备战2021 高考化学 考点40 化学平衡常数及转化率（原卷版）

备战2021 高考化学 考点40 化学平衡常数及转化率（原卷版）

考点 40 化学平衡常数及转化率 1．化学平衡常数 （1）定义 在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个 常数，这个常数就是该反应的化学平衡常数（简称平衡常数），用 K 表示。 （2）表达式 对于一般的可逆反应：mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，K= (C) (D) (A) (B) p q m n c c c c   。 （3）应用 ①判断反应进行的限度 K 值大，说明反应进行的程度大，反应物的转化率高。K 值小，说明反应进行的程度小，反应物的转化 率低。 K <10−5 10−5~105 >105 反应程度 很难进行 反应可逆 反应可接近完全 ②判断反应是否达到平衡状态 化学反应 aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)在任意状态时，浓度商均为 Qc= (C) (D) (A) (B) c d a b c c c c   。 Qc>K 时，反应向逆反应方向进行； Qc=K 时，反应处于平衡状态； Qcp+q 反应物 A 和 B 的转化率均增 大 m+nn+p 反应物 A 的转 化率增大 m0H B．利用该反应可以除去硫粉中少量的碘单质 C．在上述体系中加入苯，平衡不移动 D．25℃时，向溶液中加入少量 KI 固体，平衡常数 K 小于 680 平衡常数的几个易错点 （1）正、逆反应的平衡常数互为倒数；若方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一 反应，平衡常数也会改变。 （2）能代入平衡常数表达式的为气体、非水溶液中的 H2O、溶液中的溶质，固体与纯液体以及溶液中 H2O 的浓度可看为常数，不能代入。 考向二 化学平衡常数的计算与应用 典例 2 在一定体积的密闭容器中，进行化学反应 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 K= 。 （2）该反应为 (填“吸热”或“放热”)反应。 （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 (填 “大于”“小于”或“等于”)1.0。 （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 (填 “向正反应方向”“向逆反应方向”或“不”)移动。 （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”)。 2．（1）在一定条件下 CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)，当 CO 与 H2O(g)的起始 物质的量之比为 1∶5，达平衡时，CO 转化了5 6 。若 a kg 含 Ca5(PO4)3F(相对分子质量为 504)的质量分数 为 10%的磷尾矿，在上述过程中有 b%的 Ca5(PO4)3F 转化为 P4，将产生的 CO 与 H2O(g)按起始物质的 量之比 1∶3 混合，则在相同条件下达平衡时能产生 H2________kg。[已知：4Ca5(PO4)3F＋18SiO2＋ 30C 2CaF2＋30CO＋18CaSiO3＋3P4] （2）乙苯催化脱氢制苯乙烯反应： CH2CH3(g) CH=CH2(g)＋H2(g) 维持体系总压 p 恒定，在温度 T 时，物质的量为 n、体积为 V 的乙苯蒸气发生催化脱氢反应。已知乙苯 的平衡转化率为α，则在该温度下反应的平衡常数 K＝________(用α等符号表示)。 考向三 转化率的计算与比较 典例 3 已知可逆反应：M(g)＋N(g) P(g)＋Q(g) ΔH＞0，请回答下列问题。 （1）某温度下，反应物的起始浓度分别为 c(M)＝1 mol·L－1，c(N)＝2.4 mol·L－1；达到平衡后，M 的转 化率为 60%，此时 N 的转化率为________。 （2）若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为 c(M)＝4 mol·L－1，c(N)＝a mol·L－1；达到平衡后，c(P) ＝2 mol·L－1，a＝________。 （3）若反应温度不变，反应物的起始浓度为 c(M)＝c(N)＝b mol·L－1，达到平衡后，M 的转化率为_____。 3．甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)用作全固态钙钛矿敏化太阳能电池的敏化剂，可由 CH3NH2、PbI2 及 HI 为原料合 成，回答下列问题： (1)上述反应中所需的甲醇工业上利用水煤气合成 CO(g)＋2H2(g)  CH3OH(g) ΔH<0。在一定条件下，将 1 mol CO 和 2 mol H2 通入密闭容器中进行反应，当改变某一外界条件(温度或压强)时，CH3OH 的平衡体积分 数φ(CH3OH)变化趋势如图所示： ①平衡时，M 点 CH3OH 的体积分数为 10%，则 CO 的转化率为_________。 ②X 轴上 a 点的数值比 b 点_________(填“大”或“小”)。某同学认为上图中 Y 轴表示温度，你认为他判断的 理由是_________。 1．O3 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。常温常压下发生的反应如下： 反应① O3 O2＋[O] ΔH>0 平衡常数为 K1； 反应② [O]＋O3 2O2 ΔH<0 平衡常数为 K2； 总反应：2O3 3O2 ΔH<0 平衡常数为 K。 下列叙述正确的是 A．降低温度，总反应 K 减小 B．K＝K1＋K2 C．适当升温，可提高消毒效率 D．压强增大，K2 减小 2．只改变一个影响化学平衡的因素，平衡常数 K 与化学平衡移动的关系叙述不正确的是 A．K 值不变，平衡可能移动 B．平衡向右移动时，K 值不一定变化 C．K 值有变化，平衡一定移动 D．相同条件下，同一个反应的方程式的化学计量数增大 2 倍，K 值也增大两倍 3．在一密闭容器，aA(g) bB(g)达平衡后，保持温度不变，将容器体积增加一倍，当达到新的平衡时， B 的浓度是原来的 60%，则 A．平衡向逆反应方向移动了 B．物质 A 的转化率减少了 C．物质 B 的质量分数增加了 D．a>b 4．将 1 mol N2O5 置于 2 L 密闭容器中，在一定温度下发生下列反应：①2N2O5(g) 2N2O4(g)＋O2(g)；② N2O4(g) 2NO2(g)。达到平衡时，c(O2)＝0.2 mol·L－1，c(NO2)＝0.6 mol·L－1，则此温度下反应①的平 衡常数为 A．3.2 B．0.2 C． 1 180 D． 4 45 5．已知反应 X(g)＋Y(g) R(g)＋Q(g)的平衡常数与温度的关系如表所示。830℃时，向一个 2 L 的密闭 容器中充入 0.2 mol X 和 0.8 mol Y，反应初始 4 s 内 v(X)＝0.005 mol/(L·s)。下列说法正确的是 温度/℃ 700 800 830 1 000 1 200 平衡常数 1.7 1.1 1.0 0.6 0.4 A．4 s 时容器内 c(Y)＝0.76 mol/L B．830℃达平衡时，X 的转化率为 80% C．反应达平衡后，升高温度，平衡正向移动 D．1 200℃时反应 R(g)＋Q(g) X(g)＋Y(g)的平衡常数 K＝0.4 6．一定条件下，反应 2NH3(g) N2(g)＋3H2(g) ΔH＞0 达到平衡时 N2 的体积分数与温度、压强的关系 如图所示。下列说法正确的是 A．压强：p1＞p2 B．b、c 两点对应的平衡常数：Kc＞K b C．a 点：2v(NH3)正＝3v(H2)逆 D．a 点：NH3 的转化率为 1/3 7．乙炔是一种重要的化工原料，最新研制出的由裂解气(H2、CH4、C2H4)与煤粉在催化剂条件下制乙炔， 该生产过程是目前清洁高效的煤化工过程。已知：发生的部分反应如下(在 25℃、 101 kPa 时)，CH4、C2H4 在高温条件还会分解生成炭与氢气： ①C(s) +2H2(g)  CH4(g) ΔH1=－74.85kJ•mol-1 ②2CH4(g)  C2H4(g) +2H2(g) ΔH2=+340.93kJ•mol-1 ③C2H4(g)  C2H2(g) +H2(g) ΔH3=+35.50kJ•mol-1 请回答： (1)依据上述反应，请写出 C 与 H2 化合生成 C2H2 的热化学方程式_____。 (2)若以乙烯和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气 中含有乙烯、乙炔、氢气等。图 1 为乙炔产率与进料气中 n(氢气)/n(乙烯)的关系。图中曲线呈现先升高 后降低的变化趋势，其降低的原因是_____。 (3)图 2 为上述诸反应达到平衡时各气体体积分数和反应温度的关系曲线。 ①乙炔体积分数在 1530℃之前随温度升高而增大的原因可能是_____；1530℃之后，乙炔体积分数增加不 明显的主要原因可能是_____。 ②在体积为 1L 的密闭容器中反应，1530℃时测得气体的总物质的量为 1.000 mol，则反应 C2H4(g)  C2H2(g) +H2(g) 的平衡常数 K=_____。 ③请在图 3 中绘制乙烯的体积分数和反应温度的关系曲线______ 8．催化还原 CO2 是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。研究表明，在 Cu/ZnO 催化剂存在下，在 CO2 中通入 H2，二者可发生以下两个平行反应： 反应Ⅰ CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－53.7 kJ·mol－1 反应Ⅱ CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1 某实验室控制一定的 CO2 和 H2 初始投料比，在相同压强下，经过相同反应时间测得如下实验数据(其中“甲 醇选择性”是指转化的 CO2 中生成甲醇的百分比)： 反应序号 T/K 催化剂 CO2 转化率/% 甲醇选择性/% ① 543 Cu/ZnO 纳米棒 12.3 42.3 ② 543 Cu/ZnO 纳米片 10.9 72.7 ③ 553 Cu/ZnO 纳米棒 15.3 39.1 ④ 553 Cu/ZnO 纳米片 12.0 71.6 （1）CO2 的电子式是_____________。 （2）反应Ⅰ的平衡常数表达式是 K＝_________________________。 （3）对比①和③可发现：同样催化剂条件下，温度升高，CO2 转化率升高， 而甲醇的选择性却降低， 请解释甲醇选择性降低的可能原因__________________________________；对比①、②可发现，在同样 温度下，采用 Cu/ZnO 纳米片使 CO2 转化率降低， 而甲醇的选择性却提高，请解释甲醇的选择性提高的 可能原因_______________________________。 （4）有利于提高 CO2 转化为 CH3OH 平衡转化率的措施有________。 a．使用 Cu/ZnO 纳米棒做催化剂 b．使用 Cu/ZnO 纳米片做催化剂 c．降低反应温度 d．投料比不变，增加反应物的浓度 e．增大 CO2 和 H2 的初始投料比 9．CO2 和 CH4 是两种重要的温室气体，通过 CH4 和 CO2 反应制造具有更高价值的化学品是目前的研究方向。 （1）250 ℃时，以镍合金为催化剂，涉及此研究的某反应的平衡常数 K=         2 2 2 2 4 CO H CO CH c c c c   ，则此反应的 化学方程式为 ；又知此反应的逆反应为放热反应，则一定能使此反应的平 衡常数增大的措施是 (填选项字母)；使该反应的平衡一定向正反应方向移动的措施有 (填选项字母)。 A．增大 CO2 的浓度 B．升高温度 C．降低温度 D．增大压强 E.减小压强 （2）用某种特殊催化剂，可以将 CO2 和 CH4 直接转化成乙酸，温度超过某个值时乙酸的生成速率却减 小了，原因是 。 （3）将 CO2 转化为甲醚的反应原理为 2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(l)。 ①已知一定压强下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2 的转化率如表: 投料比[n(H2)/n(CO2)] 500 K 600 K 700 K 1.5 45% 33% 20% x a b c 上述反应的焓变ΔH (填“>”、“<”或“=”，下同)0，ΔS 0，若 a>45%，则 x 1.5。 ②在 80 ℃时，向体积为 0.5 L 的密闭容器中加入 2 mol CO2 和 6 mol H2，20 min 后反应达到平衡，此时 CH3OCH3 的物质的量为 0.5 mol，则该反应的平均反应速率 v(CO2)= mol·L-1·min-1，H2 的转化 率α(H2)= ，在 80 ℃时该反应的化学平衡常数为 (列出计算式即可)。 2．（2020·浙江高考真题）一定温度下，在 2 L 的恒容密闭容器中发生反应 A(g) 2B(g) 3C(g)  。反 应过程中的部分数据如下表所示： n/mol t/min n(A) n(B) n(C) 0 2.0 2.4 0 5 0.9 10 1.6 15 1.6 下列说法正确的是（ ） A．0~5 min 用 A 表示的平均反应速率为 1 10.09 mol L min   B．该反应在 10 min 后才达到平衡 C．平衡状态时， 1c(C) 0.6 mol L  D．物质 B 的平衡转化率为 20% 3．[2019江苏][双选]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>2000 4．[2018 江苏]一定温度下，在三个容积相同的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物，发生反应 2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g)(正反应放热)，测得反应的相关数据如下： 下列说法正确的是 A．v1< v2，c2< 2c1 B．K1> K3，p2> 2p3 C．v1< v3，α1(SO2 ) >α3(SO2 ) D．c2> 2c3，α2(SO3 )+α3(SO2 )<1 5．[2017 天津]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 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) 6．[2019 新课标Ⅲ节选]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)+ 1 2 Cl2(g) ΔH1=83 kJ·mol-1 CuCl(s)+ 1 2 O2(g)=CuO(s)+ 1 2 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） 7．[2017 新课标Ⅰ节选]近期发现，H2S 是继 NO、CO 之后的第三个生命体系气体信号分子，它具有参与调 节神经信号传递、舒张血管减轻高血压的功能。回答下列问题： （3）H2S 与 CO2 在高温下发生反应：H2S(g)+CO2(g) COS(g) +H2O(g)。在 610 K 时，将 0.10 mol CO2 与 0.40 mol H2S 充入 2.5 L 的空钢瓶中，反应平衡后水的物质的量分数为 0.02。 ①H2S 的平衡转化率 1 =_______%，反应平衡常数 K=________。 ②在 620 K 重复试验，平衡后水的物质的量分数为 0.03，H2S 的转化率 2 _____ 1 ，该反应的  H_____0。 （填“>”“<”或“=”） ③向反应器中再分别充入下列气体，能使 H2S 转化率增大的是________（填标号） A．H2S B．CO2 C．COS D．N2 8．[2016 上海]随着科学技术的发展和环保要求的不断提高，CO2 的捕集利用技术成为研究的重点。 完成下列填空： （1）目前国际空间站处理 CO2 的一个重要方法是将 CO2 还原，所涉及的反应方程式为： CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) 已知 H2 的体积分数随温度升高而增加。 若温度从 300℃升至 400℃，重新达到平衡，判断下列表格中各物理量的变化。（选填“增大”、“减小” 或“不变”） v 正 v 逆 平衡常数 K 转化率α （2）相同温度时，上述反应在不同起始浓度下分别达到平衡，各物质的平衡浓度如下表： [CO2]/mol·L−1 [H2]/mol·L−1 [CH4]/mol·L−1 [H2O]/mol·L−1 平衡Ⅰ a b c d 平衡Ⅱ m n x y a、b、c、d 与 m、n、x、y 之间的关系式为_________。 9．[2016 新课标全国Ⅲ节选]煤燃烧排放的烟气含有 SO2 和 NOx，形成酸雨、污染大气，采用 NaClO2 溶液 作为吸收剂可同时对烟气进行脱硫、脱硝。回答下列问题： （2）在鼓泡反应器中通入含有 SO2 和 NO 的烟气，反应温度为 323 K，NaClO2 溶液浓度为 5×10−3 mol·L−1。 反应一段时间后溶液中离子浓度的分析结果如下表。 离子 2 4SO  2 3SO  3NO 2NO Cl− c/（mol·L−1） 8.35×10−4 6.87×10−6 1.5×10−4 1.2×10−5 3.4×10−3 ①写出 NaClO2 溶液脱硝过程中主要反应的离子方程式__________。增加压强，NO 的转化率______（填 “提高”、“不变”或“降低”）。 ②随着吸收反应的进行，吸收剂溶液的 pH 逐渐______（填“增大”“不变”或“减小”）。 ③由实验结果可知，脱硫反应速率______脱硝反应速率（填“大于”或“小于”）。原因是除了 SO2 和 NO 在烟气中的初始浓度不同，还可能是___________。 （3）在不同温度下，NaClO2 溶液脱硫、脱硝的反应中，SO2 和 NO 的平衡分压 pe 如图所示。 ①由图分析可知，反应温度升高，脱硫、脱硝反应的平衡常数均______________（填“增大”、“不变” 或“减小”）。 ②反应 ClO2−+2 2 3SO  2 2 4SO  +Cl−的平衡常数 K 表达式为___________。