第二章 章末提升課 第1課時(shí)　平衡常數(shù)、速率常數(shù)的綜合應(yīng)用

章末提升課第1課時(shí)平衡常數(shù)、速率常數(shù)的綜合應(yīng)用[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]1.了解壓強(qiáng)平衡常數(shù)的概念，掌握速率常數(shù)與平衡常數(shù)的關(guān)系，并能進(jìn)行多重平衡體系的簡(jiǎn)單計(jì)算。2.通過(guò)對(duì)復(fù)雜平衡體系化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的分析與計(jì)算，建立分析實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)時(shí)要從反應(yīng)的限度、快慢、選擇性等綜合調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的意識(shí)。一、壓強(qiáng)平衡常數(shù)由于利用壓強(qiáng)計(jì)算平衡常數(shù)更貼近以氣體為主的生產(chǎn)實(shí)際，是近幾年高考計(jì)算的常青樹(shù)。主要包括恒溫恒容和恒溫恒壓兩種反應(yīng)體系，用到的方法主要是利用三段式和定義式的計(jì)算。為了便于入題，同學(xué)有必要了解分壓及分壓常數(shù)的含義。1．壓強(qiáng)平衡常數(shù)(Kp)的概念在化學(xué)平衡體系中，由各氣體物質(zhì)的分壓替代濃度，計(jì)算的平衡常數(shù)叫壓強(qiáng)平衡常數(shù)，用符號(hào)Kp表示，其單位與表達(dá)式有關(guān)。2．表達(dá)式對(duì)于一般的可逆反應(yīng)mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在一定溫度下，達(dá)到平衡時(shí)，其壓強(qiáng)平衡常數(shù)Kp＝eq\f(ppC·pqD,pmA·pnB)。其中p(A)、p(B)、p(C)、p(D)表示對(duì)應(yīng)物質(zhì)的分壓。注意①混合氣體中某組分的分壓＝總壓×該組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，pB＝p總×eq\f(nB,n總)。②混合氣體的總壓等于相同溫度下各組分氣體的分壓之和，即p總＝pA＋pB＋pC＋…。例1[2023·湖北，19(4)]納米碗C40H10是一種奇特的碗狀共軛體系。高溫條件下，C40H10可以由C40H20分子經(jīng)過(guò)連續(xù)5步氫抽提和閉環(huán)脫氫反應(yīng)生成。1200K時(shí)，假定體系內(nèi)只有反應(yīng)C40H12(g)C40H10(g)＋H2(g)發(fā)生，反應(yīng)過(guò)程中壓強(qiáng)恒定為p0(即C40H12的初始?jí)簭?qiáng))，平衡轉(zhuǎn)化率為α，該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp為_(kāi)_______________(用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓＝總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。解題思路三步計(jì)算分壓常數(shù)第一步：列三段式，計(jì)算平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，再加和得n(總)。設(shè)起始量為1mol，則根據(jù)信息列出三段式：C40H12(g)C40H10(g)＋H2(g)起始量/mol100變化量/molααα平衡量/mol1－ααα第二步：求分壓，先計(jì)算n(總)與各組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，再求平衡時(shí)各組分的分壓。用各物質(zhì)表示的分壓分別為p(C40H12)＝p0×eq\f(1－α,1＋α)，p(C40H10)＝p0×eq\f(α,1＋α)，p(H2)＝p0×eq\f(α,1＋α)，第三步：代入Kp表達(dá)式計(jì)算分壓常數(shù)。Kp＝eq\f(p0×\f(α,1＋α)×p0×\f(α,1＋α),p0×\f(1－α,1＋α))＝eq\f(α2·p0,1－α2)。例2[2023·新課標(biāo)卷，29(4)③]在不同壓強(qiáng)下，以兩種不同組成進(jìn)料，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)氨的摩爾分?jǐn)?shù)與溫度的計(jì)算結(jié)果如圖所示。其中一種進(jìn)料組成為xH2＝0.75、xN2＝0.25，另一種為xH2＝0.675、xN2＝0.225、xAr＝0.10。(物質(zhì)i的摩爾分?jǐn)?shù)：xi＝eq\f(ni,n總))圖中，當(dāng)p2＝20MPa、xNH3＝0.20時(shí)，氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率α＝________________。該溫度時(shí)，反應(yīng)eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)NH3(g)的平衡常數(shù)Kp＝________________(MPa)－1(化為最簡(jiǎn)式)。1．在300℃、8MPa下，將CO2和H2按物質(zhì)的量之比為1∶3通入恒壓密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則該反應(yīng)條件下的壓強(qiáng)平衡常數(shù)Kp＝____________(用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓＝總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。2．[2021·全國(guó)乙卷，28(2)]一氯化碘(ICl)是一種鹵素互化物，具有強(qiáng)氧化性，可與金屬直接反應(yīng)，也可用作有機(jī)合成中的碘化劑。氯鉑酸鋇(BaPtCl6)固體加熱時(shí)部分分解為BaCl2、Pt和Cl2,376.8℃時(shí)平衡常數(shù)Kp＝1.0×104Pa2，在一硬質(zhì)玻璃燒瓶中加入過(guò)量BaPtCl6，抽真空后，通過(guò)一支管通入碘蒸氣(然后將支管封閉)。在376.8℃，碘蒸氣初始?jí)簭?qiáng)為20.0kPa。376.8℃平衡時(shí)，測(cè)得燒瓶中壓強(qiáng)為32.5kPa，則pICl＝_______kPa,反應(yīng)2ICl(g)=Cl2(g)＋I(xiàn)2(g)的平衡常數(shù)K＝_______________(列出計(jì)算式即可)。等溫等容時(shí)，可以用物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)計(jì)算分壓，也可以用壓強(qiáng)直接列三段式計(jì)算。二、速率常數(shù)及其與平衡常數(shù)的關(guān)系對(duì)于反應(yīng)aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，若v正、v逆可分別表示為v正＝k正·ca(A)·cb(B)、v逆＝k逆·cc(C)·dd(D)。達(dá)平衡時(shí)v正＝v逆，平衡常數(shù)K＝eq\f(ccC·ddD,caA·cbB)＝eq\f(k正·v逆,k逆·v正)，故K＝eq\f(k正,k逆)。例12NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)ΔH＝－746.5kJ·mol－1，測(cè)得在某溫度下一定體積的密閉容器中，NO和CO濃度隨時(shí)間的變化如表所示：時(shí)間/s濃度/(10－3mol·L－1)0246c(NO)1.000.250.100.10c(CO)3.602.852.702.70(1)前4s內(nèi)的速率v(NO)＝________。(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，v正＝k正·c2(NO)·c2(CO)，v逆＝k逆·c(N2)·c2(CO2)(k正、k逆為速率常數(shù))。在一定溫度下，向2L的密閉容器中充入NO和CO氣體各1mol，NO的轉(zhuǎn)化率為40%時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡，則eq\f(k正,k逆)＝______(保留兩位小數(shù))。例2Bodenstein研究了反應(yīng)：2HI(g)H2(g)＋I(xiàn)2(g)ΔH>0。在716K時(shí)，氣體混合物中碘化氫的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x(HI)與反應(yīng)時(shí)間t的關(guān)系如表所示：t/min020406080120x(HI)10.910.850.8150.7950.784x(HI)00.60.730.7730.780.784(1)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K的計(jì)算式為_(kāi)_________________。(2)上述反應(yīng)中，正反應(yīng)速率v正＝k正x2(HI)，逆反應(yīng)速率v逆＝k逆x(H2)·x(I2)，其中k正、k逆為正、逆反應(yīng)速率常數(shù)，則k逆＝________(用含K和k正的代數(shù)式表示)。若起始時(shí)，x(HI)＝1，k正＝0.0027min－1，則在t＝40min時(shí)，v正＝________min－1(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。1．向某恒容密閉容器中充入等物質(zhì)的量的PCl3(g)和Cl2(g)，發(fā)生如下反應(yīng)：PCl3(g)＋Cl2(g)PCl5(g)，測(cè)得不同溫度下PCl3(g)的轉(zhuǎn)化率α與時(shí)間的關(guān)系如圖所示。其速率方程為v正＝k正·c(PCl3)·c(Cl2)，v逆＝k逆·c(PCl5)(k是速率常數(shù))，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．該反應(yīng)的ΔH<0B．M點(diǎn)：eq\f(k正,k逆)＞eq\f(cPCl5,cPCl3·cCl2)C．升高溫度，k正增大的倍數(shù)大于k逆增大的倍數(shù)D．T1時(shí)，若平衡體系中c(Cl2)＝0.25mol·L－1，則eq\f(k正,k逆)＝182．氧硫化碳(COS)的脫硫處理。在一定條件下用水蒸氣與氧硫化碳反應(yīng)是常用的脫硫方法，其熱化學(xué)方程式為COS(g)＋H2O(g)H2S(g)＋CO2(g)ΔH＝－35kJ·mol－1。(1)向容積為2L的密閉容器中加入等物質(zhì)的量的水蒸氣和氧硫化碳，在一定條件發(fā)生上述脫硫反應(yīng)測(cè)得一定時(shí)間內(nèi)COS(g)和CO2(g)的物質(zhì)的量變化如下表所示：物質(zhì)的量/molT1/℃T2/℃0min5min10min15min20min25min30minCOS(g)2.01.160.800.800.500.400.40CO2(g)00.841.201.201.501.601.60①0～5min內(nèi)以COS(g)表示的反應(yīng)速率v(COS)＝_________________________________。②若15min末改變溫度為T2℃，由表中數(shù)據(jù)變化判斷T1__________(填“＞”“＜”或“＝”)T2。③若15min末保持溫度T1℃不變，向該容器中繼續(xù)加入水蒸氣和氧硫化碳各2mol，重新達(dá)到平衡時(shí)，CO2(g)的物質(zhì)的量___________________________(填字母)。a．等于1.2molb．等于2.4molc．1.2mol<n(CO2)<2.4mold．大于2.4mol(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：v正＝k正·c(COS)·c(H2O)，v逆＝k逆·c(H2S)·c(CO2)(k正、k逆為速率常數(shù))。若在2L的密閉容器中充入1molCOS和1molH2O，在T2℃溫度下達(dá)到平衡時(shí)，k正∶k逆＝__________。三、多重平衡體系中平衡常數(shù)的計(jì)算1．多重平衡體系：一個(gè)化學(xué)反應(yīng)體系中存在多個(gè)化學(xué)反應(yīng)，在一定條件下，這些反應(yīng)都可以達(dá)到平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱作多重平衡現(xiàn)象，該體系稱作多重平衡體系。2．多重平衡反應(yīng)類型(1)連續(xù)型(耦合)反應(yīng)：某物質(zhì)是某反應(yīng)的產(chǎn)物，同時(shí)又是其他反應(yīng)的反應(yīng)物。(2)平行(競(jìng)爭(zhēng))型反應(yīng)：某物質(zhì)同時(shí)是多個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)物。3．多重平衡體系中有關(guān)平衡常數(shù)的計(jì)算，各組分的平衡量指的是整個(gè)平衡體系中的量，而不是指某一單一反應(yīng)中的量。例1在1L真空密閉容器中加入amolPH4I固體，t℃時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)：PH4I(s)PH3(g)＋HI(g)①4PH3(g)P4(g)＋6H2(g)②2HI(g)H2(g)＋I(xiàn)2(g)③達(dá)平衡時(shí)，體系中n(HI)＝bmol，n(I2)＝cmol，n(H2)＝dmol，則t℃時(shí)反應(yīng)①的平衡常數(shù)K為_(kāi)___________(用字母表示)。例2CO2經(jīng)催化加氫可以生成低碳烴，主要有以下兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)：反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)反應(yīng)Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)為分析催化劑對(duì)反應(yīng)的選擇性，在1L密閉容器中充入2molCO2和4molH2，測(cè)得有關(guān)物質(zhì)的物質(zhì)的量隨溫度變化如圖所示：該催化劑在較低溫度時(shí)主要選擇________(填“反應(yīng)Ⅰ”或“反應(yīng)Ⅱ”)。520℃時(shí)，反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)K＝__________(只列算式不計(jì)算)。1．探究CH3OH合成反應(yīng)化學(xué)平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產(chǎn)率。以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應(yīng)如下：Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＝－49.5kJ·mol－1Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH2＝－90.4kJ·mol－1Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH3一定條件下，向體積為VL的恒容密閉容器中通入1molCO2和3molH2發(fā)生上述反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)，容器中CH3OH(g)為amol，CO(g)為bmol，此時(shí)H2O(g)的濃度為_(kāi)_______________mol·L－1(用含a、b、V的代數(shù)式表示，下同)，反應(yīng)Ⅲ的平衡常數(shù)為_(kāi)_____________________。2．[2023·河北，11(1)②③]氮是自然界重要元素之一，研究氮及其化合物的性質(zhì)以及氮的循環(huán)利用對(duì)解決環(huán)境和能源問(wèn)題都具有重要意義。恒溫下，將1mol空氣(N2和O2的體積分?jǐn)?shù)分別為0.78和0.21，其余為惰性組分)置于容積為VL的恒容密閉容器中，假設(shè)體系中只存在如下兩個(gè)反應(yīng)：ⅰ.N2(g)＋O2(