2020届高考化学二轮复习化学平衡移动规律及应用学案

微焦点15 化学平衡移动规律及应用
[学生用书P32]




微考向
难度指数
热度示意
命题探究
1.化学平衡移动的基本规律
★★★

考查外界条件对平衡移动的影响
2.化学平衡移动相关的简答题
★★★★

化学平衡移动类题目的重点和难点
3.化学平衡转化率等相关计算
★★★

常考题,考查转化率、产率等基本概念和相关计算



化学平衡移动的基本规律
(1)改变固体或纯液体的量,对化学平衡无影响
(2)“惰性气体”对化学平衡的影响
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,各反应气体的分压减小

(3)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

续　表
化学平衡移动相关的简答题
此类题目需利用平衡移动原理结合题目信息或生产实际,分析反应条件的选择或选择某个反应条件的原因、理由。要做好此类题目,关键要抓住:“特征→条件→方向→结果”这四个关键词。特征指的是这个反应的焓变、气体分子数的变化;条件指的是改变了什么条件,这个条件是否对平衡移动产生影响;方向指的是条件改变后,平衡向哪个方向移动;结果指的是平衡移动造成的结果,如原料的平衡转化率的变化、某种物质百分含量的变化等
化学平衡转化率等相关计算

(1)某物质(设为X)的平衡转化率=n(X)平衡转化n(X)初始总量,当容器体积不变时,也可用X的物质的量浓度代入计算,但若容器体积变化,则不能用物质的量浓度进行计算,因为体积变化本身就造成了物质的量浓度的变化
(2)平衡正向移动,反应物转化率不一定提高,如A+BC(均为气体),恒温恒容下,充入A,平衡正向移动,B的转化率提高,但A自身转化率却是减小的
(3)对只有一种反应物的反应体系[aA(g)bB(g)],达到平衡后保持恒温恒容的条件再充入一定量A达到新的平衡后,有关量的变化如下表:
反应
PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)
2HI(g)H2(g)+I2(g)
2NO2(g)N2O4(g)
特征
Δn>0
Δn=0
Δn<0
条件
充入PCl5
充入HI
充入NO2
移动方向
正向
正向
正向
体积分数
φ(PCl5)增大
φ(HI)不变
φ(NO2)减小
转化率
α(PCl5)减小
α(HI)不变
α(NO2)增大





　　　　　　　化学平衡移动的基本规律

[典例导考1][2018·江苏卷(改编)]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)(正反应放热),测得反应的相关数据如下:

容器1
容器2
容器3
反应温度T/K
700
700
800
反应物投入量
2 mol SO2、
1 mol O2
4 mol SO3
2 mol SO2、
1 mol O2
平衡v正(SO2)/
( mol·L-1·s-1)
v1
v2
v3
平衡
c(SO3)/(mol·L-1)
c1
c2
c3
平衡体系
总压强p/Pa
p1
p2
p3
物质的平衡
转化率α
α1(SO2)
α2(SO3)
α3(SO2)
平衡常数K
K1
K2
K3

下列说法正确的是(　　)
A.v1 B.K1>K3,p2>2p3
C.v1 D.c2>2c3,α2(SO3)+α3(SO2)<1
【审】　化学平衡中的等效思想的应用。
【切】　平衡的建立与途径无关,对不同条件下平衡状态的比较,可假想一些中间过程。
【解】　对比容器的特点,将容器1和容器2对比,将容器1和容器3对比。容器2中加入4 mol SO3等效于在相同条件下反应物投入量为4 mol SO2和2 mol O2,容器2中起始反应物的物质的量为容器1的两倍,容器2相当于在容器1达平衡后增大压强,将容器的体积缩小为原来的一半,增大压强化学反应速率加快,v2>v1,增大压强平衡向正反应方向移动,平衡时c2>2c1,p2<2p1,α1(SO2)+α2(SO3)<1,容器1和容器2温度相同,K1=K2;容器3相当于在容器1达到平衡后升高温度,升高温度化学反应速率加快,v3>v1,升高温度平衡向逆反应方向移动,平衡时c3p1,α3(SO2)<α1(SO2),K3v1,c2>2c1,A项错误;K3p1,则p2<2p3,B项错误;v3>v1,α3(SO2)<α1(SO2),C项错误;c2>2c1,c32c3,α1(SO2)+α2(SO3)<1,α3(SO2)<α1(SO2),则α2(SO3)+α3(SO2)<1,D项正确。
【答】　D
【思】　化学平衡中的等效思想
恒温恒容时:当方程式前后气体化学计量数之和不同时,只要能使各物质的初始物质的量分别相等,就可以建立相同平衡,即两平衡的关系是相等关系。两个平衡的所有对应平衡量(包括正逆反应速率、各组分的物质的量分数、物质的量浓度、气体体积分数、质量分数等)完全相等。当方程式前后气体化学计量数之和相同时,只要能使各物质初始物质的量之比相等就可以建立相似平衡,即两平衡的关系是相似关系。两平衡中各组分的物质的量分数、气体体积分数、质量分数、物质的百分含量相等;而两平衡中的正逆反应速率、各组分平衡时的物质的量及物质的量浓度等对应成比例。
恒温恒压时:只要使各物质初始浓度对应成比例即可建立相似平衡,即两平衡的关系是相似关系。两平衡中各组分平衡时的物质的量浓度、物质的量分数、气体体积分数、质量分数、各反应物的转化率等对应相等;两平衡中正与正、逆与逆速率各自对应相等;而两平衡中各物质平衡时的物质的量、反应容器的体积等对应成比例。

[应用提能1-1]可逆反应A(g)+B(g)2C(g),反应过程中混合物中C的百分含量与温度关系如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.正反应速率:v(T3)>v(T4)>v(T2)
B.化学平衡常数:K(T4)>K(T3)
C.由T1向T2变化时,v正>v逆
D.该可逆反应的正反应为吸热反应
【答案】　C
【微探究】　升温反应速率增大,所以正反应速率v(T4)>v(T3)>v(T2),A项错误;T3时达到最高点,瞬间达到平衡状态,再升高温度,平衡逆向移动,说明正反应为放热反应,所以化学平衡常数:K(T4)v逆,C项正确;反应达到平衡状态后,升温平衡逆向移动,所以该可逆反应的正反应为放热反应,D项错误。
[应用提能1-2]非金属元素及其化合物在物质制备、生产生活中发挥着重要作用。
CO2与NH3合成尿素的反应如下:
CO2(g)+2NH3(g)[CO(NH2)2](s)+H2O(g)　ΔH=a kJ/mol
曲线表示不同温度、不同压强下,CO2的平衡转化率与温度的关系,请回答下列问题:

(1)a　　　　　0,p1　　　　　p2(填“>”“<”或“=”)。 
(2)t ℃时,向容积为2 L的密闭容器中充入3 mol NH3和1 mol CO2,实现M点的平衡,回答下列问题:
①平衡时容器内压强为开始时的　　　　　　倍,t ℃时的化学平衡常数为　　　　　。 
②若保持条件不变,再向该容器中充入1 mol NH3和1 mol CO2,NH3的转化率将　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。 
【答案】　(1)<　>　(2)①0.75　1　②增大
【微探究】　(1)根据图像可知,在其他条件不变时,升高温度,CO2的平衡转化率降低,说明平衡逆向移动,根据平衡移动原理,升高温度,平衡向吸热方向移动,逆反应为吸热反应,则该反应的正反应为放热反应,所以ΔH=a<0;该反应的正反应为气体体积减小的反应,在其他条件不变时,增大压强,平衡正向移动,CO2的平衡转化率增大,所以p1>p2。
(2)①t ℃时,向容积为2 L的密闭容器中充入3 mol NH3和1 mol CO2,实现M点化学平衡,发生反应:
　　　 　CO2(g)+2NH3(g)[CO(NH2)2](s)+H2O(g)
c(始)/(mol·L-1)0.5　 1.5　　　　　　　　　　0
c(变)/(mol·L-1) 0.25 0.5 0.25
c(平)/(mol·L-1) 0.25 1.0 0.25
K=c(H2O)c(CO2)·c2(NH3)=0.250.25×1.02=1,平衡时气体的物质的量n=(0.25×2+1.0×2+0.25×2) mol=3 mol,开始时气体的物质的量是3 mol+1 mol=4 mol,对于气体来说,压强之比等于气体的物质的量之比,所以p平p始=3mol4mol=0.75。
②若保持条件不变,再向该容器中充入1 mol NH3和1 mol CO2,可认为先充入1 mol NH3和0.5 mol CO2,达到平衡后再充入0.5 mol CO2,相当于增大了CO2的浓度,所以NH3的转化率将增大。


　　　　　　　化学平衡移动相关的简答题

[典例导考2](2019·绍兴地区月考)在1.00 L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应N2O4(g)2NO2(g),随温度升高,混合气体的颜色变深。

回答下列问题:
(1)反应的ΔH　　　　0(填“>”或“<”);100 ℃时,体系中各物质浓度随时间变化如图所示。在0~60 s 时段,反应速率v(N2O4)为　　　　mol·L-1·s-1。 
(2)100 ℃时达平衡后,改变反应温度为T,c(N2O4)以0.002 0 mol·L-1·s-1的平均速率降低,经10 s又达到平衡,T　　　　100 ℃(填“>”或“<”),判断理由是　 
　。 
(3)温度T时反应达平衡后,将反应容器的容积减少一半,平衡向　　　　(填“正反应”或“逆反应”)方向移动,判断理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　。 
【审】　利用平衡移动原理解决实际问题。
【切】　温度、压强对平衡移动的影响。
【解】　(1)由题意及图示知,在1.00 L的容器中,通入0.100 mol的N2O4,发生反应:N2O4(g)2NO2(g),随温度升高混合气体的颜色变深,说明反应向生成NO2的方向移动,即向正反应方向移动,所以正反应为吸热反应,即ΔH>0;由图示知60 s时该反应达到平衡,消耗N2O4的浓度为0.100 mol·L-1-0.040 mol·L-1=0.060 mol·L-1,根据v=ΔcΔt可知,v(N2O4)=0.060mol·L-160 s=0.001 0 mol·L-1·s-1。
(2)改变温度后,c(N2O4)降低,说明平衡正向移动,该反应正向吸热,所以T>100 ℃。
(3)温度T时反应达到平衡后,将反应容器的容积减少一半,压强增大,平衡会向气体体积减小的方向移动,该反应逆反应为气体体积减小的反应,故平衡向逆反应方向移动。
【答】　(1)>　0.001 0　(2)>　c(N2O4)降低,说明平衡正向移动,该反应正向吸热,故温度升高　(3)逆反应　对气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动
【思】　在练习中不断反思,提炼、概括答题要点,理论(化学平衡移动原题、速率理论)联系实际(题目情境、生产实际、能耗、成本等)。
[应用提能2]运用化学反应原理研究碳、氮的单质及其化合物的反应对缓解环境污染、能源危机具有重要意义。
(1)甲醇作为一种重要的化工原料,既可以作为燃料,还可用于合成其他化工原料。在一定条件下可利用甲醇羰基化法制取甲酸甲酯,其反应原理可表示为CH3OH(g)+CO(g)HCOOCH3(g)　ΔH=-29.1 kJ· mol-1。向体积为2 L的密闭容器中充入2 mol CH3OH(g)和2 mol CO,测得容器内的压强(p)随时间(t)的变化关系如下图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲线所示:

①Ⅱ和Ⅰ相比,改变的反应条件是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
②反应Ⅰ在5 min时达到平衡,在此条件下从反应开始到达到平衡时,v(HCOOCH3)=　　　　　　　。 
③反应Ⅱ在2 min时达到平衡,平衡常数K(Ⅱ)=　　　　。在体积和温度不变的条件下,在上述反应达到平衡Ⅱ时,再往容器中加入1 mol CO和2 mol HCOOCH3(g)后,v(正)　　　(填“>”“<”或“=”)v(逆),原因是　 
　。 
④比较反应Ⅰ的温度(T1)和反应Ⅲ的温度(T3)的高低:T1　　　(填“>”“<”或“=”)T3,判断的理由是 
 
　。 
(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。某研究小组在实验室用某新型催化剂对CO、NO催化转化进行研究,测得NO转化为N2的转化率随温度、CO混存量的变化情况如下图所示,利用以下反应填空:
2NO+2CON2+2CO2(有CO)
2NON2+O2(无CO)

①若不使用CO,温度超过775 ℃,发现NO的分解率降低,其可能的原因为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
②在n(NO)/n(CO)=1的条件下,应控制最佳温度在　　　　左右。 
【答案】　(1)①Ⅱ中使用催化剂　②0.1 mol·L-1·min-1　③2　<　Qc=1.50.5×1=3>2=K,反应逆向进行,故v(正)　此反应为放热反应,降温,平衡正向进行(或反应Ⅰ达平衡所需的时间比反应Ⅲ达平衡所需的时间短,反应速率快)　(2)①此反应为放热反应,升高温度,更有利于反应逆向进行　②870 ℃(或850~900 ℃之间都可以)
【微探究】　(1)①该反应为气体体积减小的放热反应。Ⅱ和Ⅰ相比,Ⅱ先达到化学平衡,但平衡时体系的总压强没有改变,说明平衡未发生移动,因此改变的条件为加入了催化剂。②相同的温度和体积之下,压强之比等于物质的量之比,可得反应后各物质的总物质的量为3 mol,根据“三段式”或“差量法”可得生成的HCOOCH3为1 mol,则可得v(HCOOCH3)=0.1 mol·L-1·min-1。③平衡常数K=c(HCOOCH3)c(CH3OH)·c(CO)=0.50.5×0.5=2;浓度商Qc=1.50.5×1=3>2=K,反应逆向进行,故v(正)

　　　　　　　化学平衡转化率等相关计算

[典例导考3](2019·台州模拟)一定温度下,在3个体积均为1.0 L的恒容密闭容器中反应2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) 达到平衡。下列说法正确的是(　　)
容器
温度
/K
物质的起始浓度
/(mol·L-1)
物质的平衡浓度
/(mol·L-1)
c(H2)
c(CO)
c(CH3OH)
c(CH3OH)
Ⅰ
400
0.20
0.10
0
0.080
Ⅱ
400
0.40
0.20
0

Ⅲ
500
0
0
0.10
0.025

　　A.该反应的正反应放热
B.达到平衡时,容器Ⅰ中反应物的转化率比容器Ⅱ中的大
C.达到平衡时,容器Ⅱ中c(H2)大于容器Ⅲ中c(H2)的两倍
D.达到平衡时,容器Ⅲ中的正反应速率比容器Ⅰ中的小
【审】　这是一道涉及可逆反应达到平衡后按比例增加投料量的试题。
【切】　该题的切入点是化学平衡理论,尤其是勒夏特列原理。
【解】　容器Ⅰ与容器Ⅲ相比,若容器Ⅲ的反应发生在400 K条件下,则容器Ⅰ与“容器Ⅲ400”是等效平衡(将容器Ⅲ中甲醇的量完全转化为H2和CO,投料与容器Ⅰ完全相同),则“容器Ⅲ400”平衡时c(CH3OH)=0.080 mol·L-1,升温到500 K,c(CH3OH)=0.025 mol·L-1,说明升温平衡逆向移动,正反应是放热反应,A项正确;容器Ⅰ与容器Ⅱ中的反应是在相同温度和相同容积时进行的,容器Ⅱ的起始投料恰好是容器Ⅰ的起始投料的2倍,等效处理为增大压强分析平衡的移动,增大压强,平衡正向移动,容器Ⅱ与容器Ⅰ的转化率Ⅱ>Ⅰ,B项错误;由B项的分析可知容器Ⅱ中 c(H2)小于容器Ⅰ中c(H2)的两倍,而容器Ⅰ与“容器Ⅲ400”是完全相同的平衡,“容器Ⅲ500”相对于“容器Ⅲ400”平衡逆向移动,所以容器Ⅱ中c(H2)小于容器Ⅲ中c(H2)的两倍,C项错误;“容器Ⅲ400”与容器Ⅰ是完全相同的平衡,各物质的浓度都相等,正反应速率也相等,升温到500 K时正、逆反应速率均增大,D项错误。
【答】　A
【思】　对于某一特定可逆反应投料比的问题,以其综合性强、智能性要求高而逐步成为加试题中最具有区分性能的亮点之一,也就成了最易失分的问题之一。通常失误有以下三点:一是没有将该特定可逆反应中的气体成分与固态、液态等非气体成分区别开来;二是没有将所处的容器是恒温恒容,还是恒温恒压,或是绝热恒容区分开来;三是没有将等效平衡中的成分含量、转化率、热量值与非等效平衡中的成分含量、转化率、热量值区分开来。按照起始投料的相同比例增加各气体物质,等效于分析增大压强对平衡的影响。
[应用提能3]碳、硫和氮元素及其化合物的处理,是资源利用和环境保护的重要研究课题。
(1)CO可转化成二甲醚,原理为2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)。已知一定条件下,该反应中CO的平衡转化率随温度、投料比的变化曲线如图所示,若温度升高,则反应的平衡常数K将　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。 

(2)在恒温密闭容器中通入SO2 和NO2 各1 mol发生反应:SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g),当反应达到平衡后(此时NO2 的转化率为α1),维持温度和容积不变,10 min时再通入各1 mol的SO2 和NO2 的混合气体,20 min时再次平衡(此时NO2 的转化率为α2)。两次平衡时NO2 的转化率:α1　　　　(填“>”“<”或“=”)α2。 
【答案】　(1)减小　(2)=
【微探究】　(1)根据题图可以看出,对于反应:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g),在投料比[n(H2)/n(CO)]相同时,温度升高,CO的平衡转化率降低,正反应是放热反应,故升高温度,平衡左移,平衡常数减小。(2)在恒温密闭容器中通入SO2 和NO2 各1 mol 发生反应:SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g),当反应达到平衡后,维持温度和容积不变,10 min时再通入各1 mol的SO2 和NO2 的混合气体,按照起始投料的相同比例增加各气体物质,等效于分析增大压强对平衡的影响。而由于SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)是反应前后气体的物质的量不变的反应,加压平衡不移动,则两次平衡时NO2 的转化率:α1=α2。