2n ml C时，不能说明反应达到平衡状态，D错误。]
N2O5是一种新型硝化剂，在一定温度下可以发生反应：2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)。T1温度时，向密闭容器中通入N2O5，部分实验数据见下表：
[问题1] 若T1温度下的平衡常数K1＝125，则平衡时N2O5的转化率为多少？
[提示] 500 s内，N2O5的浓度变化量为(5.00－3.52)ml·L－1＝1.48 ml·L－1，v(N2O5)＝eq \f(1.48 ml·L－1,500 s)＝2.96×10－3 ml·L－1·s－1；B项，分析如下：
2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)
起始浓度/(ml·L－1) 5.00 0 0
转化浓度/(ml·L－1) 2.50 5.00 1.25
平衡浓度/(ml·L－1) 2.50 5.00 1.25
K1＝eq \f(c4NO2·cO2,c2N2O5)＝eq \f(5.004×1.25,2.502)＝125，平衡时N2O5的转化率为50%。
[问题2] T1温度下的平衡常数为K1，T2温度下的平衡常数为K2，若T1>T2，则K1>K2，那该反应是放热反应还是吸热反应？
[提示] 升高温度，平衡常数增大，故该反应为吸热反应。
[问题3] T1时，4NO2(g)＋O2(g)2N2O5(g)的平衡常数为多少？
[提示] 该反应的平衡常数是反应2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)的平衡常数的倒数，根据[问题1]可知该反应的平衡常数为eq \f(1,125)。
通过本情境素材中根据平衡常数求转化率以及判断反应的热效应、逆反应的平衡常数，提升了学生变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知的化学核心素养。
1．二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”。以下说法能说明反应3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)达到平衡状态的是( )
A．H2和CO2的浓度之比为3∶1
B．单位时间内断裂3个H—H同时断裂1个C===O
C．恒温恒容条件下，气体的密度保持不变
D．绝热体系中，体系的温度保持不变
D [A．H2和CO2的浓度之比为3∶1，无法判断正逆反应速率是否相等，则无法判断是否达到平衡状态，故A错误；B．单位时间内断裂3个H—H同时断裂1个C===O，表示的是正逆反应速率，但不满足化学计量数关系，说明没有达到平衡状态，故B错误；C．该反应中气体的密度为定值，不能根据气体的密度判断平衡状态，故C错误；D．绝热体系中，体系的温度为变量，当体系的温度保持不变时，表明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故D正确。]
2．在一个绝热的、容积固定的密闭容器中，发生可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)(m、n、p、q为任意正整数)。下列能说明该可逆反应达到平衡状态的是( )
①混合气体的密度不再发生变化 ②体系的温度不再发生变化 ③A的转化率不再改变 ④各组分的百分含量不再改变 ⑤反应速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q
A．②③④ B．①③⑤
C．②④⑤ D．①②③④⑤
A [①因反应前后气体质量不变，容器容积不变，混合气体的密度一直不变，不能说明反应达到平衡状态；②绝热的密闭容器中，体系的温度不再改变，说明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态；③A的转化率不再改变，说明消耗A与生成A的速率相等，反应达到平衡状态；④各组分的百分含量不再改变，说明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态；⑤无论反应是否达到平衡状态，均有v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q。综上所述，A项正确。]
3．工业上制备合成气的工艺主要是水蒸气重整甲烷：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) ΔH>0，在一定条件下，向容积为1 L的密闭容器中充入1 ml CH4(g)和1 ml H2O(g)，测得H2O(g)和H2(g)的浓度随时间变化曲线如图所示，下列说法正确的是( )
A．达平衡时，CH4(g)的转化率为75%
B．0～10 min内，v (CO)＝0.075 ml·L－1·min－1
C．该反应的化学平衡常数K＝0.187 5
D．当CH4(g)的消耗速率与H2O(g)的消耗速率相等，反应达到平衡
C [根据题干图像可知，反应进行到10 min时达到平衡状态，氢气和水蒸气的平衡浓度均是0.75 ml·L－1，因此消耗水蒸气的浓度是1 ml·L－1－0.75 ml·L－1＝0.25 ml·L－1，则：

所以达平衡时，CH4(g)的转化率为eq \f(0.25 ml·L－1,1 ml·L－1) ×100%＝25%，A不正确；0～10 min内，v(CO)＝eq \f(0.25 ml·L－1,10 min)＝0.025 ml·L－1·min－1，B不正确；该反应的化学平衡常数K＝eq \f(cCO·c3H2,cCH4·cH2O)＝eq \f(0.25×0.753,0.75×0.75)＝0.187 5，C正确；CH4(g)的消耗与H2O(g)的消耗反应方向相同，无法判断反应是否达到平衡状态，D不正确。]
4．羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂，能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在恒容密闭容器中，将CO和H2S混合加热并达到下列平衡：
CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g) K＝0.1
反应前CO物质的量为10 ml，平衡后CO物质的量为8 ml。
(1)反应前H2S的物质的量是________。
(2)CO的平衡转化率是________。
[解析] (1)利用三段式法计算：
CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g)
起始/ml 10 n 0 0
转化/ml 2 2 2 2
平衡/ml 8 n－2 2 2
K＝eq \f(cCOS·cH2,cCO·cH2S)＝eq \f(2×2,8×n－2)＝0.1，解得n＝7。
(2)CO的转化率＝eq \f(2 ml,10 ml) ×100%＝20%。
[答案] (1)7 ml (2)20%
5．650 ℃时，一定量的CO2与足量的碳在体积可变的恒压密闭容器中反应：C(s)＋CO2(g)2CO(g)。平衡时，CO的体积分数为40%，总压强为p总。
(1)平衡时CO2的转化率为________。
(2)已知：气体分压(p分)＝气体总压(p总)×体积分数。
用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp为_______________
_______________________________________________________________。
[解析] (1)设开始加入1 ml CO2，反应掉了x ml CO2，则有
C(s)＋CO2(g)2CO(g)
始态/ml 1 0
变化/ml x 2x
平衡/ml 1－x 2x
因此有eq \f(2x,1－x＋2x)×100%＝40.0%，解得x＝0.25，CO2的转化率为eq \f(0.25 ml,1 ml) ×100%＝25%。
(2)平衡时CO的体积分数为40%，则CO2的体积分数为60%，故Kp＝eq \f(p2CO,pCO2)＝eq \f(40%p总2,60%p总)≈0.27p总。
[答案] (1)25% (2)0.27p总
探 究 任 务
1．化学平衡状态标志的判断方法。
2．比较和计算化学平衡常数的方法。
化学平衡状态标志的判断方法
解题步骤
解题注意事项
第一步：审题，看清要求
先看一遍题目，了解题目要求及给出的可能的化学平衡状态
第二步：套用两个标志
(1)微观标志：v正＝v逆≠0
①同一物质的生成速率等于消耗速率；
②在化学方程式同一边的不同物质的生成速率与消耗速率之比(或消耗速率与生成速率之比)等于化学方程式中对应物质的化学计量数之比；
③在化学方程式两边不同物质的生成速率与生成速率之比(或消耗速率与消耗速率之比)等于化学方程式中对应物质的化学计量数之比。
(2)宏观标志：反应混合物中各组分的百分含量一定
①各组分的质量分数不变；
②各气体组分的体积分数不变；
③各组分的物质的量分数不变；
④各组分的分子数之比不变；
⑤各组分的物质的量浓度不变；
⑥各组分的转化率或产率不变；
⑦若某组分为有色物质，体系的颜色不再改变。
第三步：确定答案
根据第一步的审题，将第二步中与题目有关的“标志”跟选项提供的状态比较，确定正确选项
比较和计算化学平衡常数的方法
解题步骤
解题步骤
第一步：通过化学方程式写出平衡常数表达式
根据题目提示的反应信息，写出有关反应的化学方程式(有些试题中已给出化学方程式)，根据化学方程式写出平衡常数表达式
第二步：代入数据计算
通过“三段式”法，求出平衡时各气体物质或溶液中分子、离子浓度，将平衡时有关物质的浓度代入平衡常数表达式，计算出平衡常数K
第三步：比较平衡常数大小
部分试题中有平衡常数的比较，此时先分析两个要比较的平衡常数的温度是否相同，温度相同则平衡常数相同；若为放热反应，则温度低者平衡常数大，若为吸热反应，则温度高者平衡常数大
t/℃
t1
t2
K
1.00×107
1.88×103
温度/℃
100
200
300
400
500
转化率/%
30
75
75
50
18
时间/s
0
500
1 000
1 500
c(N2O5)/(ml·L－1)
5.00
3.52
2.50
2.50