专题八　化学反应速率与化学平衡课件PPT

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高考总复习
GAO KAO ZONG FU XI
第一编
2022
内容索引
考点一　外界条件对化学反应速率的影响
考点二　化学平衡　化学平衡常数及有关计算
考点三　化学反应速率与化学平衡的有关图像
专项模块　素养培优
五年高考 命题研究
考点一　外界条件对化学反应 速率的影响
要点归纳•再提升
一、化学反应速率的计算及速率常数1.化学反应速率的计算
计算时一定要注意容器或溶液的体积,不能忽视容器或溶液的体积V,盲目地把Δn当作Δc代入公式进行计算,同时还要注意单位及规范书写,还要根据要求注意计算值的处理。
2.速率常数(1)假设基元反应(能够一步完成的反应)为aA(g)+bB(g)==cC(g)+dD(g),其速率可表示为v=k·ca(A)·cb(B),式中的k称为反应速率常数或速率常数,它表示单位浓度下的化学反应速率,与浓度无关,但受温度、催化剂、固体表面性质等因素的影响,通常反应速率常数越大,反应进行得越快。不同反应有不同的速率常数。
(2)正、逆反应的速率常数与平衡常数的关系
二、正确理解化学反应速率的影响因素
1.内因——活化能相同条件下,不同化学反应的速率不同,主要是内因——活化能大小不同所致,活化能小的化学反应速率快,活化能大的化学反应速率慢。注意:反应热为正、逆反应活化能的差值。
影响反应速率的主要因素
2.外因相同的化学反应,在不同条件下,化学反应速率不同,主要原因是外因——浓度、压强、温度、催化剂、光照、接触面积等因素。(1)浓度(c):增大(减小)反应物浓度→单位体积内活化分子数目增加(减少),活化分子百分数不变→有效碰撞频率提高(降低)→化学反应速率加快(减慢)。(2)压强(p):对于气相反应来说,增大(减小)压强→相当于减小(增大)容器容积→相当于增大(减小)反应物的浓度→化学反应速率加快(减慢)。
化学反应确定后,只能通过改变外因改变反应速率
微点拨“ 惰性气体”对反应速率的影响
(3)温度(T):升高(降低)温度→活化分子百分数增大(减小)→有效碰撞频率提高(降低)→化学反应速率加快(减慢)。(4)催化剂①添加催化剂能改变反应的路径,降低反应的活化能,所以化学反应速率加快。②催化剂的选择性:对于在给定条件下反应物之间能够同时发生多个反应的情况,理想的催化剂还具有大幅度提高目标产物在最终产物中比例的作用。③酶作催化剂的特点:高效性、专一性(高选择性,一种酶只能催化一种或一类化学反应,如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽)、温和性(反应条件温和,温度升高,酶发生变性失去催化活性)。
经典对练•得高分
考向1　化学反应速率的影响因素真题示例1-1.(2021福建新高考适应卷,5)有研究认为,强碱性溶液中反应I-+ClO-==IO-+Cl-分三步进行,其中两步如下:第一步　ClO-+H2O→HOCl+OH-　K1=3.3×10-10第三步　HOI+OH-→IO-+H2O　K3=2.3×103下列说法错误的是(　　)A.反应第二步为HOCl+I-→HOI+Cl-B.由K可判断反应第三步比第一步快C.升高温度可以加快ClO-的水解D.HOCl和HOI都是弱酸
思路点拨
答案 B
1-2.(2021湖北新高考适应卷,18节选)甲烷和水蒸气催化制氢主要有如下两个反应:①CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g)ΔH=+206 kJ·mol-1②CO(g)+H2O(g) ==CO2(g)+H2(g)ΔH=-41 kJ·mol-1恒定压强为100 kPa时,将n(CH4)∶n(H2O)=1∶3的混合气体投入反应器中,平衡时,各组分的物质的量分数与温度的关系如图所示。
回答下列问题:(1)写出CH4与CO2生成H2和CO的热化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (2)关于甲烷和水蒸气催化制氢反应,下列叙述正确的是　　　　(填标号)。 A.恒温、恒容条件下,加入惰性气体,压强增大,反应速率加快B.恒温、恒容条件下,加入水蒸气,活化分子百分数增大,反应速率加快C.升高温度,活化分子百分数增大,有效碰撞频率增大,反应速率加快D.加入合适的催化剂,降低反应温度也能实现单位时间内转化率不变
答案 (1)CH4(g)+CO2(g) ==2CO(g)+2H2(g)　ΔH=+247 kJ·mol-1　(2)C
解析 (1)①CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g)　ΔH=+206 kJ·mol-1②CO(g)+H2O(g) ==CO2(g)+H2(g)　ΔH=-41 kJ·mol-1根据盖斯定律,①-②,ΔH=+206 kJ·mol-1+41 kJ·mol-1=+247 kJ·mol-1,得到CH4与CO2生成H2和CO的热化学方程式:CH4(g)+CO2(g) ==2CO(g)+2H2(g)ΔH=+247 kJ·mol-1;
(2)由反应CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g)　ΔH=+206 kJ·mol-1,恒温、恒容条件下,加入惰性气体,总压强增大,各物质的分压不变,各气体的浓度不变,化学反应速率不变,故A不符合题意;恒温、恒容条件下,加入水蒸气,活化分子百分数不变,单位体积活化分子数增加,有效碰撞几率增大,反应速率加快,故B不符合题意;升高温度,活化分子百分数增大,有效碰撞频率增大,反应速率加快,故C符合题意;加入合适的催化剂,缩短达到平衡的时间,但不影响平衡的移动,单位时间内气体的转化率改变;降低反应温度,平衡发生移动,单位时间内气体的转化率改变,故D不符合题意;答案选C。
对点演练
1-1.(2021河北石家庄模拟)为了研究碳酸钙粉末与稀盐酸反应的反应速率,某同学利用图1所示装置通过实验测定反应中生成的CO2的体积随反应时间变化的情况,绘制出图2所示的曲线。已知该反应是放热反应,下列说法正确的是(　　)
A.t1~t2段反应速率大于O~t1段的主要原因是此阶段盐酸的浓度较大B.t2~t3段反应速率小于t1~t2段的主要原因是此阶段反应体系的温度降低C.t4时刻不再产生气体,表明碳酸钙已经完全消耗D.微热锥形瓶时活塞向右移动,停止加热后活塞恢复至原位置,则装置气密性良好
答案 D　
解析 t1~t2段反应速率大于O~t1段的主要原因是反应放热造成此阶段反应体系温度较高,A项错误;t2~t3段反应速率小于t1~t2段的主要原因是此阶段盐酸的浓度减小,B项错误;t4时刻不再生成气体,可能是盐酸反应完全,碳酸钙因过量而仍有剩余,C项错误;微热锥形瓶时活塞向右移动,停止加热后活塞恢复至原位置,表明装置气密性良好,D项正确。
1-2.资料显示:自催化作用是指反应产物之一使该反应速率加快的作用。用稀硫酸酸化的KMnO4进行下列三组实验,一段时间后溶液均褪色(0.01 mol·L-1可以记做0.01M)。
下列说法不正确的是(　　)A.实验①中发生氧化还原反应,H2C2O4是还原剂,产物MnSO4能起自催化作用B.实验②褪色比①快,是因为MnSO4的催化作用加快了反应速率C.实验③褪色比①快,是因为Cl-的催化作用加快了反应速率D.若用1 mL 0.2 M的H2C2O4溶液做实验①,推测比实验①褪色快
答案 C　解析 根据化合价的变化可知,H2C2O4是还原剂,KMnO4是氧化剂,对比实验①和②可知,MnSO4对反应起催化作用,所以产物MnSO4能起自催化作用,故A、B项正确;实验③加入了稀盐酸之后,Cl-能与KMnO4发生氧化还原反应,所以褪色比①快,Cl-是还原剂而不是催化剂,故C错误;由于浓度会影响反应速率,所以增大H2C2O4溶液的浓度可以加快反应速率,故D正确。
考向2　化学反应速率的计算真题示例
计算曲线a的反应在30~90 min内的平均速率 (a)=　　　　　kPa·min-1。 
思路点拨根据定义式计算反应速率
答案 0.004 7
2-2.(2021河北卷,13)室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+N==X+Y;②M+N==X+Z。反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图。下列说法错误的是(　　)
A.0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3 mol·L-1·min-1B.反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变C.如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为ZD.反应①的活化能比反应②的活化能大
答案 A　
解析 考查化学反应速率的计算、转化率的计算、化学反应速率与活化能的关系等。反应①和②为竞争反应,由速率方程式可知,两个反应差异在速率常数的大小。图中显示,0~30 min内Δc(Z)=0.125 mol·L-1,Δc(M)=0.5 mol·L-1-0.3 mol·L-1=0.2 mol·L-1,Δc2(M)=Δc(Z)=0.125 mol·L-1,Δc(Y)=Δc1(M)=0.2 mol·L-1-0.125 mol·L-1=0.075 mol·L-1,v(Y)=0.075 mol·L-1÷30 min=0.002 5 mol·L-1·min-1,A项错误;由速率方程可知,
对点演练
2-1.(双选)(2021江西宜春模拟,改编)反应4A(s)+3B(g) 2C(g)+D(g)经过2 min,B的浓度减少0.6 mol·L-1。下列有关说法正确的有(　　)A.在2 min末时,反应物B的反应速率是0.3 mol·L-1·min-1B.在这2 min内用C表示的平均反应速率为0.2 mol·L-1·min-1C.在2 min时,B、C、D的浓度比一定为3∶2∶1D.若D的起始浓度为0.1 mol·L-1,则2 min时D的浓度为0.3 mol·L-1
答案 BD　
解析 2 min末的反应速率为瞬时速率,2 min内用B表示的速率为0.3 mol·L-1·min-1,该速率是平均反应速率,A错误;根据化学反应速率之比等于化学计量数之比,在这2 min内用C表示的平均速率为B的平均速率的 ,即0.2 mol·L-1·min-1,B正确;因为起始浓度未知,因此在2 min时,B、C、D的浓度之比不一定为3∶2∶1,C错误;根据浓度的变化量之比等于化学计量数之比,2 min内D的浓度应增加0.2 mol·L-1,若D的起始浓度为0.1 mol·L-1,则2 min时D的浓度为0.3 mol·L-1,D正确。
2-2.(2021浙江卷)取50 mL过氧化氢水溶液,在少量I-存在下分解:2H2O2==2H2O+O2↑。在一定温度下,测得O2的放出量,转换成H2O2的浓度(c)如下表:
下列说法不正确的是(　　)A.反应20 min时,测得O2体积为224 mL(标准状况)B.20~40 min,消耗H2O2的平均速率为0.010 mol·L-1·min-1C.第30 min时的瞬时速率小于第50 min时的瞬时速率D.H2O2分解酶或Fe2O3代替I-也可以催化H2O2分解
答案 C　
解析 反应20 min时,过氧化氢的浓度变为0.4 mol·L-1,说明分解的过氧化氢的物质的量n(H2O2)=(0.80-0.40) mol·L-1×0.05 L=0.02 mol,过氧化氢分解生成的氧气的物质的量n(O2)=0.01 mol,标准状况下的体积V=n·Vm=0.01 mol×22.4 L·mol-1=0.224 L=224 mL,A项正确;20~40 min,消耗过氧化氢的浓度为(0.40-0.20) mol·L-1=0.20 mol·L-1,则这段时间内的平均速率
=0.010 mol·L-1·min-1,B项正确;随着反应的不断进行,过氧化氢的浓度不断减小,某一时刻分解的过氧化氢的量也不断减小,故第30 min时的瞬时速率大于第50 min时的瞬时速率,C项错误;I-在反应中起到催化的作用,故也可以利用过氧化氢分解酶或Fe2O3代替,D项正确。
考向3　“控制变量”思想在探究影响化学反应速率因素中的应用真题示例3.(双选)(2021河北新高考适应卷,15)一定条件下,反应H2(g)+Br2(g) ==2HBr(g)的速率方程为v=kcα(H2)cβ(Br2)cγ(HBr),某温度下,该反应在不同浓度下的反应速率如下:
根据表中的测定结果,下列结论错误的是(　　)A.表中c的值为4B.α、β、γ的值分别为1、2、-1C.反应体系的三种物质中,Br2(g)的浓度对反应速率影响最大D.在反应体系中保持其他物质浓度不变,增大HBr(g)浓度,会使反应速率降低
思路点拨
答案 AB
对点演练3-1.(2021河北石家庄二十七中月考)碘在科研与生活中有重要应用。某兴趣小组用0.20 mol·L-1 KI溶液、0.2%淀粉溶液、0.20 mol·L-1 (NH4)2S2O8溶液、0.10 mol·L-1 Na2S2O3溶液等试剂,探究反应条件对化学反应速率的影响。
结合表中数据判断下列说法错误的是(　　)A.a=5,b=5
答案 B
3-2.(2021浙江宁波模拟)已知酸性KMnO4溶液与H2C2O4溶液发生如下反应:2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4==2MnSO4+K2SO4+10CO2↑+8H2O。探究该反应反应速率的影响因素,有关实验数据如表所示。下列说法不正确的是(　　)
A.用KMnO4表示该反应的速率,v(实验3)约为2×10-3 mol·L-1·min-1B.表中数据a5C.实验1、2探究温度对反应的影响,实验3、4探究催化剂对反应的影响D.可通过比较收集相同体积的CO2所消耗的时间来判断反应速率快慢
答案 A
解析 实验3中,根据关系式2KMnO4~5H2C2O4可知,高锰酸钾的量不足,消耗高锰酸钾的物质的量为4×10-3 L×0.01 mol·L-1=4×10-5 mol,则用KMnO4表示实验3的反应速率为 ≈6.7×10-4 mol·L-1·min-1,A错误;温度越高反应速率越快,催化剂可加快反应速率,则a5,B正确;根据单一变量原则,实验1、2探究温度对反应速率的影响,实验3、4探究催化剂对反应速率的影响,C正确;比较收集相同体积CO2所消耗的时间,可判断反应速率的大小,进而可判断反应的快慢,D正确。
易错防范•不失分
判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)对于任何化学反应来说,反应速率越大,反应现象就越明显。(　　)(2)化学反应速率为0.8 mol·L-1·s-1是指1 s时某物质的浓度为0.8 mol·L-1。(　　)(3)由v= 计算平均速率,用反应物表示时为正值,用生成物表示时为负值。(　　)(4)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的反应速率,其数值可能不同,但表示的意义相同。(　　)
(5)对于反应:2H2O2==2H2O+O2↑,加入MnO2或降低温度都能加快O2的生成速率。(　　)(6)由于固体浓度为一常数,所以块状CaCO3与粉末状CaCO3与等浓度的盐酸反应速率一样快。(　　)(7)100 mL 2 mol·L-1的盐酸跟锌片反应,加入适量的氯化钠溶液,反应速率不变。(　　)(8)FeCl3和MnO2均可加快H2O2分解,同等条件下二者对H2O2分解速率的改变相同。(　　)
答案 (1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×　(7)×　(8)×
考点二　化学平衡　化学平衡 常数及有关计算
要点归纳•再提升
1.化学平衡状态的标志(1)绝对标志
(2)相对标志①有气体参加的反应,气体的总压强、总体积、总物质的量不变时,如果是等体积反应时,不一定达到平衡;如果是不等体积反应时,一定达到平衡。
不变时,要具体分析各表达式中的分子或分母的变化情况,判断是否平衡。③如果反应体系中的物质有颜色,则反应体系的颜色不变时,一定达到平衡。
2.“惰性气体(对反应无关的气体)”对化学平衡的影响(1)恒温恒容时:充入惰性气体,体系的总压强增大,但各反应成分的浓度不变,即各反应气体的分压不变,平衡不移动。(2)恒温恒压时:充入惰性气体,容器容积增大,各反应气体的浓度降低,相当于减压,化学平衡向着气体体积增大的方向移动。
实质是压强的改变导致气体的浓度改变
3.分析化学平衡移动的一般思路
4.化学平衡计算的基本模式——“三段式”根据反应进行(或平衡移动)的方向,设出某反应物消耗的量,然后列式求解。例如:　　　mA　+　nB pC　+　qD起始量: a b 0 0变化量: mx nx px qx平衡量 : a-mx b-nx px qx其中:①各物质的变化量之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比。②这里a、b可指物质的量、浓度、气体体积等。
注意:(1)弄清起始量、平衡量、平衡转化率三者之间的互换关系。反应起始时,反应物和生成物可能同时存在。(2)由于起始浓度是人为控制的,故不同的物质起始浓度比不一定等于化学计量数之比。若反应物起始浓度之比等于化学计量数之比,则隐含着各反应物转化率相等,且平衡时各反应物的浓度之比等于化学计量数之比。(3)起始浓度之比、平衡浓度之比不一定等于化学计量数之比,但物质之间是按化学计量数之比反应和生成的,故各物质的浓度变化之比一定等于化学计量数之比,这是计算的关键。在计算平衡常数时,要注意反应物或生成物的状态。
经典对练•得高分
考向1　化学平衡状态的判断真题示例1.(2020浙江卷,29节选)研究NOx之间的转化具有重要意义。已知:N2O4(g) 2NO2(g)　ΔH>0将一定量N2O4气体充入恒容的密闭容器中,控制反应温度为T1。下列可以作为反应达到平衡的判据是　　　　。 A.气体的压强不变 B.v正(N2O4)=2v逆(NO2)C.K不变 D.容器内气体的密度不变E.容器内颜色不变
思路点拨
答案 AE
对点演练1-1.(2021广东佛山质检节选)向体积为1 L的恒容密闭容器中充入1 mol CH4和2 mol H2S,发生如下反应:CH4(g)+2H2S(g) CS2(g)+4H2(g),测得不同温度下,CH4的平衡转化率与温度的关系如图所示:
(1)1 200 ℃时,该反应的平衡常数K=　　　　　　(列出计算式即可); (2)下列情况能说明反应达到平衡状态的是　　　　　(填字母)。 A.4v(CH4)=v(H2)B.混合气体的压强保持不变C.混合气体的平均摩尔质量保持不变D.n(CH4)∶n(H2S)∶n(CS2)∶n(H2)=1∶2∶1∶4
解析 (1)由图可知,1 200 ℃时甲烷的平衡转化率为80%,平衡时甲烷的浓度为(1 mol·L-1-1 mol·L-1×80%)=0.2 mol·L-1,由方程式可知,硫化氢的浓度为(2 mol·L-1-0.8 mol·L-1×2)=0.4 mol·L-1、二硫化碳的浓度为0.8 mol·L-1、氢气的浓度为0.8 mol·L-1×4=3.2 mol·L-1,则化学平衡常数
(2)A.4v(CH4)=v(H2)不能说明正、逆反应速率相等,无法判断反应是否达到平衡状态,故错误;B.该反应是气体体积增大的反应,恒容密闭容器,随反应进行,混合气体的压强增大,则混合气体的压强保持不变说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故正确;C.由质量守恒定律可知,反应前后气体的质量不变,该反应是气体物质的量增大的反应,反应中混合气体的平均摩尔质量减小,则混合气体的平均摩尔质量保持不变说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故正确;D.n(CH4)∶n(H2S)∶n(CS2)∶n(H2)=1∶2∶1∶4不能说明正、逆反应速率相等,无法判断反应是否达到平衡状态,故错误。
1-2.(2021福建龙岩一模节选)利用CO2可合成烷烃、烯烃、醇等一系列重要化工原料。回答下列有关问题:制备甲烷:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)　ΔH=-252.9 kJ·mol-1
该反应的ΔG(ΔG=ΔH-TΔS)与温度的关系如图所示。
(1)要使该反应能顺利发生,理论上温度不高于　　　　　　　　。 (2)在恒温、恒容容器中进行该反应,下列不能说明反应达到平衡状态的是　。 A.CO2和H2的转化率之比不再变化B.混合气体的平均摩尔质量不再变化C.容器内的压强不再变化D.v正(H2)=4v正(CH4)
答案 (1)597 ℃　(2)AD
解析 (1)ΔG(ΔG=ΔH-TΔS)T1B.达到平衡时,T1温度对应反应放出的热量为m kJC.平衡时,通入氩气平衡正向移动D.平衡常数KaKA;②由于生成物n(H2)∶n(S2)=2∶1,所以曲线n对应的是H2的物质的量,曲线m对应的是H2S的物质的量,
2H2S(g) S2(g)+2H2(g) 8 4 8
③加入2.0 mol H2S的容器与加入1.0 mol H2S的容器相比,相当于加压,平衡逆移,即转化率减小,所以甲对应1.0 mol H2S分解的曲线;M、N两点容器内H2S的转化率相同,平衡时N点气体物质的量为M点的2倍,但N点温度较高,所以2p(M)0,m+n>p+q](1)速率曲线图
(2)转化率曲线图
2.几种特殊的图像(1)对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),如下图甲、乙,M点之前,表示从反应物开始,v正>v逆;M点达到平衡;M点之后为平衡受温度的影响情况,即升温时A的百分含量增加、C的百分含量减少,平衡左移,故正反应的ΔHv逆;则l曲线的右下方(F点)v正”“T2,试说明理由:  　。 Ⅱ.用催化剂Fe3(CO)12/ZSM-5催化CO2加氢合成乙烯的过程中,还会生成CH4、C3H6、C4H8等副产物,若在催化剂中添加Na、K、Cu助剂后(助剂也起催化作用)可改变反应的选择性(选择性指的是转化的CO2中生成C2H4的百分比)。在其他条件相同时,添加不同助剂,经过相同时间后测得CO2转化率和各产物的物质的量分数如下表:
(4)欲提高单位时间内乙烯的产量,在Fe3(CO)12/ZSM-5中添加　　　　　　助剂效果最好;加入助剂能提高单位时间内乙烯产量的根本原因是　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)吸热　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92 kJ·mol-1
(3)①>　②不能,因为温度不同,催化剂的活性不同,对反应速率造成的影响不同(4)K　助剂K降低了生成乙烯的反应所需要的活化能,加快乙烯的生成速率而对其他副反应的速率几乎无影响
(3)①T2温度下将2 mol N2和6 mol H2通入容积为1 L的密闭容器中,反应达到平衡时,根据“三段式”分析:　　　　　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)起始/(mol·L-1) 2.0 6.0 0转化/(mol·L-1) 1.0 3.0 2.0平衡/(mol·L-1) 1.0 3.0 2.0
随着反应的进行,容器内压强降低,若某时刻容器内气体的压强为起始时的80%,说明反应未达到平衡,则反应正向进行,即v正>v逆。②虽然反应时使用同一催化剂,都是将2.0 mol N2和6.0 mol H2通入容积为1 L的密闭容器中,但分别在T1和T2温度下进行反应。不能根据图示信息判断温度的相对高低,因为温度不同,催化剂的活性不同,对反应速率造成的影响不同。(4)由表中数据可知,Na作助剂时其他副反应占比大,Cu作助剂时CO2转化率低,兼顾乙烯的产率、CO2转化率和对副反应的影响,选择添加K作助剂效果最好。加入助剂能提高单位时间内乙烯产量的根本原因是助剂K降低了生成乙烯的反应所需要的活化能,加快乙烯的生成速率而对其他副反应的速率几乎无影响。
本 课 结 束