2021高考化学一轮复习专题7第3讲化学平衡常数学案新人教版
第3讲 化学平衡常数
[考纲要求]
1．了解化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。2.了解化学反应的方向与化学反应的焓变与熵变的关系。3.掌握化学反应在一定条件下能否自发进行的判断依据，能够利用化学反应的焓变和熵变判断化学反应的方向。
化学平衡常数
知识梳理
1.化学平衡常数的定义
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物__________与反应物__________的比值是一个常数，用符号____表示。
2．表达式
对于反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，
K＝____________(固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。
3．意义及影响因素
(1)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。
(2)K只受________影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
4．常见应用
(1)判断正在进行的可逆反应是否达到平衡或反应进行的方向
对于可逆反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，若浓度商Qc＝，则将浓度商和平衡常数作比较可判断可逆反应所处的状态。
(2)判断可逆反应的热效应
升高温度—
降低温度—
[回扣判断](正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度( )
(2)温度、浓度、压强、催化剂均能改变平衡常数( )
(3)升高温度，平衡常数一定增大( )
(4)平衡常数变化，化学平衡不一定发生移动( )
(5)化学平衡发生移动，平衡常数一定改变( )
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(6)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度( )
(7)反应A(g)＋3B(g)2C(g)，达平衡后，温度不变，增大压强，平衡正向移动，平衡常数K值增大( )
(8)对于反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，升高温度，K值减小，则ΔH>0( )
[重点提醒]
关于H2O的浓度问题
(1)稀水溶液中进行的反应，虽然H2O参与反应，但是H2O只作为溶剂，不能代入平衡常数表达式。
如NH4Cl＋H2ONH3·H2O＋HCl的平衡常数表达式为K＝。
(2)H2O的状态不是液态而是气态时，则需要代入平衡常数表达式。
对点速练
练点一 化学平衡常数的判断
1．O3也是一种很好的消毒剂，具有高效、洁净、方便、经济等优点。O3可溶于水，在水中易分解，产生的[O]为游离氧原子，有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生反应如下：
反应① O3O2＋[O] ΔH＞0 平衡常数为K1；
反应② [O]＋O32O2 ΔH＜0 平衡常数为K2；
总反应：2O33O2 ΔH＜0 平衡常数为K。
下列叙述正确的是( )
A．降低温度，K减小
B．K＝K1＋K2
C．适当升温，可提高消毒效率
D．压强增大，K 2减小
2．在恒容密闭容器中，由CO合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)，在其他条件不变的情况下研究温度对反应的影响，实验结果如图所示，下列说法正确的是( )
A．平衡常数K＝
B．该反应在T1时的平衡常数比T2时的小
C．CO合成甲醇的反应为吸热反应
31
D．处于A点的反应体系从T1变到T2，达到平衡时增大
3．甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如下表所示：
化学反应
平衡
常数
温度/℃
500
800
①2H2(g)＋CO(g)CH3OH(g)
K1
2.5
0.15
②H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)
K2
1.0
2.50
③3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
K3
(1)据反应①与②可推导出K1、K2与K3之间的关系，则K3＝________(用K1、K2表示)。
(2)反应③的ΔH________(填“＞”或“＜”)0。
练点二 “K”的计算与应用
4．一定温度下，在容积为1 L的密闭容器中进行反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，SO2的起始浓度是0.40 mol·L－1，O2的起始浓度是0.96 mol·L－1。当SO3的浓度为0.32 mol·L－1时，反应达到平衡状态。下列说法正确的是( )
A．该温度下反应的平衡常数为6.25
B．若将平衡时混合物的压强增大1倍，平衡常数将变大
C．平衡时保持容器总体积不变，向混合气体中充入0.08 mol SO3和0.20 mol O2，则平衡正向移动
D．SO2的转化率为80%
5．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：
t/℃
700
800
830
1 000
1 200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题：
(1)该反应的化学平衡常数表达式为K＝________。
(2)该反应为________反应(填“吸热”或“放热”)。
(3)某温度下，各物质的平衡浓度符合下式：3c(CO2)·c(H2)＝5c(CO)·c(H2O)，试判断此时的温度为________。
(4)若830 ℃时，向容器中充入1 mol CO、5 mol H2O，反应达到平衡后，其化学平衡常数K________1.0(填“大于”“小于”或“等于”)。
(5)830 ℃时，容器中的反应已达到平衡。在其他条件不变的情况下，扩大容器的体积。平衡________移动(填“向正反应方向”、“向逆反应方向”或“不”)。
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(6)若1 200 ℃时，在某时刻平衡体系中CO2、H2、CO、H2O的浓度分别为2 mol·L－1、2 mol·L－1、4 mol·L－1、4 mol·L－1，则此时上述反应的平衡移动方向为________(填“正反应方向”、“逆反应方向”或“不移动”)。
6．砷(As)是第四周期第ⅤA族元素，可以形成As2S3、As2O5、H3AsO3、H3AsO4等化合物，有着广泛的用途。回答下列问题：
(1)画出砷的原子结构示意图：________________。
(2)工业上常将含砷废渣(主要成分为As2S3)制成浆状，通入O2氧化，生成H3AsO4和单质硫。写出发生反应的化学方程式：________________________________。该反应需要在加压下进行，原因是________________________________________________________________________。
(3)298 K时，将20 mL 3x mol·L－1 Na3AsO3、20 mL 3x mol·L－1 I2和20 mL NaOH溶液混合，发生反应：AsO(aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq)AsO(aq)＋2I－(aq)＋H2O(l)。溶液中c(AsO)与反应时间(t)的关系如图所示。
①下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。
a．溶液的pH不再变化
b．v(I－)＝2v(AsO)
c．c(AsO)/c(AsO)不再变化
d．c(I－)＝y mol·L－1
②tm时，v正________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。
③tm时v逆________tn时v逆(填“大于”“小于”或“等于”)，理由是________________________________________________________________________。
④若平衡时溶液的pH＝14，则该反应的平衡常数K为________。
技能归纳
“K”的应用“三点”注意
(1)K的大小只与温度有关，与反应物或生成物的起始浓度的大小无关。
(2)代入平衡常数表达式的是平衡浓度，而不是任意时刻的浓度，更不能将物质的量代入。
(3)同一化学反应，可以用不同的化学方程式表示，每个化学方程式都有自己的平衡常数表达式及相应的平衡常数。因此，要注意使用与化学方程式相对应的平衡常数。
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练点三 平衡常数与转化率
7．t ℃时，在体积不变的密闭容器中，发生反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)，各组分在不同时刻的浓度如下表：
物质
X
Y
Z
初始浓度/(mol·L－1)
0.1
0.2
0
2 min末浓度/(mol·L－1)
0.08
a
b
平衡浓度/(mol·L－1)
0.05
0.05
0.1
下列说法正确的是( )
A．平衡时，X的转化率为20%
B．t ℃时，该反应的平衡常数为40
C．增大平衡后的体系压强，v(正)增大，v(逆)减小，平衡向正反应方向移动
D．前2 min内，用Y的变化量表示的平均反应速率v(Y)＝0.03 mol·L－1·min－1
8．已知(CH3COOH)2(g)2CH3COOH(g)，经实验测得不同压强下，体系的平均相对分子质量(＝)随温度(T)的变化曲线如图所示，下列说法正确的是( )
A．该反应的ΔH<0
B．气体的压强：p(a)
0的反应，一定是自发反应( )
(3)吸热且熵增加的反应，当温度升高时，反应一定能自发进行( )
(4)凡是放热反应都是自发的，吸热反应都是非自发的( )
(5)－10 ℃的水结成冰，可用熵变的判据来解释反应的自发性( )
(6)Na与H2O的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行( )
(7)2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)在常温下能自发进行，则该反应的ΔH＞0( )
(8)反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH＜0( )
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[重点提醒]
1．反应能否自发进行需综合考虑焓变和熵变对反应的影响。
2．化学反应方向的判据指出的仅仅是在一定条件下化学反应自发进行的趋势，并不能说明在该条件下反应一定能实际发生，还要考虑化学反应的快慢问题。
对点速练
练点一 化学反应的自发性
1．下列关于化学反应自发性的说法中正确的是( )
A．熵增加的化学反应一定能自发进行
B．自发进行的化学反应一定能迅速发生
C．在一定条件下，吸热反应可自发进行
D．电解池中的化学反应属于自发过程
2．实验证明，多数能自发进行的反应都是放热反应。对此说法的理解正确的是( )
A．所有的放热反应都是自发进行的
B．所有的自发反应都是放热的
C．焓变是影响反应是否具有自发性的一种重要因素
D．焓变是决定反应是否具有自发性的唯一判据
练点二 化学反应的方向性
3．下列说法正确的是( )
A．凡是放热反应都是自发的，因为吸热反应都是非自发的
B．自发反应的熵一定增大，非自发反应的熵一定减小
C．常温下，反应C(s)＋CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH>0
D．反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则该反应的ΔH>0
4．已知在100 kPa、298.15 K时石灰石分解反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)的ΔH＝＋178.3 kJ/mol，ΔS＝＋160.4 J/(mol·K)，则：
(1)该反应常温下________(填“能”或“不能”)自发进行。
(2)据本题反应数据分析，温度________(填“能”或“不能”)成为反应方向的决定因素。
(3)若温度能决定反应方向，则该反应自发进行的最低温度为________。
5．(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO，有人设想按下列反应除去CO：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)已知该反应的ΔH>0，简述该设想能否实现的依据：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2，化学方程式如下：
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2NO＋2CO2CO2＋N2。反应能够自发进行，则反应的ΔH________0(填“>”、“<”或“＝”)。
练后归纳
焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响
ΔH
ΔS
ΔH－TΔS
反应情况
－
＋
永远是负值
在任何温度下过程均自发进行
＋
－
永远是正值
在任何温度下过程均非自发进行
＋
＋
低温为正高温为负
低温时非自发，高温时自发
－
－
低温为负高温为正
低温时自发，高温时非自发
1.[2019·江苏卷，15](多选)在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是( )
A．反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)的ΔH>0
B．图中X点所示条件下，延长反应时间能提高NO转化率
C．图中Y点所示条件下，增加O2的浓度不能提高NO转化率
D．380 ℃下，c起始(O2)＝5.0×10－4 mol·L－1，NO平衡转化率为50%，则平衡常数K>2 000
2．[2017·天津卷，6]常压下羰基化法精炼镍的原理为：Ni(s)＋4CO(g)Ni(CO)4(g)。230 ℃时，该反应的平衡常数K＝2×10－5。已知：Ni(CO)4的沸点为42.2 ℃，固体杂质不参与反应。
第一阶段：将粗镍与CO反应转化成气态Ni(CO)4；
第二阶段：将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230 ℃制得高纯镍。
下列判断正确的是( )
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A．增加c(CO)，平衡向正向移动，反应的平衡常数增大
B．第一阶段，在30 ℃和50 ℃两者之间选择反应温度，选50 ℃
C．第二阶段，Ni(CO)4分解率较低
D．该反应达到平衡时，v生成[Ni(CO)4]＝4v生成(CO)
3．[2019·全国卷Ⅰ，28]水煤气变换[CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)]是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题：
(1)Shibata曾做过下列实验：①使纯H2缓慢地通过处于721 ℃下的过量氧化钴CoO(s)，氧化钴部分被还原为金属钴Co(s)，平衡后气体中H2的物质的量分数为0.025 0。
②在同一温度下用CO还原CoO(s)，平衡后气体中CO的物质的量分数为0.019 2。
根据上述实验结果判断，还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO____________H2(填“大于”或“小于”)。
(2)721 ℃时，在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2的物质的量分数为____________(填标号)。
A．＜0.25 B．0.25
C．0.25～0.50 D．0.50
E．＞0.50
(3)我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注。
可知水煤气变换的ΔH____________0(填“大于”“等于”或“小于”)。该历程中最大能垒(活化能)E正＝____________eV，写出该步骤的化学方程式________________________。
(4)Shoichi研究了467 ℃、489 ℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如下图所示)，催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。
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计算曲线a的反应在30～90 min内的平均速率(a)＝________________kPa·min－1。467 ℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是______________、________________。489 ℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是________________、________________。
4．[2018·全国卷Ⅱ，27]CH4－CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2)，还对温室气体的减排具有重要意义，回答下列问题：
(1)CH4—CO2催化重整反应为：CH4(g)＋CO2(g)＝2CO(g)＋2H2(g)。
已知：C(s)＋2H2(g)＝CH4(g) ΔH＝－75 kJ·mol－1
C(s)＋O2(g)＝CO2(g) ΔH＝－394 kJ·mol－1
C(s)＋O2(g)＝CO(g) ΔH＝－111 kJ·mol－1
该催化重整反应的ΔH＝________ kJ·mol－1，有利于提高CH4平衡转化率的条件是________(填标号)。
A．高温低压 B．低温高压
C．高温高压 D．低温低压
某温度下，在体积为2 L的容器中加入2 mol CH4, 1 mol CO2以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，其平衡常数为________ mol2·L－2。
(2)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少，相关数据如下表：
积碳反应
CH4(g)===
C(s)＋2H2(g)
消碳反应
CO2(g)＋C(s)===
2CO(g)
ΔH/(kJ·mol－1)
75
172
活化能/
(kJ·mol－1)
催化剂X
33
91
催化剂Y
43
72
31
①由上表判断，催化剂X______Y(填“优于”或“劣于”)，理由是________________________________，在反应进料气组成，压强及反应时间相同的情况下，某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如下图所示，升高温度时，下列关于积碳反应，消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是________(填标号)。
A．K积、K消均增加
B．v积减小、v消增加
C．K积减小、K消增加
D．v消增加的倍数比v积增加的倍数大
②在一定温度下，测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为v＝k·p(CH4)·－0.5(k为速率常数)。在p(CH4)一定时，不同p(CO2)下积碳量随时间的变化趋势如下图所示，则pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)从大到小的顺序为__________________。
化学平衡关联图像题
(基础图像识读)
一、浓度—时间
如A(g)＋B(g)AB(g)
二、含量—时间—温度(压强)
(C%指产物的质量分数，B%指某反应物的质量分数)
31
三、恒压(或恒温)线
(α表示反应物的转化率，c表示反应物的平衡浓度)
图①，若p1＞p2＞p3，则正反应为气体体积减小的反应，ΔH＜0；
图②，若T1＞T2，则正反应为放热反应。
(特殊图像识读)
一、对于化学反应mA(g)＋nB(g)p(C)＋qD(g)，M点前，表示从反应物开始，v正＞v逆；M点为刚达到平衡点(如下图)；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH＜0。
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二、对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，L线上所有的点都是平衡点(如下图)。L线的左上方(E点)，E点A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量，所以，E点v正＞v逆；则L线的右下方(F点)，v正＜v逆。
三、曲线的意义是外界条件(如温度、压强等)对正、逆反应速率影响的变化趋势及变化幅度。图中交点A是平衡状态，压强增大，正反应速率增大得快，平衡正向移动。
【素养专练】
一、经典图像题
1．利用I2O5可消除CO污染，其反应为：I2O5(s)＋5CO(g)5CO2(g)＋I2(s)；不同温度下，向装有足量I2O5固体的2 L恒容密闭容器中通入2 mol CO，测得CO2气体体积分数φ(CO2)随时间t变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A．b点时，CO的转化率为20%
B．容器内的压强保持恒定，表明反应达到平衡状态
C．b点和d点的化学平衡常数：Kb>Kd
D．0到0.5 min反应速率v(CO)＝0.3 mol·L－1·min－1
2．在容积为2 L的密闭容器中，A、B、C、D四种气体物质发生可逆反应，其物质的量n(mol)随时间t(min)的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
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A．0～2 min内，v(A)＝0.2 mol·L－1·min－1
B．在2 min时，图像发生改变的原因只可能是增大压强
C．3 min后体系的压强不再发生变化
D．增大气体D的浓度，A的反应速率随之降低
3．在2 L密闭容器中发生反应xA(g)＋yB(g)zC(g)。图甲表示200 ℃时容器中A、B、C物质的量随时间的变化关系，图乙表示不同温度下平衡时C的体积分数随起始n(A)n(B)的变化关系。则下列结论正确的是( )
A．200 ℃时，反应从开始到平衡的平均速率v(B)＝0.04 mol·L－1·min－1
B．200 ℃时，该反应的平衡常数为25
C．当外界条件由200 ℃降到100 ℃时，原平衡一定被破坏，且正、逆反应速率均增大
D．由图乙可知，反应xA(g)＋yB(g)zC(g)的ΔH<0，且a＝2
二、新型图像题
4．已知反应：CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)。起始以物质的量之比为1:1充入反应物，不同压强条件下，H2的平衡转化率随温度的变化情况如图所示(M、N点标记为▲)。下列有关说法正确的是( )
A．上述反应的ΔH<0
B．N点时的反应速率一定比M点的快
31
C．降低温度，H2的转化率可达到100%
D．工业上用此法制取甲烷应采用更高的压强
5．粗硅提纯常见方法之一是先将粗硅与HCl反应制得SiHCl3，经提纯后再用H2还原：SiHCl3(g)＋H2(g)Si(s)＋3HCl(g)。在2 L密闭容器中，不同温度及不同n(H2)/n(SiHCl3)时，反应物X的平衡转化率变化如图。下列判断合理的是( )
A．X为H2
B．1 150 ℃时反应的平衡常数大于950 ℃时反应的平衡常数
C．减小Si(s)的量，有利于提高SiHCl3的转化率
D．工业上可采用增大压强的方法提高产率
6．以二氧化碳和氢气为原料制取乙醇的反应为2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)。某压强下的密闭容器中，按CO2和H2的物质的量比为1:3投料，不同温度下平衡体系中各物质的物质的量百分数(y%)随温度变化如图所示。下列说法正确的是( )
A．a点的平衡常数小于b点
B．b点，v正(CO2)＝v逆(H2O)
C．a点，H2和H2O的物质的量相等
D．其他条件恒定，充入更多H2，v(CO2)不变
7．已知：在700 ℃的恒温、恒容密闭容器中发生反应3CH4(g)＋2N2(g)3C(s)＋4NH3(g)，若CH4与N2在不同投料比时CH4的平衡转化率如图所示，下列说法正确的是( )
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A．n(CH4)/n(N2)越大，CH4的转化率越高
B．a点对应的平衡常数比c点的大
C．b点对应的NH3的体积分数为26%
D．不改变投料比，增加n(N2)时，NH3体积分数增大
8．如图所示为气相直接水合法：C2H4(g)＋H2O(g)===C2H5OH(g)中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系[其中n(H2O):n(C2H4)＝1:1]。计算乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数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)( )
A．0.082 B．0.072
C．0.072 MPa－1 D．0.082 MPa－1
9．一定条件下合成乙烯：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，下列说法不正确的是( )
A．生成乙烯的速率：v(M)有可能小于v(N)
B．平衡常数：KM>KN
C．当温度高于250 ℃，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%
31
10．[2019·全国卷Ⅲ，28(1)(2)(3)]近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：
(1)Deacon发明的直接氧化法为：4HCl(g)＋O2(g)===2Cl2(g)＋2H2O(g)。下图为刚性容器中，进料浓度比c(HCl):c(O2)分别等于1:1、4:1、7:1时HCl平衡转化率随温度变化的关系：
可知反应平衡常数K(300 ℃)________K(400 ℃)(填“大于”或“小于”)。设HCl初始浓度为c0，根据进料浓度比c(HCl):c(O2)＝1:1的数据计算K(400 ℃)＝________(列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)c(O2)过低、过高的不利影响分别是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行：
CuCl2(s)===CuCl(s)＋Cl2(g)
ΔH1＝83 kJ·mol－1
CuCl(s)＋O2(g)===CuO(s)＋Cl2(g)
ΔH2＝－20 kJ·mol－1
CuO(s)＋2HCl(g)===CuCl2(s)＋H2O(g)
ΔH3＝－121 kJ·mol－1
则4HCl(g)＋O2(g)===2Cl2(g)＋2H2O(g)的ΔH＝________ kJ·mol－1。
(3)在一定温度的条件下，进一步提高HCl的转化率的方法是______________________________________________。(写出2种)
11．(1)目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图1，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图2所示。
31
①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，这使NOx的有效消除成为环保领域的重要课题。某研究小组在实验室以AgZSM5为催化剂，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图3所示。
若不使用CO，温度超过775 K，发现NO的分解率降低，其可能的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
在n(NO)/n(CO)＝1的条件下，应控制的最佳温度在________左右。
素养提升
解答平衡图像题“三步曲”
31
第3讲 化学平衡常数
基础精讲练
考点一
1知识梳理
1．浓度幂之积 浓度幂之积 K 2.
3．(2)温度
4．(2)吸热 放热 放热 吸热
回扣判断 答案：(1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)×
2对点速练
1．解析：A项，降温，总反应平衡右移，K增大，错误；B项，K1＝、K2＝、K＝＝K1·K2，错误；C项，升温，反应①右移，c([O])增大，提高消毒效率，正确；D项，对于给定的反应，平衡常数只与温度有关，错误。
31
答案：C
2．解析：A项，因该反应中氢气前的系数为2，则该反应的平衡常数的表达式为K＝，错误；B项，由图像可知，反应从T2到T1时，甲醇的物质的量增大，根据平衡常数和计算式可知T1时的平衡常数比T2 时的大，错误；C项，由图像可知在T2温度下反应先达到平衡，反应速率较T1快，则有T2>T1，从图像的纵坐标分析可得温度降低，平衡向正反应方向移动，则正反应为放热反应，错误；D项，处于A点的反应体系从T1变到T2的过程中，平衡向逆反应方向移动，则c(H2)增大，而c(CH3OH)减小，达到平衡时应该增大，正确。
答案：D
3．解析：
(1)K1＝，
K2＝
K3＝，
K3＝K1·K2。
(2)根据K3＝K1·K2,500 ℃、800 ℃时，反应③的平衡常数分别为2.5,0.375；升温，K减小，平衡左移，正反应为放热反应，所以ΔH＜0。
答案：(1)K1·K2 (2)＜
4．解析：首先，在化学方程式中标出各物质的起始浓度、转化浓度、平衡浓度，然后，根据化学反应速率和平衡常数进行计算。
2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)
起始浓度(mol·L－1) 0.40 0.96 0
转化浓度(mol·L－1) 0.32 0.16 0.32
平衡浓度(mol·L－1) 0.08 0.80 0.32
平衡常数K＝＝20，A项错误；因为平衡常数与温度有关，故压强变化对K无影响，B项错误；保持容器体积不变，向混合气体中充入0.08 mol SO3和0.20 mol O2时，SO3和O2的浓度分别为0.40 mol·L－1、1.0 mol·L－1，Qc＝＝25>K，平衡逆向移动，C错误；SO2的转化率为×100%＝80%，D正确。
答案：D
5．解析：(3)某温度下，各物质的平衡浓度有如下关系3c(CO2)·c(H2)＝5c(CO)·c(H2
31
O)，根据平衡常数表达式K＝可知，K＝3/5＝0.6，平衡常数只与温度有关，温度一定，平衡常数为定值，所以此时对应的温度为700 ℃。
(6)1 200 ℃时Qc＝，将各物质的浓度代入可得Qc＝4，而此温度下的平衡常数为2.6，即Qc>K，所以平衡向逆反应方向移动。
答案：(1)
(2)吸热
(3)700 ℃
(4)等于
(5)不
(6)逆反应方向
6．解析：(1)As原子序数为33，位于第四周期第ⅤA族，据此可画出原子结构示意图(见答案)。
(2)由题意可知反应物中有As2S3、O2，产物为H3AsO4、S，根据电子得失守恒可以配平这四种物质的系数，根据元素守恒可知反应物还有水且系数为6，配平后的方程式为2As2S3＋5O2＋6H2O4H3AsO4＋6S，加压可以增加反应物O2的浓度，提高As2S3的转化率。
(3)①a项，随反应进行，溶液的pH不断降低，当pH不再变化时，说明反应达到了平衡；b项，速率之比等于化学计量数之比，该结论在任何时刻都成立，故无法判断是否达到平衡；c项，随反应进行，c(AsO)不断增大，c(AsO)不断减小，当二者比值不变时，说明二者浓度不再改变，则反应达到平衡；d项，由图像并结合方程式可知，平衡时c(I－)＝2y mol/L，故当c(I－)＝y mol/L时，反应未达到平衡；②由图像可知tm时刻后c(AsO)仍在不断增加，说明反应还在正向进行，故此时v正大于v逆；③tm到tn时刻，反应一直正向进行，生成物的浓度逐渐增大，所以逆反应速率不断增大，故tm时v逆小于tn时v逆；④混合后c(AsO)＝x mol/L，c(I2)＝x mol/L，由图像可知平衡时生成的c(AsO)＝y mol/L，溶液的pH＝14，则c(OH－)＝1 mol/L，列出三段式为
AsO(aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq)AsO(aq)＋2I－(aq)＋H2O(l)
反应前 x x 0 0
变化量 y y 2y y 2y
反应后 x－y x－y 1 y 2y
则平衡常数K＝＝。
31
答案：(1)
(2)2As2S3＋5O2＋6H2O4H3AsO4＋6S 加压可以增加反应物O2的浓度，提高As2S3的转化率
(3)①ac ②大于 ③小于 tm时生成物浓度较低 ④
7．解析：本题考查了化学平衡知识，意在考查考生的分析、计算能力。平衡时，X的转化率＝×100%＝50%，A项错误；t ℃时该反应的平衡常数K＝＝1 600，B项错误；该反应是气体分子数减小的反应，增大平衡后的体系压强，v正增大，v逆增大，平衡向正反应方向移动，C项错误；
X(g) ＋ 3Y(g)2Z(g)
起始/(mol·L－1) 0.1 0.2 0
转化/(mol·L－1) 0.02 0.06 0.04
2 min末/(mol·L－1) 0.08 0.14 0.04
前2 min内，用Y的变化量表示的平均反应速率v(Y)＝＝0.03 mol·L－1·min－1，D项正确。
答案：D
8．解析：由题中曲线可以看出，随温度升高混合气体的平均相对分子质量减小，说明升高温度，平衡右移，正反应为吸热反应，ΔH>0，A、D项错误；温度越高，平衡常数越大，故b点的平衡常数最大，C项错误；图中曲线为等压线，p(b)＝p(c)，在同一温度下，压强增大，平衡逆向移动，即p(a) <
回扣判断 答案：(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)√
2对点速练
1．解析：放热的熵增反应是自发的，吸热的熵减反应是不自发的；电解过程属于非自发过程。
答案：C
2．解析：反应是否能自发进行是由焓变和熵变共同决定的，故焓变是影响反应是否具有自发性的一种重要因素。
答案：C
3．解析：若ΔH<0，ΔS>0，则一定自发，若ΔH>0，ΔS<0，则一定不能自发，若ΔH<0，ΔS<0或ΔH>0，ΔS>0，反应能否自发，和温度有关，A、B错误；C项中反应的ΔS>0，若ΔH<0，则一定自发，现常温下不自发，说明ΔH>0，正确；D项中反应的ΔS<0，能自发，说明ΔH<0，错误。
答案：C
4．答案：(1)不能 (2)能 (3)1111.6 K
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5．解析：(1)2CO(g)===2C(s)＋O2(g)，该反应是焓增、熵减的反应。根据ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG>0，不能实现。
(2)该反应为熵减反应，能自发进行说明ΔH<0。
答案：(1)该反应是焓增、熵减的反应，任何温度下均不自发进行 (2)<
真题全体验
1．解析：从虚线可知，随温度升高NO平衡转化率逐渐降低，说明平衡逆向移动，则NO与O2生成NO2的反应为放热反应，ΔH<0，A项错误；图像中实线的最高点为恰好平衡点，X点未达到平衡，延长时间反应继续向右进行，NO转化率增大，B项正确；Y点为平衡点，增大O2浓度，平衡正向移动，可以提高NO转化率，C项错误；该反应的平衡常数表达式为K＝，因该温度下NO转化率为50%，则K＝>＝2 000，D项正确。
答案：BD
2．解析：A项，增加c(CO)，平衡正向移动，因平衡常数大小只与温度有关，与浓度无关，所以反应的平衡常数不变，错误；B项，第一阶段，50 ℃时，Ni(CO)4为气态，易于分离，有利于Ni(CO)4的生成，正确；C项，第二阶段，230 ℃制得高纯镍的反应方程式的Ni(CO)4(g)Ni(s)＋4CO(g)的平衡常数K1＝＝5×106，所以Ni(CO)4分解率较高，错误；D项，因反应达到平衡时，正、逆反应速率相等，再根据该反应的化学计量数可知，该反应达到平衡时，4v生成[Ni(CO)4]＝v生成(CO)，错误。
答案：B
3．解析：本题涉及化学反应速率、化学平衡的相关计算及化学平衡移动的影响因素，主要考查学生运用图表、图形分析和解决化学问题的能力。借助水煤气变换反应认识化学变化有一定限度、速率，体现变化观念与平衡思想的学科核心素养。
(1)相同温度下，分别用H2、CO还原CoO(s)，平衡时H2的物质的量分数(0.025 0)大于CO的物质的量分数(0.019 2)，说明转化率：H2H2。
(2)利用“三段式”解答。721 ℃时，设气体反应物开始浓度均为1 mol·L－1，则
H2(g)＋CoO(s)Co(s)＋H2O(g)
起始(mol·L－1) 1 0
转化(mol·L－1) x x
平衡(mol·L－1) 1－x x
则有＝0.025 0，解得x＝0.975，故K1＝＝＝39；
CO(g)＋CoO(s)Co(s)＋CO2(g)
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起始(mol·L－1) 1 0
转化(mol·L－1) y y
平衡(mol·L－1) 1－y y
则有＝0.019 2，解得y＝0.980 8，故K2＝＝＝≈51；
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
起始(mol·L－1) 1 1 0 0
转化(mol·L－1) z z z z
平衡(mol·L－1) 1－z 1－z z z
则有K3＝＝＝，解得z＝0.532 7。
H2的物质的量分数为＝0.266 4，故选C。
(3)观察计算机模拟结果，据ΔH＝生成物总能量－反应物总能量，可知ΔH＝－0.72－0<0；该历程中最大能垒(活化能)E正＝1.86 eV－(－0.16 eV)＝2.02 eV，该步骤的化学方程式为COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*或H2O*===H*＋OH*。
(4)(a)＝≈0.004 7 kPa·min－1；据“先拐先平数值大”原则，结合图像可知，虚线(a、d)表示489 ℃时气体分压变化曲线，实线(b、c)表示467 ℃时气体分压变化曲线；当温度由467 ℃升至489 ℃时，平衡逆向移动，则pH2减小，pCO增大，由图像可知，b→a气体分压减小，故曲线b表示467 ℃时pH2变化曲线，曲线a表示489 ℃时pH2变化曲线；c→d气体分压增大，则曲线c表示467 ℃时，pCO变化曲线，曲线d表示489 ℃时pCO变化曲线。
答案：(1)大于 (2)C (3)小于 2.02
COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH* (或H2O*===H*＋OH*)
(4)0.004 7 b c a d
4．解析：(1)将已知中3个反应依次记为①、②、③，根据盖斯定律③×2－①－②得该催化重整反应的ΔH＝(－111×2＋75＋394) kJ·mol－1＝＋247 kJ·mol－1。由于该反应为吸热且气体体积增大的反应，要提高CH4的平衡转化率，需在高温低压下进行。根据平衡时消耗的CO2为1 mol×50%＝0.5 mol，则消耗的CH4为0.5 mol，生成的CO和H2均为1 mol，根据三段式法可知平衡时CH4、CO2、CO和H2的平衡浓度分别为0.75 mol·L－1、0.25 mol·L－1、0.5 mol·L－1、0.5 mol·L－1，则平衡常数K＝＝ mol2·L－2。
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(2)①从表格中数据可看出相对于催化剂X，用催化剂Y催化时积碳反应的活化能大，则积碳反应的反应速率小，而消碳反应活化能相对小，则消碳反应的反应速率大，再根据题干信息“反应中催化剂活性会因积碳反应而降低”可知催化剂X劣于催化剂Y。结合图示可知500～600 ℃随温度升高积碳量增加，而600～700 ℃随温度升高积碳量减少，故随温度升高，K积和K消均增加，且消碳反应速率增加的倍数比积碳反应的大，故A、D正确。②由该图像可知在反应时间和p(CH4)相同时，图像中速率关系va＞vb＞vc，结合沉积碳的生成速率方程v＝k·p(CH4)·[p(CO2)]－0.5，在p(CH4)相同时，随着p(CO2)增大，反应速率逐渐减慢，即可判断：pc(CO2)＞pb(CO2)＞pa(CO2)。
答案：(1)＋247 A
(2)①劣于 相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大 AD
②pc(CO2)＞pb(CO2)＞pa(CO2)
微专题·大素养⑫
【素养专练】
1．解析：5CO(g)＋I2O5(s)5CO2(g)＋I2(s)
起始量/mol 2 0
转化量/mol y y
b点量/mol 2－y y
根据b点时CO2的体积分数φ(CO2)＝y/2＝0.80，得y＝1.6 mol，CO的转化率为×100%＝80%，A错误；由于该反应前后气体的物质的量不变，所以容器内压强恒定，不能作为平衡状态的标志，B错误；由于反应温度不同，且b点比d点时生成物CO2的体积分数大，说明进行的程度大，则化学平衡常数：Kb>Kd，C正确；
0到0.5 min时，
5CO(g)＋I2O5(s)5CO2(g)＋I2(s)
起始量/mol 2 0
转化量/mol x x
a点量/mol 2－x x
根据a点时CO2的体积分数φ(CO2)＝x/2＝0.30，得x＝0.6 mol，则从0到0.5 min时的反应速率为：v(CO)＝＝0.6 mol·L－1·min－1，D错误。
答案：C
2．解析：0～2 min内，A、B、C、D改变的物质的量分别为0.4 mol、0.5 mol、0.6 mol、0.4
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mol。A、B的物质的量减少，应为反应物，C、D的物质的量增加，应为生成物，故该可逆反应为4A(g)＋5B(g)6C(g)＋4D(g)。选项A，0～2 min内，v(A)＝＝0.1 mol·L－1·min－1。选项B，从图像上看，2～3 min的图像斜率变大，说明化学反应速率增大，反应加快，增大压强、加入催化剂、升高温度等均可。选项C,3 min时反应达到平衡状态，体系压强不再改变。选项D，增加生成物D的浓度也能使A的反应速率增大。
答案：C
3．解析：根据图甲知，v(B)＝＝0.02 mol·L－1·min－1，A项错误；由图甲可知，在该反应中，0～5 min，A、B、C的物质的量的变化量之比Δn(A):Δn(B):Δn(C)＝0.4:0.2:0.2＝2:1:1，所以，A、B、C的化学计量数之比x:y:z＝2:1:1，故x＝2、y＝1、z＝1，平衡常数K＝＝＝25，B项正确；由图乙可以看出，当投料比相同时，降低温度，平衡时C的体积分数减小，说明平衡逆向移动，但降低温度会使正、逆反应速率都减小，C项错误；根据图乙可知，该可逆反应的正反应是吸热反应，即ΔH>0，按化学计量数之比投料时，相同条件下原料转化率最大，产物的体积分数最大，故a＝2，D项错误。
答案：B
4．解析：根据图像，随着温度的升高，H2的转化率降低，说明平衡向逆反应方向移动，根据勒夏特列原理，正反应为放热反应，ΔH<0，A项正确；N点压强大于M点的，M点温度高于N点的，因此无法确定两点的反应速率快慢，B项错误；此反应是可逆反应，不能完全进行到底，C项错误；控制合适的温度和压强，既能保证反应速率较快，也能保证H2有较高的转化率，采用更高的压强对设备的要求更高，增加经济成本，D项错误。
答案：A
5．解析：A项，由图可知，相同温度下，随着n(H2)/n(SiHCl3)增大X的转化率增大，如果X是氢气，随着n(H2)/n(SiHCl3)的增大，其转化率会逐渐减小，若X是SiHCl3，其转化率符合曲线，故A错误；B项，由于X是SiHCl3，相同n(H2)/n(SiHCl3)时，1 150 ℃时，X的转化率较高，说明升高温度，平衡正向移动，则H2和SiHCl3浓度减小，HCl浓度增大，根据平衡常数K＝可知，平衡常数随温度升高而增大，故B正确；C项，Si是固体，增减其量，不影响平衡移动，故C错误；D项，由化学方程式可知，正反应是气体体积增大的反应，所以增压不利于转化率的提高，故D错误；故选B。
答案：B
6．解析：从图像可知，温度越高氢气的含量越高，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数越小，故平衡常数：a>b，A错误；b点只能说明该温度下，CO2和H2O的浓度相等，不能说明v正(CO2)＝v逆(H2O)，B错误；从图像可知，a点H2和H2
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O的物质的量百分数相等，故物质的量相等，C正确；其他条件恒定，充入更多H2，反应物浓度增大，正反应速率增大，v(CO2)也增大，D错误。
答案：C
7．解析：由图像看出，CH4的转化率随的增大而降低，A错误；a、b两点的温度相同，平衡常数只与温度有关，则平衡常数不变，B错误；b点甲烷转化率为22%，＝0.75，则设甲烷为3 mol，氮气为4 mol，
3CH4(g)＋2N2(g)3C(s)＋4NH3(g) ΔH>0
开始/mol 3 4 0
转化/mol 0.66 0.44 0.88
平衡/mol 2.34 3.56 0.88
则NH3的体积分数约为×100%＝13%，C错误；不改变投料比，增加n(N2)时，必然增加甲烷，平衡正向移动，氨气体积分数增加，D正确。
答案：D
8．解析：由图可知，A点乙烯的平衡转化率为20%，设起始量n(H2O)＝n(C2H4)＝1 mol，转化的乙烯为0.2 mol，则：
C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)
起始量(mol): 1 1 0
转化量(mol): 0.2 0.2 0.2
平衡量(mol): 0.8 0.8 0.2
压强之比等于物质的量之比，则p(C2H4)＝p(H2O)＝7.8 MPa×＝7.8 MPa×，p(C2H5OH)＝7.8 MPa×，则Kp＝＝＝0.072 MPa－1，故选C。
答案：C
9．解析：升温，CO2的平衡转化率减小，平衡左移，正反应为放热反应，所以KM>KN，B正确；A项，N点虽然催化剂的催化效率低于M点，但温度高，所以有可能v(N)>v(M)，正确；C项，催化剂的催化效率降低，是由于温度升高，催化剂的活性降低造成的，不是平衡移动造成的，错误；D项，M点CO2的平衡转化率为50%，此时，乙烯的体积分数为
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×100%≈7.7%。
答案：C
10．解析：本题涉及的考点有化学平衡常数的计算及影响因素、外界条件对转化率的影响、利用盖斯定律计算ΔH、电极方程式的书写、氧化还原反应中的相关计算。考查学生对图像的理解，获取有关知识并进行加工、吸收的能力和运用相关知识分析、解决简单化学问题的能力。体现了化学变化有一定限度，是可以调控的，体现了变化观念与平衡思想的学科核心素养。
(1)由题图可知，温度升高，HCl平衡转化率降低，即平衡逆向移动，则该可逆反应的正反应是放热反应，故K(300 ℃)>K(400 ℃)；随着进料浓度比c(HCl)c(O2)逐渐增大，HCl平衡转化率逐渐降低，所以图中三条曲线由上到下分别对应的进料浓度比c(HCl):c(O2)为1:1、4:1、7:1,400 ℃时c(HCl) :c(O2)＝1:1，HCl的平衡转化率为84%。设HCl初始浓度为c0(O2初始浓度也为c0)，则平衡时HCl、O2、Cl2、H2O(g)的浓度分别为(1－0.84)c0、(1－0.21)c0、0.42c0、0.42c0，则K(400 ℃)＝＝。进料浓度比c(HCl)c(O2)过低，导致平衡时气体中混有大量O2，增大分离能耗；进料浓度比c(HCl)c(O2)过高，会导致平衡时HCl转化率较低。
(2)将题给反应过程依次记为①、②、③，则根据盖斯定律，由③×2＋②×2＋①×2可得到4HCl(g)＋O2(g)===2Cl2(g)＋2H2O(g) ΔH＝2ΔH3＋2ΔH2＋2ΔH1＝－116 kJ·mol－1。
(3)温度一定的条件下，提高某种反应物的转化率的方法有适当提高另一种反应物的浓度、及时分离产物、改变体系压强等，而该反应是一个气体分子数减小的反应，故应增大压强使平衡正向移动。
答案：(1)大于 O2和Cl2分离能耗较高、HCl转化率较低
(2)－116
(3)增加反应体系压强、及时除去产物
11．答案：(1)①6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O ②350 ℃、负载率3.0%
(2)NO分解反应是放热反应，升高温度不利于分解反应进行 870 K
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