第3讲 化学平衡常数 化学反应的方向课件-2027届高考化学一轮复习

该高中化学高考复习课件聚焦“化学反应速率和化学平衡”专题，覆盖化学平衡常数、反应方向、反应调控及压强平衡常数等高考核心考点，依据新课标要求对接“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”素养，通过课标要求与学业质量标准分析，明确平衡常数计算、反应方向判断等高频题型的考查权重，构建系统复习框架。 课件亮点在于“典题引路+方法归纳+素养提升”的备考设计，如以平衡常数计算为例，通过“三段式”法解析浓度商与平衡常数比较判断反应方向，培养科学思维与证据推理能力。特设高频考点压强平衡常数专题训练，结合工业合成氨条件调控实例，帮助学生掌握答题技巧，教师可据此精准突破考点，助力高效复习。

第七章 化学反应速率和化学平衡 第3讲 化学平衡常数 化学反应的方向 1 知识点一 化学平衡常数及其应用 知识点二 化学反应的方向 知识点三 化学反应的调控 高频考点（十一） 压强平衡常数 2 课标要求 学科素养 学业质量 标准 1.能理解化学平衡常数的含 义，并书写表达式。 2.能运用平衡常数和浓度商的 大小关系判断化学反应是否 达到平衡，及平衡移动的方 向。 1.宏观辨识与微观探析：能从化学平衡常数 角度分析化学反应；能多角度、动态地分 析化学反应中有关物质的转化率，运用化 学反应原理解决实际问题。 水平2 水平3 水平4 3 课标要求 学科素养 学业质量 标准 3.理解熵和熵变，了解自由 能，并能结合自由能判断化 学反应的方向。 4.能从限度、速率等多角度对 化学反应和化工生产条件进 行综合分析、选择和优化。 2.证据推理与模型认知：知道可通过分析、 推理等方法认识化学平衡的本质特征，建 立模型；能运用模型，解释化学现象，揭 示其本质和规律。 3.科学态度与社会责任：具有可持续发展意 识和绿色化学观念，能运用平衡原理对化 工生产中的问题做出正确的选择和优化。 续表 4 知识点一 化学平衡常数及其应用 5 1.平衡常数的概念 在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂 之积的比值是一个常数，用符号___表示。 6 2.平衡常数的表达式 （1）对于反应<m></m>，<m> 。 注意：在平衡常数的表达式中，只包括气体和溶液中各物质的浓度，而不包括固体或 纯液体。 （2）根据“三段式”法——起始量、变化量、平衡量，计算出平衡体系中各有关物质的 物质的量或物质的量浓度，然后代入平衡常数表达式，计算<m></m>。 </m> 　 　 7 （3）平衡常数与方程式的关系 ①在相同温度下，对于给定的可逆反应，正、逆反应的平衡常数互为 ，即 。 ②方程式乘以某个系数，则平衡常数变为原来的 。 ③两方程式相加得总方程式，则总方程式的平衡常数等于两个分方程式平衡常数的 ，即 。 倒数 　 　 　 　 次方 　 　 乘积 　 　 　 　 8 3.平衡常数的意义及影响因素 （1） 越大，正反应进行的程度越大，平衡时反应物的转化率越大。 （2） 只受______影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。 （3）化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。 温度 9 4.平衡常数的应用 （1）判断、比较可逆反应进行的程度 一般来说，一定温度下的一个具体的可逆反应： 正反应进行的程度 平衡时生成物浓度 平衡时反应物浓度 平衡时反应物 转化率 越大 越大 越大 越小 越高 越小 越小 越小 越大 越低 K的大小与反应程度的关系: 反应程度 反应很难进行 反应可逆 反应接近完全 10 （2）判断正在进行的可逆反应是否达到平衡或反应进行的方向 对于可逆反应：，浓度商 ，将浓度商和 平衡常数作比较可判断可逆反应所处的状态。 反应向正反应方向进行 反应处于平衡状态（反应达到限度） 反应向逆反应方向进行 11 （3）判断可逆反应的热效应 ①升高温度：增大 正反应为______反应；减小 正反应为______反应。 ②降低温度：增大 正反应为______反应；减小 正反应为______反应。 （4）计算平衡体系中的相关量 根据相同温度下，同一反应的平衡常数不变，计算反应物或生成物的浓度、转化率等。 吸热 放热 放热 吸热 12 典题引路 【视角一】 平衡常数及影响因素——宏观辨识与微观探析素养水平3要求； 证据推理与模型认知素养水平3要求。 例1 恒容密闭容器中1 mol C2H5OH和一定量H2O反应:C2H5OH（g）+3H2O（g）2CO2（g）+6H2（g）。按投料比x为1∶3或1∶3.5投料，C2H5OH的平衡转化率与温度关系如图。下列说法正确的是（　　） A.x2=1∶3 B.反应速率:va正>vb正 C.点a、b、c对应的化学平衡常数:Ka=Kb<Kc D.当混合气体的密度不变时，该反应达到平衡状态 B 13 [素养点拨] 能从原子、分子水平分析常见物质及其反应的微观特征；能通过定性分析和定量计算推出合理的结论；能认识物质及其变化的理论模型和研究对象之间的异同。 [解析] 相同温度下，比值越大，乙醇转化率越小，图像分析可知乙醇平衡转化率为:x1<x2，故x2=1∶3.5，A错误；b点和a点温度相同，乙醇的起始物质的量都为1 mol，a点x值小于b点，则a点加水多，反应物浓度大，则反应速率:va正>vb正，B正确；升高温度，乙醇转化率增大，说明反应为吸热反应，升高温度平衡常数增大，则Kc<Kb=Ka，C错误；反应前后均为气体且恒容，混合气体的密度始终不变，故混合气体的密度不变时，不能说明该反应达到平衡状态，D错误。 14 【举一反三】 1.化学兴趣小组拟采用下述方法来测定I−（aq）+I2（aq）（aq）的平衡常数: 已知:①实验在室温条件下进行。 ②I-和不溶于CCl4。 ③一定温度下，碘单质在CCl4和水的混合液体中，浓度比值是一个常数，称为分配系数，用Kd表示。室温条件下Kd=85。 ④实验中溶液体积的微小变化忽略不计。 15 上述实验中测得:上层液体中c（）=0.049 mol/L，下层液体中c（I2）=0.085 mol/L。结合上述信息以及实验数据，可知上层液体中c（I2）=　　　mol/L。计算室温条件下I−（aq）+I2（aq）（aq）的平衡常数K=　　　　（结果保留整数）。  0.001 961 16 [解析] KI溶液中加入I2，发生反应I2+I−，完全溶解后加入CCl4静置分液，CCl4的密度大于H2O，因此上层液体为水相，下层液体为有机相。平衡常数只受温度的影响，CCl4的密度大于水，下层为I2（CCl4），上层为I2（H2O），根据Kd可推出=Kd，代入数值，计算出c[I2（HO）]=0.001 mol/L，即上层液体中c（I2）=0.001 mol/L，10 mL 水溶液中c（）=0.049 mol/L，物质的量为0.000 49 mol，反应的I−的物质的量为0.000 49 mol，平衡时I−的物质的量为（0.1×0.01−0.000 49）mol=0.000 51 mol，则c（I−）=0.051 mol/L，则K=≈961。 17 【视角二】 平衡常数的应用——学业质量水平4-2要求；变化观念与平衡 思想素养水平3要求。 例2 恒压下，向密闭容器中充入一定量的CH3OH（g）和CO（g），发生如下反应: 主反应:CH3OH（g）+CO（g）CH3COOH（g） 副反应:CH3OH（g）+CH3COOH（g）CH3COOCH3（g）+H2O（g）　ΔH 在不同温度下，反应达到平衡时，测得两种含碳产物的分布分数δ[δ（CH3COOH）=]随投料比x[x=]的变化关系如图所示，下列说法正确的是（　　） 18 A.ΔH>0 B.曲线a代表乙酸的分布分数 C.CO的平衡转化率:L点小于M点 D.L、M、N三点的平衡常数:K（N）>K（M）=K（L） √ 19 [解析] 投料比x=，则x越大，可看成CH3OH固定量时一直增大CO的量，则对于主反应来说生成的CH3COOH越多，δ（CH3COOH）逐渐增大，则剩余的CH3OH越来越少，生成的CH3COOCH3越来越少，δ（CH3COOCH3）逐渐降低，则曲线a和曲线b表示δ（CH3COOH），曲线c和曲线d表示δ（CH3COOCH3），据此分析解答。当同一投料比时，观察可知T1时δ（CH3COOCH3）大于T2时δ（CH3COOCH3），由T2>T1可知，温度越高时δ（CH3COOCH3）越小，说明温度升高副反应的平衡逆向移动，正反应放热，即ΔH<0，A错误；根据分析可知，曲线a和曲线b表示δ（CH3COOH），B正确；投料比L点小于M点，对于CO来说，投料比越大，可看成CH3OH固定量时一直增大CO的量，则CO的转化率越来越低，因此CO的平衡转化率:L点大于M点，C错误；L、 M、N三点对应的都是副反应，L和M的温度相同，则平衡常数相同，则有K（M）=K（L），由于T2>T1且ΔH<0，升高温度副反应的平衡逆向移动，则平衡常数减小，因此得到:K（N）<K（M）=K（L），D错误。 20 【举一反三】 2.查阅资料得知：（Ⅰ）完全断开、、 分子中的化学键所需最低能量分别 为、、； （Ⅱ） 时，反应①、②、③的化学方程式及平衡常数如下： 下列说法不正确的是( ) B A.分解反应的平衡常数为 B.根据的值可知常温下和很容易发生反应生成 C.升高温度，反应②、③平衡常数的变化趋势与①的相反 D.常温下，、、分别发生分解反应生成的倾向顺序为 21 [解析] NO分解反应NO（g）N2（g）+O2（g）的平衡常数为==1×1015，A正确；K3的值很大，说明反应③正向进行的热力学趋势很大，但CO与O2的反应需要在点燃条件下才能进行，B错误；完全断开1 mol NO、O2、N2分子中的化学键所需最低能量分别为632 kJ、498 kJ、946 kJ，ΔH1=反应物总键能-生成物总键能=（946+498-2×632）kJ/mol=+180 kJ/mol，反应①是吸热反应，反应②、③是放热反应，升高温度，反应①平衡正向移动，反应②、③平衡逆向移动，所以反应②、③平衡常数的变化趋势与①的相反，C正确；逆反应的平衡常数为正反应平衡常数的倒数，所以常温下，NO、H2O、CO2分别发生分解反应生成O2的倾向顺序为NO>H2O>CO2，D正确。 22 3.回答下列问题。 （1）已知在448 ℃时，反应H2（g）+I2（g）2HI（g）的平衡常数K1为49，则该温度下反应H2（g）+I2（g）HI（g）的平衡常数K2为　　　　 　。  7 [解析] 448 ℃时，平衡常数K1=，该温度下反应H2（g）+I2（g）HI（g）的平衡常数K2===7。 23 （2）在一定体积的密闭容器中进行如下化学反应:CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g），其化学平衡常数（K）和温度（t）的关系如表所示: t/℃ 700 800 830 1 000 1 200 K 0.6 0.9 1.0 1.7 2.6 ①该反应的化学平衡常数表达式为K=　　　　　　　 　。  [解析] 该反应的化学平衡常数表达式为K=。 24 ②该反应为　　　 　（填“吸热”或“放热”）反应。  吸热 [解析]根据表中化学平衡常数（K）和温度（t）的关系可知，随着温度升高，平衡常数K增大，平衡正向移动，则该反应为吸热反应。 25 ③某温度下，平衡浓度符合下式:c（CO2）·c（H2）=c（CO）·c（H2O），试判断此时的温度为　　 　℃。  830 [解析]由c（CO2）·c（H2）=c（CO）·c（H2O）得=K=1，此时温度为830 ℃。 26 ④在800 ℃时，发生上述反应，某时刻测得容器内各物质的浓度分别为c（CO2）=2 mol·L-1，c（H2）=1.5 mol·L-1，c（CO）=1 mol·L-1，c（H2O）=3 mol·L-1，则下一时刻，反应将　　　（填“正向”或“逆向”）进行。  逆向 [解析]800 ℃时反应浓度商Q===1，K<Q，下一时刻反应逆向进行。 27 ⑤若要提高CO2平衡转化率，可采取的措施有___________________________　 　　　　　　　　　　　 （任写一条）。 升高温度（或增大氢气浓度） [解析]该反应为吸热反应，可通过升高温度或增加反应物氢气的浓度提高二氧化碳平衡转化率。 28 【视角三】 连续反应平衡常数的计算——学业质量水平4-2要求；变化观 念与平衡思想素养水平3要求。 例3 加热，依次发生的分解反应为： ; 。 在容积为的密闭容器中充入，加热到 ，达到平衡状态后为 ，为，则 时反应①的平衡常数为( ) B A.10.7 B.8.5 C.9.6 D.10.2 29 [解析] 方法一：设的转化浓度为，的转化浓度为 。 根据题意得，所以， ； 30 反应①的平衡常数为 。 方法二:2 L的密闭容器中充入8 mol N2O5，根据元素守恒可知N有16 mol、O有40 mol， 加热到t ℃，达到平衡状态后O2为9 mol，N2O3为3.4 mol，设N2O5为x mol，N2O为y mol， 则2x+2y+3.4×2=16、5x+y+3.4×3+9×2=40，得出N2O5为1.8 mol。所以反应①的平衡常数 为K===8.5。 【举一反三】 4.二氧化碳加氢制甲醇过程中的主要反应（忽略其他副反应）为: ①CO2（g）+H2（g）==CO（g）+H2O（g）　ΔH1=+41.2 kJ·mol-1 ②CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）　ΔH2 225 ℃、8×106 Pa下，将一定比例CO2、H2混合气匀速通过装有催化剂的绝热反应管。装置及L1、L2、L3…位点处（相邻位点距离相同）的气体温度、CO和CH3OH的体积分数如图所示。下列说法正确的是（　　） 32 A.L4处与L5处反应①的平衡常数K相等 B.反应②的焓变ΔH2>0 C.L6处的H2O的体积分数大于L5处 D.混合气从起始到通过L1处，CO的生成速率小于CH3OH的生成速率 √ 33 [解析] L4处与L5处的温度不同，故反应①的平衡常数K不相等，A错误；由图像可知，L1~L7温度升高，该装置为绝热反应管，反应①为吸热反应，所以反应②为放热反应，ΔH2<0，B错误；从L5到L6，甲醇的体积分数逐渐增大，说明反应②在向右进行，反应②消耗CO，而CO体积分数没有明显变化，说明反应①也在向右进行，反应①为气体分子数不变的反应，其向右进行时， n（H2O）增大，反应②为气体分子数减小的反应，且没有H2O的消耗与生成，故n（总）减小而n（H2O）增加，即H2O的体积分数会增大，则L6处的H2O的体积分数大于L5处，C正确；L1处CO的体积分数大于CH3OH，说明生成的CO的物质的量大于CH3OH，两者反应时间相同，说明CO的生成速率大于CH3OH的生成速率，D错误。 34 知识点二 化学反应的方向 35 1.自发反应 （1）含义 在一定条件下，不需要借助光、电等外力作用就能自发进行的反应称为自发反应。 （2）特点 36 2.化学反应的方向 （1）判据 37 （2）判断化学反应自发性的方法综述 焓变 熵变 反应在某状况下能否自发进行 能自发进行 不能自发进行 取决于温度，低温自发 取决于温度，高温自发 38 自由能变化与焓变、熵变的关系：。 不仅与焓变、熵变有关，还与 温度有关。 结论：自发反应的方向与焓变和熵变有关，但焓变和熵变又都不能单独作为判断反应 自发进行方向的依据。要判断反应自发进行的方向，必须综合考虑体系的焓变和熵变， 也就是一般用体系的自由能变化 来判断。 39 小提示 （1）熵:衡量体系混乱程度的物理量，符号为，单位为 。 （2）对于一个特定的气相反应，熵变的大小取决于反应前后的气体物质化学计量 数的大小。 （3）复合判据计算时要注意单位换算。 . . 40 典题引路 【视角一】 化学反应的焓变和熵变的判断——宏观辨识与微观探析素养 水平3要求；变化观念与平衡思想素养水平4要求。 例1 发展绿色甲醇产业有助于减少温室气体排放和空气污染。“零碳甲醇燃料”燃烧[2CH3OH（g）+3O2（g）==2CO2（g）+4H2O（g）]的过程中焓变和熵变均正确的是（　　）　　　　　　　　　　　 　　　　　 A.ΔH>0，ΔS<0 B.ΔH<0，ΔS<0 C.ΔH>0，ΔS>0 D.ΔH<0，ΔS>0 D [解析] 甲醇的燃烧反应为熵增的放热反应，反应ΔH<0、ΔS>0，故选D。 41 【举一反三】 1.工业上利用CO和H2O制备H2，利用计算机模拟CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）的反应历程如下，其中吸附在Pt/SiO2催化剂表面用“*”标注，TS表示过渡态。下列说法不正确的是（　　） A.该反应的正反应活化能小于逆反应活化能 B.反应历程中反应速率最快步骤的化学方程 式为*OH+*H==H2O C.该反应是吸热反应 D.使用催化剂可提高单位时间内原料气的转化率 C 42 [解析] 从始、末状态可知，该反应是放热反应。将图中信息整理得到（因部分H2从未参与反应，故省略）反应历程为: H2（g）==*H+H2（g）（吸附在催化剂表面） CO2（g）+*H==*HOCO（历经过渡态TS1） *HOCO==*CO+*OH（历经过渡态TS2） H2（g）==*H（吸附在催化剂表面） *OH+*H==H2O（g）（历经过渡态TS3） *CO==CO（g）（脱离催化剂表面） 该反应为放热反应，正反应活化能小于逆反应活化能，A正确，C错误；反应历程中反应速率最快步骤为活化能最小的那步，即*OH+*H==H2O，B正确；反应未达平衡时，使用催化剂可提高单位时间内原料气的转化率，D正确。 43 【视角二】 化学反应自发性的判断——宏观辨识与微观探析素养水平3要 求；变化观念与平衡思想素养水平4要求。 例2 环己烷（C6H12）有椅式、半椅式、船式、扭船式等多种结构，在一定温度和压强下不同结构的能量不同，它们的相对能量如图所示。下列说法错误的是（　　） 44 A.相同条件下，椅式结构最稳定 B.一定条件下，扭船式→椅式是自发的 C.C6H12经过椅式→扭船式→船式，ΔH=−28.9 kJ·mol-1 D.椅式转化成扭船式正反应的活化能大于逆反应的活化能 √ [解析] 相同条件下椅式结构能量最低，最稳定，A正确；扭船式结构转化成椅式结构要释放能量，ΔH<0，一定条件下可自发转化，B正确；C6H12经过椅式→扭船式→船式，ΔH=+28.9 kJ·mol-1，C错误；椅式转化成扭船式是吸热反应，ΔH>0，正反应的活化能大于逆反应的活化能，D正确。 45 【举一反三】 2.CO2的回收与利用是科学家研究的热点课题，可利用CH4与CO2制备“合成气”（CO、H2）， 科学家提出制备“合成气”反应历程分两步: 反应①:CH4（g）C（ads）+2H2（g） 反应②:C（ads）+CO2（g）==2CO（g） 上述反应中C（ads）为吸附性活性炭，反应历程的能量变化如图所示。 46 （1）关于该反应历程说法正确的是　　 　（填标号）。  A.反应①在高温下不能自发进行 B.反应②始终能自发进行 C.反应①是决定总反应快慢的一步 D.反应②活化能为E5 kJ·mol-1 C 47 [解析] 由能量变化图可知，反应①反应物总能量低于生成物总能量，该反应为吸热反应，ΔH>0，反应的熵变ΔS>0，根据ΔG=ΔH−TΔS，高温下TΔS可能大于ΔH，则ΔG<0，反应能自发进行，A错误；由能量变化图可知，反应②反应物总能量低于生成物总能量，该反应为吸热反应，ΔH>0，反应的熵变ΔS>0，根据ΔG=ΔH − TΔS，低温下TΔS较小，ΔG>0，反应不能自发进行，B错误；总反应的快慢是由慢反应决定的，活化能越大，反应速率越慢，由图可知反应①的活化能大于反应②的活化能，所以反应①是决定总反应快慢的一步，C正确；由图可知，反应②的活化能为（E5 − E2） kJ·mol-1，D错误。 48 （2）写出CH4与CO2制备“合成气”的热化学方程式: ____________________________________________________________。 CH4（g）+CO2（g）==2CO（g）+2H2（g）　ΔH=（E3-E1） kJ·mol-1 [解析]由图中信息可知，CH4与CO2制备“合成气”的热化学方程式为CH4（g）+CO2（g）==2CO（g）+2H2（g）　ΔH=（E3-E1） kJ·mol-1。 49 知识点三 化学反应的调控 50 1.控制反应条件的目的 （1）促进有利的化学反应进行：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反 应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。 （2）抑制有害的化学反应进行：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少 甚至消除有害物质的产生或抑制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。 51 2.控制反应条件的基本措施 （1）控制化学反应速率的措施 通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强（或浓度）、固体的表面积以及 使用催化剂等措施控制反应速率。 （2）提高转化率的措施 通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强（或浓度）等可提高转化率。 52 3.选择适宜生产条件的原则 外界 条件 有利于增大反应速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果 浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物 催化剂 加合适的催化剂 不需要 加合适的催化剂 温度 高温 ΔH<0 低温 ΔH>0 高温 压强 高压（有气体参加） 反应后气体体积减小的反应 高压 53 4.工业合成氨反应的适宜条件 （1）理论分析 增大合成氨的反应速率和提高平衡混合物中氨的含量对反应条件的要求不完全相同： 对合成氨反应的影响 影响因素 浓度 温度 压强 催化剂 增大合成氨的反应速率 ________________ ______ ______ 使用 提高平衡混合物中氨的含量 _____________________ ____________ ______ ______ _______ 增大反应物浓度 高温 高压 增大反应物浓度、减小生成物浓度 低温 高压 无影响 54 （2）实际工业合成氨分析 55 ①工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其热化学方程式如下： 思考:结合反应的化学方程式分析哪些措施可以提高合成氨的反应速率?哪些措施可以提高氮气或氢气的转化率? 提示:升高温度、增大压强、增大反应物的浓度、使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度或减小生成物浓度等有利于提高氮气或氢气的转化率。 56 ②工业合成氨中，使用铁触媒作催化剂。 a.铁触媒加快化学反应速率的原因:使用铁触媒作催化剂改变了反应历程，降低了反应的活化能，增加了活化分子的百分数，有效碰撞的次数增加，反应速率加快。 b.铁触媒能提高氢气的平衡转化率吗? 判断并简述理由:____________________ _______________。  c.铁触媒能提高反应混合物中氨的体积分数吗?判断并说明理由:_____________ ____________________________________________________________________。 ③合成氨时选择500 ℃而不采用常温主要考虑　 　因素，500 ℃时催化剂的催化活性最好。  不能。因为催化剂对 化学平衡无影响 能。因为实际 合成氨过程在非平衡状态下进行，反应速率大，单位时间里生产的氨气的量多 速率 57 ④合成氨时一般采用的压强为10 MPa~30 MPa的原因:合成氨时增大压强尽管可以同时提高反应速率和反应物的转化率。但是，压强越大，对材料的强度和设备的要求也越高，增加生产投资将降低综合经济效益。故一般采用的压强为10 MPa~30 MPa。 ⑤合成氨工业中，为提高反应物的转化率，还可采取的措施:使氨气变成液氨并及时分离，分离后的原料气循环使用。 58 ⑥综合考虑——选择适宜的生产条件 a.温度:400~500 ℃。 b.压强:10 MPa~30 MPa。 c.投料比:=。 d.以铁触媒作催化剂。 e.采用循环操作提高原料利用率。 典题引路 【视角一】 根据图像信息选择适宜生产条件——变化观念与平衡思想素 养水平3要求。 例1 中国是世界上最大的合成氨生产国之一，合成氨反应原理:N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）　ΔH=−92.4 kJ·mol-1，反应流程如图所示。下列说法正确的是（　　） 60 A.合成塔中充入的N2越多，N2的转化率越大 B.使用催化剂，可提高合成氨的生成速率和平衡产率 C.及时分离出液氨，可提高原料的利用率 D.实际生产中，常采用低温、超高压的条件提高氨产率 √ 61 [解析] 制取的原料气主要含有N2、H2，以及CO等杂质气体，净化时，除去杂质气体，防止催化剂中毒，将N2、H2经压缩机压缩成高压气体，在合成塔中发生反应:N2（g）+3H2（g）2NH3（g），及时分离出液氨，促进平衡正向移动，据此分析解题。合成塔中充入的N2越多相当于增大N2浓度，平衡向正反应方向移动，但N2的转化率减小，A错误；使用催化剂，化学反应速率加快，但平衡不移动，氨气的平衡产率不变，B错误；及时分离出液氨，生成物氨气的浓度减小，平衡向正反应方向移动，反应物的转化率增大，原料的利用率增大，C正确；为提高合成氨的综合效益，实际生产中，常采用适宜高温、适宜高压的条件提高氨产率，D错误。 62 【举一反三】 1.含氮化合物在现代工业、环境治理中有重要地位。请回答下列有关问题: （1）用CH4催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。已知: ①CH4（g）+4NO2（g）==4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）　ΔH=−574 kJ/mol ②CH4（g）+4NO（g）==2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）　ΔH= − 1 160 kJ/mol ③H2O（g）==H2O（l）　ΔH= − 44 kJ/mol 写出CH4（g）与NO2（g）反应生成N2（g）、CO2 （g）和H2O（l）的热化学方程式: ________________________________________________________________。 CH4（g）+2NO2（g）==N2（g）+CO2（g）+2H2O（l）　ΔH= − 955 kJ/mol 63 [解析] 用CH4催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物的污染。已知: ①CH4（g）+4NO2（g）==4NO（g）+CO2（g）+2H2O（g）　ΔH= − 574 kJ/mol ②CH4（g）+4NO（g）==2N2（g）+CO2（g）+2H2O（g）　ΔH= − 1 160 kJ/mol ③H2O（g）==H2O（l）　ΔH= − 44 kJ/mol 根据盖斯定律:（①+②）+③×2得CH4（g）+2NO2（g）==N2（g）+CO2（g）+2H2O（l）　ΔH=×（ − 574 − 1 160） kJ/mol − 44 kJ/mol×2= − 955 kJ/mol。 64 （2）不同催化剂下合成氨反应的历程如下图所示，吸附在催化剂表面的物种用“*”表示。由图可知，使用催化剂A时，决速步骤的产物是　　　　。合成氨工业上采取了10~30个大气压、400~500 ℃的高温环境，请从速率或平衡的角度解释原因: ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ___________________________。 *NNH 要使平衡向正反应方向移动，应降低温度、增大压强；压强越大越好，但考虑成本压强选择10~30个大气压；温度过低反应速率过小，不利于工业生产效益；温度越高，反应速率越大，所以应适当升高温度，使反应速率增大；400~500 ℃左右时催化剂的活性最大，所以选择采用400~500 ℃ 65 [解析]由图可知，使用催化剂A时，第二步反应活化能最大，决定总反应速率的步骤是第二步，第二步的产物是*NNH；要使平衡向正反应方向移动，应降低温度、增大压强，压强越大越好，但考虑成本选择10~30个大气压；温度过低反应速率过小，不利于工业生产效益；温度越高，反应速率越大，所以应适当升高温度，使反应速率增大；400~500 ℃左右时催化剂的活性最大，所以选择采用400~500 ℃。 66 （3）氨气是工业制取硝酸的重要原料，过程中有以下两个竞争反应Ⅰ、Ⅱ。 反应Ⅰ:4NH3（g）+5O2（g）4NO（g）+6H2O（g） ΔH1=−905.0 kJ/mol 反应Ⅱ:4NH3（g）+3O2（g）2N2（g）+6H2O（g） ΔH2= − 1 268 kJ/mol 为分析某催化剂对该反应的选择性，将1 mol NH3和2 mol O2充入2 L密闭容器中，在不同温度、相同时间下，测得有关物质的量关系如图所示。 ①该催化剂在低温时对反应　　 　（填“Ⅰ”或“Ⅱ”）的选择性更好。 Ⅱ [解析]该催化剂在低温时主要生成氮气，对反应Ⅱ的选择性更好。 67 ②520 ℃时，反应Ⅱ的平衡常数K=　　　　　　　　　　（只需列出计算式，不要求计算出结果）。  [解析]520 ℃时，N2和NO各0.2 mol，反应Ⅰ消耗0.2 mol NH3、0.25 mol O2、生成0.3 mol H2O，反应Ⅱ: 　　　　　4NH3（g）　+　3O2（g）　　2N2（g）+6H2O（g） 开始/mol 1 2 变化/mol 0.4 0.3 0.2 0.6 平衡/mol 1-0.4-0.2 2-0.3-0.25 0.2 0.6+0.3 密闭容器是2 L，故4NH3（g）+3O2（g）2N2（g）+6H2O（g）的平衡常数K=。 68 ③高于840 ℃时，NO的产率降低的可能原因是　　　　（填标号）。  A.NH3溶于水 B.反应活化能增大 C.反应Ⅰ的平衡常数变小 D.催化剂活性降低 CD [解析]高于840 ℃时，水为气体，NH3也为气体，A不选；对于同一反应，反应活化能一般不随温度改变，B不选；反应Ⅰ是放热反应，升高温度，平衡常数变小，C选；催化剂活性降低，反应速率降低，NO的产率降低，D选。 69 （4）NH3也是造成水体富营养化的重要原因之一，用NaClO溶液氧化可除去氨。为了提高氨的去除率，在实际工艺过程中温度控制在15~30 ℃，请分析选择这个温度范围的原因是____________________________________________________________ ___________________________。 温度过低，反应速率慢，不利于快速去除；温度过高，会促进HClO的 分解，导致NaClO的利用率低 [解析]NH3也是造成水体富营养化的重要原因之一，用NaClO溶液氧化可除去氨。为了提高氨的去除率，在实际工艺过程中温度控制在15~30 ℃，其可能的原因是温度过低，反应速率慢，不利于快速去除；温度过高，会促进HClO的分解，导致NaClO的利用率低。 70 【视角二】 考虑环境保护因素——变化观念与平衡思想素养水平3要求； 科学态度与社会责任素养水平2要求。 例2 用尿素水解生成的催化还原 ，是柴油机车辆尾气净化的主要方法。反应为 ，下列说法正确的是( ) B A.上述反应 B.上述反应平衡常数 C.上述反应中消耗，转移电子的数目约为 D.实际应用中，加入尿素的量越多，柴油机车辆排放的尾气对空气污染程度越小 71 由方程式可知，该反应是一个气体分子数增大的反应，即熵增的反应，ΔS>0，A错误；由方程式可知，反应平衡常数K=， B正确；由方程式可知，反应每消耗4 mol氨气，转移12 mol电子，则反应中消耗1 mol氨气时转移电子的数目约为3×6.02×1023，C错误；实际应用中，加入尿素的量过多，尿素水解生成的氨气过量，柴油机车辆排放的氨气对空气污染程度增大，D错误。 ， 72 【举一反三】 2.硫酸工业在国民经济中占有重要地位。 （1）我国古籍记载了硫酸的制备方法—— “炼石胆 取精华法”。借助现 代仪器分析，该制备过程中 分 解的曲线（热重）及 曲线 （反映体系热量变化情况，数值已省略） 如图所示。 左右有两个吸热峰，则 此时分解生成的氧化物有 、_____和_____（填化学式）。 73 [解析] 根据图示的热重曲线，在左右会出现两个吸热峰，此时 发生热分 解反应，从图像可以看出，质量减少量为原质量的一半，说明有固体 剩 余，此时还生成两种氧化物，说明气体产物为、、 ，可能发生反应的化学方 程式为 。 74 （2）铅室法使用了大容积铅室制备硫酸（ 以下），副产物为亚硝基硫酸，主要反 应如下： ①上述过程中 的作用为__________。 作催化剂 [解析] 根据所给的反应方程式，在反应过程中先消耗再生成，说明 在反应中 作催化剂。 75 ②为了适应化工生产的需求，铅室法最终被接触法所代替，其主要原因是___________ ___________________________________________________________________________ _________________________（答出两点即可）。 反应中有污染空气的和放出，影响环境、可以溶解在硫酸中，给产物硫酸带来杂质、产率不高（答案合理即可） [解析] 铅室法被接触法代替是因为铅室法在反应中有污染空气的和 放出，影响 环境，同时作为催化剂的 可以溶解在硫酸中，给产物硫酸带来杂质，影响产品质 量、产率不高。 76 （3）接触法制硫酸的关键反应为 的催化氧化： ①为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度，绘 制相应转化率 下反应速率（数值已略去）与温度的关 系如图所示，下列说法正确的是____（填标号，下同）。 .温度越高，反应速率越大 . 的曲线代表平衡转化率 . 越大，反应速率最大值对应温度越低 .可根据不同 下的最大速率，选择最佳生产温度 77 [解析] 根据不同转化率下的反应速率曲线可以看出，随着温度的升高，反应速率先加 快后减慢，错误；相同温度下存在转化率大于0.88的情况，则 的曲线不能代 表平衡转化率， 错误；从图像可以看出，随着转化率的增大，最大反应速率不断减小， 最大反应速率出现的温度也逐渐降低， 正确；从图像可以看出，随着转化率的增大， 最大反应速率出现的温度逐渐降低，因此可以根据不同转化率选择合适的反应温度以 减少能源的消耗， 正确。 78 ②为提高钒催化剂的综合性能，我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下，温度和 转化率关系如下图所示，催化性能最佳的是___。 [解析] 从图中可以看出相同温度时催化剂V-K-Cs-Ce条件下SO2的转化率最高，催化性 能最佳。 79 高频考点（十一） 压强平衡常数 80 一、知识梳理 1.压强平衡常数<m></m>的含义 在化学平衡体系中，用各气体物质的分压代替浓度计算的平衡常数叫做压强平衡常数。 81 2.计算技巧 （1）根据“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度。 （2）计算各气体组分的物质的量分数或体积分数。 （3）根据分压计算公式求出各气体物质的分压，某气体的分压<m></m>气体总压强×该气体 的体积分数（或物质的量分数）。 （4）根据平衡常数计算公式代入计算。 例如，<m></m>，压强平衡常数表达式为<m></m>。 82 二、典型例题 【题型一】 绕开物质的量分数由总压求分压来求算 变化观念与平衡思 想素养水平4要求；证据推理与模型认知素养水平4要求。 83 典例1 已知2NO2（g）N2O4（g），用分压p表示的平衡常数Kp= 。298 K时，在容积固定的密闭容器中充入一定量的NO2，平衡时NO2的分压为100 kPa。已知Kp=2.7×10−3 （kPa） − 1，则NO2的转化率为（　　）　　　　　　　　　　　 　　　　　 A.70% B.55% C.46% D.35% D 84 [解析] 假设起始时投入NO2的物质的量为1 mol，转化率为x，列三段式如下: 　　　　　　　2NO2（g）N2O4（g） 起始量/mol 1 0 改变量/mol x 0.5x 平衡量/mol 1−x 0.5x 同温同体积时，压强之比等于物质的量之比，则p平（NO2）∶p平（N2O4）= （1 − x）∶0.5x=100 kPa∶p平（N2O4），则p平（N2O4）= kPa，因此Kp= （kPa）-1=2.7×10-3 （kPa）−1，解得x≈0.35，所以NO2的平衡转化率为35%。 85 【举一反三】 1.一氯化碘（ICl）是一种卤素互化物，具有强氧化性，可与金属直接反应，也可用作有机合成中的碘化剂。氯铂酸钡（BaPtCl6）固体受热时部分分解为BaCl2、Pt和Cl2， 376.8 ℃时平衡常数Kp=1.0×104 Pa2，在一硬质玻璃烧瓶中加入过量BaPtCl6，抽真空后，通过一支管通入碘蒸气（然后将支管封闭）。在376.8 ℃，碘蒸气初始压强为20.0 kPa。376.8 ℃平衡时，测得烧瓶中压强为32.5 kPa，则p平（ICl）=　　 　kPa， 反应2ICl（g） ==Cl2（g）+I2（g）的平衡常数Kp=　　　　　　　　　 　（列出计算式即可）。  24.8 [或] 86 [解析] 由题意可知，376.8 ℃时玻璃烧瓶中发生两个反应:BaPtCl6（s）BaCl2（s）+Pt（s）+2Cl2（g）、Cl2（g）+I2（g）2ICl（g）。BaPtCl6（s）BaCl2（s）+Pt（s）+2Cl2（g）的平衡常数Kp=1.0×104 Pa2，则平衡时（Cl2）=1.0×104 Pa2，p平（Cl2）=100 Pa，设到达平衡时I2（g）的分压减小p kPa，则: 　　　　　　Cl2（g）+I2（g）2ICl（g） 开始/kPa 20.0 0 变化/kPa p p 2p 平衡/kPa 0.1 20.0-p 2p 87 376.8 ℃平衡时，测得烧瓶中压强为32.5 kPa，则0.1+20.0+p=32.5，解得p=12.4，则平衡时p平（ICl）=2p kPa=2×12.4 kPa=24.8 kPa，I2（g）的分压为（20.0−p） kPa=（20×103 − 12.4×103） Pa，p平（ICl）=24.8 kPa=24.8×103 Pa，p平（Cl2）=0.1 kPa=100 Pa，因此反应2ICl（g）==Cl2（g）+I2（g）的平衡常数Kp=。 88 【题型二】 与物质转化率的关联计算——变化观念与平衡思想素养水平2要求。 典例2 （1）甲醇催化加CO可以制取甲酸甲酯。在容积恒为2 L的密闭容器中充入2 mol CH3OH（g）和2 mol CO（g），在一定温度下发生反应:CH3OH（g）+CO（g）HCOOCH3（g），测得容器内的压强随时间的变化如表所示。 t/min 0 2 4 6 8 10 12 14 p/kPa p0 — 0.8p0 — — 0.7p0 0.7p0 0.7p0 在此条件下，该反应的平衡常数Kp=　　　　（kPa）−1（以分压表示，分压=总压×物质的量分数）。  89 [解析] 设平衡时CH3OH反应了x mol，列出三段式: 　　　　　CH3OH（g）+CO（g）HCOOCH3（g） 起始/mol 2 2 0 转化/mol x x x 平衡/mol 2 − x 2 − x x 反应后总物质的量为（4 − x）mol，T、V一定时，n和p成正比，所以=，解得x=1.2，则反应后总物质的量为2.8 mol，CH3OH、CO的物质的量分数相同，为==，HCOOCH3的物质的量分数为==，则Kp== （kPa）−1= （kPa） − 1。 90 （2）一定温度下，向恒容密闭容器中通入等物质的量的C2H6和H2，初始压强为100 kPa，发生反应:C2H6（g）C2H4（g）+H2（g）　ΔH>0，乙烷的平衡转化率为20%。平衡时体系的压强为　　　　kPa，该反应的平衡常数Kp=　　　　kPa（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）。  110 15 91 [解析] 假设C2H6、H2起始物质的量均为1 mol，乙烷的平衡转化率为20%，列出三段式: 　　　　　C2H6（g）C2H4（g）+H2（g）　n总 起始/mol 1 0 1 2 转化/mol 0.2 0.2 0.2 平衡/mol 0.8 0.2 1.2 2.2 设平衡时总压强为x，根据T、V一定时，压强之比等于物质的量之比得到=，解得x=110 kPa，即平衡时体系的总压强为110 kPa，该反应的平衡常数Kp==15 kPa。 92 2.在300 ℃、8 MPa下，将CO2和H2按物质的量之比为1∶3通入恒压密闭容器中发生反应:CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g），达到平衡时，测得CO2的平衡转化率为50%，则该反应条件下的压强平衡常数Kp=　　　　　　　（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）。  （MPa）-2 【举一反三】 93 [解析] 设起始时通入1 mol CO2、3 mol H2，列三段式: 　　　　　　CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g） 起始量/mol 1 3 0 0 变化量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5 平衡量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5 p平（CO2）=p平（CH3OH）=p平（H2O）=8× MPa= MPa，p平（H2）=8× MPa=4 MPa，所以Kp= （MPa）-2= （MPa）-2。 94 【题型三】 与物质的量分数的关联计算——变化观念与平衡思想素养水平4 要求；证据推理与模型认知素养水平4要求。 典例3 在160 ℃、200 ℃条件下，分别向两个容积均为2 L的刚性容器中充入2 mol CO和2 mol N2O（g），发生反应:CO（g）+N2O（g）CO2（g）+N2（g）　ΔH<0。实验测得两容器中CO和N2的物质的量随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是（　　） A.当容器中混合气体的密度不随时间变化时， 该反应达到平衡状态 B.ac段N2的平均反应速率为0.10 mol·L-1·min-1 C.逆反应速率:c>b>d D.160 ℃时，该反应的压强平衡常数Kp=9 D 95 [解析] 由方程式CO（g）+N2O（g）CO2（g）+N2（g）可知，反应前后气体的总质量不变，刚性容器的容积不变，则混合气体的密度始终保持不变，故当容器中混合气体的密度不随时间变化时，不能说明该反应达到平衡状态，A错误；反应达到平衡前，随着反应的进行，N2的物质的量增大，CO的物质的量减小，故ac曲线表示N2的物质的量随时间的变化，bd曲线表示CO的物质的量随时间的变化，ac段N2的平均反应速率v===0.05 mol·L-1·min-1，B错误；由图可知ac曲线先达到平衡，说明ac曲线对应的温度更高，c、d两点均达到平衡，两点均存在v正=v逆，c点处n（N2）=1.2 mol，则该点n（CO）=0.8 mol，c点温度高于d点，且反应物的物质的量大于d点，则正反应速率:c>d，故逆反应速率:c>d，由于d点生成物浓度高于b点，则逆反应速率:d>b，故逆反应速率:c>d>b，C错误；由C项分析可知，bd曲线对应温度为160 ℃， 96 由图可知160 ℃时，d点已达到平衡，平衡时CO的物质的量为0.5 mol，列三段式: 　　　　　CO（g）+N2O（g）CO2（g）+N2（g） 起始/mol 2 2 0 0 转化/mol 1.5 1.5 1.5 1.5 平衡/mol 0.5 0.5 1.5 1.5 该反应的压强平衡常数Kp===9，D正确。 97 【举一反三】 3.“碳达峰”和“碳中和”是应对气候变化的重要策略，以CO2为原料合成甲醇可以减少CO2的排放，可以更快地实现“碳达峰”和“碳中和”。 CO2和H2生成甲醇涉及的反应如下: 主反应:CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g） ΔH1=−49.5 kJ·mol − 1　ΔS1= − 177.3 J·mol − 1·K − 1 副反应:CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）　ΔH2=+41.2 kJ·mol−1 （1）主反应CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）的焓变和熵变随温度变化很小，可视为常数，主反应能自发进行的温度范围是　　　　　K（保留一位小数）。  小于279.2 [解析] 根据ΔH-TΔS<0，反应能够自发进行，则主反应能自发进行时温度是T<=≈279.2 K。 98 （2）反应CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）　ΔH3=　　　　　kJ·mol − 1。  -90.7 [解析]已知:①CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）　ΔH1= − 49.5 kJ·mol − 1 ②CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）　ΔH2=+41.2 kJ·mol − 1 由盖斯定律，① − ②得CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）　ΔH3=ΔH1−ΔH2= − 90.7 kJ·mol − 1。 99 （3）下图中能正确反映反应CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）的平衡常数（K）随温度变化关系的曲线为　 　　（填“a”或“b”）。  a [解析]反应CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，则反映反应的平衡常数随温度变化关系的曲线为a。 100 （4）T ℃时，在主、副反应的混合体系中，平衡时，生成甲醇的选择性随压强的变化如图所示。[CH3OH选择性=×100%] ①增大压强，甲醇的选择性增大的原因是____________________________________ ________________________________________________。 主反应正反应为气体分子数减小的反应， 增大压强主反应向正反应方向移动，甲醇的选择性增大 101 [解析]增大压强，甲醇的选择性增大的原因是:主反应正反应为气体分子数减小的反应，增大压强主反应向正反应方向移动，甲醇的选择性增大。 102 ②T ℃时，若在密闭容器中充入2 mol CO2和2.8 mol H2，在压强为p kPa时，生成0.6 mol CO（此时水为气态），整个体系　　　　（填“吸收”或“放出”）热量　　　　kJ；则T ℃时，主反应的压强平衡常数Kp=　　　 　（kPa）-2。（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）。  吸收 4.92 （或） [解析]由图可知，T ℃平衡时，甲醇的选择性为40%，此时生成0.6 mol CO，生成0.4 mol 甲醇，则: 　　　　　CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g） 起始（mol） 2 2.8 0 0 转化（mol） 0.4 1.2 0.4 0.4 平衡（mol） 1.6 1.6 0.4 0.4 103 　　　　　CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g） 起始（mol） 1.6 1.6 0 0.4 转化（mol） 0.6 0.6 0.6 0.6 平衡（mol） 1.0 1.0 0.6 1.0 平衡时总物质的量为（1+1+0.6+1+0.4） mol=4 mol，平衡时二氧化碳、氢气、甲醇、水蒸气的分压分别为p kPa、p kPa、p kPa、p kPa，则T ℃时，主反应的压强平衡常数Kp=（kPa）-2=（kPa）-2；整个体系能量变化为（-49.5 kJ·mol-1×0.4 mol）+（+41.2 kJ·mol-1×0.6 mol）=+4.92 kJ，则吸收4.92 kJ热量。 104 $