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新教材(广西专版)高考化学一轮复习第7章化学反应速率与化学平衡第2讲化学平衡及其移动课件
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这是一份新教材(广西专版)高考化学一轮复习第7章化学反应速率与化学平衡第2讲化学平衡及其移动课件，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，强基础增分策略，增素能精准突破，研专项前沿命题，明考向真题演练，课程标准，等效平衡，思路指导，答案D，答案B等内容，欢迎下载使用。
1.了解可逆反应的含义,知道可逆反应在一定条件下能达到化学平衡。2.通过实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。3.能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化。
一、可逆反应与化学平衡状态1.可逆反应 正逆同时,不彻底
2.化学平衡的建立 正向开始、逆向开始、双向同时开始,均可建立平衡在一定条件下,把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。反应过程如下:
以上过程如下图所示:
3.化学平衡状态(1)定义一定条件下的 可逆 反应,正反应和逆反应的速率 相等 ,反应混合物中各组分的 浓度 保持不变的状态。 (2)平衡特点 正、逆反应速率相等是化学平衡的本质
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
应用提升 (1)可逆反应体系中,反应物不能全部转化为生成物,生成物也不能完全转化为反应物。(2)化学反应达到平衡状态时,各组分的浓度、百分含量保持不变,但不一定相等。
二、化学平衡的移动1.化学平衡移动的过程 速率改变是化学平衡移动的前提,但是速率改变,化学平衡未必改变
2.化学平衡移动与化学反应速率的关系v(正)>v(逆),平衡向 正反应方向 移动; v(正)=v(逆),平衡 不发生 移动; v(正)
4.勒夏特列原理及运用勒夏特列原理:如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强及参加反应的化学物质的浓度),平衡就向着能够 减弱 这种改变的方向移动。本原理也称化学平衡移动原理。 化学平衡移动的目的是“减弱”外界条件的改变,而不是“消除”外界条件的改变,即“减弱而不抵消”。
5.化学平衡中的特殊情况(1)当反应物或生成物中存在固体或纯液体时,由于其“浓度”是恒定的,不随其量的增减而变化,故改变这些固体或纯液体的量,对化学平衡没有影响。(2)同等程度地改变反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。
(3)充入惰性气体(不参与反应的气体)与平衡移动的关系:关键是混合气体的分压是否改变①恒温、恒容条件原平衡体系 体系总压强增大→体系中各组分的浓度不变→平衡不移动②恒温、恒压条件原平衡体系 容器容积增大→
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)平衡时,其他条件不变,分离出固体生成物,v(正)加快。( × )(2)化学平衡正向移动,反应物的转化率不一定增大。( √ )(3)合成氨反应需使用催化剂,说明催化剂可以促进该平衡向生成氨的方向移动。( × )
(4)往平衡体系FeCl3+3KSCN Fe(SCN)3+3KCl中加入KCl固体,平衡将向逆反应方向移动,溶液颜色将变浅。( × )(5)对于密闭容器中的可逆反应mX(g)+nY(s) pZ(g) ΔH<0,达到化学平衡后,通入氦气,化学平衡一定发生移动。( × )(6)C(s)+CO2(g) 2CO(g) ΔH>0,其他条件不变时升高温度,反应速率v(CO2)和CO2的平衡转化率均增大。( √ )
考向1.可逆反应的特点典例突破已知反应:NO2(g)+SO2(g) SO3(g)+NO(g),起始时向某密闭容器中通入1 ml NO2、2 ml S18O2,反应达到平衡后,下列有关说法正确的是( )A.NO2中不可能含18OB.有1 ml N18O生成C.S18O2的物质的量不可能为0.8 mlD.SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,说明该反应达到平衡
答案 C解析 该反应为可逆反应,则通入1 ml NO2、2 ml S18O2,反应达到平衡后,SO2、SO3、NO、NO2均含18O,A错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入1 ml NO2、2 ml S18O2,不可能有1 ml N18O生成,B错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入1 ml NO2、2 ml S18O2,NO2、S18O2的消耗量都小于1 ml,所以S18O2的物质的量不可能为0.8 ml,C正确;该反应为可逆反应,SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,不能说明该反应达到平衡,D错误。
针对训练 1. 某同学欲验证Fe3+和I-在水溶液中发生可逆反应:2Fe3++2I- 2Fe2++I2,设计了下列实验操作,并给出了预测现象,其中不必要的实验操作是(不考虑水中溶解的少量氧气的影响)( )
答案 C解析 溶液混合颜色变化,说明发生反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2,故A项不符合题意;溶液中滴加淀粉溶液,振荡,溶液变蓝色,说明有碘单质生成,故B项不符合题意;溶液中滴加几滴AgNO3溶液,振荡,有黄色沉淀生成,说明有碘离子存在,因为碘离子过量,无论是否发生反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2,都会出现黄色沉淀,故C项符合题意;滴加几滴KSCN溶液,振荡,溶液变红色,说明溶液中有Fe3+,说明反应是可逆反应,故D项不符合题意。
2. 在密闭容器中有如下反应:X2(g)+Y2(g) 2Z(g)。已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1 ml·L-1、0.3 ml·L-1、0.2 ml·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度(单位ml·L-1)可能是( )A.X2为0.2B.Y2为0.2C.Z为0.3D.Z为0.4
答案 C解析 若反应向正反应进行到达平衡,X2、Y2的浓度最小,Z的浓度最大,假定完全反应,则: X2(g)+Y2(g) 2Z(g)开始/(ml·L-1):0.10.30.2变化/(ml·L-1):0.10.10.2平衡/(ml·L-1):00.20.4
若反应逆向进行,将产物Z完全转化为反应物X2和Y2,X2、Y2的浓度最大,Z的浓度最小,假定完全反应,则: X2(g)+Y2(g) 2Z(g)开始/(ml·L-1):0.10.30.2变化/(ml·L-1):0.10.10.2平衡/(ml·L-1):0.20.40由于为可逆反应,物质不能完全转化,所以平衡时浓度范围为0
典例突破下列说法中可以证明反应H2(g)+I2(g) 2HI(g)已达平衡状态的是( )①单位时间内生成n ml H2的同时生成n ml HI②一个H—H断裂的同时有两个H—I断裂③百分含量w(HI)=w(I2)④反应速率v(H2)=v(I2)=v(HI)⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1⑥温度和体积一定时,生成物浓度不再变化⑦温度和体积一定时,容器内的压强不再变化⑧条件一定时,混合气体的平均相对分子质量不再变化⑨温度和体积一定时,混合气体颜色不再变化⑩温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化A.①②③④B.②⑥⑨C.②⑥⑨⑩D.③⑤⑥⑦⑧
答案 B解析 ①单位时间内生成n ml H2的同时生成n ml HI,速率之比不等于化学计量数之比,错误;②一个H—H断裂的同时有两个H—I断裂,等效于两个H—I形成的同时有两个H—I断裂,反应达到平衡状态,正确;③百分含量w(HI)=w(I2),相等并不是不变,错误;④反应速率v(H2)=v(I2)=v(HI),未体现正与逆的关系,且速率之比不等于化学计量数之比,错误;⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1,不能说明反应达到平衡状态,错误;⑥温度和体积一定时,生成物浓度不再变化,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,正确;⑦温度和体积一定时,容器内的压强始终不变,错误;⑧条件一定时,混合气体的平均相对分子质量始终不变,错误;⑨温度和体积一定时,混合气体颜色不再变化,说明c(I2)不再发生变化,反应达到平衡状态,正确;⑩温度和压强一定时,反应前后气体的体积和质量始终不变,因此混合气体的密度始终不变,错误。
针对训练1.在一个容积固定的密闭容器中,进行可逆反应:A(s)+3B(g) 3C(g)。下列叙述表明可逆反应一定达到平衡状态的是( )①C的生成速率与C的分解速率相等 ②单位时间内生成a ml A,同时生成3a ml B ③B的浓度不再变化 ④混合气体总的物质的量不再发生变化 ⑤A、B、C的物质的量之比为1∶3∶3 ⑥混合气体的密度不再变化A.仅有①②③B.仅有①③④⑥C.仅有①③⑥D.仅有①③④
答案 C解析 C的生成速率与C的分解速率相等,说明正、逆反应速率相等,①正确;化学反应速率之比等于化学计量数之比,无论是否达到平衡状态,都存在单位时间生成a ml A,同时生成3a ml B,②错误;当反应达到化学平衡状态时,各物质的浓度不变,③正确;气体反应物与气体生成物的化学计量数之和相等,无论是否达到平衡状态,混合气体总的物质的量都不变,④错误;各物质的物质的量之比等于化学计量数之比,不能作为反应是否达到平衡状态的依据,⑤错误;A为固体,当反应达到平衡状态时,气体的总质量不变,反应达到平衡状态,⑥正确。
2. 在绝热的某刚性容器中置入1 ml F2和1 ml ClF,发生反应:F2(g)+ClF(g) ClF3(g)。下列说法中能够判断该反应一定处于平衡状态的有( )A.F2(g)与ClF(g)体积之比恒定不变B.F2(g)与ClF3(g)速率之比恒定不变C.混合体系温度恒定不变D.断裂1 ml F—F键,同时生成2 ml F—Cl键
答案 C解析 初始投料为1 ml F2和1 ml ClF,根据化学方程式可知二者按照1∶1进行反应,所以F2(g)与ClF(g)体积之比始终不变,A项不符合题意;无论是否平衡,同一方向F2(g)与ClF3(g)速率之比恒等于化学计量数之比,B项不符合题意;反应在绝热容器中进行,与外界无能量交换,因此当混合体系温度恒定不变时,反应达到平衡,C项符合题意;断裂1 ml F—F键,同时生成2 ml F—Cl键,表示的都是正反应,无论是否平衡都满足此关系,D项不符合题意。
3. 一定温度下,反应N2O4(g) 2NO2(g)的焓变为ΔH。现将1 ml N2O4充入一恒压密闭容器中,下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是( )
A.①② B.②④C.③④ D.①④
答案 D解析 因反应容器保持恒压,所以容器容积随反应进行而不断变大化,结合 ρ气= 可知,气体密度不再变化,说明容器容积不再变化,即气体的物质的量不再变化,反应达到平衡状态,①符合题意;无论是否平衡,反应的ΔH都不变,②不符合题意;反应开始时,加入1 ml N2O4,随着反应的进行,N2O4的浓度逐渐变小,故v正(N2O4)逐渐变小,直至达到平衡,③不符合题意;N2O4的转化率不再变化,说明N2O4的浓度不再变化,反应达到平衡状态,④符合题意。
归纳总结判断化学平衡状态的两方法和两标志(1)两方法——正逆相等、变量不变。
(2)两标志——本质标志、等价标志。
考向1.外界条件对化学平衡的影响典例突破已知:A(g)+2B(g) 3C(g) ΔH<0,向一恒温恒容的密闭容器中充入1 ml A和3 ml B发生反应,t1时达到平衡状态Ⅰ,在t2时改变某一条件,t3时重新达到平衡状态Ⅱ,正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )A.容器内压强不变,表明反应达到平衡B.t2时改变的条件:向容器中加入A C.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ)＞φ(Ⅰ)D.平衡常数K:K(Ⅱ)
针对训练1.(2022浙江6月选考)关于反应Cl2(g)+H2O(l) HClO(aq)+H+(aq)+Cl-(aq)ΔH<0,达到平衡后,下列说法不正确的是( )A.升高温度,氯水中的c(HClO)减小B.氯水中加入少量醋酸钠固体,上述平衡正向移动,c(HClO)增大D.取两份氯水,分别滴加AgNO3溶液和碘化钾淀粉溶液,若前者有白色沉淀,后者溶液变蓝色,可以证明上述反应存在限度
答案 D解析 该反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,且Cl2(g)的溶解度随温度升高而减小,HClO受热易分解,故升高温度c(HClO)减小,A项正确;氯水中加入少量醋酸钠固体,醋酸根离子和氢离子结合生成醋酸分子,氢离子浓度减小,平衡正向移动,c(HClO)增大,B项正确;氯水稀释,平衡正向移动,而c(HClO)和c(Cl-)均减小,但HClO本身也存在电离平衡HClO H++ClO-,稀释促进了HClO的电离,使c(HClO)减小更多,因此 增大,C项正确;氯水中加硝酸银产生白色沉淀,证明溶液中有氯离子,氯水中加碘化钾淀粉溶液,溶液变蓝,证明生成了碘单质,溶液中有强氧化性的物质,而氯气和次氯酸都有强氧化性,不能证明反应物和生成物共存,即不能证明该反应存在限度,D项错误。
2.在绝热的某刚性容器中置入1 ml F2和1 ml ClF,发生反应:F2(g)+ClF(g) ClF3(g)。下列说法中能够判断该反应一定处于平衡状态的有( )A.F2(g)与ClF(g)体积之比恒定不变B.F2(g)与ClF3(g)速率之比恒定不变C.混合体系温度恒定不变D.断裂1 ml F—F键,同时生成2 ml F—Cl键
答案 B解析 Z是固体,加入适量Z,不会改变①和②中反应物和生成物的浓度,①和②平衡均不移动,A正确;恒容密闭容器中通入稀有气体Ar,气体浓度不发生改变,反应①的平衡不移动,B错误;反应①是放热反应,反应②是吸热反应,温度降低,反应①正向进行,反应②逆向进行,故无法判断Q浓度的增减,C正确;通入气体Y,反应①平衡正向移动,Q的浓度增大,导致反应②平衡逆向进行,则N的转化率减小,D正确。
3.将1 ml N2和3 ml H2充入某固定容积的密闭容器中,在一定条件下,发生反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0并达到平衡,改变条件。下列关于平衡移动的说法正确的是( )
答案 B解析 使用适当催化剂,平衡不移动,A错误;正反应为放热反应,升高温度,平衡向吸热的方向移动,即平衡向逆反应方向移动,B正确;再向固定容积的容器中充入1 ml N2和3 ml H2,相当于增大压强,平衡向正反应方向移动,C错误;向容器中充入氦气,由于容器的容积不变,N2、H2和NH3的浓度均不变,平衡不移动,D错误。
归纳总结 分析化学平衡移动的一般思路
考向2.化学平衡移动在工业生产中的应用典例突破利用太阳能光解水,制备的H2用于还原CO2合成有机化合物,可实现资源的再利用。用H2还原CO2可以在一定条件下合成CH3OH(不考虑副反应), CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0恒压下,CO2和H2的起始物质的量之比为1∶3时,该反应在无分子筛膜时甲醇的平衡产率和有分子筛膜时甲醇的平衡产率随温度的变化如图所示,其中分子筛膜能选择性分离出H2O。
(1)甲醇平衡产率随温度升高而降低的原因为 。 (2)P点甲醇产率高于T点的原因为 。 (3)根据图像,在此条件下采用该分子筛膜时的最佳反应温度为 ℃。
答案 (1)该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动(2)分子筛膜从反应体系中不断分离出H2O,有利于反应正向进行,甲醇产率升高(3)210解析 (1)该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,故甲醇平衡产率降低。(2)分子筛膜从反应体系中不断分离出H2O,有利于反应正向进行,甲醇产率升高,因此P点甲醇产率高于T点。(3)根据图像,温度为210 ℃时,采用该分子筛膜时甲醇产率最高,故选择的最佳反应温度为210 ℃。
针对训练1.(2022北京卷)某MOFs的多孔材料刚好可将N2O4“固定”,实现了NO2与N2O4分离并制备HNO3,如图所示:
已知:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0下列说法不正确的是( )A.气体温度升高后,不利于N2O4的固定B.N2O4被固定后,平衡正移,有利于NO2的去除C.制备HNO3的原理为:2N2O4+O2+2H2O === 4HNO3D.每制备0.4 ml HNO3,转移电子数约为6.02×1022
答案 D解析 二氧化氮转化为四氧化二氮的反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,四氧化二氮的浓度减小,所以气体温度升高后,不利于四氧化二氮的固定,故A项正确;四氧化二氮被固定后,四氧化二氮的浓度减小,二氧化氮转化为四氧化二氮的平衡向正反应方向移动,二氧化氮的浓度减小,所以四氧化二氮被固定后,有利于二氧化氮的去除,故B项正确;由题意可知,被固定后的四氧化二氮与氧气和水反应生成硝酸,反应的化学方程式为2N2O4+O2+2H2O === 4HNO3,故C项正确;四氧化二氮转化为HNO3时,每生成1 ml HNO3,反应转移1 ml电子,则每制备0.4 ml HNO3,转移电子数约为0.4 ml×6.02×1023 ml-1=2.408×1023,故D项错误。
2.(2023广西柳州联考)利用气态甲醇在催化剂条件下脱氢制备甲醛的主反应为CH3OH(g) HCHO(g)+H2(g) ΔH1>0,副反应为CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) ΔH2。在容积为2 L的刚性容器中,通入1 ml气态CH3OH,
在一定催化剂作用下,反应时间为5 min时,分别测得甲醇的转化率和甲醛的选择性(转化的CH3OH中生成HCHO的百分比)与温度的关系如下图所示。下列有关说法错误的是( )A.600 ℃时,5 min内生成甲醛的平均反应速率是0.04 ml·L-1·min-1B.由图可知副反应的ΔH2>0C.温度升高,平衡正向移动,使得甲醛的选择性增大D.600 ℃以后,甲醛的选择性下降的可能原因为温度升高,催化剂对主反应的催化活性降低
答案 C解析 600 ℃时,5 min内甲醇的转化率为50%,甲醛的选择性为80%, n(HCHO)=1 ml×50%×80%=0.4 ml,5 min内生成甲醛的平均反应速率是0.04 ml·L-1·min-1,A项正确;由图可知甲醇的转化率随温度升高一直增大,甲醛的选择性在600 ℃以后下降,故副反应的ΔH2>0,B项正确;从图中可看出,温度升高到600 ℃以后,甲醛的选择性下降,C项错误;600 ℃以后,温度升高,催化剂对主反应的催化活性下降,D项正确。
3.(2023广东广州二模)CH4和CO2重整制取合成气CO和H2,在减少温室气体排放的同时,可充分利用碳资源。该重整工艺主要涉及以下反应:反应a:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1>0反应b:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2>0反应c:CH4(g)C(s)+2H2(g) ΔH3>0反应d:2CO(g)C(s)+CO2(g) ΔH4<0(1)重整时往反应体系中通入一定量的水蒸气,可在消除积碳的同时生成水煤气,反应为C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g),该反应的ΔH= (写出一个代数式)。
(2)关于CH4和CO2重整,下列说法正确的是 (填字母)。 A.CH4的物质的量保持不变时,反应体系达到平衡状态B.恒容时通入N2增大压强,CO2的平衡转化率减小C.加入反应c的催化剂,该反应的平衡常数K增大D.降低反应温度,反应d的v(正)>v(逆)(3)一定压强下,按照n(CH4)∶n(CO2)=2∶1投料,CH4和CO2重整反应达到平衡时各组分的物质的量分数随温度的变化如图所示。
①图中曲线m、n分别表示物质 、 (填“H2”“CO”或“CO2”)的变化。 ②700 ℃后,C(s)的物质的量随温度升高而增大的原因是 。
答案 (1)ΔH1-ΔH2-ΔH3 (2)AD(3)①CO2 H2 ②反应c为吸热反应,反应d为放热反应。700 ℃后,随着温度升高,反应c右移对C(s)的物质的量的影响比反应d左移的影响大解析 (1)该反应可由a-b-c得到,即ΔH=ΔH1-ΔH2-ΔH3。(2)随着反应进行CH4不断减少,平衡时保持不变,A项正确;恒容时通入N2,平衡体系中各物质的浓度不发生改变,平衡不移动,CO2转化率不变,B项错误;加入催化剂只改变反应历程,不改变平衡常数,C项错误;降低温度,反应d正向移动,v(正)>v(逆),D项正确。(3)①反应起始投入CH4和CO2的物质的量之比为2∶1,所以m为CO2;同时700 ℃之后C(s)增加,即700 ℃以上的高温有利于反应c正向进行,反应c正向进行,H2物质的量分数增加,则n为H2,p为CO。
归纳总结分析化学平衡移动问题的注意事项(1)不要把v(正)增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有v(正)>v(逆)时,才使平衡向正反应方向移动。(2)同等程度地改变气体反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。(3)通过缩小体积来增大压强,不管平衡是否移动,各成分的浓度均增大,但增大的倍数可能不同也可能相同。
考向1等温等容条件下的等效平衡例1.一定温度下,在三个容积相同的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物,发生反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0,测得反应的相关数据如表:
下列说法正确的是( )A.v1K3,p2>2p3C.v1>v3,α1(SO2)<α3(SO2)D.c2>2c3,α2(SO3)+α3(SO2)<1
突破方法恒温恒容条件下的等效平衡恒温恒容条件下等效平衡的类型:(1)恒温恒容条件下反应前后体积改变的反应,极值等量即等效。例如: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)①2 ml 1 ml0②0 0 2 ml③0.5 ml 0.25 ml1.5 ml④a ml b mlc ml上述①②③三种配比,按化学方程式的化学计量数关系均转化为反应物,则SO2均为2 ml,O2均为1 ml,三者建立的平衡状态完全相同。④中a、b、c三者的关系满足:c+a=2, +b=1,即与上述平衡等效。
(2)恒温恒容条件下,反应前后体积不变的反应,极值等比即等效。例如: H2(g)+I2(g) 2HI(g)①1 ml1 ml 0②2 ml2 ml 1 ml③a mlb ml c ml①②两种情况下,n(H2)∶n(I2)=1∶1,故互为等效平衡。③中a、b、c三者关系满足( +a)∶( +b)=1∶1或a∶b=1∶1,c≥0,即与①②平衡等效。
构建恒温恒容平衡思维模式:新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成,相当于增大压强。
针对训练1. 图1是两个容积均为1 L的恒容容器,现向甲中充入2 ml A、2 ml B,乙中充入1 ml A、1 ml B,相同温度下发生反应:A(g)+B(g) C(g) ΔH<0。
实验测得容器中c(A)随时间t的变化曲线如图2所示。下列说法正确的是( )A.平衡时甲容器中A的转化率为50%B.反应达到平衡时,两容器中平衡常数:K甲>K乙C.将乙容器升温可使两容器内各物质的体积分数相同D.平衡时甲中0.5 ml·L-1
答案 C解析 根据等效平衡原理,①和③是完全相同的等效平衡,所以二者的浓度、百分含量、压强、转化率等都一样;②与①相比增大了HI的量,该反应为反应前后气体体积不变的反应,增大HI的量,达到平衡时新平衡与原平衡相同,所以各物质的百分含量不变,但是浓度增大。由于是恒容密闭容器,②中初始的量大,所以压强最大,A错误;由于是恒容密闭容器,②中初始的量大,所以②中I2的浓度最大,①和③是完全相同的等效平衡,二者I2的浓度相同,所以平衡时,I2的浓度:②>①=③,B错误;①②③都是等效平衡,所以三者中I2的体积分数相同,C正确;由于②中初始的量大,浓度大,反应速率快,所以到达平衡所用时间最短,所以②<①,D错误。
3.在温度、容积相同的3个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时的有关数据如表[已知N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·ml-1],下列说法正确的是( )
A.2c1>c3B.α1+α3<1 C.2p292.4
答案 B解析 投入1 ml N2、3 ml H2,相当于投入2 ml NH3,投入4 ml NH3,如果平衡不移动,则2c1=c3,实际上平衡向生成氨的反应方向移动,所以2c1α3,则α1+α3<1,B正确;由B可得,丙相当于乙增大压强,平衡向气体体积减小的方向移动,导致丙中物质的量之和小于乙的二倍,所以其压强存在p3<2p2,C错误;甲、乙是完全相同的等效平衡,则甲放出的热量与乙吸收的热量之和为92.4 kJ·ml-1,即a+b=92.4,D错误。
考向2等温等压条件下的等效平衡例2. 在一定条件下,向一带活塞的密闭容器中充入2 ml SO2和1 ml O2,发生下列反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),达到平衡后改变下述条件,再次平衡后SO3气体浓度不变的是( )A.保持温度和容器容积不变,充入1 ml SO3(g)B.保持温度和容器内压强不变,充入1 ml SO3(g)C.保持温度和容器内压强不变,充入1 ml O2(g)D.保持温度和容器内压强不变,充入1 ml Ar(g)
突破方法恒温恒压条件下的等效平衡恒温恒压条件下,无论反应前后体积是否改变,极值等比即等效。(1)反应前后,气体体积变化的反应例如: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)①2 ml 3 ml0②1 ml 3.5 ml2 ml③a ml b mlc ml按化学方程式的化学计量数关系均转化为反应物,则①②中 ,故互为等效平衡。③中a、b、c三者关系满足: ,即与①②平衡等效。
(2)恒温条件下反应前后体积不变的反应例如: H2(g)+I2(g) 2HI(g)①1 ml1 ml 0②2 ml2 ml 1 ml③a mlb ml c ml①②两种情况下,n(H2)∶n(I2)=1∶1,故互为等效平衡。③中a、b、c三者关系满足 =1∶1或a∶b=1∶1,c≥0,即与①②平衡等效。
构建恒温恒压平衡思维模式:以气体物质的量增加的反应为例,新平衡状态可以认为是两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动。
针对训练4.恒温恒压下,在一个容积可变的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g) C(g),若开始时通入1 ml A和1 ml B,达到平衡时生成a ml C。则下列说法错误的是( )A.若开始时通入3 ml A和3 ml B,达到平衡时,生成C的物质的量为3a mlB.若开始时通入4 ml A、4 ml B和2 ml C,达到平衡时,B的物质的量一定大于4 mlC.若开始时通入2 ml A、2 ml B和1 ml C,达到平衡时,再通入3 ml C,则再次达到平衡后,C的物质的量分数为D.若在原平衡体系中,再通入1 ml A和1 ml B,混合气体的平均相对分子质量不变
答案 B解析 A项,开始时通入3 ml A和3 ml B,由于容器容积可变,且保持恒压,相当于将三个原容器叠加,各物质的含量与原平衡中的相同,生成C的物质的量为3a ml;B项,无法确定平衡移动的方向,不能确定平衡时B的物质的量一定大于4 ml;C项,根据题干所给数据可计算出达到平衡时C的物质的量分数为 ,C项与题干中的加料方式互为等效平衡,C的物质的量分数不变;D项,混合气体的平均相对分子质量不变。
5.(2023河北廊坊模拟)在容积可变的恒温密闭容器中按n(N2)∶n(H2)=1∶3充入N2和H2,发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-Q kJ·ml-1(Q>0),在t1时刻达到平衡状态Ⅰ;在t2时刻向容器中充入一定量的NH3,t3时刻达到平衡状态Ⅱ,下列说法正确的是( )
A.t1时刻达到平衡时,v正(N2)=3v逆(H2)B.t1时刻达到平衡时反应放出的热量小于Q kJC.达到平衡时,N2的体积分数:Ⅰ<ⅡD.0~t3过程中,v(逆)随时间变化如图所示
答案 D解析 t1时刻达到平衡时, ,即3v正(N2)=v逆(H2),A错误;按n(N2)∶n(H2)=1∶3充入N2和H2,但充入的物质的量不清楚有多少,因此t1时刻达到平衡时无法计算反应放出的热量,B错误;容积可变的恒温密闭容器中,加入NH3,达到平衡状态Ⅱ,则Ⅰ、Ⅱ是等效平衡,因此N2的体积分数:Ⅰ=Ⅱ,C错误;0~t3过程中,0~t1,v(逆)逐渐增大至平衡状态,在t2时刻向容器中充入一定量的NH3,v(逆)突然变大再逐渐减小,最后减小到原平衡状态(平衡Ⅰ、Ⅱ为等效平衡),D正确。
1.(2023北京卷)下列事实能用平衡移动原理解释的是( )A.H2O2溶液中加入少量MnO2固体,促进H2O2分解B.密闭烧瓶内的NO2和N2O4的混合气体,受热后颜色加深C.铁钢放入浓硝酸中,待不再变化后,加热能产生大量红棕色气体D.锌片与稀硫酸反应过程中,加入少量CuSO4固体,促进H2的产生
答案 B解析 MnO2会催化H2O2分解,与平衡移动无关,A项错误;NO2转化为N2O4的反应是放热反应,升温平衡逆向移动,NO2浓度增大,混合气体颜色加深,B项正确;铁在浓硝酸中钝化,加热会使表面的氧化膜溶解,铁与浓硝酸反应生成大量红棕色气体,与平衡移动无关,C项错误;加入硫酸铜以后,锌置换出铜,构成原电池,从而使反应速率增大,与平衡移动无关,D项错误。
2.(2023广东卷)催化剂Ⅰ和Ⅱ均能催化反应R(g) P(g)。反应历程中,M为中间产物。其他条件相同时,下列说法不正确的是( ) A.使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行B.反应达平衡时,升高温度,R的浓度增大C.使用Ⅱ时,反应体系更快达到平衡D.使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的最高浓度更大
答案 C解析 由图可知两种催化剂均出现四个波峰,所以使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行,A正确;由图可知该反应是放热反应,所以达平衡时,升高温度平衡逆向移动,R的浓度增大,B正确;由图可知Ⅰ的最高活化能小于Ⅱ的最高活化能,所以使用Ⅰ时反应速率更大,反应体系更快达到平衡,C错误;由图可知,在前两个历程中使用催化剂Ⅰ活化能较低,反应速率较大,后两个历程中使用催化剂Ⅰ活化能较高,反应速率较小,所以使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的最高浓度更大,D正确。
3.(2022海南卷)某温度下,反应CH2=CH2(g)+H2O(g) CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡,下列说法正确的是( )A.增大压强,v(正)>v(逆),平衡常数增大B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动D.恒容下,充入一定量的CH2=CH2(g),CH2=CH2(g)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小的反应,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,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。
4.(2022湖南卷,节选)在一定温度下,向容积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1 ml H2O(g),起始压强为0.2 MPa时,发生下列反应生成水煤气:Ⅰ.C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH1=+131.4 kJ·ml-1Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·ml-1下列说法正确的是 (填字母)。 A.平衡时向容器中充入惰性气体,反应Ⅰ的平衡逆向移动B.混合气体的密度保持不变时,说明反应体系已达到平衡C.平衡时H2的体积分数可能大于D.将炭块粉碎,可加快反应速率
1.了解可逆反应的含义,知道可逆反应在一定条件下能达到化学平衡。2.通过实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。3.能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化。
一、可逆反应与化学平衡状态1.可逆反应 正逆同时,不彻底
2.化学平衡的建立 正向开始、逆向开始、双向同时开始,均可建立平衡在一定条件下,把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。反应过程如下:
以上过程如下图所示:
3.化学平衡状态(1)定义一定条件下的 可逆 反应,正反应和逆反应的速率 相等 ,反应混合物中各组分的 浓度 保持不变的状态。 (2)平衡特点 正、逆反应速率相等是化学平衡的本质
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
应用提升 (1)可逆反应体系中,反应物不能全部转化为生成物,生成物也不能完全转化为反应物。(2)化学反应达到平衡状态时,各组分的浓度、百分含量保持不变,但不一定相等。
二、化学平衡的移动1.化学平衡移动的过程 速率改变是化学平衡移动的前提,但是速率改变,化学平衡未必改变
2.化学平衡移动与化学反应速率的关系v(正)>v(逆),平衡向 正反应方向 移动; v(正)=v(逆),平衡 不发生 移动; v(正)
4.勒夏特列原理及运用勒夏特列原理:如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强及参加反应的化学物质的浓度),平衡就向着能够 减弱 这种改变的方向移动。本原理也称化学平衡移动原理。 化学平衡移动的目的是“减弱”外界条件的改变,而不是“消除”外界条件的改变,即“减弱而不抵消”。
5.化学平衡中的特殊情况(1)当反应物或生成物中存在固体或纯液体时,由于其“浓度”是恒定的,不随其量的增减而变化,故改变这些固体或纯液体的量,对化学平衡没有影响。(2)同等程度地改变反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。
(3)充入惰性气体(不参与反应的气体)与平衡移动的关系:关键是混合气体的分压是否改变①恒温、恒容条件原平衡体系 体系总压强增大→体系中各组分的浓度不变→平衡不移动②恒温、恒压条件原平衡体系 容器容积增大→
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)平衡时,其他条件不变,分离出固体生成物,v(正)加快。( × )(2)化学平衡正向移动,反应物的转化率不一定增大。( √ )(3)合成氨反应需使用催化剂,说明催化剂可以促进该平衡向生成氨的方向移动。( × )
(4)往平衡体系FeCl3+3KSCN Fe(SCN)3+3KCl中加入KCl固体,平衡将向逆反应方向移动,溶液颜色将变浅。( × )(5)对于密闭容器中的可逆反应mX(g)+nY(s) pZ(g) ΔH<0,达到化学平衡后,通入氦气,化学平衡一定发生移动。( × )(6)C(s)+CO2(g) 2CO(g) ΔH>0,其他条件不变时升高温度,反应速率v(CO2)和CO2的平衡转化率均增大。( √ )
考向1.可逆反应的特点典例突破已知反应:NO2(g)+SO2(g) SO3(g)+NO(g),起始时向某密闭容器中通入1 ml NO2、2 ml S18O2,反应达到平衡后,下列有关说法正确的是( )A.NO2中不可能含18OB.有1 ml N18O生成C.S18O2的物质的量不可能为0.8 mlD.SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,说明该反应达到平衡
答案 C解析 该反应为可逆反应,则通入1 ml NO2、2 ml S18O2,反应达到平衡后,SO2、SO3、NO、NO2均含18O,A错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入1 ml NO2、2 ml S18O2,不可能有1 ml N18O生成,B错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入1 ml NO2、2 ml S18O2,NO2、S18O2的消耗量都小于1 ml,所以S18O2的物质的量不可能为0.8 ml,C正确;该反应为可逆反应,SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,不能说明该反应达到平衡,D错误。
针对训练 1. 某同学欲验证Fe3+和I-在水溶液中发生可逆反应:2Fe3++2I- 2Fe2++I2,设计了下列实验操作,并给出了预测现象,其中不必要的实验操作是(不考虑水中溶解的少量氧气的影响)( )
答案 C解析 溶液混合颜色变化,说明发生反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2,故A项不符合题意;溶液中滴加淀粉溶液,振荡,溶液变蓝色,说明有碘单质生成,故B项不符合题意;溶液中滴加几滴AgNO3溶液,振荡,有黄色沉淀生成,说明有碘离子存在,因为碘离子过量,无论是否发生反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2,都会出现黄色沉淀,故C项符合题意;滴加几滴KSCN溶液,振荡,溶液变红色,说明溶液中有Fe3+,说明反应是可逆反应,故D项不符合题意。
2. 在密闭容器中有如下反应:X2(g)+Y2(g) 2Z(g)。已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1 ml·L-1、0.3 ml·L-1、0.2 ml·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度(单位ml·L-1)可能是( )A.X2为0.2B.Y2为0.2C.Z为0.3D.Z为0.4
答案 C解析 若反应向正反应进行到达平衡,X2、Y2的浓度最小,Z的浓度最大,假定完全反应,则: X2(g)+Y2(g) 2Z(g)开始/(ml·L-1):0.10.30.2变化/(ml·L-1):0.10.10.2平衡/(ml·L-1):00.20.4
若反应逆向进行,将产物Z完全转化为反应物X2和Y2,X2、Y2的浓度最大,Z的浓度最小,假定完全反应,则: X2(g)+Y2(g) 2Z(g)开始/(ml·L-1):0.10.30.2变化/(ml·L-1):0.10.10.2平衡/(ml·L-1):0.20.40由于为可逆反应,物质不能完全转化,所以平衡时浓度范围为0
典例突破下列说法中可以证明反应H2(g)+I2(g) 2HI(g)已达平衡状态的是( )①单位时间内生成n ml H2的同时生成n ml HI②一个H—H断裂的同时有两个H—I断裂③百分含量w(HI)=w(I2)④反应速率v(H2)=v(I2)=v(HI)⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1⑥温度和体积一定时,生成物浓度不再变化⑦温度和体积一定时,容器内的压强不再变化⑧条件一定时,混合气体的平均相对分子质量不再变化⑨温度和体积一定时,混合气体颜色不再变化⑩温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化A.①②③④B.②⑥⑨C.②⑥⑨⑩D.③⑤⑥⑦⑧
答案 B解析 ①单位时间内生成n ml H2的同时生成n ml HI,速率之比不等于化学计量数之比,错误;②一个H—H断裂的同时有两个H—I断裂,等效于两个H—I形成的同时有两个H—I断裂,反应达到平衡状态,正确;③百分含量w(HI)=w(I2),相等并不是不变,错误;④反应速率v(H2)=v(I2)=v(HI),未体现正与逆的关系,且速率之比不等于化学计量数之比,错误;⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1,不能说明反应达到平衡状态,错误;⑥温度和体积一定时,生成物浓度不再变化,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,正确;⑦温度和体积一定时,容器内的压强始终不变,错误;⑧条件一定时,混合气体的平均相对分子质量始终不变,错误;⑨温度和体积一定时,混合气体颜色不再变化,说明c(I2)不再发生变化,反应达到平衡状态,正确;⑩温度和压强一定时,反应前后气体的体积和质量始终不变,因此混合气体的密度始终不变,错误。
针对训练1.在一个容积固定的密闭容器中,进行可逆反应:A(s)+3B(g) 3C(g)。下列叙述表明可逆反应一定达到平衡状态的是( )①C的生成速率与C的分解速率相等 ②单位时间内生成a ml A,同时生成3a ml B ③B的浓度不再变化 ④混合气体总的物质的量不再发生变化 ⑤A、B、C的物质的量之比为1∶3∶3 ⑥混合气体的密度不再变化A.仅有①②③B.仅有①③④⑥C.仅有①③⑥D.仅有①③④
答案 C解析 C的生成速率与C的分解速率相等,说明正、逆反应速率相等,①正确;化学反应速率之比等于化学计量数之比,无论是否达到平衡状态,都存在单位时间生成a ml A,同时生成3a ml B,②错误;当反应达到化学平衡状态时,各物质的浓度不变,③正确;气体反应物与气体生成物的化学计量数之和相等,无论是否达到平衡状态,混合气体总的物质的量都不变,④错误;各物质的物质的量之比等于化学计量数之比,不能作为反应是否达到平衡状态的依据,⑤错误;A为固体,当反应达到平衡状态时,气体的总质量不变,反应达到平衡状态,⑥正确。
2. 在绝热的某刚性容器中置入1 ml F2和1 ml ClF,发生反应:F2(g)+ClF(g) ClF3(g)。下列说法中能够判断该反应一定处于平衡状态的有( )A.F2(g)与ClF(g)体积之比恒定不变B.F2(g)与ClF3(g)速率之比恒定不变C.混合体系温度恒定不变D.断裂1 ml F—F键,同时生成2 ml F—Cl键
答案 C解析 初始投料为1 ml F2和1 ml ClF,根据化学方程式可知二者按照1∶1进行反应,所以F2(g)与ClF(g)体积之比始终不变,A项不符合题意;无论是否平衡,同一方向F2(g)与ClF3(g)速率之比恒等于化学计量数之比,B项不符合题意;反应在绝热容器中进行,与外界无能量交换,因此当混合体系温度恒定不变时,反应达到平衡,C项符合题意;断裂1 ml F—F键,同时生成2 ml F—Cl键,表示的都是正反应,无论是否平衡都满足此关系,D项不符合题意。
3. 一定温度下,反应N2O4(g) 2NO2(g)的焓变为ΔH。现将1 ml N2O4充入一恒压密闭容器中,下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是( )
A.①② B.②④C.③④ D.①④
答案 D解析 因反应容器保持恒压,所以容器容积随反应进行而不断变大化,结合 ρ气= 可知,气体密度不再变化,说明容器容积不再变化,即气体的物质的量不再变化,反应达到平衡状态,①符合题意;无论是否平衡,反应的ΔH都不变,②不符合题意;反应开始时,加入1 ml N2O4,随着反应的进行,N2O4的浓度逐渐变小,故v正(N2O4)逐渐变小,直至达到平衡,③不符合题意;N2O4的转化率不再变化,说明N2O4的浓度不再变化,反应达到平衡状态,④符合题意。
归纳总结判断化学平衡状态的两方法和两标志(1)两方法——正逆相等、变量不变。
(2)两标志——本质标志、等价标志。
考向1.外界条件对化学平衡的影响典例突破已知:A(g)+2B(g) 3C(g) ΔH<0,向一恒温恒容的密闭容器中充入1 ml A和3 ml B发生反应,t1时达到平衡状态Ⅰ,在t2时改变某一条件,t3时重新达到平衡状态Ⅱ,正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )A.容器内压强不变,表明反应达到平衡B.t2时改变的条件:向容器中加入A C.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ)＞φ(Ⅰ)D.平衡常数K:K(Ⅱ)
针对训练1.(2022浙江6月选考)关于反应Cl2(g)+H2O(l) HClO(aq)+H+(aq)+Cl-(aq)ΔH<0,达到平衡后,下列说法不正确的是( )A.升高温度,氯水中的c(HClO)减小B.氯水中加入少量醋酸钠固体,上述平衡正向移动,c(HClO)增大D.取两份氯水,分别滴加AgNO3溶液和碘化钾淀粉溶液,若前者有白色沉淀,后者溶液变蓝色,可以证明上述反应存在限度
答案 D解析 该反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,且Cl2(g)的溶解度随温度升高而减小,HClO受热易分解,故升高温度c(HClO)减小,A项正确;氯水中加入少量醋酸钠固体,醋酸根离子和氢离子结合生成醋酸分子,氢离子浓度减小,平衡正向移动,c(HClO)增大,B项正确;氯水稀释,平衡正向移动,而c(HClO)和c(Cl-)均减小,但HClO本身也存在电离平衡HClO H++ClO-,稀释促进了HClO的电离,使c(HClO)减小更多,因此 增大,C项正确;氯水中加硝酸银产生白色沉淀,证明溶液中有氯离子,氯水中加碘化钾淀粉溶液,溶液变蓝,证明生成了碘单质,溶液中有强氧化性的物质,而氯气和次氯酸都有强氧化性,不能证明反应物和生成物共存,即不能证明该反应存在限度,D项错误。
2.在绝热的某刚性容器中置入1 ml F2和1 ml ClF,发生反应:F2(g)+ClF(g) ClF3(g)。下列说法中能够判断该反应一定处于平衡状态的有( )A.F2(g)与ClF(g)体积之比恒定不变B.F2(g)与ClF3(g)速率之比恒定不变C.混合体系温度恒定不变D.断裂1 ml F—F键,同时生成2 ml F—Cl键
答案 B解析 Z是固体,加入适量Z,不会改变①和②中反应物和生成物的浓度,①和②平衡均不移动,A正确;恒容密闭容器中通入稀有气体Ar,气体浓度不发生改变,反应①的平衡不移动,B错误;反应①是放热反应,反应②是吸热反应,温度降低,反应①正向进行,反应②逆向进行,故无法判断Q浓度的增减,C正确;通入气体Y,反应①平衡正向移动,Q的浓度增大,导致反应②平衡逆向进行,则N的转化率减小,D正确。
3.将1 ml N2和3 ml H2充入某固定容积的密闭容器中,在一定条件下,发生反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0并达到平衡,改变条件。下列关于平衡移动的说法正确的是( )
答案 B解析 使用适当催化剂,平衡不移动,A错误;正反应为放热反应,升高温度,平衡向吸热的方向移动,即平衡向逆反应方向移动,B正确;再向固定容积的容器中充入1 ml N2和3 ml H2,相当于增大压强,平衡向正反应方向移动,C错误;向容器中充入氦气,由于容器的容积不变,N2、H2和NH3的浓度均不变,平衡不移动,D错误。
归纳总结 分析化学平衡移动的一般思路
考向2.化学平衡移动在工业生产中的应用典例突破利用太阳能光解水,制备的H2用于还原CO2合成有机化合物,可实现资源的再利用。用H2还原CO2可以在一定条件下合成CH3OH(不考虑副反应), CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0恒压下,CO2和H2的起始物质的量之比为1∶3时,该反应在无分子筛膜时甲醇的平衡产率和有分子筛膜时甲醇的平衡产率随温度的变化如图所示,其中分子筛膜能选择性分离出H2O。
(1)甲醇平衡产率随温度升高而降低的原因为 。 (2)P点甲醇产率高于T点的原因为 。 (3)根据图像,在此条件下采用该分子筛膜时的最佳反应温度为 ℃。
答案 (1)该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动(2)分子筛膜从反应体系中不断分离出H2O,有利于反应正向进行,甲醇产率升高(3)210解析 (1)该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,故甲醇平衡产率降低。(2)分子筛膜从反应体系中不断分离出H2O,有利于反应正向进行,甲醇产率升高,因此P点甲醇产率高于T点。(3)根据图像,温度为210 ℃时,采用该分子筛膜时甲醇产率最高,故选择的最佳反应温度为210 ℃。
针对训练1.(2022北京卷)某MOFs的多孔材料刚好可将N2O4“固定”,实现了NO2与N2O4分离并制备HNO3,如图所示:
已知:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0下列说法不正确的是( )A.气体温度升高后,不利于N2O4的固定B.N2O4被固定后,平衡正移,有利于NO2的去除C.制备HNO3的原理为:2N2O4+O2+2H2O === 4HNO3D.每制备0.4 ml HNO3,转移电子数约为6.02×1022
答案 D解析 二氧化氮转化为四氧化二氮的反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,四氧化二氮的浓度减小,所以气体温度升高后,不利于四氧化二氮的固定,故A项正确;四氧化二氮被固定后,四氧化二氮的浓度减小,二氧化氮转化为四氧化二氮的平衡向正反应方向移动,二氧化氮的浓度减小,所以四氧化二氮被固定后,有利于二氧化氮的去除,故B项正确;由题意可知,被固定后的四氧化二氮与氧气和水反应生成硝酸,反应的化学方程式为2N2O4+O2+2H2O === 4HNO3,故C项正确;四氧化二氮转化为HNO3时,每生成1 ml HNO3,反应转移1 ml电子,则每制备0.4 ml HNO3,转移电子数约为0.4 ml×6.02×1023 ml-1=2.408×1023,故D项错误。
2.(2023广西柳州联考)利用气态甲醇在催化剂条件下脱氢制备甲醛的主反应为CH3OH(g) HCHO(g)+H2(g) ΔH1>0,副反应为CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) ΔH2。在容积为2 L的刚性容器中,通入1 ml气态CH3OH,
在一定催化剂作用下,反应时间为5 min时,分别测得甲醇的转化率和甲醛的选择性(转化的CH3OH中生成HCHO的百分比)与温度的关系如下图所示。下列有关说法错误的是( )A.600 ℃时,5 min内生成甲醛的平均反应速率是0.04 ml·L-1·min-1B.由图可知副反应的ΔH2>0C.温度升高,平衡正向移动,使得甲醛的选择性增大D.600 ℃以后,甲醛的选择性下降的可能原因为温度升高,催化剂对主反应的催化活性降低
答案 C解析 600 ℃时,5 min内甲醇的转化率为50%,甲醛的选择性为80%, n(HCHO)=1 ml×50%×80%=0.4 ml,5 min内生成甲醛的平均反应速率是0.04 ml·L-1·min-1,A项正确;由图可知甲醇的转化率随温度升高一直增大,甲醛的选择性在600 ℃以后下降,故副反应的ΔH2>0,B项正确;从图中可看出,温度升高到600 ℃以后,甲醛的选择性下降,C项错误;600 ℃以后,温度升高,催化剂对主反应的催化活性下降,D项正确。
3.(2023广东广州二模)CH4和CO2重整制取合成气CO和H2,在减少温室气体排放的同时,可充分利用碳资源。该重整工艺主要涉及以下反应:反应a:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1>0反应b:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2>0反应c:CH4(g)C(s)+2H2(g) ΔH3>0反应d:2CO(g)C(s)+CO2(g) ΔH4<0(1)重整时往反应体系中通入一定量的水蒸气,可在消除积碳的同时生成水煤气,反应为C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g),该反应的ΔH= (写出一个代数式)。
(2)关于CH4和CO2重整,下列说法正确的是 (填字母)。 A.CH4的物质的量保持不变时,反应体系达到平衡状态B.恒容时通入N2增大压强,CO2的平衡转化率减小C.加入反应c的催化剂,该反应的平衡常数K增大D.降低反应温度,反应d的v(正)>v(逆)(3)一定压强下,按照n(CH4)∶n(CO2)=2∶1投料,CH4和CO2重整反应达到平衡时各组分的物质的量分数随温度的变化如图所示。
①图中曲线m、n分别表示物质 、 (填“H2”“CO”或“CO2”)的变化。 ②700 ℃后,C(s)的物质的量随温度升高而增大的原因是 。
答案 (1)ΔH1-ΔH2-ΔH3 (2)AD(3)①CO2 H2 ②反应c为吸热反应,反应d为放热反应。700 ℃后,随着温度升高,反应c右移对C(s)的物质的量的影响比反应d左移的影响大解析 (1)该反应可由a-b-c得到,即ΔH=ΔH1-ΔH2-ΔH3。(2)随着反应进行CH4不断减少,平衡时保持不变,A项正确;恒容时通入N2,平衡体系中各物质的浓度不发生改变,平衡不移动,CO2转化率不变,B项错误;加入催化剂只改变反应历程,不改变平衡常数,C项错误;降低温度,反应d正向移动,v(正)>v(逆),D项正确。(3)①反应起始投入CH4和CO2的物质的量之比为2∶1,所以m为CO2;同时700 ℃之后C(s)增加,即700 ℃以上的高温有利于反应c正向进行,反应c正向进行,H2物质的量分数增加,则n为H2,p为CO。
归纳总结分析化学平衡移动问题的注意事项(1)不要把v(正)增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有v(正)>v(逆)时,才使平衡向正反应方向移动。(2)同等程度地改变气体反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。(3)通过缩小体积来增大压强,不管平衡是否移动,各成分的浓度均增大,但增大的倍数可能不同也可能相同。
考向1等温等容条件下的等效平衡例1.一定温度下,在三个容积相同的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物,发生反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0,测得反应的相关数据如表:
下列说法正确的是( )A.v1
突破方法恒温恒容条件下的等效平衡恒温恒容条件下等效平衡的类型:(1)恒温恒容条件下反应前后体积改变的反应,极值等量即等效。例如: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)①2 ml 1 ml0②0 0 2 ml③0.5 ml 0.25 ml1.5 ml④a ml b mlc ml上述①②③三种配比,按化学方程式的化学计量数关系均转化为反应物,则SO2均为2 ml,O2均为1 ml,三者建立的平衡状态完全相同。④中a、b、c三者的关系满足:c+a=2, +b=1,即与上述平衡等效。
(2)恒温恒容条件下,反应前后体积不变的反应,极值等比即等效。例如: H2(g)+I2(g) 2HI(g)①1 ml1 ml 0②2 ml2 ml 1 ml③a mlb ml c ml①②两种情况下,n(H2)∶n(I2)=1∶1,故互为等效平衡。③中a、b、c三者关系满足( +a)∶( +b)=1∶1或a∶b=1∶1,c≥0,即与①②平衡等效。
构建恒温恒容平衡思维模式:新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成,相当于增大压强。
针对训练1. 图1是两个容积均为1 L的恒容容器,现向甲中充入2 ml A、2 ml B,乙中充入1 ml A、1 ml B,相同温度下发生反应:A(g)+B(g) C(g) ΔH<0。
实验测得容器中c(A)随时间t的变化曲线如图2所示。下列说法正确的是( )A.平衡时甲容器中A的转化率为50%B.反应达到平衡时,两容器中平衡常数:K甲>K乙C.将乙容器升温可使两容器内各物质的体积分数相同D.平衡时甲中0.5 ml·L-1
答案 C解析 根据等效平衡原理,①和③是完全相同的等效平衡,所以二者的浓度、百分含量、压强、转化率等都一样;②与①相比增大了HI的量,该反应为反应前后气体体积不变的反应,增大HI的量,达到平衡时新平衡与原平衡相同,所以各物质的百分含量不变,但是浓度增大。由于是恒容密闭容器,②中初始的量大,所以压强最大,A错误;由于是恒容密闭容器,②中初始的量大,所以②中I2的浓度最大,①和③是完全相同的等效平衡,二者I2的浓度相同,所以平衡时,I2的浓度:②>①=③,B错误;①②③都是等效平衡,所以三者中I2的体积分数相同,C正确;由于②中初始的量大,浓度大,反应速率快,所以到达平衡所用时间最短,所以②<①,D错误。
3.在温度、容积相同的3个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时的有关数据如表[已知N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·ml-1],下列说法正确的是( )
A.2c1>c3B.α1+α3<1 C.2p2
答案 B解析 投入1 ml N2、3 ml H2,相当于投入2 ml NH3,投入4 ml NH3,如果平衡不移动,则2c1=c3,实际上平衡向生成氨的反应方向移动,所以2c1
考向2等温等压条件下的等效平衡例2. 在一定条件下,向一带活塞的密闭容器中充入2 ml SO2和1 ml O2,发生下列反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),达到平衡后改变下述条件,再次平衡后SO3气体浓度不变的是( )A.保持温度和容器容积不变,充入1 ml SO3(g)B.保持温度和容器内压强不变,充入1 ml SO3(g)C.保持温度和容器内压强不变,充入1 ml O2(g)D.保持温度和容器内压强不变,充入1 ml Ar(g)
突破方法恒温恒压条件下的等效平衡恒温恒压条件下,无论反应前后体积是否改变,极值等比即等效。(1)反应前后,气体体积变化的反应例如: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)①2 ml 3 ml0②1 ml 3.5 ml2 ml③a ml b mlc ml按化学方程式的化学计量数关系均转化为反应物,则①②中 ,故互为等效平衡。③中a、b、c三者关系满足: ,即与①②平衡等效。
(2)恒温条件下反应前后体积不变的反应例如: H2(g)+I2(g) 2HI(g)①1 ml1 ml 0②2 ml2 ml 1 ml③a mlb ml c ml①②两种情况下,n(H2)∶n(I2)=1∶1,故互为等效平衡。③中a、b、c三者关系满足 =1∶1或a∶b=1∶1,c≥0,即与①②平衡等效。
构建恒温恒压平衡思维模式:以气体物质的量增加的反应为例,新平衡状态可以认为是两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动。
针对训练4.恒温恒压下,在一个容积可变的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g) C(g),若开始时通入1 ml A和1 ml B,达到平衡时生成a ml C。则下列说法错误的是( )A.若开始时通入3 ml A和3 ml B,达到平衡时,生成C的物质的量为3a mlB.若开始时通入4 ml A、4 ml B和2 ml C,达到平衡时,B的物质的量一定大于4 mlC.若开始时通入2 ml A、2 ml B和1 ml C,达到平衡时,再通入3 ml C,则再次达到平衡后,C的物质的量分数为D.若在原平衡体系中,再通入1 ml A和1 ml B,混合气体的平均相对分子质量不变
答案 B解析 A项,开始时通入3 ml A和3 ml B,由于容器容积可变,且保持恒压,相当于将三个原容器叠加,各物质的含量与原平衡中的相同,生成C的物质的量为3a ml;B项,无法确定平衡移动的方向,不能确定平衡时B的物质的量一定大于4 ml;C项,根据题干所给数据可计算出达到平衡时C的物质的量分数为 ,C项与题干中的加料方式互为等效平衡,C的物质的量分数不变;D项,混合气体的平均相对分子质量不变。
5.(2023河北廊坊模拟)在容积可变的恒温密闭容器中按n(N2)∶n(H2)=1∶3充入N2和H2,发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-Q kJ·ml-1(Q>0),在t1时刻达到平衡状态Ⅰ;在t2时刻向容器中充入一定量的NH3,t3时刻达到平衡状态Ⅱ,下列说法正确的是( )
A.t1时刻达到平衡时,v正(N2)=3v逆(H2)B.t1时刻达到平衡时反应放出的热量小于Q kJC.达到平衡时,N2的体积分数:Ⅰ<ⅡD.0~t3过程中,v(逆)随时间变化如图所示
答案 D解析 t1时刻达到平衡时, ,即3v正(N2)=v逆(H2),A错误;按n(N2)∶n(H2)=1∶3充入N2和H2,但充入的物质的量不清楚有多少,因此t1时刻达到平衡时无法计算反应放出的热量,B错误;容积可变的恒温密闭容器中,加入NH3,达到平衡状态Ⅱ,则Ⅰ、Ⅱ是等效平衡,因此N2的体积分数:Ⅰ=Ⅱ,C错误;0~t3过程中,0~t1,v(逆)逐渐增大至平衡状态,在t2时刻向容器中充入一定量的NH3,v(逆)突然变大再逐渐减小,最后减小到原平衡状态(平衡Ⅰ、Ⅱ为等效平衡),D正确。
1.(2023北京卷)下列事实能用平衡移动原理解释的是( )A.H2O2溶液中加入少量MnO2固体,促进H2O2分解B.密闭烧瓶内的NO2和N2O4的混合气体,受热后颜色加深C.铁钢放入浓硝酸中,待不再变化后,加热能产生大量红棕色气体D.锌片与稀硫酸反应过程中,加入少量CuSO4固体,促进H2的产生
答案 B解析 MnO2会催化H2O2分解,与平衡移动无关,A项错误;NO2转化为N2O4的反应是放热反应,升温平衡逆向移动,NO2浓度增大,混合气体颜色加深,B项正确;铁在浓硝酸中钝化,加热会使表面的氧化膜溶解,铁与浓硝酸反应生成大量红棕色气体,与平衡移动无关,C项错误;加入硫酸铜以后,锌置换出铜,构成原电池,从而使反应速率增大,与平衡移动无关,D项错误。
2.(2023广东卷)催化剂Ⅰ和Ⅱ均能催化反应R(g) P(g)。反应历程中,M为中间产物。其他条件相同时,下列说法不正确的是( ) A.使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行B.反应达平衡时,升高温度,R的浓度增大C.使用Ⅱ时,反应体系更快达到平衡D.使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的最高浓度更大
答案 C解析 由图可知两种催化剂均出现四个波峰,所以使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行,A正确;由图可知该反应是放热反应,所以达平衡时,升高温度平衡逆向移动,R的浓度增大,B正确;由图可知Ⅰ的最高活化能小于Ⅱ的最高活化能,所以使用Ⅰ时反应速率更大,反应体系更快达到平衡,C错误;由图可知,在前两个历程中使用催化剂Ⅰ活化能较低,反应速率较大,后两个历程中使用催化剂Ⅰ活化能较高,反应速率较小,所以使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的最高浓度更大,D正确。
3.(2022海南卷)某温度下,反应CH2=CH2(g)+H2O(g) CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡,下列说法正确的是( )A.增大压强,v(正)>v(逆),平衡常数增大B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动D.恒容下,充入一定量的CH2=CH2(g),CH2=CH2(g)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小的反应,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,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。
4.(2022湖南卷,节选)在一定温度下,向容积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1 ml H2O(g),起始压强为0.2 MPa时,发生下列反应生成水煤气:Ⅰ.C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH1=+131.4 kJ·ml-1Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·ml-1下列说法正确的是 (填字母)。 A.平衡时向容器中充入惰性气体,反应Ⅰ的平衡逆向移动B.混合气体的密度保持不变时,说明反应体系已达到平衡C.平衡时H2的体积分数可能大于D.将炭块粉碎,可加快反应速率
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