2025版高考化學一輪總復習真題演練第7章化學反應速率和化學平衡第25講化學平衡常數(shù)及轉(zhuǎn)化率的計算

第25講化學平衡常數(shù)及轉(zhuǎn)化率的計算命題分析近幾年高考常常與基本理論、工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)保相聯(lián)系，通過圖像或表格供應信息，考查轉(zhuǎn)化率、濃度平衡常數(shù)、壓強平衡常數(shù)、速率常數(shù)等相關(guān)的推斷和計算。真題演練1．(2024·湖南，13,3分)向一恒容密閉容器中加入1molCH4和確定量的H2O，發(fā)生反應：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)。CH4的平衡轉(zhuǎn)化率按不同投料比xeq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(x＝\f(nCH4,nH2O)))隨溫度的變更曲線如圖所示。下列說法錯誤的是(B)A．x1<x2B．反應速率：vb正<vc正C．點a、b、c對應的平衡常數(shù)：Ka<Kb＝KcD．反應溫度為T1，當容器內(nèi)壓強不變時，反應達到平衡狀態(tài)[解析]在恒溫恒容的化學平衡體系中，增大一種反應物的濃度會使另一種反應物的轉(zhuǎn)化率上升，而自身的轉(zhuǎn)化率降低。由題圖知，在相同溫度下投料比為x2的CH4平衡轉(zhuǎn)化率更低，說明投料比：x1<x2，A項正確；點b、c對應溫度相同，而點c投料比更大，則投入的n(H2O)更少，平衡時總壓強更小，反應速率更慢，反應速率：vc正<vb正，B項錯誤；化學平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，視察兩條曲線，隨著溫度的上升，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率增大，升溫平衡正向移動，K增大，點a溫度最低，點b、c溫度相同，故Ka<Kb＝Kc，C項正確；恒溫恒容條件下，化學平衡體系中各物質(zhì)均為氣態(tài)且反應前后氣體分子數(shù)不相等，容器內(nèi)壓強不變時可以說明反應達到平衡狀態(tài)，D項正確。2．(2024·新課標，29)氨是最重要的化學品之一，我國目前氨的生產(chǎn)實力位居世界首位?；卮鹣铝袉栴}：(1)依據(jù)圖1數(shù)據(jù)計算反應eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)=NH3(g)的ΔH＝－45kJ·mol－1。(ⅰ)N2(g)＋*Neq\o\al(*,2)(ⅱ)Neq\o\al(*,2)＋*2N*(ⅲ)H2(g)＋*Heq\o\al(*,2)(ⅳ)Heq\o\al(*,2)＋*2H*(ⅴ)N*＋H*NH*＋*……(…)NHeq\o\al(*,3)NH3(g)＋*圖2反應機理(2)探討表明，合成氨反應在Fe催化劑上可能通過圖2機理進行(*表示催化劑表面吸附位，Neq\o\al(*,2)表示被吸附于催化劑表面的N2)。推斷上述反應機理中，速率限制步驟(即速率最慢步驟)為ⅱ(填步驟前的標號)，理由是1個Neq\o\al(*,2)分子變?yōu)?個N*的能壘最大，反應最慢，為速率限制步驟。(3)合成氨催化劑前驅(qū)體(主要成分為Fe3O4)運用前經(jīng)H2還原，生成α-Fe包袱的Fe3O4。已知α-Fe屬于立方晶系，晶胞參數(shù)a＝287pm，密度為7.8g·cm－3。則α-Fe晶胞中含有Fe的原子數(shù)為eq\f(7.8×287×10－103×NA,56)(列出計算式，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA)。(4)在不同壓強下，以兩種不同組成進料，反應達平衡時氨的摩爾分數(shù)與溫度的計算結(jié)果如圖所示。其中一種進料組成為xH2＝0.75、xN2＝0.25，另一種為xH2＝0.675、xN2＝0.225、xAr＝0.10。(物質(zhì)i的摩爾分數(shù)：xi＝ni/n總)①圖中壓強由小到大的依次為p1<p2<p3，推斷的依據(jù)是正反應是氣體分子數(shù)減小的反應，同溫下，壓強越大平衡轉(zhuǎn)化率越大，xNH3越大。②進料組成中含有惰性氣體Ar的圖是圖4。③圖3中，當p2＝20MPa、xNH3＝0.20時，氮氣的轉(zhuǎn)化率α＝33.33%。該溫度時，反應eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)NH3(g)的平衡常數(shù)Kp＝eq\f(\r(3),36)MPa－1(化為最簡式)。[解析](1)依據(jù)圖1，eq\f(1,2)molN2(g)和eq\f(3,2)molH2(g)斷鍵吸取能量為473kJ＋654kJ＝1127kJ，形成1molNH3(g)放出能量為339kJ＋397kJ＋436kJ＝1172kJ，則ΔH＝(1127－1172)kJ·mol－1＝－45kJ·mol－1。(2)依據(jù)圖1和圖2分析，1molNeq\o\al(*,2)斷鍵轉(zhuǎn)化為2molN*須要946kJ的能量，1molH2斷鍵轉(zhuǎn)化為2molH*須要436kJ的能量，所以1個Neq\o\al(*,2)分子變?yōu)?個N*的能壘最大，反應最慢，為速率限制步驟。(3)晶胞參數(shù)a＝287pm，則晶胞體積為(287×10－10)3cm3，晶體密度為7.8g·cm－3，則晶胞質(zhì)量為7.8×(287×10－10)3g，設晶胞中Fe原子數(shù)為N，則eq\f(N,NA)×56＝7.8×(287×10－10)3，N＝eq\f(7.8×287×10－103NA,56)。(4)①工業(yè)合成氨為氣體分子數(shù)減小的反應，當溫度相同時，壓強越大，平衡時混合氣體中氨的摩爾分數(shù)越大，結(jié)合圖3或圖4均能得出壓強由小到大的依次為p1<p2<p3。②Ar不參與化學反應，含Ar的進料組成中H2、N2的分壓較小，導致平衡時混合氣體中氨的摩爾分數(shù)減小，結(jié)合兩圖可知，圖4表示進料組成中含有Ar的圖像。③結(jié)合p2＝20MPa、xNH3＝0.20，以及圖3對應的進料氣的組成，設進料氣中N2和H2分別為0.25mol和0.75mol，設達平衡時N2的轉(zhuǎn)化量為xmol，列三段式：eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)NH3(g)起始量/mol0.250.750變更量/molx3x2x平衡量/mol0.25－x0.75－3x2x則依據(jù)xNH3＝0.20得eq\f(2x,0.25－x＋0.75－3x＋2x)＝0.20，解得x＝eq\f(1,12)，則N2的轉(zhuǎn)化率α＝eq\f(\f(1,12),0.25)×100%≈33.33%。此時N2、H2、NH3對應的平衡分壓分別為eq\f(1,5)p2、eq\f(3,5)p2、eq\f(1,5)p2，則Kp＝eq\f(\f(1,5)p2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,5)p2))\f(1,2)·\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,5)p2))\f(3,2))，整理并代入p2＝20MPa得Kp＝eq\f(\r(3),36)MPa－1。本講要點速記：1．化學平衡常數(shù)的表達式及留意事項(1)表達式對于反應mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，K＝eq\f(cpC·cqD,cmA·cnB)。(2)三留意：①平衡常數(shù)表達式中的濃度必需為平衡濃度。②固體和純液體的濃度視為常數(shù)，通常不計入平衡常數(shù)表達式。③化學平衡常數(shù)只受溫度的影響，與反應物、生成物的濃度無關(guān)。2．化學平衡常數(shù)的三應用(1)推斷反應進行的程度。(2)推斷反應進行的方向和熱效應。(3)計算物質(zhì)的含量、轉(zhuǎn)化率、平衡濃度等。具體說明如下：①明確三個量——起始量、變更量、平衡量N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高溫、高壓),\s\do5(催化劑))2N