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DSE 化学练习卷：化学平衡与工业生产（12 题・100 分・75 分钟）
练习卷 · DSE 化学全卷：化学平衡与工业生产
HKDSE 化学练习卷：12 题 100 分 75 分钟，涵盖平衡常数 Kc 的计算与单位、反应商判断平衡方向、勒沙特列原理、哈伯法与接触法的工业条件及能源考量，附完整计算步骤与评分要点，适合中四至中六操卷及教师备课使用。
卷面资料 年级：中四至中六（S4–S6） ｜ 科目：化学 ｜ 时限：75 分钟 ｜ 总分：100 分 ｜ 题数：12
甲部（第 1 至 4 题，共 32 分）
细阅下列各题，写出公式、代入数字，并注明单位。
| # | 题目 | 答案与评分要点 |
|---|---|---|
| 1 | 合成氨反应 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 在某温度下于一个 2.0 dm3 的密闭容器中达至平衡，平衡时容器内含 0.50 mol N2、1.00 mol H2 及 1.00 mol NH3。(a) 以浓度写出该反应的平衡常数 Kc 表示式。(b) 求平衡时三种气体的浓度。(c) 计算该温度下的 Kc 值，并写出单位。(d) 若在恒温下把容器压缩至 1.0 dm3，指出平衡移动的方向并解释。 | (a) Kc ＝ [NH3]² ÷ ([N2] × [H2]³)，式中各浓度均以 mol/dm3 代入。〔2 分〕(b) 浓度＝摩尔数 ÷ 体积：N2 为 0.50 ÷ 2.0 ＝ 0.25 mol/dm3，H2 为 1.00 ÷ 2.0 ＝ 0.50 mol/dm3，NH3 为 1.00 ÷ 2.0 ＝ 0.50 mol/dm3。〔2 分〕(c) Kc ＝ 0.50² ÷ (0.25 × 0.50³) ＝ 0.25 ÷ 0.03125 ＝ 8.0，单位为 mol⁻² dm⁶。〔2 分〕(d) 体积减半令各气体浓度加倍，反应商 Qc ＝ 1.00² ÷ (0.50 × 1.00³) ＝ 2.0，小于 Kc 的 8.0，故净反应向正方向进行，平衡右移，NH3 的摩尔数增加。〔2 分〕评分要点：Kc 只随温度改变，改变体积不改变 Kc；气体总摩尔数由 4 减至 2，加压有利正反应。 |
| 2 | 接触法制造硫酸的第一步为 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)，ΔH ＝ －197 kJ/mol。某温度下达至平衡时，各气体的浓度为 [SO2] ＝ 0.40 mol/dm3、[O2] ＝ 0.20 mol/dm3、[SO3] ＝ 0.80 mol/dm3。(a) 写出 Kc 表示式。(b) 计算该温度下的 Kc 值，并写出单位。(c) 若把温度提高，Kc 会增大还是减小？解释。(d) 解释工业上为何仍采用约 450 °C 而不采用室温。 | (a) Kc ＝ [SO3]² ÷ ([SO2]² × [O2])。〔2 分〕(b) Kc ＝ 0.80² ÷ (0.40² × 0.20) ＝ 0.64 ÷ 0.032 ＝ 20.0，单位为 mol⁻¹ dm³。〔2 分〕(c) 该反应为放热反应，升高温度令平衡向逆方向移动，产物减少、反应物增加，故 Kc 减小。〔2 分〕(d) 室温下反应速率极慢，即使平衡位置有利亦无法在合理时间内生产；450 °C 可令钒催化剂具足够活性，使反应在可接受时间内达至平衡，是速率与产率之间的取舍。〔2 分〕评分要点：Kc 单位由气体摩尔数差决定（2 － 3 ＝ －1）；升温对放热反应的影响与速率相反。 |
| 3 | 氢与碘的气相反应 H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) 在 855 K 时 Kc ＝ 54.0。某时刻于 1.0 dm3 容器内测得 [H2] ＝ 0.100 mol/dm3、[I2] ＝ 0.100 mol/dm3、[HI] ＝ 0.500 mol/dm3。(a) 写出 Kc 表示式，并解释此反应的 Kc 为何没有单位。(b) 计算该时刻的反应商 Qc。(c) 判断净反应的进行方向。(d) 达至平衡时，HI 的浓度会高于还是低于 0.500 mol/dm3？解释。 | (a) Kc ＝ [HI]² ÷ ([H2] × [I2])；反应前后气体摩尔数同为 2，浓度的单位在分子与分母互相抵消，故 Kc 没有单位。〔2 分〕(b) Qc ＝ 0.500² ÷ (0.100 × 0.100) ＝ 0.25 ÷ 0.0100 ＝ 25.0。〔2 分〕(c) Qc 的 25.0 小于 Kc 的 54.0，净反应向正方向进行，即由左向右。〔2 分〕(d) 正反应继续进行，HI 由 0.500 mol/dm3 继续生成，故平衡时 HI 的浓度会高于 0.500 mol/dm3；同时 H2 与 I2 的浓度下降，直至 Qc 等于 Kc。〔2 分〕评分要点：比较 Qc 与 Kc 才能判断方向，不可只看某一物种的浓度。 |
| 4 | 在一个 2.0 dm3 的密闭容器中，把 1.00 mol N2 与 3.00 mol H2 混合并保持温度不变，反应 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 达至平衡时，容器内含 0.80 mol NH3。(a) 求平衡时 N2 及 H2 的摩尔数。(b) 求三种气体的平衡浓度。(c) 计算 Kc 值，并写出单位。(d) 求 N2 的转化率，以百分比表示。 | (a) 生成 0.80 mol NH3 消耗 0.40 mol N2 及 1.20 mol H2，故平衡时 N2 为 0.60 mol、H2 为 1.80 mol。〔2 分〕(b) 浓度分别为 N2 0.30 mol/dm3、H2 0.90 mol/dm3、NH3 0.40 mol/dm3。〔2 分〕(c) Kc ＝ 0.40² ÷ (0.30 × 0.90³) ＝ 0.16 ÷ 0.2187 ＝ 0.732，单位为 mol⁻² dm⁶。〔2 分〕(d) N2 转化率 ＝ 已反应的 N2 ÷ 起始的 N2 × 100% ＝ 0.40 ÷ 1.00 × 100% ＝ 40.0%。〔2 分〕评分要点：由反应计量比推算消耗量；转化率只计其中一种反应物，并须以起始摩尔数为分母。 |
乙部（第 5 至 8 题，共 36 分）
回答下列各题，须展示完整步骤及所用公式。
| # | 题目 | 答案与评分要点 |
|---|---|---|
| 5 | 哈伯法合成氨：N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)，ΔH ＝ －92 kJ/mol。(a) 解释升高温度对平衡位置及 Kc 的影响，并指出工业上仍采用约 450 °C 的原因。(b) 解释增大总压对平衡位置的影响。(c) 解释把生成的氨不断液化移走的作用。(d) 解释铁催化剂在该过程中的角色，并说明它是否改变 Kc。 | (a) 正反应放热，升高温度令平衡向逆方向移动，NH3 产率下降，Kc 亦减小；工业仍采用约 450 °C，因为低温下反应速率太慢，催化剂活性亦不足，450 °C 是产率与速率的折衷。〔3 分〕(b) 正反应气体摩尔数由 4 减至 2，增大总压令平衡向气体摩尔数较少的一方移动，即向右移动，NH3 产率上升。〔2 分〕(c) 不断液化并移走 NH3 令生成物浓度下降，反应商小于 Kc，平衡持续右移，使反应物更充分转化。〔2 分〕(d) 铁催化剂提供较低活化能的途径，令反应更快达至平衡，但催化剂同等程度加快正逆反应，故不改变平衡位置，也不改变 Kc。〔2 分〕评分要点：催化剂只改变速率，不改变产率；压力效应由气体摩尔数差决定。 |
| 6 | 于 1.0 dm3 容器中，把 2.0 mol SO2 与 1.0 mol O2 混合，反应 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g) 达至平衡时，容器内含 1.60 mol SO3。(a) 求平衡时 SO2 及 O2 的摩尔数。(b) 假设容器体积仍为 1.0 dm3，计算 Kc 值并写出单位。(c) 求 SO2 的转化率。(d) 解释为何实际工厂不能把 SO2 全部转化，并说明如何提高原料的总利用率。 | (a) 生成 1.60 mol SO3 消耗 1.60 mol SO2 及 0.80 mol O2，故平衡时 SO2 为 0.40 mol、O2 为 0.20 mol。〔2 分〕(b) Kc ＝ 1.60² ÷ (0.40² × 0.20) ＝ 2.56 ÷ 0.032 ＝ 80.0，单位为 mol⁻¹ dm³。〔2 分〕(c) SO2 转化率 ＝ 1.60 ÷ 2.0 × 100% ＝ 80.0%。〔2 分〕(d) 反应是可逆的，到达平衡时正逆反应速率相等，反应物不会完全耗尽；工厂把未反应的 SO2 与 O2 循环送回反应器，并移走 SO3，使平衡持续右移，以提高原料的总利用率。〔3 分〕评分要点：可逆反应的转化率有上限；提高总利用率靠循环与移走产物，不是靠加大催化剂。 |
| 7 | 五氯化磷的分解反应 PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g)。于 5.0 dm3 容器中放入 1.0 mol PCl5，在某温度下达至平衡时剩下 0.60 mol PCl5。(a) 求平衡时 PCl3 及 Cl2 的摩尔数。(b) 求三种物质的平衡浓度。(c) 计算 Kc 值，并写出单位。(d) 若在同温下把容器体积改为 2.5 dm3，预测 PCl5 的分解程度有何变化并解释。 | (a) 分解 0.40 mol PCl5 产生 0.40 mol PCl3 及 0.40 mol Cl2。〔2 分〕(b) 浓度分别为 PCl5 0.12 mol/dm3、PCl3 0.08 mol/dm3、Cl2 0.08 mol/dm3。〔2 分〕(c) Kc ＝ (0.08 × 0.08) ÷ 0.12 ＝ 0.0064 ÷ 0.12 ＝ 0.0533，单位为 mol dm⁻³。〔2 分〕(d) 体积减半令各物浓度加倍，反应商变为原来的两倍，大于 Kc，故平衡向气体摩尔数较少的一方移动，即向左移动；PCl5 的分解程度下降，剩余的 PCl5 增加。〔3 分〕评分要点：分解反应产生两个分子，加压不利分解；Kc 不随体积改变。 |
| 8 | 某研究比较哈伯法在 200 atm 下不同温度的表现：400 °C 时氨的平衡产率为 63%，450 °C 为 45%，500 °C 为 26%；而到达平衡所需的时间则随温度上升而明显缩短。(a) 解释平衡产率随温度上升而下降的原因。(b) 计算由 400 °C 升至 500 °C 时平衡产率的百分点跌幅及百分比跌幅。(c) 解释工业上为何仍选用约 450 °C 而非 400 °C。(d) 解释为何实际工厂使用 200 atm 而不使用更高得多的压力。 | (a) 合成氨为放热反应，升高温度令平衡向逆方向移动，氨的平衡产率因而下降。〔2 分〕(b) 百分点跌幅 ＝ 63 － 26 ＝ 37 个百分点；百分比跌幅 ＝ 37 ÷ 63 × 100% ＝ 58.7%。〔3 分〕(c) 400 °C 的产率较高，但反应速率与催化剂活性都明显较低，达到平衡需时太长；450 °C 可在合理时间内得到可观产率，是速率与产率的取舍。〔2 分〕(d) 200 atm 已能大幅提高产率，再提高压力对产率的增益递减，但压缩气体的成本、设备厚度与安全风险大幅上升，故工业上以 200 atm 为平衡点。〔2 分〕评分要点：百分点跌幅与百分比跌幅不可混淆；高压的效益受成本限制。 |
丙部（第 9 至 12 题，共 32 分）
就下列各题作较详细的计算与解释，答案须注明单位。
| # | 题目 | 答案与评分要点 |
|---|---|---|
| 9 | 甲醇可由一氧化碳与氢合成：CO(g) + 2H2(g) ⇌ CH3OH(g)。某温度下于 2.0 dm3 容器中达至平衡，测得 [CO] ＝ 0.50 mol/dm3、[H2] ＝ 0.25 mol/dm3、[CH3OH] ＝ 0.75 mol/dm3。(a) 写出 Kc 表示式。(b) 计算 Kc 值并写出单位。(c) 假设开始时只有反应物，求开始时 CO 及 H2 的摩尔数。(d) 解释为何增大压力会提高甲醇的平衡产率。 | (a) Kc ＝ [CH3OH] ÷ ([CO] × [H2]²)。〔2 分〕(b) Kc ＝ 0.75 ÷ (0.50 × 0.25²) ＝ 0.75 ÷ 0.03125 ＝ 24.0，单位为 mol⁻² dm⁶。〔2 分〕(c) 平衡时 CH3OH 为 1.50 mol、CO 为 1.00 mol；生成 1.50 mol CH3OH 消耗 1.50 mol CO 及 3.00 mol H2，故开始时 CO 为 2.50 mol、H2 为 3.50 mol。〔2 分〕(d) 正反应气体摩尔数由 3 减至 1，增大压力令平衡向气体摩尔数较少的一方移动，即向右移动，甲醇的平衡产率上升。〔2 分〕评分要点：由平衡浓度反推起始摩尔数时，须按计量比把消耗量加回。 |
| 10 | 就下列各项改变，分别指出平衡移动的方向并解释：(a) 在 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g) 中移走部分 SO3；(b) 在 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 中加入更多催化剂；(c) 在 PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) 中增大容器体积；(d) 在 H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) 中把温度升高，已知该反应为放热反应。 | (a) 移走产物 SO3 令其浓度下降，反应商小于 Kc，平衡右移，以补充 SO3。〔2 分〕(b) 催化剂同等加快正逆反应，只缩短达至平衡的时间，平衡位置不移动，Kc 亦不变。〔2 分〕(c) 增大体积令各物浓度下降，平衡向气体摩尔数较多的一方移动，即向右移动，PCl5 的分解程度上升。〔2 分〕(d) 该反应放热，升高温度令平衡向逆方向移动，即左移，HI 的浓度下降，Kc 亦减小。〔2 分〕评分要点：判断方向须比较气体摩尔数，并以反应的吸热或放热决定温度效应。 |
| 11 | 以不少于四点比较“到达平衡所需的时间”与“平衡的位置”，并分别说明催化剂与温度对这两方面的影响。 | (a) 速率方面：催化剂降低活化能，同时加快正逆反应，故到达平衡的时间缩短，但不改变平衡位置与 Kc。〔2 分〕(b) 温度方面：升高温度同时加快正逆反应，到达平衡的时间缩短，但会令平衡向吸热方向移动，Kc 随之改变。〔2 分〕(c) 平衡位置方面：只由温度与 Kc 决定，与催化剂、容器大小无关；改变浓度或压力只令平衡移动，不改变 Kc。〔2 分〕(d) 两者可以方向相反：较高温度虽更快达至平衡，却可能令放热反应的产率下降，工业上须在速率与产率之间取舍。〔2 分〕评分要点：答案须分别讨论速率与平衡位置，并清楚指出催化剂不影响 Kc、温度会影响 Kc。 |
| 12 | (a) 解释合成氨工厂为何把未反应的 N2 与 H2 循环送回反应器。(b) 解释接触法为何用浓硫酸吸收 SO3 而不用水直接吸收。(c) 就哈伯法及接触法各举一项提高能源效益的措施。(d) 说明要提高工业反应的平衡产率时，为何不能单靠降低温度。 | (a) 循环可把未反应的 N2 与 H2 送回反应器再作用，避免原料浪费，令总转化率远高于单次通过的转化率。〔2 分〕(b) SO3 与水直接接触会产生大量酸雾，吸收效率低且腐蚀设备；浓硫酸能平稳吸收 SO3 形成发烟硫酸，再稀释成所需浓度的硫酸。〔2 分〕(c) 哈伯法以铁催化剂配合约 450 °C 及 200 atm，并以余热加热进入反应器的气体；接触法用热交换器把反应热用于预热进入的气体及发电。〔2 分〕(d) 降低温度虽令放热反应的产率上升，但速率与催化剂活性同时下降，达到平衡需时过长，产量反而减少；故须在温度、压力与催化剂之间取舍，不能单靠降温。〔2 分〕评分要点：循环、移走产物与热交换属提高效率的常用手段；温度效应须同时考虑速率。 |
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