苏教版 (2019)选择性必修1第一单元 化学反应速率第三课时导学案
展开已知工业合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ·ml-1。
一定温度下,在容积恒定的密闭容器中,一定量的N2和H2反应达到平衡后,改变某一外界条件,反应速率与时间的关系如图所示,其中t2、t4、t7时刻所对应的改变的实验条件分别是t2:________、t4:________、t7:________。
提示:t2:增大N2或H2的浓度
t4:加入催化剂
t7:降温
[问题探讨]
1.t5时刻改变的实验条件是什么?
提示:t5:减小NH3的浓度。
2.t9时刻如果增大压强,v(正)、v(逆)如何变化,请用图像表示。
提示:
增大压强,v(正)、v(逆)均增大,平衡正向移动。
3.t7时刻温度是如何影响v(正)、v(逆)的?速率—时间—温度图像的特点是什么?
提示:升高温度,v(正)、v(逆)均增大,吸热反应速率增大的多;降低温度,v(正)、v(逆)均减小,吸热反应速率减小的多,图像有断点。
4.一定条件下的可逆反应:mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),其图像如下图,在t2时刻改变的实验条件可能是什么?
提示:加入催化剂或m+n=p+q时增大压强。
1.“渐变”类vt图——浓度对化学反应速率的影响
图像Ⅰ中,v′(正)突变,而v′(逆)渐变,t1时刻图像中有一条线是连续的,且v′(正)>v′(逆),说明t1时刻改变的条件是增大了反应物的浓度,使v′(正)突变,平衡正向移动。
图像Ⅱ中,v′(正)渐变,v′(逆)突变,t1时刻图像中有一条线是连续的,且v′(正)>v′(逆),说明t1时刻改变的条件是减小了生成物的浓度,使v′(逆)突变,平衡正向移动。
2.“断点”类vt图——温度(或压强)对化学反应速率的影响
图像Ⅰ中,v′(正)、v′(逆)都是突然增大的,t1时刻,图像中出现了“断点”,且v′(正)>v′(逆),平衡正向移动,说明该反应的正反应可能是吸热反应(或气体总体积减小的反应),改变的外界条件是升高温度(或增大压强)。
图像Ⅱ中,v′(正)、v′(逆)都是突然变小的,t1时刻,图像中出现了“断点”,且v′(正)>v′(逆),平衡正向移动,说明该反应的正反应可能是放热反应(或气体总体积增大的反应),改变的条件是降低温度(或减小压强)。
3.“平台”类vt图——催化剂(或压强)对化学反应速率的影响
图像中v′(正)、v′(逆)都是突然增大,且增大的程度相同,t1时刻,图像中出现了“平台”,化学平衡不发生移动,改变的条件可能是使用了催化剂,也可能是对反应前后气体总体积不发生变化的反应增大了压强。
1.某密闭容器中发生如下反应:X(g)+Y(g)2Z(g) ΔH<0。如图表示该反应的速率(v)随时间(t)变化的关系,t2、t3、t5时刻外界条件有所改变,但都没有改变各物质的初始加入量。下列说法中正确的是( )
A.t2时一定加入了催化剂 B.t3时减小了压强
C.t5时可能升高了温度 D.t4~t5转化率最低
解析:选C A项,由图可知,t2时刻改变条件,正、逆反应速率均增大且相等,平衡不移动,若增大压强平衡也不发生移动,则t2时不一定加入了催化剂,A错误;B项,t3时刻改变条件,正、逆反应速率均减小,且正反应速率小于逆反应速率,若减小压强,平衡不发生移动,与图像不符,错误;C项,t5时刻改变条件,正、逆反应速率均增大,且逆反应速率大于正反应速率,若升高温度,平衡逆向移动,与图像符合,正确;D项,催化剂对平衡移动无影响,t3~t4平衡逆向移动,转化率减小,t5~t6平衡逆向移动,转化率继续减小,显然t5~t6转化率比t4~t5转化率低,错误。
2.对于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0已达平衡,如果其他条件不变时,分别改变下列条件,对化学反应速率和化学平衡产生影响,下列改变的条件与图像不相符的是(O~t1:v正=v逆;t1时改变条件,t2时重新建立平衡)( )
解析:选C 分析时要注意改变条件瞬间v正、v逆的变化。增加O2的浓度,v正增大,v逆瞬间不变,A正确;增大压强,v正、v逆都增大,v正增大的倍数大于v逆,B正确;升高温度,v正、v逆都瞬间增大,C错误;加入催化剂,v正、v逆同时同倍数增大,D正确。
[规律方法] 解答“vt”图像的技巧与方法
(1)抓住“图像的断点”突破:即由图像中条件改变的瞬间,正、逆反应速率的变化情况进行分析;若均增大或均减小,则改变的条件一般为温度、压强和催化剂;若正、逆反应只有一个速率改变,则改变的条件为浓度。
(2)抓住“图像的连续点”突破:通过改变条件的瞬间过后,正、逆反应速率的继续变化,可以确定平衡移动的方向。
(3)抓住“图像的对称性”突破:一般速率—时间图像中,平衡移动时正、逆反应速率的变化情况为一增一减,且呈对称图形,所以如果图中只提供正、逆反应速率中的一种变化情况,则可根据对称性,确定另外一方的变化情况。
eq \a\vs4\al(物质的量(或浓度)—时间图像)
某温度时,在2 L容器中X、Y、Z三种气态物质的物质的量随时间的变化关系曲线如图所示。
[问题探讨]
1.该反应的化学方程式是什么?
提示:3X+Y2Z。
2.5 min内用X表示的化学反应速率是多少?
提示:v(X)= eq \f(Δc,Δt) = eq \f(\f(0.6 ml,2 L),5 min) =0.06 ml·L-1·min-1。
3.Y的转化率是多少?
提示:α(Y)= eq \f((1-0.8)ml,1 ml) ×100%=20%。
4.解答物质的量—时间图像题的思路与关键是什么?
提示:三看 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(面:纵、横坐标含义,线:线的走势,点:起点、折点、终点))
1.反应物或生成物的物质的量(或物质的量浓度)与反应时间图像
反应物或生成物的物质的量(或物质的量浓度)与反应时间的定量关系,如图所示。
该类图像所能解决的主要问题:①反应物、生成物的确定;②可逆反应或不可逆反应的确定;③反应化学方程式的确定;④某时间段内的平均反应速率;⑤化学反应达到平衡所用的时间。分析时灵活应用“反应速率之比=化学计量数之比=浓度的变化量之比=物质的量的变化量之比”。
2.解答有关化学反应速率图像问题的一般步骤
(1)认准横坐标、纵坐标所表示的物理量;
(2)看清曲线的起点位置及曲线的变化趋势,确定函数的增减性;
(3)理解曲线斜率的意义,弄清当斜率为0时,曲线为一水平线的特定含义;
(4)准确把握各个特殊点(如起点、最高点、转折点、交点等)的含义;
(5)认准某些关键数据在解题中的作用;
(6)全面、准确地从图中找出直接或隐含的信息,结合上述几点快速得出答案。
1.工业上制备合成气的工艺主要是水蒸气重整甲烷:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH>0,在一定条件下,向容积为1 L的密闭容器中充入1 ml CH4(g) 和1 ml H2O(g),测得H2O(g)和H2(g)的浓度随时间的变化曲线如图所示,下列说法正确的是( )
A.达到平衡时,CH4(g)的转化率为75%
B.0~10 min内,v(CO)=0.075 ml·L-1·min-1
C.该反应的化学平衡常数K=0.187 5
D.当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率相等时,反应到达平衡
解析:选C 由图可知,10 min时反应到达平衡,平衡时水蒸气和氢气的浓度均为0.75 ml·L-1,则:
CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)
开始/(ml·L-1) 1 1 0 0
转化/(ml·L-1) 0.25 0.25 0.25 0.75
平衡/(ml·L-1) 0.75 0.75 0.25 0.75
平衡时甲烷的转化率= eq \f(0.25 ml·L-1,1 ml·L-1) ×100%=25%,A项错误;0~10 min内,v(CO)= eq \f(0.25 ml·L-1,10 min) =0.025 ml·L-1·min-1,B项错误;平衡常数K= eq \f(c(CO)·c3(H2),c(CH4)·c(H2O)) = eq \f(0.25 ml·L-1×(0.75 ml·L-1)3,0.75 ml·L-1×0.75 ml·L-1) =0.187 5,C项正确;同一物质的消耗速率与其生成速率相等时,反应达到平衡,由热化学方程式可知当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率之比为1∶3时,反应到达平衡,D项错误。
2.化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。一定温度下,向容积为2 L的恒容密闭容器中充入6 ml CO2和8 ml H2,发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-48.97 kJ·ml-1,测得n(H2)随时间的变化如曲线Ⅰ所示。下列说法正确的是( )
A.该反应在0~8 min内CO2的平均反应速率是0.375 ml·L-1·min-1
B.保持温度不变,若起始时向上述容器中充入4 ml CO2、2 ml H2、2 ml CH3OH(g)和1 ml H2O(g),则此时反应向正反应方向进行
C.保持温度不变,若起始时向上述容器中充入3 ml CO2和4 ml H2,则平衡时H2的体积分数等于20%
D.改变条件得到曲线Ⅱ、Ⅲ,则曲线Ⅱ、Ⅲ改变的条件分别是升高温度、充入氦气
解析:选B 由图中曲线Ⅰ可知,该反应在0~8 min内H2的变化量为6 ml,则CO2的变化量为2 ml,该反应在0~8 min内CO2的平均反应速率是 eq \f(2 ml,8 min×2 L) =0.125 ml·L-1·min-1,A项错误;由图中曲线Ⅰ可知,该反应在8 min时达到平衡,平衡混合物中有4 ml CO2、2 ml H2、2 ml CH3OH(g)和2 ml H2O(g),保持温度不变,若起始时向容器中充入4 ml CO2、2 ml H2、2 ml CH3OH(g)和1 ml H2O(g),相当于在原平衡状态的基础上减少1 ml H2O(g),则此时反应向正反应方向进行,B项正确;原平衡混合物中H2的体积分数等于20%,保持温度不变,若起始时向上述容器中充入3 ml CO2和4 ml H2,相当于对原平衡减压,平衡逆向移动,则平衡时H2的体积分数大于20%,C项错误;该反应为放热反应,由图像可知,改变条件后,化学反应速率都加快,但是Ⅱ的平衡向左移动、Ⅲ的平衡向右移动,所以曲线Ⅱ改变的条件是升高温度,曲线Ⅲ改变的条件是增大压强,D项错误。
eq \a\vs4\al(有关“量”—温度(或压强)—时间图像)
以甲醇为原料在一定条件下合成乙烯,2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g)。某研究小组将甲醇蒸气以一定的流速持续通过相同量的同种催化剂,不同温度下得到如下图像。
[问题探讨]
1.合成乙烯比较适宜的温度是多少?
提示:450 ℃。
2.一段时间后甲醇反应率下降,原因是什么?
提示:因控制甲醇流速一定,故可能是催化剂活性下降导致甲醇反应率下降。
3.由图2可知最先达到平衡的反应条件是什么?如何解释?
提示:450 ℃。温度高,反应快,最先达到平衡。
百分含量(或转化率)—时间—温度(或压强)图像
(1)图像展示
(2)解题原则——“先拐先平数值大”
在化学平衡图像中,先出现拐点的反应先达到平衡,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,生成物的百分含量降低,说明正反应是放热反应,温度升高,平衡逆向移动。
Ⅱ.表示p2>p1,A的转化率减小,说明正反应是气体总体积增大的反应,压强增大,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总体积不变的可逆反应,a增大了压强(压缩体积)。
1.一定条件下,下列反应中水蒸气含量随反应时间的变化趋势符合下图的是( )
A.CO2(g)+2NH3(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g) ΔH<0
B.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH>0
C.CH3CH2OH(g)CH2===CH2(g)+H2O(g) ΔH>0
D.2C6H5CH2CH3(g)+O2(g)2C6H5CH===CH2(g)+2H2O(g) ΔH<0
解析:选A 四个选项中水蒸气均为生成物。依左图可知:T2>T1,升温,水蒸气含量减小,平衡左移,所以正反应为放热反应即ΔH<0,B、C错;依右图可知:p1>p2,增压,水蒸气含量增加,即正反应为气体体积减小的反应,A对,D错。
2.反应:2X(g)+Y(g)2Z(g) ΔH<0,在不同温度(T1和T2)及压强(p1和p2)下,产物Z的物质的量n与反应时间t的关系如图所示。下列判断正确的是( )
A.T1
C.T1>T2,p1>p2 D.T1>T2,p1
eq \a\vs4\al(恒压(或恒温)图像)
将合成气以 eq \f(n(H2),n(CO)) =2通入1 L的反应器中,一定条件下发生反应:4H2(g)+2CO(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH,其中CO的平衡转化率随温度、压强的变化关系如图所示。
[问题探讨]
1.该反应的ΔH________0(填“>”或“<”)。
提示:压强不变时,温度升高,CO的平衡转化率减小,平衡逆向移动,故正反应为放热反应,ΔH<0。
2.p1、p2、p3由高到低的顺序是什么?
提示:固定温度不变,压强增大,平衡正向移动,CO的平衡转化率增大,故p1>p2>p3。
3.若将纵坐标由CO的平衡转化率改为CO的平衡浓度,则1、2问的推断结果发生哪些变化?
提示:ΔH>0 p1
(1)图像展示
(2)解题原则——“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,作横坐标的垂线,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,压强增大,生成物C的百分含量增大,说明正反应是气体总体积减小的反应。
1.反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)达到平衡时,A的转化率与压强、温度的关系如图所示。下列叙述正确的是( )
A.正反应是放热反应,m+n>p+q
B.正反应是吸热反应,m+n
C.正反应是放热反应,m+n
D.正反应是吸热反应,m+n>p+q D.T1>T2、p1
解析:选D 图像中有三个量,应固定一个量来分别讨论另外两个量之间的关系。固定压强,T与A的转化率的关系:同一压强下,温度越高,A的转化率越高,说明正反应是吸热反应。固定温度,压强与A的转化率的关系:同一温度下,压强越大,A的转化率越高,说明正反应是气体体积减小的反应,即m+n>p+q。
2.对于反应:2A(g)+B(g)2C(g) ΔH<0,下列图像正确的是( )
A.①② B.②③
C.③④ D.①④
解析:选D 该反应正方向是气体分子数目减小的放热反应,增大压强,平衡向正反应方向移动,A的转化率增大,B的含量减小,C的物质的量分数增大;升高温度,平衡向逆反应方向移动,A的转化率减小,B的物质的量分数增大,C的物质的量分数减小,达到平衡的时间短,故①、④正确。
eq \a\vs4\al(理解与辨析能力)
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)。
(1)反应2NO(g)+O2(g)===2NO2(g)的ΔH大于零还是小于零?
提示:随着温度的升高,NO的平衡转化率减小,平衡逆向移动,则该反应正反应为放热反应,ΔH<0。
(2)图中X点所示条件下,延长反应时间能提高NO的转化率吗?
提示:X点对应NO的转化率低于该温度下NO的平衡转化率,所以反应没有达到平衡状态,延长反应时间,可以提高NO的转化率。
(3)图中Y点所示条件下,增加O2的浓度能不能提高NO转化率?为什么?
提示:能;Y点时反应已达到平衡状态,增加O2的浓度,平衡正向移动,NO的转化率会提高。
相同时间,不同温度(或压强)下转化率或含量图像题的解题注意点:
(1)转化率(或含量)最大点为平衡点。
(2)平衡点前,温度低(或压强小)未达平衡;平衡点后,温度高(或压强大)已达平衡,在升温(或加压)下平衡发生移动。
1.取五等份NO2,分别充入五个温度不同、容积相同的恒容密闭容器中,发生反应:2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0,反应相同时间后,分别测定体系中NO2的体积分数[φ(NO2)],并作出其随反应温度(T)变化的关系图。下列示意图中,可能与实验结果相符的是( )
A.①② B.①④
C.②③ D.②④
解析:选D 恒容条件下,在五个温度不同的密闭容器中同时通入等量的NO2,反应相同的时间,那么有三种可能的情况:一是全部反应已达到平衡状态,二是部分反应还没有达到平衡状态,三是全部反应没有达到平衡状态。若五个容器中的反应在反应相同的时间后,均已达到平衡,则因为该反应是放热反应,故温度升高,平衡向逆反应方向移动,NO2的体积分数增大,所以②正确。若五个容器中的反应有未达到平衡状态的,则反应正向进行,那么温度越高,反应速率越快,则NO2转化得越快,故NO2的体积分数减少;而对于其他达到平衡状态的反应,随着温度升高,平衡左移,NO2的体积分数增大,④正确;若五个容器中的反应均未达到平衡状态,那么随着温度的升高,反应速率增大,则NO2的体积分数持续降低。综上所述,答案选D。
2.已知反应2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)的平衡常数如下表。按照相同的物质的量投料,测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。下列大小比较正确的是( )
A.平衡常数:K(a)>K(c),K(b)=K(d)
B.正反应速率:v(a)>v(c),v(b)=v(d)
C.达到平衡所需时间:t(a)=t(c),t(b)>t(d)
D.平均相对分子质量: eq \x\t(M) r(a)= eq \x\t(M) r(c), eq \x\t(M) r(b)> eq \x\t(M) r(d)
解析:选A 温度相同,平衡常数相同,不同温度时,CO的转化率越大,平衡常数越大,所以K(a)>K(c),K(b)=K(d),A项正确;根据表中数据,温度越高,平衡常数越小,说明正反应为放热反应,所以T1
[分级训练·课课过关]____________ __________________________________________
1.某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应:A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,改变反应条件,在不同的时间段内反应物与生成物的浓度随时间的变化如图甲所示,正、逆反应速率随时间的变化如图乙所示,下列说法中正确的是( )
A.30~40 min间该反应使用了催化剂
B.化学方程式中的x=1,正反应为吸热反应
C.30 min时降低温度,40 min时升高温度
D.8 min前A的平均反应速率为0.08 ml·L-1·min-1
解析:选D 若使用催化剂,则化学反应速率加快,A项错误;由甲图像可知,A、B的浓度变化相同,故A、B化学式前的系数相同,都为1;由乙图像可知,30 min时改变的条件为减小压强,40 min时改变的条件为升高温度,且升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,B、C错误;8 min前A的平均反应速率为 eq \f((2.0-1.36) ml·L-1,8 min) =0.08 ml·L-1·min-1,D项正确。
2.合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·ml-1,在反应过程中,正反应速率的变化如图。下列说法正确的是( )
A.t1时升高了温度 B.t2时使用了催化剂
C.t3时增大了压强 D.t4时降低了温度
解析:选B t1~t2,v正先增大后逐渐减小,说明平衡正向移动,而根据ΔH<0可知,该反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡应逆向移动,故t1时不是升高温度,可能是增大压强或者增大反应物浓度,A项错误;t2~t3,正、逆反应速率同等程度地增大,可能是使用了催化剂,B项正确;t3时若增大了压强,正反应速率增大,平衡正向移动,则正反应速率应先增大后减小,与图像不符,故C项错误;t4时若是降低温度,则在t3~t4平衡的基础上,v正应瞬间减小,平衡正向移动,与图像不符,故D项错误。
3.已知某可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)在密闭容器中进行,如图表示在不同反应时间t下,温度T和压强p与反应物B在混合气体中的体积分数B%的关系曲线,下列判断正确的是( )
A.T1
B.T1>T2、p1
C.T1
A.甲中t2时改变的条件一定是同倍数增大CO2和H2的浓度
B.甲中t2时改变的条件一定是加入催化剂
C.乙中t2时改变的条件可能是降低温度
D.乙中t2时改变的条件可能是增大CO2的浓度
解析:选C 由题图可知,甲中t2时正、逆反应速率均增大且相等,化学平衡不移动,由热化学方程式可知,反应前后气体体积不变,增大压强,平衡不移动,则t2时可能改变的条件是增大压强或加入催化剂,A、B项错误;乙中t2时CO2的浓度增大,CO的浓度减小,应是平衡逆向移动的结果,由于该反应的正反应是吸热反应,根据平衡移动原理知,降低温度,平衡向放热方向移动,使CO2的浓度增大,CO的浓度减小,C项正确;若t2时改变的条件是增大CO2的浓度,则CO2的浓度应瞬间增大,由于平衡正向移动,CO的浓度也会增大,与题图不符,D项错误。
5.可逆反应:aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g) ΔH=Q,同时符合下列两图中各曲线的规律的是( )
A.a+b>c+d T1>T2 Q>0
B.a+b<c+d T1>T2 Q>0
C.a+b<c+d T1<T2 Q<0
D.a+b>c+d T1<T2 Q<0
解析:选D 对于左图,先拐先平衡,说明反应速率快,即T2>T1,随温度的升高,生成物的浓度减小,平衡逆向移动,且平衡向吸热反应方向移动,即正反应是放热反应,即Q<0;对于右图,v正和v逆相交后,随压强的增大,v正大于v逆,平衡向正反应方向移动,即正反应是气体体积减小的反应,即a+b>c+d,D选项正确。
明课程标准
扣核心素养
1.认识化学反应速率、化学平衡图像的常见类型。
2.能通过分析图像,推测或解释有关化学问题,得出合理的结论。
证据推理与模型认知:理解、描述或表示有关常见类型的化学反应速率、化学平衡图像,并能运用模型分析、解释或推测有关化学问题。
温度/℃
500
700
800
平衡常数K
2.50
0.34
0.15
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