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

硅是电子工业中应用最为广泛的半导体材料。用$\rm Zn$高温还原$\rm SiCl_{4}$是生成多晶硅的一种方法,发生反应如下:

反应Ⅰ:$\rm SiCl_{4}(g)+2Zn(g)⇌Si(s)+2ZnCl_{2}(g)\qquad \Delta \textit{H}_{1}$

反应Ⅱ:$\rm SiCl_{4}(g)+Zn(g)⇌SiCl_{2}(g)+ZnCl_{2}(g)\qquad \rm \Delta \textit{H}_{2}=+98\;\rm kJ/mol$

反应Ⅲ:$\rm SiCl_{4}(g)+Si(s)⇌2SiCl_{2}(g)\qquad \Delta \textit{H}_{3}=+330\;\rm kJ/mol$

已知:①气体$\rm A$的物质的量分数$\rm =[ \textit{n}(A)/ \textit{n}_{总}($气体$\rm )]\times 100\%$

$K_\rm {p}$用平衡分压代替平衡浓度计算,分压$\rm =$总压$\rm \times $物质的量分数;

$ S$表示产物选择性,$\rm Si$$\rm SiCl_{2}$选择性表示为$S\rm (Si)=${$\rm \textit{n}(Si)/[\textit{n}(Si)+\textit{n}(SiCl_{2})]$}$\times 100\%$$\rm \text{S}(SiCl_{2})=${$\rm \textit{n}(SiCl_{2})/[\textit{n}(Si)+\textit{n}(SiCl_{2})]$}$\times100\%$

回答下列问题:

$\rm \Delta \textit{H}_{1}=$                $\rm \;\rm kJ/mol$

[["

$\\rm -134$

"]]

根据盖斯定律,反应Ⅱ$\rm \times 2-$反应Ⅲ$\rm =$反应Ⅰ,则$\rm \text{ }\!\!\Delta{{\textit{H}}_{\text{1}}}\text{=2 }\!\!\Delta{{\textit{H}}_{\text{2}}}-\text{ }\!\!\Delta{{\textit{H}}_{\text{3}}}=2\times \left( \text{+98\;\rm kJ/mol} \right)-\left( \text{+330\;\rm kJ/mol} \right)=-134\;\text{kJ/mol}$

向温度为$ T\;^\circ\rm C$的刚性容器中,充入$\rm 1\;\rm mol\;\rm SiCl_{4}(g)$$\rm 2\;\rm mol\;\rm Zn(g)$,起始压强为$p_{0}$ $\rm kPa$条件下发生上述反应,达到平衡后,测得反应体系中$\rm Zn$$\rm ZnCl_{2}$物质的量分数分别为$\rm 35\%$$\rm 40\%$,则$\rm Si$的物质的量为                $\rm \;\rm mol$,反应Ⅰ的分压表示的平衡常数$K_\rm {p}=$                $\rm \text{kP}{{\text{a}}^{\text{-1}}}\rm ($用含$p_{0}$代数式表示$\rm )$,若再向刚性容器中充入一定量的$\rm Zn(g)$,重新达平衡后,则分压$ p\rm(SiCl_{2})$                $\rm ($填“增大”、“减小”或“不变”$\rm )$

[["

$\\rm \\dfrac{1}{3}$$\\rm \\dfrac{720}{49{{\\textit{p}}_{0}}}$; 减小

"]]

刚性容器中发生$\rm SiCl_{4}(g)+2Zn(g)⇌Si(s)+2ZnCl_{2}(g)$$\rm SiCl_{4}(g)+Zn(g)⇌SiCl_{2}(g)+ZnCl_{2}(g)$,利用三段式分析

$\rm \begin{matrix} {} & \text{SiC}{{\text{l}}_{\text{4}}}\left( \text{g} \right) & \text{+2Zn}\left( \text{g} \right) & \rightleftharpoons & \text{Si}\left( \text{s} \right) & \text{+2ZnC}{{\text{l}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right) \\ 初始\text{/mol} & \text{1} & \text{2} & {} & \text{0} & \text{0} \\ 转化\text{/mol} & \textit{x} & 2\textit{x} & {} & \textit{x} & 2\textit{x} \\ 平衡\text{/mol} & {} & {} & {} & \textit{x} & {} \\ \end{matrix}\begin{matrix} \Delta\!\!\textit{ n}\left(气体 \right) \\ {} \\ \textit{x} \\ {} \\ \end{matrix}$$\rm \begin{matrix} {} & \text{SiC}{{\text{l}}_{\text{4}}}\left( \text{g} \right) & \text{+Zn}\left( \text{g} \right) & \rightleftharpoons & \text{SiC}{{\text{l}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right) & \text{+ZnC}{{\text{l}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right) \\ 初始\text{/mol} & 1-\textit{x} & 2-2\textit{x} & {} & \text{0} & 2\textit{x} \\ 转化\text{/mol} & \textit{y} & \textit{y} & {} & \textit{y} & \textit{y} \\ 平衡\text{/mol} & 1-\textit{x}-\textit{y} &2-2\textit{x}-\textit{y} & {} & \textit{y} & 2\textit{x}+\textit{y} \\ \end{matrix}\begin{matrix} \Delta\!\!\textit{ n}\left(气体 \right) \\ {} \\ 0 \\ {} \\ \end{matrix}$

平衡时气体总物质的量为$\rm \textit{n}\left( 总\right)=\left( 3-\textit{x}\right)\;\text{mol}$,列式得$\rm \begin{cases} \dfrac{2-2\textit{x}-\textit{y}}{3-\textit{x}}=35\% \\ \dfrac{2\textit{x}+\textit{y}}{3-\textit{x}}=40\% \\ \end{cases}$,解得$\rm \begin{cases} \textit{x}=\dfrac{1}{3} \\ \textit{y}=\dfrac{2}{5} \\ \end{cases}$,则平衡时,$\rm Si$的物质的量为$\rm \dfrac{1}{3}\;\text{mol}$$\rm \textit{n}\left( \text{SiC}{{\text{l}}_{\text{4}}} \right)=\left( 1-\dfrac{1}{3}-\dfrac{2}{5} \right)\;\text{mol}=\dfrac{4}{15}$;平衡时$\rm \textit{n}\left(总 \right)=\left( 3-\textit{x} \right)\text{mol=}\left(3-\dfrac{1}{3} \right)\;\text{mol}=\dfrac{8}{3}\;\text{mol}$,则根据$\rm \dfrac{\textit{n}\left(初 \right)}{\textit{n}\left( 平\right)}=\dfrac{\textit{p}\left( 初\right)}{\textit{p}\left(平 \right)}$,即$\rm \dfrac{3\;\rm \text{mol}}{\dfrac{8}{3}\;\text{mol}}=\dfrac{{{\textit{p}}_{0}}}{\textit{p}\left(总 \right)}$$\rm \textit{p}\left( 总\right)=\dfrac{8}{9}{{\textit{p}}_{0}}$,反应Ⅰ的分压表示的平衡常数$\rm {{\textit{K}}_{\text{p}}}=\dfrac{{{\textit{p}}^{\text{2}}}\left( \text{ZnC}{{\text{l}}_{\text{2}}} \right)}{\textit{p}\left( \text{SiC}{{\text{l}}_{\text{4}}} \right)\cdot {{\textit{p}}^{\text{2}}}\left( \text{Zn} \right)}=\dfrac{{{\left( \dfrac{8}{9}{{\textit{p}}_{0}}\times 40\% \right)}^{2}}}{\left( \dfrac{8}{9}{{\textit{p}}_{0}}\times \dfrac{\dfrac{4}{15}}{\dfrac{8}{3}} \right)\cdot {{\left( \dfrac{8}{9}{{\textit{p}}_{0}}\times 35\% \right)}^{2}}}=\dfrac{720}{49{{\textit{p}}_{0}}}\;\text{kP}{{\text{a}}^{\text{-1}}}$;若再向刚性容器中充入一定量的$\rm Zn(g)$,反应Ⅰ及反应Ⅱ平衡正移,重新达平衡后,$\rm \textit{n}\left( \text{SiC}{{\text{l}}_{4}} \right)$减小,$\rm \textit{n}\left( \text{SiC}{{\text{l}}_{2}} \right)$增大,由于温度不变,反应Ⅲ的平衡常数不变,而硅是固体,因此分压$\rm \textit{p}\left( \text{SiC}{{\text{l}}_{\text{2}}} \right)$将减小;

$n\rm (Zn):\textit{n}\rm (SiCl_{4})=2:1$时,$\rm 10.0\;MPa$条件下平衡时$S\rm (Si)$随温度的变化,以及$\rm 1500\;K$条件下平衡时$S\rm (Si)$随压强的变化如图所示。

$\rm 10.0\;MPa$条件下平衡时$S\rm (Si)$随温度的变化的曲线是                $\rm ($填“$\rm a$”或“$\rm b$$\rm )$

$\rm A$$\rm B$$\rm C$$\rm D$$\rm E$五个点中,处于完全相同化学平衡状态的两个点是                

③曲线$\rm b$呈如图所示变化趋势的原因是                

[["

$\\rm a$$\\rm DE$ ;曲线$\\rm b$$\\rm 1500\\;K$条件下平衡时$S\\rm (Si)$随压强的变化,压强增大,反应Ⅰ平衡正向移动,反应Ⅲ平衡逆向移动,都会使$S\\rm (Si)$增大

"]]

①反应Ⅰ为放热反应,反应Ⅱ为吸热反应,温度升高,反应Ⅰ平衡逆移,反应Ⅱ平衡正移,$\rm Si$选择性降低,$\rm SiCl_{2}$选择性升高,即$S\rm (Si)$随温度升高降低,曲线$\rm a$$S\rm (Si)$随温度的变化的曲线;

②曲线$\rm a$$\rm 10.0\;MPa$条件下平衡时$S\rm (Si)$随温度的变化,则曲线上的点$\rm B$$\rm C$$\rm D$分别表示压强为$\rm 10.0\;MPa$时温度约为$\rm 1570\;K、1530\;K、1500\;K$的平衡,曲线$\rm b$$\rm 1500\;K$条件下平衡时$S\rm (Si)$随压强的变化,则曲线上的点$\rm A$$\rm C$$\rm E$分别表示温度为$\rm 1500\;K$时压强约为$\rm 9.2\;MPa、9.8\;MPa、10.0\;MPa$的平衡,故$\rm D$$\rm E$都代表$\rm \text{1500\;K}$$\rm \text{10.0\;MPa}$条件下的平衡,二者处于完全相同化学平衡状态;

③曲线$\rm b$$\rm 1500\;K$条件下平衡时$S\rm (Si)$随压强的变化,压强增大,平衡向气体体积减小的方向移动,则反应Ⅰ $\rm SiCl_{4}(g)+2Zn(g)⇌Si(s)+2ZnCl_{2}(g)$平衡正向移动,反应Ⅲ $\rm SiCl_{4}(g)+Si(s)⇌2SiCl_{2}(g)$平衡逆向移动,使$\rm Si$的物质的量增大,$\rm SiCl_{2}$物质的量减少,$\rm Si$的选择性增大

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