第30講化學平衡解題策略

第30講化學平衡解題策略1.(1)按投料比2∶1把SO2和O2加入一密閉容器中發(fā)生反應2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),測得平衡時SO2的轉化率與溫度T、壓強p的關系如圖甲所示:①A、B兩點對應的平衡常數(shù)大小關系為KA________(填“>”“<”或“=”,下同)KB;溫度為T1時,D點vD正與vD逆的大小關系為vD正________vD逆;

②T1溫度下平衡常數(shù)Kp=________kPa1(Kp為以分壓表示的平衡常數(shù),結果保留分數(shù)形式)。

(2)恒溫恒容下,對于反應2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),測得平衡時SO3的體積分數(shù)與起始n(SO2)n(O2)的關系如圖乙所示,則當n(SO2)n(O2)=1.5達到平衡狀態(tài)時,SO2的體積分數(shù)是圖乙中D、E、F三點中的________【解析】(1)①2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)反應放熱,壓強一定時,溫度越低,SO2的轉化率越大,所以T1<T2,該反應的平衡常數(shù)K隨溫度升高而降低,所以KA>KB;溫度為T1時D點SO2的轉化率大于平衡轉化率,所以反應需要逆向移動達到平衡,即vD正<vD逆。②選取C點計算T1溫度下的Kp值,設SO2的起始加入量為2mol:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)起始/mol 2 1 0轉化/mol 1.2 0.6 1.2平衡/mol 0.8 0.4 1.2SO2%=0.80.8+0.4+1.2=13,O2%=由于分壓=總壓×物質的量分數(shù),所以C平衡點各物質的分壓分別為p(SO2)=13pC,p(O2)=16pC,p(SO3)=12pC,Kp=(12pC(2)當反應物的投料比等于方程式的系數(shù)比即n(SO2)n(O2)=2時,SO3的平衡體積分數(shù)最大,所以當投料比n(SO2)n(O2)=1.5達到平衡狀態(tài)時,SO3的體積分數(shù)是在投料比n(SO2)n(O答案:(1)①><②27800(2)D2.1．Cl2、SO2、CO、NO等不能直接排放到大氣中，需經(jīng)過處理進行回收利用，從而達到減排的目的?；卮鹣铝袉栴}：（1）已知S(s)和CO(g)的燃燒熱分別是296.0kJ/mol、283.0kJ/mol，則反應的ΔH=___________。（2）一定條件下，Cl2與NO可化合生成重要的化工原料氯化亞硝酰（NOCl），寫出該反應的化學方程式：___________；已知NOCl中各原子均滿足8電子穩(wěn)定結構，其電子式為___________。（3）向體積為2L的恒容密閉容器中充入一定量的HCl和O2，發(fā)生反應：ΔH，反應物的轉化率與溫度（T）的關系如圖所示（已知起始時，和為平衡轉化率）。①該反應的ΔH________（填“＞”或“＜”）0。②下列關于該反應的說法正確的是__________（填字母）。A．曲線a表示HCl的轉化率B．溫度越高化學平衡常數(shù)越大C．容器中壓強不再改變時，反應達到最大限度D．該反應只有高溫下才能自發(fā)進行③溫度低于450℃時，溫度升高時HCl和O2的轉化率增大的原因為___________。④若初始時向容器中充入的O2為1mol，5min時反應達到平衡，該溫度下O2的轉化率為20%，則0～5min內用HCl表示的平均反應速率為___________，該反應的平衡常數(shù)Kp=___________（已知：氣體分壓()=氣體總壓()×體積分數(shù)，Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)；平衡時容器內的總壓為P0）。【答案】（1）270.0kJ/mol（2）（3）＜AC平衡前，升溫，速率增大，單位時間內反應物的轉化率增大0.08mol/(L?min)【解析】（1）已知S(s)和CO(g)的燃燒熱分別是296.0kJ/mol、283.0kJ/mol，可得熱化學方程式：①S(s)+O2(g)=SO2(g)ΔH=296.0kJ/mol；②CO(g)+O2(g)=CO2(g)ΔH=283.0kJ/mol；根據(jù)蓋斯定律，將②×2①，整理可得：2CO(g)+SO2(g)=2CO2(g)+S(s)ΔH=270.0kJ/mol；（2）一定條件下，Cl2與NO可化合生成重要的化工原料氯化亞硝酰（NOCl），該反應的化學方程式：；已知NOCl中各原子均滿足8電子穩(wěn)定結構，則N原子與O原子形成2對共用電子對，與Cl原子形成1對共用電子對，故其電子式為；（3）①根據(jù)圖示可知：在其他條件不變時，當轉化率達到最高點后，升高溫度，反應物HCl或O2的轉化率減小，說明升高溫度，化學平衡逆向移動，逆反應為吸熱反應，則該反應的正反應為放熱反應，所以反應熱ΔH＜0；A．當HCl和氧氣的物質的量相同時，根據(jù)方程式中物質反應轉化關系可知：達到平衡時HCl的轉化率較大，所以a表示HCl、b表示氧氣，A正確；B．轉化率達到最高時，升高溫度反應物轉化率降低，說明化學平衡逆向移動，則正反應為放熱反應，則溫度越高化學平衡常數(shù)越小，B錯誤﹔C在恒溫恒容條件下該反應前后氣體的物質的量減小，則壓強減小，當容器中壓強不變時說明達到平衡狀態(tài)，該反應達到了該條件下的最大限度，C正確；D．該反應的熵變小于0，焓變小于0，如果能自發(fā)反應，則ΔG=ΔHTΔS＜0，應該在低溫下能自發(fā)減小，D錯誤；故合理選項是AC；③根據(jù)圖象可知：在溫度低于450℃時，溫度越高，HCl和O2的轉化率越大，這是由于平衡前，升高溫度，化學反應速率增大，單位時間內由更多的反應物發(fā)生反應又變?yōu)樯晌?，導致反應物的轉化率增大；④若O2的轉化率為20%，則用O2表示0~5min內的平均反應速率v(O2)=，在相同時間內用不同物質表示反應速率時，速率比等于化學方程式中相應物質的化學計量數(shù)的比，所以v(HCl)=4v(O2)=4×0.02mol/(L?min)=0.08mol/(L?min)；對于可逆反應4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)，反應開始時n(HCl)=n(O2)=1mol，n(Cl2)=n(H2O)=0mol，在450℃達到平衡時HCl的轉化率為80%，則Δn(HCl)=0.8mol，則Δn(O2)=0.2mol，Δn(Cl2)=Δn(H2O)=0.4mol，故平衡時n(HCl)=0.2mol，n(O2)=0.8mol，n(Cl2)=n(H2O)=0.4mol，平衡時n(總)=0.2mol+0.8mol+0.4mol+0.4mol=1.8mol，P(HCl)=，P(O2)=，P(Cl2)=P(H2O)=，可知化學平衡常數(shù)KP=。3.(1)一定條件下,密閉容器中發(fā)生反應COS(g)+H2O(g)H2S(g)+CO2(g),其中COS(g)的平衡轉化率(α)與溫度(T)的關系如圖1所示。則A、B、C三點對應的狀態(tài)中,v(COS)=v(H2S)的是____________。(填標號)

(2)反應COS(g)+H2(g)H2S(g)+CO(g)的正、逆反應的平衡常數(shù)(K)與溫度(T)的關系如圖2所示,其中表示逆反應的平衡常數(shù)(K逆)的是__________(填“A”或“B”)。T1℃時,向容積為10L的恒容密閉容器中充入2molCOS(g)和1molH2(g),發(fā)生反應,COS的平衡轉化率為__________。

已知反應中相關的化學鍵鍵能數(shù)據(jù)如表:化學鍵H—HCO(COS)CSH—SC≡OE/kJ·mol14367455803391076【解析】(1)根據(jù)化學反應平均速率公式判斷,COS和H2S的化學計量數(shù)相等,二者化學反應速率相等,在整個反應中,始終有v(COS)=v(H2S),因此A、B、C三點對應的狀態(tài)中,v(COS)=v(H2S)的是ABC。(2)反應的焓變ΔH2=E(CO)+E(CS)+E(H—H)2E(H—S)E(C≡O)=7kJ·mol1,正反應吸熱,隨著溫度升高,有利于正反應進行,化學平衡常數(shù)增大,則A是正反應化學平衡常數(shù),B為逆反應化學平衡常數(shù),根據(jù)圖象,T1℃時,正逆反應的化學平衡常數(shù)相等,向容積為10L的恒容密閉容器中充入2molCOS(g)和1molH2(g),發(fā)生反應,由于正逆反應的化學平衡常數(shù)相等,則K正=K逆=1,設反應轉化了xmol·L1的COS,則有:COS(g)+H2(g)H2S(g)+CO(g)起始/mol·L1 0.2 0.1 0 0轉化/mol·L1 x x x x平衡/mol·L10.2x 0.1x x x則K=c(H2S)c(CO)c(α=115mol答案:(1)ABC(2)B33.3%4.在四個恒容密閉容器中充入相應量的氣體(圖甲),發(fā)生反應2N2O(g)2N2(g)+O2(g)ΔH,容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中N2O的平衡轉化率如圖乙所示:(1)該反應的ΔH________(填“>”或“<”)0。

(2)容器Ⅳ與容器Ⅲ的體積均為1L,容器Ⅳ中的物質在470℃下進行反應,起始反應速率:v正(N2O)________v逆(N2O)(填“>”“<”或“=”)。

(3)已知容器Ⅰ的體積為10L,370℃時,該反應的平衡常數(shù)K=________。

【解析】(1)升高溫度,N2O的轉化率升高,則向正反應方向進行,則正反應為吸熱反應,則ΔH>0。(2)根據(jù)題給圖象可知,同一溫度下,從Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ變化中,一氧化二氮的轉化率減小,因此Ⅳ中一氧化二氮轉化率也是減小;容器Ⅳ的體積為1L,容器Ⅳ中的物質也在470℃下進行反應,則縮小體積,壓強增大,平衡向逆方向移動,即起始反應速率:v正(N2O)<v逆(N2O)。(3)容器Ⅰ的體積為10L,370℃時N2O的轉化率為40%。2N2O(g)2N2(g)+O2(g)起始(mol·L1) 0.01 0 0變化(mol·L1) 0.004 0.004 0.002平衡(mol·L1) 0.006 0.004 0.002所以K=c2(N2)答案:(1)>(2)<(3)8.9×104或15.近十幾年來，化學界掀起研究二氧化碳與氫氣反應的熱潮?；卮鹣铝袉栴}：（1）已知CoO(s)有下列兩個反應：I．CoO(s)＋H2(g)Co(s)＋H2O(g)ΔH=3.9kJ·mol1II．CoO(s)＋CO(g)Co(s)＋CO2(g)ΔH=45.1kJ·mol1①根據(jù)焓變判斷，還原CoO(s)為Co(s)的傾向是CO_______H2（填“大于”或“小于”）。②反應CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH=_______kJ·mol1。（2）在723K、10.0kPa的甲裝置中發(fā)生反應I，在723K、12.0kPa的乙裝置中發(fā)生反應II，得到部分氣體的分壓隨時間的變化關系如下圖所示。①在甲裝置中，10～40min內反應的平均速率v(H2)=_______kPa·min1。②已知甲、乙兩裝置中的反應分別在40min、31min達到平衡狀態(tài)，則在723K時，反應的平衡常數(shù)Kp=_______（保留三位有效數(shù)字）。（3）向裝置丙中充入0.10molH2和0.20molCO2，在一定溫度和12.0kPa下進行反應：，平衡時水蒸氣體積分數(shù)為0.10。再向達到平衡后的裝置丙中加入足量的CoO(s)和Co(s)，得到如下圖像。①上表中的a、b兩條線分別代表的氣體物質是_______（填化學式）。②可作為的催化劑的是_______（填標號）。A．Co(s)B．CoO(s)C．CoO(s)和Co(s)（4）科學家設計了如下光電池，常溫下在水溶液中完成反應。①裝置中的電解質參與了多個反應，在使用過程中電解質的量_______（填標號）。A．增大B．減少C．基本不變D．無法確定②已知電極X上的電極反應為，結合總反應式，寫出Y電極上的電極反應式：___________________________?！敬鸢浮浚?）大于+41.2（2）0.120.0756（3）CO2、H2OA（4）C【解析】（1）①反應II放出的熱量比反應I的多，說明反應II進行的程度大，則還原CoO(s)為Co(s)的傾向是CO大于H2；②由蓋斯定律，反應III得CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)?H=3.9(45.1)=+41.2kJ·mol1；（2）①在甲裝置中，10～40min內反應的平均速率v(H2)=0.12kPa·min1；②在等溫等容下，由pV=nRT，壓強之比等于物質的量之比，甲裝置發(fā)生反應I：CoO(s)＋H2(g)Co(s)＋H2O(g)，40min達到平衡狀態(tài)，p(H2)=1.0kPa，消耗101.0=9.0kPa，則平衡時p(H2O)=9.0kPa，乙裝置發(fā)生反應II：CoO(s)＋CO(g)Co(s)＋CO2(g)，31min達到平衡狀態(tài)，p(CO2)=11.9kPa，則平衡時p(CO)=12.011.9=0.1kPa，在723K時，反應的平衡常數(shù)Kp=；（3）①起始充入0.10molH2和0.20molCO2，列三段式，平衡時水蒸氣體積分數(shù)為0.10，則，解得x=0.03，平衡時p(CO)=p(H2O)=12.0kPa×0.1=1.2kPa，p(CO2)=，p(H2)=，由圖的起點可知，曲線a代表CO2，曲線c代表H2，加入足量的CoO(s)和Co(s)，消耗CO，隨著反應進行，物質的量減小，壓強也減小，則曲線d代表CO，曲線b代表H2O；故a、b兩條線分別代表的氣體物質是CO2、H2O；②由以上計算可知，只要存在CoO(s)，CoO(s)就會與CO及H2單獨反應，不能作催化劑，而只有Co(s)時，Co(s)先被CO2(g)少量氧化，即，然后生成的CoO(s)迅速被H2(g)還原，，保持Co(s)的質量不改變，即催化劑不中毒，所以Co(s)為該反應的催化劑，故選A；（4）①由反應，電解質在循環(huán)反應，在使用過程中電解質的量基本不變，故選：C；②Y電極為陰極，HCO得2mol電子生成CO，結合H+反應生成H2O，電極反應式：。6.甲醇燃料分為甲醇汽油和甲醇柴油。工業(yè)上合成甲醇的方法很多。(1)已知:①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=49.0kJ·mol1②2CO(g)+O2(g)2CO2(g)ΔH=566kJ·mol1③2H2(g)+O2(g)2H2O(g)ΔH=483.6kJ·mol1則CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH=kJ·mol1

(2)一定條件下,在2L恒容密閉容器中投入1molCO和2molH2,發(fā)生反應CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。①能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是(填序號)。

A.CH3OH的體積分數(shù)保持不變B.容器內的總壓強保持不變C.混合氣體的密度保持不變D.混合氣體的平均摩爾質量保持不變②達平衡后,維持容器的溫度不變,將容器的容積擴大一倍,下列說法正確的是(填序號)。

A.平衡向正反應方向移動B.CO的濃度增大C.平衡常數(shù)不變D.CO的物質的量增大③維持容器的體積和溫度不變,向密閉容器中加入氦氣,達到新平衡時,CO、CH3OH的濃度之比將(填“增大”“減小”或“不變”)。

④甲醇在混合氣體中的平衡體積分數(shù)與溫度、壓強的變化關系如圖:則p3p1(填“>”“<”或“=”);300℃、p3條件下,處于E點時v(正)v(逆)(填“>”“<”或“=”);C點的平衡常數(shù)K=。

答案:(1)90.2(2)①ABD②CD③不變④<<48解析:(1)已知:①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=49.0kJ·mol1;②2CO(g)+O2(g)2CO2(g)ΔH=566kJ·mol1;③2H2(g)+O2(g)2H2O(g)ΔH=483.6kJ·mol1;×[①×2+②③]得CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),故ΔH=×[49.0×2+(566)(483.6)]kJ·mol1=90.2kJ·mol1。(2)①由于恒容時,反應CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)是一個氣體分子數(shù)減小的反應,所以甲醇的體積分數(shù)保持不變,可以說明反應達到平衡狀態(tài),A項正確;由于恒容時,反應CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)是一個氣體分子數(shù)減小的反應,所以容器內的總壓強保持不變,可以說明反應達到平衡狀態(tài),B項正確;由于混合氣體質量不變,容器容積不變,所以混合氣體密度保持不變,不能說明反應達到平衡狀態(tài),C項錯誤;由于反應前后氣體分子數(shù)不相等,質量相等,所以混合氣體的平均摩爾質量保持不變,可以說明反應達到平衡,D項正確。②達平衡時,保持溫度不變,容器體積擴大一倍,各組分濃度均減小,分壓也減小,平衡向逆反應方向移動,A項錯誤;達平衡時,所有組分濃度均減小,B項錯誤;平衡常數(shù)只與溫度有關,C項正確;平衡向左移動,CO物質的量增大,D項正確。③恒容時充入惰性氣體,各組分分壓并未改變,因此CO、CH3OH的濃度之比將不變;④從B→D,甲醇的體積分數(shù)減小,說明要達到D點平衡向左移動,所以p3<p1;從E→D,甲醇體積分數(shù)減小,說明要達到D點平衡,逆反應速率比正反應速率大,故v(正)<v(逆);C點平衡常數(shù)計算,設達到平衡時CO反應了xmol,列“三段式”計算:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)初始/mol 1 2 0反應/mol x 2x x平衡/mol 1x 22x x平衡時甲醇的體積分數(shù)為50%,則×100%=50%,x=0.75,K==48。7.丙烯是合成材料的重要原料,丙烷脫氫制取丙烯是目前常用方法之一。丙烷脫氫制丙烯的主要反應如下:直接裂解:C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)ΔH=+124kJ·mol1氧氣氧化脫氫:2C3H8(g)+O2(g)2C3H6(g)+2H2O(g)ΔH=235kJ·mol1回答下列問題:(1)目前直接裂解是丙烷脫氫制取丙烯的常用方法。直接裂解時,下列條件有利于提高C3H8平衡轉化率的是(填標號)。

A.高溫低壓 B.低溫高壓C.高溫高壓 D.低溫低壓(2)“氧氣氧化脫氫”相比于“直接裂解”的優(yōu)點是(列舉1點)。

(3)一定壓強下,向一恒容密閉容器中充入1molC3H8和1molCO2,平衡時各物質的物質的量與溫度的關系如圖所示;①在500~800K之間,主要發(fā)生的反應為;823K以上主要發(fā)生的反應為。

②一定壓強下,向一密閉容器中充入一定量的C3H8和CO2發(fā)生反應:CO2(g)+C3H8(g)C3H6(g)+CO(g)+H2O(g)ΔH。C3H8的平衡轉化率在不同投料比[m=]下與溫度的關系如圖所示:ΔH(填“<”或“>”)0;投料比從小到大的順序為。

(4)丙烷分別在0.1MPa和p2MPa直接裂解,反應達到平衡時,丙烷和丙烯的物質的量分數(shù)隨溫度的變化關系如圖所示:壓強p2(填“<”或“>”)0.1;D為(填化學式);a點溫度下裂解反應的平衡常數(shù)Kp=(用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓×物質的量分數(shù))。

答案:(1)A(2)氧氣氧化脫氫為放熱反應,耗能少(3)①3CO2+C3H86CO+4H2C3H8C3H6+H2②>m3<m2<m1(4)<C3H80.0125MPa解析:(1)丙烷直接裂解是氣體分子數(shù)增多的吸熱反應,高溫低壓有利于平衡正向移動,可提高C3H8的平衡轉化率,故選A。(2)氧氣氧化脫氫為放熱反應,耗能少。(3)①據(jù)圖可知在500~800K之間,C3H6極少,主要產(chǎn)物為CO、H2,主要發(fā)生的反應為3CO2+C3H86CO+4H2;據(jù)圖可知823K以上時C3H6的含量增多,而CO的含量基本不變,說明823K以上有利于直接裂解,主要發(fā)生的反應為C3H8C3H6+H2。②相同投料比時,隨溫度升高C3H8的平衡轉化率增大,說明升高溫度有利于該反應正向進行,則正反應為吸熱反應,ΔH>0;相同溫度下,當C3H8的量不變時,增大CO2的量平衡正向移動,C3H8的平衡轉化率增大,所以m越大,C3H8的平衡轉化率越大,則m3<m2<m1。(4)丙烷直接裂解反應為氣體分子數(shù)增多的反應,增大壓強平衡逆向移動,C3H8增多,所以p2<0.1;丙烷直接裂解反應為吸熱反應,溫度升高,平衡正向移動,C3H8減少,B、D為C3H8;設起始C3H8的物質的量為amol,則:C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)起始/mol a 0 0轉化/mol x x x平衡/mol ax x xa點時C3H8的物質的量分數(shù)為50%,則=50%,x=;所以C3H8、C3H6、H2平衡分壓分別為0.1MPa×、0.1MPa×、0.1MPa×,則Kp==0.0125MPa。8.合成氣是一種重要的化工原料氣,可以合成甲醇、甲酸甲酯、二甲醚等化工產(chǎn)品。甲烷、二氧化碳自熱重整制合成氣的主要反應有:Ⅰ.CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)ΔH1=820.6kJ·mol1Ⅱ.CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)ΔH2=+247.3kJ·mol1Ⅲ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)ΔH3=+206.1kJ·mol1Ⅳ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH4回答下列問題:(1)反應Ⅳ的ΔH4=kJ·mol1。

(2)一定條件下,向體積為VL的恒容密閉容器中通入2molCH4(g)、1molCO2(g)、1molH2O(g)和適量O2(g)發(fā)生上述反應,達到平衡時,容器中CH4(g)為amol,CO2(g)為bmol,H2O(g)為cmol,此時CO(g)的濃度為mol·L1(用含a、b、c、V的代數(shù)式表示,下同),反應Ⅳ的平衡常數(shù)為。

(3)不同溫度下,向體積為VL的含少量O2的密閉容器按照n(CO2)∶n(CH4)=1∶1投料,實驗測得平衡時n(H2)∶n(CO)隨溫度的變化關系如圖1所示:①壓強p1、p2、p3由大到小的順序為,判斷的依據(jù)是。

②壓強為p2時,隨著溫度升高,n(H2)∶n(C