突破03 小题专练——守恒法在化学平衡多重反应中的应用-备战2021年高考化学《化学反应原理》逐空突破系列

守恒法在化学平衡多重反应中的应用 ——平衡常数、平衡浓度、转化率计算 类型一 连续反应 连续平衡是指有关的两个可逆反应有着关联，第一个反应的某一生成物，是第二个反应的反应物。解题时 要注意如果该物质是第一个反应的生成物，第二个反应的反应物；则在第一个反应中，该物质的初始量为 0，它的平衡量则为第二个反应中该物质的初始量 (在计算第二个反应的转化率尤为重要) 例 1、[2019·天津Ⅰ·节选] 在 1 L 真空密闭容器中加入 a mol PH4I 固体，t℃ 时发生如下反应： PH4I (s) PH3(g) + HI (g) ① 4 PH3(g) P4(g)+ 6H2(g) ② 2HI (g) H2 (g) + I2 (g) ③ 达到平衡时，体系中 n(HI)=b mol，n(I2)=c mol， n(H2)=d mol，则 t℃时反应①的平衡常数 K 值为 【答案】K＝(b+8c－2d 3 )b 或 K＝(b－2d－8c 3 )b 【解析】对于连续反应，本题采取原子守恒法 设平衡时为 PH4I 为 x mol，PH3 为 y mol，P4 为 z mol，根据： P 守恒：a=x+y+4z H 守恒：4a=4x+3y+b+2d I 守恒：a=x+b+2c 解得：x=a-b-2c，y= 3 d2-c8b3  ，z= 6 c-d ，则反应的平衡常数 k= b)3 d2-c8b3(  例 2、将固体 NH4I 置于密闭容器中，在一定温度下发生下列反应：①NH4I(s) NH3(g)＋HI(g) ②2HI(g) H2(g) ＋I2(g)达到平衡时，c(H2)＝0.5mol·L-1，c(HI)＝4mol·L-1，则此温度下反应①的平衡常数为 ，平衡时 NH3 的浓度 A．9 B．16 C．20 D．25 【答案】20 5 mol·L-1 【解析】设起始状态时 NH4I 为 x mol·L-1 ，平衡时 NH4I 为 a mol·L-1，NH3 为 b mol·L-1，I2 为 c mol·L-1，根据： N 守恒：x=a+b H 守恒：4x=4a+3b+4+2×0.5 I 守恒：x=a+2c+4 解得：b=5，c=0.5，此题平衡时 NH4I 浓度无法求的，反应①的平衡常数 K=4×5=20 例 3、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、CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) II、2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) 500K 时，在 2L 密闭容器中充入 4molCO 和 8molH2，4min 达到平衡，平衡时 CO 的转化率为 80%，且 2c(CH3OH)=c(CH3OCH3)，则： ①0～4min，反应 I 的 v(H2)＝______ ②反应 II 中 CH3OH 的转化率α＝__________，反应 I 的平衡常数 K＝_______ 【答案】①0.8 mol·L-1·min-1 ②80% 1.25 【解析】设平衡时 CO 为 x mol，H2 为 y mol，CH3OH 为 zmol，则 CH3OCH3 为 2z mol，H2O 为 b mol，根据： C 守恒：x+z+2×2z=4 H 守恒：2y+4z+6×2z+2b=2×8 O 守恒：x+z+2z+b=4 CO 的转化率= %804 x-4  ，解得 x=0.8，y=1.6，z=0.64，b=1.28， v(H2)＝ 8.0min42 )6.1-8( L mol mol·L-1·min-1， 反应I中CO的转化率为80%，则生成的CH3OH为4×80%=3.2，反应II生成的CH3OCH3为2z即2×0.64=1.28mol， 则反应 II 转化的 2×1.28=2.56mol，则反应 II 中 CH3OH 的转化率α＝ %802.3 56.2  根据之前所解方程，可得平衡时：CH3OH、H2、CO 的浓度分别为 0.32mol·L-1、0.8mol·L-1、0.4mol·L-1，反应 I 的平衡常数 K＝ 25.14.08.0 32.0 2  【经典练习】 1、将固体 NH4I 置于密闭容器中，在一定温度下发生下列反应：①NH4I(s)NH3(g)＋HI(g) ②2HI(g) H2(g)＋I2(g) 达到平衡时，c(H2)＝0.5mol·L-1，c(HI)＝3mol·L-1，则此温度下反应①的平衡常数为_____ 2、加热 N2O5，依次发生的分解反应为①N2O5(g) N2O3(g)＋O2(g)，②N2O3(g) N2O(g)＋O2(g)。在容积为 2 L 的密闭容器中充入 8 mol N2O5，加热到 t ℃，达到平衡状态后 O2 为 9 mol，N2O3 为 3.4 mol，则 t ℃时反应①的 平衡常数为( ) A．10.7 B．8.5 C．9.6 D．10.2 3、在某温度 T 时能同时发生反应：①2N2O5(g) 2 N2O4(g)+O2(g) k1 ②N2O4(g) 2 NO2(g) k2 若向一体积固定为 2L 的密闭容器内加入 N2O5 2 mol 一段时间后，容器内的反应达到平衡，此时 n(NO2)＝0.4 mol 已知 K2＝0.1，请计算出 k1＝ 4、在容积为 2 L 的恒容密闭容器中充入 4 mol N2O3，恒温 t℃时发生反应：N2O3(g) N2O(g)＋O2(g)， N2O3(g)＋O2(g) N2O5(g)，达平衡时，测得 N2O5 为 0.7 mol / L，O2 为 0.5 mol / L，则( ) A. c(N2O3)＝0.8 mol/L B. c(N2O3)＝0.1 mol/L C. c(N2O)＝0.5 mol/L D. c(N2O)＝1.2 mol/L 5、某温度下，C 和 H2O(g)在密闭溶液器中发生下列反应：C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g)，CO(g)＋H2O(g) CO2(g) ＋H2(g)，当反应平衡时，测得 c(H2)＝1.9 mol / L，c(CO)＝0.1 mol / L，则 CO2 的浓度为( ) A. 1 mol/L B. 0.9 mol/L C. 1.9 mol/L D. 1.8 mol/L 6、某温度下，4molH2O 和 lmolCH4 在体积为 2L 的刚性容器内同时发生 I、II 反应，达平衡时，体系中 n(CO)＝ bmol、n(CO2)＝dmol，则该温度下反应 I 的平衡常数 K 值为__________________(用字母表示) I、CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g) △H1＝+206.4kJ·mol－1 II、CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) △H2 7、甲醚又称二甲醚，简称 DME，熔点－141.5 ℃，沸点－24.9 ℃，与石油液化气(LPG)相似，被誉为“21 世纪的 清洁燃料”。由合成气(CO、H2)制备二甲醚的反应原理如下： ①CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH1＝－90.0 kJ·mol－1 ②2CH3OH(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH2 有人模拟该制备原理，500 K 时，在 2 L 的密闭容器中充入 2 mol CO 和 6 mol H2,5 min 达到平衡，平衡时 CO 的转化率为 60%，c(CH3OCH3)＝0.2 mol·L－1，用 H2 表示反应①的速率是________ mol·L－1·min－1，可逆反应② 的平衡常数 K2＝________。若在 500 K 时，测得容器中 n(CH3OCH3)＝2n(CH3OH)，此时反应②的 v 正____v 逆(填 “＞”“＜”或“＝”) 类型二 竞争反应(平行反应) 平行反应是指反应物能同时平行地进行两个或两个以上的不同反应，得出不同的产物。其中反应较快或产 物在混合物中所占比率较高的称为主反应，其余称为副反应。解题时要注意如果一个物质是两个平行反应 的反应物，则题目中所给初始量则是该物质在这两个反应中的初始量之和 例 1、CO2 在 Cu-ZnO 催化下，同时发生如下反应 I，II，是解决温室效应和能源短缺的重要手段。 Ⅰ、CO2(g)+3H2(g) CH3OH (g)+H2O(g) △H10 保持温度 T 时，在容积不变的密闭容器中，充入一定量的 CO2 及 H2，起始及达平衡时，容器内各气体物质的 量及总压强如下表： 若反应 I、II 均达平衡时，p0=1.4p，则表中 n=__________；反应 1 的平衡常数 Kp=________ (kPa)－2。(用含 p 的式子表示) 【答案】0.2 2 75 2p 【解析】对于竞争反应，本题同样采取原子守恒法 设平衡时 CO2 为 x mol，H2 为 y mol，CO 为 z mol，根据： C 守恒：x+n+z=0.5 H 守恒：2y+4n+0.3×2=0.9×2 O 守恒：2x+n+0.3+z=0.5×2 1 4.1 z3.0nyx 9.05.0   解得：x=0.2，y=0.2，z=0.1，n=0.2 平衡后物质的总量：0.2+0.6-2×0.2+0.2+0.3+0.3-0.2=1.0mol 平衡后各物质分压： CO2(g):（0.2/1）P=0.2P H2(g) :(0.2/1)P=0.2P CH3OH (g):(0.2/1)P=0.2P H2O(g):(0.3/1)P=0.3P Kp=  3 0.2 0.3 0.2 0.2 P P P P   = 2 75 2p 【经典练习】 1、二甲醚(CH3OCH3)是一种新兴化工原料，具有甲基化反应性能。 反应 i 2CH3OH(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH1 反应 ii 2CH3OH(g) C2H4(g)＋2H2O(g) ΔH2＝－29.1 kJ·mol－1 某温度下，以 CH3OH(g)为原料，平衡时各物质的分压数据如下表： 物质 CH3OH(g) CH3OCH3(g) C2H4(g) H2O(g) 分压/MPa 0.16 0.288 0.016 … 则反应 i 中，CH3OH(g)的平衡转化率α＝________，反应 i 的平衡常数 Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度 计算；结果保留两位有效数字) 2、CO2 在 Cu−ZnO 催化下，可同时发生如下的反应 I、II，其可作为解决温室效应及能源短缺的重要手段。，保 持温度 T 不变，在一刚性密闭容器中，充入一定量的 CO2 及 H2，起始及达平衡时，容器内各气体物质的量如 下表： I、CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＝－57.8kJ/mol II、CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝+41.2kJ/mol CO2 H2 CH3OH CO H2O(g) 总压/kPa 起始/mol 5.0 7.0 0 0 0 p0 平衡/mol n1 n2 p 若反应 I、II 均达平衡时，p0＝1.2p，则表中 n1＝_____；若此时 n2＝3．则反应 I 的平衡常数 Kp＝_____(无需 带单位，用含总压 p 的式子表示) 3、NH3 作为一种重要化工原料，被大量应用于工业生产，与其有关性质反应的催化剂研究曾被列入国家 863 计 划。催化剂常具有较强的选择性，即专一性。已知： 反应 I：4NH3(g) +5O2(g) 4NO(g) +6H2O(g) △H＝－905.0 kJ·molˉ1 反应 II：4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g) +6H2O(g) △H＝－1266.6 kJ·mol-1 氨催化氧化时会发生上述两个竞争反应 I、II。为分析某催化剂对该反应的选择性，在 1L 密闭容器中充入 1 mol NH3 和 2mol O2，测得有关物质的量关系如下图： ①该催化剂在低温时选择反应_______(填“ I ”或“ II”）。 ② 52℃时，4NH3+3O2 2N2+6H2O 的平衡常数 K＝_______(不要求得出计算结果，只需列出数字计算式) ③ C 点比 B 点所产生的 NO 的物质的量少的主要原因________ 4、CO2 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 1 L 密闭容器中充入 2 mol CO2 和 4 mol H2，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)。 5、将 4 mol SO3 气体和 4 mol NO 置于 2 L 容器中，一定条件下发生如下可逆反应(不考虑 NO2 和 N2O4 之间的相 互转化)：2SO3(g) 2SO2(g)＋O2(g)，2NO(g)＋O2(g) 2NO2(g) (1)当上述系统达到平衡时，O2 和 NO2 的物质的量分别为 n(O2)＝0.1 mol，n(NO2)＝3.6 mol，则此时 SO3 气体的物 质的量为________ (2)当上述系统达到平衡时，欲求其混合气体的平衡组成，则至少还需要知道两种气体的平衡浓度，但这两种气 体不能同时是 SO3 和________或 NO 和________(填它们的分子式) (3)在其他条件不变的情况下，若改为起始时在 1 L 容器中充入 2 mol NO2 和 2 mol SO2，则反应达到平衡时，c(SO2) 是________ mol·L－1 【守恒法在化学平衡多重反应中的应用】答案 类型一 连续反应 【经典练习】 1、12 2、B 3、0.16 4、B 5、B 6、       3 4 1 4 b 4 2 b d b d b d        7、0.24 1 ＜ 类型二 竞争反应(平行反应) 【经典练习】 1、75% 3.6 2、1.0mol p 2 75K = 4p 3、II 0.22×0.96 0.44×1.453 该反应为放热反应，温度升高，平衡向逆反应方向移动或催化剂活性降低 4、反应Ⅰ 0.2×1.22 1.4×24 5、(1)0.2 mol (2)SO2 NO2 (3)1.9