第30讲化学平衡解题策略

第30讲化学平衡解题策略1.(1)按投料比2∶1把SO2和O2加入一密闭容器中发生反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),测得平衡时SO2的转化率与温度T、压强p的关系如图甲所示:①A、B两点对应的平衡常数大小关系为KA________(填“>”“<”或“=”,下同)KB;温度为T1时,D点vD正与vD逆的大小关系为vD正________vD逆;

②T1温度下平衡常数Kp=________kPa1(Kp为以分压表示的平衡常数,结果保留分数形式)。

(2)恒温恒容下,对于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),测得平衡时SO3的体积分数与起始n(SO2)n(O2)的关系如图乙所示,则当n(SO2)n(O2)=1.5达到平衡状态时,SO2的体积分数是图乙中D、E、F三点中的________【解析】(1)①2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)反应放热,压强一定时,温度越低,SO2的转化率越大,所以T1<T2,该反应的平衡常数K随温度升高而降低,所以KA>KB;温度为T1时D点SO2的转化率大于平衡转化率,所以反应需要逆向移动达到平衡,即vD正<vD逆。②选取C点计算T1温度下的Kp值,设SO2的起始加入量为2mol:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)起始/mol 2 1 0转化/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%=由于分压=总压×物质的量分数,所以C平衡点各物质的分压分别为p(SO2)=13pC,p(O2)=16pC,p(SO3)=12pC,Kp=(12pC(2)当反应物的投料比等于方程式的系数比即n(SO2)n(O2)=2时,SO3的平衡体积分数最大,所以当投料比n(SO2)n(O2)=1.5达到平衡状态时,SO3的体积分数是在投料比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气中，需经过处理进行回收利用，从而达到减排的目的。回答下列问题：（1）已知S(s)和CO(g)的燃烧热分别是296.0kJ/mol、283.0kJ/mol，则反应的ΔH=___________。（2）一定条件下，Cl2与NO可化合生成重要的化工原料氯化亚硝酰（NOCl），写出该反应的化学方程式：___________；已知NOCl中各原子均满足8电子稳定结构，其电子式为___________。（3）向体积为2L的恒容密闭容器中充入一定量的HCl和O2，发生反应：ΔH，反应物的转化率与温度（T）的关系如图所示（已知起始时，和为平衡转化率）。①该反应的ΔH________（填“＞”或“＜”）0。②下列关于该反应的说法正确的是__________（填字母）。A．曲线a表示HCl的转化率B．温度越高化学平衡常数越大C．容器中压强不再改变时，反应达到最大限度D．该反应只有高温下才能自发进行③温度低于450℃时，温度升高时HCl和O2的转化率增大的原因为___________。④若初始时向容器中充入的O2为1mol，5min时反应达到平衡，该温度下O2的转化率为20%，则0～5min内用HCl表示的平均反应速率为___________，该反应的平衡常数Kp=___________（已知：气体分压()=气体总压()×体积分数，Kp为以分压表示的平衡常数；平衡时容器内的总压为P0）。【答案】（1）270.0kJ/mol（2）（3）＜AC平衡前，升温，速率增大，单位时间内反应物的转化率增大0.08mol/(L∙min)【解析】（1）已知S(s)和CO(g)的燃烧热分别是296.0kJ/mol、283.0kJ/mol，可得热化学方程式：①S(s)+O2(g)=SO2(g)ΔH=296.0kJ/mol；②CO(g)+O2(g)=CO2(g)ΔH=283.0kJ/mol；根据盖斯定律，将②×2①，整理可得：2CO(g)+SO2(g)=2CO2(g)+S(s)ΔH=270.0kJ/mol；（2）一定条件下，Cl2与NO可化合生成重要的化工原料氯化亚硝酰（NOCl），该反应的化学方程式：；已知NOCl中各原子均满足8电子稳定结构，则N原子与O原子形成2对共用电子对，与Cl原子形成1对共用电子对，故其电子式为；（3）①根据图示可知：在其他条件不变时，当转化率达到最高点后，升高温度，反应物HCl或O2的转化率减小，说明升高温度，化学平衡逆向移动，逆反应为吸热反应，则该反应的正反应为放热反应，所以反应热ΔH＜0；A．当HCl和氧气的物质的量相同时，根据方程式中物质反应转化关系可知：达到平衡时HCl的转化率较大，所以a表示HCl、b表示氧气，A正确；B．转化率达到最高时，升高温度反应物转化率降低，说明化学平衡逆向移动，则正反应为放热反应，则温度越高化学平衡常数越小，B错误﹔C在恒温恒容条件下该反应前后气体的物质的量减小，则压强减小，当容器中压强不变时说明达到平衡状态，该反应达到了该条件下的最大限度，C正确；D．该反应的熵变小于0，焓变小于0，如果能自发反应，则ΔG=ΔHTΔS＜0，应该在低温下能自发减小，D错误；故合理选项是AC；③根据图象可知：在温度低于450℃时，温度越高，HCl和O2的转化率越大，这是由于平衡前，升高温度，化学反应速率增大，单位时间内由更多的反应物发生反应又变为生成物，导致反应物的转化率增大；④若O2的转化率为20%，则用O2表示0~5min内的平均反应速率v(O2)=，在相同时间内用不同物质表示反应速率时，速率比等于化学方程式中相应物质的化学计量数的比，所以v(HCl)=4v(O2)=4×0.02mol/(L∙min)=0.08mol/(L∙min)；对于可逆反应4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)，反应开始时n(HCl)=n(O2)=1mol，n(Cl2)=n(H2O)=0mol，在450℃达到平衡时HCl的转化率为80%，则Δn(HCl)=0.8mol，则Δn(O2)=0.2mol，Δn(Cl2)=Δn(H2O)=0.4mol，故平衡时n(HCl)=0.2mol，n(O2)=0.8mol，n(Cl2)=n(H2O)=0.4mol，平衡时n(总)=0.2mol+0.8mol+0.4mol+0.4mol=1.8mol，P(HCl)=，P(O2)=，P(Cl2)=P(H2O)=，可知化学平衡常数KP=。3.(1)一定条件下,密闭容器中发生反应COS(g)+H2O(g)H2S(g)+CO2(g),其中COS(g)的平衡转化率(α)与温度(T)的关系如图1所示。则A、B、C三点对应的状态中,v(COS)=v(H2S)的是____________。(填标号)

(2)反应COS(g)+H2(g)H2S(g)+CO(g)的正、逆反应的平衡常数(K)与温度(T)的关系如图2所示,其中表示逆反应的平衡常数(K逆)的是__________(填“A”或“B”)。T1℃时,向容积为10L的恒容密闭容器中充入2molCOS(g)和1molH2(g),发生反应,COS的平衡转化率为__________。

已知反应中相关的化学键键能数据如表:化学键H—HCO(COS)CSH—SC≡OE/kJ·mol14367455803391076【解析】(1)根据化学反应平均速率公式判断,COS和H2S的化学计量数相等,二者化学反应速率相等,在整个反应中,始终有v(COS)=v(H2S),因此A、B、C三点对应的状态中,v(COS)=v(H2S)的是ABC。(2)反应的焓变ΔH2=E(CO)+E(CS)+E(H—H)2E(H—S)E(C≡O)=7kJ·mol1,正反应吸热,随着温度升高,有利于正反应进行,化学平衡常数增大,则A是正反应化学平衡常数,B为逆反应化学平衡常数,根据图象,T1℃时,正逆反应的化学平衡常数相等,向容积为10L的恒容密闭容器中充入2molCOS(g)和1molH2(g),发生反应,由于正逆反应的化学平衡常数相等,则K正=K逆=1,设反应转化了xmol·L1的COS,则有:COS(g)+H2(g)H2S(g)+CO(g)起始/mol·L1 0.2 0.1 0 0转化/mol·L1 x x x x平衡/mol·L10.2x 0.1x x x则K=c(H2S)c(CO)c(α=115mol答案:(1)ABC(2)B33.3%4.在四个恒容密闭容器中充入相应量的气体(图甲),发生反应2N2O(g)2N2(g)+O2(g)ΔH,容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中N2O的平衡转化率如图乙所示:(1)该反应的ΔH________(填“>”或“<”)0。

(2)容器Ⅳ与容器Ⅲ的体积均为1L,容器Ⅳ中的物质在470℃下进行反应,起始反应速率:v正(N2O)________v逆(N2O)(填“>”“<”或“=”)。

(3)已知容器Ⅰ的体积为10L,370℃时,该反应的平衡常数K=________。

【解析】(1)升高温度,N2O的转化率升高,则向正反应方向进行,则正反应为吸热反应,则ΔH>0。(2)根据题给图象可知,同一温度下,从Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ变化中,一氧化二氮的转化率减小,因此Ⅳ中一氧化二氮转化率也是减小;容器Ⅳ的体积为1L,容器Ⅳ中的物质也在470℃下进行反应,则缩小体积,压强增大,平衡向逆方向移动,即起始反应速率:v正(N2O)<v逆(N2O)。(3)容器Ⅰ的体积为10L,370℃时N2O的转化率为40%。2N2O(g)2N2(g)+O2(g)起始(mol·L1) 0.01 0 0变化(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.近十几年来，化学界掀起研究二氧化碳与氢气反应的热潮。回答下列问题：（1）已知CoO(s)有下列两个反应：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根据焓变判断，还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO_______H2（填“大于”或“小于”）。②反应CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH=_______kJ·mol1。（2）在723K、10.0kPa的甲装置中发生反应I，在723K、12.0kPa的乙装置中发生反应II，得到部分气体的分压随时间的变化关系如下图所示。①在甲装置中，10～40min内反应的平均速率v(H2)=_______kPa·min1。②已知甲、乙两装置中的反应分别在40min、31min达到平衡状态，则在723K时，反应的平衡常数Kp=_______（保留三位有效数字）。（3）向装置丙中充入0.10molH2和0.20molCO2，在一定温度和12.0kPa下进行反应：，平衡时水蒸气体积分数为0.10。再向达到平衡后的装置丙中加入足量的CoO(s)和Co(s)，得到如下图像。①上表中的a、b两条线分别代表的气体物质是_______（填化学式）。②可作为的催化剂的是_______（填标号）。A．Co(s)B．CoO(s)C．CoO(s)和Co(s)（4）科学家设计了如下光电池，常温下在水溶液中完成反应。①装置中的电解质参与了多个反应，在使用过程中电解质的量_______（填标号）。A．增大B．减少C．基本不变D．无法确定②已知电极X上的电极反应为，结合总反应式，写出Y电极上的电极反应式：___________________________。【答案】（1）大于+41.2（2）0.120.0756（3）CO2、H2OA（4）C【解析】（1）①反应II放出的热量比反应I的多，说明反应II进行的程度大，则还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO大于H2；②由盖斯定律，反应III得CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)∆H=3.9(45.1)=+41.2kJ·mol1；（2）①在甲装置中，10～40min内反应的平均速率v(H2)=0.12kPa·min1；②在等温等容下，由pV=nRT，压强之比等于物质的量之比，甲装置发生反应I：CoO(s)＋H2(g)Co(s)＋H2O(g)，40min达到平衡状态，p(H2)=1.0kPa，消耗101.0=9.0kPa，则平衡时p(H2O)=9.0kPa，乙装置发生反应II：CoO(s)＋CO(g)Co(s)＋CO2(g)，31min达到平衡状态，p(CO2)=11.9kPa，则平衡时p(CO)=12.011.9=0.1kPa，在723K时，反应的平衡常数Kp=；（3）①起始充入0.10molH2和0.20molCO2，列三段式，平衡时水蒸气体积分数为0.10，则，解得x=0.03，平衡时p(CO)=p(H2O)=12.0kPa×0.1=1.2kPa，p(CO2)=，p(H2)=，由图的起点可知，曲线a代表CO2，曲线c代表H2，加入足量的CoO(s)和Co(s)，消耗CO，随着反应进行，物质的量减小，压强也减小，则曲线d代表CO，曲线b代表H2O；故a、b两条线分别代表的气体物质是CO2、H2O；②由以上计算可知，只要存在CoO(s)，CoO(s)就会与CO及H2单独反应，不能作催化剂，而只有Co(s)时，Co(s)先被CO2(g)少量氧化，即，然后生成的CoO(s)迅速被H2(g)还原，，保持Co(s)的质量不改变，即催化剂不中毒，所以Co(s)为该反应的催化剂，故选A；（4）①由反应，电解质在循环反应，在使用过程中电解质的量基本不变，故选：C；②Y电极为阴极，HCO得2mol电子生成CO，结合H+反应生成H2O，电极反应式：。6.甲醇燃料分为甲醇汽油和甲醇柴油。工业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则CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH=kJ·mol1

(2)一定条件下,在2L恒容密闭容器中投入1molCO和2molH2,发生反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。①能说明该反应达到平衡状态的是(填序号)。

A.CH3OH的体积分数保持不变B.容器内的总压强保持不变C.混合气体的密度保持不变D.混合气体的平均摩尔质量保持不变②达平衡后,维持容器的温度不变,将容器的容积扩大一倍,下列说法正确的是(填序号)。

A.平衡向正反应方向移动B.CO的浓度增大C.平衡常数不变D.CO的物质的量增大③维持容器的体积和温度不变,向密闭容器中加入氦气,达到新平衡时,CO、CH3OH的浓度之比将(填“增大”“减小”或“不变”)。

④甲醇在混合气体中的平衡体积分数与温度、压强的变化关系如图:则p3p1(填“>”“<”或“=”);300℃、p3条件下,处于E点时v(正)v(逆)(填“>”“<”或“=”);C点的平衡常数K=。

答案:(1)90.2(2)①ABD②CD③不变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由于恒容时,反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)是一个气体分子数减小的反应,所以甲醇的体积分数保持不变,可以说明反应达到平衡状态,A项正确;由于恒容时,反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)是一个气体分子数减小的反应,所以容器内的总压强保持不变,可以说明反应达到平衡状态,B项正确;由于混合气体质量不变,容器容积不变,所以混合气体密度保持不变,不能说明反应达到平衡状态,C项错误;由于反应前后气体分子数不相等,质量相等,所以混合气体的平均摩尔质量保持不变,可以说明反应达到平衡,D项正确。②达平衡时,保持温度不变,容器体积扩大一倍,各组分浓度均减小,分压也减小,平衡向逆反应方向移动,A项错误;达平衡时,所有组分浓度均减小,B项错误;平衡常数只与温度有关,C项正确;平衡向左移动,CO物质的量增大,D项正确。③恒容时充入惰性气体,各组分分压并未改变,因此CO、CH3OH的浓度之比将不变;④从B→D,甲醇的体积分数减小,说明要达到D点平衡向左移动,所以p3<p1;从E→D,甲醇体积分数减小,说明要达到D点平衡,逆反应速率比正反应速率大,故v(正)<v(逆);C点平衡常数计算,设达到平衡时CO反应了xmol,列“三段式”计算:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)初始/mol 1 2 0反应/mol x 2x x平衡/mol 1x 22x x平衡时甲醇的体积分数为50%,则×100%=50%,x=0.75,K==48。7.丙烯是合成材料的重要原料,丙烷脱氢制取丙烯是目前常用方法之一。丙烷脱氢制丙烯的主要反应如下:直接裂解:C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)ΔH=+124kJ·mol1氧气氧化脱氢:2C3H8(g)+O2(g)2C3H6(g)+2H2O(g)ΔH=235kJ·mol1回答下列问题:(1)目前直接裂解是丙烷脱氢制取丙烯的常用方法。直接裂解时,下列条件有利于提高C3H8平衡转化率的是(填标号)。

A.高温低压 B.低温高压C.高温高压 D.低温低压(2)“氧气氧化脱氢”相比于“直接裂解”的优点是(列举1点)。

(3)一定压强下,向一恒容密闭容器中充入1molC3H8和1molCO2,平衡时各物质的物质的量与温度的关系如图所示;①在500~800K之间,主要发生的反应为;823K以上主要发生的反应为。

②一定压强下,向一密闭容器中充入一定量的C3H8和CO2发生反应:CO2(g)+C3H8(g)C3H6(g)+CO(g)+H2O(g)ΔH。C3H8的平衡转化率在不同投料比[m=]下与温度的关系如图所示:ΔH(填“<”或“>”)0;投料比从小到大的顺序为。

(4)丙烷分别在0.1MPa和p2MPa直接裂解,反应达到平衡时,丙烷和丙烯的物质的量分数随温度的变化关系如图所示:压强p2(填“<”或“>”)0.1;D为(填化学式);a点温度下裂解反应的平衡常数Kp=(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。

答案:(1)A(2)氧气氧化脱氢为放热反应,耗能少(3)①3CO2+C3H86CO+4H2C3H8C3H6+H2②>m3<m2<m1(4)<C3H80.0125MPa解析:(1)丙烷直接裂解是气体分子数增多的吸热反应,高温低压有利于平衡正向移动,可提高C3H8的平衡转化率,故选A。(2)氧气氧化脱氢为放热反应,耗能少。(3)①据图可知在500~800K之间,C3H6极少,主要产物为CO、H2,主要发生的反应为3CO2+C3H86CO+4H2;据图可知823K以上时C3H6的含量增多,而CO的含量基本不变,说明823K以上有利于直接裂解,主要发生的反应为C3H8C3H6+H2。②相同投料比时,随温度升高C3H8的平衡转化率增大,说明升高温度有利于该反应正向进行,则正反应为吸热反应,ΔH>0;相同温度下,当C3H8的量不变时,增大CO2的量平衡正向移动,C3H8的平衡转化率增大,所以m越大,C3H8的平衡转化率越大,则m3<m2<m1。(4)丙烷直接裂解反应为气体分子数增多的反应,增大压强平衡逆向移动,C3H8增多,所以p2<0.1;丙烷直接裂解反应为吸热反应,温度升高,平衡正向移动,C3H8减少,B、D为C3H8;设起始C3H8的物质的量为amol,则:C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)起始/mol a 0 0转化/mol x x x平衡/mol ax x xa点时C3H8的物质的量分数为50%,则=50%,x=;所以C3H8、C3H6、H2平衡分压分别为0.1MPa×、0.1MPa×、0.1MPa×,则Kp==0.0125MPa。8.合成气是一种重要的化工原料气,可以合成甲醇、甲酸甲酯、二甲醚等化工产品。甲烷、二氧化碳自热重整制合成气的主要反应有: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回答下列问题:(1)反应Ⅳ的ΔH4=kJ·mol1。

(2)一定条件下,向体积为VL的恒容密闭容器中通入2molCH4(g)、1molCO2(g)、1molH2O(g)和适量O2(g)发生上述反应,达到平衡时,容器中CH4(g)为amol,CO2(g)为bmol,H2O(g)为cmol,此时CO(g)的浓度为mol·L1(用含a、b、c、V的代数式表示,下同),反应Ⅳ的平衡常数为。

(3)不同温度下,向体积为VL的含少量O2的密闭容器按照n(CO2)∶n(CH4)=1∶1投料,实验测得平衡时n(H2)∶n(CO)随温度的变化关系如图1所示:①压强p1、p2、p3由大到小的顺序为,判断的依据是。

②压强为p2时,随着温度升高,n(H2)∶n(C