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DSE 化學練習卷：化學平衡與工業生產（12 題・100 分・75 分鐘）
練習卷 · DSE 化學全卷：化學平衡與工業生產
HKDSE 化學練習卷：12 題 100 分 75 分鐘，涵蓋平衡常數 Kc 的計算與單位、反應商判斷平衡方向、勒沙特列原理、哈伯法與接觸法的工業條件及能源考量，附完整計算步驟與評分要點，適合中四至中六操卷及教師備課使用。
卷面資料 年級：中四至中六（S4–S6） ｜ 科目：化學 ｜ 時限：75 分鐘 ｜ 總分：100 分 ｜ 題數：12
甲部（第 1 至 4 題，共 32 分）
細閱下列各題，寫出公式、代入數字，並註明單位。
| # | 題目 | 答案與評分要點 |
|---|---|---|
| 1 | 合成氨反應 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 在某溫度下於一個 2.0 dm3 的密閉容器中達至平衡，平衡時容器內含 0.50 mol N2、1.00 mol H2 及 1.00 mol NH3。(a) 以濃度寫出該反應的平衡常數 Kc 表示式。(b) 求平衡時三種氣體的濃度。(c) 計算該溫度下的 Kc 值，並寫出單位。(d) 若在恆溫下把容器壓縮至 1.0 dm3，指出平衡移動的方向並解釋。 | (a) Kc ＝ [NH3]² ÷ ([N2] × [H2]³)，式中各濃度均以 mol/dm3 代入。〔2 分〕(b) 濃度＝摩爾數 ÷ 體積：N2 為 0.50 ÷ 2.0 ＝ 0.25 mol/dm3，H2 為 1.00 ÷ 2.0 ＝ 0.50 mol/dm3，NH3 為 1.00 ÷ 2.0 ＝ 0.50 mol/dm3。〔2 分〕(c) Kc ＝ 0.50² ÷ (0.25 × 0.50³) ＝ 0.25 ÷ 0.03125 ＝ 8.0，單位為 mol⁻² dm⁶。〔2 分〕(d) 體積減半令各氣體濃度加倍，反應商 Qc ＝ 1.00² ÷ (0.50 × 1.00³) ＝ 2.0，小於 Kc 的 8.0，故淨反應向正方向進行，平衡右移，NH3 的摩爾數增加。〔2 分〕評分要點：Kc 只隨溫度改變，改變體積不改變 Kc；氣體總摩爾數由 4 減至 2，加壓有利正反應。 |
| 2 | 接觸法製造硫酸的第一步為 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)，ΔH ＝ －197 kJ/mol。某溫度下達至平衡時，各氣體的濃度為 [SO2] ＝ 0.40 mol/dm3、[O2] ＝ 0.20 mol/dm3、[SO3] ＝ 0.80 mol/dm3。(a) 寫出 Kc 表示式。(b) 計算該溫度下的 Kc 值，並寫出單位。(c) 若把溫度提高，Kc 會增大還是減小？解釋。(d) 解釋工業上為何仍採用約 450 °C 而不採用室溫。 | (a) Kc ＝ [SO3]² ÷ ([SO2]² × [O2])。〔2 分〕(b) Kc ＝ 0.80² ÷ (0.40² × 0.20) ＝ 0.64 ÷ 0.032 ＝ 20.0，單位為 mol⁻¹ dm³。〔2 分〕(c) 該反應為放熱反應，升高溫度令平衡向逆方向移動，產物減少、反應物增加，故 Kc 減小。〔2 分〕(d) 室溫下反應速率極慢，即使平衡位置有利亦無法在合理時間內生產；450 °C 可令釩催化劑具足夠活性，使反應在可接受時間內達至平衡，是速率與產率之間的取捨。〔2 分〕評分要點：Kc 單位由氣體摩爾數差決定（2 － 3 ＝ －1）；升溫對放熱反應的影響與速率相反。 |
| 3 | 氫與碘的氣相反應 H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) 在 855 K 時 Kc ＝ 54.0。某時刻於 1.0 dm3 容器內測得 [H2] ＝ 0.100 mol/dm3、[I2] ＝ 0.100 mol/dm3、[HI] ＝ 0.500 mol/dm3。(a) 寫出 Kc 表示式，並解釋此反應的 Kc 為何沒有單位。(b) 計算該時刻的反應商 Qc。(c) 判斷淨反應的進行方向。(d) 達至平衡時，HI 的濃度會高於還是低於 0.500 mol/dm3？解釋。 | (a) Kc ＝ [HI]² ÷ ([H2] × [I2])；反應前後氣體摩爾數同為 2，濃度的單位在分子與分母互相抵消，故 Kc 沒有單位。〔2 分〕(b) Qc ＝ 0.500² ÷ (0.100 × 0.100) ＝ 0.25 ÷ 0.0100 ＝ 25.0。〔2 分〕(c) Qc 的 25.0 小於 Kc 的 54.0，淨反應向正方向進行，即由左向右。〔2 分〕(d) 正反應繼續進行，HI 由 0.500 mol/dm3 繼續生成，故平衡時 HI 的濃度會高於 0.500 mol/dm3；同時 H2 與 I2 的濃度下降，直至 Qc 等於 Kc。〔2 分〕評分要點：比較 Qc 與 Kc 才能判斷方向，不可只看某一物種的濃度。 |
| 4 | 在一個 2.0 dm3 的密閉容器中，把 1.00 mol N2 與 3.00 mol H2 混合並保持溫度不變，反應 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 達至平衡時，容器內含 0.80 mol NH3。(a) 求平衡時 N2 及 H2 的摩爾數。(b) 求三種氣體的平衡濃度。(c) 計算 Kc 值，並寫出單位。(d) 求 N2 的轉化率，以百分比表示。 | (a) 生成 0.80 mol NH3 消耗 0.40 mol N2 及 1.20 mol H2，故平衡時 N2 為 0.60 mol、H2 為 1.80 mol。〔2 分〕(b) 濃度分別為 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，單位為 mol⁻² dm⁶。〔2 分〕(d) N2 轉化率 ＝ 已反應的 N2 ÷ 起始的 N2 × 100% ＝ 0.40 ÷ 1.00 × 100% ＝ 40.0%。〔2 分〕評分要點：由反應計量比推算消耗量；轉化率只計其中一種反應物，並須以起始摩爾數為分母。 |
乙部（第 5 至 8 題，共 36 分）
回答下列各題，須展示完整步驟及所用公式。
| # | 題目 | 答案與評分要點 |
|---|---|---|
| 5 | 哈伯法合成氨：N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)，ΔH ＝ －92 kJ/mol。(a) 解釋升高溫度對平衡位置及 Kc 的影響，並指出工業上仍採用約 450 °C 的原因。(b) 解釋增大總壓對平衡位置的影響。(c) 解釋把生成的氨不斷液化移走的作用。(d) 解釋鐵催化劑在該過程中的角色，並說明它是否改變 Kc。 | (a) 正反應放熱，升高溫度令平衡向逆方向移動，NH3 產率下降，Kc 亦減小；工業仍採用約 450 °C，因為低溫下反應速率太慢，催化劑活性亦不足，450 °C 是產率與速率的折衷。〔3 分〕(b) 正反應氣體摩爾數由 4 減至 2，增大總壓令平衡向氣體摩爾數較少的一方移動，即向右移動，NH3 產率上升。〔2 分〕(c) 不斷液化並移走 NH3 令生成物濃度下降，反應商小於 Kc，平衡持續右移，使反應物更充分轉化。〔2 分〕(d) 鐵催化劑提供較低活化能的途徑，令反應更快達至平衡，但催化劑同等程度加快正逆反應，故不改變平衡位置，也不改變 Kc。〔2 分〕評分要點：催化劑只改變速率，不改變產率；壓力效應由氣體摩爾數差決定。 |
| 6 | 於 1.0 dm3 容器中，把 2.0 mol SO2 與 1.0 mol O2 混合，反應 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g) 達至平衡時，容器內含 1.60 mol SO3。(a) 求平衡時 SO2 及 O2 的摩爾數。(b) 假設容器體積仍為 1.0 dm3，計算 Kc 值並寫出單位。(c) 求 SO2 的轉化率。(d) 解釋為何實際工廠不能把 SO2 全部轉化，並說明如何提高原料的總利用率。 | (a) 生成 1.60 mol SO3 消耗 1.60 mol SO2 及 0.80 mol O2，故平衡時 SO2 為 0.40 mol、O2 為 0.20 mol。〔2 分〕(b) Kc ＝ 1.60² ÷ (0.40² × 0.20) ＝ 2.56 ÷ 0.032 ＝ 80.0，單位為 mol⁻¹ dm³。〔2 分〕(c) SO2 轉化率 ＝ 1.60 ÷ 2.0 × 100% ＝ 80.0%。〔2 分〕(d) 反應是可逆的，到達平衡時正逆反應速率相等，反應物不會完全耗盡；工廠把未反應的 SO2 與 O2 循環送回反應器，並移走 SO3，使平衡持續右移，以提高原料的總利用率。〔3 分〕評分要點：可逆反應的轉化率有上限；提高總利用率靠循環與移走產物，不是靠加大催化劑。 |
| 7 | 五氯化磷的分解反應 PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g)。於 5.0 dm3 容器中放入 1.0 mol PCl5，在某溫度下達至平衡時剩下 0.60 mol PCl5。(a) 求平衡時 PCl3 及 Cl2 的摩爾數。(b) 求三種物質的平衡濃度。(c) 計算 Kc 值，並寫出單位。(d) 若在同溫下把容器體積改為 2.5 dm3，預測 PCl5 的分解程度有何變化並解釋。 | (a) 分解 0.40 mol PCl5 產生 0.40 mol PCl3 及 0.40 mol Cl2。〔2 分〕(b) 濃度分別為 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，單位為 mol dm⁻³。〔2 分〕(d) 體積減半令各物濃度加倍，反應商變為原來的兩倍，大於 Kc，故平衡向氣體摩爾數較少的一方移動，即向左移動；PCl5 的分解程度下降，剩餘的 PCl5 增加。〔3 分〕評分要點：分解反應產生兩個分子，加壓不利分解；Kc 不隨體積改變。 |
| 8 | 某研究比較哈伯法在 200 atm 下不同溫度的表現：400 °C 時氨的平衡產率為 63%，450 °C 為 45%，500 °C 為 26%；而到達平衡所需的時間則隨溫度上升而明顯縮短。(a) 解釋平衡產率隨溫度上升而下降的原因。(b) 計算由 400 °C 升至 500 °C 時平衡產率的百分點跌幅及百分比跌幅。(c) 解釋工業上為何仍選用約 450 °C 而非 400 °C。(d) 解釋為何實際工廠使用 200 atm 而不使用更高得多的壓力。 | (a) 合成氨為放熱反應，升高溫度令平衡向逆方向移動，氨的平衡產率因而下降。〔2 分〕(b) 百分點跌幅 ＝ 63 － 26 ＝ 37 個百分點；百分比跌幅 ＝ 37 ÷ 63 × 100% ＝ 58.7%。〔3 分〕(c) 400 °C 的產率較高，但反應速率與催化劑活性都明顯較低，達到平衡需時太長；450 °C 可在合理時間內得到可觀產率，是速率與產率的取捨。〔2 分〕(d) 200 atm 已能大幅提高產率，再提高壓力對產率的增益遞減，但壓縮氣體的成本、設備厚度與安全風險大幅上升，故工業上以 200 atm 為平衡點。〔2 分〕評分要點：百分點跌幅與百分比跌幅不可混淆；高壓的效益受成本限制。 |
丙部（第 9 至 12 題，共 32 分）
就下列各題作較詳細的計算與解釋，答案須註明單位。
| # | 題目 | 答案與評分要點 |
|---|---|---|
| 9 | 甲醇可由一氧化碳與氫合成：CO(g) + 2H2(g) ⇌ CH3OH(g)。某溫度下於 2.0 dm3 容器中達至平衡，測得 [CO] ＝ 0.50 mol/dm3、[H2] ＝ 0.25 mol/dm3、[CH3OH] ＝ 0.75 mol/dm3。(a) 寫出 Kc 表示式。(b) 計算 Kc 值並寫出單位。(c) 假設開始時只有反應物，求開始時 CO 及 H2 的摩爾數。(d) 解釋為何增大壓力會提高甲醇的平衡產率。 | (a) Kc ＝ [CH3OH] ÷ ([CO] × [H2]²)。〔2 分〕(b) Kc ＝ 0.75 ÷ (0.50 × 0.25²) ＝ 0.75 ÷ 0.03125 ＝ 24.0，單位為 mol⁻² dm⁶。〔2 分〕(c) 平衡時 CH3OH 為 1.50 mol、CO 為 1.00 mol；生成 1.50 mol CH3OH 消耗 1.50 mol CO 及 3.00 mol H2，故開始時 CO 為 2.50 mol、H2 為 3.50 mol。〔2 分〕(d) 正反應氣體摩爾數由 3 減至 1，增大壓力令平衡向氣體摩爾數較少的一方移動，即向右移動，甲醇的平衡產率上升。〔2 分〕評分要點：由平衡濃度反推起始摩爾數時，須按計量比把消耗量加回。 |
| 10 | 就下列各項改變，分別指出平衡移動的方向並解釋：(a) 在 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g) 中移走部分 SO3；(b) 在 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 中加入更多催化劑；(c) 在 PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + Cl2(g) 中增大容器體積；(d) 在 H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) 中把溫度升高，已知該反應為放熱反應。 | (a) 移走產物 SO3 令其濃度下降，反應商小於 Kc，平衡右移，以補充 SO3。〔2 分〕(b) 催化劑同等加快正逆反應，只縮短達至平衡的時間，平衡位置不移動，Kc 亦不變。〔2 分〕(c) 增大體積令各物濃度下降，平衡向氣體摩爾數較多的一方移動，即向右移動，PCl5 的分解程度上升。〔2 分〕(d) 該反應放熱，升高溫度令平衡向逆方向移動，即左移，HI 的濃度下降，Kc 亦減小。〔2 分〕評分要點：判斷方向須比較氣體摩爾數，並以反應的吸熱或放熱決定溫度效應。 |
| 11 | 以不少於四點比較「到達平衡所需的時間」與「平衡的位置」，並分別說明催化劑與溫度對這兩方面的影響。 | (a) 速率方面：催化劑降低活化能，同時加快正逆反應，故到達平衡的時間縮短，但不改變平衡位置與 Kc。〔2 分〕(b) 溫度方面：升高溫度同時加快正逆反應，到達平衡的時間縮短，但會令平衡向吸熱方向移動，Kc 隨之改變。〔2 分〕(c) 平衡位置方面：只由溫度與 Kc 決定，與催化劑、容器大小無關；改變濃度或壓力只令平衡移動，不改變 Kc。〔2 分〕(d) 兩者可以方向相反：較高溫度雖更快達至平衡，卻可能令放熱反應的產率下降，工業上須在速率與產率之間取捨。〔2 分〕評分要點：答案須分別討論速率與平衡位置，並清楚指出催化劑不影響 Kc、溫度會影響 Kc。 |
| 12 | (a) 解釋合成氨工廠為何把未反應的 N2 與 H2 循環送回反應器。(b) 解釋接觸法為何用濃硫酸吸收 SO3 而不用水直接吸收。(c) 就哈伯法及接觸法各舉一項提高能源效益的措施。(d) 說明要提高工業反應的平衡產率時，為何不能單靠降低溫度。 | (a) 循環可把未反應的 N2 與 H2 送回反應器再作用，避免原料浪費，令總轉化率遠高於單次通過的轉化率。〔2 分〕(b) SO3 與水直接接觸會產生大量酸霧，吸收效率低且腐蝕設備；濃硫酸能平穩吸收 SO3 形成發煙硫酸，再稀釋成所需濃度的硫酸。〔2 分〕(c) 哈伯法以鐵催化劑配合約 450 °C 及 200 atm，並以餘熱加熱進入反應器的氣體；接觸法用熱交換器把反應熱用於預熱進入的氣體及發電。〔2 分〕(d) 降低溫度雖令放熱反應的產率上升，但速率與催化劑活性同時下降，達到平衡需時過長，產量反而減少；故須在溫度、壓力與催化劑之間取捨，不能單靠降溫。〔2 分〕評分要點：循環、移走產物與熱交換屬提高效率的常用手段；溫度效應須同時考慮速率。 |
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