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专题十六 化学反应速率和化学平衡 -2023届（新高考）高考化学二轮复习课件
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这是一份专题十六 化学反应速率和化学平衡 -2023届（新高考）高考化学二轮复习课件，共60页。PPT课件主要包含了考情解读，考法帮▪解题能力提升，法帮▪解题能力提升，思维导引等内容，欢迎下载使用。
课标要求实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。5.知道化学反应速率的表示方法,了解测定化学反应速率的简单方法。通过实验探究,了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。知道化学反应是有历程的,认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。6.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。必做实验:化学反应速率的影响因素,探究影响化学平衡移动的因素
课标要求1.体会从限度和快慢两个方面去认识和调控化学反应的重要性。2.了解可逆反应的含义,知道可逆反应在一定条件下能达到化学平衡。知道化学反应平均速率的表示方法,通过实验探究影响化学反应速率的因素。3.认识化学变化是有条件的,学习运用变量控制方法研究化学反应,了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。4.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。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。了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。通过
高考怎么考 对于该专题,高考常以图像、表格等为载体进行命题,具有一定的综合性,考查考生提取信息、分析问题、解决问题的能力。反应速率方面,主要考查反应速率的计算及影响反应速率的因素,有时会引入反应速率常数等概念;化学平衡方面,重点考查平衡常数(Kc、Kp)、转化率、产率的计算及影响化学平衡的因素等。 预计在2022年高考中,会将化学平衡移动原理与化工生产、生活实际相结合,考查化学反应速率和化学平衡移动在社会生产、生活、科学等领域的应用,考生应予以重视
考点1 化学反应速率考点帮·必备知识通关考法帮·解题能力提升考法1 化学反应速率的计算与大小比较考法2 影响化学反应速率的因素 考点2 化学平衡状态及化学平衡的移动考点帮·必备知识通关考法帮·解题能力提升考法3 化学平衡状态的判断考法4 化学平衡移动的影响因素
考点3 化学平衡常数与转化率考点帮·必备知识通关考法帮·解题能力提升考法5 化学平衡常数的应用考法6 平衡转化率变化的分析和判断考法7 “三段式”法解答有关化学平衡考法8 等效平衡高分帮 “双一流”名校冲刺释疑难·专题突破疑难6 突破化学反应速率和化学平衡图像题的解题方法
考点 1 化学反应速率
考点帮▪必备知识通关
(3)注意事项①同一化学反应,在相同的反应时间内,用不同物质表示其反应速率,其数值可能不同,但这些数值所表示的意义相同。因此表示化学反应速率时,必须指明是用反应体系中的哪种物质作依据。②化学反应速率通常是指在某一段时间内的平均反应速率,而不是某一时刻的瞬时反应速率。③固体或纯液体(不是溶液)的浓度保持不变,可视为常数,因此不用固体或纯液体的浓度表示反应速率。
2.化学反应的历程 (1)大多数化学反应都是具有历程的。比如看似简单的氢气在氧气中燃烧生成液态水的反应,大约要经历12步反应才能完成。其中主要的四步反应为H22H·;H·+O2 ·O ·OH+H· ; ·OH+H2 H2O+H·。(2)反应历程的相关概念①基元反应:大多数反应是分步完成的,其中的每一步反应称为基元反应。例如,H·+O2 ·OH+O·即为H2和O2生成H2O的反应中的一个基元反应。②反应历程:基元反应构成的反应序列称为反应历程,又称反应机理。③过渡态:旧键没有完全断裂、新键没有完全形成的状态。如基元反应H2+Cl· HCl+H·,由Cl·与H2分子碰撞,导致H—H键断裂、H—Cl键形成的过程中经历一个高能量的中间状态H…H…Cl,即为过渡态。
注意1.微粒H·、· OH和O· 存在未成对电子,它们称为自由基(H· 和O· 也称为自由原子)。自由基的反应活性很强,寿命极短。2.反应历程是由诸多基元反应组成的,其中反应速率最慢的基元反应决定总反应的速率。3.同一反应,在不同条件下的反应历程也可能不同。反应物的结构和反应条件决定一个反应的反应历程,而反应历程的差别又造成了化学反应速率的不同。4.大多数化学反应都是分步完成的,但是也有少数化学反应是一步完成的,如H++OH- H2O。
考法帮▪解题能力提升
考法1 化学反应速率的计算与大小比较1.化学反应速率的计算方法以化学反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)为例。
2.定量法比较化学反应速率的大小以化学反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)为例。
命题角度1 化学反应速率的计算示例1 [海南高考]硝基苯甲酸乙酯在OH-存在下发生水解反应:O2NC6H4COOC2H5+OH- O2NC6H4COO-+C2H5OH两种反应物的初始浓度均为0.050 ml·L-1,15 ℃时测得O2NC6H4COOC2H5的转化率α随时间变化的数据如表所示。回答下列问题:列式计算该反应在120~180 s与180~240 s区间的平均反应速率 、 ;比较两者大小可得出的结论是 。
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 。 (3)[2018全国卷Ⅲ,28节选,11分]三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。对于反应2SiHCl3(g) SiH2Cl2(g)+SiCl4(g),采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂,在323 K和343 K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图2所示。
考法2 影响化学反应速率的因素1.内因(1)活化能活化能是指为了能发生化学反应,普通分子变成活化分子所需要吸收的最小能量,即活化分子比普通分子所多出的那部分能量。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。(2)活化能与反应热的关系①活化分子:能够发生有效碰撞的分子。
②活化能a.在无催化剂的情况下:E1为正反应的活化能;E2为逆反应的活化能;E1-E2为此反应的焓变(ΔH)。b.有催化剂时,总反应分成了两个反应步骤(也可能为多个),反应①为吸热反应,产物为总反应的中间产物,反应②为放热反应;总反应为放热反应。c.催化剂的作用:降低E1、E2,但不影响ΔH,反应是放热反应还是吸热反应取决于起点(反应物)能量和终点(生成物)能量的相对大小。
考向拓展某温度下,反应2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g)的平衡常数为1.68×1060,从热力学角度看,该反应向右进行的程度很大,但实际汽车尾气净化装置中该反应向右进行的程度很小,原因可能是 ,要增大汽车尾气净化装置中单位时间内该反应向右进行的程度,关键是 。 答案 该反应正反应的活化能较高,反应速率较小 寻找高效催化剂点拨:当K>1.0×105时,理论上认为该反应进行得较完全,题述反应的K=1.68×1060≫1.0×105,理论上反应向右进行的程度应该很大,但实际上反应向右进行的程度却很小,可能是该反应正反应的活化能较大,反应速率较小所致,所以要增大汽车尾气净化装置中单位时间内该反应向右进行的程度,就需要提高该反应的反应速率,解决这个问题的关键是寻找高效催化剂。
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、接触面积等因素不同。(1)浓度、温度、压强的影响
考向拓展压强对反应速率的影响:若正反应是气体分子数减小的反应,增大压强,v正、v逆均增大,但v正增大的幅度更大;减小压强,v正、v逆均减小,但v正减小的幅度更大。若反应前后气体分子数不变:改变压强,v正、v逆同等程度改变。
(2)催化剂的影响①添加催化剂→降低反应的活化能→活化分子百分数增大→有效碰撞频率提高→化学反应速率增大。②添加催化剂→降低反应的活化能→降低反应所需的温度→减少能耗。③添加催化剂能改变反应的路径,如人教版《化学》(必修2)第74页实验3-3中乙醇的催化氧化实验,该实验的总反应为2CH3CH2OH+O2 2CH3CHO+2H2O,活化能为E总;使用铜丝作催化剂先发生反应2Cu+O2 2CuO,再发生反应CH3CH2OH+CuO CH3CHO+Cu+H2O。④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率的作用。⑤酶作催化剂的特点:高效性、专一性、温和性。
命题角度1 影响化学反应速率的内因示例3 [2016全国卷Ⅲ,27改编]采用NaClO2溶液作为吸收剂可同时对煤燃烧排放的烟气(含有SO2和NOx)进行脱硫、脱硝。在鼓泡反应器中通入含有SO2和NO的烟气,反应温度323 K,NaClO2溶液浓度为5×10-3 ml/L。反应一段时间后溶液中离子浓度的分析结果如表所示。由实验结果可知,脱硫反应速率 脱硝反应速率(填“大于”或“小于”)。原因是除了SO2和NO在烟气中的初始浓度不同外,还可能是 。
命题角度2 影响化学反应速率的外因示例4 T ℃时,向一容积为2 L的密闭容器中充入2 ml A、0.6 ml C和一定量的B三种气体,一定条件下发生反应。其相关信息如下:图1中t0~t1阶段c(B)未画出;图2中t2、t3、t4时刻改变的条件分别是温度、压强、催化剂中的一种。
(1)反应的化学方程式可以写为 ,该反应的ΔH 0(填“>”或“<”),t2时刻改变的条件是 。 (2)维持温度不变,在t1时刻再向该容器中加入1 ml A、0.5 ml B、0.3 ml C,重新达平衡后A的转化率为 。 解析 (1)图2中t2、t3、t4时刻改变的条件分别是温度、压强、催化剂中的一种,t2时刻正、逆反应速率同等程度增大,改变的条件是催化剂;t3时刻正、逆反应速率同等程度减小,据此推断出改变的条件是压强,且减小压强平衡不移动,故该反应是前后气体分子数不变的可逆反应;t4时刻升高温度逆反应速率比正反应速率增大得多,表明该反应的逆过程是吸热反应。综上所述,该反
应是气体分子数不变的放热反应。根据浓度-时间图像确定化学反应方程式:图1中,t0~t1时间段,Δc(A)=0.2 ml·L-1,Δc(C)=0.3 ml·L-1,根据前面判断的该反应是前后气体分子数不变的可逆反应知,该反应的化学方程式为2A+B 3C,依据各物质浓度变化之比等于化学计量数之比,得出Δc(B)=0.1 ml·L-1,B的起始浓度c(B)=(0.4+0.1) ml·L-1=0.5 ml·L-1。(2)由图1知t1时刻达到平衡时A的转化率为20%;t1时刻平衡后按起始各物质的比值再向该容器中加入1 ml A、0.5 ml B、0.3 ml C,相当于起始时充入3 ml A、1.5 ml B和0.9 ml C,容积不变,压强增大,反应前后气体分子数不变的可逆反应平衡不移动,重新达平衡后A的转化率不变,仍为20%。答案 (1)2A+B 3C < 催化剂 (2)20%
(1)B是A的对比实验,则a= 。 (2)比较A、B、C,可得出的结论是 。 (3)实验表明,SO2的歧化反应速率D>A。结合i、ii反应速率解释原因: 。
解析 (1)由于B是A的对比实验,所以两组实验中KI的浓度必须相同,即a=0.4。(2)A说明I-能催化二氧化硫发生歧化反应。C中无明显现象,说明H+单独存在时不具有催化作用,不能使二氧化硫歧化反应速率增大。B中溶液变黄,出现浑浊较A快,结合C可知,增强溶液的酸性,可增强I-的催化效果。(3)由于I-催化二氧化硫的歧化反应是i与ii两个过程分步进行的,所以两个反应中任何一个反应的速率都会影响总反应的速率。D中直接加入I2,故反应ii可立即发生,而由反应ii产生的H+可使反应i速率增大,所以D的反应速率比A的大。答案 (1)0.4 (2)I-是SO2歧化反应的催化剂,H+单独存在时不具有催化作用,但H+可以加快歧化反应速率 (3)反应ii比i快;D中由反应ii产生的H+使反应i加快
考点2 化学平衡状态及化学平衡的移动
1.可逆反应(1)定义在相同条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的化学反应,称为可逆反应。在可逆反应中使用“ ”。(2)特点①二同:相同条件;正、逆反应同时进行。②一小:反应物与生成物同时存在,任一组分的转化率都小于100%。③能量转化可逆。若正反应是吸(放)热反应 ,则逆反应是放(吸)热反应。
2.化学平衡状态一定条件下的可逆反应,当反应进行到一定程度时,正反应速率和逆反应速率相等,反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持恒定的状态,我们称之为“化学平衡状态”,简称“化学平衡”。3.化学平衡状态的特征
4.化学平衡的移动 (1)化学平衡的移动过程(2)影响化学平衡移动的因素①温度:在其他条件不变的情况下,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。
②浓度:在其他条件不变的情况下,增大反应物浓度或减小生成物浓度,化学平衡向正反应方向移动;减小反应物浓度或增大生成物浓度,化学平衡向逆反应方向移动。③压强:对于反应前后总体积发生变化的化学反应,在其他条件不变的情况下,增大压强(压缩容器体积),化学平衡向气体体积减小的方向移动;减小压强(增大容器体积),化学平衡向气体体积增大的方向移动。注意因压强的影响实质是对浓度的影响,所以只有当压强“改变”能造成浓度改变时,化学平衡才可能移动。④催化剂:由于催化剂能同时、同等程度地改变正反应速率和逆反应速率,故其对化学平衡的移动无影响。催化剂可以缩短达到平衡所需的时间。
考法3 化学平衡状态的判断1.化学平衡时的情况(1)v正=v逆。(2)变量不变:如果一个量是随反应进行而改变的,当这个量不变时为平衡状态。2.判断化学平衡状态常用的方法以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例进行说明。
命题角度 化学平衡状态的判断示例6 [2018浙江4月选考,14,2分]反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0,若在恒压绝热容器中发生,下列选项表明反应一定已达平衡状态的是A.容器内的温度不再变化B.容器内的压强不再变化C.相同时间内,断开H—H键的数目和生成N—H键的数目相等D.容器内气体的浓度c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2
解析 因该反应在恒压绝热容器中进行且为放热反应,当容器内的温度不再变化时,说明放出的热量不再变化,可以判断反应已达平衡状态,A项正确;因反应在恒压条件下进行,压强始终不变,故压强不再变化不能表明反应一定已达平衡状态,B项错误;相同时间内,断开H—H键的数目和生成N—H键的数目相等,不能表明反应一定已达平衡状态,C项错误;容器内气体的浓度c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2,不能表明反应一定已达平衡状态,D项错误。答案 A考法点睛·学习理解“反应混合物中各组分的浓度之比(或物质的量之比)等于化学计量数之比”不是平衡状态的必然标志,所以不能据此判断反应是否达到平衡状态。
考法4 化学平衡移动的影响因素1.解答化学平衡移动问题的一般思路
2.浓度、压强或温度对化学平衡移动影响的几种特殊情况(1)不要把v正增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有当v正>v逆时,平衡才向正反应方向移动。(2)改变固体或纯液体的量,对平衡无影响。(3)当反应混合物中不存在气态物质时,压强的改变对其化学平衡无影响。(4)对于反应前后气体分子数无变化的反应,如H2(g)+I2(g)2HI(g),压强的改变对平衡无影响,但增大(或减小)压强会使各物质的浓度增大(或减小),混合气体的颜色变深(或变浅)。(5)恒容时,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,增大(减小)浓度相当于增大(减小)压强。
命题角度 分析影响化学平衡移动的因素示例7 [2018天津,5,6分]室温下,向圆底烧瓶中加入1 ml C2H5OH和含1ml HBr的氢溴酸,溶液中发生反应:C2H5OH+HBr C2H5Br+H2O,充分反应后达到平衡。已知常压下,C2H5Br和C2H5OH的沸点分别为38.4 ℃和78.5 ℃。下列有关叙述错误的是A.加入NaOH,可增大乙醇的物质的量B.增大HBr浓度,有利于生成C2H5BrC.若反应物均增大至2 ml,则两种反应物平衡转化率之比不变D.若起始温度提高至60 ℃,可缩短反应达到平衡的时间
解析 加入NaOH,c(HBr)减小,平衡向逆反应方向移动,乙醇的物质的量增大,A项正确;增大HBr浓度,平衡向正反应方向移动,有利于生成C2H5Br,B项正确;若反应物按照化学计量数之比加入溶液中,则各物质的平衡转化率相等,故反应物均增大至2 ml,两种反应物平衡转化率之比不变,C项正确;若起始温度提高至60 ℃,生成物C2H5Br为气态,能够从反应体系中逸出,导致反应不断向正反应方向进行,因此不能缩短反应达到平衡的时间,D项错误。答案 D
考点2 化学平衡常数与转化率
1.化学平衡常数(1)定义 在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,这个常数就是该反应的化学平衡常数(简称平衡常数),用符号K表示。(2)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
3.化学反应进行的方向(1)自发过程①含义:在一定条件下,不需要借助外力就可以自动进行的过程。②特点a.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);b.在密闭条件下,体系有从有序自发地转变为无序的倾向(无序体系更加稳定)。(2)化学反应方向的判据①焓判据放热反应过程中体系能量降低,ΔH<0,具有自发进行的倾向。但有些吸热反
应也可以自发进行,故只用焓变判断反应进行的方向有一定的局限性。②熵判据a.熵的大小:同种物质,三种聚集状态下,熵值由大到小的顺序为S(g)>S(l)>S(s)。b.熵判据:体系的混乱度增加,ΔS>0,反应有自发进行的倾向。但有些熵减的过程也能自发进行,故只用熵变来判断反应进行的方向也不全面。③复合判据——自由能变化判据(ΔG)ΔG=ΔH-TΔS(T为开尔文温度)。ΔG<0,则反应能自发进行;ΔG>0,则反应不能自发进行。
高考链接1.[2015天津,3A]Na与H2O的反应是熵增的放热反应,该反应能自发进行( )2.[天津高考]某吸热反应能自发进行,因此该反应是熵增反应( )3.[江苏高考]2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g)在常温下能自发进行,则该反应的ΔH>0( )4.[江苏高考节选]反应NH3(g)+HCl(g) NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0( )答案 1.√ 2.√ 3.✕ 4.√
考法 5 化学平衡常数的应用1.判断反应能否进行完全温度一定时,K值越大,说明平衡体系中生成物所占的比例越大,它的正向反应进行的程度越大,反应物的转化率越大;反之,转化率就越小。一般K>105时,就可以认为反应基本进行完全。2.判断反应进行的方向Qc为浓度积,当Qc>K时,平衡逆向移动;当Qc=K时,平衡不移动;当Qc
考法6 平衡转化率变化的分析和判断常见的平衡转化率变化类型(用α表示物质的平衡转化率,φ表示气体的体积分数):
命题角度1 平衡转化率变化的判断示例9 在恒温恒容密闭容器中,分别发生下列反应:①2NO2(g) N2O4(g)②2HI(g) H2(g)+I2(g)③2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)反应①、②、③达到平衡后分别充入适量反应物,再次达到平衡后,反应物的转化率分别 、 、 (填“增大”“减小”或“不变”)。
解析 要善于建立模型来解题。反应达到平衡后分别充入适量反应物相当于增大压强,根据勒夏特列原理知,其他条件不变,增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动,则反应①平衡向右移动,反应物的转化率增大;反应②平衡不移动,反应物的转化率不变;反应③平衡向左移动,反应物的转化率减小。答案 增大 不变 减小
命题角度2 提高平衡转化率的方法解析10 [2019全国卷Ⅲ,28节选,8分]近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题:(1)Deacn发明的直接氧化法为4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)。如图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系:
可知反应平衡常数K(300 ℃) K(400 ℃)(填“大于”或“小于”)。设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400 ℃)= (列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率,同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是 、 。 (2)在一定温度的条件下,进一步提高HCl的转化率的方法是 。(写出2种)
A.升高温度 B.降低温度 C.增大压强 D.降低压强(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是 。 (3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是 、 ;590 ℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是 。
答案 (1)+123 小于 AD (2)氢气是产物之一,随着n(氢气)/n(丁烷)增大,逆反应速率增大 (3)升高温度有利于反应向吸热方向进行 温度升高反应速率加快 丁烯高温裂解生成短链烃类
考法归纳·学习理解转化率分为非平衡转化率和平衡转化率,非平衡转化率随反应速率增大而增大;平衡转化率的变化符合勒夏特列原理,具体如表所示:
命题角度1 浓度平衡常数的计算示例12 [2017全国卷Ⅰ,28节选,8分]H2S与CO2在高温下发生反应:H2S(g)+CO2(g) COS(g)+H2O(g)。在610 K时,将0.10 ml CO2与0.40 ml H2S充入2.5 L的空钢瓶中,反应平衡后水的物质的量分数为0.02。(1)H2S的平衡转化率α1= %,反应平衡常数K= 。 (2)在620 K重复实验,平衡后水的物质的量分数为0.03,H2S的转化率α2 α1,该反应的ΔH 0。(填“>”“<”或“=”) (3)向反应器中再分别充入下列气体,能使H2S转化率增大的是 (填标号)。A.H2S B.CO2 C.COS D.N2
H2O的物质的量分数增大,说明平衡正向移动,H2S的转化率增大。即升高温度,平衡向正反应方向移动,正反应是吸热反应。(3)平衡之后,再充入H2S,则CO2的转化率增大,H2S的转化率减小,A项错误;充入CO2,平衡正向移动,H2S的转化率增大,B项正确;充入COS,平衡逆向移动,H2S的转化率减小,C项错误;充入N2,无论体积是否变化,对于气体分子数相等的反应,平衡不移动,H2S的转化率不变,D项错误。答案 (1)2.5 2.8×10-3 (2)> > (3)B
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)。 (2)[2020全国卷Ⅱ,28改编]乙烷在一定条件可发生如下反应:C2H6(g) C2H4(g)+H2(g) ΔH1=+137kJ·ml-1。①提高该反应平衡转化率的方法有 、 。 ②容器中通入等物质的量的乙烷和氢气,在等压下(p)发生上述反应,乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
②假设起始总量为100 ml ,则n(SO2)为2m ml、n(O2)为m ml、n(N2)为q ml,则3m+q=100。
考法8 等效平衡1.等效平衡的概念在一定条件下(恒温恒容或恒温恒压),同一可逆反应体系,不管是从正反应方向开始,还是从逆反应方向开始,只要任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。2.等效平衡的判断及应用(1)恒温恒容条件下等效平衡的判断①反应前后气体分子数不等的可逆反应改变起始时加入物质的物质的量,若按可逆反应化学计量数之比换算成同
一边的物质,其物质的量对应相等,则它们互为等效平衡。以可逆反应:2A(g)+B(g) C(g)+D(g)为例:
②反应前后气体分子数相等的可逆反应改变起始时加入物质的物质的量,若按可逆反应化学计量数之比换算成同一边的物质,其物质的量对应成比例,则它们互为等效平衡。以可逆反应:2A(g)+B(g) 3C(g)+D(s)为例:
(2)恒温恒压下等效平衡的判断在恒温恒压条件下,对于任何有气体物质参加的可逆反应,改变起始时加入物质的物质的量,若按可逆反应化学计量数之比换算成同一边的物质,其物质的量对应成比例,则它们互为等效平衡。以可逆反应:2A(g)+B(g) 3C(g)+D(g)为例:
命题角度 等效平衡的应用示例14 [2015天津,6,6分]某温度下,在2 L的密闭容器中,加入1 ml X(g)和2 ml Y(g)发生反应:X(g)+mY(g) 3Z(g),平衡时,X、Y、Z的体积分数分别为30%、60%、10%。在此平衡体系中加入1 ml Z(g),再次达到平衡后,X、Y、Z的体积分数不变。下列叙述不正确的是A.m=2B.两次平衡的平衡常数相同C.X与Y的平衡转化率之比为1∶1D.第二次平衡时,Z的浓度为0.4 ml·L-1
核心素养对接 核心素养之“证据推理与模型认知”——构建等效平衡思维模型1.构建恒温恒容平衡思维模型(图甲)新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单地叠加并压缩而成,相当于增大压强。2.构建恒温恒压平衡思维模型(以气体物质的量增加的反应为例,图乙)新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单地叠加,压强不变,平衡不移动。
疑难6 突破化学反应速率和化学平衡图像题的解题方法突破点1 v-t图速率-时间图:逐一改变各项条件,正、逆反应速率随时间的变化情况与平衡移动方向的关系如表所示[以2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0为例]。
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示例15 [2015新课标全国卷Ⅰ,28改编]Bdensteins研究了下列反应:2HI(g) H2(g)+I2(g) ΔH>0 在716 K时,气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t 的关系如下表:由上述实验数据计算得到v正~x(HI)和v逆~x(H2)的关系可用下图表示。当升高到某一温度时,反应重新达到平衡,相应的点分别为 (填字母)。
解析 升高温度前达到平衡时x(HI)=0.784,由“三段式”法知x(H2)=0.108。升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡正向移动,HI的物质的量分数减小,H2的物质的量分数增大,分析题图,反应重新达到平衡时,相应的点分别是A、E。答案 A、E
突破点2 物质参数-时间图1.浓度-时间图:如A(g)+B(g) AB(g)的反应情况如图1所示。2.含量-时间图,常见形式有以下几种(C指某生成物;B指某反应物)。
示例16 [α-t图像]已知:2CH3COCH3(l) CH3COCH2COH(CH3)2(l)。取等量CH3COCH3分别在0 ℃和20 ℃下反应,测得其转化率(α)随时间(t)变化的曲线如图所示。下列说法正确的是A.曲线Ⅱ表示20 ℃时的转化反应B.升高温度能提高反应物的平衡转化率C.在a点时,曲线Ⅰ和曲线Ⅱ表示反应的化学平衡常数相等D.化学反应速率的大小顺序为d>b>c
解析 根据“先拐先平数值大”可知,曲线Ⅰ先达到平衡状态,因此曲线Ⅰ对应的温度较高,曲线Ⅰ表示20 ℃时的转化反应,A项错误。曲线Ⅰ温度较高,但平衡转化率较低,故升高温度能降低反应物的平衡转化率,B项错误。a点时,虽然曲线Ⅰ和曲线Ⅱ表示的CH3COCH3的转化率相等,但化学平衡常数仅与温度有关,它们对应的温度不同,则平衡常数不相等,C项错误。b点处温度比c点处高且转化率相同,故b点处反应速率比c点处大。d点处比b点处转化率低,故d点处反应物浓度比b点处的大,d点处反应速率比b点处大,故化学反应速率的大小顺序为d>b>c,D项正确答案 D
示例17 [c-t图像][2020河南郑州模拟]COCl2的分解反应为COCl2(g) Cl2(g)+CO(g) ΔH=+108 kJ·ml-1。某科研小组研究反应体系达到平衡后改变外界条件,各物质的浓度在不同条件下的变化状况,结果如图所示。下列有关判断不正确的是A.第4 min时,改变的反应条件是升高温度B.第6 min时,v正(COCl2)>v逆(COCl2)C.第8 min时的化学平衡常数K=2.34D.第10~14 min未标出COCl2的浓度变化曲线
突破点3 物质参数-温度(压强)图物质参数-温度(压强)图像的纵轴一般为物质的量浓度(c)或反应物的转化率(α),横轴为温度(T)或压强(p),常见类型如图所示。
示例18 [α-T(p)图像][2015北京,26节选,4分]反应:2H2SO4(l) 2SO2(g)+O2(g)+2H2O(g) ΔH=+550 kJ·ml-1。它由两步反应组成:i.H2SO4(l) SO3(g)+H2O(g) ΔH=+177 kJ·ml-1;ii.SO3(g)分解。L(L1、L2)、X可分别代表压强或温度。如图表示L一定时,ii中SO3(g)的平衡转化率随X的变化关系。
解析 (1)根据盖斯定律得出2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g) ΔH=+196 kJ·ml-1,该反应是吸热反应,若X为温度,当压强不变升高温度时,SO3的平衡转化率升高,不符合题图中曲线的变化趋势;该反应为气体分子数增大的反应,若X为压强,当温度不变增大压强时,平衡向逆反应方向移动,SO3的平衡转化率降低,符合题图中曲线的变化趋势,所以X为压强,L为温度。(2)该反应为吸热反应,若压强不变升高温度,则SO3的平衡转化率升高,所以L2>L1。答案 (1)压强 (2)L1
课标要求实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。5.知道化学反应速率的表示方法,了解测定化学反应速率的简单方法。通过实验探究,了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。知道化学反应是有历程的,认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。6.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。必做实验:化学反应速率的影响因素,探究影响化学平衡移动的因素
课标要求1.体会从限度和快慢两个方面去认识和调控化学反应的重要性。2.了解可逆反应的含义,知道可逆反应在一定条件下能达到化学平衡。知道化学反应平均速率的表示方法,通过实验探究影响化学反应速率的因素。3.认识化学变化是有条件的,学习运用变量控制方法研究化学反应,了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。4.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。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。了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。通过
高考怎么考 对于该专题,高考常以图像、表格等为载体进行命题,具有一定的综合性,考查考生提取信息、分析问题、解决问题的能力。反应速率方面,主要考查反应速率的计算及影响反应速率的因素,有时会引入反应速率常数等概念;化学平衡方面,重点考查平衡常数(Kc、Kp)、转化率、产率的计算及影响化学平衡的因素等。 预计在2022年高考中,会将化学平衡移动原理与化工生产、生活实际相结合,考查化学反应速率和化学平衡移动在社会生产、生活、科学等领域的应用,考生应予以重视
考点1 化学反应速率考点帮·必备知识通关考法帮·解题能力提升考法1 化学反应速率的计算与大小比较考法2 影响化学反应速率的因素 考点2 化学平衡状态及化学平衡的移动考点帮·必备知识通关考法帮·解题能力提升考法3 化学平衡状态的判断考法4 化学平衡移动的影响因素
考点3 化学平衡常数与转化率考点帮·必备知识通关考法帮·解题能力提升考法5 化学平衡常数的应用考法6 平衡转化率变化的分析和判断考法7 “三段式”法解答有关化学平衡考法8 等效平衡高分帮 “双一流”名校冲刺释疑难·专题突破疑难6 突破化学反应速率和化学平衡图像题的解题方法
考点 1 化学反应速率
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(3)注意事项①同一化学反应,在相同的反应时间内,用不同物质表示其反应速率,其数值可能不同,但这些数值所表示的意义相同。因此表示化学反应速率时,必须指明是用反应体系中的哪种物质作依据。②化学反应速率通常是指在某一段时间内的平均反应速率,而不是某一时刻的瞬时反应速率。③固体或纯液体(不是溶液)的浓度保持不变,可视为常数,因此不用固体或纯液体的浓度表示反应速率。
2.化学反应的历程 (1)大多数化学反应都是具有历程的。比如看似简单的氢气在氧气中燃烧生成液态水的反应,大约要经历12步反应才能完成。其中主要的四步反应为H22H·;H·+O2 ·O ·OH+H· ; ·OH+H2 H2O+H·。(2)反应历程的相关概念①基元反应:大多数反应是分步完成的,其中的每一步反应称为基元反应。例如,H·+O2 ·OH+O·即为H2和O2生成H2O的反应中的一个基元反应。②反应历程:基元反应构成的反应序列称为反应历程,又称反应机理。③过渡态:旧键没有完全断裂、新键没有完全形成的状态。如基元反应H2+Cl· HCl+H·,由Cl·与H2分子碰撞,导致H—H键断裂、H—Cl键形成的过程中经历一个高能量的中间状态H…H…Cl,即为过渡态。
注意1.微粒H·、· OH和O· 存在未成对电子,它们称为自由基(H· 和O· 也称为自由原子)。自由基的反应活性很强,寿命极短。2.反应历程是由诸多基元反应组成的,其中反应速率最慢的基元反应决定总反应的速率。3.同一反应,在不同条件下的反应历程也可能不同。反应物的结构和反应条件决定一个反应的反应历程,而反应历程的差别又造成了化学反应速率的不同。4.大多数化学反应都是分步完成的,但是也有少数化学反应是一步完成的,如H++OH- H2O。
考法帮▪解题能力提升
考法1 化学反应速率的计算与大小比较1.化学反应速率的计算方法以化学反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)为例。
2.定量法比较化学反应速率的大小以化学反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)为例。
命题角度1 化学反应速率的计算示例1 [海南高考]硝基苯甲酸乙酯在OH-存在下发生水解反应:O2NC6H4COOC2H5+OH- O2NC6H4COO-+C2H5OH两种反应物的初始浓度均为0.050 ml·L-1,15 ℃时测得O2NC6H4COOC2H5的转化率α随时间变化的数据如表所示。回答下列问题:列式计算该反应在120~180 s与180~240 s区间的平均反应速率 、 ;比较两者大小可得出的结论是 。
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
考法2 影响化学反应速率的因素1.内因(1)活化能活化能是指为了能发生化学反应,普通分子变成活化分子所需要吸收的最小能量,即活化分子比普通分子所多出的那部分能量。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。(2)活化能与反应热的关系①活化分子:能够发生有效碰撞的分子。
②活化能a.在无催化剂的情况下:E1为正反应的活化能;E2为逆反应的活化能;E1-E2为此反应的焓变(ΔH)。b.有催化剂时,总反应分成了两个反应步骤(也可能为多个),反应①为吸热反应,产物为总反应的中间产物,反应②为放热反应;总反应为放热反应。c.催化剂的作用:降低E1、E2,但不影响ΔH,反应是放热反应还是吸热反应取决于起点(反应物)能量和终点(生成物)能量的相对大小。
考向拓展某温度下,反应2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g)的平衡常数为1.68×1060,从热力学角度看,该反应向右进行的程度很大,但实际汽车尾气净化装置中该反应向右进行的程度很小,原因可能是 ,要增大汽车尾气净化装置中单位时间内该反应向右进行的程度,关键是 。 答案 该反应正反应的活化能较高,反应速率较小 寻找高效催化剂点拨:当K>1.0×105时,理论上认为该反应进行得较完全,题述反应的K=1.68×1060≫1.0×105,理论上反应向右进行的程度应该很大,但实际上反应向右进行的程度却很小,可能是该反应正反应的活化能较大,反应速率较小所致,所以要增大汽车尾气净化装置中单位时间内该反应向右进行的程度,就需要提高该反应的反应速率,解决这个问题的关键是寻找高效催化剂。
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、接触面积等因素不同。(1)浓度、温度、压强的影响
考向拓展压强对反应速率的影响:若正反应是气体分子数减小的反应,增大压强,v正、v逆均增大,但v正增大的幅度更大;减小压强,v正、v逆均减小,但v正减小的幅度更大。若反应前后气体分子数不变:改变压强,v正、v逆同等程度改变。
(2)催化剂的影响①添加催化剂→降低反应的活化能→活化分子百分数增大→有效碰撞频率提高→化学反应速率增大。②添加催化剂→降低反应的活化能→降低反应所需的温度→减少能耗。③添加催化剂能改变反应的路径,如人教版《化学》(必修2)第74页实验3-3中乙醇的催化氧化实验,该实验的总反应为2CH3CH2OH+O2 2CH3CHO+2H2O,活化能为E总;使用铜丝作催化剂先发生反应2Cu+O2 2CuO,再发生反应CH3CH2OH+CuO CH3CHO+Cu+H2O。④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率的作用。⑤酶作催化剂的特点:高效性、专一性、温和性。
命题角度1 影响化学反应速率的内因示例3 [2016全国卷Ⅲ,27改编]采用NaClO2溶液作为吸收剂可同时对煤燃烧排放的烟气(含有SO2和NOx)进行脱硫、脱硝。在鼓泡反应器中通入含有SO2和NO的烟气,反应温度323 K,NaClO2溶液浓度为5×10-3 ml/L。反应一段时间后溶液中离子浓度的分析结果如表所示。由实验结果可知,脱硫反应速率 脱硝反应速率(填“大于”或“小于”)。原因是除了SO2和NO在烟气中的初始浓度不同外,还可能是 。
命题角度2 影响化学反应速率的外因示例4 T ℃时,向一容积为2 L的密闭容器中充入2 ml A、0.6 ml C和一定量的B三种气体,一定条件下发生反应。其相关信息如下:图1中t0~t1阶段c(B)未画出;图2中t2、t3、t4时刻改变的条件分别是温度、压强、催化剂中的一种。
(1)反应的化学方程式可以写为 ,该反应的ΔH 0(填“>”或“<”),t2时刻改变的条件是 。 (2)维持温度不变,在t1时刻再向该容器中加入1 ml A、0.5 ml B、0.3 ml C,重新达平衡后A的转化率为 。 解析 (1)图2中t2、t3、t4时刻改变的条件分别是温度、压强、催化剂中的一种,t2时刻正、逆反应速率同等程度增大,改变的条件是催化剂;t3时刻正、逆反应速率同等程度减小,据此推断出改变的条件是压强,且减小压强平衡不移动,故该反应是前后气体分子数不变的可逆反应;t4时刻升高温度逆反应速率比正反应速率增大得多,表明该反应的逆过程是吸热反应。综上所述,该反
应是气体分子数不变的放热反应。根据浓度-时间图像确定化学反应方程式:图1中,t0~t1时间段,Δc(A)=0.2 ml·L-1,Δc(C)=0.3 ml·L-1,根据前面判断的该反应是前后气体分子数不变的可逆反应知,该反应的化学方程式为2A+B 3C,依据各物质浓度变化之比等于化学计量数之比,得出Δc(B)=0.1 ml·L-1,B的起始浓度c(B)=(0.4+0.1) ml·L-1=0.5 ml·L-1。(2)由图1知t1时刻达到平衡时A的转化率为20%;t1时刻平衡后按起始各物质的比值再向该容器中加入1 ml A、0.5 ml B、0.3 ml C,相当于起始时充入3 ml A、1.5 ml B和0.9 ml C,容积不变,压强增大,反应前后气体分子数不变的可逆反应平衡不移动,重新达平衡后A的转化率不变,仍为20%。答案 (1)2A+B 3C < 催化剂 (2)20%
(1)B是A的对比实验,则a= 。 (2)比较A、B、C,可得出的结论是 。 (3)实验表明,SO2的歧化反应速率D>A。结合i、ii反应速率解释原因: 。
解析 (1)由于B是A的对比实验,所以两组实验中KI的浓度必须相同,即a=0.4。(2)A说明I-能催化二氧化硫发生歧化反应。C中无明显现象,说明H+单独存在时不具有催化作用,不能使二氧化硫歧化反应速率增大。B中溶液变黄,出现浑浊较A快,结合C可知,增强溶液的酸性,可增强I-的催化效果。(3)由于I-催化二氧化硫的歧化反应是i与ii两个过程分步进行的,所以两个反应中任何一个反应的速率都会影响总反应的速率。D中直接加入I2,故反应ii可立即发生,而由反应ii产生的H+可使反应i速率增大,所以D的反应速率比A的大。答案 (1)0.4 (2)I-是SO2歧化反应的催化剂,H+单独存在时不具有催化作用,但H+可以加快歧化反应速率 (3)反应ii比i快;D中由反应ii产生的H+使反应i加快
考点2 化学平衡状态及化学平衡的移动
1.可逆反应(1)定义在相同条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的化学反应,称为可逆反应。在可逆反应中使用“ ”。(2)特点①二同:相同条件;正、逆反应同时进行。②一小:反应物与生成物同时存在,任一组分的转化率都小于100%。③能量转化可逆。若正反应是吸(放)热反应 ,则逆反应是放(吸)热反应。
2.化学平衡状态一定条件下的可逆反应,当反应进行到一定程度时,正反应速率和逆反应速率相等,反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持恒定的状态,我们称之为“化学平衡状态”,简称“化学平衡”。3.化学平衡状态的特征
4.化学平衡的移动 (1)化学平衡的移动过程(2)影响化学平衡移动的因素①温度:在其他条件不变的情况下,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。
②浓度:在其他条件不变的情况下,增大反应物浓度或减小生成物浓度,化学平衡向正反应方向移动;减小反应物浓度或增大生成物浓度,化学平衡向逆反应方向移动。③压强:对于反应前后总体积发生变化的化学反应,在其他条件不变的情况下,增大压强(压缩容器体积),化学平衡向气体体积减小的方向移动;减小压强(增大容器体积),化学平衡向气体体积增大的方向移动。注意因压强的影响实质是对浓度的影响,所以只有当压强“改变”能造成浓度改变时,化学平衡才可能移动。④催化剂:由于催化剂能同时、同等程度地改变正反应速率和逆反应速率,故其对化学平衡的移动无影响。催化剂可以缩短达到平衡所需的时间。
考法3 化学平衡状态的判断1.化学平衡时的情况(1)v正=v逆。(2)变量不变:如果一个量是随反应进行而改变的,当这个量不变时为平衡状态。2.判断化学平衡状态常用的方法以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例进行说明。
命题角度 化学平衡状态的判断示例6 [2018浙江4月选考,14,2分]反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0,若在恒压绝热容器中发生,下列选项表明反应一定已达平衡状态的是A.容器内的温度不再变化B.容器内的压强不再变化C.相同时间内,断开H—H键的数目和生成N—H键的数目相等D.容器内气体的浓度c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2
解析 因该反应在恒压绝热容器中进行且为放热反应,当容器内的温度不再变化时,说明放出的热量不再变化,可以判断反应已达平衡状态,A项正确;因反应在恒压条件下进行,压强始终不变,故压强不再变化不能表明反应一定已达平衡状态,B项错误;相同时间内,断开H—H键的数目和生成N—H键的数目相等,不能表明反应一定已达平衡状态,C项错误;容器内气体的浓度c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2,不能表明反应一定已达平衡状态,D项错误。答案 A考法点睛·学习理解“反应混合物中各组分的浓度之比(或物质的量之比)等于化学计量数之比”不是平衡状态的必然标志,所以不能据此判断反应是否达到平衡状态。
考法4 化学平衡移动的影响因素1.解答化学平衡移动问题的一般思路
2.浓度、压强或温度对化学平衡移动影响的几种特殊情况(1)不要把v正增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有当v正>v逆时,平衡才向正反应方向移动。(2)改变固体或纯液体的量,对平衡无影响。(3)当反应混合物中不存在气态物质时,压强的改变对其化学平衡无影响。(4)对于反应前后气体分子数无变化的反应,如H2(g)+I2(g)2HI(g),压强的改变对平衡无影响,但增大(或减小)压强会使各物质的浓度增大(或减小),混合气体的颜色变深(或变浅)。(5)恒容时,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,增大(减小)浓度相当于增大(减小)压强。
命题角度 分析影响化学平衡移动的因素示例7 [2018天津,5,6分]室温下,向圆底烧瓶中加入1 ml C2H5OH和含1ml HBr的氢溴酸,溶液中发生反应:C2H5OH+HBr C2H5Br+H2O,充分反应后达到平衡。已知常压下,C2H5Br和C2H5OH的沸点分别为38.4 ℃和78.5 ℃。下列有关叙述错误的是A.加入NaOH,可增大乙醇的物质的量B.增大HBr浓度,有利于生成C2H5BrC.若反应物均增大至2 ml,则两种反应物平衡转化率之比不变D.若起始温度提高至60 ℃,可缩短反应达到平衡的时间
解析 加入NaOH,c(HBr)减小,平衡向逆反应方向移动,乙醇的物质的量增大,A项正确;增大HBr浓度,平衡向正反应方向移动,有利于生成C2H5Br,B项正确;若反应物按照化学计量数之比加入溶液中,则各物质的平衡转化率相等,故反应物均增大至2 ml,两种反应物平衡转化率之比不变,C项正确;若起始温度提高至60 ℃,生成物C2H5Br为气态,能够从反应体系中逸出,导致反应不断向正反应方向进行,因此不能缩短反应达到平衡的时间,D项错误。答案 D
考点2 化学平衡常数与转化率
1.化学平衡常数(1)定义 在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,这个常数就是该反应的化学平衡常数(简称平衡常数),用符号K表示。(2)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
3.化学反应进行的方向(1)自发过程①含义:在一定条件下,不需要借助外力就可以自动进行的过程。②特点a.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);b.在密闭条件下,体系有从有序自发地转变为无序的倾向(无序体系更加稳定)。(2)化学反应方向的判据①焓判据放热反应过程中体系能量降低,ΔH<0,具有自发进行的倾向。但有些吸热反
应也可以自发进行,故只用焓变判断反应进行的方向有一定的局限性。②熵判据a.熵的大小:同种物质,三种聚集状态下,熵值由大到小的顺序为S(g)>S(l)>S(s)。b.熵判据:体系的混乱度增加,ΔS>0,反应有自发进行的倾向。但有些熵减的过程也能自发进行,故只用熵变来判断反应进行的方向也不全面。③复合判据——自由能变化判据(ΔG)ΔG=ΔH-TΔS(T为开尔文温度)。ΔG<0,则反应能自发进行;ΔG>0,则反应不能自发进行。
高考链接1.[2015天津,3A]Na与H2O的反应是熵增的放热反应,该反应能自发进行( )2.[天津高考]某吸热反应能自发进行,因此该反应是熵增反应( )3.[江苏高考]2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g)在常温下能自发进行,则该反应的ΔH>0( )4.[江苏高考节选]反应NH3(g)+HCl(g) NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0( )答案 1.√ 2.√ 3.✕ 4.√
考法 5 化学平衡常数的应用1.判断反应能否进行完全温度一定时,K值越大,说明平衡体系中生成物所占的比例越大,它的正向反应进行的程度越大,反应物的转化率越大;反之,转化率就越小。一般K>105时,就可以认为反应基本进行完全。2.判断反应进行的方向Qc为浓度积,当Qc>K时,平衡逆向移动;当Qc=K时,平衡不移动;当Qc
考法6 平衡转化率变化的分析和判断常见的平衡转化率变化类型(用α表示物质的平衡转化率,φ表示气体的体积分数):
命题角度1 平衡转化率变化的判断示例9 在恒温恒容密闭容器中,分别发生下列反应:①2NO2(g) N2O4(g)②2HI(g) H2(g)+I2(g)③2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)反应①、②、③达到平衡后分别充入适量反应物,再次达到平衡后,反应物的转化率分别 、 、 (填“增大”“减小”或“不变”)。
解析 要善于建立模型来解题。反应达到平衡后分别充入适量反应物相当于增大压强,根据勒夏特列原理知,其他条件不变,增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动,则反应①平衡向右移动,反应物的转化率增大;反应②平衡不移动,反应物的转化率不变;反应③平衡向左移动,反应物的转化率减小。答案 增大 不变 减小
命题角度2 提高平衡转化率的方法解析10 [2019全国卷Ⅲ,28节选,8分]近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题:(1)Deacn发明的直接氧化法为4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)。如图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系:
可知反应平衡常数K(300 ℃) K(400 ℃)(填“大于”或“小于”)。设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400 ℃)= (列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率,同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是 、 。 (2)在一定温度的条件下,进一步提高HCl的转化率的方法是 。(写出2种)
A.升高温度 B.降低温度 C.增大压强 D.降低压强(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是 。 (3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是 、 ;590 ℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是 。
答案 (1)+123 小于 AD (2)氢气是产物之一,随着n(氢气)/n(丁烷)增大,逆反应速率增大 (3)升高温度有利于反应向吸热方向进行 温度升高反应速率加快 丁烯高温裂解生成短链烃类
考法归纳·学习理解转化率分为非平衡转化率和平衡转化率,非平衡转化率随反应速率增大而增大;平衡转化率的变化符合勒夏特列原理,具体如表所示:
命题角度1 浓度平衡常数的计算示例12 [2017全国卷Ⅰ,28节选,8分]H2S与CO2在高温下发生反应:H2S(g)+CO2(g) COS(g)+H2O(g)。在610 K时,将0.10 ml CO2与0.40 ml H2S充入2.5 L的空钢瓶中,反应平衡后水的物质的量分数为0.02。(1)H2S的平衡转化率α1= %,反应平衡常数K= 。 (2)在620 K重复实验,平衡后水的物质的量分数为0.03,H2S的转化率α2 α1,该反应的ΔH 0。(填“>”“<”或“=”) (3)向反应器中再分别充入下列气体,能使H2S转化率增大的是 (填标号)。A.H2S B.CO2 C.COS D.N2
H2O的物质的量分数增大,说明平衡正向移动,H2S的转化率增大。即升高温度,平衡向正反应方向移动,正反应是吸热反应。(3)平衡之后,再充入H2S,则CO2的转化率增大,H2S的转化率减小,A项错误;充入CO2,平衡正向移动,H2S的转化率增大,B项正确;充入COS,平衡逆向移动,H2S的转化率减小,C项错误;充入N2,无论体积是否变化,对于气体分子数相等的反应,平衡不移动,H2S的转化率不变,D项错误。答案 (1)2.5 2.8×10-3 (2)> > (3)B
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)。 (2)[2020全国卷Ⅱ,28改编]乙烷在一定条件可发生如下反应:C2H6(g) C2H4(g)+H2(g) ΔH1=+137kJ·ml-1。①提高该反应平衡转化率的方法有 、 。 ②容器中通入等物质的量的乙烷和氢气,在等压下(p)发生上述反应,乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
②假设起始总量为100 ml ,则n(SO2)为2m ml、n(O2)为m ml、n(N2)为q ml,则3m+q=100。
考法8 等效平衡1.等效平衡的概念在一定条件下(恒温恒容或恒温恒压),同一可逆反应体系,不管是从正反应方向开始,还是从逆反应方向开始,只要任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。2.等效平衡的判断及应用(1)恒温恒容条件下等效平衡的判断①反应前后气体分子数不等的可逆反应改变起始时加入物质的物质的量,若按可逆反应化学计量数之比换算成同
一边的物质,其物质的量对应相等,则它们互为等效平衡。以可逆反应:2A(g)+B(g) C(g)+D(g)为例:
②反应前后气体分子数相等的可逆反应改变起始时加入物质的物质的量,若按可逆反应化学计量数之比换算成同一边的物质,其物质的量对应成比例,则它们互为等效平衡。以可逆反应:2A(g)+B(g) 3C(g)+D(s)为例:
(2)恒温恒压下等效平衡的判断在恒温恒压条件下,对于任何有气体物质参加的可逆反应,改变起始时加入物质的物质的量,若按可逆反应化学计量数之比换算成同一边的物质,其物质的量对应成比例,则它们互为等效平衡。以可逆反应:2A(g)+B(g) 3C(g)+D(g)为例:
命题角度 等效平衡的应用示例14 [2015天津,6,6分]某温度下,在2 L的密闭容器中,加入1 ml X(g)和2 ml Y(g)发生反应:X(g)+mY(g) 3Z(g),平衡时,X、Y、Z的体积分数分别为30%、60%、10%。在此平衡体系中加入1 ml Z(g),再次达到平衡后,X、Y、Z的体积分数不变。下列叙述不正确的是A.m=2B.两次平衡的平衡常数相同C.X与Y的平衡转化率之比为1∶1D.第二次平衡时,Z的浓度为0.4 ml·L-1
核心素养对接 核心素养之“证据推理与模型认知”——构建等效平衡思维模型1.构建恒温恒容平衡思维模型(图甲)新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单地叠加并压缩而成,相当于增大压强。2.构建恒温恒压平衡思维模型(以气体物质的量增加的反应为例,图乙)新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单地叠加,压强不变,平衡不移动。
疑难6 突破化学反应速率和化学平衡图像题的解题方法突破点1 v-t图速率-时间图:逐一改变各项条件,正、逆反应速率随时间的变化情况与平衡移动方向的关系如表所示[以2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0为例]。
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示例15 [2015新课标全国卷Ⅰ,28改编]Bdensteins研究了下列反应:2HI(g) H2(g)+I2(g) ΔH>0 在716 K时,气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t 的关系如下表:由上述实验数据计算得到v正~x(HI)和v逆~x(H2)的关系可用下图表示。当升高到某一温度时,反应重新达到平衡,相应的点分别为 (填字母)。
解析 升高温度前达到平衡时x(HI)=0.784,由“三段式”法知x(H2)=0.108。升高温度,正、逆反应速率都增大,但平衡正向移动,HI的物质的量分数减小,H2的物质的量分数增大,分析题图,反应重新达到平衡时,相应的点分别是A、E。答案 A、E
突破点2 物质参数-时间图1.浓度-时间图:如A(g)+B(g) AB(g)的反应情况如图1所示。2.含量-时间图,常见形式有以下几种(C指某生成物;B指某反应物)。
示例16 [α-t图像]已知:2CH3COCH3(l) CH3COCH2COH(CH3)2(l)。取等量CH3COCH3分别在0 ℃和20 ℃下反应,测得其转化率(α)随时间(t)变化的曲线如图所示。下列说法正确的是A.曲线Ⅱ表示20 ℃时的转化反应B.升高温度能提高反应物的平衡转化率C.在a点时,曲线Ⅰ和曲线Ⅱ表示反应的化学平衡常数相等D.化学反应速率的大小顺序为d>b>c
解析 根据“先拐先平数值大”可知,曲线Ⅰ先达到平衡状态,因此曲线Ⅰ对应的温度较高,曲线Ⅰ表示20 ℃时的转化反应,A项错误。曲线Ⅰ温度较高,但平衡转化率较低,故升高温度能降低反应物的平衡转化率,B项错误。a点时,虽然曲线Ⅰ和曲线Ⅱ表示的CH3COCH3的转化率相等,但化学平衡常数仅与温度有关,它们对应的温度不同,则平衡常数不相等,C项错误。b点处温度比c点处高且转化率相同,故b点处反应速率比c点处大。d点处比b点处转化率低,故d点处反应物浓度比b点处的大,d点处反应速率比b点处大,故化学反应速率的大小顺序为d>b>c,D项正确答案 D
示例17 [c-t图像][2020河南郑州模拟]COCl2的分解反应为COCl2(g) Cl2(g)+CO(g) ΔH=+108 kJ·ml-1。某科研小组研究反应体系达到平衡后改变外界条件,各物质的浓度在不同条件下的变化状况,结果如图所示。下列有关判断不正确的是A.第4 min时,改变的反应条件是升高温度B.第6 min时,v正(COCl2)>v逆(COCl2)C.第8 min时的化学平衡常数K=2.34D.第10~14 min未标出COCl2的浓度变化曲线
突破点3 物质参数-温度(压强)图物质参数-温度(压强)图像的纵轴一般为物质的量浓度(c)或反应物的转化率(α),横轴为温度(T)或压强(p),常见类型如图所示。
示例18 [α-T(p)图像][2015北京,26节选,4分]反应:2H2SO4(l) 2SO2(g)+O2(g)+2H2O(g) ΔH=+550 kJ·ml-1。它由两步反应组成:i.H2SO4(l) SO3(g)+H2O(g) ΔH=+177 kJ·ml-1;ii.SO3(g)分解。L(L1、L2)、X可分别代表压强或温度。如图表示L一定时,ii中SO3(g)的平衡转化率随X的变化关系。
解析 (1)根据盖斯定律得出2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g) ΔH=+196 kJ·ml-1,该反应是吸热反应,若X为温度,当压强不变升高温度时,SO3的平衡转化率升高,不符合题图中曲线的变化趋势;该反应为气体分子数增大的反应,若X为压强,当温度不变增大压强时,平衡向逆反应方向移动,SO3的平衡转化率降低,符合题图中曲线的变化趋势,所以X为压强,L为温度。(2)该反应为吸热反应,若压强不变升高温度,则SO3的平衡转化率升高,所以L2>L1。答案 (1)压强 (2)L1
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