新教材(广西专版)高考化学一轮复习第7章第3讲化学平衡常数化学反应的方向与调控课件

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1.认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量,知道化学平衡常数的含义。2.能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算,能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。3.知道化学反应是有方向的,知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。4.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。5.针对典型的案例,能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
一、化学平衡常数1.表达式 固体或纯液体浓度不变,不能写入平衡常数表达式对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),在一定温度下达到平衡时:平衡常数 。 
2.意义及影响因素平衡常数大小只能说明反应趋势,不能说明反应进行的快慢
3.应用(1)利用化学平衡常数,判断反应是否达到平衡状态,以及平衡向哪个方向进行。对于化学反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商 Q　v(逆)。 Q=K,反应处于　平衡　状态,v(正)　=　v(逆)。 Q>K,反应向　逆　反应方向进行,v(正)　T1,升高温度,αA降低,平衡逆向移动,则正反应为　放热　反应。 ②图乙中,p1>p2,增大压强,αA升高,平衡正向移动,则正反应为　气体体积减小　的反应。 ③图丙中,a表示使用了　催化剂　或　增大压强　(反应前后气体分子数相等的可逆反应)。 注意:若纵坐标表示A的百分含量,则甲中正反应为吸热反应,乙中正反应为气体体积增大的反应。
2.恒温线(或恒压线)图像 控制变量,讨论条件对化学平衡的影响已知不同温度下的转化率—压强图像或不同压强下的转化率—温度图像,推断反应的热效应或反应前后气体物质间化学计量数的关系。以反应aA(g)+bB(g) cC(g)中反应物A的转化率(αA)为例说明。
解答这类图像题时应注意以下两点:(1)“定一议一”原则:可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应方程式中反应物与生成物气体物质间的化学计量数的大小关系。如图甲中任取一条温度曲线研究可知,压强增大,αA增大,平衡向正反应方向移动,正反应为气体体积减小的反应;乙中任取横坐标一点作横坐标的垂直线,也能得出相应的结论。(2)通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应的热效应。如在甲图中作横坐标的垂直线可看出,温度越高,αA越小,则平衡向逆反应方向移动,正反应为放热反应;乙中任取一条压强曲线,也能分析出正反应为放热反应。
3.几种特殊图像(1)同一时间段内,不同温度(或压强)图像图像中的极值点未必是平衡点,但极值点之后为平衡移动趋势图对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),下图中M点前,表示化学反应从反应物开始,则v(正)>v(逆);M点为刚达到的平衡点。M点后为平衡受温度的影响情况,即升温时A%增大(C%减小),平衡逆向移动,ΔH　　v(逆);同理,右下方F点v(正)　p1,正反应为气体体积增大的反应。(　√　)(2)图②表示随温度升高,吸热反应的平衡常数变化。(　×　)(3)若图③中p2>p1,则对应可逆反应的正反应为吸热、气体体积减小的反应。(　×　)
三、化学反应的方向　化学反应的调控1.自发反应 自发反应,并不一定会发生,也不一定速率很快(1)含义:在温度和压强一定的条件下　无需借助外力　就能自发进行的反应称为自发反应。 (2)特点①体系趋向于从　高能　状态转变为　低能　状态(体系对外部　做功　或　释放　热量)。 ②在密闭条件下,体系有从　有序　转变为　无序　的倾向性(无序体系更加稳定)。 
2.判断化学反应方向的依据
3.合成氨反应条件的原理分析(1)反应原理:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·ml-1。(2)反应特点反应为　可逆　反应;正反应是气体体积　减小　的反应;ΔH　”“=”或“　在相同温度时,该反应的反应物浓度越高,反应速率越大解析 (1)从三种物质的浓度变化趋势可知,从第4 min开始,平衡正向移动,由于正反应是吸热反应,所以改变的条件是升高温度,因此有T(2)v(2~3)=v(12~13)。(4)在5~6 min和15~16 min时反应温度相同,但15~16 min时各组分的浓度都小,因此反应速率小。
归纳总结捕捉图像最基本的信息
(1)横坐标与纵坐标的含义横坐标通常是t、T、p等(即时间、温度、压强等)。纵坐标通常是v、c、n、α、φ等(即速率、物质的量浓度、物质的量、转化率、体积分数等)。
(2)线的走向与斜率线的走向,即随着横坐标自变量的增大,纵坐标因变量是变大、变小还是不变。当纵坐标所表示的物理量,如速率、物质的量浓度、物质的量、转化率、体积分数等不随横坐标的变化而变化时,图像中出现一条平行于横坐标的直线,那么该反应就到达了化学平衡状态。斜率是化学平衡图像曲线中一个重要的参数。斜率的应用,通常是对两条不同曲线的斜率进行比较,或者通过比较同一条曲线不同时刻的斜率变化来判断反应是改变了哪些外界条件。
(3)观察化学平衡图像中的“重要点”所谓“重要点”,指的是化学平衡图像中的起点、拐点、终点、交点、突变点等,这些点往往隐藏着许多重要的信息,借助这些“重要点”中的有效信息,能够快速地找到解题的思路,突破图像题的难点。(4)跟踪化学平衡图像中量的变化量的变化,指的是纵坐标表示的物理量所发生的变化是由什么外界条件改变而引起的。要解决这个问题,我们经常需借助化学平衡移动理论。
考向2.“复合”类化学平衡图像典例突破二甲醚(CH3OCH3)是无色气体,可作为一种新型能源。由合成气(组成为H2、CO和少量CO2)直接制备二甲醚,其中的主要过程包括以下四个反应:
回答下列问题:(1)一步法合成二甲醚是以合成气(CO/H2)为原料,在一定温度、压强和催化剂作用下进行,由H2和CO直接制备二甲醚的热化学方程式: 2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)　ΔH=　 　。 
(2)燃煤废气中的CO2转化为二甲醚的反应原理为2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g),一定条件下,现有两个容积均为2.0 L的恒容密闭容器甲和乙,在甲中充入1 ml CO2和3 ml H2,在乙中充入2 ml CO2和6 ml H2,发生上述反应并达到平衡。该反应中CO2的平衡转化率随温度的变化曲线如图1所示;容器甲中,在不同催化剂作用下,相同时间内CO2的转化率随温度变化如图2所示。下列说法正确的是　 　(填字母)。 
A.图1中,反应2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)的ΔS0B.图1中,表示乙容器CO2的平衡转化率随温度变化的是曲线BC.图1中,逆反应速率:状态Ⅰ”“0、ΔS0,反应在较高温度下能自发进行;ΔH0D.ΔH0,ΔS>0,故D项错误。
归纳总结焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响
考向2.化学反应的调控典例突破工业上生产硫酸时,利用催化氧化反应将二氧化硫转化为三氧化硫是一个关键步骤,在密闭容器中压强及温度对SO2转化率(利用率)的影响如表:
(1)根据表中数据可知,生成SO3的反应属于　 　(填“放热”或“吸热”)反应。 (2)在其他条件不变的情况下,扩大容器容积以减小反应体系的压强,v(正)　 　(填“增大”或“减小”,下同),v(逆)　 　,平衡向　 　(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。 (3)提高该化学反应限度的途径有　 　。 (4)在400~500 ℃时,SO2的催化氧化采用常压而不是高压,其主要原因是　 　。 (5)该反应采用400~500 ℃的原因是　 　。 
答案 (1)放热　(2)减小　减小　逆反应(3)增大压强或在一定范围内降低温度(4)增大压强对SO2的转化率影响不大,且高压成本高(5)温度较高生成物的产率降低,温度较低催化剂的活性降低,化学反应速率减小,故采用400~500 ℃
解析 (1)相同压强下,随温度升高二氧化硫的转化率降低,说明升温平衡逆向移动,正反应放热。(2)扩大容器容积,各组分浓度减小,正、逆反应速率都减小,平衡向气体体积增大的逆反应方向移动。(3)由表中数据可知,压强和温度对平衡移动都有影响,增大压强SO2的转化率增大,降低温度,SO2的转化率增大,所以提高该化学反应限度的途径有增大压强或在一定范围内降低温度。(4)由表中数据可知,增大压强对SO2的转化率影响不大,同时增大成本,故通常采用常压而不是高压。
针对训练1.硝酸工业的基础是氨的催化氧化,在催化剂作用下发生如下反应:①4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)　ΔH=-905 kJ·ml-1　主反应②4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g)　ΔH=-1 268 kJ·ml-1　副反应有关物质产率与温度的关系如图:
(1)由反应①②可知反应③N2(g)+O2(g) 2NO(g)的反应热ΔH= 　。 (2)由图可知工业上氨催化氧化生成NO时,反应温度最好控制在　 　。 
答案 (1)+181.5 kJ·ml-1　(2)780~840 ℃解析 (1)由盖斯定律,(①-②)× 可得N2(g)+O2(g) 2NO(g),故ΔH= ×[(-905 kJ·ml-1)-(-1 268 kJ·ml-1)]=+181.5 kJ·ml-1。(2)从图像可以看出,反应温度在780~840 ℃时,NO的产率最大,故选择780~840 ℃。
(1)有利于提高合成氨平衡产率的条件有　　(填字母)。 A.低温B.高温 C.低压D.高压 E.催化剂(2)实际生产中,常用Fe作催化剂,控制温度773 K,压强3.0×107 Pa,原料中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2过量的两个理由:　 　;　 　。 (3)关于合成氨工艺的下列理解,正确的是　 　(填字母)。 A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零B.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率C.基于NH3有较强的分子间作用力,可将其液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行D.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生
答案 (1)AD　(2)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率　N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,适度过量有利于提高整体反应速率(3)ACD
解析 (1)　 ΔH=-46.2 kJ·ml-1是气体体积减小的热反应。低温有利于平衡正向移动,提高氨产率,A正确、B错误;低压平衡逆向移动,不利于提高氨产率,C错误、D正确;催化剂只改变反应速率,不改变化学平衡,不能提高氨产率,故E错误。
(3) 　ΔH(298 K)=-46.2 kJ·ml-1是气体体积减小的放热反应,合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零,A正确;当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,总压不变,分压减小,平衡逆向移动,不能提高平衡转化率,B错误;NH3有较强的分子间作用力,可将其液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C正确;合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的N2是从空气中分离得来,先将空气液化,再蒸馏得N2,甲烷与水在高温、催化剂条件下生成CO和H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生,D正确。
归纳总结化学反应的调控思路
考向1分析平衡图像变化趋势,定性解释例1. 探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素,有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
回答下列问题:(1)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图　　　(填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为　　　　;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是　　　　　　　　　　　　。 (2)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为　　　　(填字母)。 A.低温、高压B.高温、低压C.低温、低压D.高温、高压
思路指导(1)图像的判断和分析①图像的含义。反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则CH3OH的平衡产率减小,所以图甲表示CH3OH的平衡产率;图乙中,由于反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应,随着温度升高,平衡逆向移动,CO2的平衡转化率降低;反应Ⅲ为吸热反应,升高温度平衡向正反应方向移动,升高至一定温度后以反应Ⅲ为主,CO2的平衡转化率又升高,所以图乙表示CO2的平衡转化率。
②压强大小的比较。反应Ⅰ和Ⅱ是气体体积减小的反应,增大压强,反应Ⅰ和Ⅱ化学平衡正向移动;反应Ⅲ气体体积不变,平衡不移动。即随着压强增大CH3OH的平衡产率增大,所以压强关系为p1>p2>p3。③特殊点的分析。随着温度升高,反应Ⅰ和Ⅱ化学平衡逆向移动,反应Ⅲ化学平衡正向移动,所以T1温度时,三条曲线交于一点的原因为:T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响。(2)外界条件对化学平衡的影响根据图像可知,温度越低,CH3OH的平衡产率越大;压强越大,CO2的平衡转化率越大,CH3OH的平衡产率越大。因此选择低温和高压,A项正确。
答案 (1)乙　p1、p2、p3　T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响(2)A
突破方法陌生图像题的解题策略
针对训练1.(2022全国甲卷)金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途。目前生产钛的方法之一是将金红石(TiO2)转化为TiCl4,再进一步还原得到钛。回答下列问题:(1)TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1 000 ℃时反应的热化学方程式及其平衡常数如下:(ⅰ)直接氯化:TiO2(s)+2Cl2(g) ══ TiCl4(g)+O2(g) ΔH1=172 kJ·ml-1,Kp1=1.0×10-2(ⅱ)碳氯化:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s) ══ TiCl4(g)+2CO(g)　ΔH2=-51 kJ·ml-1, Kp2=1.2×1012 Pa
①反应2C(s)+O2(g) === 2CO(g)的ΔH为　　　　　 kJ·ml-1,Kp=　　　　 Pa。 ②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化,其原因是  　。 ③对于碳氯化反应:增大压强,平衡　　　　(填“向左”“向右”或“不”)移动;温度升高,平衡转化率　　　　(填“变大”“变小”或“不变”)。 
①反应C(s)+CO2(g) ══ 2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)=　　　　 Pa。 ②图中显示,在200 ℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4,但实际生产中反应温度却远高于此温度,其原因是 　 。 (3)TiO2碳氯化是一个“气—固—固”反应,有利于TiO2-C“固—固”接触的措施是　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
答案 (1)①-223　1.2×1014②碳氯化反应的ΔH0,ΔG0,不属于自发进行的反应,故碳氯化的反应趋势大于直接氯化。③碳氯化反应中,正反应为气体分子数增大的放热反应,依据勒夏特列原理,增大压强,平衡向左移动;升高温度,平衡向左移动,平衡转化率减小。
(2)①根据图像可知,1 400 ℃时CO2、CO的组成比例分别为0.05、0.6,则②实际生产中反应温度高于200 ℃,原因是升高温度,反应速率增大,缩短了反应达到平衡的时间,可以达到最佳效益。(3)将固体TiO2和C粉碎后混合均匀,同时鼓入Cl2使固体粉末“沸腾”,可增大反应物间的接触面积。
2.(2023湖南卷,节选)聚苯乙烯是一类重要的高分子材料,可通过苯乙烯聚合制得。已知下列反应的热化学方程式:
(1)在某温度、100 kPa下,向反应器中充入1 ml气态乙苯发生反应④,其平衡转化率为50%,欲将平衡转化率提高至75%,需要向反应器中充入　　　 ml水蒸气作为稀释气(计算时忽略副反应)。 
(2)在913 K、100 kPa下,以水蒸气作稀释气、Fe2O3作催化剂,乙苯除脱氢生成苯乙烯外,还会发生如下两个副反应:⑤C6H5C2H5(g) C6H6(g)+CH2=CH2(g)⑥C6H5C2H5(g)+H2(g) C6H5CH3(g)+CH4(g)
以上反应体系中,芳香烃产物苯乙烯、苯和甲苯的选择性随乙苯转化率的变化曲线如图所示,其中曲线b代表的产物是　　　　　　,理由是　  　。 
答案 (1)5(2)苯　反应④为主反应,反应⑤⑥为副反应,苯乙烯的选择性最大;在恒温恒压下,随乙苯转化率的增大,反应⑤正向移动程度大,则曲线b代表产物苯
解析 (1)在某温度、100 kPa下,列出反应④的“三段式”。　　　　C6H5C2H5 C6H5CH=CH2+H2开始(ml)100转化(ml)0.50.50.5平衡(ml)0.50.50.5
设需要充入水蒸气的物质的量为x ml,则有　　　　　C6H5C2H5 C6H5CH=CH2+H2开始(ml)100转化(ml)0.750.750.75平衡(ml)0.250.750.75
(2)曲线a芳香烃产物的选择性大于曲线b、c芳香烃产物的选择性,反应④为主反应,反应⑤⑥为副反应,则曲线a代表产物苯乙烯的选择性;反应⑤的正反应为气体分子数增大的反应,反应⑥的正反应是气体分子数不变的反应;在913 K、100 kPa(即恒温恒压)下以水蒸气作稀释气,乙苯的转化率增大,即减小压强,反应⑤向正反应方向移动,故曲线b代表的产物是苯。
考向2分析平衡图像获取数据,定量计算
例2.硫酸是一种重要的基本化工产品。接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化:SO2(g)+ O2(g) SO3(g)　ΔH=-98 kJ·ml-1。回答下列问题:
(1)当SO2(g)、O2(g)和N2(g)起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时,在0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa压强下,SO2平衡转化率α随温度的变化如图所示。反应在5.0 MPa、550 ℃时的α=　　　　,判断的依据是　　　　　。影响α的因素有　　　　　　　。 
(2)将组成(物质的量分数)为2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的气体通入反应器,在温度T、压强p条件下进行反应。平衡时,若SO2转化率为α,则SO3压强为　　　　, 平衡常数Kp=　　　　(以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。 
思路指导(1)化学平衡图像的分析第一步,分析题给化学反应:第二步,分析图像变化相同温度下,p1时SO2的平衡转化率最大,p3时SO2的平衡转化率最小。第三步,结合化学反应和图像进行分析增大压强可以使化学平衡向正反应方向移动,所以该反应在550 ℃、压强为5.0 MPa条件下,SO2的平衡转化率一定高于相同温度下、压强为0.5 MPa和2.5 MPa时的转化率,所以p1=5.0 MPa。由图中数据可知,550 ℃时的 α=0.975。影响α的因素就是影响化学平衡移动的因素,主要有反应物的浓度、温度、压强等。
(2)化学平衡的定量计算①三段式法。假设原气体的物质的量为100 ml,则SO2、O2和N2的物质的量分别为2m ml、m ml和q ml,2m+m+q=3m+q=100,SO2的平衡转化率为α,则有下列关系:
平衡时气体的总物质的量为n(总)=[2m(1-α)+m(1-α)+2mα] ml+q ml,则SO3的物质的量分数为
②利用Kp定义表达式进行计算。第一步,写出定义表达式。
答案 (1)0.975　该反应为气体分子数减少的反应,增大压强,α变大,5.0 MPa>2.5 MPa=p2,所以p1=5.0 MPa,550 ℃时的α=0.975　温度、压强和反应物的起始浓度(组成)
突破方法压强平衡常数(Kp)的计算流程
针对训练3.(1)T ℃时,存在如下平衡:2NO2(g) N2O4(g)。该反应正、逆反应速率与NO2、N2O4的浓度关系为:v(正)=k(正)c2(NO2),v(逆)=k(逆)c(N2O4)[k(正)、k(逆)是速率常数],且lgv(正)~lgc(NO2)与lgv(逆)~lgc(N2O4)的关系如图所示。
①T ℃时,该反应的平衡常数K=　 　 。 ②T ℃时,往刚性容器中充入一定量NO2,平衡后测得c(N2O4)为1 ml·L-1,则平衡时NO2的物质的量分数为 　 (以分数表示)。平衡后v(正)=　 　(用含a的表达式表示)。 
(2)CH4与CO2反应得到合成气的原理为CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)。某小组向容积是1 L的一密闭容器中充入物质的量均是1 ml的CH4与CO2,反应过程中CO2的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
①压强:p1　 　(填“>”或“p2;②在温度为1 100 ℃、压强为p1条件下,20 min时反应达到平衡状态,CO2的平衡转化率为60%,即平衡时Δn(CO2)=1 ml ×60%=0.6 ml,由于容器的容积是1 L,则v(CO2)==0.03 ml·L-1·min-1,由于同一反应用不同物质表示反应速率时,速率之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比,所以v(CH4)=v(CO2)=0.03 ml·L-1·min-1;反应中开始加入的CO2、CH4的物质的量都是1 ml,则反应达到平衡时, n(CO2)=n(CH4)=0.4 ml, n(CO)=n(H2)=2×0.6 ml=1.2 ml,n(总)=0.4 ml+0.4 ml+1.2 ml+1.2 ml=3.2 ml,则用分压表示的化学平衡常数
1.(2023湖南卷)向一恒容密闭容器中加入1 ml CH4和一定量的H2O,发生反应:CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)。CH4的平衡转化率按不同投料比x[x= ]随温度的变化曲线如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.x1