选修4 化学反应原理第二章 化学反应速率和化学平衡综合与测试教学设计

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(教师用书备选)化学反应速率与平衡常数的计算模板(1)列出“三段”——起始、转化、平衡①写出有关反应的化学方程式；②找出各物质的起始量、转化量、平衡量；③根据已知条件列方程计算。 (2)计算公式①对反应物：平衡浓度＝起始浓度－转化浓度，对生成物：平衡浓度＝起始浓度＋转化浓度。②化学反应速率：v＝＝。③反应物转化率：×100%。④平衡时的体积分数：C%＝×100%。⑤平衡常数：K＝。1．F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25 ℃时N2O5(g)分解反应：2N2O5(g)―→4NO2(g)＋O2(g)2N2O4(g)其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强p随时间t的变化如下表所示[t＝∞时，N2O5(g)完全分解]：t/min040801602601 3001 700∞p/kPa35.840.342.545.949.261.262.363.1(1)研究表明，N2O5(g)分解的反应速率v＝2×10－3×pN2O5(kPa·min－1)。t＝62 min时，测得体系中pO2＝2.9 kPa，则此时的pN2O5＝________ kPa，v＝________ kPa·min－1。(2)若提高反应温度至35 ℃，则N2O5(g)完全分解后体系压强p∞(35 ℃)________63.1 kPa(填“大于”“等于”或“小于”)，原因是_____________________________________________________。(3)25 ℃时N2O4(g)2NO2(g)反应的平衡常数Kp＝_______kPa(Kp为以分压表示的平衡常数，计算结果保留1位小数)。[解析]　(1)t＝62 min时，体系中pO2＝2.9 kPa，根据三段式法得　　　　2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g)起始　　35.8 kPa　　　0 　　　0转化　　5.8 kPa　　5.8 kPa　　2.9 kPa62 min　30.0 kPa　　5.8 kPa　　2.9 kPa则62 min时pN2O5＝30.0 kPa，v＝2×10－3×30.0 kPa·min－1＝6.0×10－2 kPa·min－1。(2)刚性反应容器的体积不变，25 ℃ N2O5(g)完全分解时体系的总压强为63.1 kPa，升高温度，从两个方面分析：一方面是体积不变，升高温度，体系总压强增大；另一方面，2NO2N2O4的逆反应是吸热反应，升温，平衡向生成NO2的方向移动，体系物质的量增大，故体系总压强增大。(3)N2O5完全分解生成N2O4和O2，起始pN2O5＝35.8 kPa，其完全分解时pN2O4＝35.8 kPa，pO2＝17.9 kPa，设25 ℃平衡时N2O4转化了x，则　　 　N2O4　　2NO2平衡　35.8 kPa－x　　2x35．8 kPa－x＋2x＋17.9 kPa＝63.1 kPa，解得x＝9.4 kPa。平衡时，pN2O4＝26.4 kPa，pNO2＝18.8 kPa，K＝＝ kPa≈13.4 kPa。[答案]　(1)30.0　6.0×10－2(2)大于　温度升高，体积不变，总压强增大；NO2二聚为放热反应，温度升高，平衡左移，体系物质的量增加，总压强提高(3)13.4教师用书备选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 mol CO2与0.40 mol 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．CO2C．COS  D．N2[解析]　(1)第一步：写方程式，列三段式　　　　　H2S(g)＋CO2(g)COS(g)＋H2O(g)n(始)/mol   0.40  0.10  　0  　0Δn/mol   x  x  　x  　xn(平)/mol   0.40－x  0.10－x  　x  　x第二步：列方程，求未知量＝0.02解得：x＝0.01 mol第三步：明确问题，规范答案H2S的平衡转化率α1＝×100%＝×100%＝2.5%。K＝＝＝≈2.8×10－3。[答案]　(1)2.5　2.8×10－3　(2)＞　>　(3)B教师用书备选分压常数(Kp)简介(1)Kp的含义：在化学平衡体系中，各气体物质的分压替代浓度，计算的平衡常数叫压强平衡常数。单位与表达式有关。(2)计算技巧：第一步，根据“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度；第二步，计算各气体组分的物质的量分数或体积分数；第三步，求出各气体物质的分压，某气体的分压＝气体总压强×该气体的体积分数(或物质的量分数)；第四步，根据平衡常数计算公式代入计算。例如，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，压强平衡常数表达式为Kp＝。化工生产与平衡图像的关系【典例】　丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1­丁烯(C4H8)的热化学方程式如下：①C4H10(g)===C4H8(g)＋H2(g)　　ΔH1已知：②C4H10(g)＋O2(g)===C4H8(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－119 kJ·mol－1③H2(g)＋O2(g)===H2O(g)ΔH3＝－242 kJ·mol－1反应①的ΔH1为________kJ·mol－1。图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x________0.1(填“大于”或“小于”)；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是________(填标号)。A．升高温度　　　 B．降低温度C．增大压强 D．降低压强图(a)　　　　　　　图(b)图(c)(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_________________________________________________________________________________________________________________________。[解析]　(1)由盖斯定律可知，①式＝②式－③式，即ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝－119 kJ/mol－(－242 kJ/mol)＝＋123 kJ/mol。由图(a)可知，同温下，x MPa时丁烯的平衡产率高于0.1 MPa时的，根据压强减小，平衡向右移动可知，x小于0.1。欲提高丁烯的平衡产率，应使平衡向右移动，该反应的正反应为吸热反应，因此可以通过升高温度的方法使平衡向右移动；该反应为气体体积增大的反应，因此可以通过降低压强的方法使平衡向右移动，所以A、D选项正确。(2)由于氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大，所以丁烯产率降低。(3)该反应的正反应为吸热反应，因此升高温度可以使平衡向右移动，使丁烯的产率增大，另外，反应速率也随温度的升高而增大。由题意知，丁烯在高温条件下能够发生裂解，因此当温度超过590 ℃时，参与裂解反应的丁烯增多，而使产率降低。[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2．当温度高于500 K时，科学家成功利用二氧化碳和氢气合成了乙醇，这在节能减排、降低碳排放方面具有重大意义。(1)该反应的化学方程式为___________________________________________________________________________________。(2)在一定压强下，测得由CO2制取CH3CH2OH的实验数据中，起始投料比、温度与CO2的转化率的关系如图。根据图中数据分析：①降低温度，平衡向________方向移动。②在700 K、起始投料比＝1.5时，H2的转化率为________。③在500 K、起始投料比＝2时，达到平衡后H2的浓度为a mol·L－1，则达到平衡时CH3CH2OH的浓度为________。[解析]　(2)①由图中信息可知，其他条件不变时，升高温度，CO2的转化率降低，说明平衡向逆反应方向移动，故正反应为放热反应，即降低温度，平衡将向正反应方向移动。②700 K时，当氢气与二氧化碳的起始投料比＝1.5时，由图像可知二氧化碳的转化率为20%，由化学方程式：2CO2＋6H2C2H5OH＋3H2O，可计算出氢气的转化率为40%。③设起始时c(CO2)＝x mol·L－1，则起始时c(H2)＝2x mol·L－1，有　　　　　    2CO2(g)＋6H2(g)  C2H5OH(g)＋3H2O(g)起始/(mol·L－1):  　x   2x  　 0  　 0转化/(mol·L－1):  　0.6x   1.8x  　 0.3x  　 0.9x平衡/(mol·L－1):  　0.4x   0.2x  　 0.3x  　 0.9x0.2x＝a mol·L－1，则0.3x＝1.5a mol·L－1。[答案]　(1)2CO2＋6H2C2H5OH＋3H2O(2)①正反应(或右)　②40%　③1.5a mol·L－1