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2020版新一线高考化学(鲁科版)一轮复习教学案:第1部分第7章第2节化学平衡状态和平衡移动
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第2节 化学平衡状态和平衡移动
考纲定位
核心素养
1.了解化学反应的可逆性及化学平衡的建立。
2.掌握化学平衡的特征。
3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学平衡的影响,能用相关理论解释其一般规律。
4.了解化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
1.变化观念——从可逆的角度认识化学变化及其化学变化的特征和规律。
2.平衡思想——从动态平衡的观点考察、分析化学反应达到平衡的标志及条件改变平衡的移动方向。
3.模型认知——认知化学平衡的特征及影响因素建立思维模型,并解释一些现象和问题。同时关注“等效平衡”的建立模型。
4.社会责任——根据平衡移动规律认识合成氨等工业生产的条件选择问题,提高经济效益和原料利用率。
考点一| 可逆反应与化学平衡状态
1.可逆反应
[示例] 含有2 mol SO2和2 mol O2在一定条件下的密闭容器中发生2SO2(g)+O2(g2SO3(g),平衡时的O2物质的量范围为1_mol
2.化学平衡状态
(1)概念
一定条件下的可逆反应中,正反应速率与逆反应速率相等,反应体系中所有参加反应的物质的浓度保持不变的状态。
(2)建立过程
在一定条件下,把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。反应过程如下:
以上过程可用如图表示:
若开始加入生成物,从逆反应建立平衡,则v t图为。
(3)特征
[深度归纳] 化学平衡状态的判定
(1)一般标志
(2)等价标志
①全部是气体参加的非等体积反应,体系的压强、平均相对分子质量不再随时间而变化。
②对同一物质而言,断裂的化学键的物质的量与形成的化学键的物质的量相等。
③对于有色物质参加或生成的可逆反应,体系的颜色不再随时间而变化。
④绝热体系的温度不变,说明反应处于平衡状态。
⑤全部是气体的非等体积反应,恒压条件下,若密度不再变化;对于有固体参与或生成的反应,恒容条件下,若密度不再变化。
正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)Cl2+H2OHCl+HClO,PCl3+Cl2PCl5均为可逆反应。
( )
(2)在化学平衡的建立过程中,v正一定大于v逆。( )
(3)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。( )
(4)在相同温度下,相同容器(恒容)发生2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)反应,当分别向容器中充入2 mol SO2、1 mol O2与2 mol SO3平衡时,[SO2]相同。( )
(5)对于2NO2(g)N2O4(g)反应,当v正(NO2)=v逆(N2O4)时,反应达平衡状态。( )
答案:(1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)×
考法1 极端转化法确定可逆反应某时刻的量
1.一定条件下,对于可逆反应X(g)+3Y(g)2Z(g),若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零),达到平衡时,X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.08 mol·L-1,则下列判断正确的是( )
A.c1∶c2=3∶1
B.平衡时,Y和Z的生成速率之比为2∶3
C.X、Y的转化率不相等
D.c1的取值范围为0
D [平衡浓度之比为1∶3,转化浓度亦为1∶3,故c1∶c2=1∶3,A、C不正确;平衡时Y的生成表示的是逆反应速率,Z的生成表示的是正反应速率,且vY(生成)∶vZ(生成)=3∶2,B不正确;由可逆反应的特点可知0
0.14 mol·L-1,D正确。]
2.在密闭容器中进行反应:X2(g)+Y2(g)2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.2 mol·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,X2、Y2、Z的浓度范围分别为____________,__________,__________。
解析:假设反应正向进行到底:
X2(g)+Y2(g)2Z(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
改变浓度/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
终态浓度/(mol·L-1) 0 0.2 0.4
假设反应逆向进行到底:X2(g)+Y2(g)2Z(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
改变浓度/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
终态浓度/(mol·L-1) 0.2 0.4 0
平衡体系中各物质的浓度范围为0
答案:0
[思维建模] 极端转化法确定范围的思维模板
⇒范围
说明:可逆反应的平衡物理量一定在最大值和最小值之间,但起始物理量可以为最大值或最小值。
考法2 化学平衡状态的判定
3.(2019·长春模拟)在一定温度下,向2 L固定容积的密闭容器中通入1 mol CO2、3 mol H2,发生反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0。能说明该反应已达到平衡状态的是( )
A.混合气体的平均相对分子质量不变
B.体系中=,且保持不变
C.混合气体的密度不随时间变化
D.单位时间内有n mol H—H键断裂,同时有n mol O—H键生成
A [A项,是变量,当不变,可以说明反应已达平衡;B项,是不变量,不能说明反应是否达平衡;C项,ρ是不变量,不能说明反应是否达平衡;D项,二者均表示v正,不能说明反应是否达平衡。]
4.在一定温度下的定容容器中,当下列物理量不再发生变化时:①混合气体的压强,②混合气体的密度,③混合气体的总物质的量,④混合气体的平均相对分子质量,⑤混合气体的颜色,⑥各反应物或生成物的浓度之比等于系数之比,⑦某种气体的百分含量
(1)能说明I2(g)+H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是________。
(2)能说明2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的是________。
(3)一定能说明A(s)+2B(g)C(g)+D(g)达到平衡状态的是________。
(4)能说明NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)达到平衡状态的是________。
(5)能说明5CO(g)+I2O5(s)5CO2(g)+I2(s)达到平衡状态的是________。
答案:(1)⑤⑦ (2)①③④⑤⑦ (3)②④⑦ (4)①②③ (5)②④⑦
[思维建模]
判断平衡状态的方法——“正逆相等,变量不变”
(1)“正逆相等”:反应速率必须一个是正反应的速率,一个是逆反应的速率,且经过换算后同一种物质的减少速率和生成速率相等。
(2)“变量不变”:如果一个量是随反应进行而改变的,当其不变时为平衡状态;一个随反应的进行而保持不变的量,不能作为是否达到平衡状态的判断依据。
考点二| 化学平衡移动
1.化学平衡的移动
注意:化学平衡移动与化学反应速率的关系
v正>v逆,平衡向正反应方向移动;v正=v逆,反应达到平衡状态,平衡不发生移动;v正
2.影响化学平衡的外界因素
(1)实验探究
①实验Ⅰ:已知在K2Cr2O7的溶液中存在平衡
Cr2O+H2O2CrO+2H+
(橙色) (黄色)
a.取两支试管各加入5 mL 0.1 mol·L-1的K2Cr2O7溶液。
向1号试管中加入几滴浓硫酸,橙色变深,说明平衡向逆反应方向移动。
b.向2号试管中加入几滴浓NaOH溶液,橙色变黄色,说明平衡向正反应方向移动。
②实验Ⅱ:将充入NO2的球放入热水,颜色变化为红棕色变深,放入冰水中颜色变化为红棕色变浅,说明2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0。
(2)影响化学平衡的外界因素
浓度
增大反应物浓度或减小生成物浓度
向正反应方向移动
减小反应物浓度或增大生成物浓度
向逆反应方向移动
压强(对有气体
参加的反应)
反应前后气
体体积改变
增大压强
向气体分子总数减小的方向移动
减小压强
向气体分子总数增大的方向移动
反应前后气
体体积不变
改变压强
平衡不移动
温度
升高温度
向吸热反应方向移动
降低温度
向放热反应方向移动
提醒:(1)催化剂同程度改变v正与v逆,平衡不移动;(2)温度改变对任何可逆反应均有平衡移动,但压强改变只对有气体参与且反应前后气体系数不相等的反应有平衡移动。
(3)通过图像分析影响化学平衡移动的因素
某温度下,在密闭容器中SO2、O2、SO3三种气态物质建立化学平衡后,改变条件对反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0的正、逆反应速率的影响如图所示:
A B C D
①加催化剂对反应速率影响的图像是C(填字母,下同),平衡不移动。
②升高温度对反应速率影响的图像是A,平衡向逆反应方向移动。
③增大反应容器体积对反应速率影响的图像是D,平衡向逆反应方向移动。
④增大O2的浓度对反应速率影响的图像是B,平衡向正反应方向移动。
3.勒·夏特列原理
如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强,以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。如对N2(g)+3H2(g)2NH3(g)反应在一定温度下达到平衡时[N2]=a mol·L-1,压强为p,在恒温下,将容器容积缩小一半,达到平衡时,[N2]′
<2a mol·L-1,p′<2p。
[深度归纳] 三种特殊情况的归纳理解
(1)改变固体或纯液体的量,对化学平衡没影响。
(2)“惰性气体”对化学平衡的影响。
①恒温、恒容条件
原平衡体系体系总压强增大―→体系中各组分的浓度不变―→平衡不移动。
②恒温、恒压条件
原平衡体系―→
(3)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。如N2(g)+3H2(g)2NH3(g)在恒温恒容条件下达平衡时,N2、H2、NH3的浓度分别为1 mol·L-1、2 mol·L-1、3 mol·L-1,若再充入0.5 mol N2,1 mol H2和1.5 mol NH3时平衡向正向移动。
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)往平衡体系FeCl3+3KSCNFe(SCN)3+3KCl中加入KCl固体,平衡将向逆反应方向移动,溶液颜色将变浅。( )
(2)增加反应物的量平衡一定会正向移动。( )
(3)增大某一反应物A的浓度,平衡正向移动时,反应物的浓度一定小于原来的浓度,生成物的浓度一定大于原来的浓度。( )
(4)对于2NH3(g)N2(g)+3H2(g)反应,恒温恒容下再充入一定量的NH3,NH3的转化率增大。( )
(5)除去SO2中HCl可将气体通过饱和NaHSO3溶液,不能用勒·夏特列原理解释。( )
答案:(1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
2.对于N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,达平衡后,改变条件,请回答:
(1)升温,平衡向________移动,新平衡的温度比原来的________。
(2)缩小容器体积至原体积的,平衡向________移动,新平衡的压强p′与原平衡的压强p0的关系为________,新平衡时[N2]′与原平衡的[N2]的关系为________。
答案:(1)逆反应 高 (2)正反应 p0 [N2]<[N2]′<2[N2]
考法1 化学平衡移动与平衡转化率
1.(2019·日照模拟)T ℃时,在恒容密闭容器中充入一定量的H2和CO,在催化剂作用下发生反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0。反应达到平衡时,CH3OH的体积分数与的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.反应达平衡时,升高体系温度,CO转化率升高
B.反应达平衡时,再充入一定量Ar,平衡右移,平衡常数不变
C.容器内混合气体的密度不再变化说明该反应达到平衡状态
D.=2.5时达到平衡状态,CH3OH的体积分数可能是图中的F点
D [气体投料比等于系数之比时,平衡时生成物的体积分数最大,当=2.5时,达到平衡状态,CH3OH的体积分数比C点时对应的CH3OH的体积分数小,可能是图中的F点,D项正确;该反应的ΔH<0,反应达平衡时,升高体系温度,平衡逆向移动,CO的转化率降低,A项错误;该反应在T ℃下在恒容密闭容器中进行,反应达平衡时,再充入一定量Ar,平衡不移动,温度不变,平衡常数不变,B项错误;因该反应前后均是气体,故混合气体的总质量不变,又容器容积不变,故混合气体的密度始终保持不变,C项错误。]
2.对于一定条件下的可逆反应
甲:A(g)+B(g)C(g) ΔH<0
乙:A(s)+B(g)C(g) ΔH<0
丙:A(g)+B(g)2C(g) ΔH>0
达到化学平衡后,改变条件,按要求回答下列问题:
(1)升温,平衡移动的方向分别为(填“向左”“向右”或“不移动”):
甲________;乙________;丙________。
此时反应体系的温度均比原来________(填“高”或“低”)。混合气体的平均相对分子质量变化分别为(填“增大”“减小”或“不变”)
甲________;乙________;丙________。
(2)加压,使体系体积缩小为原来的
①平衡移动方向分别为(填“向左”“向右”或“不移动”):
甲________;乙________;丙________。
②设压缩之前压强分别为p甲、p乙、p丙,压缩后压强分别为p′甲、
p′乙、p′丙,则p甲与p′甲、p乙与p′乙、p丙与p′丙的关系分别为:
甲________;乙________;丙________。
(3)恒温恒压充入氖气,平衡移动方向分别为(填“向左”“向右”或“不移动”):
甲________;乙________;丙________。
答案:(1)向左 向左 向右 高 减小 减小 不变
(2)①向右 不移动 不移动 ②p甲 (3)向左 不移动 不移动
[思维建模] 平衡转化率的判断思路
(1)改变温度或压强,若平衡正向移动,转化率增大。
(2)两种或多种反应物的反应,增大某一反应物的浓度,其他反应物的转化率增大,而自身的减小。
(3)对于分解的可逆反应aA(g)bB(g)+cC(g),A分解建立平衡后,增大A的浓度,平衡向正向移动。当a=b+c时,α(A)不变,φ(A)不变;a>b+c时,α(A)增大,φ(A)减小;a 考法2 利用v t图推导影响平衡的条件
3.(2019·合肥模拟)在一恒温恒压的密闭容器中发生反应:M(g)+N(g) 2R(g) ΔH<0,t1时刻达到平衡,在t2时刻改变某一条件,其反应过程如图所示。下列说法不正确的是( )
A.t1时刻的v(正)小于t2时刻的v(正)
B.t2时刻改变的条件是向密闭容器中加R
C.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,M的体积分数相等
D.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,反应的平衡常数相等
A [恒温恒压下,t2改变某一条件,v(逆)瞬间增大,最终平衡状态的速率没变,可知改变的条件为增加了R的浓度,B正确;t2时v(逆)增大,v(正)减小,A不正确;Ⅰ、Ⅱ两过程达平衡时温度不变,K不变,φ(M)不变,C、D正确。]
4.(2019·武汉模拟)在某密闭容器中充入等物质的量的气体A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,只改变反应的一个条件,测得容器中物质的量浓度、反应速率随时间变化如图所示。下列说法中正确的是( )
A.20~30 min时温度、压强不变,40 min时温度不变,增大压强
B.8 min前A的平均反应速率为0.08 mol·(L·s)-1
C.反应方程式中的x=1,正反应为吸热反应
D.20~40 min时该反应的环境温度不变
D [20~40 min时该平衡没有移动,故反应温度没有改变,D正确。]
专项突破(17) “等效平衡”在平衡状态比较中的应用
1.等效平衡的概念
在相同条件下(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,在达到化学平衡状态时,任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)均相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。
2.等效平衡的类型
等效类型
①
②
③
条件
恒温、恒容
恒温、恒容
恒温、恒压
反应的特点
任何可
逆反应
反应前后气体分子数相等
任何可逆
反应
起始投料
换算为化学方程式同一边物质, 其“量”相同
换算为化学方程式同一边物
质,其“量”
符合同一比例
换算为化学方程式同一边物质,其“量”符合同一比例
平衡特点
质量分
数(w%)
相同
相同
相同
浓度(c)
相同
成比例
相同(气体)
物质的量(n)
相同
成比例
成比例
3.实例
在恒温恒容条件下,可逆反应:2A(g)+B(g)3C(g)+D(g) ΔH=-Q1 kJ·mol-1(Q1>0),起始物质的量如表所示:
序号
A
B
C
D
①
2 mol
1 mol
0
0
②
4 mol
2 mol
0
0
③
1 mol
0.5 mol
1.5 mol
0.5 mol
④
0
1 mol
3 mol
1 mol
⑤
0
0
3 mol
1 mol
(1)上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?
①③⑤。
(2)达到平衡后,①放出的热量为Q2 kJ,⑤吸收的热量为Q3 kJ,则Q1、Q2、Q3的定量关系为Q2+Q3=Q1。
(3)其他条件不变,当D为固体时,上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?①②③⑤。
(4)将“恒温恒容”改为“恒温恒压”,a.上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?①②③⑤。b.达平衡后①②放出的热量分别为Q1和Q2,则Q1与Q2的关系Q2=2Q1。
4.平衡状态比较的三种思维模板
(1)构建恒温恒容平衡思维模式
新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成,相当于增大压强。
(2)构建恒温恒压平衡思维模式(以气体物质的量增加的反应为例,见图示)
新平衡状态可以认为是两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动。
(3)恒温恒容与恒温恒压条件平衡比较模式(起始量相同)
1.(2019·石家庄模拟)同温度下,体积均为1 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.6 kJ·mol-1。测得数据如表:
容器
编号
起始时各物质的物质的量/mol
达到平衡时体系
能量的变化
N2
H2
NH3
①
2
3
0
27.78 kJ
②
1.6
1.8
0.8
Q
下列叙述不正确的是( )
A.容器①、②中反应达平衡时压强相等
B.容器②中反应开始时v(正)>v(逆)
C.容器②中反应达平衡时,吸收的热量Q为9.26 kJ
D.若条件为“绝热恒容”,容器①中反应达平衡时n(NH3)<0.6 mol
B [根据容器①中反应达到平衡时能量的变化可知,该反应中转化的N2为=0.3 mol,因此根据三段式法可得
N2(g)+ 3H2(g)2NH3(g)
起始/(mol) 2 3 0
转化/(mol) 0.3 0.9 0.6
平衡/(mol) 1.7 2.1 0.6
故平衡常数K=≈0.023 (mol·L-1)-2<
(mol·L-1)-2≈0.069 (mol·L-1)-2,因此容器②中反应向逆反应方向进行,v(正)
92.6 kJ·mol-1×0.1 mol=9.26 kJ,C项正确;若条件改为“绝热恒容”,容器①中反应放热,达平衡时比原来①中温度高,升高温度平衡逆向移动,故容器①中反应达到平衡时,NH3的物质的量小于0.6 mol,D项正确。]
2.将4.0 mol PCl3和2.0 mol Cl2充入体积不变的密闭容器中,在一定条件下发生反应:PCl3(g)+Cl2(g)PCl5(g)。达到平衡时,PCl5为0.8 mol,如果此时移走2.0 mol PCl3和1.0 mol Cl2,在相同温度下再达平衡时PCl5的物质的量是( )
A.0.8 mol B.0.4 mol
C.小于0.4 mol D.大于0.4 mol,小于0.8 mol
C [已知:
3.恒温恒压下,在一个容积可变的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g)C(g),若开始时通入1 mol A和1 mol B,达到平衡时生成a mol C。则下列说法错误的是( )
A.若开始时通入3 mol A和3 mol B,达到平衡时,生成的C的物质的量为3a mol
B.若开始时通入4 mol A、4 mol B和2 mol C,达到平衡时,B的物质的量一定大于4 mol
C.若开始时通入2 mol A、2 mol B和1 mol C,达到平衡时,再通入3 mol C,则再次达到平衡后,C的物质的量分数为
D.若在原平衡体系中,再通入1 mol A和1 mol B,混合气体的平均相对分子质量不变
B [选项A,开始时通入3 mol A和3 mol B,由于容器体积膨胀,保持恒压,相当于将三个原容器叠加,各物质的含量与原平衡中的相同,C的物质的量为3a mol;选项B,无法确定平衡移动的方向,不能确定平衡时B的物质的量一定大于4 mol;选项C,根据题给数据可算出达到平衡时C的物质的量分数为;选项D,这种条件下混合气体的平均相对分子质量不变。]
4.有甲、乙两容器,甲容器容积固定,乙容器容积可变。一定温度下,在甲中加入2 mol N2、3 mol H2,反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)达到平衡时生成NH3的物质的量为m mol。
(1)相同温度下,在乙中加入4 mol N2、6 mol H2,若乙的压强始终与甲的压强相等,乙中反应达到平衡时,生成NH3的物质的量为________mol(从下列各项中选择,只填字母,下同);若乙的容积与甲的容积始终相等,乙中反应达到平衡时,生成NH3的物质的量为________mol。
A.小于m B.等于m C.在m~2m之间
D.等于2m E.大于2m
(2)若开始时甲、乙两容器的容积相同,甲保持恒温恒容达到平衡,乙保持恒温恒压通入2 mol N2和3 mol H2达到平衡,两容器平衡时,转化率α(N2),甲________乙(填“>”“<”或“=”)。
解析:(1)由于甲容器定容,而乙容器定压,当它们的压强相等达到平衡时,乙的容积应该为甲的两倍,生成的NH3的物质的量应该等于2m mol。当甲、乙两容器的体积相等时,相当于将建立等效平衡后的乙容器压缩,故乙中NH3的物质的量大于2m mol。(2)起始加入量相同,平衡时乙中的压强大,反应程度大,α(N2)大。
答案:(1)D E (2)<
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1.(2018·全国卷Ⅲ,T28(3))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所示。
(1)343 K时反应的平衡转化率α=________%。平衡常数K343 K=________(保留2位小数)。
(2)在343 K下:要提高SiHCl3转化率,可采取的措施是________;要缩短反应达到平衡的时间,可采取的措施有________、________。
解析:(1)温度越高,反应越先达到平衡,根据图示,左侧曲线对应的温度为343 K,343 K时反应的平衡转化率为22%。设开始时加入SiHCl3的浓度为a mol·L-1,根据化学方程式和SiHCl3的平衡转化率知,达平衡时,SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的浓度分别为0.78a mol·L-1、0.11a mol·L-1、0.11a mol·L-1,化学平衡常数K=≈0.02。(2)根据化学平衡移动原理并结合该反应特点,及时分离出生成物可提高反应物的转化率。缩短反应达到平衡的时间,实质就是提高反应速率,可采用加压的方式或选择更为高效的催化剂。
答案:(1)22 0.02 (2)及时移去产物 改进催化剂 提高反应物压强
2.(2017·全国卷Ⅱ,T27)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-1
③H2(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-1-(-242 kJ·mol-1)=+123 kJ·mol-1。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
第2节 化学平衡状态和平衡移动
考纲定位
核心素养
1.了解化学反应的可逆性及化学平衡的建立。
2.掌握化学平衡的特征。
3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学平衡的影响,能用相关理论解释其一般规律。
4.了解化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
1.变化观念——从可逆的角度认识化学变化及其化学变化的特征和规律。
2.平衡思想——从动态平衡的观点考察、分析化学反应达到平衡的标志及条件改变平衡的移动方向。
3.模型认知——认知化学平衡的特征及影响因素建立思维模型,并解释一些现象和问题。同时关注“等效平衡”的建立模型。
4.社会责任——根据平衡移动规律认识合成氨等工业生产的条件选择问题,提高经济效益和原料利用率。
考点一| 可逆反应与化学平衡状态
1.可逆反应
[示例] 含有2 mol SO2和2 mol O2在一定条件下的密闭容器中发生2SO2(g)+O2(g2SO3(g),平衡时的O2物质的量范围为1_mol
(1)概念
一定条件下的可逆反应中,正反应速率与逆反应速率相等,反应体系中所有参加反应的物质的浓度保持不变的状态。
(2)建立过程
在一定条件下,把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。反应过程如下:
以上过程可用如图表示:
若开始加入生成物,从逆反应建立平衡,则v t图为。
(3)特征
[深度归纳] 化学平衡状态的判定
(1)一般标志
(2)等价标志
①全部是气体参加的非等体积反应,体系的压强、平均相对分子质量不再随时间而变化。
②对同一物质而言,断裂的化学键的物质的量与形成的化学键的物质的量相等。
③对于有色物质参加或生成的可逆反应,体系的颜色不再随时间而变化。
④绝热体系的温度不变,说明反应处于平衡状态。
⑤全部是气体的非等体积反应,恒压条件下,若密度不再变化;对于有固体参与或生成的反应,恒容条件下,若密度不再变化。
正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)Cl2+H2OHCl+HClO,PCl3+Cl2PCl5均为可逆反应。
( )
(2)在化学平衡的建立过程中,v正一定大于v逆。( )
(3)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。( )
(4)在相同温度下,相同容器(恒容)发生2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)反应,当分别向容器中充入2 mol SO2、1 mol O2与2 mol SO3平衡时,[SO2]相同。( )
(5)对于2NO2(g)N2O4(g)反应,当v正(NO2)=v逆(N2O4)时,反应达平衡状态。( )
答案:(1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)×
考法1 极端转化法确定可逆反应某时刻的量
1.一定条件下,对于可逆反应X(g)+3Y(g)2Z(g),若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零),达到平衡时,X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.08 mol·L-1,则下列判断正确的是( )
A.c1∶c2=3∶1
B.平衡时,Y和Z的生成速率之比为2∶3
C.X、Y的转化率不相等
D.c1的取值范围为0
2.在密闭容器中进行反应:X2(g)+Y2(g)2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.2 mol·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,X2、Y2、Z的浓度范围分别为____________,__________,__________。
解析:假设反应正向进行到底:
X2(g)+Y2(g)2Z(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
改变浓度/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
终态浓度/(mol·L-1) 0 0.2 0.4
假设反应逆向进行到底:X2(g)+Y2(g)2Z(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
改变浓度/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
终态浓度/(mol·L-1) 0.2 0.4 0
平衡体系中各物质的浓度范围为0
⇒范围
说明:可逆反应的平衡物理量一定在最大值和最小值之间,但起始物理量可以为最大值或最小值。
考法2 化学平衡状态的判定
3.(2019·长春模拟)在一定温度下,向2 L固定容积的密闭容器中通入1 mol CO2、3 mol H2,发生反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0。能说明该反应已达到平衡状态的是( )
A.混合气体的平均相对分子质量不变
B.体系中=,且保持不变
C.混合气体的密度不随时间变化
D.单位时间内有n mol H—H键断裂,同时有n mol O—H键生成
A [A项,是变量,当不变,可以说明反应已达平衡;B项,是不变量,不能说明反应是否达平衡;C项,ρ是不变量,不能说明反应是否达平衡;D项,二者均表示v正,不能说明反应是否达平衡。]
4.在一定温度下的定容容器中,当下列物理量不再发生变化时:①混合气体的压强,②混合气体的密度,③混合气体的总物质的量,④混合气体的平均相对分子质量,⑤混合气体的颜色,⑥各反应物或生成物的浓度之比等于系数之比,⑦某种气体的百分含量
(1)能说明I2(g)+H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是________。
(2)能说明2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的是________。
(3)一定能说明A(s)+2B(g)C(g)+D(g)达到平衡状态的是________。
(4)能说明NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)达到平衡状态的是________。
(5)能说明5CO(g)+I2O5(s)5CO2(g)+I2(s)达到平衡状态的是________。
答案:(1)⑤⑦ (2)①③④⑤⑦ (3)②④⑦ (4)①②③ (5)②④⑦
[思维建模]
判断平衡状态的方法——“正逆相等,变量不变”
(1)“正逆相等”:反应速率必须一个是正反应的速率,一个是逆反应的速率,且经过换算后同一种物质的减少速率和生成速率相等。
(2)“变量不变”:如果一个量是随反应进行而改变的,当其不变时为平衡状态;一个随反应的进行而保持不变的量,不能作为是否达到平衡状态的判断依据。
考点二| 化学平衡移动
1.化学平衡的移动
注意:化学平衡移动与化学反应速率的关系
v正>v逆,平衡向正反应方向移动;v正=v逆,反应达到平衡状态,平衡不发生移动;v正
(1)实验探究
①实验Ⅰ:已知在K2Cr2O7的溶液中存在平衡
Cr2O+H2O2CrO+2H+
(橙色) (黄色)
a.取两支试管各加入5 mL 0.1 mol·L-1的K2Cr2O7溶液。
向1号试管中加入几滴浓硫酸,橙色变深,说明平衡向逆反应方向移动。
b.向2号试管中加入几滴浓NaOH溶液,橙色变黄色,说明平衡向正反应方向移动。
②实验Ⅱ:将充入NO2的球放入热水,颜色变化为红棕色变深,放入冰水中颜色变化为红棕色变浅,说明2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0。
(2)影响化学平衡的外界因素
浓度
增大反应物浓度或减小生成物浓度
向正反应方向移动
减小反应物浓度或增大生成物浓度
向逆反应方向移动
压强(对有气体
参加的反应)
反应前后气
体体积改变
增大压强
向气体分子总数减小的方向移动
减小压强
向气体分子总数增大的方向移动
反应前后气
体体积不变
改变压强
平衡不移动
温度
升高温度
向吸热反应方向移动
降低温度
向放热反应方向移动
提醒:(1)催化剂同程度改变v正与v逆,平衡不移动;(2)温度改变对任何可逆反应均有平衡移动,但压强改变只对有气体参与且反应前后气体系数不相等的反应有平衡移动。
(3)通过图像分析影响化学平衡移动的因素
某温度下,在密闭容器中SO2、O2、SO3三种气态物质建立化学平衡后,改变条件对反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0的正、逆反应速率的影响如图所示:
A B C D
①加催化剂对反应速率影响的图像是C(填字母,下同),平衡不移动。
②升高温度对反应速率影响的图像是A,平衡向逆反应方向移动。
③增大反应容器体积对反应速率影响的图像是D,平衡向逆反应方向移动。
④增大O2的浓度对反应速率影响的图像是B,平衡向正反应方向移动。
3.勒·夏特列原理
如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强,以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。如对N2(g)+3H2(g)2NH3(g)反应在一定温度下达到平衡时[N2]=a mol·L-1,压强为p,在恒温下,将容器容积缩小一半,达到平衡时,[N2]′
<2a mol·L-1,p′<2p。
[深度归纳] 三种特殊情况的归纳理解
(1)改变固体或纯液体的量,对化学平衡没影响。
(2)“惰性气体”对化学平衡的影响。
①恒温、恒容条件
原平衡体系体系总压强增大―→体系中各组分的浓度不变―→平衡不移动。
②恒温、恒压条件
原平衡体系―→
(3)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。如N2(g)+3H2(g)2NH3(g)在恒温恒容条件下达平衡时,N2、H2、NH3的浓度分别为1 mol·L-1、2 mol·L-1、3 mol·L-1,若再充入0.5 mol N2,1 mol H2和1.5 mol NH3时平衡向正向移动。
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)往平衡体系FeCl3+3KSCNFe(SCN)3+3KCl中加入KCl固体,平衡将向逆反应方向移动,溶液颜色将变浅。( )
(2)增加反应物的量平衡一定会正向移动。( )
(3)增大某一反应物A的浓度,平衡正向移动时,反应物的浓度一定小于原来的浓度,生成物的浓度一定大于原来的浓度。( )
(4)对于2NH3(g)N2(g)+3H2(g)反应,恒温恒容下再充入一定量的NH3,NH3的转化率增大。( )
(5)除去SO2中HCl可将气体通过饱和NaHSO3溶液,不能用勒·夏特列原理解释。( )
答案:(1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
2.对于N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,达平衡后,改变条件,请回答:
(1)升温,平衡向________移动,新平衡的温度比原来的________。
(2)缩小容器体积至原体积的,平衡向________移动,新平衡的压强p′与原平衡的压强p0的关系为________,新平衡时[N2]′与原平衡的[N2]的关系为________。
答案:(1)逆反应 高 (2)正反应 p0 [N2]<[N2]′<2[N2]
考法1 化学平衡移动与平衡转化率
1.(2019·日照模拟)T ℃时,在恒容密闭容器中充入一定量的H2和CO,在催化剂作用下发生反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0。反应达到平衡时,CH3OH的体积分数与的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.反应达平衡时,升高体系温度,CO转化率升高
B.反应达平衡时,再充入一定量Ar,平衡右移,平衡常数不变
C.容器内混合气体的密度不再变化说明该反应达到平衡状态
D.=2.5时达到平衡状态,CH3OH的体积分数可能是图中的F点
D [气体投料比等于系数之比时,平衡时生成物的体积分数最大,当=2.5时,达到平衡状态,CH3OH的体积分数比C点时对应的CH3OH的体积分数小,可能是图中的F点,D项正确;该反应的ΔH<0,反应达平衡时,升高体系温度,平衡逆向移动,CO的转化率降低,A项错误;该反应在T ℃下在恒容密闭容器中进行,反应达平衡时,再充入一定量Ar,平衡不移动,温度不变,平衡常数不变,B项错误;因该反应前后均是气体,故混合气体的总质量不变,又容器容积不变,故混合气体的密度始终保持不变,C项错误。]
2.对于一定条件下的可逆反应
甲:A(g)+B(g)C(g) ΔH<0
乙:A(s)+B(g)C(g) ΔH<0
丙:A(g)+B(g)2C(g) ΔH>0
达到化学平衡后,改变条件,按要求回答下列问题:
(1)升温,平衡移动的方向分别为(填“向左”“向右”或“不移动”):
甲________;乙________;丙________。
此时反应体系的温度均比原来________(填“高”或“低”)。混合气体的平均相对分子质量变化分别为(填“增大”“减小”或“不变”)
甲________;乙________;丙________。
(2)加压,使体系体积缩小为原来的
①平衡移动方向分别为(填“向左”“向右”或“不移动”):
甲________;乙________;丙________。
②设压缩之前压强分别为p甲、p乙、p丙,压缩后压强分别为p′甲、
p′乙、p′丙,则p甲与p′甲、p乙与p′乙、p丙与p′丙的关系分别为:
甲________;乙________;丙________。
(3)恒温恒压充入氖气,平衡移动方向分别为(填“向左”“向右”或“不移动”):
甲________;乙________;丙________。
答案:(1)向左 向左 向右 高 减小 减小 不变
(2)①向右 不移动 不移动 ②p甲 (3)向左 不移动 不移动
[思维建模] 平衡转化率的判断思路
(1)改变温度或压强,若平衡正向移动,转化率增大。
(2)两种或多种反应物的反应,增大某一反应物的浓度,其他反应物的转化率增大,而自身的减小。
(3)对于分解的可逆反应aA(g)bB(g)+cC(g),A分解建立平衡后,增大A的浓度,平衡向正向移动。当a=b+c时,α(A)不变,φ(A)不变;a>b+c时,α(A)增大,φ(A)减小;a 考法2 利用v t图推导影响平衡的条件
3.(2019·合肥模拟)在一恒温恒压的密闭容器中发生反应:M(g)+N(g) 2R(g) ΔH<0,t1时刻达到平衡,在t2时刻改变某一条件,其反应过程如图所示。下列说法不正确的是( )
A.t1时刻的v(正)小于t2时刻的v(正)
B.t2时刻改变的条件是向密闭容器中加R
C.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,M的体积分数相等
D.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,反应的平衡常数相等
A [恒温恒压下,t2改变某一条件,v(逆)瞬间增大,最终平衡状态的速率没变,可知改变的条件为增加了R的浓度,B正确;t2时v(逆)增大,v(正)减小,A不正确;Ⅰ、Ⅱ两过程达平衡时温度不变,K不变,φ(M)不变,C、D正确。]
4.(2019·武汉模拟)在某密闭容器中充入等物质的量的气体A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,只改变反应的一个条件,测得容器中物质的量浓度、反应速率随时间变化如图所示。下列说法中正确的是( )
A.20~30 min时温度、压强不变,40 min时温度不变,增大压强
B.8 min前A的平均反应速率为0.08 mol·(L·s)-1
C.反应方程式中的x=1,正反应为吸热反应
D.20~40 min时该反应的环境温度不变
D [20~40 min时该平衡没有移动,故反应温度没有改变,D正确。]
专项突破(17) “等效平衡”在平衡状态比较中的应用
1.等效平衡的概念
在相同条件下(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,在达到化学平衡状态时,任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)均相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。
2.等效平衡的类型
等效类型
①
②
③
条件
恒温、恒容
恒温、恒容
恒温、恒压
反应的特点
任何可
逆反应
反应前后气体分子数相等
任何可逆
反应
起始投料
换算为化学方程式同一边物质, 其“量”相同
换算为化学方程式同一边物
质,其“量”
符合同一比例
换算为化学方程式同一边物质,其“量”符合同一比例
平衡特点
质量分
数(w%)
相同
相同
相同
浓度(c)
相同
成比例
相同(气体)
物质的量(n)
相同
成比例
成比例
3.实例
在恒温恒容条件下,可逆反应:2A(g)+B(g)3C(g)+D(g) ΔH=-Q1 kJ·mol-1(Q1>0),起始物质的量如表所示:
序号
A
B
C
D
①
2 mol
1 mol
0
0
②
4 mol
2 mol
0
0
③
1 mol
0.5 mol
1.5 mol
0.5 mol
④
0
1 mol
3 mol
1 mol
⑤
0
0
3 mol
1 mol
(1)上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?
①③⑤。
(2)达到平衡后,①放出的热量为Q2 kJ,⑤吸收的热量为Q3 kJ,则Q1、Q2、Q3的定量关系为Q2+Q3=Q1。
(3)其他条件不变,当D为固体时,上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?①②③⑤。
(4)将“恒温恒容”改为“恒温恒压”,a.上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?①②③⑤。b.达平衡后①②放出的热量分别为Q1和Q2,则Q1与Q2的关系Q2=2Q1。
4.平衡状态比较的三种思维模板
(1)构建恒温恒容平衡思维模式
新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成,相当于增大压强。
(2)构建恒温恒压平衡思维模式(以气体物质的量增加的反应为例,见图示)
新平衡状态可以认为是两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动。
(3)恒温恒容与恒温恒压条件平衡比较模式(起始量相同)
1.(2019·石家庄模拟)同温度下,体积均为1 L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.6 kJ·mol-1。测得数据如表:
容器
编号
起始时各物质的物质的量/mol
达到平衡时体系
能量的变化
N2
H2
NH3
①
2
3
0
27.78 kJ
②
1.6
1.8
0.8
Q
下列叙述不正确的是( )
A.容器①、②中反应达平衡时压强相等
B.容器②中反应开始时v(正)>v(逆)
C.容器②中反应达平衡时,吸收的热量Q为9.26 kJ
D.若条件为“绝热恒容”,容器①中反应达平衡时n(NH3)<0.6 mol
B [根据容器①中反应达到平衡时能量的变化可知,该反应中转化的N2为=0.3 mol,因此根据三段式法可得
N2(g)+ 3H2(g)2NH3(g)
起始/(mol) 2 3 0
转化/(mol) 0.3 0.9 0.6
平衡/(mol) 1.7 2.1 0.6
故平衡常数K=≈0.023 (mol·L-1)-2<
(mol·L-1)-2≈0.069 (mol·L-1)-2,因此容器②中反应向逆反应方向进行,v(正)
2.将4.0 mol PCl3和2.0 mol Cl2充入体积不变的密闭容器中,在一定条件下发生反应:PCl3(g)+Cl2(g)PCl5(g)。达到平衡时,PCl5为0.8 mol,如果此时移走2.0 mol PCl3和1.0 mol Cl2,在相同温度下再达平衡时PCl5的物质的量是( )
A.0.8 mol B.0.4 mol
C.小于0.4 mol D.大于0.4 mol,小于0.8 mol
C [已知:
3.恒温恒压下,在一个容积可变的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g)C(g),若开始时通入1 mol A和1 mol B,达到平衡时生成a mol C。则下列说法错误的是( )
A.若开始时通入3 mol A和3 mol B,达到平衡时,生成的C的物质的量为3a mol
B.若开始时通入4 mol A、4 mol B和2 mol C,达到平衡时,B的物质的量一定大于4 mol
C.若开始时通入2 mol A、2 mol B和1 mol C,达到平衡时,再通入3 mol C,则再次达到平衡后,C的物质的量分数为
D.若在原平衡体系中,再通入1 mol A和1 mol B,混合气体的平均相对分子质量不变
B [选项A,开始时通入3 mol A和3 mol B,由于容器体积膨胀,保持恒压,相当于将三个原容器叠加,各物质的含量与原平衡中的相同,C的物质的量为3a mol;选项B,无法确定平衡移动的方向,不能确定平衡时B的物质的量一定大于4 mol;选项C,根据题给数据可算出达到平衡时C的物质的量分数为;选项D,这种条件下混合气体的平均相对分子质量不变。]
4.有甲、乙两容器,甲容器容积固定,乙容器容积可变。一定温度下,在甲中加入2 mol N2、3 mol H2,反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)达到平衡时生成NH3的物质的量为m mol。
(1)相同温度下,在乙中加入4 mol N2、6 mol H2,若乙的压强始终与甲的压强相等,乙中反应达到平衡时,生成NH3的物质的量为________mol(从下列各项中选择,只填字母,下同);若乙的容积与甲的容积始终相等,乙中反应达到平衡时,生成NH3的物质的量为________mol。
A.小于m B.等于m C.在m~2m之间
D.等于2m E.大于2m
(2)若开始时甲、乙两容器的容积相同,甲保持恒温恒容达到平衡,乙保持恒温恒压通入2 mol N2和3 mol H2达到平衡,两容器平衡时,转化率α(N2),甲________乙(填“>”“<”或“=”)。
解析:(1)由于甲容器定容,而乙容器定压,当它们的压强相等达到平衡时,乙的容积应该为甲的两倍,生成的NH3的物质的量应该等于2m mol。当甲、乙两容器的体积相等时,相当于将建立等效平衡后的乙容器压缩,故乙中NH3的物质的量大于2m mol。(2)起始加入量相同,平衡时乙中的压强大,反应程度大,α(N2)大。
答案:(1)D E (2)<
课堂反馈 真题体验
1.(2018·全国卷Ⅲ,T28(3))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所示。
(1)343 K时反应的平衡转化率α=________%。平衡常数K343 K=________(保留2位小数)。
(2)在343 K下:要提高SiHCl3转化率,可采取的措施是________;要缩短反应达到平衡的时间,可采取的措施有________、________。
解析:(1)温度越高,反应越先达到平衡,根据图示,左侧曲线对应的温度为343 K,343 K时反应的平衡转化率为22%。设开始时加入SiHCl3的浓度为a mol·L-1,根据化学方程式和SiHCl3的平衡转化率知,达平衡时,SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的浓度分别为0.78a mol·L-1、0.11a mol·L-1、0.11a mol·L-1,化学平衡常数K=≈0.02。(2)根据化学平衡移动原理并结合该反应特点,及时分离出生成物可提高反应物的转化率。缩短反应达到平衡的时间,实质就是提高反应速率,可采用加压的方式或选择更为高效的催化剂。
答案:(1)22 0.02 (2)及时移去产物 改进催化剂 提高反应物压强
2.(2017·全国卷Ⅱ,T27)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-1
③H2(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-1-(-242 kJ·mol-1)=+123 kJ·mol-1。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
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