新高考化学二轮复习精品讲义专题09 化学反应速率与化学平衡（含解析）

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专题09  化学反应速率与化学平衡课标解读内容化学反应速率化学平衡　化学反应进行的方向化学平衡的相关计算解读1.了解化学反应速率的概念和定量表示方法2.了解反应活化能的概念，了解催化剂的重要作用3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对反应速率的影响，能用相关理论解释其一般规律1.了解化学反应的可逆性及化学平衡的建立2.掌握化学平衡的特征3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学平衡的影响,能用相关理论解释其一般规律4.了解化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用1.能正确计算化学反应的转化率(α)2.了解化学平衡常数(K)的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算考情分析本专题主要结合实际生产命题,以定性、定量相结合的方式综合考查化学反应速率和化学平衡，包括化学反应速率的计算、影响化学平衡的因素及规律、平衡状态的判断、平衡常数和转化率的计算，同时渗透对计算能力、数形结合能力、语言组织能力等的考查。考查学生对信息的提取、应用能力。备考策略本专题涉及化学反应速率、化学平衡的相关计算及化学平衡移动的影响因素，主要考查学生运用图表、图形分析和解决化学问题的能力。高频考点一   化学反应速率和化学平衡的影响因素1．特殊条件的改变对化学反应速率和化学平衡的影响(1)纯液体和固体浓度视为常数，它们的量的改变不会影响化学反应速率和平衡移动。但固体颗粒的大小导致接触面积的大小发生变化，故影响反应速率。但仍不影响平衡移动。(2)对于有固、液参加的反应，改变压强不会影响其反应速率和平衡移动。(3)使用催化剂催化的化学反应，由于催化剂只有在适宜的温度下活性最大，反应速率才能达到最大，故在许多工业生产中温度的选择还需考虑催化剂的活性温度范围。但催化剂的改变不影响平衡移动。(4)“惰气”对反应速率和平衡的影响。①恒温恒容，充入“惰气”，不改变反应速率和平衡移动。②恒温恒压，充入“惰气”体积增大(相当于压强减小)，v正、v逆均减小，平衡向气体分子数增多的方向移动。2．突破化学平衡状态的判断标志(1)等——“正逆相等”(三种表述)。①同一物质(两种表述)：v正＝v逆、断键数＝成键数。②不同物质：＝(2)定——“变量不变”：如果一个量是随反应进行而改变的(即变量)，当其“不变”时反应就达到平衡状态，即“变量”不变可说明达到平衡状态。(3)依Q(浓度商)与K关系判断：若Q＝K，反应处于平衡状态。3．平衡移动方向判断两方法(1)根据v正与v逆的相对大小①若外界条件改变，引起v正>v逆，此时正反应占优势，则化学平衡向正反应方向(或向右)移动；②若外界条件改变，引起v正<v逆，此时逆反应占优势，则化学平衡向逆反应方向(或向左)移动；③若外界条件改变，虽能引起v正和v逆变化，但变化后新的v正′和v逆′仍保持相等，则化学平衡没有发生移动。(2)依据浓度商(Q)规则判断通过比较浓度商(Q)与平衡常数(K)的大小来判断平衡移动的方向。①若Q>K，平衡逆向移动；②若Q＝K，平衡不移动；③若Q<K，平衡正向移动。4．三种等效平衡(1)恒温恒容，对于非等体反应，极端转化各物质的量相等，平衡相同(c平、n平、v、%均相同)。(2)恒温恒压，任何气体反应，极端转化，各物质的量之比相同，平衡等效(c平、v、%均相同，但n平成比例)。(3)恒温恒容，对于等体反应，极端转化各物质的量之比相同，平衡等效(c%相同，c平、n平成比例，v不同)。高频考点二   化学反应速率、转化率和平衡常数的有关计算1．化学反应速率的计算(1)公式法：v(B)＝＝。(2)比值法：同一化学反应，各物质的反应速率之比等于方程式中的化学计量数之比。对于反应：mA(g)＋nB(g)===pC(g)＋qD(g)来说，则有＝＝＝。2．化学平衡常数的换算(1)同一可逆反应中，K正·K逆＝1；(2)同一方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小n倍，则新平衡常数K′与原平衡常数K间的关系是K′＝Kn或K′＝。(3)几个可逆反应方程式相加，得总方程式，则总反应的平衡常数等于分步反应平衡常数之积。3．三段式突破反应速率与平衡的有关计算mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)起始/(mol·L－1)　　 a　　 　 b　　 0　　　 0变化/(mol·L－1)    mx       nx    px     qx平衡/(mol·L－1)   a－mx   b－nx   px     qx(1)v(A)＝。　(2)α(A)＝×100%。(3)K＝(4)生成物的产率：实际产量占理论产量的百分数。一般来说，转化率越高，原料利用率越高，产率越高。产率＝×100%。(5)混合物中某组分的百分含量＝×100%。高频考点三  常见的化学反应速率、化学平衡图像分析1．速率—时间图像反应mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，m＋n>p＋q，且ΔH>0(1)t1 时增大反应物的浓度，正反应速率瞬间增大，然后逐渐减小，而逆反应速率逐渐增大；(2)t2 时升高温度，正反应和逆反应速率均增大，吸热反应的反应速率增大得快；(3)t3 时减小压强，容器容积增大，浓度变小，正反应速率和逆反应速率均减小，正反应的反应速率减小得多；(4)t4 时使用催化剂，正反应速率和逆反应速率均瞬间增大但仍相等。2. 转化率(或含量)—时间图像反应mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，m＋n>p＋q，且ΔH>0(1)图甲表示压强对反应物转化率的影响，对于气体反应物化学计量数之和大于气体生成物化学计量数之和的反应，压强越大，反应物的转化率越大；(2)图乙表示温度对反应物转化率的影响，对于吸热反应，温度越高，反应物的转化率越大；(3)图丙表示催化剂对反应物转化率的影响，催化剂只能改变化学反应速率，不能改变反应物的转化率。3．恒压(温)线反应mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，m＋n>p＋q，且ΔH>0分析时可沿横轴作一条平行于纵轴的虚线，即为等压线或等温线，然后分析另一条件变化对该反应的影响。4．特殊类型图像(1)对于化学反应mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，如图所示，M点前，表示从反应物开始，v正＞v逆；M点为刚达到平衡点；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH＜0。(2)对于化学反应mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，如图所示，L线上所有的点都是平衡点。L线的左上方(E点)，A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量，所以E点v正＞v逆；则L线的右下方(F点)，v正＜v逆。5．速率、平衡图像题的分析方法(1)认清坐标系，弄清纵、横坐标所代表的意义，并与有关原理相结合。(2)看清起点，分清反应物、生成物，浓度减小的是反应物，浓度增大的是生成物，一般生成物多数以原点为起点。(3)看清曲线的变化趋势，注意渐变和突变，分清正、逆反应曲线，从而判断反应特点。(4)注意终点。例如，在浓度—时间图像上，一定要看清终点时反应物的消耗量、生成物的增加量，并结合有关原理进行推理判断。(5)图像中先拐先平数值大。例如，在转化率—时间图像上，先出现拐点的曲线先达到平衡，此时逆向推理可得该曲线对应的温度高、浓度大或压强大。(6)定一议二原则。当图像中有三个量时，先确定一个量不变再讨论另外两个量的关系。高频考点四   速率与平衡图像在生产中的综合应用1．图像分析(1)⇒(2)⇒(3)对于A(g)＋2B(g)C(g)⇒(4) ⇒2．图像题的一般分析思路(1)一审题：审明各物质的状态(有无固体、液体)，明确气体分子数的变化(变大、变小、不变)，正反应是吸热还是放热。(2)二析图像 (3)三想方法规律①三步分析法：一看反应速率是增大还是减小；二看v(正)、v(逆)的相对大小；三看化学平衡移动的方向。②先拐先平数值大：在含量(转化率)－时间曲线中，先出现拐点的反应则先达到平衡，说明该曲线反应速率快，表示温度较高、有催化剂、压强较大等。③定一议二：当图像中有三个量时，先确定一个量不变，再讨论另外两个量的关系，有时还需要作辅助线。④想规律做判断：联想化学反应速率、化学平衡移动规律，将图表与原理结合，对照得出结论。高频考点五   分压平衡常数(Kp)与速率常数(k正、k逆)1．Kp的两种计算模板(1)平衡总压为p　　　　N2　＋　　　3H2　    　　2NH3n(平)   a 　　      　b 　　         　 cp(分压)   p0   p0        p0Kp＝。(2)刚性容器起始压强为p0，平衡转化率为α2NO2N2O4p(始)　　p0　　　　 0Δp     p0α        p0αp(平)  p0－p0α     p0αKp＝。2．Kp与k正、k逆的关系以2NO2N2O4为例k正p2(NO2)＝k逆p(N2O4)―→＝＝Kp。【题型突破】题型一   化学反应速率与影响因素例1．（2022·广东卷）在相同条件下研究催化剂I、Ⅱ对反应的影响，各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图，则A. 无催化剂时，反应不能进行B. 与催化剂Ⅰ相比，Ⅱ使反应活化能更低C. a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化D. 使用催化剂Ⅰ时，内，【答案】D【解析】由图可知，无催化剂时，随反应进行，生成物浓度也在增加，说明反应也在进行，故A错误；由图可知，催化剂I比催化剂II催化效果好，说明催化剂I使反应活化能更低，反应更快，故B错误；由图可知，使用催化剂II时，在0~2min 内Y的浓度变化了2.0mol/L，而a曲线表示的X的浓度变化了2.0mol/L，二者变化量之比不等于化学计量数之比，所以a曲线不表示使用催化剂II时X浓度随时间t的变化，故C错误；使用催化剂I时，在0~2min 内，Y的浓度变化了4.0mol/L，则 v(Y)====2.0， v(X) =(Y) =2.0=1.0，故D正确；答案选D。【变式探究】(2022·河北卷)恒温恒容条件下，向密闭容器中加入一定量X，发生反应的方程式为①；②。反应①的速率，反应②的速率，式中为速率常数。图甲为该体系中X、Y、Z浓度随时间变化的曲线，图乙为反应①和②的曲线。下列说法错误的是A. 随的减小，反应①、②的速率均降低B. 体系中C. 欲提高Y的产率，需提高反应温度且控制反应时间D. 温度低于时，总反应速率由反应②决定【答案】AB【解析】由图中的信息可知，浓度随时间变化逐渐减小的代表的是X，浓度随时间变化逐渐增大的代表的是Z，浓度随时间变化先增大后减小的代表的是Y；由图乙中的信息可知，反应①的速率常数随温度升高增大的幅度小于反应②的。由图甲中的信息可知，随c(X)的减小，c(Y) 先增大后减小，c(Z)增大，因此，反应①的速率随c(X)的减小而减小，而反应②的速率先增大后减小，A说法错误；根据体系中发生的反应可知，在Y的浓度达到最大值之前，单位时间内X的减少量等于Y和Z的增加量，因此，v (X)= v (Y) +v(Z)，但是，在Y的浓度达到最大值之后，单位时间内Z的增加量等于Y和X的减少量，故v (X) + v (Y) = v(Z)，B说法错误；升高温度可以可以加快反应①的速率，但是反应①的速率常数随温度升高增大的幅度小于反应②的，且反应②的的速率随着Y的浓度的增大而增大，因此，欲提高Y的产率，需提高反应温度且控制反应时间，C说法正确；由图乙信息可知，温度低于T时，k1＞k2，反应②为慢反应，因此，总反应速率由反应②决定，D说法正确；综上所述，本题选AB【变式探究】（2022·浙江卷）在恒温恒容条件下，发生反应A(s)+2B(g)3X(g)，c(B)随时间的变化如图中曲线甲所示。下列说法不正确的是A.从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率B.从b点切线的斜率可求得该化学反应在反应开始时的瞬时速率C.不同时刻都存在关系：2v(B)=3v(X)D.维持温度、容积、反应物起始的量不变，向反应体系中加入催化剂，c(B)随时间变化关系如图中曲线乙所示【答案】C【解析】图像中可以得到单位时间内的浓度变化，反应速率是单位时间内物质的浓度变化计算得到，从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率，选项A正确；b点处的切线的斜率是此时刻物质浓度除以此时刻时间，为反应物B的瞬时速率，选项B正确；化学反应速率之比等于化学方程式计量数之比分析，3v(B)=2v(X)，选项C不正确；维持温度、容积不变，向反应体系中加入催化剂，平衡不移动，反应速率增大，达到新的平衡状态，平衡状态与原来的平衡状态相同，选项D错误；故选C。题型二   化学平衡常数例2．（2022·海南卷）某温度下，反应在密闭容器中达到平衡，下列说法正确的是A. 增大压强，，平衡常数增大B. 加入催化剂，平衡时的浓度增大C. 恒容下，充入一定量，平衡向正反应方向移动D. 恒容下，充入一定量的，的平衡转化率增大【答案】C【解析】该反应是一个气体分子数减少的反应，增大压强可以加快化学反应速率，正反应速率增大的幅度大于逆反应的，故v正> v逆，平衡向正反应方向移动，但是因为温度不变，故平衡常数不变，A不正确；催化剂不影响化学平衡状态，因此，加入催化剂不影响平衡时CH3CH2OH(g)的浓度，B不正确；恒容下，充入一定量的H2O(g)，H2O(g)的浓度增大，平衡向正反应方向移动，C正确；恒容下，充入一定量的CH2=CH2 (g)，平衡向正反应方向移动，但是CH2=CH2 (g)的平衡转化率减小，D不正确；综上所述，本题选C。【变式探究】（2022·江苏卷）用尿素水解生成的催化还原，是柴油机车辆尾气净化的主要方法。反应为，下列说法正确的是A. 上述反应B. 上述反应平衡常数C. 上述反应中消耗，转移电子的数目为D. 实际应用中，加入尿素的量越多，柴油机车辆排放的尾气对空气污染程度越小【答案】B【解析】由方程式可知，该反应是一个气体分子数增大的反应，即熵增的反应，反应△S＞0，故A错误；由方程式可知，反应平衡常数，故B正确；由方程式可知，反应每消耗4mol氨气，反应转移12mol电子，则反应中消耗1mol氨气转移电子的数目为3mol×4××6.02×1023=3×6.02×1023，故C错误；实际应用中，加入尿素的量越多，尿素水解生成的氨气过量，柴油机车辆排放的氨气对空气污染程度增大，故D错误；故选B。题型三  　化学平衡转化率例3.（2022·江苏卷）乙醇-水催化重整可获得。其主要反应为，，在、时，若仅考虑上述反应，平衡时和CO的选择性及的产率随温度的变化如图所示。CO的选择性，下列说法正确的是A. 图中曲线①表示平衡时产率随温度的变化B. 升高温度，平衡时CO的选择性增大C. 一定温度下，增大可提高乙醇平衡转化率D. 一定温度下，加入或选用高效催化剂，均能提高平衡时产率【答案】D【解析】根据已知反应①，反应②，且反应①的热效应更大，故温度升高的时候对反应①影响更大一些，即CO2选择性增大，同时CO的选择性减小，根据CO的选择性的定义可知③代表CO2的选择性，①代表CO的选择性，②代表H2的产率，以此解题。由分析可知②代表H2的产率，A错误；由分析可知升高温度，平衡时CO的选择性减小，B错误；两种物质参加反应增大一种物质的浓度，会降低该物质的平衡转化率，C错误；加入与水反应放热，对反应①影响较大，可以增大产率，或者选用对反应①影响较大的高效催化剂，也可以增大产率，D正确；故选D。【变式探究】（2021·海南卷）制备水煤气的反应  ，下列说法正确的是A．该反应                                B．升高温度，反应速率增大C．恒温下，增大总压，H2O(g)的平衡转化率不变   D．恒温恒压下，加入催化剂，平衡常数增大【答案】B【解析】该反应的正反应是气体体积增大的反应，所以△S＞0，A错误；升高温度，物质的内能增加，分子运动速率加快，有效碰撞次数增加，因此化学反应速率增大，B正确；恒温下，增大总压，化学平衡向气体体积减小的逆反应方向移动，使H2O(g)的平衡转化率减小，C错误；恒温恒压下，加入催化剂，化学平衡不移动，因此化学平衡常数不变，D错误；故选B。题型四  　化学图像图表综合分析例4. （2022·湖南卷）反应物(S)转化为产物(P或P·Z)的能量与反应进程的关系如下图所示：
下列有关四种不同反应进程的说法正确的是A. 进程Ⅰ是放热反应 B. 平衡时P的产率：Ⅱ>ⅠC. 生成P的速率：Ⅲ>Ⅱ D. 进程Ⅳ中，Z没有催化作用【答案】AD【解析】由图中信息可知，进程Ⅰ中S的总能量大于产物P的总能量，因此进程I是放热反应，A说法正确；进程Ⅱ中使用了催化剂X，但是催化剂不能改变平衡产率，因此在两个进程中平衡时P的产率相同，B说法不正确；进程Ⅲ中由S•Y转化为P•Y的活化能高于进程Ⅱ中由S•X转化为P•X的活化能，由于这两步反应分别是两个进程的决速步骤，因此生成P的速率为Ⅲ<Ⅱ，Ｃ说法不正确；由图中信息可知，进程Ⅳ中S吸附到Z表面生成S•Z，然后S•Z转化为产物P•Z，由于P•Z没有转化为P＋Z，因此，Z没有表现出催化作用，D说法正确；综上所述，本题选AD。【变式探究】（2022·湖南卷）向体积均为1L的两恒容容器中分别充入和发生反应：，其中甲为绝热过程，乙为恒温过程，两反应体系的压强随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是A.  B. 气体的总物质的量：C. a点平衡常数： D. 反应速率：【答案】B【解析】甲容器在绝热条件下，随着反应的进行，压强先增大后减小，根据理想气体状态方程PV=nRT可知，刚开始压强增大的原因是因为容器温度升高，则说明上述反应过程放热，即＜0，故A错误；根据A项分析可知，上述密闭溶液中的反应为放热反应，图中a点和c点的压强相等，因甲容器为绝热过程，乙容器为恒温过程，若两者气体物质的量相等，则甲容器压强大于乙容器压强，则说明甲容器中气体的总物质的量此时相比乙容器在减小即气体总物质的量：na＜nc，故B正确；a点为平衡点，此时容器的总压为p，假设在恒温恒容条件下进行，则气体的压强之比等于气体的物质的量（物质的量浓度）之比，所以可设Y转化的物质的量浓度为xmol∙L−1，则列出三段式如下：，则有，计算得到x=0.75，那么化学平衡常数K=，又甲容器为绝热条件，等效为恒温条件下升温，平衡逆向移动，则平衡常数减小即平衡常数K＜12，故C错误；根据图像可知，甲容器达到平衡的时间短，温度高，所以达到平衡的速率相对乙容器的快，即Va正＞Vb正，故D错误。综上所述，答案为B。  【变式探究】（2022·浙江卷）恒温恒容的密闭容器中，在某催化剂表面上发生氨的分解反应：，测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨浓度随时间的变化，如下表所示，下列说法不正确的是A.实验①，，B.实验②，时处于平衡状态，C.相同条件下，增加氨气的浓度，反应速率增大D.相同条件下，增加催化剂的表面积，反应速率增大【答案】C【解析】实验①中，0~20min，氨气浓度变化量为2.40×10-3mol/L-2.00×10-3mol/L=4.00×10-4mol/L，v(NH3)==2.00×10-5mol/(L·min)，反应速率之比等于化学计量数之比，v(N2)=v(NH3)=1.00×10-5mol/(L·min)，A正确；催化剂表面积大小只影响反应速率，不影响平衡，实验③中氨气初始浓度与实验①中一样，实验③达到平衡时氨气浓度为4.00×10-4mol/L，则实验①达平衡时氨气浓度也为4.00×10-4mol/L，而恒温恒容条件下，实验②相对于实验①为减小压强，平衡正向移动，因此实验②60min时处于平衡状态，x<0.4，即x≠0.4，B正确；实验①、实验②中0~20min、20min~40min氨气浓度变化量都是4.00×10-4mol/L，实验②中60min时反应达到平衡状态，实验①和实验②催化剂表面积相同，实验①中氨气初始浓度是实验②中氨气初始浓度的两倍，实验①60min时反应未达到平衡状态，相同条件下，增加氨气浓度，反应速率并没有增大，C错误；对比实验①和实验③，氨气浓度相同，实验③中催化剂表面积是实验①中催化剂表面积的2倍，实验③先达到平衡状态，实验③的反应速率大，说明相同条件下，增加催化剂的表面积，反应速率增大，D正确；故选C。