2024高考化学一轮复习讲义（步步高版）第7章 第40讲　化学反应的方向和限度

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[复习目标] 1.了解熵、熵变的含义，会用复合判据判断反应进行的方向。2.了解化学反应可逆性特点。3.掌握化学平衡状态的建立及特征。4.了解平衡常数的概念及意义。
考点一 化学反应的方向
1．自发反应
在一定条件下，无需外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。
2．熵和熵变的含义
(1)熵的含义
描述体系的无序程度的物理量，符号为S。熵值越大，体系混乱度越大。同一条件下，不同物质有不同的熵值；同一种物质在不同状态下熵值也不同，一般规律是S(g)>S(l)>S(s)。
(2)熵变的含义
ΔS＝S(生成物)－S(反应物)。化学反应的ΔS越大，越有利于反应自发进行。
3．判断化学反应方向的判据
ΔG＝ΔH－TΔS
ΔG0时，反应正向不能自发进行。
1．在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，可以改变化学反应进行的方向( )
2．因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或熵变均可以单独作为判断反应能否自发进行的判据( )
3．过程自发性不仅能用于判断过程的方向，还能确定过程发生的速率( )
答案 1.× 2.× 3.×
1．下列说法正确的是( )
A．非自发反应一定不能实现
B．同种物质气态时熵值最小，固态时熵值最大
C．反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH液态>固态，选项B错误；反应能自发进行说明：ΔH－TΔS＜0，由化学方程式NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)可知该反应的ΔS＜0，要使ΔH－TΔS＜0，必须满足ΔH＜0，选项C正确；恒温恒压下，ΔH＜0且ΔS＞0的反应的ΔH－TΔS＜0，反应一定可以自发进行，选项D错误。
2．(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO，有人设想按下列反应除去CO：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)。已知该反应的ΔH＞0，简述该设想能否实现的依据：_______________________________
____________________________________________________________________________。
(2)超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2，化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。反应能够自发进行，则反应的ΔH________0(填“＞”“＜”或“＝”)。理由是________________
____________________________________________________________________________。
(3)已知CaSO4(s)＋CO(g)CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g) ΔH＝＋218 kJ·ml－1，该反应能够自发进行的反应条件是________。
答案 (1)不能实现，因为该反应的ΔH＞0，ΔS＜0，反应不可能自发进行 (2)＜ 该反应的ΔS＜0，因该反应能自发进行，根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0可知ΔH＜0 (3)高温
考点二 可逆反应、化学平衡状态
1．可逆反应
(1)概念
在相同条件下同时向正、逆两个方向进行的反应。
(2)特点
2.化学平衡状态
(1)概念
在一定条件下可逆反应进行到一定程度时，反应物和生成物的浓度不再随时间的延长而发生变化，正反应速率和逆反应速率相等，这种状态称为化学平衡状态，简称化学平衡。
(2)化学平衡的建立
绘制“反应速率－时间”图像，表示从正反应开始建立化学平衡状态的过程。
(3)平衡特征
(4)化学平衡状态的判断方法
①v正＝v逆eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(同种物质，消耗速率等于生成速率,不同种物质，速率之比等于化学计量, 数之比，但必须同时有正、逆反应))
②宏观组成标志
各组分的浓度保持不变，或各组分的质量、物质的量、百分含量、质量分数等保持不变的状态是平衡状态。
③间接标志
a．有气体参加的不等体反应，气体的总压强、总体积、总物质的量不变时，达到平衡状态。
b．如果平衡体系中的物质有颜色，则平衡体系的颜色不变时，达到平衡状态。
c．气体的密度、气体的平均相对分子质量不变时，要具体分析各表达式中的分子或分母变化情况，判断是否平衡(若体系中各组分均为气体，气体质量守恒；若体系中不全是气体，要注意气体质量变化)。
1．反应2NaHCO3eq \(=====,\s\up7(△))Na2CO3＋CO2↑＋H2O、Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3互为可逆反应( )
2．化学反应达到平衡后，反应物和生成物的浓度或百分含量相等( )
3．在一定条件下，向密闭容器中充入1 ml N2和3 ml H2充分反应，生成2 ml NH3( )
答案 1.× 2.× 3.×
一、可逆反应的特征
1．在一密闭容器中进行反应：2X(g)＋Y(g)2Z(g)。已知反应过程中某一时刻X、Y、Z的浓度分别为0.3 ml·L－1、0.1 ml·L－1、0.4 ml·L－1，当反应达到平衡时，不可能存在的是( )
A．c(X)＝0.5 ml·L－1
B．c(Y)＋c(X)＝0.5 ml·L－1
C．c(Y)＋c(Z)＝1.05 ml·L－1
D．c(X)＋c(Y)＋c(Z)＝0.75 ml·L－1
答案 C
解析 不确定下一时刻反应进行的方向，因此需要考虑反应进行的方向并结合极限思想解答。若该时刻后反应正向进行且Y全部转化为Z，则
2X(g)＋Y(g)2Z(g)
某时刻/(ml·L－1) 0.3 0.1 0.4
转化/(ml·L－1) 0.2 0.1 0.2
平衡/(ml·L－1) 0.1 0 0.6
若反应逆向进行，且Z全部转化为X和Y，则
2X(g)＋Y(g)2Z(g)
某时刻/(ml·L－1) 0.3 0.1 0.4
转化/(ml·L－1) 0.4 0.2 0.4
平衡/(ml·L－1) 0.7 0.3 0
平衡时0.1 ml·L－1＜c(X)＜0.7 ml·L－1，可能等于0.5 ml·L－1，故A不选；平衡时0.1 ml·L－1＜c(Y)＋c(X)＜1.0 ml·L－1，c(Y)＋c(X)可能等于0.5 ml·L－1，故B不选；平衡时0.3 ml·L－1＜c(Y)＋c(Z)＜0.6 ml·L－1，不可能等于1.05 ml·L－1，故C选；平衡时0.7 ml·L－1＜c(X)＋c(Y)＋c(Z)＜1.0 ml·L－1，0.75 ml·L－1介于0.7 ml·L－1和1.0 ml·L－1之间，故D不选。
二、平衡状态的标志
2．在一定温度下的恒容容器中，当下列物理量不再发生变化时：①混合气体的压强；②混合气体的密度；③混合气体的总物质的量；④混合气体的平均相对分子质量；⑤混合气体的颜色；⑥各反应物或生成物的浓度之比等于化学计量数之比；⑦某种气体的百分含量。
(1)能说明2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)达到平衡状态的是______________(填序号，下同)。
(2)能说明I2(g)＋H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是______________。
(3)能说明2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的是________________________。
(4)能说明C(s)＋CO2(g)2CO(g)达到平衡状态的是______________。
(5)能说明NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)达到平衡状态的是______________。
(6)能说明5CO(g)＋I2O5(s)5CO2(g)＋I2(s)达到平衡状态的是______________。
答案 (1)①③④⑦ (2)⑤⑦ (3)①③④⑤⑦
(4)①②③④⑦ (5)①②③ (6)②④⑦
3．若上述题目中的(1)～(4)改成一定温度下的恒压密闭容器，结果又如何？
(1)__________________。(2)_______________________。
(3)__________________。(4)_______________________。
答案 (1)②③④⑦ (2)⑤⑦ (3)②③④⑤⑦ (4)②③④⑦
不能作为化学平衡状态“标志”的四种情况：
(1)反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比。
(2)恒温恒容下的体积不变的反应，体系的压强或总物质的量不再随时间而变化，如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。
(3)全是气体参加的体积不变的反应，体系的平均相对分子质量不再随时间而变化，如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。
(4)全是气体参加的反应，恒容条件下体系的密度保持不变。
考点三 化学平衡常数
1．概念
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，即化学平衡常数，用符号K表示。
2．表达式
对于一般的可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，当在一定温度下达到平衡时，K＝eq \f(cpC·cqD,cmA·cnB)(纯固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入化学平衡常数表达式中)。
3．影响因素
K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关，与压强变化、是否使用催化剂无关。
4．平衡常数的意义及应用
(1)判断可逆反应进行的程度
(2)判断反应是否达到平衡或进行的方向
对于化学反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的任意状态，浓度商Q＝eq \f(ccC·cdD,caA·cbB)。
Q＜K，反应向正反应方向进行；
Q＝K，反应处于平衡状态；
Q＞K，反应向逆反应方向进行。
(3)判断可逆反应的热效应
1．C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式为K＝eq \f(cCO·cH2,cC·cH2O)( )
2．平衡常数发生变化，化学平衡一定发生移动( )
3．化学平衡发生移动，平衡常数一定发生变化( )
4．平衡常数K越大，表示反应进行得越快( )
5．温度不变，增大反应物浓度，平衡正向移动，平衡常数增大( )
6．反应A(g)＋B(g)C(g)达到平衡后，温度不变，增大压强，平衡正向移动，平衡常数增大( )
答案 1.× 2.√ 3.× 4.× 5.× 6.×
一、化学平衡常数与化学方程式的关系
1．请写出下列反应的平衡常数，并找出K1和K2、K3的关系。
(1)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) K1
(2)eq \f(1,2)N2(g)＋eq \f(3,2)H2(g)NH3(g) K2
(3)2NH3(g)N2(g)＋3H2(g) K3
答案 K1＝eq \f(c2NH3,cN2·c3H2)，K2＝，K3＝eq \f(cN2·c3H2,c2NH3)。K2＝，K3＝eq \f(1,K1)。
2．已知下列反应的平衡常数：
①H2(g)＋S(s)H2S(g) K1；
②S(s)＋O2(g)SO2(g) K2；
则反应H2(g)＋SO2(g)O2(g)＋H2S(g)的平衡常数K＝________(用K1和K2表示)。
答案 eq \f(K1,K2)
(1)正、逆反应的化学平衡常数互为倒数。
(2)若化学方程式中各物质的化学计量数都变成n倍或eq \f(1,n)倍，则化学平衡常数变为原来的n次幂或eq \f(1,n)次幂。
(3)两化学方程式相加得到新的化学方程式，其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积。
二、化学平衡常数的应用
3．研究发现，液态苯是优质储氢材料：C6H6(l)＋3H2(g)C6H12(l)。一定温度下，在密闭容器中充入一定量液态苯(足量)和适量氢气，经反应达到平衡后，测得c(H2)＝2 ml·L－1。保持温度不变，将体积压缩至原来的一半，达到新平衡时c(H2)为( )
A．1 ml·L－1 B．2 ml·L－1
C．3 ml·L－1 D．4 ml·L－1
答案 B
解析 K＝eq \f(1,c3H2)，温度不变，K不变，则c(H2)不变，故c(H2)＝2 ml·L－1。
4．在300 mL的密闭容器中，放入镍粉并充入一定量的CO气体，一定条件下发生反应：Ni(s)＋4CO(g)Ni(CO)4(g)，已知该反应平衡常数与温度的关系如下表所示。下列说法不正确的是( )
A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应
B．25 ℃时，反应Ni(CO)4(g)Ni(s)＋4CO(g)的平衡常数为2×10－5 ml3·L－3
C．80 ℃时，测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 ml·L－1，则此时v正>v逆
D．80 ℃达到平衡时，测得n(CO)＝0.3 ml，则Ni(CO)4的平衡浓度为2 ml·L－1
答案 C
解析 温度升高，平衡常数减小，故正反应为放热反应，A项正确；25 ℃时，逆反应的平衡常数K′＝eq \f(1,K)＝eq \f(1,5×104 ml－3·L3)＝2×10－5 ml3·L－3，B项正确；80 ℃时，若Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 ml·L－1，则Q＝eq \f(c[NiCO4],c4CO)＝eq \f(0.5,0.54) ml－3·L3＝8 ml－3·L3>K，v正＜v逆，C项错误；80 ℃达到平衡时，若n(CO)＝0.3 ml，c(CO)＝1 ml·L－1，故c[Ni(CO)4]＝K·c4(CO)＝2×14 ml·L－1＝2 ml·L－1，D项正确。
5．已知反应：FeO(s)＋CO(g)Fe(s)＋CO2(g) ΔH>0。
(1)此反应的平衡常数表达式为K＝________。
(2)温度降低，则K________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)已知1 100 ℃时，K＝0.263。若1 100 ℃时测得c(CO2)＝0.025 ml·L－1，c(CO)＝0.01 ml·L－1，此时该反应________(填“处于”或“不处于”)化学平衡状态，化学反应速率：正反应速率________(填“>”“0，因此高温下能自发进行，p减小，反应不能自发进行。若为放热反应，ΔH0，已知H2(g)和CO2(g)的初始浓度均为0.01 ml·L－1，测得H2的平衡转化率为60%，下列说法不正确的是( )
A．CO2的平衡转化率为60%
B．升高温度平衡常数K增大
C．该温度下反应的平衡常数K＝2.25
D．若初始H2(g)、CO2(g)、H2O(g)、CO(g)的浓度均为0.01 ml·L－1，则反应逆向进行
答案 D
解析 根据题目已知信息，列三段式：
H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)
起始/ml·L－1 0.01 0.01 0 0
转化/ml·L－1 0.006 0.006 0.006 0.006
平衡/ml·L－1 0.004 0.004 0.006 0.006
因此，二氧化碳的平衡转化率为60%，A项正确；此反应为吸热反应，温度升高，平衡正向移动，平衡常数K增大，B项正确；依据三段式，该温度下平衡常数K＝eq \f(0.006×0.006,0.004×0.004)＝2.25，C项正确；若初始H2(g)、CO2(g)、H2O(g)、CO(g)的浓度均为0.01 ml·L－1，则此时浓度商Q＝eq \f(0.01×0.01,0.01×0.01)＝1”“＝”或“0
它一定是非自发反应
B
A(g)＋2B(g)===2C(g)＋3D(g)
能自发反应
ΔH一定小于0
C
M(s)＋aN(g)===2Q(g)
ΔH0
温度/℃
250
300
350
K/(ml－2·L2)
2.041
0.270
0.012