高中 | 化学平衡常数 题目答案及解析

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选修四

第二章 化学反应速率和化学平衡

第三节 化学平衡

化学平衡常数

为减少$\rm C{{O}_{2}}$对环境造成的影响,可采用“$\rm C{{O}_{2}}$催化加氢制甲醇”方法将其资源化利用。该反应体系中涉及以下三个反应:

Ⅰ.${\rm C{{O}_{2}}(g)+3{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons C{{H}_{3}}OH(g)+{{H}_{2}}O(g)}\quad\Delta {{H}_{1}}=a\rm \ kJ\cdot mo{{l}^{-1}}$

Ⅱ.${\rm C{{O}_{2}}(g)+{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons CO(g)+{{H}_{2}}O(g)}\quad\Delta {{H}_{2}}=b\rm \ kJ\cdot mo{{l}^{-1}}$

Ⅲ.$\rm CO(g)+2{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons C{{H}_{3}}OH(g)$

反应Ⅰ、Ⅱ的$\lg K(K$代表化学平衡常数$\rm )$$1/T($温度的倒数$\rm )$的变化如图所示。

①降低温度,反应$\rm CO(g)+2{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons C{{H}_{3}}OH(g)$的化学平衡常数                $\rm ($填“增大”或“减小”或“不变”$\rm )$。原因为                

②关于反应Ⅲ的$\lg K(K$代表化学平衡常数$\rm )$$1/T($温度的倒数$\rm )$的变化图正确的是                

$\rm A$

$\rm B$

$\rm C$

$\rm D$

[["

增大;$\\Delta {{H}_{1}}\\lt 0$$\\Delta {{H}_{2}}\\gt 0$,则Ⅲ反应$\\Delta H=\\Delta {{H}_{1}}-\\Delta {{H}_{2}}\\lt 0$,为放热反应。降温平衡正向移动,所以平衡常数增大;$\\rm B$

"]]

①由图可知,应$\rm I$的平衡常数$K$随温度升高而减小,所以为放热反应$\Delta {{H}_{1}}=a\rm \ kJ\cdot mo{{l}^{-1}}\lt 0$;反应Ⅱ的平衡常数$K$随温度升高而增大,所以$\Delta {{H}_{2}}=b\rm \ kJ\cdot mo{{l}^{-1}}\gt 0$;根据盖斯定律Ⅰ$\rm -$Ⅱ得${\rm CO(g)+2{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons C{{H}_{3}}OH(g)}\quad\Delta H=(a-b)\ \rm kJ\cdot mol^{-1}\lt 0$;则降低温度反应$\rm CO(g)+2{{H}_{2}}(g)\rightleftharpoons C{{H}_{3}}OH(g)$的化学平衡常数增大。原因为:$\Delta {{H}_{1}}\lt 0$$\Delta {{H}_{2}}\gt 0$,则Ⅲ反应$\Delta H=\Delta {{H}_{1}}-\Delta {{H}_{2}}\lt 0$,为放热反应,降温平衡正向移动,所以平衡常数增大。

②反应Ⅲ的平衡常数$K=\dfrac{{{K}_{1}}}{{{K}_{2}}}$,当${{K}_{1}}={{K}_{2}}$时,$\rm K=1$$\lg K=0$,反应Ⅲ的平衡常数是随温度降低而增大,则关于反应Ⅲ的$\lg K(K$代表化学平衡常数$\rm )$$1/T($温度的倒数$\rm )$的变化图正确的是$\rm B$

已知反应Ⅲ的正反应的活化能为$c\rm \ kJ\cdot mo{{l}^{-1}}$,则逆反应的活化能为                $\rm \ kJ\cdot mo{{l}^{-1}}($用含$a$$b$$c$代数式表示$\rm )$

[["

$c+b-a$

"]]

焓变$\rm =$正反应活化能$\rm -$逆反应活化能,已知反应Ⅲ的正反应的活化能为$c\rm \ kJ\cdot mo{{l}^{-1}}$,则逆反应的活化能为$(c+b-a)\ \rm kJ\cdot mo{{l}^{-1}}$

温度为$\rm 850\ ^\circ \text{C}$时,反应$\rm CO(g)+{{H}_{2}}O(g)\rightleftharpoons C{{O}_{2}}(g)+{{H}_{2}}(g)$$K=1$。在固定容积的密闭容器中进行此反应,各物质的浓度$\rm (mol/L)$的变化如下表:

时间$\rm (min)$$\rm CO$$\rm {{H}_{2}}O$$\rm C{{O}_{2}}$$\rm {{H}_{2}}$
$\rm 0$$\rm 0.200$$\rm 0.300$$\rm 0$$\rm 0$
$\rm 2$$\rm 0.138$$\rm 0.238$$\rm 0.062$$\rm 0.062$
$\rm 3$${{c}_{1}}$${{c}_{2}}$${{c}_{3}}$${{c}_{3}}$
$\rm 4$${{c}_{1}}$${{c}_{2}}$${{c}_{3}}$${{c}_{3}}$
$\rm 5$$\rm 0.116$$\rm 0.216$$\rm 0.084$
$\rm 6$$\rm 0.096$$\rm 0.266$$\rm 0.104$

①计算:$\rm 3\ min$$\rm CO$的浓度${{c}_{1}}=$                $\rm \ mol/L$

②反应在$\rm 4\ min\sim 5\ min$之间数值发生变化,可能的原因是                ,表中$\rm 5\ min\sim 6\ min$之间数值发生变化,可能的原因是                

$\rm A$.增加水蒸气

$\rm B$.降低温度

$\rm C$.使用催化剂

$\rm D$.增加氢气浓度

[["

$\\rm 0.08$$\\rm D$$\\rm A$

"]]

$\rm \begin{matrix} {} &\rm CO(g) & + & \rm {{H}_{2}}O{{(g)}_{{}}} & \rightleftharpoons & \rm C{{O}_{2}}(g) & + & \rm {{H}_{2}}(g) \\ 起始浓度\rm /mol/L & 0.2 & {} & 0.3 & {} & 0 & {} & 0 \\ 变化浓度\rm /mol/L & {{c}_{3}} & {} & {{c}_{3}} & {} & {{c}_{3}} & {} & {{c}_{3}} \\ 平衡浓度\rm /mol/L & 0.2-{{c}_{3}} & {} & 0.3-{{c}_{3}} & {} & {{c}_{3}} & {} & {{c}_{3}} \\ \end{matrix}$由题意知,$\rm 850\ ^\circ \text{C}$时,$K=1.0$,即$K=\dfrac{c{\rm (C{{O}_{2}})}\cdot c{\rm ({{H}_{2}})}}{c{\rm (CO)}\cdot c{\rm ({{H}_{2}}O)}}=\dfrac{{{c}_{3}}\cdot {{c}_{3}}}{(0.2-{{c}_{3}})\cdot (0.3-{{c}_{3}})}=1.0$,解得$c_{3}=0.12\rm \ mol/L$,所以$c_{1}=0.08\rm \ mol/L$

②由表知,$\rm 3\ min\sim 4\ min$处于平衡状态,通过①计算知此时$\rm CO$$\rm H_{2}O$$\rm CO_{2}$$\rm H_{2}$的浓度分别为$\rm 0.08\ mol/L$$\rm 0.18\ mol/L$$\rm 0.12\ mol/L$$\rm 0.12\ mol/L$,由表中数据可知,$\rm 4\ min\sim 5\ min$$\rm CO$$\rm H_{2}O$浓度增大、$\rm CO_{2}$浓度减小,通过$K$计算可得$\rm H_{2}$平衡浓度为$\rm 0.298\ mol/L$,则反应在$\rm 4\ min\sim 5\ min$,平衡向逆方向移动。

$\rm A$.增大水蒸气的浓度,平衡向正反应移动,

$\rm B$$\rm CO(g)+{{H}_{2}}O(g)\rightleftharpoons C{{O}_{2}}(g)+{{H}_{2}}(g)$为反应Ⅱ的逆反应,其正反应为放热反应,降低温度平衡向正反应移动,

$\rm C$.使用催化剂平衡不移动,

$\rm D$.增大氢气的浓度,平衡向逆反应移动,故$\rm 4\ min\sim 5\ min$改变条件为增大氢气的浓度,故选$\rm D$

表中$\rm 5\ min\sim 6\ min$之间数值发生变化,温度为$\rm 850^\circ C$下反应在$\rm 5\ min\sim 6\ min$,平衡向正方向移动,可能的原因是增加水蒸气,选$\rm A$

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