2-3化学平衡 同步作业 《化学（加工制造类）》同步教学 高教版

主题二 化学反应及其规律 第三节 化学平衡 同步作业 一、基础题（共60分） （一）选择题（每题3分，共30分） 1. 下列关于化学平衡的说法，正确的是（ ） A. 化学平衡是动态平衡，反应停止了 B. 达到化学平衡时，反应物和生成物的浓度一定相等 C. 达到化学平衡时，正反应速率等于逆反应速率，且不为零 D. 化学平衡状态只能从正反应方向建立 2. 下列反应中，属于可逆反应的是（ ） A. 2H₂ + O₂ = 2H₂O B. 2KClO₃=2KCl + 3O₂↑ C. CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ D. Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑ 3. 对于可逆反应 N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃，达到平衡状态的标志是（ ） A. 单位时间内生成1 mol N₂，同时生成3 mol H₂ B. 单位时间内生成2 mol NH₃，同时生成3 mol H₂ C. N₂、H₂、NH₃的浓度之比为1:3:2 D. 混合气体的密度保持不变 4. 下列因素中，能使化学平衡发生移动的是（ ） A. 加入催化剂 B. 改变反应容器的体积（反应前后气体分子数不变） C. 改变反应物的浓度 D. 改变反应体系的压强（反应前后气体分子数不变） 5. 对于可逆反应 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃（放热反应），下列措施中能使平衡向正反应方向移动的是（ ） A. 升高温度 B. 减小压强 C. 加入催化剂 D. 增大SO₂的浓度 6. 勒夏特列原理指出：如果改变影响平衡的一个条件（如浓度、温度、压强），平衡就会向能够减弱这种改变的方向移动。下列应用中，不符合勒夏特列原理的是（ ） A. 工业合成氨时，采用高压条件 B. 实验室用排饱和食盐水法收集氯气 C. 工业制硫酸时，在接触室中使用过量空气 D. 高温下分解碳酸钙制备生石灰 7. 对于可逆反应 A(g) + B(g) ⇌ C(g) + D(g)（吸热反应），下列说法中正确的是（ ） A. 升高温度，平衡向逆反应方向移动 B. 增大压强，平衡不发生移动 C. 增大A的浓度，平衡向逆反应方向移动 D. 加入催化剂，平衡向正反应方向移动 8. 下列关于化学平衡常数的说法，错误的是（ ） A. 化学平衡常数只与温度有关，与浓度、压强无关 B. 平衡常数越大，说明反应进行的程度越大 C. 平衡常数的表达式与反应方程式的书写形式有关 D. 催化剂能改变平衡常数的大小 9. 对于可逆反应 2NO₂ ⇌ N₂O₄（放热反应），下列措施中能使NO₂的转化率提高的是（ ） A. 升高温度 B. 减小压强 C. 加入N₂O₄ D. 增大压强 10. 工业上合成氨反应（N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ + 热量）中，为提高氨的产率，可采取的措施是（ ） A. 升高温度 B. 减小压强 C. 分离出氨 D. 加入催化剂 （二）填空题（每空2分，共20分） 1. 可逆反应是指在______条件下，既能向______方向进行，又能向______方向进行的反应；化学平衡状态是指在一定条件下，可逆反应的______速率等于______速率，反应物和生成物的浓度不再发生变化的状态。 2. 化学平衡的特征可概括为______、______、______、______和______（即“逆、等、动、定、变”）。 3. 影响化学平衡移动的外界因素主要有______、______和______；加入催化剂只能改变______，不能使化学平衡发生移动。 4. 对于可逆反应 2A(g) + B(g) ⇌ 2C(g)（放热反应），增大A的浓度，平衡向______方向移动；升高温度，平衡向______方向移动；增大压强，平衡向______方向移动。 5. 化学平衡常数K的表达式是用______浓度的化学计量数幂之积除以______浓度的化学计量数幂之积，K值越大，说明反应进行的______越大。 （三）判断题（每题1分，共10分） 1. 可逆反应达到平衡后，各物质的浓度不再发生变化，因此反应停止了。（ ） 2. 化学平衡移动的方向总是朝着减弱外界条件改变的方向。（ ） 3. 改变压强一定能使有气体参与的可逆反应的平衡发生移动。（ ） 4. 升高温度，放热反应的平衡常数减小，吸热反应的平衡常数增大。（ ） 5. 达到化学平衡时，反应物的转化率达到最大值。（ ） 6. 增大反应物的浓度，平衡向正反应方向移动，反应物的转化率一定提高。（ ） 7. 对于有气体参与的可逆反应，减小体积增大压强，平衡一定向气体分子数减少的方向移动。（ ） 8. 化学平衡常数的大小反映了化学反应进行的程度，与反应速率无关。（ ） 9. 可逆反应的平衡状态是唯一的，与建立平衡的途径无关。（ ） 10. 工业生产中，调控化学平衡的目的是提高目标产物的产率，降低生产成本。（ ） 二、提升题（共40分） （一）简答题（每题10分，共20分） 1. 请简述化学平衡的核心概念（可逆反应、平衡建立、平衡特征、平衡移动）及勒夏特列原理的内涵，结合具体反应（如工业合成氨反应 N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ + 热量）分析浓度、温度、压强对平衡的影响，说明化学平衡知识在加工制造类专业中的应用价值（至少一例），如工业合成工艺优化、材料制备条件调控等。 2. 结合加工制造类专业，分析化学平衡调控在催化反应工艺中的应用，以“工业制硫酸的接触室反应 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ + 热量”为例，说明影响平衡的因素（浓度、温度、压强）及工业调控措施，解释平衡调控与产物产率、生产效率的关联，说明该知识在化工材料生产中的指导意义（至少一例）。 （二）综合分析题（每题10分，共20分） 1. 化学平衡在加工制造领域的应用广泛，结合专业需求回答下列问题： （1）工业上用一氧化碳还原氧化铁炼铁的反应为 Fe₂O₃ + 3CO ⇌ 2Fe + 3CO₂（放热反应），分析该反应是否为可逆反应，说明温度、压强、CO浓度对平衡的影响（若为可逆反应），解释工业炼铁时采用高温条件的原因（从反应速率和平衡角度综合分析）； （2）某工厂在制备合成树脂的反应中，存在可逆反应 A(g) + 2B(g) ⇌ C(g)（吸热反应），为提高C的产率，可采取哪些措施（至少三种），说明每种措施的原理，分析措施对生产设备的要求（如压强对反应容器的耐压要求）； （3）在金属表面处理的电镀工艺中，电镀液中存在可逆反应 Mⁿ⁺ + nOH⁻ ⇌ M(OH)ₙ（M为镀层金属），分析pH变化对该平衡的影响，说明如何调控电镀液的pH以保证镀层质量（如避免生成氢氧化物沉淀），解释pH失控对电镀的不利影响； （4）工业上制备甲醇的反应为 CO(g) + 2H₂(g) ⇌ CH₃OH(g)（放热反应），写出该反应的平衡常数表达式，分析升高温度、增大压强、分离出CH₃OH对平衡的影响，说明工业上采用高压、低温条件的原因，解释实际生产中温度不能过低的理由； （5）某可逆反应 2X(g) + Y(g) ⇌ 2Z(g) 在一定条件下达到平衡，若向平衡体系中加入一定量的Y(g)，分析平衡移动方向、X的转化率变化、Y的转化率变化，说明该原理在工业配料中的应用（如如何提高贵重原料的转化率）。 2. 结合化学平衡知识与加工制造实际，回答下列问题： （1）为什么工业合成氨时采用“高压、低温、催化剂”的条件？结合勒夏特列原理和反应速率分析，写出合成氨的化学方程式，说明实际生产中温度不能过低、压强不能过高的原因（从设备成本、反应速率角度）； （2）在金属热处理的气体渗碳工艺中，存在可逆反应 CO₂ + C ⇌ 2CO（吸热反应），该反应为渗碳提供活性碳原子。分析温度、压强、CO₂浓度对平衡的影响，说明如何调控这些因素以提高渗碳效率，解释渗碳温度过高可能导致的问题（如金属晶粒粗大）； （3）工业上用纯碱溶液吸收SO₂制备亚硫酸钠的反应为 Na₂CO₃ + SO₂ ⇌ Na₂SO₃ + CO₂，该反应可视为可逆反应（一定条件下），分析增大SO₂浓度、升高温度对平衡的影响，说明如何提高SO₂的吸收率，解释该工艺在废气处理中的环保意义； （4）在陶瓷材料制备中，存在可逆反应 SiO₂ + 3C ⇌ SiC + 2CO↑（吸热反应），分析温度、压强对平衡的影响，说明采用高温、低压条件的原因，解释该反应对陶瓷材料性能（如硬度、耐高温性）的影响； （5）设计实验验证“浓度对化学平衡的影响”，以氯化铁与硫氰化钾的反应（FeCl₃ + 3KSCN ⇌ Fe(SCN)₃ + 3KCl）为例，写出实验方案、预期现象与结论，说明该实验结论在工业配料调控中的指导意义（至少一例）。 参考答案 一、基础题 （一）选择题 1. C 2. C 3. B 4. C 5. D 6. D 7. B 8. D 9. D 10. C （二）填空题 1. 相同；正反应；逆反应；正；逆 2. 逆（可逆反应）；等（正逆反应速率相等）；动（动态平衡）；定（浓度不变）；变（条件改变平衡移动） 3. 浓度；温度；压强；反应速率 4. 正反应；逆反应；正反应 5. 生成物；反应物；程度 （三）判断题 1. × 2. √ 3. × 4. √ 5. √ 6. × 7. √ 8. √ 9. × 10. √ 二、提升题 （一）简答题 1. 化学平衡核心概念、原理及专业应用： ① 核心概念及勒夏特列原理： 可逆反应：相同条件下正、逆反应同时进行的反应，反应物不能完全转化为生成物； 平衡建立：可逆反应开始时，正反应速率大于逆反应速率，随着反应进行，正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，当二者相等时，达到平衡状态； 平衡特征：逆（可逆反应）、等（v正=v逆≠0）、动（动态平衡）、定（浓度不变）、变（条件改变平衡移动）； 平衡移动：外界条件改变时，v正≠v逆，平衡向减弱条件改变的方向移动（勒夏特列原理）； 勒夏特列原理：改变影响平衡的一个条件，平衡会向能够减弱这种改变的方向移动，适用于所有动态平衡。 ② 实例分析（工业合成氨 N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ + 热量）： 浓度：增大N₂或H₂浓度，平衡向正反应方向移动，提高氨的产率；及时分离出NH₃，降低生成物浓度，平衡正向移动； 温度：该反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，氨的产率降低；降低温度平衡正向移动，但反应速率减慢； 压强：该反应正反应方向气体分子数减少（4→2），增大压强平衡正向移动，氨的产率提高；减小压强平衡逆向移动。 ③ 加工制造类专业应用价值：工业合成氨工艺中，通过调控条件优化平衡：采用高压（20~50 MPa）使平衡正向移动，提高产率；采用适宜温度（400~500℃）兼顾反应速率和平衡产率；加入催化剂加快反应速率，缩短达到平衡的时间；及时分离氨促使平衡持续正向移动。该原理同样适用于工业制甲醇、制硫酸等工艺，通过平衡调控提高目标产物产率，降低生产成本。 2. 化学平衡调控在制硫酸工艺中的应用： ① 接触室反应 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ + 热量的平衡影响因素及调控： 浓度：通入过量空气（O₂），增大反应物浓度，平衡正向移动，提高SO₂的转化率（工业上SO₂转化率可达98%以上）； 温度：该反应为放热反应，降低温度平衡正向移动，SO₃产率提高，但温度过低（<400℃）反应速率极慢；工业上控制在400~500℃，兼顾速率和产率； 压强：正反应气体分子数减少（3→2），增大压强平衡正向移动，SO₃产率提高；但高压对设备要求高，成本增加，工业上采用常压（或低压）条件，配合高转化率催化剂弥补压强不足。 ② 平衡调控与产率、效率的关联： 平衡正向移动：SO₃产率提高，原料利用率增加，降低生产成本； 反应速率优化：通过温度、催化剂调控，加快反应达到平衡的速率，提高单位时间内的产量，提升生产效率； 适宜条件：平衡调控需兼顾产率和速率，避免单一追求平衡产率导致生产效率低下。 ③ 化工材料生产指导意义：如工业制硫酸的后续吸收环节，SO₃与水反应生成硫酸（SO₃ + H₂O = H₂SO₄），该反应放热且存在溶解平衡，采用98.3%的浓硫酸吸收SO₃，可降低生成物浓度，促使平衡正向移动，提高吸收效率，避免形成酸雾导致吸收不完全。该平衡调控思路适用于各类化工材料制备，如涂料、树脂合成等，通过优化反应条件提高产物纯度和产率。 （二）综合分析题 1. 化学平衡在加工制造中的应用分析： （1）炼铁反应平衡分析：① 可逆性：该反应在高温下为可逆反应（常温下几乎不发生）；② 平衡影响：1. 温度：放热反应，升高温度平衡逆向移动，CO转化率降低；2. 压强：反应前后气体分子数不变（3→3），改变压强平衡不移动；3. CO浓度：增大CO浓度，平衡正向移动，Fe₂O₃还原更充分；③ 高温条件原因：虽然高温使平衡逆向移动，但能显著加快反应速率，缩短冶炼时间，提高生产效率；同时高温下CO的还原性增强，实际生产中通过及时排出CO₂、补充CO，维持反应正向进行。 （2）合成树脂反应平衡调控：① 提高C产率的措施及原理：1. 升高温度（吸热反应，平衡正向移动）；2. 增大压强（正反应气体分子数减少，平衡正向移动）；3. 增大B的浓度（提高A的转化率，平衡正向移动）；4. 及时分离出C（降低生成物浓度，平衡正向移动）；② 设备要求：增大压强需反应容器具备较高的耐压性能（如不锈钢高压釜），升高温度需容器具备耐高温、耐腐蚀特性，增加设备制造成本和维护难度。 （3）电镀液平衡调控：① pH影响：该反应为Mⁿ⁺ + nOH⁻ ⇌ M(OH)ₙ，增大pH（加入碱）平衡正向移动，生成M(OH)ₙ沉淀；降低pH（加入酸）平衡逆向移动，沉淀溶解；② pH调控：电镀时需控制电镀液为弱酸性或中性，避免pH过高生成氢氧化物沉淀，导致镀层出现麻点、脱落；可加入缓冲溶液（如醋酸-醋酸钠）稳定pH；③ pH失控的影响：pH过高，镀层金属离子形成沉淀，无法沉积形成均匀镀层；pH过低，金属阳极溶解过快，电镀液浓度不稳定，镀层厚度不均。 （4）甲醇合成平衡分析：① 平衡常数表达式：K = [CH₃OH]/([CO]·[H₂]²)；② 条件影响：1. 升高温度：放热反应，平衡逆向移动，K减小；2. 增大压强：正反应气体分子数减少，平衡正向移动；3. 分离出CH₃OH：平衡正向移动；③ 工业条件原因：高压（10~30 MPa）使平衡正向移动，提高甲醇产率；低温有利于平衡正向移动，但反应速率极慢；④ 实际温度控制：采用400~500℃，配合铜基催化剂加快反应速率，兼顾平衡产率和生产效率，避免温度过低导致生产周期过长。 （5）平衡移动与原料转化率：① 平衡移动：加入Y(g)，平衡向正反应方向移动；② 转化率变化：X的转化率提高（Y浓度增大，促进X的反应）；Y的转化率降低（加入的Y不能完全转化）；③ 工业配料应用：工业生产中，对于贵重原料（如稀有金属化合物），可加入过量廉价原料（如常见金属离子、酸、碱），提高贵重原料的转化率，降低成本；如制备含贵金属的催化剂时，加入过量的载体原料，使贵金属完全反应，提高利用率。 2. 化学平衡与加工制造实际应用分析： （1）合成氨条件分析：① 化学方程式：N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ + 热量；② 条件原理：1. 高压：正反应气体分子数减少，平衡正向移动，提高氨产率；2. 低温：放热反应，平衡正向移动，但反应速率慢；3. 催化剂：加快反应速率，缩短平衡时间；③ 实际限制：1. 温度不能过低（<400℃）：反应速率极慢，生产效率低下，无法满足工业量产需求；2. 压强不能过高（>50 MPa）：设备耐压要求极高，制造成本和能耗大幅增加，存在安全隐患；工业上采用“高压、适宜温度、催化剂”的折中方案。 （2）气体渗碳平衡调控：① 平衡影响：1. 温度：吸热反应，升高温度平衡正向移动，CO浓度增大，渗碳活性提高；2. 压强：正反应气体分子数增加（1→2），减小压强平衡正向移动；3. CO₂浓度：增大CO₂浓度，平衡正向移动，提供更多活性碳原子；② 调控措施：采用高温（900~1100℃）、低压条件，通入足量CO₂，提高渗碳效率；③ 高温问题：渗碳温度过高（>1100℃），金属晶粒会粗大，导致金属材料硬度、韧性下降，影响热处理质量。 （3）纯碱吸收SO₂平衡分析：① 条件影响：1. 增大SO₂浓度：平衡正向移动，提高SO₂吸收率；2. 升高温度：该反应为放热反应（实际反应放热），升高温度平衡逆向移动，SO₂吸收率降低；② 吸收率提高：采用低温、足量纯碱溶液、增大SO₂与溶液的接触面积（如喷淋吸收），提高SO₂吸收率；③ 环保意义：该工艺可有效处理工业废气中的SO₂，减少酸雨污染，同时制备亚硫酸钠副产品，实现废物资源化。 （4）陶瓷制备平衡分析：① 条件影响：1. 温度：吸热反应，升高温度平衡正向移动，SiC和CO产量增加；2. 压强：正反应气体分子数增加（3→2），减小压强平衡正向移动，CO气体易排出，促进反应进行；② 条件选择：采用高温（1500~2000℃）、低压（或常压）条件，使反应充分进行；③ 材料性能影响：生成的SiC为耐高温、高硬度的陶瓷材料，CO气体排出后形成致密结构，提高陶瓷的硬度、耐高温性和耐磨性，适用于制造高温炉具、机械密封件。 （5）浓度对平衡影响的实验设计：① 实验方案：取一支试管，加入5 mL 0.1 mol/L FeCl₃溶液和5 mL 0.1 mol/L KSCN溶液，振荡均匀，观察溶液呈血红色（Fe(SCN)₃）；向试管中加入2 mL 0.1 mol/L FeCl₃溶液，振荡，观察溶液颜色变化；再向试管中加入2 mL 0.1 mol/L KSCN溶液，振荡，观察颜色变化；② 预期现象：加入FeCl₃或KSCN溶液后，溶液血红色加深；③ 结论：增大反应物浓度，平衡向正反应方向移动；④ 工业指导意义：工业配料中，如制备染料、涂料时，可通过增大某一廉价原料的浓度，促使平衡正向移动，提高目标产物的产量和纯度；如制备偶氮染料时，加入过量的芳香胺类原料，提高重氮盐的转化率，保证染料的色泽和浓度。 学科网（北京）股份有限公司 $