2025版高考化学一轮总复习真题演练第7章化学反应速率和化学平衡第25讲化学平衡常数及转化率的计算

第25讲化学平衡常数及转化率的计算命题分析近几年高考常常与基本理论、工业生产和环保相联系，通过图像或表格供应信息，考查转化率、浓度平衡常数、压强平衡常数、速率常数等相关的推断和计算。真题演练1．(2024·湖南，13,3分)向一恒容密闭容器中加入1molCH4和确定量的H2O，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)。CH4的平衡转化率按不同投料比xeq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(x＝\f(nCH4,nH2O)))随温度的变更曲线如图所示。下列说法错误的是(B)A．x1<x2B．反应速率：vb正<vc正C．点a、b、c对应的平衡常数：Ka<Kb＝KcD．反应温度为T1，当容器内压强不变时，反应达到平衡状态[解析]在恒温恒容的化学平衡体系中，增大一种反应物的浓度会使另一种反应物的转化率上升，而自身的转化率降低。由题图知，在相同温度下投料比为x2的CH4平衡转化率更低，说明投料比：x1<x2，A项正确；点b、c对应温度相同，而点c投料比更大，则投入的n(H2O)更少，平衡时总压强更小，反应速率更慢，反应速率：vc正<vb正，B项错误；化学平衡常数只与温度有关，视察两条曲线，随着温度的上升，CH4的平衡转化率增大，升温平衡正向移动，K增大，点a温度最低，点b、c温度相同，故Ka<Kb＝Kc，C项正确；恒温恒容条件下，化学平衡体系中各物质均为气态且反应前后气体分子数不相等，容器内压强不变时可以说明反应达到平衡状态，D项正确。2．(2024·新课标，29)氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产实力位居世界首位。回答下列问题：(1)依据图1数据计算反应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)＋*图2反应机理(2)探讨表明，合成氨反应在Fe催化剂上可能通过图2机理进行(*表示催化剂表面吸附位，Neq\o\al(*,2)表示被吸附于催化剂表面的N2)。推断上述反应机理中，速率限制步骤(即速率最慢步骤)为ⅱ(填步骤前的标号)，理由是1个Neq\o\al(*,2)分子变为2个N*的能垒最大，反应最慢，为速率限制步骤。(3)合成氨催化剂前驱体(主要成分为Fe3O4)运用前经H2还原，生成α-Fe包袱的Fe3O4。已知α-Fe属于立方晶系，晶胞参数a＝287pm，密度为7.8g·cm－3。则α-Fe晶胞中含有Fe的原子数为eq\f(7.8×287×10－103×NA,56)(列出计算式，阿伏加德罗常数的值为NA)。(4)在不同压强下，以两种不同组成进料，反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如图所示。其中一种进料组成为xH2＝0.75、xN2＝0.25，另一种为xH2＝0.675、xN2＝0.225、xAr＝0.10。(物质i的摩尔分数：xi＝ni/n总)①图中压强由小到大的依次为p1<p2<p3，推断的依据是正反应是气体分子数减小的反应，同温下，压强越大平衡转化率越大，xNH3越大。②进料组成中含有惰性气体Ar的图是图4。③图3中，当p2＝20MPa、xNH3＝0.20时，氮气的转化率α＝33.33%。该温度时，反应eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)NH3(g)的平衡常数Kp＝eq\f(\r(3),36)MPa－1(化为最简式)。[解析](1)依据图1，eq\f(1,2)molN2(g)和eq\f(3,2)molH2(g)断键吸取能量为473kJ＋654kJ＝1127kJ，形成1molNH3(g)放出能量为339kJ＋397kJ＋436kJ＝1172kJ，则ΔH＝(1127－1172)kJ·mol－1＝－45kJ·mol－1。(2)依据图1和图2分析，1molNeq\o\al(*,2)断键转化为2molN*须要946kJ的能量，1molH2断键转化为2molH*须要436kJ的能量，所以1个Neq\o\al(*,2)分子变为2个N*的能垒最大，反应最慢，为速率限制步骤。(3)晶胞参数a＝287pm，则晶胞体积为(287×10－10)3cm3，晶体密度为7.8g·cm－3，则晶胞质量为7.8×(287×10－10)3g，设晶胞中Fe原子数为N，则eq\f(N,NA)×56＝7.8×(287×10－10)3，N＝eq\f(7.8×287×10－103NA,56)。(4)①工业合成氨为气体分子数减小的反应，当温度相同时，压强越大，平衡时混合气体中氨的摩尔分数越大，结合图3或图4均能得出压强由小到大的依次为p1<p2<p3。②Ar不参与化学反应，含Ar的进料组成中H2、N2的分压较小，导致平衡时混合气体中氨的摩尔分数减小，结合两图可知，图4表示进料组成中含有Ar的图像。③结合p2＝20MPa、xNH3＝0.20，以及图3对应的进料气的组成，设进料气中N2和H2分别为0.25mol和0.75mol，设达平衡时N2的转化量为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变更量/molx3x2x平衡量/mol0.25－x0.75－3x2x则依据xNH3＝0.20得eq\f(2x,0.25－x＋0.75－3x＋2x)＝0.20，解得x＝eq\f(1,12)，则N2的转化率α＝eq\f(\f(1,12),0.25)×100%≈33.33%。此时N2、H2、NH3对应的平衡分压分别为eq\f(1,5)p2、eq\f(3,5)p2、eq\f(1,5)p2，则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。本讲要点速记：1．化学平衡常数的表达式及留意事项(1)表达式对于反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，K＝eq\f(cpC·cqD,cmA·cnB)。(2)三留意：①平衡常数表达式中的浓度必需为平衡浓度。②固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式。③化学平衡常数只受温度的影响，与反应物、生成物的浓度无关。2．化学平衡常数的三应用(1)推断反应进行的程度。(2)推断反应进行的方向和热效应。(3)计算物质的含量、转化率、平衡浓度等。具体说明如下：①明确三个量——起始量、变更量、平衡量N2＋3H2eq\o(,\s\up7(高温、高压),\s\do5(催化剂))2N