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2022 高考化学二轮专题复习 专题八 化学反应速率与化学平衡课件PPT
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这是一份2022 高考化学二轮专题复习 专题八 化学反应速率与化学平衡课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，五年高考命题研究，要点归纳•再提升，经典对练•得高分，思路点拨，答案B，答案A，答案C，答案AB，易错防范•不失分等内容，欢迎下载使用。
高考总复习
第一编
2022
内容索引
考点一 外界条件对化学反应速率的影响
考点二 化学平衡 化学平衡常数及有关计算
考点三 化学反应速率与化学平衡的有关图像
专项模块 素养培优
五年高考 命题研究
考点一 外界条件对化学反应 速率的影响
要点归纳•再提升
一、化学反应速率的计算及速率常数1.化学反应速率的计算
计算时一定要注意容器或溶液的体积,不能忽视容器或溶液的体积V,盲目地把Δn当作Δc代入公式进行计算,同时还要注意单位及规范书写,还要根据要求注意计算值的处理。
2.速率常数(1)假设基元反应(能够一步完成的反应)为aA(g)+bB(g)==cC(g)+dD(g),其速率可表示为v=k·ca(A)·cb(B),式中的k称为反应速率常数或速率常数,它表示单位浓度下的化学反应速率,与浓度无关,但受温度、催化剂、固体表面性质等因素的影响,通常反应速率常数越大,反应进行得越快。不同反应有不同的速率常数。
(2)正、逆反应的速率常数与平衡常数的关系
二、正确理解化学反应速率的影响因素
1.内因——活化能相同条件下,不同化学反应的速率不同,主要是内因——活化能大小不同所致,活化能小的化学反应速率快,活化能大的化学反应速率慢。注意:反应热为正、逆反应活化能的差值。
影响反应速率的主要因素
2.外因相同的化学反应,在不同条件下,化学反应速率不同,主要原因是外因——浓度、压强、温度、催化剂、光照、接触面积等因素。(1)浓度(c):增大(减小)反应物浓度→单位体积内活化分子数目增加(减少),活化分子百分数不变→有效碰撞频率提高(降低)→化学反应速率加快(减慢)。(2)压强(p):对于气相反应来说,增大(减小)压强→相当于减小(增大)容器容积→相当于增大(减小)反应物的浓度→化学反应速率加快(减慢)。
化学反应确定后,只能通过改变外因改变反应速率
微点拨“ 惰性气体”对反应速率的影响
(3)温度(T):升高(降低)温度→活化分子百分数增大(减小)→有效碰撞频率提高(降低)→化学反应速率加快(减慢)。(4)催化剂①添加催化剂能改变反应的路径,降低反应的活化能,所以化学反应速率加快。②催化剂的选择性:对于在给定条件下反应物之间能够同时发生多个反应的情况,理想的催化剂还具有大幅度提高目标产物在最终产物中比例的作用。③酶作催化剂的特点:高效性、专一性(高选择性,一种酶只能催化一种或一类化学反应,如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽)、温和性(反应条件温和,温度升高,酶发生变性失去催化活性)。
经典对练•得高分
考向1 化学反应速率的影响因素真题示例1-1.(2021福建新高考适应卷,5)有研究认为,强碱性溶液中反应I-+ClO-==IO-+Cl-分三步进行,其中两步如下:第一步 ClO-+H2O→HOCl+OH- K1=3.3×10-10第三步 HOI+OH-→IO-+H2O K3=2.3×103下列说法错误的是( )A.反应第二步为HOCl+I-→HOI+Cl-B.由K可判断反应第三步比第一步快C.升高温度可以加快ClO-的水解D.HOCl和HOI都是弱酸
思路点拨
答案 B
1-2.(2021湖北新高考适应卷,18节选)甲烷和水蒸气催化制氢主要有如下两个反应:①CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g)ΔH=+206 kJ·mol-1②CO(g)+H2O(g) ==CO2(g)+H2(g)ΔH=-41 kJ·mol-1恒定压强为100 kPa时,将n(CH4)∶n(H2O)=1∶3的混合气体投入反应器中,平衡时,各组分的物质的量分数与温度的关系如图所示。
回答下列问题:(1)写出CH4与CO2生成H2和CO的热化学方程式: 。 (2)关于甲烷和水蒸气催化制氢反应,下列叙述正确的是 (填标号)。 A.恒温、恒容条件下,加入惰性气体,压强增大,反应速率加快B.恒温、恒容条件下,加入水蒸气,活化分子百分数增大,反应速率加快C.升高温度,活化分子百分数增大,有效碰撞频率增大,反应速率加快D.加入合适的催化剂,降低反应温度也能实现单位时间内转化率不变
答案 (1)CH4(g)+CO2(g) ==2CO(g)+2H2(g) ΔH=+247 kJ·mol-1 (2)C
解析 (1)①CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g) ΔH=+206 kJ·mol-1②CO(g)+H2O(g) ==CO2(g)+H2(g) ΔH=-41 kJ·mol-1根据盖斯定律,①-②,ΔH=+206 kJ·mol-1+41 kJ·mol-1=+247 kJ·mol-1,得到CH4与CO2生成H2和CO的热化学方程式:CH4(g)+CO2(g) ==2CO(g)+2H2(g)ΔH=+247 kJ·mol-1;
(2)由反应CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g) ΔH=+206 kJ·mol-1,恒温、恒容条件下,加入惰性气体,总压强增大,各物质的分压不变,各气体的浓度不变,化学反应速率不变,故A不符合题意;恒温、恒容条件下,加入水蒸气,活化分子百分数不变,单位体积活化分子数增加,有效碰撞几率增大,反应速率加快,故B不符合题意;升高温度,活化分子百分数增大,有效碰撞频率增大,反应速率加快,故C符合题意;加入合适的催化剂,缩短达到平衡的时间,但不影响平衡的移动,单位时间内气体的转化率改变;降低反应温度,平衡发生移动,单位时间内气体的转化率改变,故D不符合题意;答案选C。
对点演练1-1.(2021湖北八市一模)我国科研人员在银催化简单烷烃的区域选择性方面的研究取得了重大突破。一种烷烃( )C—H键的选择性插入反应进程如图所示。下列说法错误的是( )
A.升高温度三个反应的速率均加快B.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种物质中,最稳定的是ⅠC.总反应速率取决于由中间体1生成中间体2的一步D.催化剂对化学反应具有选择性,生成不同产物的同时改变了反应的焓变
答案 D 解析 升高温度使反应速率加快,A项正确;物质能量越低越稳定,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种物质中,最稳定的是Ⅰ,B项正确;化学反应的速率取决于反应进程中最慢的反应,中间体1生成中间体2的反应为吸热反应,且活化能最高,决定了总反应速率,C项正确;催化剂具有选择性,只影响化学反应速率,但不改变反应的焓变,D项错误。
1-2.资料显示:自催化作用是指反应产物之一使该反应速率加快的作用。用稀硫酸酸化的KMnO4进行下列三组实验,一段时间后溶液均褪色(0.01 mol·L-1可以记做0.01M)。
下列说法不正确的是( )A.实验①中发生氧化还原反应,H2C2O4是还原剂,产物MnSO4能起自催化作用B.实验②褪色比①快,是因为MnSO4的催化作用加快了反应速率C.实验③褪色比①快,是因为Cl-的催化作用加快了反应速率D.若用1 mL 0.2 M的H2C2O4溶液做实验①,推测比实验①褪色快
答案 C 解析 根据化合价的变化可知,H2C2O4是还原剂,KMnO4是氧化剂,对比实验①和②可知,MnSO4对反应起催化作用,所以产物MnSO4能起自催化作用,故A、B项正确;实验③加入了稀盐酸之后,Cl-能与KMnO4发生氧化还原反应,所以褪色比①快,Cl-是还原剂而不是催化剂,故C错误;由于浓度会影响反应速率,所以增大H2C2O4溶液的浓度可以加快反应速率,故D正确。
考向2 化学反应速率的计算真题示例
计算曲线a的反应在30~90 min内的平均速率 (a)= kPa·min-1。
思路点拨根据定义式计算反应速率
答案 0.004 7
2-2.(2021河北卷,13)室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+N==X+Y;②M+N==X+Z。反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图。下列说法错误的是( )
A.0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3 mol·L-1·min-1B.反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变C.如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为ZD.反应①的活化能比反应②的活化能大
答案 A
解析 考查化学反应速率的计算、转化率的计算、化学反应速率与活化能的关系等。反应①和②为竞争反应,由速率方程式可知,两个反应差异在速率常数的大小。图中显示,0~30 min内Δc(Z)=0.125 mol·L-1,Δc(M)=0.5 mol·L-1-0.3 mol·L-1=0.2 mol·L-1,Δc2(M)=Δc(Z)=0.125 mol·L-1,Δc(Y)=Δc1(M)=0.2 mol·L-1-0.125 mol·L-1=0.075 mol·L-1,v(Y)=0.075 mol·L-1÷30 min=0.002 5 mol·L-1·min-1,A项错误;由速率方程可知,
对点演练2-1.(2021广东潮州二模)温度为T时,向2.0 L恒容密闭容器中充入1.0 mol PCl5,发生反应:PCl5(g) PCl3(g)+Cl2(g) ΔH=a kJ·mol-1(a>0)。0~10 min保持容器温度不变,10 min时改变一种条件,整个过程中PCl5、PCl3、Cl2的物质的量随时间的变化如图所示。
下列说法正确的是( )A.0~4 min的平均速率v(PCl3)=0.025 mol·L-1·min-1B.10 min时改变的条件是增加了一定量的PCl5C.若起始时向该容器中充入2.0 mol PCl3和2.0 mol Cl2,保持温度为T,反应达平衡时放出的热量小于1.6a kJD.温度为T,起始时向该容器中充入1.0 mol PCl5、0.10 mol PCl3和0.10 mol Cl2,反应达到平衡前v正答案 A
2-2.(2021浙江卷)取50 mL过氧化氢水溶液,在少量I-存在下分解:2H2O2==2H2O+O2↑。在一定温度下,测得O2的放出量,转换成H2O2的浓度(c)如下表:
下列说法不正确的是( )A.反应20 min时,测得O2体积为224 mL(标准状况)B.20~40 min,消耗H2O2的平均速率为0.010 mol·L-1·min-1C.第30 min时的瞬时速率小于第50 min时的瞬时速率D.H2O2分解酶或Fe2O3代替I-也可以催化H2O2分解
答案 C
解析 反应20 min时,过氧化氢的浓度变为0.4 mol·L-1,说明分解的过氧化氢的物质的量n(H2O2)=(0.80-0.40) mol·L-1×0.05 L=0.02 mol,过氧化氢分解生成的氧气的物质的量n(O2)=0.01 mol,标准状况下的体积V=n·Vm=0.01 mol×22.4 L·mol-1=0.224 L=224 mL,A项正确;20~40 min,消耗过氧化氢的浓度为(0.40-0.20) mol·L-1=0.20 mol·L-1,则这段时间内的平均速率
=0.010 mol·L-1·min-1,B项正确;随着反应的不断进行,过氧化氢的浓度不断减小,某一时刻分解的过氧化氢的量也不断减小,故第30 min时的瞬时速率大于第50 min时的瞬时速率,C项错误;I-在反应中起到催化的作用,故也可以利用过氧化氢分解酶或Fe2O3代替,D项正确。
考向3 “控制变量”思想在探究影响化学反应速率因素中的应用真题示例3.(双选)(2021河北新高考适应卷,15)一定条件下,反应H2(g)+Br2(g) ==2HBr(g)的速率方程为v=kcα(H2)cβ(Br2)cγ(HBr),某温度下,该反应在不同浓度下的反应速率如下:
根据表中的测定结果,下列结论错误的是( )A.表中c的值为4B.α、β、γ的值分别为1、2、-1C.反应体系的三种物质中,Br2(g)的浓度对反应速率影响最大D.在反应体系中保持其他物质浓度不变,增大HBr(g)浓度,会使反应速率降低
思路点拨
答案 AB
对点演练3-1.(2021河北石家庄二十七中月考)碘在科研与生活中有重要应用。某兴趣小组用0.20 mol·L-1 KI溶液、0.2%淀粉溶液、0.20 mol·L-1 (NH4)2S2O8溶液、0.10 mol·L-1 Na2S2O3溶液等试剂,探究反应条件对化学反应速率的影响。
结合表中数据判断下列说法错误的是( )A.a=5,b=5
答案 B
3-2.(2021珠海一中高三月考)某小组探究实验条件对反应速率的影响,设计如下实验,并记录结果如下:
下列说法正确的是( )A.由实验①②可知,反应速率v与c(I-)成正比B.实验①~④中,应将H2SO4溶液与淀粉溶液先混合C.在I-被O2氧化过程中,H+只是降低活化能D.由实验③④可知,温度越高,反应速率越慢
答案 A
解析 实验①②中其他条件相同,c(I-):①<②,且反应速率:①<②,所以反应速率v与c(I-)成正比,A正确;实验①~④中,应将KI溶液与淀粉溶液先混合,再加入H2SO4溶液,在酸性条件下发生氧化还原反应生成碘单质,测定溶液变色的时间,B错误;在I-被O2氧化过程中,H+除了作为催化剂降低活化能,还作为反应物参加反应,C错误;由实验①③④可知温度越高,反应速率越快,当温度升高到一定程度时,生成的碘单质能被氧气继续氧化,所以④未见蓝色, D错误。
易错防范•不失分
判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)对于任何化学反应来说,反应速率越大,反应现象就越明显。( )(2)化学反应速率为0.8 mol·L-1·s-1是指1 s时某物质的浓度为0.8 mol·L-1。( )(3)由v= 计算平均速率,用反应物表示时为正值,用生成物表示时为负值。( )(4)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的反应速率,其数值可能不同,但表示的意义相同。( )
(5)对于反应:2H2O2==2H2O+O2↑,加入MnO2或降低温度都能加快O2的生成速率。( )(6)由于固体浓度为一常数,所以块状CaCO3与粉末状CaCO3与等浓度的盐酸反应速率一样快。( )(7)100 mL 2 mol·L-1的盐酸跟锌片反应,加入适量的氯化钠溶液,反应速率不变。( )(8)FeCl3和MnO2均可加快H2O2分解,同等条件下二者对H2O2分解速率的改变相同。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)×
考点二 化学平衡 化学平衡 常数及有关计算
要点归纳•再提升
1.化学平衡状态的标志(1)绝对标志
(2)相对标志①有气体参加的反应,气体的总压强、总体积、总物质的量不变时,如果是等体积反应时,不一定达到平衡;如果是不等体积反应时,一定达到平衡。
不变时,要具体分析各表达式中的分子或分母的变化情况,判断是否平衡。③如果反应体系中的物质有颜色,则反应体系的颜色不变时,一定达到平衡。
2.“惰性气体(对反应无关的气体)”对化学平衡的影响(1)恒温恒容时:充入惰性气体,体系的总压强增大,但各反应成分的浓度不变,即各反应气体的分压不变,平衡不移动。(2)恒温恒压时:充入惰性气体,容器容积增大,各反应气体的浓度降低,相当于减压,化学平衡向着气体体积增大的方向移动。
实质是压强的改变导致气体的浓度改变
3.分析化学平衡移动的一般思路
4.化学平衡计算的基本模式——“三段式”根据反应进行(或平衡移动)的方向,设出某反应物消耗的量,然后列式求解。例如: mA + nB pC + qD起始量: a b 0 0变化量: mx nx px qx平衡量 : a-mx b-nx px qx其中:①各物质的变化量之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比。②这里a、b可指物质的量、浓度、气体体积等。
注意:(1)弄清起始量、平衡量、平衡转化率三者之间的互换关系。反应起始时,反应物和生成物可能同时存在。(2)由于起始浓度是人为控制的,故不同的物质起始浓度比不一定等于化学计量数之比。若反应物起始浓度之比等于化学计量数之比,则隐含着各反应物转化率相等,且平衡时各反应物的浓度之比等于化学计量数之比。(3)起始浓度之比、平衡浓度之比不一定等于化学计量数之比,但物质之间是按化学计量数之比反应和生成的,故各物质的浓度变化之比一定等于化学计量数之比,这是计算的关键。在计算平衡常数时,要注意反应物或生成物的状态。
经典对练•得高分
考向1 化学平衡状态的判断真题示例1.(2020浙江卷,29节选)研究NOx之间的转化具有重要意义。已知:N2O4(g) 2NO2(g) ΔH>0将一定量N2O4气体充入恒容的密闭容器中,控制反应温度为T1。下列可以作为反应达到平衡的判据是 。 A.气体的压强不变 B.v正(N2O4)=2v逆(NO2)C.K不变 D.容器内气体的密度不变E.容器内颜色不变
思路点拨
答案 AE
对点演练1-1.(2021广东佛山质检节选)向体积为1 L的恒容密闭容器中充入1 mol CH4和2 mol H2S,发生如下反应:CH4(g)+2H2S(g) CS2(g)+4H2(g),测得不同温度下,CH4的平衡转化率与温度的关系如图所示:
(1)1 200 ℃时,该反应的平衡常数K= (列出计算式即可); (2)下列情况能说明反应达到平衡状态的是 (填字母)。 A.4v(CH4)=v(H2)B.混合气体的压强保持不变C.混合气体的平均摩尔质量保持不变D.n(CH4)∶n(H2S)∶n(CS2)∶n(H2)=1∶2∶1∶4
解析 (1)由图可知,1 200 ℃时甲烷的平衡转化率为80%,平衡时甲烷的浓度为(1 mol·L-1-1 mol·L-1×80%)=0.2 mol·L-1,由方程式可知,硫化氢的浓度为(2 mol·L-1-0.8 mol·L-1×2)=0.4 mol·L-1、二硫化碳的浓度为0.8 mol·L-1、氢气的浓度为0.8 mol·L-1×4=3.2 mol·L-1,则化学平衡常数
(2)A.4v(CH4)=v(H2)不能说明正、逆反应速率相等,无法判断反应是否达到平衡状态,故错误;B.该反应是气体体积增大的反应,恒容密闭容器,随反应进行,混合气体的压强增大,则混合气体的压强保持不变说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故正确;C.由质量守恒定律可知,反应前后气体的质量不变,该反应是气体物质的量增大的反应,反应中混合气体的平均摩尔质量减小,则混合气体的平均摩尔质量保持不变说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故正确;D.n(CH4)∶n(H2S)∶n(CS2)∶n(H2)=1∶2∶1∶4不能说明正、逆反应速率相等,无法判断反应是否达到平衡状态,故错误。
1-2.(2021福建龙岩一模节选)利用CO2可合成烷烃、烯烃、醇等一系列重要化工原料。回答下列有关问题:制备甲烷:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-252.9 kJ·mol-1
该反应的ΔG(ΔG=ΔH-TΔS)与温度的关系如图所示。
(1)要使该反应能顺利发生,理论上温度不高于 。 (2)在恒温、恒容容器中进行该反应,下列不能说明反应达到平衡状态的是 。 A.CO2和H2的转化率之比不再变化B.混合气体的平均摩尔质量不再变化C.容器内的压强不再变化D.v正(H2)=4v正(CH4)
答案 (1)597 ℃ (2)AD
解析 (1)ΔG(ΔG=ΔH-TΔS)<0,反应能自发进行,由图可知,理论上温度不高于597 ℃;(2)A.CO2和H2的转化率之比与投料比有关,不能判定是否达到平衡状态;B.反应前后气体的质量不变,物质的量发生改变,混合气体的平均摩尔质量不再变化,说明反应达到平衡状态;C.反应前后气体的物质的量发生改变,则压强发生改变,故容器内压强不变时反应达到平衡状态;D.正、逆反应速率相等时,反应达到平衡,v正(H2)=4v正(CH4)没有涉及逆反应,故不能说明反应达到平衡状态。
考向2 外界条件对化学平衡的影响真题示例2-1.(2021辽宁新高考适应,7)某温度下,在一恒容密闭容器中进行如下两个反应并达到平衡:①2X(g)+Y(g) Z(s)+2Q(g) ΔH1<0②M(g)+N(g) R(g)+Q(g) ΔH2>0下列叙述错误的是( )A.加入适量Z,①和②平衡均不移动B.通入稀有气体Ar,①平衡正向移动C.降温时无法判断Q浓度的增减D.通入Y,则N的浓度增大
思路点拨
答案 B
2-2.(2021湖南卷,11)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 mol A和3 mol 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CC.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ)>φ(Ⅰ)D.平衡常数K:K(Ⅱ)答案 B
解析 本题考查化学平衡的移动原理。恒温恒容条件下进行反应,该反应前后气体分子数不变,所以容器内的气体压强始终保持不变,A项错误;t2时,正反应速率在平衡状态Ⅰ的基础上逐渐增大,则说明为增大产物C的浓度导致的,B项正确;根据勒夏特列原理,该平衡只能是向“减弱”改变的方向移动,最终平衡时A的体积分数应减小,C项错误;平衡常数只与温度有关,温度不变,故平衡常数不变,D项错误。
对点演练2-1.(2021湖南株洲调研)已知:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)ΔH=-m kJ·mol-1。在2 L密闭容器中通入3 mol H2和1 mol N2,测得不同温度下,NH3的产率随时间的变化如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.ΔH>0,T2>T1B.达到平衡时,T1温度对应反应放出的热量为m kJC.平衡时,通入氩气平衡正向移动D.平衡常数Ka答案 D
解析 根据“先拐先平数值大”知,T12-2.(2021辽宁沈阳二中四模节选)氮的氧化物是造成大气污染的主要物质。研究氮氧化物的反应机理对于消除环境污染有重要意义。(1)用活性炭还原法处理氮氧化物的有关反应为C(s)+2NO(g) N2(g)+CO2(g)。向恒容密闭容器中加入一定量的活性炭和NO,T ℃时,各物质起始浓度及10 min和20 min各物质平衡浓度如表所示:
①T ℃时,该反应的平衡常数为 (保留至小数点后两位)。 ②在10 min时,若只改变某一条件使平衡发生移动,20 min时重新达到平衡,则改变的条件是 。
(2)NO2存在如下平衡:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0,在一定条件下NO2与N2O4的消耗速率与各自的分压(分压=总压×物质的量分数)有如下关系:v(NO2)=k1·p2(NO2),v(N2O4)=k2·p(N2O4),相应的速率与其分压关系如图所示。一定温度下,k1、k2与平衡常数Kp(压力平衡常数,用平衡分压代替平衡浓度计算)间的关系是k1= ;在图中标出的点中,能表示反应达到平衡状态的点是 。
答案 (1)①0.56 ②分离出了二氧化碳(2)2k2·Kp B、D
②根据表中数值知,NO、CO2的浓度减小,N2的浓度增大,说明改变的条件是分离出了CO2;
考向3 化学平衡常数的计算与应用真题示例3-1.(2020山东卷,18节选)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)一定条件下,向体积为V L的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a mol,CO为b mol,此时H2O(g)的浓度为 mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为 。 (2)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 。 (3)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 (填标号)。 A.低温、高压 B.高温、低压C.低温、低压 D.高温、高压
思路点拨
(1)物质的量浓度的计算——根据化学方程式计算。设反应Ⅰ生成CH3OH物质的量为x mol;反应Ⅲ生成CO物质的量为y mol。
反应Ⅰ: CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)转化/mol x 3x x x反应Ⅱ: CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)转化/mol a-x 2a-2x a-x反应Ⅲ: CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)转化/mol y y y y
根据题意有n(CO)=[y-(a-x)] mol=b mol,则x+y=a+b。
平衡常数的计算——利用定义表达式计算。
(2)图像的判断和分析。
①图像的含义:根据盖斯定律可知Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,则ΔH3=+40.9 kJ·mol-1,反应Ⅲ为吸热反应。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。
(3)外界条件对化学平衡的影响。根据图甲、图乙可知,温度越低,CO2的平衡转化率越大,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。
(2)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(3)A
3-2.(2020全国Ⅲ卷,28)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)= 。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4) (填 “变大”“变小”或“不变”)。 (2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。
图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是 、 。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH (填“大于”或“小于”)0。
(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp= (MPa)-3(列出计算式。 以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。 (4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当 。
思路点拨(1)①陌生化学方程式的书写
2CO2+6H2 CH2=CH2+4H2O根据化学方程式可知,该反应中产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)=1∶4。②外界条件对平衡的影响第一步,分析化学反应的特点。该反应的反应物和生成物均为气态,且反应物的化学计量数之和大于生成物的化学计量数之和。第二步,得出增大压强导致n(C2H4)的变化。增大压强,化学平衡向正反应方向移动,n(C2H4)变大。
(2)①化学平衡图像的分析390 ℃时,a、c曲线所表示物质的物质的量比约为3∶1;b、d曲线所表示的物质的物质的量比约为4∶1,由此可知,a、b、c、d曲线所表示的物质分别为H2、H2O、CO2、C2H4。②外界条件对平衡的影响由题给图像可知,随着温度的升高,a、c所表示的H2和CO2物质的量逐渐增大,说明平衡逆向移动,因此该反应是放热反应,即ΔH小于0。
(3)Kp的计算——利用定义表达式的计算第一步,写出定义表达式
第二步,找数据
第三步,代数计算
(4)反应条件的选择
结论:为了同时提高反应速率和乙烯的选择性,应当选择合适的催化剂。
答案 (1)1∶4 变大 (2)d c 小于
(4)选择合适催化剂等
对点演练3-1.(2021广东六校三模)H2S分解反应:2H2S(g) 2H2(g)+S2(g)在无催化剂及Al2O3催化下,恒容密闭容器中只充入H2S,在反应器中不同温度时反应,每间隔相同时间测定一次H2S的转化率,其转化率与温度的关系如图所示:
下列说法错误的是( )A.该反应的ΔH>0B.由图可知,1 100 ℃时Al2O3几乎失去催化活性C.不加催化剂时,温度越高,反应速率越快,达到平衡的时间越短D.A点达到平衡时,若此时气体总压强为p,则平衡常数Kp=0.25p
答案 D
解析 由图可知,升高温度,H2S的转化率增大,说明升高温度,平衡向正反应方向移动,正反应为吸热反应,ΔH>0,A项正确;1 100 ℃,有催化剂和无催化剂时,H2S的转化率相等,表明Al2O3几乎失去催化活性,B项正确;不加催化剂时,温度越高,反应速率越快,达到平衡的时间越短,C项正确;A点达到平衡时,H2S的转化率为50%,设加入的H2S的物质的量为x,列出三段式: 2H2S(g) 2H2(g)+S2(g)起始 x 0 0转化 0.5x 0.5x 0.25x平衡 0.5x 0.5x 0.25x
3-2.(2021河南六市二模节选)H2S广泛存在于天然气等燃气及废水中,热分解或氧化H2S有利于环境保护并回收硫资源。回答下列问题:(1)用氯气除去废水中H2S的反应为Cl2(aq)+H2S(aq) S(s)+2HCl(aq),该反应的正、逆反应速率表达式分别为v正=k正×c(Cl2)×c(H2S),v逆=k逆×c2(HCl),(k正、k逆分别为正、逆反应的反应速率常数,只与温度有关),化学平衡常数K与k正、k逆的关系是 。
(2)H2S可用于高效制取氢气,发生的反应为2H2S(g) S2(g)+2H2(g)。若起始时容器中只有H2S,平衡时三种物质的物质的量与裂解温度的关系如图1所示:
①A、B两点化学平衡常数较大的是 (填“KA”或“KB”)。 ②A点时S2的体积分数是 。 ③若在两个等体积的恒容容器中分别加入2.0 mol H2S、1.0 mol H2S,测得不同温度下H2S的平衡转化率如图2所示。代表1.0 mol H2S分解的曲线是 (填“甲”或“乙”);M、N两点容器内的压强:p(N) 2p(M)(填“大于”或“小于”)。
(3)某科研团队进行了H2S热分解实验:2H2S(g)==2H2(g)+S2(g),开始时,当1 mol H2S与23.75 mol Ar混合,在101 kPa及不同温度下反应达平衡时H2、H2S及S2(g)的体积分数如图3所示, 该反应在Q点对应温度下的平衡常数Kp= kPa(Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数,结果保留小数点后两位)。
(2)①升高温度,平衡时生成物的物质的量增大,所以促进平衡正向移动,即该反应为吸热反应,KB>KA;②由于生成物n(H2)∶n(S2)=2∶1,所以曲线n对应的是H2的物质的量,曲线m对应的是H2S的物质的量,
2H2S(g) S2(g)+2H2(g) 8 4 8
③加入2.0 mol H2S的容器与加入1.0 mol H2S的容器相比,相当于加压,平衡逆移,即转化率减小,所以甲对应1.0 mol H2S分解的曲线;M、N两点容器内H2S的转化率相同,平衡时N点气体物质的量为M点的2倍,但N点温度较高,所以2p(M)(3)Q点时,H2和H2S体积分数相同,设生成S2的物质的量为a mol, 2H2S S2 + 2H2起始物质的量/mol 1 0 0转化物质的量/mol 2a a 2a平衡物质的量/mol 1-2a a 2a
方法技巧
易错防范•不失分
判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)2H2O 2H2↑+O2↑为可逆反应。( )(2)对于反应A(g)+B(g) C(g)+D(g),压强不随时间而变,说明反应已达平衡状态。( )(3)恒温恒容下进行的可逆反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),当SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等时,反应达到平衡状态。( )(4)化学平衡状态指的是反应静止了,不再发生反应了。( )
(5)对于反应A(g)+B(g) 2C(g)+D(g),当密度保持不变,在恒温恒容或恒温恒压条件下,均不能作为达到化学平衡状态的标志。( )(6)化学平衡正向移动,反应物的转化率不一定增大。( )(7)二氧化氮与四氧化二氮的平衡体系,加压后颜色加深。( )(8)平衡常数发生变化,化学平衡必定发生移动。( )(9)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。( )(10)对某一可逆反应,升高温度则化学平衡常数一定变大。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)√ (8)√ (9)√ (10)×
考点三 化学反应速率与化学 平衡的有关图像
要点归纳•再提升
1.常见基本图像[以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例,已知该反应ΔH>0,m+n>p+q](1)速率曲线图
(2)转化率曲线图
2.几种特殊的图像(1)对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),如下图甲、乙,M点之前,表示从反应物开始,v正>v逆;M点达到平衡;M点之后为平衡受温度的影响情况,即升温时A的百分含量增加、C的百分含量减少,平衡左移,故正反应的ΔH<0。
(2)对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),如上图丙,l曲线上所有的点都是平衡点。l曲线的左上方(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点时v正>v逆;则l曲线的右下方(F点)v正3.速率、平衡图像题的分析方法
经典对练•得高分
考向 利用图像综合考查反应速率和化学平衡真题示例1.(2020全国Ⅰ卷,28节选)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·mol-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(a)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 。
图(a)
(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)。
(3)研究表明,SO2催化氧化的反应速率方程为:
式中:k为反应速率常数,随温度t升高而增大;α为SO2平衡转化率,α'为某时刻SO2转化率,n为常数。在α'=0.90时,将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程,得到v~t曲线,如图(b)所示。
图(b)
曲线上v最大值所对应温度称为该α'下反应的最适宜温度tm。ttm后,v逐渐下降。原因是 。
思路点拨(1)化学平衡图像的分析。
(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 mol,则SO2、O2和N2的物质的量分别为2m mol、m mol和q mol,2m+m+q=3m+q=100,SO2的平衡转化率为α,则有下列关系:
起始量/mol 2m m 0变化量/mol 2mα mα 2mα平衡量/mol 2m(1-α) m(1-α) 2mα
平衡时气体的总物质的量为n(总)=[2m(1-α)+m(1-α)+2mα] mol+q mol,则SO3的物质的量分数为
②利用Kp定义表达式的计算。第一步,写出定义表达式。
第二步,找数据
第三步,代数计算。
(3)根据题给信息分析判断。第一步,明确要求:根据题给反应速率方程,分析不同温度范围温度的变化影响反应速率大小的原因。第二步,分析反应速率方程。
第三步,结合题设要求分析判断。分析反应速率方程式可知,此情况下,反应速率与二氧化硫平衡转化率和反应速率常数有关。二氧化硫平衡转化率:由于该反应是放热反应,升高温度,α降低,因此升高温度有使反应速率减小的倾向。反应速率常数:随温度升高而增大,因此升高温度有使反应速率增大的倾向。由此可知,当ttm,k增大对v的影响小于α降低引起的影响。
答案 (1)0.975 该反应气体分子数减少,增大压强,α提高。5.0 MPa>2.5 MPa=p2,所以p1=5.0 MPa 温度、压强和反应物的起始浓度(组成)
(3)升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。ttm后,k增大对v的提高小于α引起的降低
(2)某温度下,等物质的量的碘和环戊烯( )在刚性容器内发生反应③,起始总压为105 Pa,平衡时总压增加了20%,环戊烯的转化率为 ,该反应的平衡常数Kp= Pa。达到平衡后,欲增加环戊烯的平衡转化率,可采取的措施有 (填标号)。 A.通入惰性气体B.提高温度C.增加环戊烯浓度D.增加碘浓度
(3)环戊二烯容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应。不同温度下,溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示,下列说法正确的是 (填标号)。
A.T1>T2B.a点的反应速率小于c点的反应速率C.a点的正反应速率大于b点的逆反应速率D.b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L-1
思路点拨(1)根据盖斯定律计算目标反应的ΔH。
第三步:列式计算。ΔH3=ΔH1+ΔH2=100.3 kJ·mol-1+(-11.0 kJ·mol-1)=89.3 kJ·mol-1。
(2)根据定义式计算转化率。①假设反应前碘单质与环戊烯的物质的量均为n mol,平衡时环戊烯反应了x mol,根据题意可知:
1 mol 1 mol 1 mol 2 mol 1 molx mol 2n×20% mol
②利用“三段式法”计算压强平衡常数。
p(初)/Pa 0.5×105 0.5×105 0 0Δp/Pa 0.5× 0.5×105 0.5×105 1×105 105×40% ×40% ×40% ×40% p(平)/Pa 0.3×105 0.3×105 0.2×105 0.4×105
③根据平衡移动原理分析。第一步:确定对象。该反应为气体物质的量增大的反应。第二步:明确移动结果。环戊烯的平衡转化率增大。第三步:确定外界条件的改变。逐项分析,根据环戊烯平衡转化率增大确定外界条件的改变。
(3)根据浓度与时间图像分析判断。
答案 (1)89.3 (2)40% 3.56×104 BD (3)CD
对点演练1.(2021江苏苏锡常镇一模)甲烷还原可消除NO污染。将NO、O2、CH4混合物按一定体积比通入恒压容器中,发生如下主要反应:①CH4(g)+2NO(g)+O2(g)==N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH1<0②CH4(g)+4NO(g) ==2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)ΔH2<0③CH4(g)+2O2(g) ==CO2(g)+2H2O(g) ΔH3<0在催化剂A和B的分别作用下,NO的还原率和CH4的转化率分别和温度的关系如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.使用催化剂可增大NO的平衡转化率B.温度越高,反应②的平衡常数K越大C.由图可知,消除NO的最佳条件是580 ℃和催化剂AD.温度高于500 ℃时,体系中以反应③为主
答案 D 解析 使用催化剂,化学平衡不移动,一氧化氮的转化率不变,故A错误;反应②是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,化学平衡常数K减小,故B错误;由图可知,催化剂为A、反应温度为500 ℃时,一氧化氮的还原率最大,则消除NO的最佳条件是500 ℃和催化剂A,故C错误;由图可知,温度高于500 ℃时,一氧化氮的还原率降低,甲烷的转化率增大说明体系中以反应③为主,故D正确。
2.(2021广东名校联盟质检节选)乙酸制氢具有重要意义:热裂解反应:CH3COOH(g) ==2CO(g)+2H2(g) ΔH=+213.7 kJ·mol-1脱羧基反应:CH3COOH(g) ==CH4(g)+CO2(g) ΔH=-33.5 kJ·mol-1(1)在密闭容器中,利用乙酸制氢,选择的压强为 (填“高压”或“常压”)。其中温度与气体产率的关系如图:
①约650 ℃之前,脱羧基反应活化能低,反应速率快,很快达到平衡,故氢气产率低于甲烷;650 ℃之后氢气产率高于甲烷,理由是 。 ②保持其他条件不变,在乙酸气中掺杂一定量的水,氢气产率显著提高而CO的产率下降,请用化学方程式表示: 。 (2)保持温度为T ℃,压强为p kPa不变的条件下,在密闭容器中投入一定量的醋酸发生上述两个反应,达到平衡时热裂解反应消耗乙酸20%,脱羧基反应消耗乙酸60%,则平衡时乙酸体积分数为 (结果保留1位小数);脱羧基反应的平衡常数Kp为 kPa(结果保留1位小数)。
答案 (1)常压 ①随着温度升高,热裂解反应速率加快,同时热裂解反应正向移动,而脱羧基反应逆向移动 ②CO(g)+H2O(g) ==H2(g)+CO2(g) (2)9.1% 0.8p
解析 (1)在密闭容器中,利用乙酸制氢,CH3COOH(g) ==2CO(g)+2H2(g),该反应为气体体积增大的反应,选择的压强为常压;①热裂解反应CH3COOH(g) ==2CO(g)+2H2(g)是吸热反应,升高温度平衡正向移动,脱羧基反应CH3COOH(g) ==CH4(g)+CO2(g)是放热反应,升高温度平衡逆向移动,650 ℃之后氢气产率高于甲烷,理由是随着温度升高,热裂解反应速率加快,同时热裂解反应正向移动,而脱羧基反应逆向移动;
②CO能与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气,故在乙酸气中掺杂一定量的水,氢气产率显著提高而CO的产率下降;
(2)假设投入乙酸的物质的量为a mol,达到平衡时热裂解反应消耗乙酸20%,故热裂解反应消耗乙酸的物质的量为n(CH3COOH)=0.2a mol,乙酸热裂解反应生成的一氧化碳和氢气的物质的量为n(CO)=n(H2)=0.4a mol;脱羧基反应消耗乙酸60%,故脱羧基反应消耗乙酸的物质的量为n(CH3COOH)=0.6a mol,脱羧基反应生成的甲烷和二氧化碳的物质的量为n(CH4)=n(CO2)=0.6a mol;故乙酸的体积分数为
易错防范•不失分
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)化学平衡发生移动,速率一定改变。速率改变,化学平衡一定发生移动。( )(3)反应A(g)+3B(g) 2C(g)达平衡后,温度不变,增大压强,平衡正向移动,平衡常数K值增大。( )(4)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。( )
(5)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。( )(6)其他条件不变,使用不同催化剂,反应的平衡常数不变。( )(7)改变条件,使反应物的平衡转化率都增大,该可逆反应的平衡常数一定增大。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)√ (7)×
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(九) 化学反应原理综合题解题策略
本题型一般取材于能源、环境问题、化工生产等情景,题目围绕一个主题,将热化学、化学反应速率、电化学及化学平衡知识融合在一起进行考查,每个小题相对独立;题目中结合图像、表格、数据、装置等信息,考查考生的阅读、读图、分析归纳能力,试题的难度增加。考点主要涉及盖斯定律与热化学方程式、化学反应速率的计算及其影响因素的分析、平衡常数计算及其影响因素的分析、化学平衡移动及其影响因素的分析、电极反应方程式书写等。另外速率常数的理解与应用也是近几年高考考查的重点内容之一,应予以关注。
题型突破
1.(2021广东新高考适应卷,19)温室气体的利用是当前环境和能源领域的研究热点。Ⅰ.CH4与CO2重整可以同时利用两种温室气体,其工艺过程中涉及如下反应:
题型1 化学图表、图像等信息的提取和加工
(2)一定条件下,向体积为V L的密闭容器中通入CH4、CO2各1.0 mol及少量O2,测得不同温度下反应平衡时各产物产量如图所示。
①图中a和b分别代表产物 和 ,当温度高于900 K,H2O的产量随温度升高而下降的主要原因是 。 ②1 100 K时,CH4与CO2的转化率分别为95%和90%,反应①的平衡常数K= (写出计算式)。
Ⅱ.Ni-CeO2催化CO2加H2形成CH4的反应历程如图1所示(吸附在催化剂表面的物种用*标注),含碳产物中CH4的物质的量百分数(Y)及CO2的转化率随温度的变化如图2所示。
(3)下列对CO2甲烷化反应体系的说法合理的有 。 A.含碳副产物的产率均低于CH4B.存在反应CO2+4H2 CH4+2H2OC.存在副反应CO2+H2 CO+H2OD.CO2转化为CH4的过程中发生了能量转化E.温度高于260 ℃后,升高温度,甲烷产率几乎不变(4)CO2甲烷化的过程中,保持CO2与H2的体积比为1∶4,反应气的总流量控制在40 mL·min-1,320 ℃时测得CO2转化率为80%,则CO2反应速率为 mL·min-1。
解析Ⅰ.(1)将反应 O2(g)+H2(g)==H2O(g)标记为反应④,由盖斯定律可知,①=②+③-④,故ΔH1=ΔH2+ΔH3-ΔH=41.2 kJ·mol-1-35.6 kJ·mol-1+241.8 kJ·mol-1=+247.4 kJ·mol-1。(2)①由反应①②③可知,反应产物有CO、H2和H2O,生成的H2会在反应②中与CO2反应生成CO,CO的产量高于H2,故a曲线表示产物H2,b曲线表示产物CO;反应②是吸热反应,升高温度,平衡正向移动,H2O的产量增大,但反应 O2(g)+H2(g) ==H2O(g)为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,H2O的产量减小,故当温度高于900 K,H2O的产量随温度升高而下降的主要原因是升高温度,使反应 O2(g)+H2(g) ==H2O(g)的平衡逆向移动,H2O的含量减小。
Ⅱ.(3)由图可知,含碳产物中CH4的物质的量百分数Y≥70%,则含碳副产物的产率≤30%,故含碳副产物的产率均低于CH4,A正确;由Ni-CeO2催化CO2加H2形成CH4的反应历程图可知,存在反应CO2+4H2 CH4+2H2O,同时存在副反应CO2+H2 CO+H2O,B、C正确;化学反应均伴随着物质变化和能量变化,D正确;由题图2可知,当温度高于260 ℃后,含碳产物中CH4的物质的量百分数几乎不再变化,即甲烷产率几乎不变,E正确;
答案 (1)+247.4(2)①H2 CO 反应 O2(g)+H2(g) ==H2O(g)是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,H2O的含量减小
(3)ABCDE (4)6.4
2.(2021湖南新高考适应卷,17)氨基甲酸铵(H2NCOONH4)为尿素生产过程的中间产物,易分解。某小组对氨基甲酸铵的分解实验进行探究。已知:Ⅰ.N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH1=-92.4 kJ·mol-1Ⅱ.C(s)+O2(g) CO2(g) ΔH2=-393.8 kJ·mol-1Ⅲ.N2(g)+3H2(g)+C(s)+O2(g) H2NCOONH4(s) ΔH3=-645.7 kJ·mol-1回答下列问题:(1)写出H2NCOONH4分解生成NH3与CO2气体的热化学方程式: 。
(2)恒容条件下,实验测得数据如下表所示:
①恒温恒容时,下列能够说明该反应已达到化学平衡状态的是 (填标号)。 A.容器内总压强不再改变B.2v正(NH3)=v逆(CO2)C.c2(NH3)·c(CO2)的值不再改变D.NH3的体积分数不再改变
②某温度下,该反应平衡时容器内总压强为p,写出该反应的压强平衡常数的计算式Kp= (用平衡分压代替平衡浓度,分压=总压×物质的量分数)。 ③随着温度升高,Kp逐渐 (填“增大”“减小”或“不变”),其主要原因是 。 ④某温度下,达到平衡后,欲增加NH3的平衡浓度,可釆取的措施有 (填标号)。 A.加H2NCOONH4B.加催化剂C.减小体积,增大压强D.移走CO2
(2)①恒温恒容条件下,随着氨基甲酸铵的分解,容器内总压强不断增大,若压强不变,则反应达到平衡状态,故A正确;平衡时,NH3的正反应速率应该为CO2逆反应速率的2倍,即v正(NH3)=2v逆(CO2),故B错误;当反应达到平衡状态时,浓度商c2(NH3)·c(CO2)的值不再改变,故C正确;该反应生成的NH3和CO2的物质的量之比恒为2∶1,故NH3的体积分数一直不变,不能判断反应是否平衡,故D错误。
③根据表格中的数据,随着温度升高,p逐渐增大,则Kp逐渐增大,其主要原因是:氨基甲酸铵的分解是吸热反应,升高温度有利于反应正向进行,NH3和CO2的平衡分压均增大,压强平衡常数增大。④加入固体,不影响平衡移动,故A错误;加催化剂,不影响平衡移动,故B错误;减小体积,增大压强,容器内各气体浓度瞬间增大,平衡逆向移动,但最终达到平衡后,由于Kp不变,p(NH3)与p(CO2)之比仍然满足2∶1,则各气体浓度不变,故C错误;移走CO2,利于平衡正向移动,氨气的平衡浓度增大,故D正确。
答案 (1)H2NCOONH4(s) 2NH3(g)+CO2(g) ΔH=+159.5 kJ·mol-1
③增大 氨基甲酸铵的分解是吸热反应,升高温度有利于反应正向进行,NH3和CO2的平衡分压均增大,压强平衡常数增大 ④D(3)144.2
解题策略1.图表类分析
2.图像类分析
题型2 化学反应原理的语言表达
3.(2021辽宁新高考适应卷,18)环氧乙烷是高效消毒剂,可用于口罩等医用品消毒,工业上常用乙烯氧化法生产。
回答下列问题:(1)C2H4的燃烧热ΔH=-1 411.0 kJ·mol-1,则环氧乙烷(g)的燃烧热ΔH= 。 (2)以下既能加快反应速率又能提高环氧乙烷产率的方法有 (填标号)。 A.降低温度B.向容器中充入N2使压强增大C.采用改性的催化剂D.用空气替代氧气
反应随温度升高平衡产率降低的可能原因为 ;其他条件不变时,降低环氧乙烷与HCl的投料比,环氧乙烷的平衡转化率将 (填“增大”“减小”或“不变”)。 (4)环氧乙烷经水解可得到乙二醇。乙二醇易溶于水的原因为 ;写出乙二醇—氧气碱性燃料电池的负极电极反应式: 。
(2)降低温度会使得反应速率降低,A不选;向容器中充入N2使压强增大,若该容器的体积恒定,则该反应的反应速率不变且环氧乙烷的产率不变,B不选;改性催化剂可以增大反应速率,提高环氧乙烷的产率,C选;用空气替代氧气,氧气的浓度降低,反应速率降低,D不选。
答案 (1)-1 306.1 kJ·mol-1(2)C (3)反应的ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,导致平衡产率降低 增大(4)乙二醇分子中有2个—OH,与水分子形成氢键
解题策略
应考训练1.(2021全国甲卷,28节选)合成总反应在起始物n(H2)/n(CO2)=3时,在不同条件下达到平衡,设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH),在t=250 ℃下的x(CH3OH)~p、在p =5×105 Pa下的x(CH3OH)~t如图所示。
(1)用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数,表达式Kp= ; (2)图中对应等压过程的曲线是 ,判断的理由是 (3)当x(CH3OH)=0.10时,CO2的平衡转化率α= ,反应条件可能为 或 。
(2)b 总反应ΔH<0,升高温度时平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量分数变小(3)33.3% 5×105 Pa,210 ℃ 9×105 Pa,250 ℃
(2)在压强恒定的条件下,由于反应的ΔH<0,随着温度的升高,平衡逆向移动,甲醇的物质的量分数变小,故图中对应等压过程的曲线是b。曲线a是恒温(250 ℃)条件下x(CH3OH)随压强变化的曲线。
(3)当x(CH3OH)=0.10时,由图像可知反应条件之一是5×105 Pa,210 ℃;设反应起始时n(H2)=3 mol,n(CO2)=1 mol,生成CH3OH物质的量为y,利用“三段式”分析如下:
CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)起始 1 mol 3 mol 0 0转化 y 3y y y平衡 1 mol-y 3 mol-3y y y
由图像可以看出,当x(CH3OH)=0.10时的另一个条件是温度为250 ℃及压强为9×105 Pa。
2.(2021全国乙卷,28)一氯化碘(ICl)是一种卤素互化物,具有强氧化性,可与金属直接反应,也可用作有机合成中的碘化剂。回答下列问题:(1)历史上海藻提碘中得到一种红棕色液体,由于性质相似,Liebig误认为是ICl,从而错过了一种新元素的发现。该元素是 。 (2)氯铂酸钡(BaPtCl6)固体加热时部分分解为BaCl2、Pt和Cl2,376.8 ℃时平衡常数Kp'=1.0×104 Pa2。在一硬质玻璃烧瓶中加入过量BaPtCl6,抽真空后,通过一支管通入碘蒸气(然后将支管封闭)。在376.8 ℃,碘蒸气初始压强为20.0 kPa。376.8 ℃平衡时,测得烧瓶中压强为32.5 kPa,则pICl= kPa,反应2ICl(g)==Cl2(g)+I2(g)的平衡常数K= (列出计算式即可)。
(3)McMorris测定和计算了在136~180 ℃范围内下列反应的平衡常数Kp:
①由图可知,NOCl分解为NO和Cl2反应的ΔH 0(填“大于”或“小于”)。 ②反应2ICl(g) ==Cl2(g)+I2(g)的K= (用Kp1、Kp2表示);该反应的ΔH 0(填“大于”或“小于”),写出推理过程 。 (4)Kistiakowsky曾研究了NOCl光化学分解反应,在一定频率(ν)光的照射下机理为:NOCl+hν→NOCl*NOCl+NOCl*→2NO+Cl2其中hν表示一个光子能量,NOCl*表示NOCl的激发态。可知,分解1 mol的NOCl需要吸收 mol的光子。
解析 (1)海藻中富含氯、溴、碘元素,海藻提碘过程中得到的红棕色液体应是溴单质(Br2),故错过发现的新元素为Br。
2ICl(g) Cl2(g) + I2(g)p起始 0 32.5 kPa-20.0 kPa 20.0 kPap转化 24.8 kPa 12.5 kPa-0.1 kPa 12.4 kPap平衡 24.8 kPa 0.1 kPa 7.6 kPa
(4)将两式相加得2NOCl+hν→2NO+Cl2,即分解1 mol NOCl需要吸收0.5 mol光子。
3.(2021湖北师大附中质检)二甲醚是一种重要的化工原料,回答下列问题:
(1)已知:①C(s)+ O2(g) ==CO(g)ΔH1=-111.8 kJ·mol-1;②C(s)+H2O(g) ==CO(g)+H2(g)ΔH2=+130 kJ·mol-1;③CO(g)+2H2(g) ==CH3OH(g)ΔH3=-90.1 kJ·mol-1;
④2CH3OH(g) ==CH3OCH3(g)+H2O(g)ΔH4=-134 kJ·mol-1。则CH3OCH3(g)+ O2(g) ==2CO(g)+3H2(g) ΔH= kJ·mol-1;该反应能够自发进行所采用的有利条件是 (填“高温”“低温”或“任意温度”)。
(2)在恒温恒压条件下,化工生产上利用二甲醚与氧气为原料制备合成气,实际生产过程中常常添加一定量的水蒸气,其目的是 ;研究发现,所得平衡混合气体中H2的体积分数随 变化如图所示,试解释该曲线先变大后减小的原因 。
(4)二甲醚燃料电池常采用磺酸类质子溶剂,其工作原理如图所示,则负极的电极反应式为 ,若消耗标准状况下5.6 L O2,则理论上左右两室溶液质量变化的差为 g。
(3)0.5 2.95×108(4)CH3OCH3+3H2O-12e-==2CO2+12H+ 11.5
解析 (1)结合盖斯定律知①-②-③×2-④得CH3OCH3(g)+ O2(g) ==2CO(g)+3H2(g) ΔH=-111.8 kJ·mol-1-130 kJ·mol-1-(-90.1 kJ·mol-1)×2+134 kJ·mol-1=+72.4 kJ·mol-1;ΔH-TΔS<0的反应可自发进行,该反应为吸热、熵增的反应,高温下可自发进行;(2)因为反应是在恒温恒压条件下进行,若混合气体中增加水蒸气,则原混合体系中气体的分压会减小(相当于恒压条件下扩大容积,反应向气体体积增大的方向移动),有利于平衡正向移动,从而提升原料的转化率;根据
(3)设参加反应的二甲醚物质的量为x,根据三段式法可得:
起始量/mol 4.0 2.0 0 0转化量/mol x 0.5x 2x 3x平衡量/mol 4.0-x 2.0-0.5x 2x 3x
(4)标准状况下5.6 L O2即为0.25 mol,转移电子为1.0 mol,根据N电极反应:O2+4H++4e-==2H2O,可以得出右极室质量增加了8.0 g;根据M电极反应:CH3OCH3+3H2O-12e-==2CO2+12H+,转移1.0 mol电子时,左极室质量减少了3.5 g,则左右两室质量变化差为8.0 g+3.5 g=11.5 g。
本 课 结 束
高考总复习
第一编
2022
内容索引
考点一 外界条件对化学反应速率的影响
考点二 化学平衡 化学平衡常数及有关计算
考点三 化学反应速率与化学平衡的有关图像
专项模块 素养培优
五年高考 命题研究
考点一 外界条件对化学反应 速率的影响
要点归纳•再提升
一、化学反应速率的计算及速率常数1.化学反应速率的计算
计算时一定要注意容器或溶液的体积,不能忽视容器或溶液的体积V,盲目地把Δn当作Δc代入公式进行计算,同时还要注意单位及规范书写,还要根据要求注意计算值的处理。
2.速率常数(1)假设基元反应(能够一步完成的反应)为aA(g)+bB(g)==cC(g)+dD(g),其速率可表示为v=k·ca(A)·cb(B),式中的k称为反应速率常数或速率常数,它表示单位浓度下的化学反应速率,与浓度无关,但受温度、催化剂、固体表面性质等因素的影响,通常反应速率常数越大,反应进行得越快。不同反应有不同的速率常数。
(2)正、逆反应的速率常数与平衡常数的关系
二、正确理解化学反应速率的影响因素
1.内因——活化能相同条件下,不同化学反应的速率不同,主要是内因——活化能大小不同所致,活化能小的化学反应速率快,活化能大的化学反应速率慢。注意:反应热为正、逆反应活化能的差值。
影响反应速率的主要因素
2.外因相同的化学反应,在不同条件下,化学反应速率不同,主要原因是外因——浓度、压强、温度、催化剂、光照、接触面积等因素。(1)浓度(c):增大(减小)反应物浓度→单位体积内活化分子数目增加(减少),活化分子百分数不变→有效碰撞频率提高(降低)→化学反应速率加快(减慢)。(2)压强(p):对于气相反应来说,增大(减小)压强→相当于减小(增大)容器容积→相当于增大(减小)反应物的浓度→化学反应速率加快(减慢)。
化学反应确定后,只能通过改变外因改变反应速率
微点拨“ 惰性气体”对反应速率的影响
(3)温度(T):升高(降低)温度→活化分子百分数增大(减小)→有效碰撞频率提高(降低)→化学反应速率加快(减慢)。(4)催化剂①添加催化剂能改变反应的路径,降低反应的活化能,所以化学反应速率加快。②催化剂的选择性:对于在给定条件下反应物之间能够同时发生多个反应的情况,理想的催化剂还具有大幅度提高目标产物在最终产物中比例的作用。③酶作催化剂的特点:高效性、专一性(高选择性,一种酶只能催化一种或一类化学反应,如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽)、温和性(反应条件温和,温度升高,酶发生变性失去催化活性)。
经典对练•得高分
考向1 化学反应速率的影响因素真题示例1-1.(2021福建新高考适应卷,5)有研究认为,强碱性溶液中反应I-+ClO-==IO-+Cl-分三步进行,其中两步如下:第一步 ClO-+H2O→HOCl+OH- K1=3.3×10-10第三步 HOI+OH-→IO-+H2O K3=2.3×103下列说法错误的是( )A.反应第二步为HOCl+I-→HOI+Cl-B.由K可判断反应第三步比第一步快C.升高温度可以加快ClO-的水解D.HOCl和HOI都是弱酸
思路点拨
答案 B
1-2.(2021湖北新高考适应卷,18节选)甲烷和水蒸气催化制氢主要有如下两个反应:①CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g)ΔH=+206 kJ·mol-1②CO(g)+H2O(g) ==CO2(g)+H2(g)ΔH=-41 kJ·mol-1恒定压强为100 kPa时,将n(CH4)∶n(H2O)=1∶3的混合气体投入反应器中,平衡时,各组分的物质的量分数与温度的关系如图所示。
回答下列问题:(1)写出CH4与CO2生成H2和CO的热化学方程式: 。 (2)关于甲烷和水蒸气催化制氢反应,下列叙述正确的是 (填标号)。 A.恒温、恒容条件下,加入惰性气体,压强增大,反应速率加快B.恒温、恒容条件下,加入水蒸气,活化分子百分数增大,反应速率加快C.升高温度,活化分子百分数增大,有效碰撞频率增大,反应速率加快D.加入合适的催化剂,降低反应温度也能实现单位时间内转化率不变
答案 (1)CH4(g)+CO2(g) ==2CO(g)+2H2(g) ΔH=+247 kJ·mol-1 (2)C
解析 (1)①CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g) ΔH=+206 kJ·mol-1②CO(g)+H2O(g) ==CO2(g)+H2(g) ΔH=-41 kJ·mol-1根据盖斯定律,①-②,ΔH=+206 kJ·mol-1+41 kJ·mol-1=+247 kJ·mol-1,得到CH4与CO2生成H2和CO的热化学方程式:CH4(g)+CO2(g) ==2CO(g)+2H2(g)ΔH=+247 kJ·mol-1;
(2)由反应CH4(g)+H2O(g) ==CO(g)+3H2(g) ΔH=+206 kJ·mol-1,恒温、恒容条件下,加入惰性气体,总压强增大,各物质的分压不变,各气体的浓度不变,化学反应速率不变,故A不符合题意;恒温、恒容条件下,加入水蒸气,活化分子百分数不变,单位体积活化分子数增加,有效碰撞几率增大,反应速率加快,故B不符合题意;升高温度,活化分子百分数增大,有效碰撞频率增大,反应速率加快,故C符合题意;加入合适的催化剂,缩短达到平衡的时间,但不影响平衡的移动,单位时间内气体的转化率改变;降低反应温度,平衡发生移动,单位时间内气体的转化率改变,故D不符合题意;答案选C。
对点演练1-1.(2021湖北八市一模)我国科研人员在银催化简单烷烃的区域选择性方面的研究取得了重大突破。一种烷烃( )C—H键的选择性插入反应进程如图所示。下列说法错误的是( )
A.升高温度三个反应的速率均加快B.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种物质中,最稳定的是ⅠC.总反应速率取决于由中间体1生成中间体2的一步D.催化剂对化学反应具有选择性,生成不同产物的同时改变了反应的焓变
答案 D 解析 升高温度使反应速率加快,A项正确;物质能量越低越稳定,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种物质中,最稳定的是Ⅰ,B项正确;化学反应的速率取决于反应进程中最慢的反应,中间体1生成中间体2的反应为吸热反应,且活化能最高,决定了总反应速率,C项正确;催化剂具有选择性,只影响化学反应速率,但不改变反应的焓变,D项错误。
1-2.资料显示:自催化作用是指反应产物之一使该反应速率加快的作用。用稀硫酸酸化的KMnO4进行下列三组实验,一段时间后溶液均褪色(0.01 mol·L-1可以记做0.01M)。
下列说法不正确的是( )A.实验①中发生氧化还原反应,H2C2O4是还原剂,产物MnSO4能起自催化作用B.实验②褪色比①快,是因为MnSO4的催化作用加快了反应速率C.实验③褪色比①快,是因为Cl-的催化作用加快了反应速率D.若用1 mL 0.2 M的H2C2O4溶液做实验①,推测比实验①褪色快
答案 C 解析 根据化合价的变化可知,H2C2O4是还原剂,KMnO4是氧化剂,对比实验①和②可知,MnSO4对反应起催化作用,所以产物MnSO4能起自催化作用,故A、B项正确;实验③加入了稀盐酸之后,Cl-能与KMnO4发生氧化还原反应,所以褪色比①快,Cl-是还原剂而不是催化剂,故C错误;由于浓度会影响反应速率,所以增大H2C2O4溶液的浓度可以加快反应速率,故D正确。
考向2 化学反应速率的计算真题示例
计算曲线a的反应在30~90 min内的平均速率 (a)= kPa·min-1。
思路点拨根据定义式计算反应速率
答案 0.004 7
2-2.(2021河北卷,13)室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+N==X+Y;②M+N==X+Z。反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图。下列说法错误的是( )
A.0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3 mol·L-1·min-1B.反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变C.如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为ZD.反应①的活化能比反应②的活化能大
答案 A
解析 考查化学反应速率的计算、转化率的计算、化学反应速率与活化能的关系等。反应①和②为竞争反应,由速率方程式可知,两个反应差异在速率常数的大小。图中显示,0~30 min内Δc(Z)=0.125 mol·L-1,Δc(M)=0.5 mol·L-1-0.3 mol·L-1=0.2 mol·L-1,Δc2(M)=Δc(Z)=0.125 mol·L-1,Δc(Y)=Δc1(M)=0.2 mol·L-1-0.125 mol·L-1=0.075 mol·L-1,v(Y)=0.075 mol·L-1÷30 min=0.002 5 mol·L-1·min-1,A项错误;由速率方程可知,
对点演练2-1.(2021广东潮州二模)温度为T时,向2.0 L恒容密闭容器中充入1.0 mol PCl5,发生反应:PCl5(g) PCl3(g)+Cl2(g) ΔH=a kJ·mol-1(a>0)。0~10 min保持容器温度不变,10 min时改变一种条件,整个过程中PCl5、PCl3、Cl2的物质的量随时间的变化如图所示。
下列说法正确的是( )A.0~4 min的平均速率v(PCl3)=0.025 mol·L-1·min-1B.10 min时改变的条件是增加了一定量的PCl5C.若起始时向该容器中充入2.0 mol PCl3和2.0 mol Cl2,保持温度为T,反应达平衡时放出的热量小于1.6a kJD.温度为T,起始时向该容器中充入1.0 mol PCl5、0.10 mol PCl3和0.10 mol Cl2,反应达到平衡前v正
2-2.(2021浙江卷)取50 mL过氧化氢水溶液,在少量I-存在下分解:2H2O2==2H2O+O2↑。在一定温度下,测得O2的放出量,转换成H2O2的浓度(c)如下表:
下列说法不正确的是( )A.反应20 min时,测得O2体积为224 mL(标准状况)B.20~40 min,消耗H2O2的平均速率为0.010 mol·L-1·min-1C.第30 min时的瞬时速率小于第50 min时的瞬时速率D.H2O2分解酶或Fe2O3代替I-也可以催化H2O2分解
答案 C
解析 反应20 min时,过氧化氢的浓度变为0.4 mol·L-1,说明分解的过氧化氢的物质的量n(H2O2)=(0.80-0.40) mol·L-1×0.05 L=0.02 mol,过氧化氢分解生成的氧气的物质的量n(O2)=0.01 mol,标准状况下的体积V=n·Vm=0.01 mol×22.4 L·mol-1=0.224 L=224 mL,A项正确;20~40 min,消耗过氧化氢的浓度为(0.40-0.20) mol·L-1=0.20 mol·L-1,则这段时间内的平均速率
=0.010 mol·L-1·min-1,B项正确;随着反应的不断进行,过氧化氢的浓度不断减小,某一时刻分解的过氧化氢的量也不断减小,故第30 min时的瞬时速率大于第50 min时的瞬时速率,C项错误;I-在反应中起到催化的作用,故也可以利用过氧化氢分解酶或Fe2O3代替,D项正确。
考向3 “控制变量”思想在探究影响化学反应速率因素中的应用真题示例3.(双选)(2021河北新高考适应卷,15)一定条件下,反应H2(g)+Br2(g) ==2HBr(g)的速率方程为v=kcα(H2)cβ(Br2)cγ(HBr),某温度下,该反应在不同浓度下的反应速率如下:
根据表中的测定结果,下列结论错误的是( )A.表中c的值为4B.α、β、γ的值分别为1、2、-1C.反应体系的三种物质中,Br2(g)的浓度对反应速率影响最大D.在反应体系中保持其他物质浓度不变,增大HBr(g)浓度,会使反应速率降低
思路点拨
答案 AB
对点演练3-1.(2021河北石家庄二十七中月考)碘在科研与生活中有重要应用。某兴趣小组用0.20 mol·L-1 KI溶液、0.2%淀粉溶液、0.20 mol·L-1 (NH4)2S2O8溶液、0.10 mol·L-1 Na2S2O3溶液等试剂,探究反应条件对化学反应速率的影响。
结合表中数据判断下列说法错误的是( )A.a=5,b=5
答案 B
3-2.(2021珠海一中高三月考)某小组探究实验条件对反应速率的影响,设计如下实验,并记录结果如下:
下列说法正确的是( )A.由实验①②可知,反应速率v与c(I-)成正比B.实验①~④中,应将H2SO4溶液与淀粉溶液先混合C.在I-被O2氧化过程中,H+只是降低活化能D.由实验③④可知,温度越高,反应速率越慢
答案 A
解析 实验①②中其他条件相同,c(I-):①<②,且反应速率:①<②,所以反应速率v与c(I-)成正比,A正确;实验①~④中,应将KI溶液与淀粉溶液先混合,再加入H2SO4溶液,在酸性条件下发生氧化还原反应生成碘单质,测定溶液变色的时间,B错误;在I-被O2氧化过程中,H+除了作为催化剂降低活化能,还作为反应物参加反应,C错误;由实验①③④可知温度越高,反应速率越快,当温度升高到一定程度时,生成的碘单质能被氧气继续氧化,所以④未见蓝色, D错误。
易错防范•不失分
判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)对于任何化学反应来说,反应速率越大,反应现象就越明显。( )(2)化学反应速率为0.8 mol·L-1·s-1是指1 s时某物质的浓度为0.8 mol·L-1。( )(3)由v= 计算平均速率,用反应物表示时为正值,用生成物表示时为负值。( )(4)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的反应速率,其数值可能不同,但表示的意义相同。( )
(5)对于反应:2H2O2==2H2O+O2↑,加入MnO2或降低温度都能加快O2的生成速率。( )(6)由于固体浓度为一常数,所以块状CaCO3与粉末状CaCO3与等浓度的盐酸反应速率一样快。( )(7)100 mL 2 mol·L-1的盐酸跟锌片反应,加入适量的氯化钠溶液,反应速率不变。( )(8)FeCl3和MnO2均可加快H2O2分解,同等条件下二者对H2O2分解速率的改变相同。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)×
考点二 化学平衡 化学平衡 常数及有关计算
要点归纳•再提升
1.化学平衡状态的标志(1)绝对标志
(2)相对标志①有气体参加的反应,气体的总压强、总体积、总物质的量不变时,如果是等体积反应时,不一定达到平衡;如果是不等体积反应时,一定达到平衡。
不变时,要具体分析各表达式中的分子或分母的变化情况,判断是否平衡。③如果反应体系中的物质有颜色,则反应体系的颜色不变时,一定达到平衡。
2.“惰性气体(对反应无关的气体)”对化学平衡的影响(1)恒温恒容时:充入惰性气体,体系的总压强增大,但各反应成分的浓度不变,即各反应气体的分压不变,平衡不移动。(2)恒温恒压时:充入惰性气体,容器容积增大,各反应气体的浓度降低,相当于减压,化学平衡向着气体体积增大的方向移动。
实质是压强的改变导致气体的浓度改变
3.分析化学平衡移动的一般思路
4.化学平衡计算的基本模式——“三段式”根据反应进行(或平衡移动)的方向,设出某反应物消耗的量,然后列式求解。例如: mA + nB pC + qD起始量: a b 0 0变化量: mx nx px qx平衡量 : a-mx b-nx px qx其中:①各物质的变化量之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比。②这里a、b可指物质的量、浓度、气体体积等。
注意:(1)弄清起始量、平衡量、平衡转化率三者之间的互换关系。反应起始时,反应物和生成物可能同时存在。(2)由于起始浓度是人为控制的,故不同的物质起始浓度比不一定等于化学计量数之比。若反应物起始浓度之比等于化学计量数之比,则隐含着各反应物转化率相等,且平衡时各反应物的浓度之比等于化学计量数之比。(3)起始浓度之比、平衡浓度之比不一定等于化学计量数之比,但物质之间是按化学计量数之比反应和生成的,故各物质的浓度变化之比一定等于化学计量数之比,这是计算的关键。在计算平衡常数时,要注意反应物或生成物的状态。
经典对练•得高分
考向1 化学平衡状态的判断真题示例1.(2020浙江卷,29节选)研究NOx之间的转化具有重要意义。已知:N2O4(g) 2NO2(g) ΔH>0将一定量N2O4气体充入恒容的密闭容器中,控制反应温度为T1。下列可以作为反应达到平衡的判据是 。 A.气体的压强不变 B.v正(N2O4)=2v逆(NO2)C.K不变 D.容器内气体的密度不变E.容器内颜色不变
思路点拨
答案 AE
对点演练1-1.(2021广东佛山质检节选)向体积为1 L的恒容密闭容器中充入1 mol CH4和2 mol H2S,发生如下反应:CH4(g)+2H2S(g) CS2(g)+4H2(g),测得不同温度下,CH4的平衡转化率与温度的关系如图所示:
(1)1 200 ℃时,该反应的平衡常数K= (列出计算式即可); (2)下列情况能说明反应达到平衡状态的是 (填字母)。 A.4v(CH4)=v(H2)B.混合气体的压强保持不变C.混合气体的平均摩尔质量保持不变D.n(CH4)∶n(H2S)∶n(CS2)∶n(H2)=1∶2∶1∶4
解析 (1)由图可知,1 200 ℃时甲烷的平衡转化率为80%,平衡时甲烷的浓度为(1 mol·L-1-1 mol·L-1×80%)=0.2 mol·L-1,由方程式可知,硫化氢的浓度为(2 mol·L-1-0.8 mol·L-1×2)=0.4 mol·L-1、二硫化碳的浓度为0.8 mol·L-1、氢气的浓度为0.8 mol·L-1×4=3.2 mol·L-1,则化学平衡常数
(2)A.4v(CH4)=v(H2)不能说明正、逆反应速率相等,无法判断反应是否达到平衡状态,故错误;B.该反应是气体体积增大的反应,恒容密闭容器,随反应进行,混合气体的压强增大,则混合气体的压强保持不变说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故正确;C.由质量守恒定律可知,反应前后气体的质量不变,该反应是气体物质的量增大的反应,反应中混合气体的平均摩尔质量减小,则混合气体的平均摩尔质量保持不变说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故正确;D.n(CH4)∶n(H2S)∶n(CS2)∶n(H2)=1∶2∶1∶4不能说明正、逆反应速率相等,无法判断反应是否达到平衡状态,故错误。
1-2.(2021福建龙岩一模节选)利用CO2可合成烷烃、烯烃、醇等一系列重要化工原料。回答下列有关问题:制备甲烷:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-252.9 kJ·mol-1
该反应的ΔG(ΔG=ΔH-TΔS)与温度的关系如图所示。
(1)要使该反应能顺利发生,理论上温度不高于 。 (2)在恒温、恒容容器中进行该反应,下列不能说明反应达到平衡状态的是 。 A.CO2和H2的转化率之比不再变化B.混合气体的平均摩尔质量不再变化C.容器内的压强不再变化D.v正(H2)=4v正(CH4)
答案 (1)597 ℃ (2)AD
解析 (1)ΔG(ΔG=ΔH-TΔS)<0,反应能自发进行,由图可知,理论上温度不高于597 ℃;(2)A.CO2和H2的转化率之比与投料比有关,不能判定是否达到平衡状态;B.反应前后气体的质量不变,物质的量发生改变,混合气体的平均摩尔质量不再变化,说明反应达到平衡状态;C.反应前后气体的物质的量发生改变,则压强发生改变,故容器内压强不变时反应达到平衡状态;D.正、逆反应速率相等时,反应达到平衡,v正(H2)=4v正(CH4)没有涉及逆反应,故不能说明反应达到平衡状态。
考向2 外界条件对化学平衡的影响真题示例2-1.(2021辽宁新高考适应,7)某温度下,在一恒容密闭容器中进行如下两个反应并达到平衡:①2X(g)+Y(g) Z(s)+2Q(g) ΔH1<0②M(g)+N(g) R(g)+Q(g) ΔH2>0下列叙述错误的是( )A.加入适量Z,①和②平衡均不移动B.通入稀有气体Ar,①平衡正向移动C.降温时无法判断Q浓度的增减D.通入Y,则N的浓度增大
思路点拨
答案 B
2-2.(2021湖南卷,11)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 mol A和3 mol 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CC.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ)>φ(Ⅰ)D.平衡常数K:K(Ⅱ)
解析 本题考查化学平衡的移动原理。恒温恒容条件下进行反应,该反应前后气体分子数不变,所以容器内的气体压强始终保持不变,A项错误;t2时,正反应速率在平衡状态Ⅰ的基础上逐渐增大,则说明为增大产物C的浓度导致的,B项正确;根据勒夏特列原理,该平衡只能是向“减弱”改变的方向移动,最终平衡时A的体积分数应减小,C项错误;平衡常数只与温度有关,温度不变,故平衡常数不变,D项错误。
对点演练2-1.(2021湖南株洲调研)已知:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)ΔH=-m kJ·mol-1。在2 L密闭容器中通入3 mol H2和1 mol N2,测得不同温度下,NH3的产率随时间的变化如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.ΔH>0,T2>T1B.达到平衡时,T1温度对应反应放出的热量为m kJC.平衡时,通入氩气平衡正向移动D.平衡常数Ka
解析 根据“先拐先平数值大”知,T1
①T ℃时,该反应的平衡常数为 (保留至小数点后两位)。 ②在10 min时,若只改变某一条件使平衡发生移动,20 min时重新达到平衡,则改变的条件是 。
(2)NO2存在如下平衡:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0,在一定条件下NO2与N2O4的消耗速率与各自的分压(分压=总压×物质的量分数)有如下关系:v(NO2)=k1·p2(NO2),v(N2O4)=k2·p(N2O4),相应的速率与其分压关系如图所示。一定温度下,k1、k2与平衡常数Kp(压力平衡常数,用平衡分压代替平衡浓度计算)间的关系是k1= ;在图中标出的点中,能表示反应达到平衡状态的点是 。
答案 (1)①0.56 ②分离出了二氧化碳(2)2k2·Kp B、D
②根据表中数值知,NO、CO2的浓度减小,N2的浓度增大,说明改变的条件是分离出了CO2;
考向3 化学平衡常数的计算与应用真题示例3-1.(2020山东卷,18节选)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)一定条件下,向体积为V L的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a mol,CO为b mol,此时H2O(g)的浓度为 mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为 。 (2)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 。 (3)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 (填标号)。 A.低温、高压 B.高温、低压C.低温、低压 D.高温、高压
思路点拨
(1)物质的量浓度的计算——根据化学方程式计算。设反应Ⅰ生成CH3OH物质的量为x mol;反应Ⅲ生成CO物质的量为y mol。
反应Ⅰ: CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)转化/mol x 3x x x反应Ⅱ: CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)转化/mol a-x 2a-2x a-x反应Ⅲ: CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)转化/mol y y y y
根据题意有n(CO)=[y-(a-x)] mol=b mol,则x+y=a+b。
平衡常数的计算——利用定义表达式计算。
(2)图像的判断和分析。
①图像的含义:根据盖斯定律可知Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,则ΔH3=+40.9 kJ·mol-1,反应Ⅲ为吸热反应。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。
(3)外界条件对化学平衡的影响。根据图甲、图乙可知,温度越低,CO2的平衡转化率越大,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。
(2)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(3)A
3-2.(2020全国Ⅲ卷,28)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)= 。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4) (填 “变大”“变小”或“不变”)。 (2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。
图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是 、 。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH (填“大于”或“小于”)0。
(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp= (MPa)-3(列出计算式。 以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。 (4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当 。
思路点拨(1)①陌生化学方程式的书写
2CO2+6H2 CH2=CH2+4H2O根据化学方程式可知,该反应中产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)=1∶4。②外界条件对平衡的影响第一步,分析化学反应的特点。该反应的反应物和生成物均为气态,且反应物的化学计量数之和大于生成物的化学计量数之和。第二步,得出增大压强导致n(C2H4)的变化。增大压强,化学平衡向正反应方向移动,n(C2H4)变大。
(2)①化学平衡图像的分析390 ℃时,a、c曲线所表示物质的物质的量比约为3∶1;b、d曲线所表示的物质的物质的量比约为4∶1,由此可知,a、b、c、d曲线所表示的物质分别为H2、H2O、CO2、C2H4。②外界条件对平衡的影响由题给图像可知,随着温度的升高,a、c所表示的H2和CO2物质的量逐渐增大,说明平衡逆向移动,因此该反应是放热反应,即ΔH小于0。
(3)Kp的计算——利用定义表达式的计算第一步,写出定义表达式
第二步,找数据
第三步,代数计算
(4)反应条件的选择
结论:为了同时提高反应速率和乙烯的选择性,应当选择合适的催化剂。
答案 (1)1∶4 变大 (2)d c 小于
(4)选择合适催化剂等
对点演练3-1.(2021广东六校三模)H2S分解反应:2H2S(g) 2H2(g)+S2(g)在无催化剂及Al2O3催化下,恒容密闭容器中只充入H2S,在反应器中不同温度时反应,每间隔相同时间测定一次H2S的转化率,其转化率与温度的关系如图所示:
下列说法错误的是( )A.该反应的ΔH>0B.由图可知,1 100 ℃时Al2O3几乎失去催化活性C.不加催化剂时,温度越高,反应速率越快,达到平衡的时间越短D.A点达到平衡时,若此时气体总压强为p,则平衡常数Kp=0.25p
答案 D
解析 由图可知,升高温度,H2S的转化率增大,说明升高温度,平衡向正反应方向移动,正反应为吸热反应,ΔH>0,A项正确;1 100 ℃,有催化剂和无催化剂时,H2S的转化率相等,表明Al2O3几乎失去催化活性,B项正确;不加催化剂时,温度越高,反应速率越快,达到平衡的时间越短,C项正确;A点达到平衡时,H2S的转化率为50%,设加入的H2S的物质的量为x,列出三段式: 2H2S(g) 2H2(g)+S2(g)起始 x 0 0转化 0.5x 0.5x 0.25x平衡 0.5x 0.5x 0.25x
3-2.(2021河南六市二模节选)H2S广泛存在于天然气等燃气及废水中,热分解或氧化H2S有利于环境保护并回收硫资源。回答下列问题:(1)用氯气除去废水中H2S的反应为Cl2(aq)+H2S(aq) S(s)+2HCl(aq),该反应的正、逆反应速率表达式分别为v正=k正×c(Cl2)×c(H2S),v逆=k逆×c2(HCl),(k正、k逆分别为正、逆反应的反应速率常数,只与温度有关),化学平衡常数K与k正、k逆的关系是 。
(2)H2S可用于高效制取氢气,发生的反应为2H2S(g) S2(g)+2H2(g)。若起始时容器中只有H2S,平衡时三种物质的物质的量与裂解温度的关系如图1所示:
①A、B两点化学平衡常数较大的是 (填“KA”或“KB”)。 ②A点时S2的体积分数是 。 ③若在两个等体积的恒容容器中分别加入2.0 mol H2S、1.0 mol H2S,测得不同温度下H2S的平衡转化率如图2所示。代表1.0 mol H2S分解的曲线是 (填“甲”或“乙”);M、N两点容器内的压强:p(N) 2p(M)(填“大于”或“小于”)。
(3)某科研团队进行了H2S热分解实验:2H2S(g)==2H2(g)+S2(g),开始时,当1 mol H2S与23.75 mol Ar混合,在101 kPa及不同温度下反应达平衡时H2、H2S及S2(g)的体积分数如图3所示, 该反应在Q点对应温度下的平衡常数Kp= kPa(Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数,结果保留小数点后两位)。
(2)①升高温度,平衡时生成物的物质的量增大,所以促进平衡正向移动,即该反应为吸热反应,KB>KA;②由于生成物n(H2)∶n(S2)=2∶1,所以曲线n对应的是H2的物质的量,曲线m对应的是H2S的物质的量,
2H2S(g) S2(g)+2H2(g) 8 4 8
③加入2.0 mol H2S的容器与加入1.0 mol H2S的容器相比,相当于加压,平衡逆移,即转化率减小,所以甲对应1.0 mol H2S分解的曲线;M、N两点容器内H2S的转化率相同,平衡时N点气体物质的量为M点的2倍,但N点温度较高,所以2p(M)
方法技巧
易错防范•不失分
判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)2H2O 2H2↑+O2↑为可逆反应。( )(2)对于反应A(g)+B(g) C(g)+D(g),压强不随时间而变,说明反应已达平衡状态。( )(3)恒温恒容下进行的可逆反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),当SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等时,反应达到平衡状态。( )(4)化学平衡状态指的是反应静止了,不再发生反应了。( )
(5)对于反应A(g)+B(g) 2C(g)+D(g),当密度保持不变,在恒温恒容或恒温恒压条件下,均不能作为达到化学平衡状态的标志。( )(6)化学平衡正向移动,反应物的转化率不一定增大。( )(7)二氧化氮与四氧化二氮的平衡体系,加压后颜色加深。( )(8)平衡常数发生变化,化学平衡必定发生移动。( )(9)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。( )(10)对某一可逆反应,升高温度则化学平衡常数一定变大。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)√ (8)√ (9)√ (10)×
考点三 化学反应速率与化学 平衡的有关图像
要点归纳•再提升
1.常见基本图像[以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例,已知该反应ΔH>0,m+n>p+q](1)速率曲线图
(2)转化率曲线图
2.几种特殊的图像(1)对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),如下图甲、乙,M点之前,表示从反应物开始,v正>v逆;M点达到平衡;M点之后为平衡受温度的影响情况,即升温时A的百分含量增加、C的百分含量减少,平衡左移,故正反应的ΔH<0。
(2)对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),如上图丙,l曲线上所有的点都是平衡点。l曲线的左上方(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点时v正>v逆;则l曲线的右下方(F点)v正
经典对练•得高分
考向 利用图像综合考查反应速率和化学平衡真题示例1.(2020全国Ⅰ卷,28节选)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·mol-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(a)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 。
图(a)
(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)。
(3)研究表明,SO2催化氧化的反应速率方程为:
式中:k为反应速率常数,随温度t升高而增大;α为SO2平衡转化率,α'为某时刻SO2转化率,n为常数。在α'=0.90时,将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程,得到v~t曲线,如图(b)所示。
图(b)
曲线上v最大值所对应温度称为该α'下反应的最适宜温度tm。t
思路点拨(1)化学平衡图像的分析。
(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 mol,则SO2、O2和N2的物质的量分别为2m mol、m mol和q mol,2m+m+q=3m+q=100,SO2的平衡转化率为α,则有下列关系:
起始量/mol 2m m 0变化量/mol 2mα mα 2mα平衡量/mol 2m(1-α) m(1-α) 2mα
平衡时气体的总物质的量为n(总)=[2m(1-α)+m(1-α)+2mα] mol+q mol,则SO3的物质的量分数为
②利用Kp定义表达式的计算。第一步,写出定义表达式。
第二步,找数据
第三步,代数计算。
(3)根据题给信息分析判断。第一步,明确要求:根据题给反应速率方程,分析不同温度范围温度的变化影响反应速率大小的原因。第二步,分析反应速率方程。
第三步,结合题设要求分析判断。分析反应速率方程式可知,此情况下,反应速率与二氧化硫平衡转化率和反应速率常数有关。二氧化硫平衡转化率:由于该反应是放热反应,升高温度,α降低,因此升高温度有使反应速率减小的倾向。反应速率常数:随温度升高而增大,因此升高温度有使反应速率增大的倾向。由此可知,当t
答案 (1)0.975 该反应气体分子数减少,增大压强,α提高。5.0 MPa>2.5 MPa=p2,所以p1=5.0 MPa 温度、压强和反应物的起始浓度(组成)
(3)升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。t
(2)某温度下,等物质的量的碘和环戊烯( )在刚性容器内发生反应③,起始总压为105 Pa,平衡时总压增加了20%,环戊烯的转化率为 ,该反应的平衡常数Kp= Pa。达到平衡后,欲增加环戊烯的平衡转化率,可采取的措施有 (填标号)。 A.通入惰性气体B.提高温度C.增加环戊烯浓度D.增加碘浓度
(3)环戊二烯容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应。不同温度下,溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示,下列说法正确的是 (填标号)。
A.T1>T2B.a点的反应速率小于c点的反应速率C.a点的正反应速率大于b点的逆反应速率D.b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L-1
思路点拨(1)根据盖斯定律计算目标反应的ΔH。
第三步:列式计算。ΔH3=ΔH1+ΔH2=100.3 kJ·mol-1+(-11.0 kJ·mol-1)=89.3 kJ·mol-1。
(2)根据定义式计算转化率。①假设反应前碘单质与环戊烯的物质的量均为n mol,平衡时环戊烯反应了x mol,根据题意可知:
1 mol 1 mol 1 mol 2 mol 1 molx mol 2n×20% mol
②利用“三段式法”计算压强平衡常数。
p(初)/Pa 0.5×105 0.5×105 0 0Δp/Pa 0.5× 0.5×105 0.5×105 1×105 105×40% ×40% ×40% ×40% p(平)/Pa 0.3×105 0.3×105 0.2×105 0.4×105
③根据平衡移动原理分析。第一步:确定对象。该反应为气体物质的量增大的反应。第二步:明确移动结果。环戊烯的平衡转化率增大。第三步:确定外界条件的改变。逐项分析,根据环戊烯平衡转化率增大确定外界条件的改变。
(3)根据浓度与时间图像分析判断。
答案 (1)89.3 (2)40% 3.56×104 BD (3)CD
对点演练1.(2021江苏苏锡常镇一模)甲烷还原可消除NO污染。将NO、O2、CH4混合物按一定体积比通入恒压容器中,发生如下主要反应:①CH4(g)+2NO(g)+O2(g)==N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH1<0②CH4(g)+4NO(g) ==2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)ΔH2<0③CH4(g)+2O2(g) ==CO2(g)+2H2O(g) ΔH3<0在催化剂A和B的分别作用下,NO的还原率和CH4的转化率分别和温度的关系如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.使用催化剂可增大NO的平衡转化率B.温度越高,反应②的平衡常数K越大C.由图可知,消除NO的最佳条件是580 ℃和催化剂AD.温度高于500 ℃时,体系中以反应③为主
答案 D 解析 使用催化剂,化学平衡不移动,一氧化氮的转化率不变,故A错误;反应②是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,化学平衡常数K减小,故B错误;由图可知,催化剂为A、反应温度为500 ℃时,一氧化氮的还原率最大,则消除NO的最佳条件是500 ℃和催化剂A,故C错误;由图可知,温度高于500 ℃时,一氧化氮的还原率降低,甲烷的转化率增大说明体系中以反应③为主,故D正确。
2.(2021广东名校联盟质检节选)乙酸制氢具有重要意义:热裂解反应:CH3COOH(g) ==2CO(g)+2H2(g) ΔH=+213.7 kJ·mol-1脱羧基反应:CH3COOH(g) ==CH4(g)+CO2(g) ΔH=-33.5 kJ·mol-1(1)在密闭容器中,利用乙酸制氢,选择的压强为 (填“高压”或“常压”)。其中温度与气体产率的关系如图:
①约650 ℃之前,脱羧基反应活化能低,反应速率快,很快达到平衡,故氢气产率低于甲烷;650 ℃之后氢气产率高于甲烷,理由是 。 ②保持其他条件不变,在乙酸气中掺杂一定量的水,氢气产率显著提高而CO的产率下降,请用化学方程式表示: 。 (2)保持温度为T ℃,压强为p kPa不变的条件下,在密闭容器中投入一定量的醋酸发生上述两个反应,达到平衡时热裂解反应消耗乙酸20%,脱羧基反应消耗乙酸60%,则平衡时乙酸体积分数为 (结果保留1位小数);脱羧基反应的平衡常数Kp为 kPa(结果保留1位小数)。
答案 (1)常压 ①随着温度升高,热裂解反应速率加快,同时热裂解反应正向移动,而脱羧基反应逆向移动 ②CO(g)+H2O(g) ==H2(g)+CO2(g) (2)9.1% 0.8p
解析 (1)在密闭容器中,利用乙酸制氢,CH3COOH(g) ==2CO(g)+2H2(g),该反应为气体体积增大的反应,选择的压强为常压;①热裂解反应CH3COOH(g) ==2CO(g)+2H2(g)是吸热反应,升高温度平衡正向移动,脱羧基反应CH3COOH(g) ==CH4(g)+CO2(g)是放热反应,升高温度平衡逆向移动,650 ℃之后氢气产率高于甲烷,理由是随着温度升高,热裂解反应速率加快,同时热裂解反应正向移动,而脱羧基反应逆向移动;
②CO能与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气,故在乙酸气中掺杂一定量的水,氢气产率显著提高而CO的产率下降;
(2)假设投入乙酸的物质的量为a mol,达到平衡时热裂解反应消耗乙酸20%,故热裂解反应消耗乙酸的物质的量为n(CH3COOH)=0.2a mol,乙酸热裂解反应生成的一氧化碳和氢气的物质的量为n(CO)=n(H2)=0.4a mol;脱羧基反应消耗乙酸60%,故脱羧基反应消耗乙酸的物质的量为n(CH3COOH)=0.6a mol,脱羧基反应生成的甲烷和二氧化碳的物质的量为n(CH4)=n(CO2)=0.6a mol;故乙酸的体积分数为
易错防范•不失分
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)化学平衡发生移动,速率一定改变。速率改变,化学平衡一定发生移动。( )(3)反应A(g)+3B(g) 2C(g)达平衡后,温度不变,增大压强,平衡正向移动,平衡常数K值增大。( )(4)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。( )
(5)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。( )(6)其他条件不变,使用不同催化剂,反应的平衡常数不变。( )(7)改变条件,使反应物的平衡转化率都增大,该可逆反应的平衡常数一定增大。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)√ (7)×
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(九) 化学反应原理综合题解题策略
本题型一般取材于能源、环境问题、化工生产等情景,题目围绕一个主题,将热化学、化学反应速率、电化学及化学平衡知识融合在一起进行考查,每个小题相对独立;题目中结合图像、表格、数据、装置等信息,考查考生的阅读、读图、分析归纳能力,试题的难度增加。考点主要涉及盖斯定律与热化学方程式、化学反应速率的计算及其影响因素的分析、平衡常数计算及其影响因素的分析、化学平衡移动及其影响因素的分析、电极反应方程式书写等。另外速率常数的理解与应用也是近几年高考考查的重点内容之一,应予以关注。
题型突破
1.(2021广东新高考适应卷,19)温室气体的利用是当前环境和能源领域的研究热点。Ⅰ.CH4与CO2重整可以同时利用两种温室气体,其工艺过程中涉及如下反应:
题型1 化学图表、图像等信息的提取和加工
(2)一定条件下,向体积为V L的密闭容器中通入CH4、CO2各1.0 mol及少量O2,测得不同温度下反应平衡时各产物产量如图所示。
①图中a和b分别代表产物 和 ,当温度高于900 K,H2O的产量随温度升高而下降的主要原因是 。 ②1 100 K时,CH4与CO2的转化率分别为95%和90%,反应①的平衡常数K= (写出计算式)。
Ⅱ.Ni-CeO2催化CO2加H2形成CH4的反应历程如图1所示(吸附在催化剂表面的物种用*标注),含碳产物中CH4的物质的量百分数(Y)及CO2的转化率随温度的变化如图2所示。
(3)下列对CO2甲烷化反应体系的说法合理的有 。 A.含碳副产物的产率均低于CH4B.存在反应CO2+4H2 CH4+2H2OC.存在副反应CO2+H2 CO+H2OD.CO2转化为CH4的过程中发生了能量转化E.温度高于260 ℃后,升高温度,甲烷产率几乎不变(4)CO2甲烷化的过程中,保持CO2与H2的体积比为1∶4,反应气的总流量控制在40 mL·min-1,320 ℃时测得CO2转化率为80%,则CO2反应速率为 mL·min-1。
解析Ⅰ.(1)将反应 O2(g)+H2(g)==H2O(g)标记为反应④,由盖斯定律可知,①=②+③-④,故ΔH1=ΔH2+ΔH3-ΔH=41.2 kJ·mol-1-35.6 kJ·mol-1+241.8 kJ·mol-1=+247.4 kJ·mol-1。(2)①由反应①②③可知,反应产物有CO、H2和H2O,生成的H2会在反应②中与CO2反应生成CO,CO的产量高于H2,故a曲线表示产物H2,b曲线表示产物CO;反应②是吸热反应,升高温度,平衡正向移动,H2O的产量增大,但反应 O2(g)+H2(g) ==H2O(g)为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,H2O的产量减小,故当温度高于900 K,H2O的产量随温度升高而下降的主要原因是升高温度,使反应 O2(g)+H2(g) ==H2O(g)的平衡逆向移动,H2O的含量减小。
Ⅱ.(3)由图可知,含碳产物中CH4的物质的量百分数Y≥70%,则含碳副产物的产率≤30%,故含碳副产物的产率均低于CH4,A正确;由Ni-CeO2催化CO2加H2形成CH4的反应历程图可知,存在反应CO2+4H2 CH4+2H2O,同时存在副反应CO2+H2 CO+H2O,B、C正确;化学反应均伴随着物质变化和能量变化,D正确;由题图2可知,当温度高于260 ℃后,含碳产物中CH4的物质的量百分数几乎不再变化,即甲烷产率几乎不变,E正确;
答案 (1)+247.4(2)①H2 CO 反应 O2(g)+H2(g) ==H2O(g)是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,H2O的含量减小
(3)ABCDE (4)6.4
2.(2021湖南新高考适应卷,17)氨基甲酸铵(H2NCOONH4)为尿素生产过程的中间产物,易分解。某小组对氨基甲酸铵的分解实验进行探究。已知:Ⅰ.N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH1=-92.4 kJ·mol-1Ⅱ.C(s)+O2(g) CO2(g) ΔH2=-393.8 kJ·mol-1Ⅲ.N2(g)+3H2(g)+C(s)+O2(g) H2NCOONH4(s) ΔH3=-645.7 kJ·mol-1回答下列问题:(1)写出H2NCOONH4分解生成NH3与CO2气体的热化学方程式: 。
(2)恒容条件下,实验测得数据如下表所示:
①恒温恒容时,下列能够说明该反应已达到化学平衡状态的是 (填标号)。 A.容器内总压强不再改变B.2v正(NH3)=v逆(CO2)C.c2(NH3)·c(CO2)的值不再改变D.NH3的体积分数不再改变
②某温度下,该反应平衡时容器内总压强为p,写出该反应的压强平衡常数的计算式Kp= (用平衡分压代替平衡浓度,分压=总压×物质的量分数)。 ③随着温度升高,Kp逐渐 (填“增大”“减小”或“不变”),其主要原因是 。 ④某温度下,达到平衡后,欲增加NH3的平衡浓度,可釆取的措施有 (填标号)。 A.加H2NCOONH4B.加催化剂C.减小体积,增大压强D.移走CO2
(2)①恒温恒容条件下,随着氨基甲酸铵的分解,容器内总压强不断增大,若压强不变,则反应达到平衡状态,故A正确;平衡时,NH3的正反应速率应该为CO2逆反应速率的2倍,即v正(NH3)=2v逆(CO2),故B错误;当反应达到平衡状态时,浓度商c2(NH3)·c(CO2)的值不再改变,故C正确;该反应生成的NH3和CO2的物质的量之比恒为2∶1,故NH3的体积分数一直不变,不能判断反应是否平衡,故D错误。
③根据表格中的数据,随着温度升高,p逐渐增大,则Kp逐渐增大,其主要原因是:氨基甲酸铵的分解是吸热反应,升高温度有利于反应正向进行,NH3和CO2的平衡分压均增大,压强平衡常数增大。④加入固体,不影响平衡移动,故A错误;加催化剂,不影响平衡移动,故B错误;减小体积,增大压强,容器内各气体浓度瞬间增大,平衡逆向移动,但最终达到平衡后,由于Kp不变,p(NH3)与p(CO2)之比仍然满足2∶1,则各气体浓度不变,故C错误;移走CO2,利于平衡正向移动,氨气的平衡浓度增大,故D正确。
答案 (1)H2NCOONH4(s) 2NH3(g)+CO2(g) ΔH=+159.5 kJ·mol-1
③增大 氨基甲酸铵的分解是吸热反应,升高温度有利于反应正向进行,NH3和CO2的平衡分压均增大,压强平衡常数增大 ④D(3)144.2
解题策略1.图表类分析
2.图像类分析
题型2 化学反应原理的语言表达
3.(2021辽宁新高考适应卷,18)环氧乙烷是高效消毒剂,可用于口罩等医用品消毒,工业上常用乙烯氧化法生产。
回答下列问题:(1)C2H4的燃烧热ΔH=-1 411.0 kJ·mol-1,则环氧乙烷(g)的燃烧热ΔH= 。 (2)以下既能加快反应速率又能提高环氧乙烷产率的方法有 (填标号)。 A.降低温度B.向容器中充入N2使压强增大C.采用改性的催化剂D.用空气替代氧气
反应随温度升高平衡产率降低的可能原因为 ;其他条件不变时,降低环氧乙烷与HCl的投料比,环氧乙烷的平衡转化率将 (填“增大”“减小”或“不变”)。 (4)环氧乙烷经水解可得到乙二醇。乙二醇易溶于水的原因为 ;写出乙二醇—氧气碱性燃料电池的负极电极反应式: 。
(2)降低温度会使得反应速率降低,A不选;向容器中充入N2使压强增大,若该容器的体积恒定,则该反应的反应速率不变且环氧乙烷的产率不变,B不选;改性催化剂可以增大反应速率,提高环氧乙烷的产率,C选;用空气替代氧气,氧气的浓度降低,反应速率降低,D不选。
答案 (1)-1 306.1 kJ·mol-1(2)C (3)反应的ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,导致平衡产率降低 增大(4)乙二醇分子中有2个—OH,与水分子形成氢键
解题策略
应考训练1.(2021全国甲卷,28节选)合成总反应在起始物n(H2)/n(CO2)=3时,在不同条件下达到平衡,设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH),在t=250 ℃下的x(CH3OH)~p、在p =5×105 Pa下的x(CH3OH)~t如图所示。
(1)用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数,表达式Kp= ; (2)图中对应等压过程的曲线是 ,判断的理由是 (3)当x(CH3OH)=0.10时,CO2的平衡转化率α= ,反应条件可能为 或 。
(2)b 总反应ΔH<0,升高温度时平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量分数变小(3)33.3% 5×105 Pa,210 ℃ 9×105 Pa,250 ℃
(2)在压强恒定的条件下,由于反应的ΔH<0,随着温度的升高,平衡逆向移动,甲醇的物质的量分数变小,故图中对应等压过程的曲线是b。曲线a是恒温(250 ℃)条件下x(CH3OH)随压强变化的曲线。
(3)当x(CH3OH)=0.10时,由图像可知反应条件之一是5×105 Pa,210 ℃;设反应起始时n(H2)=3 mol,n(CO2)=1 mol,生成CH3OH物质的量为y,利用“三段式”分析如下:
CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)起始 1 mol 3 mol 0 0转化 y 3y y y平衡 1 mol-y 3 mol-3y y y
由图像可以看出,当x(CH3OH)=0.10时的另一个条件是温度为250 ℃及压强为9×105 Pa。
2.(2021全国乙卷,28)一氯化碘(ICl)是一种卤素互化物,具有强氧化性,可与金属直接反应,也可用作有机合成中的碘化剂。回答下列问题:(1)历史上海藻提碘中得到一种红棕色液体,由于性质相似,Liebig误认为是ICl,从而错过了一种新元素的发现。该元素是 。 (2)氯铂酸钡(BaPtCl6)固体加热时部分分解为BaCl2、Pt和Cl2,376.8 ℃时平衡常数Kp'=1.0×104 Pa2。在一硬质玻璃烧瓶中加入过量BaPtCl6,抽真空后,通过一支管通入碘蒸气(然后将支管封闭)。在376.8 ℃,碘蒸气初始压强为20.0 kPa。376.8 ℃平衡时,测得烧瓶中压强为32.5 kPa,则pICl= kPa,反应2ICl(g)==Cl2(g)+I2(g)的平衡常数K= (列出计算式即可)。
(3)McMorris测定和计算了在136~180 ℃范围内下列反应的平衡常数Kp:
①由图可知,NOCl分解为NO和Cl2反应的ΔH 0(填“大于”或“小于”)。 ②反应2ICl(g) ==Cl2(g)+I2(g)的K= (用Kp1、Kp2表示);该反应的ΔH 0(填“大于”或“小于”),写出推理过程 。 (4)Kistiakowsky曾研究了NOCl光化学分解反应,在一定频率(ν)光的照射下机理为:NOCl+hν→NOCl*NOCl+NOCl*→2NO+Cl2其中hν表示一个光子能量,NOCl*表示NOCl的激发态。可知,分解1 mol的NOCl需要吸收 mol的光子。
解析 (1)海藻中富含氯、溴、碘元素,海藻提碘过程中得到的红棕色液体应是溴单质(Br2),故错过发现的新元素为Br。
2ICl(g) Cl2(g) + I2(g)p起始 0 32.5 kPa-20.0 kPa 20.0 kPap转化 24.8 kPa 12.5 kPa-0.1 kPa 12.4 kPap平衡 24.8 kPa 0.1 kPa 7.6 kPa
(4)将两式相加得2NOCl+hν→2NO+Cl2,即分解1 mol NOCl需要吸收0.5 mol光子。
3.(2021湖北师大附中质检)二甲醚是一种重要的化工原料,回答下列问题:
(1)已知:①C(s)+ O2(g) ==CO(g)ΔH1=-111.8 kJ·mol-1;②C(s)+H2O(g) ==CO(g)+H2(g)ΔH2=+130 kJ·mol-1;③CO(g)+2H2(g) ==CH3OH(g)ΔH3=-90.1 kJ·mol-1;
④2CH3OH(g) ==CH3OCH3(g)+H2O(g)ΔH4=-134 kJ·mol-1。则CH3OCH3(g)+ O2(g) ==2CO(g)+3H2(g) ΔH= kJ·mol-1;该反应能够自发进行所采用的有利条件是 (填“高温”“低温”或“任意温度”)。
(2)在恒温恒压条件下,化工生产上利用二甲醚与氧气为原料制备合成气,实际生产过程中常常添加一定量的水蒸气,其目的是 ;研究发现,所得平衡混合气体中H2的体积分数随 变化如图所示,试解释该曲线先变大后减小的原因 。
(4)二甲醚燃料电池常采用磺酸类质子溶剂,其工作原理如图所示,则负极的电极反应式为 ,若消耗标准状况下5.6 L O2,则理论上左右两室溶液质量变化的差为 g。
(3)0.5 2.95×108(4)CH3OCH3+3H2O-12e-==2CO2+12H+ 11.5
解析 (1)结合盖斯定律知①-②-③×2-④得CH3OCH3(g)+ O2(g) ==2CO(g)+3H2(g) ΔH=-111.8 kJ·mol-1-130 kJ·mol-1-(-90.1 kJ·mol-1)×2+134 kJ·mol-1=+72.4 kJ·mol-1;ΔH-TΔS<0的反应可自发进行,该反应为吸热、熵增的反应,高温下可自发进行;(2)因为反应是在恒温恒压条件下进行,若混合气体中增加水蒸气,则原混合体系中气体的分压会减小(相当于恒压条件下扩大容积,反应向气体体积增大的方向移动),有利于平衡正向移动,从而提升原料的转化率;根据
(3)设参加反应的二甲醚物质的量为x,根据三段式法可得:
起始量/mol 4.0 2.0 0 0转化量/mol x 0.5x 2x 3x平衡量/mol 4.0-x 2.0-0.5x 2x 3x
(4)标准状况下5.6 L O2即为0.25 mol,转移电子为1.0 mol,根据N电极反应:O2+4H++4e-==2H2O,可以得出右极室质量增加了8.0 g;根据M电极反应:CH3OCH3+3H2O-12e-==2CO2+12H+,转移1.0 mol电子时,左极室质量减少了3.5 g,则左右两室质量变化差为8.0 g+3.5 g=11.5 g。
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