高中人教版 (2019)实验活动1 探究影响化学平衡移动的因素学案设计

这是一份高中人教版 (2019)实验活动1 探究影响化学平衡移动的因素学案设计，共12页。学案主要包含了实验目的，实验仪器，实验药品，实验步骤，问题和讨论等内容，欢迎下载使用。

【实验目的】
1．认识浓度、温度等因素对化学平衡的影响。
2．进一步学习控制变量、对比等科学方法。
【实验仪器】
小烧杯、大烧杯、量筒、试管、试管架、玻璃棒、胶头滴管、酒精灯、火柴、两个封装有NO2和N2O4混合气体的圆底烧瓶。
【实验药品】
铁粉、0.05 ml·L－1 FeCl3溶液、0.15 ml·L－1 KSCN溶液、0.1 ml·L－1 K2Cr2O7溶液、6 ml·L－1 NaOH溶液、6 ml·L－1 H2SO4溶液、0.5 ml·L－1 CuCl2溶液、热水、冰块、蒸馏水。
【实验步骤】
一、浓度对化学平衡的影响
1．FeCl3溶液与KSCN溶液的反应
(1)在小烧杯中加入约10 mL蒸馏水，再加入5滴0.05 ml·L－1FeCl3溶液、5滴0.15 ml·L－1KSCN溶液，用玻璃棒搅拌，使其充分混合，将混合均匀的溶液平均注入a、b、c三支试管中。
(2)分别向两支试管中加入FeCl3溶液和KSCN溶液，观察并记录实验现象，与试管c进行对比。
(3)继续向上述两支试管中分别加入少量铁粉，观察并记录实验现象。
2．在K2Cr2O7溶液中存在如下平衡：
Cr2Oeq \\al(2－,7)＋H2O2CrOeq \\al(2－,4)＋2H＋
(橙色) (黄色)
取一支试管，加入2 mL 0.1 ml·L－1K2Cr2O7溶液，然后按下表步骤进行实验，观察溶液颜色的变化，判断平衡是否发生移动及移动的方向。
二、温度对化学平衡的影响
1．在CuCl2溶液中存在如下平衡：
[Cu(H2O)4]2＋＋4Cl－[CuCl4]2－＋4H2O ΔH>0
(蓝色) (黄色)
分别取2 mL 0.5 ml·L－1CuCl2溶液加入两支试管中，将其中的一支试管先加热，然后置于冷水中，观察并记录实验现象，与另一支试管进行对比。
2．取两个封装有NO2和N2O4混合气体的圆底烧瓶，(编号分别为1和2)；将它们分别浸在盛有热水、冷水的大烧杯中，比较两个烧瓶里气体的颜色。将两个烧瓶互换位置，稍等片刻，再比较两个烧瓶里气体的颜色。
【问题和讨论】
1．在进行浓度、温度对化学平衡影响的实验时，应注意哪些问题？
答案 在进行浓度、温度对化学平衡影响的实验时，应在对应实验中只改变浓度或温度，而使其他影响化学反应速率的反应条件均相同。
2．结合实验内容，尝试归纳影响化学平衡移动的因素。
答案 影响化学平衡的因素包括反应物和生成物的浓度、反应的温度等。增大反应物浓度，化学平衡向正反应方向移动；增大生成物浓度，化学平衡向逆反应方向移动。升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动；降低温度，化学平衡向放热反应方向移动。
3．在对CuCl2溶液加热时，你是否观察到了[CuCl4]2－ 的黄色？能说出原因吗？
答案 不能观察到黄色。因为对CuCl2溶液加热时，平衡向吸热反应(正反应)方向移动，但反应不能进行彻底，溶液中同时存在[ Cu(H2O)4]2＋和[CuCl4]2－ ，看到的是蓝色和黄色的混合颜色。
【例题】 在一定条件下，对于反应mA(g)＋nB(g)cC(g)＋dD(g)，C物质的质量分数w(C)与温度、压强的关系如图所示，下列判断正确的是( )
A．ΔH<0，m＋n0，m＋n>c＋d
C．ΔH>0，m＋nc＋d
答案 A
解析 根据图像可知，温度升高，C的含量降低，说明升高温度，平衡向逆反应方向移动，即正反应是放热反应；当温度相同时，压强越大，C的含量降低，说明增大压强，平衡向逆反应方向移动，即正反应是体积增大的。故选A项。
【变式】 CO可用于合成甲醇，对应的化学方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。
(1)图1是反应CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)在不同温度下CO的转化率随时间变化的曲线。
①该反应的焓变ΔH__(填“>”“<”或“＝”)0。
②T1和T2温度下的平衡常数大小关系是K1__(填“>”“<”或“＝”)K2。在T1温度下，往体积为1 L的密闭容器中，充入1 ml CO和2 ml H2，经测得CO和CH3OH(g)的浓度随时间变化如图2所示。则该反应的平衡常数为____。
③若容器容积不变，下列措施可增加CO转化率的是____(填字母)。
a．升高温度
b．将CH3OH(g)从体系中分离
c．使用合适的催化剂
d．充入He，使体系总压强增大
(2)在容积为1 L的恒容容器中，分别研究在230 ℃、250 ℃和270 ℃三种温度下合成甲醇的规律。如图3是上述三种温度下H2和CO的起始组成比(起始时CO的物质的量均为1 ml)与CO平衡转化率的关系，则曲线z对应的温度是____℃；该温度下上述反应的化学平衡常数为______。曲线上a、b、c点对应的化学平衡常数分别为K1、K2、K3，则K1、K2、K3的大小关系为______。
解析 (1)①反应CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)中，反应向右进行，CO的转化率增大，温度升高，化学平衡向着吸热反应方向进行，先拐先平温度高，根据图中的信息可知T2>T1，温度越高CO转化率越小，说明升温平衡逆向移动，逆反应为吸热反应，所以正反应是放热反应，ΔH<0。②对于放热反应，温度升高，平衡逆向移动，化学平衡常数变小，所以K1>K2。在T1温度下，往体积为1 L的密闭容器中充入1 ml CO和2 ml H2，由图列三段式得：
CO(g) ＋ 2H2(g)  CH3OH(g)
起始(ml/L) 1 2.0
转化(ml/L) 0.75 1.5 0.75
平衡(ml/L) 0.25 0.5 0.75
故K＝eq \f(cCH3OH,cCO·c2H2)＝eq \f(0.75,0.25×0.52)＝12。③若容器容积不变，升高温度，平衡逆向移动，CO转化率降低，a项错误；将CH3OH(g)从体系中分离，平衡正向移动，CO转化率增大，b项正确；使用合适的催化剂不会引起化学平衡的移动，CO转化率不变，c项错误；若容器容积不变，充入He，使体系总压强增大，但各组分的浓度不变，化学平衡不移动，CO转化率不变，d项错误。(2)该反应为放热反应，温度越高，CO的转化率越小，所以曲线z为270 ℃。由图像可知当270 ℃，n(H2)∶n(CO)＝1.5时，CO的转化率为50%，则列三段式得：
CO(g) ＋ 2H2(g) CH3OH(g)
起始(ml/L) 1 1.5 0
转化(ml/L) 0.5 1 0.5
平衡(ml/L) 0.5 0.5 0.5
故K＝eq \f(cCH3OH,cCO·c2H2)＝eq \f(0.5,0.5×0.52)＝4，曲线上a、b是等温，温度高于c点的温度，所以K1＝K2答案 (1)< > 12 b (2)270 4 K1＝K2化学反应速率和化学平衡
素能提升一 化学反应速率与化学平衡图像
1．图像类型与解题策略
(1)速率—时间图像(v－t图像)
[解题策略] 分清正反应、逆反应及二者反应速率的相对大小，分清“突变”和“渐变”；正确判断化学平衡的移动方向；熟记浓度、压强、温度、催化剂等对化学平衡移动的影响规律。
Ⅰ.v正突变，v逆渐变，且v正>v逆，说明是增大了反应物的浓度，使v正突变，且平衡正向移动。
Ⅱ.v正、v逆都突然减小，且v正>v逆，说明平衡正向移动，该反应的正反应可能是放热反应或气体体积增大的反应，改变的条件可能是降温或减压。
Ⅲ.v正、v逆都突然增大，且增大程度相同，说明该化学平衡没有发生移动，可能是使用了催化剂，也可能是对反应前后气体体积不变的反应压缩体积(即增大压强)。
(2)百分含量(或转化率)—时间—温度(或压强)图像
[解题策略] “先拐先平数值大”。在化学平衡图像中，先出现拐点的反应则先达到平衡，先出现拐点的曲线表示的温度较高(如图Ⅰ中T2>T1)、压强较大(如图Ⅱ中p2>p1)或使用了催化剂(如图Ⅲ中a使用了催化剂)。
Ⅰ.表示T2>T1，正反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动。
Ⅱ.表示p2>p1，反应物A的转化率减小，说明正反应是气体体积增大的反应，增大压强，平衡逆向移动。
Ⅲ.生成物C的百分含量不变，说明平衡不发生移动，但反应速率a>b，故a使用了催化剂；也可能该反应是反应前后气体体积不变的可逆反应，a增大了压强(即压缩体积)。
(3)百分含量(或转化率)—温度(压强)图像
[解题策略] “定一议二”。在化学平衡图像中，包括纵坐标、横坐标和曲线所表示的三个变量，分析方法是确定其中一个变量，讨论另外两个变量之间的关系。
如图Ⅰ中确定压强为105 Pa或 107 Pa，则生成物C的百分含量随温度T的升高而逐渐减小，说明正反应是放热反应；再确定温度T不变，作横轴的垂线，与压强线出现两个交点，分析生成物C的百分含量随压强p的变化可以发现，增大压强，生成物C的百分含量增大，说明正反应是气体体积减小的反应。同理分析图Ⅱ。
2．解题思维流程
【典例1】 (2020·江苏卷，改编)CH4与CO2重整生成H2和CO的过程中主要发生下列反应：
CH4(g)＋CO2(g)===2H2(g)＋2CO(g) ΔH＝247.1 kJ·ml－1
H2(g)＋CO2(g)===H2O(g)＋CO(g) ΔH＝41.2 kJ·ml－1
在恒压、反应物起始物质的量之比为n(CH2)∶n(CO2)＝1∶1条件下，CH4和CO2的平衡转化率随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法正确的是( )
A． 升高温度、增大压强均有利于提高CH4的平衡转化率
B．曲线A表示CH4的平衡转化率随温度的变化
C．相同条件下，改用高效催化剂能使曲线A和曲线B相重叠
D．恒压、800 K、n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1条件下，反应至CH4转化率达到X点的值，改变除温度外的特定条件继续反应，CH4转化率能达到Y点的值
答案 D
解析 甲烷和二氧化碳反应是吸热反应，升高温度，平衡向吸热反应即正向移动，甲烷转化率增大，甲烷和二氧化碳反应是体积增大的反应，增大压强，平衡逆向移动，甲烷转化率减小，A项错误；根据两个反应得到总反应为CH4(g)＋2CO2(g)===H2(g)＋3CO(g) ＋H2O (g)，加入的CH4与CO2物质的量相等，CO2消耗量大于CH4，因此CO2的转化率大于CH4，因此曲线B表示CH4的平衡转化率随温度的变化，B项错误；使用高效催化剂，只能提高反应速率，而不能改变平衡转化率，C项错误；800 K时甲烷的转化率为X点的值，可以通过改变二氧化碳的量来提高甲烷的转化率达到Y点的值，D项正确。
【变式1】 (1)(2020·江苏卷，节选)CO2/ HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。
CO2催化加氢。在密闭容器中，向含有催化剂的KHCO3溶液(CO2与KOH溶液反应制得)中通入H2生成HCOO－，其离子方程式为__________________；若其他条件不变，HCOeq \\al(－,3)转化为HCOO－的转化率随温度的变化如图1所示。反应温度在40～80 ℃范围内，HCOeq \\al(－,3)催化加氢的转化率迅速上升，其主要原因是______________________________________________________。
(2)(2020·天津卷，节选)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。
①某温度下，恒容密闭容器中，CO2和H2的起始浓度分别为 a ml·L－1和3a ml·L－1，反应平衡时，CH3OH的产率为b，该温度下反应平衡常数的值为________。
②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产率随温度的变化如图2所示，其中分子筛膜能选择性分离出H2O。
甲醇平衡产率随温度升高而降低的原因为___________________________。
P点甲醇产率高于T点的原因为___________________________。
根据图2，在此条件下采用该分子筛膜时的最佳反应温度为____℃。
解析 (1)含有催化剂的KHCO3溶液中通入H2生成HCOO－，根据元素守恒和电荷守恒可得离子方程式为HCOeq \\al(－,3)＋H2eq \(=====,\s\up7(催化剂))HCOO－＋H2O；反应温度在40～80 ℃范围内时，随温度升高，活化分子增多，反应速率加快，同时温度升高催化剂的活性增强，所以催化加氢速率迅速上升。(2) ①CO2和H2的起始浓度分别为 a ml·L－1和3a ml·L－1，CH3OH的产率为b，所以生成CH3OH的物质的量浓度为ab ml/L，列三段式：
CO2(g) ＋ 3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)
c(起始)(ml/L) a 3a 0 0
c(转化)(ml/L) ab 3ab ab ab
c(平衡)(ml/L) a(1－b) 3a(1－b) ab ab
可知该反应的平衡常数K＝eq \f(cCH3OH·cH2O,cCO2·c3H2)＝eq \f(ab×ab,a1－b[3a1－b]3)＝eq \f(b2,27a21－b4)。②该反应为放热反应(ΔH<0)，温度升高，平衡逆向移动(或平衡常数减小)，故甲醇平衡产率降低。因分子筛膜能选择性分离出H2O，c(H2O)减小，有利于反应的正向进行，甲醇产率也得以升高，故P点甲醇产率高于T点。根据图示，使用该分子筛膜210 ℃时甲醇的产率最大，故在此条件下采用该分子筛膜时的最佳反应温度为210 ℃。
答案 (1)HCOeq \\al(－,3)＋H2eq \(=====,\s\up7(催化剂))HCOO－＋H2O 温度升高反应速率增大，在一定范围内，催化剂的活性也随之增强
(2)①eq \f(b2,27a21－b4) ②该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动(或平衡常数减小) 分子筛膜从反应体系中不断分离出H2O，有利于反应的正向进行，甲醇产率也得以升高 210
素能提升二 平衡转化率的变化规律
1．反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的转化率分析
(1)若反应物起始物质的量之比等于化学计量数之比，达到平衡后，它们的转化率相等。
(2)若只增加A的量，平衡正向移动，B的转化率提高，A的转化率降低。
(3)若按原比例同倍数地增加(或降低)A、B的浓度，等效于压缩(或扩大)容器体积，气体反应物的转化率与化学计量数有关。
同倍增大c(A)和c(B)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a＋b＝c＋d A、B的转化率不变,a＋b＞c＋d A、B的转化率增大,a＋b＜c＋d A、B的转化率减小))
2．反应mA(g)nB(g)＋qC(g)的转化率分析
在T、V不变时，增加A的量，等效于增大压强，A的转化率与化学计量数有关。
增大c(A)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(m＝n＋q A的转化率不变,m＞n＋q A的转化率增大,m＜n＋q A的转化率减小))
【典例2】 (2019·江苏卷，改编) 在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是( )
A．反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)的ΔH>0
B．图中X点所示条件下，延长反应时间不能提高NO转化率
C．图中Y点所示条件下，增加O2的浓度不能提高NO转化率
D．380 ℃下，c起始(O2)＝5.0×10－4 ml·L－1，NO平衡转化率为50%，则平衡常数K>2 000
答案 D
解析 由NO的平衡转化率随温度的变化曲线(图中虚线)可知，当其他条件相同时，升高温度，NO的平衡转化率降低，说明正反应为放热反应，A项错误；X点未达到平衡状态，此时反应正向进行程度大，所以延长反应时间，可以使NO转化率增大，B项错误；Y点已达到平衡状态，增大O2浓度导致平衡正向移动，NO转化率增大，C项错误；令NO起始物质的量浓度为a ml·L－1，列三段式：
2NO＋ O2 === 2NO2
起始(ml·L－1) a 5.0×10－4 0
转化(ml·L－1) 0.5a 0.25a 0.5a
平衡(ml·L－1) 0.5a 5.0×10－4－0.25a 0.5a
K＝eq \f(c2NO2,c2NO·cO2)＝eq \f(1,5.0×10－4－0.25a)，当a＝0时，K＝2 000，而NO起始物质的量不可能为0，则K>2 000，D项正确。
【变式2】 反应A(g)＋B(g)2C(g)＋D(s) ΔH<0，在密闭容器中充入0.1 ml A和0.1 ml B，达到平衡时，下列说法正确的是( )
A．保持容器体积不变，同时充入0.1 ml A和0.2 ml B，A的转化率不变
B．增大c(A)，A的转化率减小
C．减小容器体积，平衡逆向移动，A的转化率减小
D．加入催化剂，正反应速率增大，D的产率增大
答案 B
解析 A项，相当于只增加B的浓度，A的转化率会增大，错误；B项，增大c(A)，平衡正向移动，B的转化率增大，A的转化率减小，正确；C项，该反应为反应前后气体体积不变的反应，平衡不受压强影响，减小容器体积，平衡不移动，A的转化率不变，错误；D项，催化剂不能使平衡移动，不改变产物的产率，错误。
实验内容
向试管a中滴入5滴0.05 ml·L－1FeCl3溶液
向试管b中滴入5滴0.15 ml·L－1KSCN溶液
实验现象
溶液红色加深
溶液红色加深
结论
增大反应物浓度，化学平衡向正反应方向移动
实验内容
向试管a中加入少量铁粉
向试管b中加入少量铁粉
实验现象
溶液红色变浅
溶液红色变浅
结论
减小反应物浓度，化学平衡向逆反应方向移动
实验步骤
实验现象
结论
(1)向试管中滴加5～10滴6 ml·L－1NaOH溶液
溶液由橙色变为黄色
减小生成物浓度，化学平衡向正反应方向移动
(2)向试管中继续滴加5～10滴6 ml·L－1H2SO4溶液
溶液由黄色变为橙色
增大生成物浓度，化学平衡向逆反应方向移动
实验步骤
实验现象
结论
(1)加热试管
溶液由蓝色变为绿色
升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动
(2)将上述试管置于冷水中
溶液由绿色变为蓝色，相比另一支试管，溶液蓝色加深
降低温度，化学平衡向放热反应方向移动
烧瓶编号
1
2
实验步骤
(1)置于热水
(1)置于冷水
实验现象
气体红色加深
气体红色变浅
实验步骤
(2)置于冷水
(2)置于热水
实验现象
气体红色变浅
气体红色加深
结论
升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动；降低温度，化学平衡向放热反应方向移动