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- 2021-05-14 发布
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第3节 化学平衡常数及其计算
课时跟踪练
一、选择题
1.下列有关化学平衡常数的描述中正确的是( )
A.化学平衡常数的大小取决于化学反应的内因,与其他外界条件无关
B.相同温度下,反应A+BC与反应CA+B的化学平衡常数相同
C.反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0的化学平衡常数随温度升高而增大
D.反应A(g)+B(g)2C(g)的平衡常数表达式为K=
解析:化学平衡常数内因由反应物本身的性质决定,外因只受温度影响,A项错;同温下,同一反应的正向、逆向反应的平衡常数互为倒数,一般不相等,B项错;该反应为放热反应,升温平衡逆向移动,平衡常数减小,C项错。
答案:D
2.随着汽车数量的逐年增多,汽车尾气污染已成为突出的环境问题之一。反应:2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)可用于净化汽车尾气,已知该反应速率极慢,570 K时平衡常数为1×1059。下列说法正确的是( )
A.提高尾气净化效率的最佳途径是研制高效催化剂
B.提高尾气净化效率的常用方法是升高温度
C.装有尾气净化装置的汽车排出的气体中不再含有NO或CO
D.570 K时及时抽走CO2、N2,平衡常数将会增大,尾气净化效率更佳
解析:提高尾气净化效率的最佳途径是研制高效催化剂,加快反应速率,A正确,B错误;上述反应为可逆反应,装有尾气净化装置的汽车排出的气体中仍然含有NO或CO,C错误;570 K时及时抽走CO2、N2,尾气净化效率更佳,但平衡常数不变,D错误。
答案:A
3.某温度下,将2 mol A和3 mol B充入一密闭容器中,发生反应:aA(g)+B(g)C(g)+D(g),5 min后达到平衡,已知该温度下其平衡常数K=1,若温度不变时将容器的体积扩大为原来的10倍,A的转化率不发生变化,则( )
A.a=3 B.a=2
C.B的转化率为40% D.B的转化率为60%
解析:温度不变,扩大容器体积(相当于减小压强)时,A的转化率不变,说明反应前后气体的体积不变,即a=1,A、B错误;设达到平衡时,B的转化量为x mol,则A、B、C、D的平衡量分别为(2-x) mol、(3-x) mol、x mol、x mol,设容器体积为1 L,则平衡常数K=1=,解得x=1.2,B的转化率=1.2÷3×100%=40%,C正确,D错误。
8
答案:C
4.在一个容积为2 L的密闭容器中,加入0.8 mol A2气体和0.6 mol B2气体,一定条件下发生如下反应:A2(g)+B2(g)2AB(g) ΔH<0,反应中各物质的浓度随时间的变化情况如图所示。下列说法不正确的是( )
A.图中a点的值为0.15
B.该反应的平衡常数K=0.03
C.温度升高,平衡常数K值减小
D.平衡时A2的转化率为62.5%
解析:本题是数形结合的题型,结合图象分析是关键,但要利用好变化量之比等于其化学计量数之比的规律进行求解。在求解平衡常数和转化率时一定要规范表达式,严格代入数据进行求解。
答案:B
5.在10 L密闭容器中,1 mol A和3 mol B在一定条件下反应:A(g)+xB(g)2C(g),2 min后反应达到平衡时,测得混合气体共3.4 mol,生成0.4 mol C,则下列计算结果正确的是( )
A.平衡时,物质的量之比n(A)∶n(B)∶n(C)=2∶11∶4
B.x值等于3
C.A的转化率为20%
D.B的平均反应速率为0.4 mol/(L·min)
解析:设转化的A的物质的量为a,则
A(g)+xB(g)2C(g)
起始物质的量(mol) 1 3 0
转化物质的量(mol) a xa 2a
平衡物质的量(mol) 1-a 3-xa 2a
则2a=0.4 mol,得a=0.2 mol。平衡时混合气体的总物质的量为3.4 mol,1-a+3-xa+2a=3.4 mol,x=4,B错误;平衡时A、B、C的物质的量分别为0.8 mol、2.2 mol、0.4 mol,所以比值为4∶11∶2,A错误;A的转化率为×100%=20%,C正确;B的平均反应速率为=0.04 mol/(L·min),D错误。
答案:C
8
6.在300 mL的密闭容器中,放入镍粉并充入一定量的CO气体,一定条件下发生反应:Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g),已知该反应平衡常数与温度的关系如下:
温 度/℃
25
80
230
平 衡 常 数
5×104
2
1.9×10-5
下列说法不正确的是( )
A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应
B.25 ℃时反应Ni(CO)4(g)Ni(s)+4CO(g)的平衡常数为2×10-5
C.在80 ℃时,测得某时刻,Ni(CO)4、CO浓度均为0.5 mol·L-1,则此时v(正)>v(逆)
D.80 ℃达到平衡时,测得n(CO)=0.3 mol,则Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L-1
解析:根据表格所示,温度升高平衡常数减小,则该反应为放热反应,A项正确;25 ℃时K===2×10-5,B项正确;Qc===8>2,平衡逆向移动v(正)0
B.其他条件不变,升高温度,溶液中c(I)减小
C.该反应的平衡常数表达式为K=
D.25 ℃时,向溶液中加入少量KI固体,平衡常数K小于689
解析:选项A,温度升高,平衡常数减小,因此该反应是放热反应,ΔH<0,错误;选项B,温度升高,平衡逆向移动,c(I)减小,正确;选项C,K=,错误;选项D,平衡常数仅与温度有关,25 ℃时,向溶液中加入少量KI固体,平衡正向移动,但平衡常数不变,仍然是689,错误。
答案:B
9.活性炭可处理大气污染物NO,反应原理:C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)。T ℃时,在2 L密闭容器中加入0.100 mol NO和2.030 mol活性炭(无杂质),平衡时活性炭物质的量是2.000 mol。下列说法不合理的是( )
A.该温度下的平衡常数:K=
B.达到平衡时,NO的转化率是60%
C.3 min末达到平衡,则v(NO)=0.01 mol·L-1·min-1
D.升高温度有利于活性炭处理更多的污染物NO
解析:利用三段式分析。
C(s) + 2NO(g)N2(g)+CO2(g)
起始物质的量(mol)2.030 0.100 0 0
转化物质的量(mol) 0.030 0.060 0.030 0.030
平衡物质的量(mol) 2.000 0.04 0.030 0.030
平衡时各物质的浓度:c(NO)=0.02 mol·L-1,c(N2)=0.015 mol·L-1,c(CO2)=0.015 mol·L-1。A项,该温度下的平衡常数:K==,正确;B项,达到平衡时,NO的转化率:×100%=60%,正确;C项,3 min末达到平衡,则v(NO)==0.01 mol·L-1·min-1,正确;D项,不知道反应是放热反应还是吸热反应,无法确定温度对该反应限度的影响,错误。
答案:D
二、非选择题
8
10.Ⅰ.氮的固定是几百年来科学家一直研究的课题。
(1)下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分化学平衡常数K的值。
反应
大气固氮
N2(g)+O2(g) 2NO(g)
工业固氮
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
温度/℃
27
2 000
25
400
450
平衡常数K
3.84×10-31
0.1
5×108
0.507
0.152
①分析数据可知:大气固氮反应属于________(填“吸热”或“放热”)反应。
②分析数据可知:人类不适合大规模模拟大气固氮的原因:
_______________________________________________________
______________________________________________________。
(2)工业固氮反应中,在其他条件相同时,分别测定N2的平衡转化率在不同压强(p1、p2)下随温度变化的曲线,下图所示的图示中,正确的是________(填“A”或“B”);比较p1、p2的大小关系:________。
Ⅱ.目前工业合成氨的原理是N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。
(3)在一定温度下,将1 mol N2和3 mol H2混合置于体积不变的密闭容器中发生反应,达到平衡状态时,测得气体总物质的量为2.8 mol。
①达平衡时,H2的转化率α1=________。
②已知平衡时,容器压强为8 MPa,则平衡常数Kp=________________(用平衡分压代替浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
解析:(1)①由表中数据可知随温度从27 ℃升高到2 000 ℃,K值增大,说明平衡向正反应方向移动,说明正反应是吸热反应;②大气固氮的K值小,转化率低。(2)工业固氮,随温度升高,K值减小,平衡向逆反应方向移动,N2的转化率降低,所以A正确。取相同的温度,p1→p2,N2的转化率升高,说明平衡向正反应方向移动,正反应是气体体积减小的反应,说明压强增大,p2>p1。
(3) N2+3H22NH3
n(始)/mol 1 3 0
n(变)/mol a 3a 2a
n(平)/mol 1-a 3-3a 2a
8
有(1-a)+(3-3a)+2a=2.8,a=0.6 mol,H2的转化率为60%,N2的平衡分压为×8 MPa,H2、NH3的平衡分压均为×8 MPa,Kp==。
答案:Ⅰ.(1)①吸热 ②K值小,正向进行的程度小(或转化率低),不适合大规模生产 (2)A p2>p1
Ⅱ.(3)①60% ②(0.255或0.26)
11.研究氮氧化物的反应机理,对于消除对环境的污染有重要意义。升高温度绝大多数的化学反应速率增大,但是2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的速率却随着温度的升高而减小。某化学小组为研究该特殊现象的原因,查阅资料知2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反应分两步:
①2NO(g)N2O2(快) v1正=k1正·c2(NO)
v1逆=k1逆·c(N2O2) ΔH1<0
②N2O2(g)+O2(g)2NO2(g)(慢)
v2正=k2正c(N2O2)c·(O2) v2逆=k2逆c2(NO2)ΔH2<0
请回答下列问题:
(1)反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的ΔH=________kJ·mol-1(用含ΔH1和ΔH2的式子表示)。一定温度下,反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)达到平衡状态,请写出k1正、k1逆、k2正、k2逆表示的平衡常数表达式K=________,升高温度,K值____________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)决定2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的速率是反应②。反应①的活化能E1与反应②的活化能E2的大小关系为E1________(填“>”“<”或“=”)E2。根据速率方程分析,升高温度该反应速率减小的原因是________。
A.k2正增大,c(N2O2)增大 B.k2正减小,c(N2O2)减小
C.k2正增大,c(N2O2)减小 D.k2正减小,c(N2O2)增大
由实验数据得到v2正~c(O2)的关系可用下图表示。当x点升高到某一温度时,反应重新达到平衡,则变为相应的点为________(填字母)。
解析:(1)①2NO(g)N2O2(g) ΔH1<0,②N2O2(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH2<0,根据盖斯定律,将①+②,得:2NO(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH=ΔH1+ΔH2;2NO(g)+O2(g)2NO2(g)达到平衡状态,平衡常数K==××,平衡时,
8
v2正=v2逆,v1正=v1逆,因此K=;该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,K值减小。(2)反应的活化能越小,反应速率越快,决定2NO(g)+O2(g)2NO2(g)速率的是反应②,反应②速率较慢,活化能较大,即E1<E2;根据速率方程,A项,k2正增大,c(N2O2)增大,v2正增大,与题意不符,错误;B项,k2正减小,c(N2O2)减小,v2正减小,与题意符合,正确;C项,k2增大,c(N2O2)减小,v2正的变化无法判断,与题意不符,错误;D项,k2正减小,c(N2O2)增大,v2正的变化无法判断,与题意不符,错误;根据上述分析,升高温度,v2正减小,平衡向逆反应方向移动,c(O2)增大,因此当x点升高到某一温度时,c(O2)增大,v2正减小,符合条件的为点a。
答案:(1)ΔH1+ΔH2 减小 (2)< B a
12.工业合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g),对其研究如下:
(1)已知H-H键的键能为436 kJ·mol-1,N-H键的键能为391 kJ·mol-1,N≡N键的键能是945.6 kJ·mol-1,则上述反应的ΔH=________。
(2)上述反应的平衡常数K的表达式为______________________
______________________________________________________。
若反应方程式改写为N2(g)+H2(g)NH3(g),在该温度下的平衡常数K1=________(用K表示)。
(3)在773 K时,分别将2 mol N2和6 mol H2充入一个固定容积为1 L的密闭容器中,随着反应的进行,气体混合物中n(H2)、n(NH3)与反应时间t的关系如下表:
t/min
0
5
10
15
20
25
30
n(H2)/mol
6.00
4.50
3.60
3.30
3.03
3.00
3.00
n(NH3)/mol
0
1.00
1.60
1.80
1.98
2.00
2.00
①该温度下,若向同容积的另一容器中投入的N2、H2、NH3的浓度分别为3 mol·L-1、3 mol·L-1、3 mol·L-1,则此时v正________(填“大于”“小于”或“等于”)v逆。
②由上表中的实验数据计算得到“浓度时间”的关系可用下图中的曲线表示,表示c(N2)~t的曲线是________________________。在此温度下,若起始充入4 mol N2和12 mol H2,则反应刚达到平衡时,表示c(H2)~t的曲线上相应的点为________________________。
8
解析:(1)根据ΔH=E(反应物的总键能)-E(生成物的总键能),知ΔH=945.6 kJ·mol-1+436 kJ·mol-1×3-391 kJ·mol-1×6=-92.4 kJ·mol-1。
(2)该反应的平衡常数K=,
K1==[]=K。
(3)①该温度下,25 min时反应处于平衡状态,平衡时c(N2)=1 mol·L-1、c(H2)=3 mol·L-1、c(NH3)=2 mol·L-1,则K==。在该温度下,若向同容积的另一容器中投入的N2、H2和NH3的浓度均为3 mol·L-1,则Q===<K,反应向正反应方向进行,故v正大于v逆;②起始充入4 mol N2和12 mol H2,相当于将充入2 mol N2和6 mol H2的两个容器“压缩”为一个容器,假设平衡不移动,则平衡时c(H2)=6 mol·L-1,而“压缩”后压强增大,反应速率加快,平衡正向移动,故平衡时3 mol·L-1<c(H2)<6 mol·L-1,且达到平衡的时间缩短,故对应的点为B。
答案:(1)-92.4 kJ·mol-1 (2)K= K或 (3)①大于 ②乙 B
8