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2019-2020年高考化學二輪復習 上篇 專題突破方略 專題二 基本理論 第六講 化學反應速率與化學平衡學案
xx高考導航——適用于全國卷Ⅰ
最新考綱
高頻考點
高考印證
命題趨勢
1.了解化學反應速率的概念、反應速率的定量表示方法。
2.了解催化劑在生產(chǎn)、生活和科學研究領域中的重大作用。
3.了解化學反應的可逆性。
4.了解化學平衡建立的過程。理解化學平衡常數(shù)的含義,能夠利用化學平衡常數(shù)進行簡單的計算。
5.理解外界條件(濃度、溫度、壓強、催化劑等)對反應速率和化學平衡的影響,認識并能用相關理論解釋其一般規(guī)律。
6.了解化學反應速率和化學平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學研究領域中的重要作用。
7.以上各部分知識的綜合應用。
化學反應速率
及影響因素
xxT28
xxT9
xxT28
1.化學反應速率與化學平衡常結(jié)合起來進行考查;化學平衡的影響因素及在外界條件改變時平衡移動的方向,是考查化學平衡的必考點,此類問題在選擇題和非選擇題中均可能出現(xiàn),試題常常與化學平衡圖像相結(jié)合進行考查。
2.化學平衡狀態(tài)的判斷是高考??键c,考查角度多樣,但都是圍繞v(正)和v(逆)是否相等、物質(zhì)的濃度是否變化來判斷?;瘜W平衡常數(shù)從表達式的書寫到有關計算都有考查,預計今后仍將延續(xù)近年的命題形式和特點。
化學平衡狀態(tài)
及影響因素
xxT28
xxT28
化學平衡常數(shù)
及有關計算
xxT28
xxT28
考點一 化學反應速率及影響因素
[學生用書P25]
1.對化學反應速率計算公式的剖析
v(B)==
(1)濃度變化只適用于氣體和溶液中的溶質(zhì),不適用于固體和純液體。
(2)化學反應速率是某段時間內(nèi)的平均反應速率,而不是瞬時速率,且計算時取正值。
(3)同一反應用不同的物質(zhì)表示反應速率時,數(shù)值可能不同,但意義相同。不同物質(zhì)表示的反應速率之比等于其化學計量數(shù)之比。
(4)對于可逆反應,反應進行的凈速率是正、逆反應速率之差,當達到平衡時,凈速率為零。
2.分析有氣體參與的化學反應的反應速率
(1)恒溫時,壓縮體積壓強增大―→氣體反應物濃度增大反應速率增大。
(2)恒溫恒容時
①充入氣體反應物氣體反應物濃度增大(壓強也增大)反應速率增大。
②充入“惰性”氣體總壓強增大―→氣體反應物濃度未改變反應速率不變。
(3)恒溫恒壓時,充入“惰性”氣體體積增大氣體反應物濃度減小反應速率減小。
3.外界條件對可逆反應的正、逆反應速率的影響方向是一致的,但影響程度不一定相同
(1)當增大反應物濃度時,v(正)增大,v(逆)瞬間不變,隨后也增大;
(2)增大壓強,氣體分子數(shù)減小方向的反應速率變化程度大;
(3)對于反應前后氣體分子數(shù)不變的反應,改變壓強可以同等程度地改變正、逆反應速率;
(4)升高溫度,v(正)和v(逆)都增大,但吸熱反應方向的反應速率增大的程度大;
(5)使用催化劑,能同等程度地改變正、逆反應速率。
化學反應速率的影響因素
1.(概念判斷類)(xx高考福建卷)在不同濃度(c)、溫度(T)條件下,蔗糖水解的瞬時速率(v)如下表。下列判斷不正確的是( )
A.a=6.00
B.同時改變反應溫度和蔗糖的濃度,v可能不變
C.b<318.2
D.不同溫度時,蔗糖濃度減少一半所需的時間相同
[破題關鍵] 條件中反應物濃度的變化規(guī)律為等差數(shù)列減小,同溫度下瞬時速率也呈現(xiàn)等差數(shù)列減??;反應速率隨溫度升高而加快。
解析:選D。由表格知328.2 K時蔗糖水解的瞬時速率與濃度的關系成正比,則0.600/0.400=9.00/a,a=6.00,A項正確;從題給數(shù)據(jù)看,濃度越大、溫度越高,反應速率越快,當增大濃度同時降低溫度時,瞬時速率可能會不變,B項正確;濃度不變時,b K下反應速率低于318.2 K下的反應速率,故b<318.2,C項正確;溫度不同,相同濃度下的平均速率不同,濃度減少一半所需的時間也不同,D項錯誤。
[互動拓展]
(1)在其他條件不變時,某反應的反應速率在溫度每升高10 ℃時變?yōu)樵瓉淼?倍,則50 ℃時的反應速率是10 ℃時的________倍。
(2)在溶液中進行的某反應,開始反應后,反應速率呈先增大后逐漸減小的趨勢,若不考慮生成催化劑的影響,則該反應為________熱反應。
答案:(1)34 (2)放
(xx河北承德高三模擬)對于反應2C6H5CH2CH3(g)+O2(g) 2C6H5CH===CH2(g)+2H2O(g) ΔH<0,下列說法正確的是( )
A.升溫,正反應速率減小,逆反應速率增大
B.升溫,正、逆反應速率均增大
C.加壓,正反應速率減小,逆反應速率增大
D.加壓,正、逆反應速率均減小
解析:選B。升溫,正、逆反應速率均增大,A錯誤,B正確;加壓,正、逆反應速率均增大,C、D錯誤。
2.(xx高考海南卷改編)10 mL濃度為1 mol/L的鹽酸與過量的鋅粉反應,若加入適量的下列溶液,既能減慢反應速率,又能使氫氣生成量減少的是( )
A.K2SO4 B.CH3COONa
C.CuSO4 D.Na2CO3
解析:選D。Zn與稀鹽酸發(fā)生反應:Zn+2HCl===ZnCl2+H2↑,若加入物質(zhì)使反應速率減慢,則c(H+)減小,產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量減小,說明最終電離產(chǎn)生的n(H+)減小。A.K2SO4是強酸強堿鹽,不發(fā)生水解,溶液顯中性,溶液中的水對鹽酸起稀釋作用,使c(H+)減小,但沒有消耗H+,因此n(H+)不變;B.CH3COONa與HCl發(fā)生反應:CH3COONa+HCl===CH3COOH+NaCl,使溶液中c(H+)減小,反應速率降低,當反應進行到一定程度,會發(fā)生反應:2CH3COOH+Zn===(CH3COO)2Zn+H2↑,因此最終不會影響產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量;C.CuSO4溶液會與Zn發(fā)生置換反應:CuSO4+Zn===Cu+ZnSO4,產(chǎn)生的Cu與Zn和鹽酸構(gòu)成原電池,會加快反應速率;D.Na2CO3溶液會與鹽酸發(fā)生反應:Na2CO3+2HCl===2NaCl+H2O+CO2↑,使溶液中的c(H+)、n(H+)都減小,既能使反應速率減慢,又能使產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量減小。
反應速率的比較與計算
1.(xx高考北京卷)一定溫度下,10 mL 0.40 mol/L H2O2溶液發(fā)生催化分解。不同時刻測得生成O2的體積(已折算為標準狀況)如下表。
t/min
0
2
4
6
8
10
V(O2)/
mL
0.0
9.9
17.2
22.4
26.5
29.9
下列敘述不正確的是(溶液體積變化忽略不計)( )
A.0~6 min的平均反應速率:v(H2O2)≈3.310-2 mol/(Lmin)
B.6~10 min的平均反應速率:v(H2O2)<3.310-2 mol/(Lmin)
C.反應至6 min時,c(H2O2)=0.30 mol/L
D.反應至6 min時,H2O2分解了50%
解析:選C。2H2O22H2O+O2↑。
A.6 min時,生成O2的物質(zhì)的量n(O2)==110-3 mol,依據(jù)反應方程式,消耗n(H2O2)=210-3 mol,所以0~6 min時,v(H2O2)=≈3.310-2 mol/(Lmin),A正確。B.6~10 min時,生成O2的物質(zhì)的量n(O2)=≈0.33510-3 mol,依據(jù)反應方程式,消耗n(H2O2)=0.33510-3 mol2=0.6710-3 mol,6~10 min時,v(H2O2)=≈1.6810-2 mol/(Lmin)<3.310-2 mol/(Lmin),B正確。C.反應至6 min時,消耗n(H2O2)=210-3 mol,剩余n(H2O2)=0.40 mol/L0.01 L-210-3 mol=210-3 mol,c(H2O2)==0.20 mol/L,C錯誤。D.反應至6 min時,消耗n(H2O2)=210-3 mol,n總(H2O2)=410-3 mol,所以H2O2分解了50%,D正確。
2.(xx高考重慶卷)在恒容密閉容器中通入X并發(fā)生反應:2X(g) Y(g),溫度T1、T2下X的物質(zhì)的量濃度c(X)隨時間t變化的曲線如圖所示,下列敘述正確的是( )
A.該反應進行到M點放出的熱量大于進行到W點放出的熱量
B.T2下,在0~t1時間內(nèi),v(Y)=molL-1min-1
C.M點的正反應速率v正大于N點的逆反應速率v逆
D.M點時再加入一定量X,平衡后X的轉(zhuǎn)化率減小
解析:選C。根據(jù)圖像給出的在不同溫度下達到平衡所需要的時間可得出:T1>T2,再根據(jù)不同溫度下達到平衡時c(X)的大小可推出此反應為放熱反應。M點X的轉(zhuǎn)化率小于W點X的轉(zhuǎn)化率,因此反應進行到M點放
出的熱量小于進行到W點放出的熱量,選項A不正確。T2下,在0~t1時間內(nèi),v(X)= molL-1min-1,v(Y)=v(X)= molL-1min-1,選項B不正確。在T1和T2溫度時,當達到平衡狀態(tài)時,M點v正(M)=v逆(M),W點v正(W)=v逆(W),溫度高反應速率快,v逆(M)>v逆(W),又v逆(W)>v逆(N),則v逆(M)>v逆(N),則v正(M)>v逆(N),選項C正確。M點時在恒容條件下再加入一定量X,相當于增大壓強,平衡正向移動,平衡后X的轉(zhuǎn)化率增大,選項D不正確。
有關化學反應速率的易錯點
(1)錯誤地把化學反應速率等同于瞬時速率,化學反應速率是某一段時間內(nèi)的平均速率,而不是瞬時速率。
(2)進行化學反應速率的相關計算時,錯誤地用某物質(zhì)的物質(zhì)的量代替物質(zhì)的量濃度計算,速率大小比較時易忽視各物質(zhì)的速率的單位是否一致和單位書寫是否正確。
(3)錯誤地認為固體和純液體不會改變化學反應速率,實際上不能用固體和純液體物質(zhì)的變化量表示化學反應速率,但若將固體的顆粒變小(增大固體的接觸面積)則化學反應速率會加快。
(4)錯誤地認為只要增大壓強,有氣體參加的反應的化學反應速率一定增大;實際上若反應在密閉固定容積的容器中進行,充入氦氣(或不參與反應的氣體),壓強增大,但氣體反應物的濃度不變,反應速率不變;若反應在密閉可變?nèi)莘e的容器中進行,充入氦氣(或不參與反應的氣體)而保持壓強不變,相當于壓強減小,氣體反應物的濃度減小,反應速率減小。
(5)不能正確區(qū)分外界條件對可逆反應的正、逆反應速率的影響趨勢。例如:對ΔH<0的反應,升高溫度,平衡逆向移動,正、逆反應速率都增大,并不是只增大逆反應速率,只是逆反應速率增大的程度大于正反應速率;工業(yè)合成氨中,移出部分氨氣(平衡右移),正、逆反應速率都減小,并不是增大了正反應速率。
考點二 化學平衡狀態(tài)及影響因素
[學生用書P26]
1.化學平衡狀態(tài)判斷的“兩類標志”及“一角度”
判斷化學反應是否達到化學平衡狀態(tài),關鍵是看給定條件下能否推出“變量”達到“不變”。常用到的判斷標志有:
(1)絕對標志
(2)相對標志
①有氣體參加的反應,氣體的總壓強、總體積、總物質(zhì)的量不變時,當為反應前后氣體分子數(shù)不變的反應時,不一定達到平衡;當為反應前后氣體分子數(shù)不相等的反應時,達到平衡。
②氣體的密度()、氣體的平均相對分子質(zhì)量()不變時,要具體分析各表達式中的分子或分母變化情況,判斷是否平衡。
③如果平衡體系中的物質(zhì)有顏色,則平衡體系的顏色不變時,達到平衡。
(3)一角度
從微觀的角度分析,如反應N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),下列各項均可說明該反應達到了平衡狀態(tài):
①斷裂1 mol NN鍵的同時生成≡N鍵;
②斷裂1 mol NN鍵的同時生成-H鍵;
③斷裂1 mol NN鍵的同時斷裂-H鍵;
④生成1 mol NN鍵的同時生成-H鍵。
2.化學平衡移動判斷的方法和規(guī)律
(1)①通過比較化學平衡破壞瞬時的正、逆反應速率的相對大小來判斷平衡移動的方向。
a.若外界條件改變,引起v正>v逆,則化學平衡向正反應方向(或向右)移動;
b.若外界條件改變,引起v正
K,平衡逆向移動;
②若Q=K,平衡不移動;
③若Q0,為吸熱反應,壓強不變時升高溫度,平衡正向移動,N2O4的物質(zhì)的量分數(shù)減小,與圖中一致,溫度不變時增大壓強,平衡逆向移動,N2O4的物質(zhì)的量分數(shù)增大,與圖中一致,正確;D項起始時增大CO2的物質(zhì)的量,C的轉(zhuǎn)化率增大,但CO2的轉(zhuǎn)化率減小,錯誤。
2.(xx高考安徽卷)臭氧是理想的煙氣脫硝試劑,其脫硝反應為2NO2(g)+O3(g) N2O5(g)+O2(g),若反應在恒容密閉容器中進行,下列由該反應相關圖像作出的判斷正確的是( )
A
B
升高溫度,平衡常數(shù)減小
0~3 s內(nèi),反應速率為v(NO2)=0.2 molL-1
C
D
t1時僅加入催化劑,平衡正向移動
達平衡時,僅改變x,則x為c(O2)
解析:選A。A.從能量變化的圖像分析,該反應為放熱反應,升高溫度,平衡逆向移動,平衡常數(shù)減小,A正確。B.依據(jù)化學反應速率的計算公式:v(NO2)==0.2 molL-1s-1,單位不對,B錯誤。C.催化劑會同等程度地改變正、逆反應速率,所以加入催化劑,平衡不移動,C錯誤。D.增大c(O2),平衡逆向移動,NO2的轉(zhuǎn)化率降低,D錯誤。
化學平衡狀態(tài)的判定
1.(xx山西太原高三調(diào)研)可逆反應:2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)在體積固定的密閉容器中進行,達到平衡狀態(tài)的標志是( )
①單位時間內(nèi)生成n mol O2的同時生成2n mol NO2
②單位時間內(nèi)生成n mol O2的同時生成2n mol NO
③用NO2、NO、O2表示的反應速率之比為2∶2∶1的狀態(tài)
④混合氣體的顏色不再改變的狀態(tài)
⑤混合氣體的密度不再改變的狀態(tài)
⑥混合氣體的壓強不再改變的狀態(tài)
⑦混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再改變的狀態(tài)
A.①④⑥⑦ B.②③⑤⑦
C.①③④⑤ D.全部
解析:選A。①單位時間內(nèi)生成n mol O2的同時生成2n mol NO2,能說明反應達到平衡狀態(tài);②描述的都是正反應方向,無法判斷是否達到平衡狀態(tài);③無論達到平衡與否,同向的反應速率之比總是等于化學計量數(shù)之比;④混合氣體的顏色不變能夠說明反應達到了平衡狀態(tài);⑤因容器體積固定,密度是一個常數(shù),所以其不能說明反應達到平衡狀態(tài);該反應是一個反應前后氣體體積不等的反應,容器的體積又固定,所以⑥⑦均能說明反應達到平衡狀態(tài)。
2.下列說法中可以證明反應H2(g)+I2(g) 2HI(g)已達平衡狀態(tài)的是( )
①單位時間內(nèi)生成n mol H2的同時生成n mol HI
②一個H—H鍵斷裂的同時有兩個H—I鍵斷裂
③百分含量w(HI)=w(I2)
④反應速率v(H2)=v(I2)=v(HI)
⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1
⑥溫度和體積一定時,生成物濃度不再變化
⑦溫度和體積一定時,容器內(nèi)的壓強不再變化
⑧條件一定時,混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再變化
⑨溫度和體積一定時,混合氣體顏色不再變化
⑩溫度和壓強一定時,混合氣體的密度不再變化
A.①②③④ B.②⑥⑨
C.②⑥⑨⑩ D.③⑤⑥⑦⑧
解析:選B。對于反應前后氣體分子數(shù)相等的可逆反應,平均相對分子質(zhì)量、壓強及密度都不能用來判斷反應是否達到平衡狀態(tài)。
有關化學平衡的易錯點
(1)混淆化學反應速率變化與化學平衡的移動的關系?;瘜W平衡移動,則化學反應速率一定改變,但化學反應速率改變,化學平衡不一定移動,如催化劑對化學平衡的影響。另外平衡正向移動,不可錯誤地認為逆反應速率一定減小,正反應速率一定增大。
(2)混淆勒夏特列原理中的“減弱”。勒夏特列原理:如果改變影響平衡的一個條件,平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動。此處的“減弱”是在改變后的基礎上減弱,并不能抵消,更不能超越。
(3)混淆化學平衡移動與轉(zhuǎn)化率的關系?;瘜W平衡正向移動,反應物轉(zhuǎn)化率不一定增大。
(4)化學平衡移動,平衡常數(shù)不一定改變。
考點三 化學平衡常數(shù)及有關計算
[學生用書P28]
1.“三段式法”解答化學平衡計算題
(1)步驟
①寫出有關化學平衡的反應方程式。
②確定各物質(zhì)的起始、轉(zhuǎn)化、平衡時的量(物質(zhì)的量或物質(zhì)的量濃度)。
③根據(jù)已知條件建立等式關系并做解答。
(2)方法
如mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),令A、B起始物質(zhì)的量濃度分別為a molL-1、b molL-1,達到平衡后消耗A的物質(zhì)的量濃度為mx molL-1。
mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)
a b 0 0
mx nx px qx
a-mx b-nx px qx
K=。
(3)說明
①反應物:c(平)=c(始)-c(變);
生成物:c(平)=c(始)+c(變)。
②各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化濃度之比等于化學方程式中化學計量數(shù)之比。
③轉(zhuǎn)化率=100%。
2.化學平衡常數(shù)的全面突破
(1)化學平衡常數(shù)的意義
①化學平衡常數(shù)可表示反應進行的程度。K越大,反應進行的程度越大,K>105時,可以認為該反應已經(jīng)進行完全。雖然轉(zhuǎn)化率也能表示反應進行的程度,但轉(zhuǎn)化率不僅與溫度有關,而且與起始條件有關。
②K的大小只與溫度有關,與反應物或生成物的起始濃度的大小無關。
(2)化學平衡常數(shù)的兩個應用
①判斷反應進行的方向
若任意狀態(tài)下的生成物與反應物的濃度冪之積的比值為Q,則Q>K,反應向逆反應方向進行;
Q=K,反應處于平衡狀態(tài);
Q0。
2.(xx高考四川卷)在10 L恒容密閉容器中充入X(g)和Y(g),發(fā)生反應X(g)+Y(g) M(g)+N(g),所得實驗數(shù)據(jù)如下表:
實驗編號
溫度/℃
起始時物質(zhì)的量/mol
平衡時物質(zhì)的量/mol
n(X)
n(Y)
n(M)
①
700
0.40
0.10
0.090
②
800
0.10
0.40
0.080
③
800
0.20
0.30
a
④
900
0.10
0.15
b
下列說法正確的是( )
A.實驗①中,若5 min時測得n(M)=0.050 mol,則0至5 min時間內(nèi),用N表示的平均反應速率v(N)=1.010-2 mol/(Lmin)
B.實驗②中,該反應的平衡常數(shù)K=2.0
C.實驗③中,達到平衡時,X的轉(zhuǎn)化率為60%
D.實驗④中,達到平衡時,b>0.060
解析:選C。A.根據(jù)方程式可知在5 min內(nèi)反應生成的n(N)等于生成的n(M),則v(N)==110-3 mol/(Lmin),該項錯誤;B.根據(jù)表格中數(shù)據(jù)可知實驗②平衡時c(X)=0.002 mol/L、c(Y)=0.032 mol/L、c(N)=c(M)=0.008 mol/L,則平衡常數(shù)K===1.0,該項錯誤;C.由實驗②得該反應在800 ℃時平衡常數(shù)為1,設反應中轉(zhuǎn)化的X的物質(zhì)的量為x mol,則有(0.20-x)(0.30-x)=xx,故x=0.12,X的轉(zhuǎn)化率為100%=60%,該項正確;D.假設在900 ℃時,該反應的平衡常數(shù)也為1.0,根據(jù)實驗④中的數(shù)據(jù)可知b=0.060,由①中數(shù)據(jù)可知在700 ℃時平衡常數(shù)約為2.6,結(jié)合800 ℃時平衡常數(shù)為1.0可知,溫度越高,該平衡常數(shù)越小,平衡逆向移動,故b<0.060,該項錯誤。
有關化學平衡的綜合計算
1.(xx高考天津卷)某溫度下,在2 L的密閉容器中,加入1 mol X(g)和2 mol Y(g)發(fā)生反應:
X(g)+mY(g) 3Z(g)
平衡時,X、Y、Z的體積分數(shù)分別為30%、60%、10%。在此平衡體系中加入1 mol Z(g),再次達到平衡后,X、Y、Z的體積分數(shù)不變。下列敘述不正確的是( )
A.m=2
B.兩次平衡的平衡常數(shù)相同
C.X與Y的平衡轉(zhuǎn)化率之比為1∶1
D.第二次平衡時,Z的濃度為0.4 molL-1
解析:選D。A.根據(jù)再次加入1 mol Z(g),平衡后,X、Y、Z的體積分數(shù)不變,可知該反應是一個反應前后氣體分子數(shù)相等的反應,因此m=2。B.由于溫度沒有變化,故兩次平衡的平衡常數(shù)不變。C.因為是按照化學方程式中化學計量數(shù)之比充入的反應物,因此二者的平衡轉(zhuǎn)化率相等。D.該反應前后氣體分子數(shù)不變,因此反應后氣體的物質(zhì)的量與反應前一樣,都為4 mol,而平衡后Z的體積分數(shù)為10%,故平衡時Z的物質(zhì)的量為4 mol10%=0.4 mol,容器體積為2 L,則Z的濃度為0.2 molL-1。
2.(xx高考重慶卷)羰基硫(COS)可作為一種糧食熏蒸劑,能防止某些昆蟲、線蟲和真菌的危害。在恒容密閉容器中,將CO和H2S混合加熱并達到下列平衡:
CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g) K=0.1
反應前CO物質(zhì)的量為10 mol,平衡后CO物質(zhì)的量為8 mol。下列說法正確的是( )
A.升高溫度,H2S濃度增加,表明該反應是吸熱反應
B.通入CO后,正反應速率逐漸增大
C.反應前H2S物質(zhì)的量為7 mol
D.CO的平衡轉(zhuǎn)化率為80%
解析:選C。A.升高溫度,H2S濃度增大,說明平衡向逆反應方向移動,逆反應為吸熱反應,則該反應正反應為放熱反應,故不正確。B.通入CO后,正反應速率瞬間增大,之后化學平衡發(fā)生移動,正反應速率逐漸減小,逆反應速率逐漸增大,當正反應速率和逆反應速率相等時,反應達到新的化學平衡狀態(tài),故不正確。C.設反應前H2S的物質(zhì)的量為a mol,容器的容積為1 L,列“三段式”進行解題:
CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g)
10 a 0 0
2 2 2 2
8 a-2 2 2
化學平衡常數(shù)K==0.1,解得a=7,故正確。
D.CO的平衡轉(zhuǎn)化率為100%=20%,故不正確。
3.(xx高考浙江卷)乙苯催化脫氫制苯乙烯反應:
(1)已知:
化學鍵
C—H
C—C
C===C
H—H
鍵能/kJmol-1
412
348
612
436
計算上述反應的ΔH=________kJmol-1。
(2)維持體系總壓p恒定,在溫度T時,物質(zhì)的量為n、體積為V的乙苯蒸氣發(fā)生催化脫氫反應。已知乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率為α,則在該溫度下反應的平衡常數(shù)K=________(用α等符號表示)。
(3)工業(yè)上,通常在乙苯蒸氣中摻混水蒸氣(原料氣中乙苯和水蒸氣的物質(zhì)的量之比為1∶9),控制反應溫度600 ℃,并保持體系總壓為常壓的條件下進行反應。在不同反應溫度下,乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率和某催化劑作用下苯乙烯的選擇性(指除了H2以外的產(chǎn)物中苯乙烯的物質(zhì)的量分數(shù))示意圖如下:
①摻入水蒸氣能提高乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率,解釋說明該事實:________________________________________________________________________。
②控制反應溫度為600 ℃的理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)某研究機構(gòu)用CO2代替水蒸氣開發(fā)了綠色化學合成工藝——乙苯二氧化碳耦合催化脫氫制苯乙烯。保持常壓和原料氣比例不變,與摻水蒸氣工藝相比,在相同的生產(chǎn)效率下,可降低操作溫度;該工藝中還能夠發(fā)生反應:CO2+H2===CO+H2O,CO2+C===2CO。新工藝的特點有________(填編號)。
①CO2與H2反應,使乙苯脫氫反應的化學平衡右移
②不用高溫水蒸氣,可降低能量消耗
③有利于減少積炭
④有利于CO2資源利用
解析:(1) 制備苯乙烯需斷開2 mol C—H鍵,生成1 mol H—H鍵,同時在C—C鍵的基礎上生成C===C鍵,因此生成1 mol苯乙烯吸收的熱量為2412 kJ=824 kJ,放出的熱量為436 kJ+(612-348) kJ=700 kJ,根據(jù)反應熱的定義可知,ΔH=824 kJmol-1-700 kJmol-1=+124 kJmol-1。
(2)從濃度角度求Kc:根據(jù)阿伏加德羅定律的推論,總壓強p相同時,=,乙苯的轉(zhuǎn)化率為α,由此可得:=,V反應后=(1+α)V,根據(jù)化學方程式及平衡常數(shù)的定義:苯乙烯濃度c1=,H2濃度c2=,乙苯濃度c3=,Kc====。
從壓強角度求Kp:容器中氫氣的物質(zhì)的量為αn,苯乙烯的物質(zhì)的量為αn,乙苯的物質(zhì)的量為(1-α)n,氣體的總物質(zhì)的量為(1+α)n,所以氫氣的分壓為p,苯乙烯的分壓為p,乙苯的分壓為p,因此Kp==p。
(3)①因為該容器內(nèi)保持恒壓,摻入水蒸氣,相當于增大了容器的體積,而該反應的正反應是氣體分子數(shù)增大的反應,化學平衡向右移動,提高了乙苯的平衡轉(zhuǎn)化率。
②從圖像可知,600 ℃時,乙苯的轉(zhuǎn)化率和苯乙烯的選擇性均較高。如果溫度過低,反應速率慢且轉(zhuǎn)化率低;如果溫度過高,選擇性下降,且高溫還可能使催化劑失去活性,同時還會消耗更多的能量。
(4)①中二氧化碳與氫氣反應,可以促使平衡向右移動,所以正確;②中不需要提供產(chǎn)生水蒸氣的能量,降低能耗,所以正確;③中因為二氧化碳可以與碳反應生成一氧化碳,因此可以減少積炭,所以正確;④中由于該反應消耗二氧化碳,因此有利于二氧化碳資源的利用,所以正確。
答案:(1)+124 (2)p[或]
(3)①正反應方向氣體分子數(shù)增加,加入水蒸氣稀釋,相當于起減壓的效果?、?00 ℃,乙苯的轉(zhuǎn)化率和苯乙烯的選擇性均較高。溫度過低,反應速率慢,轉(zhuǎn)化率低;溫度過高,選擇性下降。高溫還可能使催化劑失活,且能耗大
(4)①②③④
化學反應速率與化學平衡圖像的分析方法
(1)認清坐標系,弄清縱、橫坐標所代表的意義,并與有關原理相結(jié)合。
(2)看清起點,分清反應物、生成物。濃度減小的是反應物,濃度增大的是生成物,一般生成物多數(shù)以原點為起點。
(3)看清曲線的變化趨勢,注意漸變和突變,分清正、逆反應,從而判斷反應特點。
(4)注意終點。例如:在濃度時間圖像上,一定要看清終點時反應物的消耗量、生成物的增加量,并結(jié)合有關原理進行推理判斷。
(5)先拐先平。例如:在轉(zhuǎn)化率時間圖像上,先出現(xiàn)拐點的曲線先達到平衡,此時逆向推理可得該曲線對應的溫度高、濃度大或壓強大。
(6)定一議二。當圖像中有三個量時,先確定一個量不變再討論另外兩個量的關系。
有關化學反應速率與平衡移動的認識誤區(qū)
1.誤認為溫度、壓強等條件的改變對正、逆反應速率影響不一致,如認為升溫既然使化學平衡向吸熱方向移動,則對于放熱反應,升溫時,逆反應速率增大,而正反應速率減小。其實不然,溫度升高,正、逆反應速率都增大,只是吸熱反應方向速率增大的程度大;同理,降溫會使吸熱反應方向速率減小的程度大,而導致化學平衡向放熱方向移動。
2.誤認為化學平衡向正反應方向移動,則反應物的濃度一定減小,或反應物轉(zhuǎn)化率一定增大。其實不然,這是因為造成平衡移動的因素有多種,如當增大某種反應物的濃度時,平衡雖向正反應方向移動,但該反應物濃度最終增大,且轉(zhuǎn)化率降低。
3.誤認為隨著化學反應的進行,化學反應速率一定逐漸減小。其實不一定,因為反應速率不僅受濃度影響,而且受溫度影響,一般會先增大后減小。
4.誤認為改變?nèi)我庖粋€條件,都能引起平衡移動。其實不一定,如對于反應前后氣體分子數(shù)不變的反應,減小體積引起體系壓強增大,由于反應混合物中各組分濃度同等程度增大,故平衡不移動。
5.誤認為任何可逆反應都是正向開始隨后達到平衡。其實不一定,因為一開始反應的進行方向取決于濃度商Q和化學平衡常數(shù)K的大小關系。
1.下列條件一定能使反應速率增大的是( )
①增加反應物的物質(zhì)的量
②升高溫度
③縮小反應容器的容積
④不斷分離出生成物
⑤加入催化劑MnO2
A.全部 B.①②⑤
C.② D.②③
解析:選C。若增加固體的物質(zhì)的量,反應速率不變;升高溫度一定能加快反應速率;改變非氣體反應的容積,反應速率不變;分離出固體或純液體生成物,不改變反應速率;催化劑有一定的選擇性,MnO2不能改變所有反應的反應速率。
2.(xx福建福州高三模擬)在恒溫下的密閉容器中,有可逆反應2NO2 N2O4,下列描述不能說明反應達到平衡狀態(tài)的是( )
A.N2O4生成速率與N2O4分解速率相等
B.混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變
C.NO2的分子數(shù)與N2O4的分子數(shù)之比為2∶1
D.體系顏色不再發(fā)生改變
解析:選C。N2O4的生成速率和分解速率相等,說明N2O4的濃度不變,即反應達到平衡狀態(tài),A選項正確;混合氣體的平均相對分子質(zhì)量(混)=,(混)不變,說明n(混)不變,即反應達到了平衡狀態(tài),B選項正確;NO2與N2O4的分子數(shù)之比為2∶1時反應不一定達到平衡狀態(tài),C選項錯誤;體系顏色不變,說明NO2的濃度不變,即反應達到平衡狀態(tài),D選項正確。
3.(xx河北唐山第二次聯(lián)考)高溫下,某反應達到平衡,平衡常數(shù)K=。恒容時,溫度升高,H2濃度減小。下列說法正確的是( )
A.該反應的焓變?yōu)檎?
B.恒溫恒容下,增大壓強,H2濃度一定減小
C.升高溫度,逆反應速率減小
D.該反應的化學方程式為CO+H2OCO2+H2
解析:選A。根據(jù)平衡常數(shù)的表達式可得出該反應的化學方程式為CO2+H2CO+H2O(g);升高溫度,正、逆反應速率均增大;溫度升高,H2濃度減小,平衡正向移動,說明正反應是吸熱的,焓變?yōu)檎担辉诤銣睾闳菹?,增大壓強的方法有多種,H2濃度變化不確定。
4.(xx甘肅部分高中第一次聯(lián)考)等物質(zhì)的量的X(g) 與Y(g)在密閉容器中進行反應:X(g)+2Y(g) 3Z(g)+Q(s) ΔH>0,下列敘述正確的是( )
A.當容器中X與Y的物質(zhì)的量之比滿足1∶2時反應達到平衡
B.達到平衡時X的轉(zhuǎn)化率為25%,則平衡常數(shù)K為
C.達到平衡后,反應速率2v正(Y)=3v逆(Z)
D.達到平衡后,加入Q,平衡逆向移動
解析:選B。反應中X、Y按照物質(zhì)的量之比1∶2進行反應,而容器中兩者物質(zhì)的量之比為1∶2時不一定達到平衡,A項錯誤;設X、Y起始的物質(zhì)的量都為1 mol,容器的體積為V L,達到平衡時X的物質(zhì)的量是1 mol(1-25%)=0.75 mol,消耗X的物質(zhì)的量是0.25 mol,而Y的物質(zhì)的量為1 mol-0.25 mol2=0.5 mol,生成Z的物質(zhì)的量為0.25 mol3=0.75 mol,則平衡常數(shù)K==,B項正確;達到平衡后3v正(Y)=2v逆(Z),C項錯誤;由于Q為固體,加入Q后平衡不移動,D項錯誤。
5.(xx江蘇徐州高三模擬)已知反應X(g)+Y(g) nZ(g) ΔH>0,將X和Y以一定比例混合通入密閉容器中進行反應,各物質(zhì)的濃度隨時間的改變?nèi)鐖D所示。下列說法不正確的是( )
A.反應方程式中n=1
B.10 min時,曲線發(fā)生變化的原因是升高溫度
C.10 min時,曲線發(fā)生變化的原因是增大壓強
D.0~5 min內(nèi),用X表示的反應速率為v(X)=0.08 molL-1min-1
解析:選B。由圖像可以看出,0~5 min,X的濃度減小了0.4 molL-1,而Z的濃度增大了0.4 molL-1,說明X與Z的化學計量數(shù)之比為1∶1,故n=1,A項正確;10 min時,X、Y、Z的濃度同時增大一倍,且隨后平衡正向移動,說明改變的條件為增大壓強,B項錯誤,C項正確;0~5 min內(nèi),v(X)==0.08 molL-1min-1,D項正確。
6.(xx江西南昌調(diào)研)在一恒容的密閉容器中充入0.1 mol/L CO2、0.1 mol/L CH4,在一定條件下發(fā)生反應CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g),測得CH4的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關系如圖,下列有關說法不正確的是( )
A.上述反應的ΔH<0
B.壓強:p4>p3>p2>p1
C.壓強為p4,溫度為1 100 ℃時該反應平衡常數(shù)為1.64
D.壓強為p4時,在y點:v正>v逆
解析:選A。 由圖像可知,壓強一定時,溫度越高,CH4的平衡轉(zhuǎn)化率越大,故正反應為吸熱反應,ΔH>0,A項錯誤;該反應為氣體分子數(shù)增加的反應,壓強越大,CH4的平衡轉(zhuǎn)化率越小,故壓強p4>p3>p2>p1,B項正確;p4、1 100 ℃時,CH4的平衡轉(zhuǎn)化率為80.00%,故平衡時各物質(zhì)的濃度分別為c(CH4)=0.02 mol/L,c(CO2)=0.02 mol/L,c(CO)=0.16 mol/L,c(H2)=0.16 mol/L,即平衡常數(shù)K==1.64,C項正確;壓強為p4時,y點未達到平衡狀態(tài),此時y點CH4的平衡轉(zhuǎn)化率小于80.00%,故v正>v逆,D項正確。
7.向一體積不變的密閉容器中加入2 mol A、0.6 mol C和一定量的B三種氣體,在一定條件下發(fā)生反應,各物質(zhì)濃度隨時間變化的情況如圖甲所示。圖乙為t2時刻后改變反應條件,該平衡體系中反應速率隨時間變化的情況,且四個階段都各改變一種不同的條件。已知t3~t4階段使用了催化劑;圖甲中t0~t1階段c(B)的變化情況未畫出。
下列說法不正確的是( )
A.該反應為吸熱反應
B.B在t0~t1階段的轉(zhuǎn)化率為60%
C.t4~t5階段改變的條件為減小壓強
D.t1時該反應的化學平衡常數(shù)K=
解析:選B。在圖乙中t3~t4階段使用了催化劑;t4~t5階段正、逆反應速率均減小,但平衡不移動,這說明此階段是降低壓強,平衡不移動,說明反應前后氣體體積不變,C項正確。根據(jù)圖甲可知A一定是反應物,平衡時A消耗了0.2 molL-1,C是生成物,平衡時C增加了0.3 molL-1,因此B是反應物,即該反應的化學方程式可表示為2A+B 3C。t5~t6階段正、逆反應速率均增大,平衡向正反應方向進行,因此改變的條件是升高溫度,故該反應是吸熱反應,A項正確。B的平衡濃度是0.4 molL-1,消耗了0.1 molL-1,因此B在t0~t1階段的轉(zhuǎn)化率為20%,B項錯誤;t1時,達平衡時A、B、C的濃度分別是0.8 molL-1、0.4 molL-1、0.6 molL-1,故平衡常數(shù)K==,D項正確。
8.根據(jù)下表所示化學反應與數(shù)據(jù)關系,回答下列問題:
化學反應
平衡
常數(shù)
溫度
973 K
1 173 K
①Fe(s)+CO2(g) FeO(s)+CO(g)
K1
1.47
2.15
②Fe(s)+H2O(g) FeO(s)+H2(g)
K2
2.38
1.67
③CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
K3
?
?
(1)反應①是________(填“吸熱”或“放熱”)反應。
(2)寫出反應③的平衡常數(shù)K3的表達式:____________。
(3)根據(jù)反應①②③可推導出K1、K2與K3之間的關系,則K3=________(用K1、K2表示)。
(4)要使反應③在一定條件下建立的平衡向逆反應方向移動,可采取措施有________(填寫字母序號)。
A.縮小反應容器的容積
B.擴大反應容器的容積
C.升高溫度
D.使用合適的催化劑
E.設法減小平衡體系中的CO濃度
(5)若反應③的逆反應速率與時間的關系如圖所示:
①可見反應在t1、t3、t7時都達到了平衡,而t2、t8時都改變了一種條件,試判斷改變的是什么條件:t2時________;t8時________。
②若t4時降壓,t6時增大反應物的濃度,請在圖中畫出t4~t6時逆反應速率與時間的關系曲線。
解析:(1)由表可知,溫度升高,反應①的K1增大,故該反應為吸熱反應。(2)反應③ 的平衡常數(shù)K3=。(3)K3=,K1=,K2=,故K3=。(4)反應①為吸熱反應,其逆反應為放熱反應,反應②是放熱反應,而反應③是反應①的逆反應與反應②的和,故反應③是放熱反應,且反應前后氣體的體積不變,故只有C、E可使平衡向逆反應方向移動。(5)①由圖可知,t2時改變的條件使反應速率增大,且平衡逆向移動,故改變的條件是升高溫度或增大CO2的濃度或增大H2的濃度;t8時改變的條件使反應速率加快且平衡不移動,故改變的條件是使用催化劑或加壓或減小容器的容積。②若t4時降壓,則反應速率減小,曲線在原來平衡曲線的下方,平衡不移動,故該曲線為水平直線,且縱坐標為t6時的v逆。
答案:(1)吸熱 (2)K3= (3)
(4)CE (5)①升高溫度(或增大CO2的濃度或增大H2的濃度) 使用催化劑(或加壓或減小容器的容積)
②
9.(xx北京朝陽期末)甲醇汽油是一種新能源清潔燃料,可以作為汽油的替代物。工業(yè)上可用CO和H2制取甲醇,化學方程式為CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH=a kJ/mol。
為研究平衡時CO的轉(zhuǎn)化率與反應物投料比及溫度的關系,研究小組在10 L的密閉容器中進行模擬反應,并繪出下圖:
回答下列問題。
(1)反應熱a__________0(填“>”或“<”),判斷依據(jù)是___________________________________________
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