2023届新高考化学一轮复习化学平衡常数及转化率的计算　化工生产适宜条件的选择学案.docx

化学平衡常数及转化率的计算化工生产适宜条件的选择 【学科素养】1.变化观念与平衡思想:能从化学平衡常数的角度分析化学反应,运用化学平衡常数解决问题。能多角度、动态地分析化学反应中有关物质的转化率,运用化学反应原理解决实际问题。2.证据推理与模型认知:知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系,建立模型。能运用模型(Qc与K的关系)解释化学平衡的移动,解释现象的本质和规律。3.科学态度与社会责任:具有可持续发展意识和绿色化学观念,能运用化学平衡原理对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断。考点考题考点一：化学平衡常数2021全国甲卷第28题2021全国乙卷第28题2021广东选择考第19题考点二：化学平衡的有关计算2021河北选择考第16题2021山东等级考第20题2020全国卷第28题2021山东等级考第18题考点三：化工生产适宜条件的选择2021浙江6月选考第17题2021湖南选择考第16题2020江苏高考第15题2019全国卷第28题考点一：化学平衡常数(基础性考点)(一)从宏观角度认识化学平衡常数1概念在一定温度下，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，用符号K表示。2表达式(1)对于反应mA(g)nB(g)pC(g)qD(g)，K_。如：C(s)H2O(g)CO(g)H2(g)的平衡常数表达式K_。微点拨固体和纯液体物质的浓度视为常数，通常不写入平衡常数表达式中，但水蒸气需写入。计算时，代入平衡常数表达式的浓度是平衡浓度。(2)化学平衡常数是指某一个具体反应的平衡常数，当化学反应方向改变或化学计量数改变时，化学平衡常数也发生改变，例如：2NH3(g)N2(g)3H2(g)K1_N2(g)3H2(g)2NH3(g)K2_N2(g)H2(g)NH3(g)K3_K1 (用K2表示，下同)；K3_。3意义与影响因素(1)K值越大，反应物的转化率越高，正反应进行的程度越大。(2)K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。辨易错(1)增大反应物的浓度，平衡正向移动，化学平衡常数增大(×)提示：平衡常数只与温度有关。(2)对某一可逆反应，升高温度则化学平衡常数一定变大(×)提示：升温，对于吸热反应，平衡常数增大，对于放热反应，平衡常数减小。(3)一个可逆反应的正反应K正与逆反应K逆相等(×)提示：它们互为倒数关系。(4)平衡常数发生变化，化学平衡一定发生移动()提示：平衡常数发生改变，温度一定改变，所以化学平衡一定发生移动。(二)从应用角度认识化学平衡常数1判断可逆反应进行的程度K<105105105>105反应程度很难进行反应可逆反应可接近完全2.判断化学反应进行的方向对于化学反应aA(g)bB(g)cC(g)dD(g)的任意状态，浓度商Q。Q<K，反应向正反应方向进行；QK，反应处于平衡状态；Q>K，反应向逆反应方向进行。3判断可逆反应的热效应能力点一： 化学平衡常数的理解与应用1平衡常数只与温度有关升高温度K值增大正反应为吸热反应K值减小正反应为放热反应降低温度K值增大正反应为放热反应K值减小正反应为吸热反应2未知方程式(K3)与已知方程式(K1)和(K2)的关系若2×，则K3K；若×，则K3；若，则K31/K1；若，则K3K1×K2；若，则K3K1/K2。·命题角度一：平衡常数及影响因素1在某温度下，可逆反应：mA(g)nB(g)pC(g)qD(g)的平衡常数为K，下列说法正确的是()AK越大，达到平衡时，反应正向进行的程度越大BK越小，达到平衡时，反应物的转化率越大CK随反应物浓度的改变而改变DK随温度和压强的改变而改变【解析】选A。K越大，表示反应达到平衡时，反应正向进行的程度越大，反应物的转化率越大，反之，反应物的转化率越小，K只与温度有关，与浓度、压强无关。22 000 K时，反应CO(g)O2(g)CO2(g)的平衡常数为K，则相同温度下反应2CO2(g)2CO(g)O2(g)的平衡常数K为()ABK2CD【解析】选C。平衡常数与化学方程式的写法有关，对于题干中的两个反应，K，K，所以K。【加固训练】已知下列反应在某温度下的平衡常数：H2(g)S(s)H2S(g)K1S(s)O2(g)SO2(g)K2则在该温度下反应H2(g)SO2(g)O2(g)H2S(g)的平衡常数为()AK1K2BK1K2CK1×K2 DK1/K2【解析】选D。由平衡常数的定义可知，K1，K2，反应H2(g)SO2(g)O2(g)H2S(g)的平衡常数K，即KK1/K2。·命题角度二：平衡常数的应用31 000 K时，已知反应Ni(s)H2O(g)NiO(s)H2(g)的平衡常数K0.005 9。当水蒸气和氢气的物质的量浓度相等时，下列说法正确的是()A该反应已达到平衡状态B该反应未达到平衡状态，反应正向进行C该反应未达到平衡状态，反应逆向进行D无法确定该反应是否达到平衡状态【解析】选C。当水蒸气和氢气的物质的量浓度相等时，Qc1>K，则该反应未达到平衡状态，反应逆向进行，C正确。4.(2022·梅州模拟)以下是关于合成氨的有关问题,请回答:(1)若在一容积为2 L的密闭容器中加入0.2 mol的N2和0.6 mol的H2在一定条件下发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H<0,若在5分钟时反应达到平衡,此时测得NH3的物质的量为0.2 mol。则平衡时c(N2)=。平衡时H2的转化率为%。 (2)平衡后,若提高H2的转化率,可以采取的措施有。 A.加了催化剂B.增大容器体积C.降低反应体系的温度D.加入一定量N2(3)若在0.5 L的密闭容器中,一定量的氮气和氢气进行如下反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H<0,其化学平衡常数K与温度T的关系如表所示:T/200300400KK1K20.5请完成下列问题:写出化学平衡常数K的表达式。 试比较K1、K2的大小,K1K2(填“>”“<”或“=”); 400 时,反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的化学平衡常数为。当测得NH3、N2和H2物质的量分别为3 mol、2 mol和1 mol时,则该反应的v(N2)正v(N2)逆(填“>”“<”或“=”)。 【解析】(1)若在5分钟时反应达到平衡,此时测得NH3的物质的量为0.2 mol,因此消耗氢气的物质的量是0.2 mol×=0.3 mol,氢气的转化率为×100%=50%,由方程式可知,消耗氮气为0.1 mol,平衡时氮气的浓度是=0.05 mol·L-1;(2)加了催化剂加快反应速率,不影响平衡移动,氢气转化率不变,选项A错误;增大容器体积,压强减小,平衡向逆反应方向移动,氢气转化率减小,选项B错误;正反应为放热反应,降低反应体系的温度,平衡正向移动,氢气转化率增大,选项C正确;加入一定量N2,平衡正向移动,氢气转化率增大,选项D正确;(3)由反应可知平衡常数的表达式为K=;正反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,平衡常数减小,故K1>K2;400 时,反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的化学平衡常数与N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的平衡常数互为倒数,则400 时,反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的化学平衡常数K=2;此时浓度商Qc=<K=2,反应向正反应进行,则该反应的v(N2)正>v(N2)逆。答案:(1)0.05 mol·L-150%(2)CD(3)>2>能力点二： 速率常数与平衡常数的关系对于基元反应aA(g)bB(g)cC(g)dD(g)，v正k正·ca(A)·cb(B)，v逆k逆·cc(C)·cd(D)，平衡常数K，反应达到平衡时v正v逆，故K。【典例】Bodensteins研究了下列反应：2HI(g)H2(g)I2(g)在716 K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表：t/min020406080120x(HI)10.910.850.8150.7950.784x(HI)00.600.730.7730.7800.784(1)根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为_。(2)上述反应中，正反应速率为v正k正x2(HI)，逆反应速率为v逆k逆x(H2)x(I2)，其中k正、k逆为速率常数，则k逆为_(以K和k正表示)。若k正0.002 7 min1，在t40 min时，v正_min1。【解析】(1)由表中数据可知，无论是从正反应方向开始，还是从逆反应方向开始，最终x(HI)均为0.784，说明此时已达到了平衡状态。设HI的初始浓度为1 mol·L1，则：2HI(g)H2(g)I2(g)初始/(mol·L1) 1 0 0转化/(mol·L1) 0.216 0.1080.108平衡/(mol·L1) 0.784 0.1080.108K。(2)建立平衡时，v正v逆，即k正x2(HI)k逆x(H2)·x(I2)，k逆k正。由于该反应前后气体分子数不变，故k逆k正k正。在40 min时，x(HI)0.85，则v正0.002 7 min1×0.8521.95×103min1。答案：(1)(2)1.95×103速率常数和平衡常数有何区别？请从常数表示的含义和影响因素两方面进行归纳。提示：反应速率常数通过量化化学反应速率，来表示反应的快慢；其影响因素包括温度和反应物性质等。平衡常数属于平衡程度的标志，表示反应进行的最大限度；平衡常数只受温度的影响，而与反应物的浓度无关。1在2 L密闭容器中通入3 mol H2和1 mol N2，测得不同温度下，NH3的产率随时间变化如图所示。(1)T1温度时，015 min内v(H2)_mol·L1·min1。(2)已知：瞬时速率表达式v正k正c3(H2)c(N2)，v逆k逆c2(NH3)(k为速率常数，只与温度有关)。温度由T1调到T2，活化分子百分率_(填“增大”“减小”或“不变”)，k正增大倍数_(填“大于”“小于”或“等于”)k逆增大倍数。T1时，k正/k逆_。【解析】(1)T1温度下，15 min时，NH3的产率达50%，反应n(H2)1.5 mol，v(H2)0.05 mol·L1·min1；(2)由图像可知，T1时的反应速率比T2时反应速率小，所以温度由T1调到T2，活化分子百分率增大，k正增大倍数小于k逆增大倍数，T1时，NH3的产率是50%，根据化学方程式可知：N2(g)3H2(g)2NH3(g)初始/mol·L1 0.5 1.5 0转化/mol·L1 0.25 0.75 0.5平衡时/mol·L1 0.25 0.75 0.5K，·K·，由于平衡时v逆v正，计算可知，2.37。答案：(1)0.05(2)增大小于或2.372.(2022·广州模拟)2021年6月17日我国自主研发的神舟十二号飞船进入太空,改进型火箭推进剂之一为无色气体N2O4。已知NO2和N2O4的结构式分别是和。实验测得NN键的键能为167 kJ·mol-1,NO2中氮氧键的键能为466 kJ·mol-1,N2O4中氮氧键的键能为438.5 kJ·mol-1。(1)写出N2O4转化为NO2的热化学方程式。 (2)在100 时,将0.40 mol的NO2气体充入2 L的密闭容器中,每隔一定时间就对该容器内的物质进行分析,得到下表所示数据。时间/s020406080n(NO2)/mol0.40n10.26n3n4n(N2O4)/mol0.000.05n20.080.08平衡常数K可用反应体系中气体物质分压表示(即Kp),表达式中用平衡分压代替平衡浓度,分压=总压×物质的量分数例如:p(NO2)=p总×x(NO2)。设反应开始时体系压强为p0,反应N2O42NO2,平衡时各组分压强关系表达的平衡常数Kp=,则Kp=;020 s内,NO2的平均反应速率为mol·L-1·h-1。 (3)反应N2O4(g)2NO2(g),一定条件下N2O4与NO2的消耗速率与自身压强间存在:v(N2O4)=k1·p(N2O4),v(NO2)=k2·。其中k1、k2是与反应及温度有关的常数。一定温度下,k1、k2与平衡常数Kp的关系是k2=。 【解析】(1)根据化学反应的反应热=反应物总键能-生成物总键能,所以N2O4(g)2NO2(g)H=438.5 kJ·mol-1×4+167 kJ·mol-1-466 kJ·mol-1×4=+57 kJ·mol-1,N2O4转化为NO2的热化学方程式:N2O4(g)2NO2(g)H=+57 kJ·mol-1;(2)N2O4平衡时物质的量为0.08 mol，二氧化氮物质的量为0.24 mol，分压总压×物质的量分数，p总p00.8p0。p(NO2)p总×，p(N2O4)p总×，Kp×0.8p01.8p0；上述反应条件下N2O4(g)2NO2(g)，从反应开始至20 s，N2O4(g)的物质的量增加0.05 mol，则二氧化氮的物质的量减少0.1 mol，浓度减少0.05 mol·L1，二氧化氮平均反应速率为0.002 5 mol·L1·s19 mol·L1·h1； (3)当达到化学平衡时,v正=v逆,即消耗速率2v(N2O4)=v(NO2),v(N2O4)=k1p(N2O4),v(NO2)=k2p2(NO2), =k2。答案:(1)N2O42NO2H=+57 kJ·mol-1(2)1.8p09(3)考点二：化学平衡的有关计算(综合性考点)“三段式法”是有效解答化学平衡计算题的“万能钥匙”。解题时，要注意准确地列出起始量、变化量、平衡量，按题目要求进行计算，同时还要注意单位的统一。(1)分析三个量：即起始量、变化量、平衡量。(2)明确三个关系对于同一反应物，起始量变化量平衡量。对于同一生成物，起始量变化量平衡量。各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。(3)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(mol)分别为a、b，达到平衡后，A的消耗量为mx mol，容器容积为V L。mA(g)nB(g)pC(g)qD(g)起始/mol a b 0 0变化/mol mx nx px qx平衡/mol amx bnx px qx则有K。c平(A)mol·L1。(A)平×100%，(A)(B)。(A)×100%混g·L1平衡时体系的平均摩尔质量：g·mol1生成物的产率：实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲，转化率越大，原料利用率越高，产率越大。产率×100%。能力点： 化学平衡的相关计算1化学平衡常数的计算(1)根据化学平衡常数表达式计算(2)依据化学方程式计算平衡常数同一可逆反应中，K正·K逆1。同一方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小n倍，则新平衡常数K与原平衡常数K间的关系是KKn或K。几个可逆反应方程式相加，得总方程式，则总反应的平衡常数等于各分步反应平衡常数之积。水溶液中进行的反应，必须拆成离子方程式再计算平衡常数。2转化率的计算转化率()×100%3常用的气体定律恒温、恒容时：恒温、恒压时：【典例】(2021·山东等级考节选)2­甲氧基­2­甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加剂。在催化剂作用下，可通过甲醇与烯烃的液相反应制得，体系中同时存在如图反应：回答下列问题：(1)为研究上述反应体系的平衡关系，向某反应容器中加入1.0 mol TAME，控制温度为，则平衡体系中B的物质的量为_mol，反应的平衡常数Kx1_。同温同压下，再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释，反应的化学平衡将_(填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”)，平衡时，A与CH3OH物质的量浓度之比c(A)c(CH3OH)_。(2)为研究反应体系的动力学行为，向盛有四氢呋喃的另一容器中加入一定量A、B和CH3OH。控制温度为所示。代表B的变化曲线为_(填“X”或“Y”)；t100 s时，反应的正反应速率v正_逆反应速率v逆(填“”“”或“”)。解题思维解答本题的思维流程如下：提取信息353 K时TAME的平衡转化率为，反应的平衡常数Kx39.0353 K，A、B物质的量浓度c随反应时间t的变化图信息转化利用三段式计算容器内成分的物质的量；温度不变，物质被稀释时，平衡常数不变根据曲线中X、Y代表物质浓度计算浓度商，与反应的平衡常数进行比较判断反应进行的方向联想质疑若向反应容器中加入2.0 mol TAME，控制温度仍为353 K，测得TAME的平衡转化率为50%。则平衡体系中B的物质的量是多少？反应的平衡常数Kx1是多少？提示：0.9 mol；30。【解析】(1)向某反应容器中加入1.0 mol TAME，控制温度为353 K，测得TAME的平衡转化率为，则平衡时n(TAME)(1) mol，n(A)n(B)n(CH3OH) mol。已知反应的平衡常数Kx39.0，则9.0，将该式代入上式可以求出平衡体系中B的物质的量为0.9 mol，n(A)0.1 mol，反应的平衡常数Kx1。同温同压下，再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释，反应的化学平衡将向着分子数增大的方向移动，即逆向移动。平衡时，TAME的转化率变大，但是平衡常数不变，A与CH3OH物质的量浓度之比不变，c(A)c(CH3OH)0.1110。(2)温度为353 K，反应的平衡常数Kx39.0，9.0。由A、B物质的量浓度c随反应时间t的变化曲线可知，X代表的平衡浓度高于Y，则代表B的变化曲线为X；由曲线的变化趋势可知，100 s以后各组分的浓度仍在变化， t100 s时10.2>9，因此，反应正在向逆反应方向移动，故其正反应速率v正小于逆反应速率v逆。答案：(1)0.9逆向移动0.1(2)X<原因分析·理论解释化学平衡常数表达式中，能否使用平衡时各物质的物质的量代替平衡浓度？提示：计算平衡常数时代入的是各物质的平衡浓度，对于反应前后气体总体积不变的反应，也可以用各物质平衡时的物质的量。·命题角度一：平衡常数的计算1(2022·云浮模拟)温度为T1时，将气体X和气体Y各1.6 mol充入10 L恒容密闭容器中，发生反应X(g)Y(g)2Z(g)，一段时间后达到平衡。反应过程中测定的数据如表，下列说法正确的是()t/min2479n(Y)/mol1.21.11.01.0A.反应04 min的平均速率v(Z)0.25 mol·L1·min1BT1时，反应的平衡常数K11.2C其他条件不变，9 min后，向容器中再充入1.6 mol X，平衡向正反应方向移动，再次达到平衡时X的浓度减小，Y的转化率增大D其他条件不变，若降温到T2达到平衡时，平衡常数K24，则反应的H0【解析】选D。由表中数据可求得前4 min内消耗Y为0.10 mol，v(Y)0.012 5 mol·L1·min1，所以v(Z)2v(Y)0.025 mol·L1·min1，A错误；由表中数据可知7 min时反应到达平衡，反应的三段式为X(g)Y(g) 2Z(g)起始浓度(mol·L1) 0.16 0.16 0变化量(mol·L1) 0.06 0.06 0.12平衡浓度(mol·L1) 0.1 0.1 0.12所以平衡常数K1.44，B错误；其他条件不变，9 min时是平衡状态，再充入1.6 mol X，平衡向正反应方向移动，再次达到平衡时Y的转化率增大，由于X加入量大于平衡移动消耗量，所以再次达到平衡时，X的浓度增大，C错误；T1时，平衡常数K1.44，降温到T2达到平衡时，平衡常数K24，说明降低温度平衡正向移动，使K增大，所以该反应正向为放热反应，D正确。2化学平衡常数K的数值大小是衡量化学反应进行程度的标志，在常温下，下列反应的平衡常数的数值如下：2NO(g)N2(g)O2(g)K11×10302H2(g)O2(g)2H2O(l)K22×10812CO2(g)2CO(g)O2(g)K34×1092以下说法正确的是()A常温下，NO分解生成O2的反应的平衡常数表达式为K1c(N2)·c(O2)B常温下，水分解生成O2，此时平衡常数的数值约为5×1080C常温下，NO、H2O、CO2三种化合物分解放出O2的倾向由大到小的顺序为NO>H2O>CO2D以上说法都不正确【解析】选C。K1的表达式应为K1；常温下，水分解生成O2，是H2和O2化合生成H2O的逆反应，因此其平衡常数的数值应为K2的倒数，数值为5×1082；由于三个反应都在常温下进行，根据K值的大小可以得出三种化合物分解放出O2的倾向由大到小的顺序为NO>H2O>CO2。·命题角度二：平衡常数与转化率相结合的计算3(2022·韶关模拟)处理NO、NO2等含氮气体是环保热点之一，CO可将部分氮的氧化物还原为N2。回答下列问题：(1)反应：CO(g)NO2(g) CO2(g)NO(g)H1反应：2CO(g)2NO(g) N2(g)2CO2(g)H2测定反应和反应的平衡常数Kx1和Kx2与温度的关系，满足lgKx1和lgKx2均为线性关系，如图所示：反应4CO(g)2NO2(g) N2(g)4CO2(g)的Kx_(用Kx1和Kx2表示)，该反应的H_0(填“>”或“<”)。(2)一定温度下，在体积为1 L的密闭容器中充入均为1 mol的CO和NO2气体，发生上述和反应，测得数据如下：实验编号c(CO)/mol·L1c(NO2)/mol·L1v正/mol·L1·s1a0.0250.0402.2×104b0.0500.0404.4×104c0.0250.1206.6×104已知v正k正cm(CO)·cn(NO2)，k正为速率常数。则m_，k正的值为_。反应一段时间，当v正3.3×102 mol·L1·s1，氮气浓度不再变化且c(N2)0.1 mol·L1时，容器中c(CO2)_mol·L1，以物质的量分数表示的化学平衡常数Kx1_，若继续向密闭容器中通入均为0.1 mol的NO2和NO，此时反应_(填“向正反应方向进行”“向逆反应方向进行”或“处于平衡状态”)。【解析】(1)由反应：CO(g)NO2(g) CO2(g)NO(g) H1；反应：2CO(g)2NO(g) N2(g)2CO2(g) H2可知：Kx1，Kx2，所以KxK2x1·Kx2。由图像可知，随逐渐升高(即T逐渐降低)，lgKx1和lgKx2逐渐增大，可得反应和反应均为放热反应。已知反应：CO(g)NO2(g) CO2(g)NO(g) H1，反应：2CO(g)2NO(g) N2(g)2CO2(g) H2，根据盖斯定律2×，整理可得目标反应，4CO(g)2NO2(g) N2(g)4CO2(g)，所以H2H1H2。因为反应和反应均为放热反应，所以H1和H2均小于零，因此可得H<0。(2)对比实验a和实验b，c(NO2)不变，实验b的c(CO)是实验a的两倍，实验b的v正是实验a的2倍，说明v正与c(CO)成正比，所以m1；对比实验a和实验c，c(CO)不变，实验c的c(NO2)是实验a的3倍，实验c的v正是实验a的3倍，说明v正与c(NO2)成正比，所以n1。故有v正k正c(CO)·c(NO2)，将实验a的数据代入上述速率方程中，得k正0.22。一定温度下，在体积为1 L的密闭容器中充入均为1 mol的CO和NO2气体，则c(CO)c(NO2)1.0 mol·L1。设达到平衡时发生反应的c(CO)x，发生反应的c(CO)y，则由反应方程式中各物质之间的定量关系得CO(g)NO2(g) CO2(g)NO(g) x x x x2CO(g)2NO(g) N2(g)2CO2(g) y y y由题给信息知c(N2)0.1 mol·L1，可得y0.2 mol·L1，则平衡时c(CO)1 mol·L1xy0.8 mol·L1x，c(NO2)1 mol·L1x，代入速率方程：3.3×102 mol·L1·s10.22 L·mol1·s1(0.8 mol·L1x)(1 mol·L1x)，解得x0.5 mol·L1；因为容器的体积为1 L，则气体的物质的量和物质的量浓度在数值上相等，则平衡时可求得n(CO)1xy0.3 mol、n(NO2)1x0.5 mol、n(CO2)xy0.7 mol、n(NO)xy0.3 mol，平衡时气体的总物质的量n(总)n(CO)n(NO2)n(CO2)n(NO)n(N2)1.9 mol，平衡常数Kx1；再通入0.1 mol的NO2和0.1 mol NO后，此时Q>Kx1，故反应向逆反应方向进行。答案：(1)K2x1·Kx2<(2)10.220.7向逆反应方向进行