第二章 章末提升课 第1课时　平衡常数、速率常数的综合应用

章末提升课第1课时平衡常数、速率常数的综合应用[核心素养发展目标]1.了解压强平衡常数的概念，掌握速率常数与平衡常数的关系，并能进行多重平衡体系的简单计算。2.通过对复杂平衡体系化学反应速率和化学平衡的分析与计算，建立分析实际工业生产时要从反应的限度、快慢、选择性等综合调控化学反应的意识。一、压强平衡常数由于利用压强计算平衡常数更贴近以气体为主的生产实际，是近几年高考计算的常青树。主要包括恒温恒容和恒温恒压两种反应体系，用到的方法主要是利用三段式和定义式的计算。为了便于入题，同学有必要了解分压及分压常数的含义。1．压强平衡常数(Kp)的概念在化学平衡体系中，由各气体物质的分压替代浓度，计算的平衡常数叫压强平衡常数，用符号Kp表示，其单位与表达式有关。2．表达式对于一般的可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在一定温度下，达到平衡时，其压强平衡常数Kp＝eq\f(ppC·pqD,pmA·pnB)。其中p(A)、p(B)、p(C)、p(D)表示对应物质的分压。注意①混合气体中某组分的分压＝总压×该组分的物质的量分数，pB＝p总×eq\f(nB,n总)。②混合气体的总压等于相同温度下各组分气体的分压之和，即p总＝pA＋pB＋pC＋…。例1[2023·湖北，19(4)]纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下，C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。1200K时，假定体系内只有反应C40H12(g)C40H10(g)＋H2(g)发生，反应过程中压强恒定为p0(即C40H12的初始压强)，平衡转化率为α，该反应的平衡常数Kp为________________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。解题思路三步计算分压常数第一步：列三段式，计算平衡时各组分的物质的量，再加和得n(总)。设起始量为1mol，则根据信息列出三段式：C40H12(g)C40H10(g)＋H2(g)起始量/mol100变化量/molααα平衡量/mol1－ααα第二步：求分压，先计算n(总)与各组分的物质的量分数，再求平衡时各组分的分压。用各物质表示的分压分别为p(C40H12)＝p0×eq\f(1－α,1＋α)，p(C40H10)＝p0×eq\f(α,1＋α)，p(H2)＝p0×eq\f(α,1＋α)，第三步：代入Kp表达式计算分压常数。Kp＝eq\f(p0×\f(α,1＋α)×p0×\f(α,1＋α),p0×\f(1－α,1＋α))＝eq\f(α2·p0,1－α2)。例2[2023·新课标卷，29(4)③]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＝eq\f(ni,n总))图中，当p2＝20MPa、xNH3＝0.20时，氮气的转化率α＝________________。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＝________________(MPa)－1(化为最简式)。1．在300℃、8MPa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)。2．[2021·全国乙卷，28(2)]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)固体加热时部分分解为BaCl2、Pt和Cl2,376.8℃时平衡常数Kp＝1.0×104Pa2，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20.0kPa。376.8℃平衡时，测得烧瓶中压强为32.5kPa，则pICl＝_______kPa,反应2ICl(g)=Cl2(g)＋I2(g)的平衡常数K＝_______________(列出计算式即可)。等温等容时，可以用物质的量分数计算分压，也可以用压强直接列三段式计算。二、速率常数及其与平衡常数的关系对于反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，若v正、v逆可分别表示为v正＝k正·ca(A)·cb(B)、v逆＝k逆·cc(C)·dd(D)。达平衡时v正＝v逆，平衡常数K＝eq\f(ccC·ddD,caA·cbB)＝eq\f(k正·v逆,k逆·v正)，故K＝eq\f(k正,k逆)。例12NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)ΔH＝－746.5kJ·mol－1，测得在某温度下一定体积的密闭容器中，NO和CO浓度随时间的变化如表所示：时间/s浓度/(10－3mol·L－1)0246c(NO)1.000.250.100.10c(CO)3.602.852.702.70(1)前4s内的速率v(NO)＝________。(2)实验测得，v正＝k正·c2(NO)·c2(CO)，v逆＝k逆·c(N2)·c2(CO2)(k正、k逆为速率常数)。在一定温度下，向2L的密闭容器中充入NO和CO气体各1mol，NO的转化率为40%时达到化学平衡，则eq\f(k正,k逆)＝______(保留两位小数)。例2Bodenstein研究了反应：2HI(g)H2(g)＋I2(g)ΔH>0。在716K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如表所示：t/min020406080120x(HI)10.910.850.8150.7950.784x(HI)00.60.730.7730.780.784(1)根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为__________________。(2)上述反应中，正反应速率v正＝k正x2(HI)，逆反应速率v逆＝k逆x(H2)·x(I2)，其中k正、k逆为正、逆反应速率常数，则k逆＝________(用含K和k正的代数式表示)。若起始时，x(HI)＝1，k正＝0.0027min－1，则在t＝40min时，v正＝________min－1(结果保留3位有效数字)。1．向某恒容密闭容器中充入等物质的量的PCl3(g)和Cl2(g)，发生如下反应：PCl3(g)＋Cl2(g)PCl5(g)，测得不同温度下PCl3(g)的转化率α与时间的关系如图所示。其速率方程为v正＝k正·c(PCl3)·c(Cl2)，v逆＝k逆·c(PCl5)(k是速率常数)，下列说法错误的是()A．该反应的ΔH<0B．M点：eq\f(k正,k逆)＞eq\f(cPCl5,cPCl3·cCl2)C．升高温度，k正增大的倍数大于k逆增大的倍数D．T1时，若平衡体系中c(Cl2)＝0.25mol·L－1，则eq\f(k正,k逆)＝182．氧硫化碳(COS)的脱硫处理。在一定条件下用水蒸气与氧硫化碳反应是常用的脱硫方法，其热化学方程式为COS(g)＋H2O(g)H2S(g)＋CO2(g)ΔH＝－35kJ·mol－1。(1)向容积为2L的密闭容器中加入等物质的量的水蒸气和氧硫化碳，在一定条件发生上述脱硫反应测得一定时间内COS(g)和CO2(g)的物质的量变化如下表所示：物质的量/molT1/℃T2/℃0min5min10min15min20min25min30minCOS(g)2.01.160.800.800.500.400.40CO2(g)00.841.201.201.501.601.60①0～5min内以COS(g)表示的反应速率v(COS)＝_________________________________。②若15min末改变温度为T2℃，由表中数据变化判断T1__________(填“＞”“＜”或“＝”)T2。③若15min末保持温度T1℃不变，向该容器中继续加入水蒸气和氧硫化碳各2mol，重新达到平衡时，CO2(g)的物质的量___________________________(填字母)。a．等于1.2molb．等于2.4molc．1.2mol<n(CO2)<2.4mold．大于2.4mol(2)实验测得：v正＝k正·c(COS)·c(H2O)，v逆＝k逆·c(H2S)·c(CO2)(k正、k逆为速率常数)。若在2L的密闭容器中充入1molCOS和1molH2O，在T2℃温度下达到平衡时，k正∶k逆＝__________。三、多重平衡体系中平衡常数的计算1．多重平衡体系：一个化学反应体系中存在多个化学反应，在一定条件下，这些反应都可以达到平衡状态，这种现象称作多重平衡现象，该体系称作多重平衡体系。2．多重平衡反应类型(1)连续型(耦合)反应：某物质是某反应的产物，同时又是其他反应的反应物。(2)平行(竞争)型反应：某物质同时是多个反应的反应物。3．多重平衡体系中有关平衡常数的计算，各组分的平衡量指的是整个平衡体系中的量，而不是指某一单一反应中的量。例1在1L真空密闭容器中加入amolPH4I固体，t℃时发生如下反应：PH4I(s)PH3(g)＋HI(g)①4PH3(g)P4(g)＋6H2(g)②2HI(g)H2(g)＋I2(g)③达平衡时，体系中n(HI)＝bmol，n(I2)＝cmol，n(H2)＝dmol，则t℃时反应①的平衡常数K为____________(用字母表示)。例2CO2经催化加氢可以生成低碳烃，主要有以下两个竞争反应：反应Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)为分析催化剂对反应的选择性，在1L密闭容器中充入2molCO2和4molH2，测得有关物质的物质的量随温度变化如图所示：该催化剂在较低温度时主要选择________(填“反应Ⅰ”或“反应Ⅱ”)。520℃时，反应Ⅰ的平衡常数K＝__________(只列算式不计算)。1．探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＝－49.5kJ·mol－1Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH2＝－90.4kJ·mol－1Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH3一定条件下，向体积为VL的恒容密闭容器中通入1molCO2和3molH2发生上述反应，达到平衡时，容器中CH3OH(g)为amol，CO(g)为bmol，此时H2O(g)的浓度为________________mol·L－1(用含a、b、V的代数式表示，下同)，反应Ⅲ的平衡常数为______________________。2．[2023·河北，11(1)②③]氮是自然界重要元素之一，研究氮及其化合物的性质以及氮的循环利用对解决环境和能源问题都具有重要意义。恒温下，将1mol空气(N2和O2的体积分数分别为0.78和0.21，其余为惰性组分)置于容积为VL的恒容密闭容器中，假设体系中只存在如下两个反应：ⅰ.N2(g)＋O2(