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課時規(guī)范練21 化學(xué)平衡常數(shù) 化學(xué)反應(yīng)進行的方向
一、選擇題(本題共8小題,每小題7分,共56分。每小題只有一個選項符合題目要求)
1.下列有關(guān)化學(xué)反應(yīng)方向及其判據(jù)的說法中正確的是 ( )
A.非自發(fā)反應(yīng)就是不可能發(fā)生的反應(yīng),自發(fā)反應(yīng)就是能較快進行的反應(yīng)
B.高溫高壓下可以使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)
C.由能量判據(jù)和熵判據(jù)組合而成的復(fù)合判據(jù),將更適合于所有的過程
D.反應(yīng)NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)在低溫下能自發(fā)進行,說明該反應(yīng)的ΔH>0
2.常溫下,某反應(yīng)達到平衡,平衡常數(shù)K=c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2),恒容時,溫度升高,H2的濃度減小,下列說法正確的是 ( )
A.該反應(yīng)的焓變?yōu)檎?
B.恒溫恒容下,增大壓強,H2的濃度一定減小
C.升高溫度,逆反應(yīng)速率減小
D.該反應(yīng)的化學(xué)方程式為CO+H2OCO2+H2
3.(2018河南南陽一中高三檢測)已知NO和O2轉(zhuǎn)化為NO2的反應(yīng)機理如下:
①2NO(g)N2O2(g)(快) ΔH1<0 平衡常數(shù)K1
②N2O2(g)+O2(g)2NO2(慢) ΔH2<0 平衡常數(shù)K2
下列說法正確的是( )
A.2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的ΔH=-(ΔH1+ΔH2)
B.2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的平衡常數(shù)K=K1/K2
C.反應(yīng)②的速率大小決定2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反應(yīng)速率
D.反應(yīng)過程中的能量變化可用下圖表示
4.在一定條件下發(fā)生反應(yīng)4NO2(g)+O2(g)2N2O5(g)
ΔH<0,溫度為T1時,向體積為2 L的恒容密閉容器中通入NO2和O2,部分實驗數(shù)據(jù)如表所示。下列說法不正確的是( )
時間/s
0
5
10
15
c(NO2)/(molL-1)
4.00
2.52
2.00
c3
c(O2)/(molL-1)
1.00
c1
c2
0.50
A.0~5 s內(nèi)N2O5的平均反應(yīng)速率為0.148 molL-1s-1
B.其他條件不變,將容器體積壓縮一半,則重新達到平衡時c(N2O5)<2 molL-1
C.設(shè)T1時平衡常數(shù)為K1,T2時平衡常數(shù)為K2,若T1
K2
D.T1時平衡常數(shù)為0.125,平衡時NO2和O2的轉(zhuǎn)化率均為50%
5.(2019寧夏銀川一中高三月考)將一定量純凈的氨基甲酸銨固體置于密閉容器中,發(fā)生反應(yīng):NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)。該反應(yīng)的平衡常數(shù)的負對數(shù)(-lgK)值隨溫度(T)的變化曲線如圖所示,下列說法不正確的是( )
A.該反應(yīng)的ΔH>0
B.A點對應(yīng)狀態(tài)的平衡常數(shù)K(A)=10-2.294
C.NH3的體積分數(shù)不變時,該反應(yīng)一定達到平衡狀態(tài)
D.30 ℃時,B點對應(yīng)狀態(tài)的v(正)p2
B.b、c兩點對應(yīng)的平衡常數(shù):Kc>Kb
C.a點:2v(NH3)正=3v(H2)逆
D.a點:NH3的轉(zhuǎn)化率為
8.(2019河北邢臺質(zhì)檢)一定溫度下,在三個體積均為2 L的恒容密閉容器中發(fā)生反應(yīng):CO2(g)+H2S(g)COS(g)+H2O(g)。
容器
溫度K
起始物質(zhì)的量/mol
平衡物質(zhì)的量/mol
平衡常數(shù)
CO2
H2S
H2O
Ⅰ
607
0.1
0.15
0.05
Ⅱ
607
0.2
0.3
Ⅲ
627
0.1
0.15
610-3
下列說法正確的是( )
A.該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)
B.容器Ⅲ達到平衡時,再充入少量氦氣,平衡將向正反應(yīng)方向移動
C.容器Ⅱ達到平衡時,容器中COS的物質(zhì)的量濃度為0.025 molL-1
D.607 K時,該反應(yīng)的平衡常數(shù)為0.50
二、非選擇題(本題共3小題,共44分)
9.(2018湖北武漢部分學(xué)校調(diào)研)(14分)二甲醚是一種清潔能源,用水煤氣制取甲醚的原理如下:
Ⅰ.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
Ⅱ.2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
(1)300 ℃和500 ℃時,反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)分別為K1、K2,且K1>K2,則其正反應(yīng)為 (填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。
(2)在恒容密閉容器中發(fā)生反應(yīng)Ⅰ:
①下圖能正確反映體系中甲醇體積分數(shù)隨溫度變化情況的曲線是 (填“a”或“b”)。
②下列說法能表明反應(yīng)已達平衡狀態(tài)的是 (填標號)。
A.容器中氣體的壓強不再變化
B.混合氣體的密度不再變化
C.混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再變化
D.v正(H2)=2v正(CH3OH)
(3)500 K時,在2 L密閉容器中充入4 mol CO和8 mol H2,4 min達到平衡,平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為80%,且2c(CH3OH)=c(CH3OCH3),則:
①0~4 min,反應(yīng)Ⅰ的v(H2)= ,反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)K= 。
②反應(yīng)Ⅱ中CH3OH的轉(zhuǎn)化率α= 。
10.(15分)在工業(yè)上常用CO與H2合成甲醇,熱化學(xué)方程式為CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-574.4 kJmol-1。
(1)在溫度為T1時,向體積為2 L的恒容容器中充入物質(zhì)的量之和為3 mol的CO和H2,發(fā)生反應(yīng)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),反應(yīng)達到平衡時CH3OH(g)的體積分數(shù)[φ(CH3OH)]與起始時n(H2)n(CO)的關(guān)系如圖1所示。
圖1
①當起始n(H2)n(CO)=2時,經(jīng)過5 min反應(yīng)達到平衡,CO的轉(zhuǎn)化率為0.6,則0~5 min內(nèi)平均反應(yīng)速率v(H2)= 。若此時再向容器中加入CO(g)和CH3OH(g)各0.4 mol,達到新平衡時H2的轉(zhuǎn)化率將 (填“增大”“減小”或“不變”)。
②當n(H2)n(CO)=3.5時,反應(yīng)達到平衡后,CH3OH的體積分數(shù)可能是圖1中的 (填“D”“E”或“F”)點。
(2)在一容積可變的密閉容器中充有10 mol CO和20 mol H2。CO的平衡轉(zhuǎn)化率[α(CO)]與溫度(T)、壓強(p)的關(guān)系如圖2所示。
圖2
①A、B、C三點對應(yīng)的平衡常數(shù)KA、KB、KC的大小關(guān)系為 。
②若達到平衡狀態(tài)A時,容器的體積為10 L,則在平衡狀態(tài)B時容器的體積為 L。
11.(2018課標全國Ⅰ,28節(jié)選)(15分)采用N2O5為硝化劑是一種新型的綠色硝化技術(shù),在含能材料、醫(yī)藥等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用?；卮鹣铝袉栴}:
(1)F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應(yīng)器中研究了25 ℃時N2O5(g)分解反應(yīng):
2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)
2N2O4(g)
其中NO2二聚為N2O4的反應(yīng)可以迅速達到平衡。體系的總壓強p隨時間t的變化如下表所示[t=∞時,N2O5(g)完全分解]:
t/min
0
40
80
160
260
1 300
1 700
∞
p/kPa
35.8
40.3
42.5
45.9
49.2
61.2
62.3
63.1
①研究表明,N2O5(g)分解的反應(yīng)速率v=210-3pN2O5(kPamin-1),t=62 min時,測得體系中pO2=2.9 kPa,則此時的pN2O5= kPa,v= kPamin-1。
②若提高反應(yīng)溫度至35 ℃,則N2O5(g)完全分解后體系壓強p∞(35 ℃) 63.1 kPa(填“大于”“等于”或“小于”),原因是 。
③25 ℃時N2O4(g)2NO2(g)反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp= kPa(Kp為以分壓表示的平衡常數(shù),計算結(jié)果保留1位小數(shù))。
(2)對于反應(yīng)2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g),R.A.Ogg提出如下反應(yīng)歷程:
第一步 N2O5NO2+NO3 快速平衡
第二步 NO2+NO3NO+NO2+O2 慢反應(yīng)
第三步 NO+NO32NO2 快反應(yīng)
其中可近似認為第二步反應(yīng)不影響第一步的平衡。下列表述正確的是 (填標號)。
A.v(第一步的逆反應(yīng))>v(第二步反應(yīng))
B.反應(yīng)的中間產(chǎn)物只有NO3
C.第二步中NO2與NO3的碰撞僅部分有效
D.第三步反應(yīng)活化能較高
課時規(guī)范練21 化學(xué)平衡常數(shù) 化學(xué)反應(yīng)進行的方向
1.C 非自發(fā)反應(yīng)在一定條件下也能發(fā)生,自發(fā)反應(yīng)進行的也不一定較快,A項錯誤;石墨轉(zhuǎn)化為金剛石,ΔH>0,該反應(yīng)是非自發(fā)進行的化學(xué)反應(yīng),B項錯誤;能量判據(jù)和熵判據(jù)組合而成的復(fù)合判據(jù),只要ΔG=ΔH-TΔS<0,反應(yīng)就可以自發(fā)進行,若ΔG>0,反應(yīng)就不能自發(fā)進行,C項正確;反應(yīng)NH3(s)+HCl(g)NH4Cl(s)在低溫下能自發(fā)進行,ΔG=ΔH-TΔS<0,從方程式知TΔS<0,說明ΔH<0,D項錯誤。
2.A 根據(jù)平衡常數(shù)K的表達式可知該反應(yīng)中CO、H2O為生成物,CO2、H2是反應(yīng)物,則化學(xué)方程式為CO2+H2CO+H2O。恒容時,溫度升高,反應(yīng)物H2濃度減小,說明平衡正向移動,說明該反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng), A項正確;該反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變,若加入不反應(yīng)氣體使壓強增大,則平衡不移動,氫氣的濃度不變,B項錯誤;升高溫度,無論正反應(yīng)速率還是逆反應(yīng)速率都會增大,C項錯誤;平衡常數(shù)等于生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪之積除以反應(yīng)物濃度化學(xué)計量數(shù)次冪之積,根據(jù)題中的K的表達式可知,CO和H2O是生成物,D項錯誤。
3.C 根據(jù)蓋斯定律分析,①+②即可得到反應(yīng)2NO(g)+O2(g)2NO2(g),故反應(yīng)熱為ΔH=ΔH1+ΔH2,A項錯誤;因為反應(yīng)2NO(g)+O2(g)2NO2(g)為①+②的結(jié)果,所以其平衡常數(shù)K=K1K2,B項錯誤;反應(yīng)慢的速率決定總反應(yīng)速率,所以反應(yīng)②的速率大小決定2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反應(yīng)速率,C項正確;圖中表示反應(yīng)①為吸熱反應(yīng),與題中信息不符合,D項錯誤。
4.B 0~5 s內(nèi),v(N2O5)= v(NO2)=12(4.00-2.52)molL-15 s=0.148 molL-1s-1,A項正確;根據(jù)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量之比等于化學(xué)計量數(shù)之比,可得c1=0.63,c2=0.50,c3=2.00,由此可知10 s時反應(yīng)達到平衡,達平衡時c(N2O5)=1.00 molL-1,將容器體積壓縮一半,若平衡不移動,此時c(N2O5)=2.00 molL-1,由于平衡正向移動,則c(N2O5)>2.00 molL-1,B項錯誤;對于放熱反應(yīng),溫度越高,平衡常數(shù)越小,C項正確;達平衡時c(NO2)=2.00 molL-1,c(O2)=0.50 molL-1,c(N2O5)=1.00 molL-1,則K=1.0022.0040.50=0.125,平衡時NO2的轉(zhuǎn)化率為2.00molL-14.00molL-1100%=50%,O2的轉(zhuǎn)化率為0.50molL-11.00molL-1100%=50%,D項正確。
5.C -lgK越大,平衡常數(shù)K值越小,由圖可知,隨著溫度升高,平衡常數(shù)K值增大,則升高溫度平衡正向移動,正反應(yīng)為吸熱反應(yīng),ΔH>0,故A項正確;A點對應(yīng)的-lgK=2.294,則平衡常數(shù)K(A)=10-2.294,故B項正確;因反應(yīng)物氨基甲酸銨為固體,則反應(yīng)體系中氣體只有NH3和CO2,反應(yīng)得到NH3和CO2的物質(zhì)的量之比為2∶1,反應(yīng)開始后NH3的體積分數(shù)始終不變,所以NH3的體積分數(shù)不變時不能說明反應(yīng)達到了平衡狀態(tài),故C項錯誤;30 ℃時,B點的濃度商Qc大于平衡常數(shù)K,反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進行,則B點對應(yīng)狀態(tài)的v(正)p1,A項錯誤;由圖像可知該反應(yīng)為吸熱反應(yīng),所以溫度越高,K越大,B項正確;a點為平衡點,應(yīng)為3v(NH3)正=2v(H2)逆,C項錯誤;a點時,假設(shè)反應(yīng)后氣體總體積為1 L,則N2為0.1 L、H2為0.3 L,未反應(yīng)的NH3為0.6 L,參加反應(yīng)的NH3為0.2 L,所以氨氣的轉(zhuǎn)化率為0.20.6+0.2100%=25%,D項錯誤。
8.D 由容器Ⅰ中數(shù)據(jù)可計算出607 K時反應(yīng)的平衡常數(shù)
CO2(g)+H2S(g)COS(g)+H2O(g)
c(始)/(molL-1) 0.05 0.075 0 0
c(變)/(molL-1) 0.025 0.025 0.025 0.025
c(平)/(molL-1) 0.025 0.05 0.025 0.025
平衡常數(shù)K=c(COS)c(H2O)c(CO2)c(H2S)=0.5,D項正確;對比Ⅰ、Ⅲ可知隨溫度升高,平衡常數(shù)減小,平衡向逆反應(yīng)方向移動,說明逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng),正反應(yīng)放熱,A項錯誤;Ⅱ相對于Ⅰ,是成比例的增加投料量,相當于加壓,由于題給反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng),所以平衡不移動,c(COS)Ⅱ=2c(COS)Ⅰ=0.05 molL-1,C項錯誤;容器Ⅲ平衡時,再充入少量氦氣,容器體積不變,各成分濃度不變,平衡不移動,B項錯誤。
9.答案 (1)放熱 (2)①a?、贏C (3)①0.8 molL-1min-1 1.25 ②80%
解析 (1)升高溫度平衡常數(shù)減小,所以其正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。(2)①正反應(yīng)放熱,升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向進行,甲醇的體積分數(shù)減小,因此能正確反映體系中甲醇體積分數(shù)隨溫度變化情況的曲線是a。②正反應(yīng)體積減小,容器中氣體的壓強不再變化能表明反應(yīng)已達平衡狀態(tài),A正確;密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值,在反應(yīng)過程中質(zhì)量和容積始終是不變的,因此混合氣體的密度不再變化不能說明達到平衡狀態(tài),B錯誤;混合氣的平均相對分子質(zhì)量是混合氣的質(zhì)量和混合氣的總的物質(zhì)的量的比值,質(zhì)量不變,但氣體物質(zhì)的量是變化的,所以混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再變化可以說明達到平衡狀態(tài),C正確;v正(H2)=2v正(CH3OH)均表示正反應(yīng)方向,不能說明達到平衡狀態(tài),D錯誤。(3)①4 min達到平衡,平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為80%,則消耗CO是3.2 mol,因此消耗氫氣是6.4 mol,H2濃度變化是3.2 molL-1,所以0~4 min,反應(yīng)Ⅰ的v(H2)=3.2 molL-14 min=0.8 molL-1min-1。剩余CO是0.4 molL-1,氫氣是0.8 molL-1,最初生成甲醇是1.6 molL-1,設(shè)分解的甲醇是x molL-1,則生成二甲醚是0.5x molL-1,所以根據(jù)2c(CH3OH)=c(CH3OCH3)有0.5x=2(1.6-x),解得x=1.28,所以根據(jù)方程式可知反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)K=0.320.40.82=1.25。②反應(yīng)Ⅱ中CH3OH的轉(zhuǎn)化率α=1.28/1.6100%=80%。
10.答案 (1)①0.12 molL-1min-1 增大?、贔 (2)①KA=KB>KC?、?
解析 (1)①n(H2)n(CO)=2,因為n(CO)+n(H2)=3 mol,則n(H2)=2 mol,n(CO)=1 mol,0~5 min內(nèi)轉(zhuǎn)化的n(CO)=0.6 mol,則有
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
起始/(molL-1) 0.5 1 0
轉(zhuǎn)化/(molL-1) 0.3 0.6 0.3
平衡/(molL-1) 0.2 0.4 0.3
v(H2)=0.6 molL-15 min=0.12 molL-1min-1,K=0.30.20.42。再向容器中加入CO (g)和CH3OH(g)各0.4 mol時,體系的濃度商Qc=0.3+0.2(0.2+0.2)0.42,Qcv(逆),H2的轉(zhuǎn)化率將增大。②反應(yīng)物按方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)比投料時產(chǎn)物的體積分數(shù)最大,否則都會使產(chǎn)物的體積分數(shù)減小,故應(yīng)選F點。(2)①平衡常數(shù)只與溫度有關(guān),CO與H2反應(yīng)生成CH3OH的反應(yīng)為放熱反應(yīng),則升高溫度,平衡常數(shù)減小,則KCKC。②達到平衡狀態(tài)A時,容器的體積為10 L,狀態(tài)A與B的平衡常數(shù)相同,狀態(tài)A時CO的轉(zhuǎn)化率是0.5,則平衡時CO的物質(zhì)的量是10 mol(1-0.5)=5 mol,濃度是0.5 molL-1,c(H2)=1 molL-1,生成甲醇的物質(zhì)的量是5 mol,濃度是0.5 molL-1,所以平衡常數(shù)KA=1;設(shè)狀態(tài)B時容器的體積是V L,狀態(tài)B時CO的轉(zhuǎn)化率是0.8,則平衡時,CO的物質(zhì)的量濃度為2V molL-1,氫氣的物質(zhì)的量濃度是4V molL-1,生成甲醇的物質(zhì)的量濃度是8V molL-1,KB=8V2V(4V)2=1,解得V=2。
11.答案 (1)①30.0 6.010-2?、诖笥凇囟忍岣?體積不變,總壓強提高;NO2二聚為放熱反應(yīng),溫度提高,平衡左移,體系物質(zhì)的量增加,總壓強提高?、?3.4 (2)AC
解析 (1)①依據(jù)反應(yīng):N2O5(g)2NO2(g)+ O2(g)及氣體的物質(zhì)的量與其形成的壓強成正比,生成的O2的壓強p(O2)=2.9 kPa,則剩余N2O5形成的壓強p(N2O5)=35.8 kPa-2.9 kPa2=30.0 kPa。則N2O5的分解速率v=210-330.0=6.010-2kPamin-1。②若提高反應(yīng)溫度至35 ℃,由于體積不變,但溫度提高,總壓強增大;且2NO2(g)N2O4(g)為放熱反應(yīng),溫度升高,平衡左移,氣體的物質(zhì)的量增大,總壓強提高,所以N2O5完全分解后體系壓強大于63.1 kPa。③t=∞時,體系的總壓強為63.1 kPa為平衡時的總壓強,此時N2O5完全分解,生成的氧氣的壓強為:p(O2)=35.8 kPa2=17.9 kPa。若NO2不生成N2O4,則此時的總壓應(yīng)為35.8 kPa=89.5 kPa,而實際壓強為63.1 kPa,壓強差為:89.5 kPa-63.1 kPa=26.4 kPa
2NO2N2O4 壓強差
2 1 1
26.4 kPa 26.4 kPa
則剩余NO2的分壓為:63.1 kPa-p(O2)-p(N2O4)=18.8 kPa
由此可求反應(yīng)N2O4(g)2NO2(g)的平衡常數(shù)為(18.8 kPa)226.4 kPa=13.4 kPa。
(2)第一步反應(yīng)快,能夠快速平衡,而第二步反應(yīng)是慢反應(yīng),故第一步反應(yīng)的逆反應(yīng)速率大于第二步反應(yīng),A項正確;根據(jù)第二步和第三步可知中間產(chǎn)物有NO、NO3,B項錯誤;根據(jù)第二步反應(yīng)是慢反應(yīng)可知,說明該步的反應(yīng)物有效碰撞低,C項正確;活化能越低反應(yīng)越易發(fā)生,第三步反應(yīng)快說明該步反應(yīng)的活化能較低,D項錯誤。
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