化学反应原理 题型三 化学平衡的计算(原卷版)Word（18页）

题型三 化学平衡的计算 一、化学平衡计算模式 对以下反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)，令A、B 起始物质的量分别为a mol、b mol，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 二、压强平衡常数Kp的计算模式 化学平衡常数是近几年高考的重点和热点，有关平衡常数和转化率的有关计算有所增加，常 结合图像或表格进行考查，意在考查考生变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知的学科素养， 以及知识整合、科学思维的关键能力。化学平衡常数、反应物转化率将以生产、生活实际为载体， 结合化学图像共同考查继续成为高考命题热点。预计在今后的高考会从不同角度考查平衡常数的 计算如用平衡分压等计算平衡常数、利用平衡常数分析平衡移动方向、利用平衡常数的表达式分 析反应之间平衡常数的关系、结合图像图表考查平衡常数等，考查考生的分析能力、数据处理能 力。 一、有关化学平衡的计算 1．极端假设法确定各物质的浓度范围 可逆反应不能进行到底，因此各物质平衡时都有一定的范围，可通过极端假设法设定反应正向或逆向进行 到底求出各物质浓度的最大值和最小值，从而确定它们的浓度范围。 2．化学平衡计算题的“万能钥匙”——“三段式” 如mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，设A、B 起始物质的量浓度分别为a mol·L－1、b mol·L－1，达到平衡 后消耗A 的物质的量浓度为mx mol·L－1。 mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g) 起始(mol·L－1) a b 0 0 变化(mol·L－1) mx nx px qx 平衡(mol·L－1) a－mx b－nx px qx 二、分压平衡常数(Kp)计算 1．分压平衡常数(Kp) (1)气体的分压p(B)：相同温度下，当某组分气体B 单独存在且具有与混合气体总体积相同的体积时，该气 体B 所具有的压强，称为气体B 的分压强，简称气体B 的分压。符号为p(B)，单位为Pa 或kPa 或MPa (2)分压定律 ①分压定律：混合气体的总压等于相同温度下各组分气体的分压之和 p(A)＋p(B)＋p(C)＋p(D)＋…＝p ②气体的分压之比等于其物质的量之比：＝ ③某气体的分压p(B)与总压之比等于其物质的量分数：＝＝x(B) 则：气体的分压＝气体总压×体积分数＝总压×物质的量分数 (3)分压平衡常数Kp (只受温度影响) 一定温度下，气相反应：mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)达平衡时，气态生成物分压幂之积与气态反应 物分压幂之积的比值为一个常数，称为该反应的压强平衡常数，用符号Kp表示，Kp的表达式如下： Kp= p p(C )⋅pq( D) pm( A )⋅pn(B) ， 其中p(A)、p(B)、p(C)、p(D)分别为A、B、C、D 各气体的分压 2．Kp计算的两种模板 模板1．根据“某气体的分压＝气体总压强×该气体的体积分数(或物质的量分数)”计算压强平衡常数 第一步 根据“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度 第二步 计算各气体组分的物质的量分数或体积分数。 第三步 根据分压计算公式求出各气体物质的分压，某气体的分压＝气体总压强×该气体 的体积分(或物质的量分数) 第四步 根据平衡常数计算公式代入计算。例如，N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，压强平 衡常数表达式为Kp＝ 模板2．直接根据分压强计算压强平衡常数 N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g) p(始)： p0 3p0 0 Δp： p 3p 2p p(平)： p0－p 3p0－3p 2p Kp＝ (2 p)2 ( p。−p)×(3 p。−3 p)3 一、浓度平衡常数Kc的计算 1．(2023 年河北卷)氮是自然界重要元素之一，研究氮及其化合物的性质以及氮的循环利用对解决环境和能 源问题都具有重要意义。 已知：1mol 物质中的化学键断裂时所需能量如下表。 物质 N2(g) O2(g) NO(g) 能量/kJ 945 498 631 回答下列问题： (1)恒温下，将1mol 空气(N2和O2的体积分数分别为0.78 和0.21，其余为惰性组分)置于容积为VL 的恒容密 闭容器中，假设体系中只存在如下两个反应： i．N2(g)＋O2(g) 2NO(g) K1 △H1 ii．2NO(g)＋O2(g) 2NO2(g) K2 △H2＝－114kJ∙mol-1 ①△H1＝_______kJ∙mol-1。 ②以下操作可以降低上述平衡体系中NO 浓度的有_______(填标号)。 A．缩小体积 B．升高温度 C．移除NO2 D．降低N2浓度 ③若上述平衡体系中c(NO2)＝amol·L-1，c(NO)＝bmol·L-1，则c(O2)＝_______mol·L-1，K1＝_______(写出含 a、b、V 的计算式)。 2. (2022 年6 月浙江卷)主要成分为H2S 的工业废气的回收利用有重要意义。 (1)回收单质硫。将三分之一的H2S 燃烧，产生的SO2与其余H2S 混合后反应：2H2S(g)＋SO2(g) S8(s) ＋2H2O(g)。在某温度下达到平衡，测得密闭系统中各组分浓度分别为c(H2S)＝2.0×10-5mol·L－1、c(SO2)＝ 5.0×10-5mol·L－1、c(H2O)＝4.0×10-3mol·L－1，计算该温度下的平衡常数K＝ 。 3．(2022 年河北卷节选)氢能是极具发展潜力的清洁能源，以氢燃料为代表的燃料电池有良好的应用前景。 (2)工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气，体系中发生如下反应。 Ⅰ．CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g) Ⅱ．CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ①下列操作中，能提高CH4(g)平衡转化率的是_______ (填标号)。 A．增加CH4(g)用量 B．恒温恒压下通入惰性气体 C．移除CO(g) D．加入催化剂 ②恒温恒压条件下，1mol CH4(g)和1molH2O(g)反应达平衡时，CH4(g)的转化率为α，CO2(g)的物质的量为 bmol，则反应Ⅰ的平衡常数Kx＝ (写出含有α、b 的计算式；对于反应mA(g)＋nB(g) pC(g)＋ qD(g)， ，x 为物质的量分数)。其他条件不变，H2O(g)起始量增加到5mol，达平衡时，α＝ 0.90，b＝0.65，平衡体系中H2(g)的物质的量分数为 (结果保留两位有效数字)。 二、分压常数Kp的计算 4．(2023•湖北省选择性考试，19 节选)(4)1200K 时，假定体系内只有反应C40H12 (g) C40H10(g) + H2(g) 发生，反应过程中压强恒定为p0(即C40H12的初始压强)，平衡转化率为α，该反应的平衡常数Kp 为_______(用 平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。 5．(2023 年福建卷节选)探究甲醇对丙烷制丙烯的影响。丙烷制烯烃过程主要发生的反应有 i．C3H8(g)＝C3H6(g)＋H2(g) △H1＝＋124kJ∙mol－1 △S1＝127J∙ K-1∙mol－1 Kp1 ii．C3H8(g)＝C2H4(g)＋CH4(g) △H2＝＋82kJ∙mol－1 △S2＝135J∙ K-1∙mol－1 K p2 iii．C3H8(g)＋2H2(g)＝3CH4(g) △H3＝－120kJ∙mol－1 △S3＝27.5J∙ K-1∙mol－1 K p3 已知：Kp为用气体分压表示的平衡常数，分压＝物质的量分数×总压。在0.1Mpa、t℃下，丙烷单独进料时， 平衡体系中各组分的体积分数φ 见下表。 物质 丙烯 乙烯 甲烷 丙烷 氢气 体积分数(%) 21 23.7 55.2 0.1 0 (2)①在该温度下，Kp2远大于Kp1，但φ(C3H6)和φ(C2H4)相差不大，说明反应iii 的正向进行有利于反应i 的_ _________反应和反应ⅱ的___________反应(填“正向”或“逆向”)。 ②从初始投料到达到平衡，反应i、ii、iii 的丙烷消耗的平均速率从大到小的顺序为：__________。 ③平衡体系中检测不到H2，可认为存在反应：3C3H8(g)＝2C2H6(g)＋3CH4(g) Kp，下列相关说法正确的是__ ___________(填标号)。 a．Kp＝K∙Kp3 b．Kp＝(MPa)2 c．使用催化剂，可提高丙烯的平衡产率 d．平衡后再通入少量丙烷，可提高丙烯的体积分数 ④由表中数据推算：丙烯选择性＝×100%＝ (列出计算式)。 6．(2023 年辽宁卷节选)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。 (3)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化：SO2(g)＋O2(g) SO3(g) ΔH＝－98.9kJ·mol-1 (i)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度，绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度 的关系如下图所示，下列说法正确的是_______。 a．温度越高，反应速率越大 b．α=0.88 的曲线代表平衡转化率 c．α 越大，反应速率最大值对应温度越低 d．可根据不同α 下的最大速率，选择最佳生产温度 (ii)为提高钒催化剂的综合性能，我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下，温度和转化率关系如下图所 示，催化性能最佳的是_______(填标号)。 (iii)设O2的平衡分压为P，SO2的平衡转化率为αe，用含P 和αe的代数式表示上述催化氧化反应的Kp＝ _______________ (用平衡分压代替平衡浓度计算)。 7．(2023•全国乙卷，28 节选)(3)将FeSO4置入抽空的刚性容器中，升高温度发生分解反应：2FeSO4(s) Fe2O3(s)+SO2(g) +SO3(g) ( ) Ⅰ。平衡时 的关系如下图所示。 时，该反应的平衡总压P 总=_____ __ kPa、平衡常数KP( )=_______(kPa) Ⅰ 2。KP( ) Ⅰ随反应温度升高而_______(填“增大”“减小”或“不变”)。 (4)提高温度，上述容器中进一步发生反应2SO3(g) 2SO2(g) +O2(g) ( ) Ⅱ，平衡时 _______(用 表示)。在 时， ，则 _______ kPa，KP( )=_______ kPa ( Ⅱ 列出计 算式)。 8．(2023 年新课标卷节选)氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产能力位居世界首位。回答下列问题： (4)在不同压强下，以两种不同组成进料，反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如下图所示。其中 一种进料组成为xH 2＝0.75、 2 N x ＝0.25，另一种为xH 2 ＝0.675、 2 N x ＝0.225、xAt＝0.10。(物质i 的摩尔分数： xi＝) ①图中压强由小到大的顺序为_______，判断的依据是___________________________。 ②进料组成中含有情性气体Ar 的图是_______。 ③图3 中，当P2＝20MPa、xNH 3 ＝0.20 时，氮气的转化率α＝_______。该温度时，反应N2(g)＋H2(g) NH3(g)的平衡常数Kp＝__________(MPa)-1 (化为最简式)。 9．(2023 年湖北卷节选)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下，C40H10可以由C40H20分子 经过连续5 步氢抽提和闭环脱氢反应生成。C40H20(g)——→C40H18(g)＋H2(g)的反应机理和能量变化如下： (4)1200K 时，假定体系内只有反应C40H12(g) C40H10(g)＋H2(g)发生，反应过程中压强恒定为P0(即 C40H12的初始压强)，平衡转化率为α，该反应的平衡常数Kp为_______(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝ 总压×物质的量分数)。 (5) ∙ C40H19(g) C40H18(g)＋H∙(g)及反应的lnK(K 为平衡常数)随温度倒数的关系如图所示。已知本实验条 件下，lnK＝－＋c(R 为理想气体常数，c 为截距)。图中两条线几乎平行，从结构的角度分析其原因是_________ _____________________________________________。 10．(2023 年重庆卷节选)银及其化合物在催化与电化学等领域中具有重要应用。 (2)一定条件下，银催化剂表面上存在反应：Ag2O(s) 2Ag(s)＋O2(g)，该反应平衡压强Pc与温度T 的 关系如下： T/K 401 443 463 Pc/kPa 10 51 100 ①463K 时的平衡常数Kp＝_______(kPa)。 ②起始状态Ⅰ中有Ag2O、Ag 和O2，经下列过程达到各平衡状态： 已知状态Ⅰ和Ⅲ的固体质量相等，下列叙述正确的是_______(填字母)。 A．从Ⅰ到Ⅱ的过程△S＞0 B．Pc( ) Ⅱ＞Pc( ) Ⅲ C．平衡常数：K( ) Ⅱ＞K( ) Ⅳ D．若体积V( ) Ⅲ＝2V( ) Ⅰ，则Q( ) Ⅰ＝K( ) Ⅲ E．逆反应的速率：v( ) Ⅰ＞v( ) Ⅱ＝v( ) Ⅲ＞v( ) Ⅳ ③某温度下，向恒容容器中加入Ag2O，分解过程中反应速率v(O2)与压强P 的关系为v(O2)＝k(1－ )，k 为 速率常数(定温下为常数)。当固体质量减少4%时，逆反应速率最大。若转化率为14.5%，则v(O2)＝_______(用 k 表示)。 11．(2022·全国甲卷)金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途，目前生产钛的方法之一是 将金红石(TiO2)转化为TiCl4，再进一步还原得到钛。TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法 ( ) ⅰ直接氯化：TiO2(s)＋2Cl2(g)===TiCl4(g)＋O2(g) ΔH1＝172kJ·mol－1 ( ) ⅱ碳氯化：TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)===TiCl4(g)＋2CO(g) ΔH2＝－51kJ·mol－1 在1.0×105pa，将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2 进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数) 随温度变化的理论计算结果如图所示。 反应C(s)＋CO2(g)=2CO(g)的平衡常数 Kp(1400 ) ℃＝_______Pa 12．(2022·全国乙卷)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢，需要回收处理并加以利 用。 H2S 热分解反应：2H2S(g)===S2(g)＋2H2 ΔH4＝170kJ·mol－1 在1470K、100kPa 反应条件下，将n(H2S)：n(Ar)＝1：4 的混合气进行H2S 热分解反应。平衡时混合气中 H2S 与H2的分压相等，H2S 平衡转化率为________，平衡常数Kp＝________kPa 13．(2022·湖南卷)2021 年我国制氢量位居世界第一，煤的气化是一种重要的制氢途径。在一定温度下，向 体积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1 mol H2O(g)，起始压强为0.2 MPa 时，发生下列反应生成水煤气： .C(s) Ⅰ ＋H2O(g) CO(g)＋H2(g) ΔH1＝+131.4 kJ·mol－1 . ⅡCO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH2＝－41.1 kJ·mol－1 反应平衡时，H2O(g)的转化率为50%，CO 的物质的量为0.1 mol，反应Ⅰ的平衡常数Kp＝_______(以分压 表示，分压=总压×物质的量分数) 14．(2021·湖北卷)对于反应I，总压恒定为100kPa，在密闭容器中通入C3H8和N2的混合气体(N2不参与反 应)，从平衡移动的角度判断，达到平衡后“通入N2”的作用是_________________________；在温度为T1时， C3H8 的平衡转化率与通入气体中C3H8 的物质的量分数的关系如图所示，计算T1 时反应I 的平衡常数Kp＝ ______kPa(保留一位小数) 1．(2024·浙江省浙南名校联盟高三第一次联考节选)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化： SO2(g)＋1/2O2(g) SO3(g)) ΔH2＝-98.9kJ·mol−1 对于气体参与的反应，可用气体组分(B)的平衡压强p(B)代替该气体物质的量浓度c(B)来表示平衡常数Kp。 设O2的平衡分压为p，SO2的平衡转化率为αe，则上述催化氧化反应的Kp= (用含p 和αe的代数式表示)。 2．(2024·浙江省诸暨市高三适应性考试节选)工业废气硫化氢(H2S)具有高腐蚀性和毒性，需要回收处理并加 以利用。 (1)已知下列反应的热化学方程式： Ⅰ、2H2S(g)) 2H2(g)＋S2(g) ΔH1 Ⅱ、CH4(g)＋S2(g) CS2(g)＋2H2O(g) ΔH2＝+64kJ·mol−1 Ⅲ、2H2S(g)＋CH4(g) CS2(g)＋4H2(g) ΔH3＝+234kJ·mol−1 若在1470K、100 反应条件下，将 的混合气进行H2S 热分解反应。平衡时混合气 中H2S 与H2的分压(即组分的物质的量分数×总压)相等，H2S 平衡转化率为 ，平衡常数 。 3．研究CO2 加氢制CH4 对资源综合利用有重要意义。相关的主要化学反应如下： .CO Ⅰ 2(g)＋4H2(g)⇌CH4(g)＋2H2O(g) ΔH1<0 .CO Ⅱ 2(g)＋H2(g)⇌CO(g)＋H2O(g) ΔH2 .2CO(g) Ⅲ ＋2H2(g)⇌CO2(g)＋CH4(g) ΔH3＝－247.1kJ· mol－1 在一定条件下，向体积为V L 的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和4 mol H2发生上述反应，20 min 时，容器 内反应达到平衡，容器中CH4(g)为a mol，CO 为b mol，以H2 表示的0～20 min 内平均反应速率v(H2)＝ ________ mol·L－1·min－1(用含a、b、V 的代数式表示，下同)，此时H2O(g) 的浓度为________ mol·L－1，反应Ⅱ 的平衡常数为________(列出计算式)。 4．(2024·安徽普通高等学校招生考试适应性测试节选)(3)一定条件下，