《2024年步步高大一轮复习讲义高中化学人教版》

2. [2020·山东，18(2)]探究$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}$合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}$的产率。以$\mathrm{CO}_{2}、\mathrm{H}_{2}$为原料合成$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}$涉及的主要反应如下：
I. $\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+3\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})\rightleftharpoons\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\mathrm{g})$ $\Delta H_{1}=-49.5\ \mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
II. $\mathrm{CO}(\mathrm{g})+2\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})\rightleftharpoons\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}(\mathrm{g})$ $\Delta H_{2}=-90.4\ \mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
III. $\mathrm{CO}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})\rightleftharpoons\mathrm{CO}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\mathrm{g})$ $\Delta H_{3}$
一定条件下，向体积为$V\ \mathrm{L}$的恒容密闭容器中通入$1\ \mathrm{mol}\ \mathrm{CO}_{2}$和$3\ \mathrm{mol}\ \mathrm{H}_{2}$发生上述反应，达到平衡时，容器中$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}(\mathrm{g})$为$a\ \mathrm{mol}$，$\mathrm{CO}$为$b\ \mathrm{mol}$，此时$\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\mathrm{g})$的浓度为 ________$\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$（用含$a、b、V$的代数式表示，下同），反应III的平衡常数为 __________。

答案： $\frac{a + b}{V}$ $\frac{b(a + b)}{(1 - a - b)(3 - 3a - b)}$
解析 由题给反应的化学方程式可知，对于反应Ⅰ，每生成1 mol甲醇的同时生成1 mol水；对于反应Ⅲ，每生成1 mol一氧化碳的同时生成1 mol水；对于反应Ⅱ，每消耗1 mol一氧化碳的同时生成1 mol甲醇；由此可知，生成的水的物质的量等于生成的甲醇和一氧化碳的物质的量之和，即生成水的物质的量为$(a + b)$mol，即水的浓度为$\frac{a + b}{V}$mol·L⁻¹。由C原子个数守恒可知，平衡时混合气体中$CO_2$的物质的量为$(1 - a - b)$mol，由H原子个数守恒可知，平衡时混合气体中$H_2$的物质的量为$[3 - 2a - (a + b)]$mol，因此平衡常数$K = \frac{b(a + b)}{(1 - a - b)(3 - 3a - b)}$。

3. [2019·天津，7(5)]在$1\ \mathrm{L}$真空密闭容器中加入$a\ \mathrm{mol}\ \mathrm{PH}_{4}\mathrm{I}$固体，$t\ ^{\circ}\mathrm{C}$时发生如下反应：
$\mathrm{PH}_{4}\mathrm{I}(\mathrm{s})\rightleftharpoons\mathrm{PH}_{3}(\mathrm{g})+\mathrm{HI}(\mathrm{g})$ ①
$4\mathrm{PH}_{3}(\mathrm{g})\rightleftharpoons\mathrm{P}_{4}(\mathrm{g})+6\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})$ ②
$2\mathrm{HI}(\mathrm{g})\rightleftharpoons\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})+\mathrm{I}_{2}(\mathrm{g})$ ③
达平衡时，体系中$n(\mathrm{HI}) = b\ \mathrm{mol}$，$n(\mathrm{I}_{2}) = c\ \mathrm{mol}$，$n(\mathrm{H}_{2}) = d\ \mathrm{mol}$，则$t\ ^{\circ}\mathrm{C}$时反应①的平衡常数$K$值为 ________（用字母表示）。

答案： $(b+\frac{8c - 2d}{3})b$

4. 加热$\mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{5}$时，发生以下两个分解反应：①$\mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{5}\rightleftharpoons\mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{3}+\mathrm{O}_{2}$，②$\mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{3}\rightleftharpoons\mathrm{N}_{2}\mathrm{O}+\mathrm{O}_{2}$，在$2\ \mathrm{L}$密闭容器中充入$8\ \mathrm{mol}\ \mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{5}$，加热到$T\ ^{\circ}\mathrm{C}$达到化学平衡时$\mathrm{O}_{2}$为$9\ \mathrm{mol}$，$\mathrm{N}_{2}\mathrm{O}_{3}$为$3.4\ \mathrm{mol}$，则在该温度下反应①的平衡常数为 （ ）
A. 8.5
B. 9.6
C. 10.2
D. 10.7

答案： A

5. 二甲醚是一种清洁能源，用水煤气制取二甲醚的原理如下：
I. $\mathrm{CO}(\mathrm{g})+2\mathrm{H}_{2}(\mathrm{g})\rightleftharpoons\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}(\mathrm{g})$
II. $2\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}(\mathrm{g})\rightleftharpoons\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OCH}_{3}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(\mathrm{g})$
$500\ \mathrm{K}$时，在$2\ \mathrm{L}$密闭容器中充入$4\ \mathrm{mol}\ \mathrm{CO}$和$8\ \mathrm{mol}\ \mathrm{H}_{2}$，$4\ \mathrm{min}$达到平衡，平衡时$\mathrm{CO}$的转化率为$80\%$，且$2c(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}) = c(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OCH}_{3})$，则：
(1)$0\sim4\ \mathrm{min}$，反应I的$v(\mathrm{H}_{2}) = $ ________。
(2)反应II中$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}$的转化率$\alpha = $ ________，反应I的平衡常数$K = $ ________。

答案：
(1)$0.8$mol·L⁻¹·min⁻¹
(2)80% 1.25
解析
(1)设平衡时CO为$x$mol，$H_2$为$y$mol，$CH_3OH$为$z$mol，则$CH_3OCH_3$为$2z$mol，$H_2O$为$2z$mol，根据：
C守恒：$x + z + 2×2z = 4$
H守恒：$2y + 4z + 6×2z = 2×8$
O守恒：$x + z + 2z + 2z = 4$
CO的转化率为$\frac{4 - x}{4}=80\%$，解得$x = 0.8$，$y = 1.6$，$z = 0.64$，$v(H_2)=\frac{(8 - 1.6)mol}{2L×4min}=0.8$mol·L⁻¹·min⁻¹。
(2)反应Ⅰ中CO的转化率为80%，则生成的$CH_3OH$的物质的量为$4$mol×80% = 3.2 mol，反应Ⅱ生成的$CH_3OCH_3$的物质的量为$2z$mol即$2×0.64$mol = 1.28 mol，则反应Ⅱ转化的$CH_3OH$的物质的量为$2×1.28$mol = 2.56 mol，则反应Ⅱ中$CH_3OH$的转化率$\alpha=\frac{2.56}{3.2}×100\% = 80\%$。根据之前所解方程，可得平衡时：$CH_3OH$、$H_2$、CO的浓度分别为$0.32$mol·L⁻¹、$0.8$mol·L⁻¹、$0.4$mol·L⁻¹，反应Ⅰ的平衡常数$K=\frac{0.32}{0.8^2×0.4}=1.25$。

6. 在催化剂作用下，可通过甲醇与烯烃的液相反应制得2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)，体系中同时存在如下反应：
反应I：$\mathrm{A}+\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}\stackrel{K_{x1}}{\rightleftharpoons}\mathrm{TAME}$ $\Delta H_{1}$
反应II：$\mathrm{B}+\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}\stackrel{K_{x2}}{\rightleftharpoons}\mathrm{TAME}$ $\Delta H_{2}$
反应III：$\mathrm{A}\stackrel{K_{x3}}{\rightleftharpoons}\mathrm{B}$ $\Delta H_{3}$

为研究上述反应体系的平衡关系，向某反应容器中加入$1.0\ \mathrm{mol}\ \mathrm{TAME}$，控制温度为$353\ \mathrm{K}$，测得$\mathrm{TAME}$的平衡转化率为$\alpha$。已知反应III的平衡常数$K_{x3}=9.0$。
(1)则平衡体系中$\mathrm{B}$的物质的量为 __________$\mathrm{mol}$，反应I的平衡常数$K_{x1}=$ ________。
(2)同温同压下，再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释，反应I的化学平衡将 __________（填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”）。平衡时，$\mathrm{A}$与$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}$物质的量浓度之比$c(\mathrm{A}):c(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OH}) = $ __________。

答案：
(1)$0.9a$ $\frac{1 - a^2}{0.1a^2}$
(2)逆向移动 1 : 10

1.[2022·全国甲卷,28(1)①(2)①](1)$TiO_{2}$转化为$TiCl_{4}$有直接氯化法和碳氯化法。在$1000^{\circ }C$时反应的热化学方程式及其平衡常数如下：
(i)直接氯化：$TiO_{2}(s)+2Cl_{2}(g)=TiCl_{4}(g)+O_{2}(g)$ $\Delta H_{1}=+172\ kJ\cdot mol^{-1},K_{p1}=1.0×10^{-2}$
(ii)碳氯化：$TiO_{2}(s)+2Cl_{2}(g)+2C(s)=TiCl_{4}(g)+2CO(g)$ $\Delta H_{2}=-51\ kJ\cdot mol^{-1},K_{p2}=1.2×10^{12}Pa$
①反应$2C(s)+O_{2}(g)=2CO(g)$的$\Delta H$为______$kJ\cdot mol^{-1},K_{p}=$______$Pa$。
(2)在$1.0×10^{5}Pa$,将$TiO_{2}$、C、$Cl_{2}$以物质的量比$1:2.2:2$进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
　　
①反应$C(s)+CO_{2}(g)=2CO(g)$的平衡常数$K_{p}(1400^{\circ }C)=$______$Pa$。

答案： 练真题　明考向
1.
(1)① - 223 1.2×10¹⁴
(2)① 7.2×10⁵