1、化学平衡状态化学平衡常数(时间:45分钟满分:100分)一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。每小题只有一个选项符合题目要求)1.对于可逆反应4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g),下列叙述正确的是()。A.达到化学平衡时,4v正(O2)=5v逆(NO)B.若单位时间内生成x mol NO的同时,消耗x mol NH3,则反应达到平衡状态C.达到化学平衡时,若增加容器容积,则正反应速率减小,逆反应速率增大D.化学反应速率关系是2v正(NH3)=3v正(H2O)答案:A解析:A项,4v正(O2)=5v逆(NO)能证明化学反应的正、逆反应速率是相等的,达到了化学平衡状
2、态;B项,单位时间内生成xmolNO,同时消耗xmolNH3,均为正反应速率,不能说明化学反应的正、逆反应速率相等;C项,若增加容器容积即减小压强,正、逆反应速率都减小;D项,反应速率之比等于方程式中各物质的化学计量数之比,因此应是3v正(NH3)=2v正(H2O)。2.只改变一个影响因素,平衡常数K与化学平衡移动的关系叙述正确的是()。A.K值有变化,平衡一定移动B.平衡向正反应方向移动时,K值一定增大C.K值不变,平衡不可能移动D.相同条件下,同一个反应其化学方程式的计量数增大到原来的2倍,K值也增大到原来的2倍答案:A解析:K值是温度的函数,K值变化,说明温度发生了改变,则平衡一定发生移
3、动,A项正确;若在其他条件不变时,增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,有利于反应正向进行,平衡向右移动,但K值只与温度有关,故K值不变,B项错误;增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,有利于正反应的进行,若体系温度不变,则K值不变,但平衡发生移动,C项错误;相同条件下,同一个反应,其化学方程式的计量数增大到原来的2倍,K值应变为原数值的平方,D项错误。3.已知某密闭容器中存在下列平衡:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),其他条件不变,平衡时c(CO2)与温度t的关系如图所示。下列说法错误的是()。A.平衡状态A与C相比,平衡状态A的c(CO)较小B.在t2时,D点的反应速率:v(逆
4、)v(正)C.反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的H0D.若t1、t2时的平衡常数分别为K1、K2,则K1K2答案:A解析:由题图可知题给反应正反应吸热,C项正确;升高温度平衡正向移动,CO浓度减小,所以A点CO浓度大,A项错误;由于t2时反应进行到状态D,c(CO2)高于平衡浓度,所以反应向逆反应方向进行,则一定有v(正)v(逆),B项正确;由于正反应是吸热反应,升高温度平衡向正反应方向移动,化学平衡常数增大,故K1K2,D项正确。4.PCl3和PCl5都是重要的化工原料。将PCl3(g)和Cl2(g)充入容积为2 L密闭容器中,在一定条件下发生反应PCl3(g)+Cl2(
5、g)PCl5(g),并于10 min时达到平衡。有关数据如下:物质PCl3(g)Cl2(g)PCl5(g)初始浓度/(molL-1)2.01.00平衡浓度/(molL-1)c1c20.4下列判断不正确的是()。A.10 min内,v(Cl2)=0.04 molL-1min-1B.升高温度(T1T2),反应的平衡常数减小,平衡时PCl3的物质的量变化n(T1)n(T2)1C.当容器中Cl2为1.2 mol时,反应达到平衡D.平衡后移走2.0 mol PCl3和1.0 mol Cl2,相同条件下再达平衡时,c(PCl5)0.2 molL-1答案:B解析:10min内,PCl5的浓度变化量为0.4m
6、olL-1,故Cl2的浓度变化量为0.4molL-1,所以v(Cl2)=0.04molL-1min-1,A项正确;升高温度(T1T2),反应的平衡常数减小,说明正反应为放热反应,高温不利于反应向正反应方向移动,PCl3的物质的量变化较小,比值大于1,B项错误;平衡时Cl2的浓度为0.6molL-1,体积为2L,故Cl2为1.2mol,C项正确;平衡后移走2.0molPCl3和1.0molCl2,压强减小,平衡逆向移动,相同条件下再达平衡时,c(PCl5)0.2molL-1,D项正确。5.用于净化汽车尾气的反应:2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g),已知该反应在570 K时的平衡
7、常数为11059,但反应速率极慢。下列说法正确的是()。A.装有尾气净化装置的汽车排出的气体中不再含有NO或COB.提高尾气净化效率的常用方法是升高温度C.增大压强,上述平衡右移,故可通过增压的方法提高尾气净化效率D.提高尾气净化效率的最佳途径是使用高效催化剂答案:D解析:因为该反应是可逆反应,且反应速率极慢,在有限的时间内反应不能达到平衡,A项错误;由题干知570K时反应速率极慢,故可推断出升高温度对化学反应速率的影响不大,B项错误;因平衡常数已经较大,增大压强虽然平衡正向移动,但对设备要求更高,故C项错误;高效催化剂可提高反应速率,解决反应极慢的问题,有利于尾气的转化,故D项正确。6.下列
8、有关平衡常数的说法中,正确的是()。A.改变条件,反应物的转化率增大,平衡常数也一定增大B.反应2NO2(g)N2O4(g)H0,升高温度,该反应平衡常数增大C.对于给定可逆反应,温度一定时,其正、逆反应的平衡常数相等D.平衡常数为K=c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)的反应,化学方程式为CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)答案:D解析:A项,当温度不变时,平衡常数不变;B项,反应2NO2(g)N2O4(g)Hp2B.F、G两点对应的平衡常数:KFp1,A项错误;由图像可知该反应为吸热反应,所以温度越高,K越大,B项正确;E点为平衡点,应为3v正(NH3)=2v逆(H2)
9、,C项错误;假设E点反应后气体总体积为1L,则N2为0.1L、H2为0.3L,未反应的NH3为0.6L,参加反应的NH3为0.2L,所以氨气的转化率为0.20.6+0.2100%=25%,D项错误。8.氮气是制备含氮化合物的一种重要物质,而氮的化合物用途广泛。两个常见的固氮反应的平衡常数的对数值(lg K)与温度的关系如图所示:N2+3H22NH3和N2+O22NO根据图中的数据判断下列说法正确的是()。A.反应和均为放热反应B.升高温度,反应的反应速率减小C.在标准状况下,利用反应固氮和利用反应固氮反应程度相差很大D.在1 000 时,反应和反应体系中N2的浓度一定相等答案:C解析:反应的K
10、值随温度升高而减小,反应是放热反应,反应的K值随温度升高而增大,反应是吸热反应,A项错误;升高温度,两个反应的反应速率都增大,B项错误;在标准状况下,反应K1010,反应K10-30,相差很大,故利用反应固氮和利用反应固氮反应程度相差很大,C项正确;在1000时,反应、反应的K值相等,即c2(NH3)c(N2)c3(H2)=c2(NO)c(N2)c(O2),而体系中N2的浓度不一定相等,D项错误。9.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)H0。某压强下的密闭容器中,按CO2和H2的物质的量比为13投料,不同温度下平衡体系中各物质
11、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物质的量相等D.其他条件恒定,充入更多H2,v(CO2)不变答案:C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,温度升高平衡常数减小,则平衡常数A点大于B点,A项错误;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项错误;从图像可知,A点H2和H2O的物质的量百分数相等,故物质的量相等,C项正确;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)
12、也增大,D项错误。10.某温度时,在容积为2 L的密闭容器中,气态物质A、B、E、F的物质的量n随时间t的变化如图甲所示,在一定条件下达到平衡,反应进程中正反应速率随时间的变化情况如图乙所示,在t2、t4时刻分别只改变一个条件(温度、压强或某反应物的量)。下列说法错误的是()。A.t2时刻一定是增大压强B.平衡状态和,平衡常数K一定相同C.平衡状态、和中,状态中F的浓度最大D.t4时刻改变的条件是降低温度答案:A解析:由图甲分析可知,根据变化的量等于化学方程式的化学计量数之比,此温度下该反应的化学方程式为2A(g)+E(g)2B(g)+F(g)。该反应前后体积不变,若改变压强,平衡不会发生移动
13、,故t2时刻不可能是增大压强,A项错误;平衡常数K只与温度有关,平衡状态和的温度相同,故K相等,B项正确;平衡状态、和中,状态向正向反应进行最彻底,F的浓度最大,C项正确;根据方程式知,反应前后气体体积不变,故不可能是压强的变化,t4时刻速率减小,且变化的点不连续,因此是降低温度的结果,D项正确。二、非选择题(本题共3个小题,共50分)11.(2020全国改编)(16分)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)n(H2O)=。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4)(填“变大”“变小”
14、或“不变”)。(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)n(H2)=13,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是、。CO2催化加氢合成C2H4反应的H(填“大于”或“小于”)0。(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp=(MPa)-3(列出计算式。以分压表示,分压=总压物质的量分数)。(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当。答案:(1)14变大(2)dc小
15、于(3)9410.0393或0.3940.3940.396(0.393)210.13等(4)选择合适催化剂等解析:本题考查了压强、温度对平衡的影响,压强平衡常数的计算,催化剂的使用及平衡图像的分析。(1)根据题给信息可知,反应原理为2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g),则乙烯和水的物质的量之比为14。当反应达平衡时增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动,即平衡向正反应方向移动,则乙烯的物质的量增大。(2)由于原料初始组成n(CO2)n(H2)=13,而反应2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)中二氧化碳和氢气的化学计量数之比也为13,则无论反应进行到
16、什么程度,混合气体中n(CO2)n(H2)始终为13,由此可判断曲线a、b、c、d分别代表H2、H2O、CO2、C2H4。由于升高温度,CO2或H2的量增大,说明正反应为放热反应。(3)根据(2)中的分析可知,任意时刻CO2和H2的物质的量分数之比始终为13,根据点A坐标(440K,0.39)可知,氢气和水蒸气的物质的量分数都为0.39,则CO2的体积分数为0.393,C2H4的体积分数为0.394(注意:C2H4和H2O的物质的量分数之比始终为化学计量数之比),则CO2(g)、H2(g)、C2H4(g)、H2O(g)的分压分别为0.1MPa0.393、0.1MPa0.39、0.1MPa0.3
17、94、0.1MPa0.39,从而可求得Kp=0.3940.3940.396(0.393)210.13(MPa)-3=9410.0393(MPa)-3。(4)根据外界条件对速率的影响,可知在一定温度和压强下,选择合适的催化剂可提高反应速率,同时使合成乙烯的主反应较多地发生,而副反应被抑制(即反应的选择性)。12.(2019全国,节选)(16分)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:4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)。如图为刚性容器中,进料
18、浓度比c(HCl)c(O2)分别等于11、41、71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 )(填“大于”或“小于”)K(400 )。设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)c(O2)=11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)+12Cl2(g)H1=+83 kJmol-1CuCl(s)+12O2(g)CuO(s)+12Cl2(g)H2=-20 kJmol
19、-1CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g)H3=-121 kJmol-1则4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)的H=kJmol-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)答案:(1)大于0.4220.422(1-0.84)4(1-0.21)c0O2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、及时除去产物解析:本题为热化学、电化学与化学平衡综合题,难度中等。(1)分析任意一条平衡曲线可知,在进料浓度比固定的条件下,随着温度的升高,HCl的平衡转化率降低,说明正反应为放热反应,由于K只与温度有
20、关,升高温度,平衡逆向移动,平衡常数K减小,即K(300)大于K(400)。根据进料浓度比及HCl的平衡转化率间的关系可知,c(HCl)c(O2)=11的曲线为最上面的那条曲线,由该曲线可知:温度为400时HCl的平衡转化率为84%。根据条件可列三段式如下:4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)初始molL-1c0c000转化molL-1:c00.84c00.21c00.42c00.42平衡molL-1:c0(1-0.84)c0(1-0.21)c00.42c00.42K(400)=c2(Cl2)c2(H2O)c4(HCl)c(O2)=(c00.42)2(c00.42)2c0(
21、1-0.84)4c0(1-0.21)=0.4220.422(1-0.84)4(1-0.21)c0进料浓度比c(HCl)c(O2)过低,导致产品Cl2混有大量O2,则分离两气体时导致能耗较高。而进料浓度比c(HCl)c(O2)过高,则导致HCl的转化率过低,浪费原料。(2)由盖斯定律可知,将题给催化过程的三个反应直接相加可得2HCl(g)+12O2(g)Cl2(g)+H2O(g)H=(83-20-121)kJmol-1=-58kJmol-1,则H=2H=-116kJmol-1(3)在温度一定时,要增大HCl的平衡转化率,可采取的措施有及时移走部分产物、增大体系压强等。13.(18分)(1)甲醇制
22、氢方式主要有以下三种。反应甲醇水蒸气重整制氢:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)H1=+49.4 kJmol-1;反应甲醇分解制氢:CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)H2=+90.6 kJmol-1;反应气态甲醇氧化重整制氢同时生成二氧化碳和氢气。已知CO的燃烧热为283.0 kJmol-1,则反应的热化学方程式为。该三种制氢方式中,等量的甲醇产生氢气最多的是反应。(填“”“”或“”)(2)实验室模拟反应甲醇水蒸气重整制氢,合成气组成n(CH3OH)n(H2O)=11时,体系中甲醇的平衡转化率与温度和压强的关系如下图所示。该反应的平衡常数表达式为。当温度为250 、
23、压强为p2时,反应达平衡时H2的体积分数为。图中的压强由小到大的顺序是。(3)MFC30燃料电池是以氢气为燃料,Li2CO3与K2CO3混合碳酸盐为电解质的高温型燃料电池,其负极的电极反应式为,正极上通入的气体为。答案:(1)CH3OH(g)+12O2(g)CO2(g)+2H2(g)H=-192.4 kJmol-1(2)K=c(CO2)c3(H2)c(CH3OH)c(H2O)67.6%或0.676或0.68p1p2p3(3)H2+CO32-2e-H2O+CO2O2(或空气)和CO2解析:(1)已知反应CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)H1=+49.4kJmol-1;反应C
24、H3OH(g)CO(g)+2H2(g)H2=+90.6kJmol-1;由CO的燃烧热为283.0kJmol-1可知:CO(g)+12O2(g)CO2(g)H=-283.0kJmol-1。由盖斯定律,+得反应的热化学方程式为CH3OH(g)+12O2(g)CO2(g)+2H2(g)H=-192.4kJmol-1;1mol甲醇在反应、中产生氢气的物质的量分别为3mol、2mol、2mol,产生H2最多的是反应。(2)反应甲醇水蒸气重整制氢:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)H1=+49.4kJmol-1的平衡常数表达式为K=c(CO2)c3(H2)c(CH3OH)c(H2O)
25、。CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)起始/mol1100反应/mol0.820.820.8230.82平衡/mol0.180.180.822.46反应达平衡时H2的体积分数为2.460.18+0.18+0.82+2.46100%=67.6%。由反应方程式CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)可知,相同温度时,减小压强,平衡正向移动,CH3OH转化率增大。由图像可以看出,温度一定,从p3到p1,CH3OH转化率增大,故压强由小到大的顺序是p1p2p3。(3)燃料电池中通入燃料的电极是负极,通入氧化剂的电极是正极,负极是H2作还原剂,电极反应式为H2+CO32-2e-H2O+CO2,正极上氧气得电子和二氧化碳反应生成碳酸根离子,电极反应式为O2+2CO2-4e-2CO32-,故正极要不断通入O2(或空气)和CO2。
