(共39张PPT)
第1节 化学反应的方向
第2章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关,能从焓变和熵变的角度认识反应的方向,从而形成证据推理与模型认知的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
为什么Na2CO3和Ca(OH)2在溶液中能发生离子反应?
提示Na2CO3电离出的C
与Ca(OH)2电离出的Ca2+结合生成CaCO3沉淀,使溶液中的离子浓度减小。
必备知识
一、反应焓变与反应方向
1.自发过程
(1)定义:在温度和压强一定的条件下,不借助外部力量就能自动进行的过程。
(2)特点:具有方向性,即过程的某个方向在一定条件下是自发的,而其逆方向在该条件下肯定不自发。
2.反应焓变与反应方向的关系
(1)多数能自发进行的化学反应是放热反应。
(2)有不少吸热反应也能自发进行。
结论:反应能否自发进行与反应焓变有关,但反应焓变不是决定反应能否自发进行的唯一因素。
二、反应熵变与反应方向
1.熵
(1)定义:描述体系无序程度的物理量,其符号为S,单位为J·mol-1·K-1。
(2)特点:体系无序程度越大,体系的熵值就越大。
(3)熵值比较:
①同一物质:S(g)>S(l)>S(s)。
②相同条件下的不同物质具有不同的熵值,分子结构越复杂,熵值越大。
③S(混合物)>S(纯净物)。
2.熵变
(1)定义:反应产物的总熵与反应物的总熵之差。
(2)计算式:ΔS=∑S(反应产物)-∑S(反应物)。
(3)正负判断依据。
①物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程,熵变为正值,是熵增加的过程。
②产生气体的反应和气体的物质的量增大的反应,熵变通常都是正值,是熵增加的反应。
③气体的物质的量减小的反应,熵变通常都是负值,是熵减小的反应。
3.熵变与反应方向
(1)熵增加有利于反应的自发进行。
(2)有些熵减小的反应在一定条件下也可以自发进行。
(3)反应能否自发进行与反应熵变有关,但不能仅用反应熵变来判断反应能否自发进行。
【微思考】气体的扩散是熵增反应吗?
提示气体的扩散是熵增过程,不是熵增反应。
三、用焓变与熵变综合判断反应方向
1.反应方向的判据
2.一般规律
(1)放热的熵增加反应一定能正向自发进行。
(2)吸热的熵减小反应一定不能正向自发进行。
(3)当焓变和熵变相差较大时,可能某一个因素占主导地位。
3.几个反应的焓变、熵变以及自发进行的可能性(假定反应的焓变、熵变不随温度变化而变化)
化学反应
ΔH(
kJ·mol-1)
ΔS(J·mol-1·K-1)
能否正向自发进行
2KClO3(s)
==2KCl(s)+3O2(g)
-78.03
+494.4
任何温度下都能正向自发进行
CO(g)
==C(s,石墨)+
O2(g)
+110.5
-89.4
任何温度下都不能正向自发进行
4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)
==4Fe(OH)3(s)
-444.3
-280.1
低温下能正向自发进行
CaCO3(s)
==CaO(s)+CO2(g)
+178.2
+169.6
高温下能正向自发进行
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)放热反应一定能自发进行,吸热反应一定不能自发进行。( )
(2)熵增反应一定能自发进行,熵减反应一定不能自发进行。( )
(3)能够自发进行的反应一定容易发生,也一定能反应完全。( )
(4)对于ΔS>0的反应,若在任何温度下均能自发进行,则该反应ΔH>0。( )
(5)TATP(C8H18O6)受撞击分解爆炸,且无明显热效应,说明该分解反应的熵显著增加。( )
(6)反应C(s)+CO2(g)
==2CO(g)在室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH>0。( )
(7)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)× (5)√ (6)√
(7)√
课堂篇
素养提升
探究一
化学反应进行方向的判断方法
问题探究
自然界中的水总是从高处流向低处;室温下,冰块会自动融化,这些都是自发的过程。那么,用什么来判断一个化学反应能否自发进行呢?
提示利用化学反应的焓变和熵变综合判断反应能否自发进行。
深化拓展
判断化学反应进行方向的两种方法
(1)利用化学反应原理判断的几种方法。
①相对强酸(碱)可制备相对弱酸(碱)。
②强氧化性与强还原性的物质反应可生成弱氧化性与弱还原性的物质。
③稳定性弱的物质可生成稳定性强的物质。
④满足复分解反应条件的溶液中的反应。
(2)用焓变和熵变综合判断反应的方向。
判断一定温度、压强条件下反应的方向时,应同时考虑焓变与熵变两个因素,用ΔH-TΔS作为判据。在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下,反应总是向ΔH-TΔS<0的方向进行,直至达到平衡状态。若ΔH-TΔS=0,表明反应已达到平衡状态,若ΔH-TΔS>0,表明反应正向不能自发进行。
【微点拨】对于一个特定的气相反应,熵变的大小取决于反应前后的气体物质的物质的量的多少。
素能应用
典例1下列反应在任意温度下一定能自发进行的是 (填序号)。?
①2NaCl
2Na+Cl2↑ ②2KClO3(s)
==2KCl(s)+3O2(g) ΔH=-78.03
kJ·mol-1
③CaCO3(s)
==CaO(s)+CO2(g) ΔH=+178.2
kJ·mol-1
④4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)
==4Fe(OH)3(s) ΔH=-444.3
kJ·mol-1
⑤CO(g)
==C(s,石墨)+
O2(g) ΔH=+110.5
kJ·mol-1
答案②
解析①反应需要通电才能进行,故该反应不是任意温度下都能自发进行;②ΔH<0,ΔS>0,任意温度下都有ΔH-TΔS<0,故该反应任意温度下都能自发进行;③ΔH>0,ΔS>0,在高温下(T>
),ΔH-TΔS<0时反应能自发进行;④ΔH<0,ΔS<0,在低温下(T<
),ΔH-TΔS<0时反应能自发进行;⑤ΔH>0,ΔS<0,ΔH-TΔS>0,该反应在任意温度下都不能自发反应。
变式训练1下列反应在任何温度下均能自发进行的是( )
A.2CO(g)
==2C(s,石墨)+O2(g) ΔH=+221
kJ·mol-1
B.2Ag(s)+Cl2(g)
==2AgCl(s) ΔH=-254
kJ·mol-1
C.NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)
==H2O(l)+CO2(g)+CH3COONH4(aq) ΔH=+373
kJ·mol-1
D.2H2O2(l)
==2H2O(l)+O2(g) ΔH=-196
kJ·mol-1
答案D
解析反应的ΔH>0,ΔS<0,ΔH-TΔS>0,反应不能自发进行,故A错误;反应的ΔH<0,ΔS<0,高温下不能自发进行,故B错误;反应的ΔH>0,ΔS>0,低温下不能自发进行,故C错误;反应的ΔH<0,ΔS>0,任何温度下都能自发进行,故D正确。
探究二
化学反应的方向与ΔH-TΔS的关系
问题探究
合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH=-92.2
kJ·mol-1,ΔS=-198.2
J·mol-1·K-1。
请你根据正反应的焓变和熵变分析298
K下合成氨反应能否自发进行?
提示能。ΔH-TΔS=-92.2
kJ·mol-1-298
K×(-198.2)×10-3
kJ·mol-1·K-1
=-33.136
4
kJ·mol-1<0,反应在298
K时可以自发向正反应方向进行。
深化拓展
焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响
ΔH
ΔS
ΔH-TΔS
反应情况
-
+
永远是负值
在任何温度下均能正向自发进行
+
-
永远是正值
在任何温度下均不能正向自发进行
+
+
低温为正,高温为负
低温时非自发,高温时自发
-
-
低温为负,高温为正
低温时自发,高温时非自发
【微点拨】(1)当焓变和熵变的作用相反且二者大小相差较大时,其中的某一因素占主导地位。
(2)当焓变和熵变的作用相反且二者相差不大时,温度对反应方向起决定作用。例如,有些反应常温下不能自发进行,在高温下能自发进行;有些反应高温下不能自发进行,在低温下能自发进行。
素能应用
典例2已知甲烷隔绝空气在不同温度下有可能发生如下两个反应:①CH4(g)
==C(s)+2H2(g),②2CH4(g)
==C2H2(g)+3H2(g)。某同学为了得到用天然气制取炭黑的允许温度范围和最佳温度,在图书馆查到了如下热力学数据:
反应①的ΔH(298
K)=+74.848
kJ·mol-1,ΔS(298
K)=+80.674
J·
mol-1·K-1
反应②的ΔH(298
K)=+376.426
kJ·mol-1,ΔS(298
K)=+220.211
J·
mol-1·K-1
已知焓变和熵变随温度变化很小。请帮助这位同学回答如下问题:
(1)判断反应②高温自发还是低温自发: (填“高温”或“低温”)。?
(2)通过计算判断反应①在常温下能否自发进行: 。?
(3)求算制取炭黑的允许温度范围: 。?
(4)为了提高甲烷的炭化程度,你认为下面四个温度中最合适的是
(填字母编号)。?
A.905.2
K B.927
K
C.1
273
K
D.2
000
K
答案(1)高温 (2)不能自发进行 (3)927.8
K
709.4
K (4)C
解析(1)ΔH-TΔS<0时反应才能自发进行,由于反应②的ΔH>0、ΔS>0,所以该反应自发进行所需要的温度条件为
≈1
709.4
K
。所以反应②应在高温下才能自发进行。
(2)反应①在常温下时,ΔH-TΔS=74.848
kJ·mol-1-80.674×10-3
kJ·mol-1·K-1×298
K≈50.807
kJ·mol-1>0,所以该反应常温下不能自发进行。
(3)裂解为炭黑和H2时,ΔH-TΔS=74.848
kJ·mol-1-80.674×10-3
kJ·mol-1·K-1×T<0,得T>927.8
K,即裂解为炭黑的最低温度为927.8
K。裂解为乙炔时,ΔH-TΔS=376.426
kJ·mol-1-220.211×10-3J·
mol-1·K-1×T<0,解得T>1
709.4
K,即温度高于1
709.4
K时自发裂解为乙炔和氢气。所以要制取炭黑,温度须控制为927.8
K709.4
K。
(4)为了提高甲烷的炭化程度,应满足两方面要求:①温度应控制在927.8~1
709.4
K;②温度越高,ΔH-TΔS越小,越有利于自发进行,所以选用1
273
K最好。
变式训练2灰锡结构松散,不能用于制造器皿;而白锡结构坚固,可以制造器皿。现把白锡制造的器皿放在0
℃、100
kPa的室内存放,它会不会变成灰锡而不能继续使用(已知在0
℃、100
kPa条件下白锡转化为灰锡的反应的焓变和熵变分别为:ΔH=-2
180.9
J·mol-1,ΔS=-6.61
J·mol-1·K-1)( )
A.会变
B.不会变
C.不能确定
D.升高温度才会变
答案A
解析在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下,自发反应总是向着ΔH-TΔS<0的方向进行,直至达到平衡状态。因此,在0
℃、100
kPa条件下,白锡会不会变为灰锡的问题就转化为求算反应白锡→灰锡的ΔH-TΔS的问题,根据题意ΔH-TΔS=-2
180.9
J·
mol-1-273
K×(-6.61
J·mol-1·K-1)
=-376.37
J·mol-1<0,因此在该条件下白锡会变为灰锡。
素养脉络
随堂检测
1.以下说法中正确的是( )
A.ΔH<0的反应均是自发反应
B.ΔS为负值的反应均不能自发进行
C.冰在室温下自动融化成水,是熵增的重要结果
D.高锰酸钾受热分解是一个熵减小的过程
答案C
解析A项,ΔH<0(放热)的反应有的是非自发反应,如合成氨;B项,ΔS为负值(熵减小)的反应有的也能自发进行,如NH3+HCl==NH4Cl;C项、D项都是体系无序程度增大的过程,都属于熵增加的过程。
2.下列有关说法不正确的是( )
A.一定温度下,反应MgCl2(l)
==Mg(l)+Cl2(g) ΔH>0 ΔS>0
B.镀铜铁制品镀层受损后,铁制品比受损前更容易生锈
C.反应CaCO3(s)
==CaO(s)+CO2(g)室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH<0
D.铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应
答案C
解析分解反应一般为吸热、熵增的反应,A选项正确;铜和铁能形成原电池,Fe作为负极,B选项正确;CaCO3分解反应气体分子数增大,为熵增的反应ΔS>0,由反应不能自发进行可知ΔH-TΔS>0,所以ΔH>0,C选项错误,原电池的负极和电解池的阳极均发生氧化反应,D选项正确。
3.下列反应中一定不能自发进行的是( )
A.2KClO3(s)
==2KCl(s)+3O2(g) ΔH<0,ΔS>0
B.CO(g)
==C(s,石墨)+
O2(g) ΔH>0,ΔS<0
C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)
==4Fe(OH)3(s)
ΔH<0,ΔS<0
D.NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)
==CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH>0,ΔS>0
答案B
解析反应2KClO3(s)
==2KCl(s)+3O2(g)的ΔH<0,ΔS>0,则ΔH-TΔS<0,反应能够自发进行,故A不符合题意;反应CO(g)
==C(s,石墨)+
O2(g)的ΔS<0,ΔH>0,则ΔH-TΔS>0,反应不能自发进行,故B符合题意;反应4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)
==4Fe(OH)3(s)的ΔS<0,ΔH<0,反应在低温条件下可自发进行,故C不符合题意;反应NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)
==CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l)的ΔS>0,ΔH>0,反应在高温条件下可自发进行,故D不符合题意。
4.下列反应的自发性可用焓变来解释的是( )
A.氢氧化钡与氯化铵反应
B.2N2O5(g)
==4NO2(g)+O2(g) ΔH=+56.7
kJ·mol-1
C.(NH4)2CO3(s)
==NH4HCO3(s)+NH3(g) ΔH=+74.9
kJ·mol-1
D.2H2(g)+O2(g)
==2H2O(l) ΔH=-571.6
kJ·mol-1
答案D
解析焓变可以用来解释放热过程的自发性,A、B、C三项中的反应均为吸热反应,因此反应的自发性不能用焓变来解释。(共64张PPT)
第1课时 化学平衡常数 平衡转化率
第2章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.知道可逆反应在一定条件下达平衡状态,能判断化学反应是否达到平衡状态,从而形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。
2.能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的计算,形成证据推理与模型认知的学科核心素养。
3.能利用平衡常数和浓度商判断平衡移动的方向,形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
1.化学平衡研究的对象——可逆反应
2.化学平衡状态
(1)定义: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,反应物的浓度和反应产物的浓度不再改变,我们称为化学平衡状态,简称化学平衡。
(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:
以上过程可用下图表示:
(3)平衡特点:
必备知识
一、化学平衡常数
1.定义:在一定温度下,当一个可逆反应达到平衡状态时,反应产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K表示。
2.表达式
3.意义:K值越大,表示反应进行的程度越大,反应物转化率越大。一般地,K>105(或106)时,认为该反应进行得较完全了。
4.影响因素:平衡常数K只受温度影响,与反应物和反应产物的浓度无关。
二、平衡转化率
1.定义:平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的物质的量与转化前该反应物的物质的量之比。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)平衡常数表达式中,可以是物质的任一浓度。( )
(2)催化剂既能改变速率常数,也能改变化学平衡常数。( )
(3)对于同一可逆反应,升高温度,则化学平衡常数增大。( )
(4)增大反应物的浓度,平衡正向移动,化学平衡常数增大。( )
(5)可逆反应中反应物的转化率不能达到100%。( )
答案(1)× (2)× (3)× (4)× (5)√
课堂篇
素养提升
探究一
化学平衡状态的判断标志
问题探究
1.化学反应达到平衡时,反应是否停止了?
提示化学平衡是动态平衡,化学反应达到平衡时反应仍在进行,此时正、逆反应速率相等,但是不等于零。
2.若反应体系的总压强不变,该可逆反应一定达平衡了吗?
提示不一定。对反应前后气体体积相等的反应,压强不变不能作为反应达到平衡的判据。
3.若某可逆反应体系的气体密度不变,该可逆反应达平衡了吗?
提示不一定。若该可逆反应体系中的物质都是气体,且容器体积不变,则密度始终不变,因此密度不变不能作为反应达到平衡的判据。
深化拓展
化学平衡状态的判断
化学反应
mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g)
是否平衡
混合物体系中各成分的含量
①各物质的物质的量或物质的量分数一定
平衡
②各物质的质量或质量分数一定
平衡
③各气体的体积或体积分数一定
平衡
④总体积、总压强、总物质的量一定
不一定平衡
化学反应
mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g)
是否平衡
正、逆反应速率之间的关系
①单位时间内消耗了m
mol
A,同时也生成了m
mol
A
平衡
②单位时间内消耗了n
mol
B,同时也消耗了p
mol
C
平衡
③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q
不一定平衡
④单位时间内生成了n
mol
B,同时也消耗了q
mol
D
不一定平衡
压强
①其他条件一定、总压强一定,且m+n≠p+q
平衡
②其他条件一定、总压强一定,且m+n=p+q
不一定平衡
混合气体的平均相对分子质量
①平均相对分子质量一定,且m+n≠p+q
平衡
②平均相对分子质量一定,且m+n=p+q
不一定平衡
化学反应
mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g)
是否平衡
温度
任何化学反应都伴随着能量变化,当体系温度一定时
平衡
气体密度(ρ)
①只有气体参加的反应,密度保持不变(恒容密闭容器中)
不一定平衡
②m+n≠p+q时,密度保持不变(恒压容器中)
平衡
③m+n=p+q时,密度保持不变(恒压容器中)
不一定平衡
颜色
反应体系内有色物质的颜色稳定不变(其他条件不变)
平衡
素能应用
典例1可逆反应2NO2(g)
2NO(g)+O2(g)在恒容的密闭容器中进行,该反应达到平衡状态的标志是( )
①单位时间内生成n
mol
O2的同时生成2n
mol
NO2
②单位时间内生成n
mol
O2的同时生成2n
mol
NO
③用NO2、NO、O2表示的反应速率之比为2∶2∶1的状态
④混合气体的颜色不再改变的状态
⑤混合气体的密度不再改变的状态
⑥混合气体的压强不再改变的状态
⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
A.①④⑥⑦ B.②③⑤⑦
C.①③④⑤
D.全部
答案A
解析依据v(正)=v(逆)≠0判断:①单位时间内生成n
mol
O2的同时必消耗2n
mol
NO2,则同时生成2n
mol
NO2能说明反应已达到平衡;②描述的均是正反应速率,无法判断;③无法说明反应达到平衡;④NO2(红棕色)为有颜色的气体,颜色不变能说明反应体系中NO2的浓度不变,说明反应已达到平衡;⑤根据ρ=
,反应前后的m、V均不变,则ρ也不变,因此密度不变不能说明反应达到平衡;题给反应是一个反应前后气体分子数发生改变的反应,则压强不变、相对分子质量不变均能说明反应已达平衡。
规律方法
判断化学平衡状态的方法——“正逆相等,变量不变”
变式训练1下列说法可以证明反应H2(g)+I2(g)
2HI(g)已达平衡状态的是 (填序号)。?
①单位时间内生成n
mol
H2的同时,生成n
mol
HI ②一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂 ③百分含量w(HI)=w(I2) ④反应速率v(H2)=v(I2)=
v(HI) ⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1 ⑥体积一定时,某一生成物浓度不再变化 ⑦温度和体积一定时,容器内压强不再变化 ⑧条件一定,混合气体的平均相对分子质量不再变化 ⑨温度和体积一定时,混合气体颜色不再变化 ⑩压强一定时,混合气体的密度不再变化
答案②⑥⑨
解析对于反应前后气体分子总数相等的可逆反应,可从化学反应速率、化学键断裂、物质的量浓度、转化率、颜色、温度等方面判断反应是否达到平衡状态。
探究二
化学平衡常数表达式的书写与应用
问题探究
化学平衡常数与化学方程式书写形式有什么关系?
提示(1)正、逆反应的平衡常数互为倒数。
(2)若化学方程式中各物质的化学式前的系数都扩大至原来的n倍,则化学平衡常数变为原来的n次幂。
(3)两个化学方程式相加得到新的化学方程式,新化学方程式对应反应的化学平衡常数是原来两个化学方程式对应反应平衡常数的乘积。
深化拓展
1.化学平衡常数表达式的书写及注意事项
(2)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数,化学反应方向改变或化学式前的系数改变,化学平衡常数均发生改变。举例如下:
(3)注意事项。
①K值越大,反应物的转化率越高,正反应进行的程度越大。
②K只受温度影响,与反应物或反应产物的浓度变化无关。
③催化剂能加快化学反应速率,但对化学平衡常数无影响。
2.化学平衡常数的应用
(1)判断可逆反应进行的程度。
K值大,说明反应进行的程度大,反应物的转化率高;K值小,说明反应进行的程度小,反应物的转化率低。
(2)判断化学反应进行的方向。
Q反应向正反应方向进行,v(正)>v(逆)
Q=K
反应处于化学平衡状态,v(正)=v(逆)
Q>K
反应向逆反应方向进行,v(正)(3)判断可逆反应的热效应。
素能应用
典例2在一定温度下,在1
L的密闭容器中发生反应:C(s)+H2O(g)
CO(g)+H2(g),平衡时测得C、H2O、CO、H2的物质的量都为0.1
mol。
(1)该反应的平衡常数K= 。?
(2)若升高平衡体系的温度,该反应的平衡常数会增大,则该反应的ΔH
(填“>”或“<”)0。?
(3)相同条件下,向该密闭容器中充入各物质的起始量如下:①均为0.2
mol ②C(s)、H2O均为0.2
mol,CO、H2均为0.1
mol,判断该反应进行的方向:① ,② 。?
答案(1)0.1
mol·L-1 (2)> (3)①向逆反应方向进行 ②向正反应方向进行
变式训练2在一定容积的密闭容器中,进行如下化学反应:CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数K和温度T的关系如表所示:
T/℃
700
800
830
1
000
1
200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题:
(1)该反应的化学平衡常数表达式为K= 。?
(2)该反应为 (填“吸热”或“放热”)反应。?
(3)某温度下,平衡浓度符合下式:c平(CO2)·c平(H2)=c平(CO)·c平(H2O),试判断此时的温度为 ℃。?
(4)在800
℃时,发生上述反应,某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)=2
mol·L-1,c(H2)=1.5
mol·L-1,c(CO)=1
mol·L-1,c(H2O)=3
mol·L-1,则正、逆反应速率的比较为v(正) (填“>”“<”或“=”)v(逆)。?
(3)830 (4)<
解析(2)由题给数据可得,温度越高,K值越大,说明升温时平衡正向移动,则正向反应为吸热反应。
(3)由题意可得该温度下的平衡常数K=1,根据表中数据可知该温度为830
℃。
探究三
“三段式”突破平衡常数(K)、转化率的相关计算
问题探究
已知在密闭容器中发生可逆反应:M(g)+N(g)
P(g)+Q(g) ΔH>0。某温度下,反应物的初始浓度分别为:c始(M)=2
mol·L-1,c始(N)=4.8
mol·L-1。
1.若达到平衡后,M的转化率为60%,此时N的转化率为多少?该反应的平衡常数为多少?
2.若升高反应温度,该反应的平衡移动吗?M的转化率变化吗?若在温度不变时加入一定量的N,M的转化率变化吗?K如何变化?
提示该反应为吸热反应,升高温度,化学平衡向正反应方向移动,M的转化率增大;若加入一定量的N,化学平衡向正反应方向移动,M的转化率增大,K不变。
深化拓展
1.常用解题模式——“三段式”
如反应aA(g)+bB(g)
cC(g)+dD(g),若A、B起始物质的量浓度分别为a
mol·L-1、b
mol·L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为ax
mol·L-1。
aA(g)+bB(g)
cC(g)+dD(g)
初始浓度/(mol·L-1)
a
b
0
0
转化浓度/(mol·L-1)
ax
bx
cx
dx
平衡浓度/(mol·L-1)
a-ax
b-bx
cx
dx
2.明确三个量的关系
(1)三个量:起始量、变化量、平衡量。
(2)三个关系:
①对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量。
②对于同一反应产物,起始量+变化量=平衡量。
③各物质的转化量之比等于化学方程式中各物质的化学式前面的系数之比。
3.掌握四个公式
素能应用
典例3氢气是一种清洁能源。可由CO和水蒸气反应制备,其能量变化如下图所示。
(1)上述反应为可逆反应。在800
℃时,若CO的起始浓度为2.0
mol·L-1,水蒸气的起始浓度为3.0
mol·L-1,达到化学平衡状态后,测得CO2的浓度为1.2
mol·L-1,则此反应的平衡常数为 ,随着温度升高,该反应的化学平衡常数的变化趋势是 。?
(2)某温度下,上述反应的平衡常数为K=
。该温度下在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中投入H2O(g)和CO(g),其起始浓度如下表所示。下列判断不正确的是 (填字母)。?
起始浓度
甲
乙
丙
c始(H2O)/(mol·L-1)
0.010
0.020
0.020
c始(CO)/(mol·L-1)
0.010
0.010
0.020
A.反应开始时,丙中的反应速率最快,甲中的反应速率最慢
B.平衡时,甲中和丙中H2O的转化率均是25%
C.平衡时,丙中c平(CO2)是甲中的2倍,是0.015
mol·L-1
D.平衡时,乙中H2O的转化率大于25%
答案(1)1 减小 (2)CD
解析(1)根据“三段式”分析:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)
初始浓度/(mol·L-1)
2.0
3.0
0
0
转化浓度/(mol·L-1)
1.2
1.2
1.2
1.2
平衡浓度/(mol·L-1)
0.8
1.8
1.2
1.2
由于该反应为放热反应,升高温度时平衡常数减小。
(2)甲容器中反应物的浓度最小,丙容器中反应物的浓度最大,A正确;设平衡时甲中H2O的转化率为x,
CO +
H2O
CO2+ H2
初始浓度/
(mol·L-1)
0.01
0.01
0
0
转化浓度/
(mol·L-1)
0.01x
0.01x
0.01x
0.01x
平衡浓度/
(mol·L-1)
0.01(1-x)
0.01(1-x)
0.01x
0.01x
丙相当于甲中压强增大一倍,平衡不移动,因而丙中H2O的转化率仍为25%,B正确;丙中c平(CO2)=0.01
mol·L-1×25%×2=0.005
mol·L-1,C错误;乙相当于在甲的基础上增大水蒸气的浓度,平衡正向移动,CO的转化率增大,但H2O的转化率减小,因而其转化率小于25%,D错误。
规律方法
有关平衡常数(K)、转化率的解题思路
(1)巧设未知数:具体题目要具体分析,灵活设立,一般设某物质的转化量为x。
(2)确定三个量:列出各物质的起始量、转化量及平衡量。
(3)解决各问题:明确了“始”“变”“平”三个量的具体数值,再根据相应关系求平衡时某成分的浓度、反应物的转化率等。
变式训练3H2S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,反应达到平衡后水的物质的量分数为0.02。
(1)H2S的平衡转化率α1= %,该反应平衡常数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 (填“>”“<”或“=”)0。?
(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
答案(1)2.5 2.8×10-3 (2)> > (3)B
解析(1)设平衡时转化的H2S的物质的量为x,根据“三段式”分析:
H2S(g)+CO2(g)
COS(g)+H2O(g)
n(始)/
mol
0.40
0.10
0
0
Δn/
mol
x
x
x
x
n(平)/
mol
0.40-x
0.10-x
x
x
根据题意可得
解得:x=0.01
mol。
(2)升高温度后水的物质的量分数增大,H2S的转化率增大,平衡右移,则题给反应是吸热反应,ΔH>0。
(3)两种反应物,增大一种反应物浓度,平衡右移,自身转化率减小,另一反应物转化率增大。
素养脉络
随堂检测
1.在一定温度下,将2
mol
SO2和1
mol
O2充入一定容积的密闭容器中,在催化剂作用下发生反应2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) ΔH=-197
kJ·mol-1,当反应达到化学平衡状态时,下列说法中正确的是( )
A.v正(O2)=2v逆(SO2)
B.SO2和SO3共2
mol
C.放出197
kJ热量
D.SO2和O2浓度相等
答案B
解析题给反应存在反应限度,当正、逆反应速率相等时,反应达到平衡状态,此时存在2v正(O2)=v逆(SO2),故A错误;在化学反应中各元素的原子遵循原子守恒,所以达到化学平衡状态时二氧化硫和三氧化硫中硫原子的物质的量之和等于反应初始时二氧化硫的物质的量,故B正确;可逆反应存在反应限度,反应物不可能完全转化为反应产物,当正、逆反应速率相等时,反应达到平衡状态,所以将2
mol
SO2和1
mol
O2充入一定容积的密闭容器中,SO2和O2不可能完全转化为三氧化硫,放出的热量小于197
kJ,故C错误;可逆反应达到平衡时,各组分浓度不再变化,但是将2
mol
SO2和1
mol
O2充入一定容积的密闭容器中,二者按照2∶1的比例反应,达到平衡时,二者的浓度一定不相等,故D错误。
2.在相同的温度下,已知反应:①N2(g)+O2(g)
2NO(g)的平衡常数为3.84×10-11;②2SO2+O2
2SO3的平衡常数为3.10×1026(
mol·L-1)-1。则在该温度下,两个化学反应的反应程度之间的关系为( )
A.①>②
B.①<②
C.①=②
D.不能确定
答案B
解析平衡常数的大小能表示化学反应可能进行的程度(即反应限度),平衡常数越大,表示反应进行得越彻底。题中给出的两个化学反应,反应①进行的程度很小,而反应②进行的程度很大。因此,B项正确。
3.在一个6
L的密闭容器中放入3
mol
X和2
mol
Y,在一定条件下发生反应4X(g)+3Y(g)
2Q(g)+nR(g),达到平衡后,容器内的压强比原来增加5%,X浓度减小
,则该反应化学方程式中的n值是( )
A.3
B.4
C.5
D.6
答案D
解析平衡体系存在于一个恒容的容器中,根据阿伏加德罗定律可知气体的物质的量之比等于压强之比。压强比原来增加5%,说明物质的量比原来增加5%,初始时有3
mol
X和2
mol
Y,X浓度减小
,说明反应中消耗X的物质的量为1
mol,根据方程式由差量法可知,当消耗4
mol
X时,气体物质的量增加(2
mol+n
mol)-(4
mol+3
mol)=(n-5)mol,所以
=(2+3)×5%,解得n=6。
4.工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)
2NH3(g),设在容积为2.0
L的密闭容器中充入0.60
mol
N2(g)和1.60
mol
H2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为
。计算:
(1)该条件下N2的平衡转化率为 。?
(2)该条件下反应2NH3(g)
N2(g)+3H2(g)的平衡常数为 。?
答案(1)66.7% (2)0.005
mol2·L-2
解析设平衡时N2转化的物质的量浓度为x
mol·L-1,根据“三段式”分析:
N2+
3H2
2NH3
起始浓度/(mol·L-1)
0.3
0.8
0
转化浓度/(mol·L-1)
x
3x
2x
平衡浓度/(mol·L-1)
0.3-x
0.8-3x
2x
所以
5.已知反应SO2(g)+NO2(g)
SO3(g)+NO(g),若在一定温度下,将物质的量浓度均为2
mol·L-1的SO2(g)和NO2(g)注入一密闭容器中,当反应达到平衡状态时,测得容器中SO2(g)的转化率为50%,试求:
(1)在上述温度下该反应的平衡常数。
(2)在上述温度下,若SO2(g)的初始浓度增大到3
mol·L-1,NO2(g)的初始浓度仍为2
mol·L-1,试求达到新化学平衡时各物质的浓度。
答案(1)1 (2)c平(SO3)=c平(NO)=1.2
mol·L-1,c平(SO2)=1.8
mol·L-1,
c平(NO2)=0.8
mol·L-1
解析(1)设平衡时SO2的浓度为x
mol·L-1,则:
SO2(g)+NO2(g)
SO3(g)+NO(g)
(2)设达新平衡时NO的浓度为y
mol·L-1,则:
SO2(g)+NO2(g)
SO3(g)+NO(g)
因为温度不变,则平衡常数不变,K=1
平衡时各物质的浓度:c平(SO2)=3
mol·L-1-1.2
mol·L-1=1.8
mol·L-1,
c平(NO2)=2
mol·L-1-1.2
mol·L-1=0.8
mol·L-1,c平(SO3)=c平(NO)=1.2
mol·L-1。(共56张PPT)
第2课时 反应条件对化学平衡的影响
第2章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等物理量的变化,从而形成变化观念的学科核心素养。
2.理解勒·夏特列原理的内容并学会应用,体验科学态度与社会责任的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
平衡常数可作为讨论平衡问题的总线索。依据平衡常数分析平衡移动,建立浓度商的概念,利用Q与K的相对大小可判断平衡移动的方向。
相对大小
移动方向
速率关系
Q平衡向正反应方向移动
v(正)>v(逆)
Q=K
反应仍然处于化学平衡状态
v(正)=v(逆)
Q>K
平衡向逆反应方向移动
v(正)必备知识
一、化学平衡移动
1.定义
由于温度、压强或浓度的变化而使可逆反应由一个平衡状态变为另一个平衡状态的过程。
2.化学平衡移动的原因
反应条件的改变,使正、逆反应速率发生改变,平衡混合物中各组分的含量发生相应的改变。
3.化学平衡移动图示分析
二、反应条件对化学平衡的影响
1.温度的影响
(1)
(2)原因:温度改变使化学平衡常数改变。
2.浓度的影响
(1)
(2)原因:浓度的改变导致浓度商Q的改变。
3.压强的影响
(1)
(2)原因:压强的改变导致体系中各成分浓度的变化,从而使平衡发生移动。
【微思考1】可逆反应达平衡,改变条件平衡向正方向移动,反应物转化率一定增大吗?
提示不一定。若有两种反应物,增大其中一种反应物的浓度,另一种反应物转化率增大,浓度增大的反应物的转化率减小。
三、平衡移动原理(勒·夏特列原理)
1.内容
在封闭体系中,如果仅改变影响平衡体系的一个条件(如浓度、温度、压强),平衡就将向减弱这个改变的方向移动。
2.对平衡移动原理的理解
【微思考2】催化剂会影响化学平衡吗?
提示催化剂能够同等程度地改变正、逆反应速率,因此它对化学平衡移动无影响。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)化学平衡发生移动,化学反应速率一定改变;化学反应速率改变,化学平衡也一定发生移动。( )
(2)升高温度,平衡向吸热反应方向移动,此时v(放)减小,v(吸)增大。( )
(3)对于C(s)+CO2(g)
2CO(g) ΔH>0,其他条件不变时,升高温度,反应速率v(CO2)和CO2的平衡转化率均增大。( )
(4)化学平衡正向移动,反应物的转化率不一定增大。( )
(5)向平衡体系FeCl3+3KSCN
Fe(SCN)3+3KCl中加入适量KCl固体,平衡逆向移动,溶液的颜色变浅。( )
(6)对于2NO2(g)
N2O4(g)的平衡体系,压缩体积,增大压强,平衡正向移动,混合气体的颜色变浅。( )
答案(1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)× (6)×
课堂篇
素养提升
探究一
温度对化学平衡的影响
问题探究
将装有相同量的NO2和N2O4混合气体的两个球状容器分别浸入热水和冷水中,分析容器中气体颜色的变化,并解释原因。
提示热水中的球状容器颜色变深,冷水中的球状容器颜色变浅;温度改变了化学平衡常数,导致平衡发生移动,出现颜色的变化。
深化拓展
1.温度对化学平衡影响的实验探究
实验原理
2NO2(g)
N2O4(g) ΔH=-56.9
kJ·mol-1
红棕色 无色
实验装置
实验现象
热水中红棕色加深;冰水中红棕色变浅
实验结论
体系受热颜色加深,说明c(NO2)增大,即平衡向吸热反应方向移动;体系冷却颜色变浅,说明c(NO2)减小,即平衡向放热反应方向移动
2.温度对化学平衡影响的解释
从化学平衡的影响因素和Q与K的关系角度分析,填写下表:
反应类型
温度变化
K值变化
Q与K的关系
平衡移动方向
放热反应
升温
减小
Q>K
逆向移动
降温
增大
Q正向移动
吸热反应
升温
增大
Q正向移动
降温
减小
Q>K
逆向移动
素能应用
典例1在某温度下,有反应ClF(g)+F2(g)
ClF3(g) ΔH=+268
kJ·mol-1,在密闭容器中达到平衡,下列说法中正确的是( )
A.升高温度,K值不变,平衡向正反应方向移动
B.升高温度,平衡常数变小
C.升高温度,平衡向正反应方向移动,F2的转化率提高
D.降低温度,ClF3的产率提高
答案C
解析题给反应为吸热反应,升高温度时K值增大,平衡向右移动,F2的转化率提高,降低温度,平衡向左移动,ClF3的产率降低。
规律方法
解答化学平衡移动类判断题的思维过程
变式训练1下图所示的直形石英玻璃封管中充有CO气体。左端放置不纯的镍(Ni)粉。在一定条件下,Ni可以与CO(g)发生如下反应:
Ni(s)+4CO(g)
Ni(CO)4(g) ΔH<0,但Ni粉中的杂质不与CO(g)发生反应,玻璃管内左右两端的温度分别稳定在350
K和470
K,经过足够长的时间后,右端的主要物质是( )
A.纯Ni(s)和Ni(CO)4(g)
B.纯Ni(s)和CO(g)
C.不纯Ni(s)和CO(g)
D.不纯Ni(s)和Ni(CO)4(g)
答案B
解析温度升高,平衡左移,生成Ni和CO,由于右端温度稳定在470
K,所以右端主要物质是纯Ni(s)和CO(g)。
探究二
浓度对化学平衡影响的实验探究
问题探究
在19世纪后期,人们发现炼铁高炉所排出的高炉气中含有相当数量的一氧化碳。有的工程师认为,这是由于一氧化碳和铁矿石的接触时间不够长造成的,于是英国耗费了大量资金建造了一个高大的炼铁高炉,以增加一氧化碳和铁矿石的接触时间。可是后来发现,用这个高炉炼铁,所排出的高炉气中的一氧化碳并没有减少,其原因是什么?如果继续增大铁矿石的量能减少一氧化碳的含量吗?
提示高炉炼铁的原理是利用CO还原氧化铁,此反应为可逆反应,当反应达到平衡时,增加反应时间不能改变各种物质的百分含量;增加铁矿石的量不能减少一氧化碳的含量。
深化拓展
1.浓度对化学平衡影响的定量解释
在一定条件下,反应aA+bB
cC+dD达到平衡状态,温度一定,平衡常数K为一定值。
浓度变化
Q值变化
Q与K的关系
平衡移动方向
增大反应物浓度
减小
Q向正反应方向移动
减小反应产成物浓度
减小反应物浓度
增大
Q>K
向逆反应方向移动
增大反应产物浓度
2.若其他条件不变,一次性改变浓度对化学平衡的影响
化学平衡
aA+bB
cC+dD(A、B、C、D均为气体)
物质浓度的
变化
增大反应物浓度
增大反应产物浓度
减小反应物浓度
减小反应产物浓度
平衡移动的
方向
正向移动
逆向移动
逆向移动
正向移动
图像
素能应用
典例2反应NH4HS(s)
NH3(g)+H2S(g)在某温度下达到平衡,下列各种情况下,不会使平衡发生移动的是( )
A.温度、容积不变,通入SO2气体
B.温度、容积不变,通入HCl气体
C.移走一部分NH4HS固体
D.容器体积不变,通入NH3
答案C
解析A项,SO2+2H2S==3S↓+2H2O,c平(H2S)减小,平衡右移;B项,HCl+NH3==NH4Cl,c平(NH3)减小,平衡右移;C项,NH4HS为固体,浓度视为常数,移走后平衡不移动;D项,通入NH3,c平(NH3)增大,平衡左移。
易错警示
化学平衡移动中浓度的“决定性”作用
(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:
变式训练2在新制的氯水中存在平衡:Cl2+H2O
H++Cl-+HClO,若向新制氯水中投入少量碳酸钙粉末,溶液中发生的变化是( )
A.H+浓度减小,HClO浓度减小
B.H+浓度增大,HClO浓度增大
C.H+浓度减小,HClO浓度增大
D.H+浓度增大,HClO浓度减小
答案C
解析碳酸的酸性强于HClO,弱于HCl,少量CaCO3只能与HCl反应,不能与HClO反应,平衡正向移动,H+浓度减小,次氯酸浓度增大,C正确。
探究三
压强对化学平衡移动的影响
问题探究
上图是反应2NO2(g)
N2O4(g)平衡体系的压强、透光率与时间关系的图像,你能用平衡移动的原理解释原因吗?(已知透光率与气体颜色有关,气体颜色越深,透光率越小)
NO2-N2O4体系体积变化过程中透光率的变化
提示压缩针筒时体系内压强增大,体积减小,气体颜色加深,透光率减小,但平衡会向正反应方向移动,所以透光率又会有所增大;拉伸针筒时体系压强又减小,气体颜色变浅,透光率增大,但平衡又会向逆反应方向移动,所以透光率又会有所减小。
深化拓展
1.压强对化学平衡影响的定量解释
在一定条件下,反应aA+bB
cC+dD达到平衡状态,温度一定,平衡常数K为一定值[Δνg=(化学方程式中气态反应产物化学式前系数之和)-(化学方程式中气态反应物化学式前系数之和)]。
压强与系数差变化
Q与K的关系
平衡移动方向
Δνg<0
增大压强
Q气体物质系数减小的方向
Δνg>0
Q>K
气体物质系数减小的方向
结论:Δνg=0,改变压强,化学平衡状态不变;
Δνg≠0,增大压强,化学平衡向气态物质系数减小的方向移动。
2.以可逆反应aA(g)+bB(g)
cC(g)+dD(g)为例,分析压强的变化对平衡移动的影响
化学平衡
a+b>c+d
a+ba+ba+b>c+d
体系压强改变
加压
加压
减压
减压
平衡移动方向
正向移动
逆向移动
正向移动
逆向移动
速率变化
v(正)、v(逆)同时增大
v(正)、v(逆)同时增大
v(正)、v(逆)同时减小
v(正)、v(逆)同时减小
化学平衡
a+b>c+d
a+ba+ba+b>c+d
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,但不会抵消改变。
【微点拨】分析化学平衡移动问题的注意事项
(1)平衡移动的结果只是减弱了外界条件的变化,而不能消除外界条件的变化。
(2)不要把v(正)增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有v(正)>v(逆)时,才使平衡向正反应方向移动。
(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。
(4)对于缩小体积增大压强,不管平衡是否移动,体系中各成分的浓度均增大。
素能应用
典例3对于密闭容器中的可逆反应:mX(g)+nY(s)
pZ(g) ΔH<0,达化学平衡后,改变条件,下列表达不正确的是( )
A.增大压强,化学平衡不一定发生移动
B.通入氦气,化学平衡不一定发生移动
C.增加X或Y的物质的量,化学平衡一定发生移动
D.其他条件不变,升高温度,化学平衡一定发生移动
答案C
解析由于该反应前后气体体积变化不明确,故改变压强不能确定化学平衡是否移动,A项正确;恒容条件下充入氦气,没有改变平衡体系中各物质的浓度,平衡不移动,恒压条件下充入氦气,相当于减小压强,平衡向气体体积增大的方向移动,B项正确;由于Y为固体,改变其用量不影响化学平衡,C项不正确;该反应的正反应是放热反应,升高温度,化学平衡向逆反应方向移动,D项正确。
变式训练3在一密闭容器中,反应aA(g)+bB(s)
cC(g)+dD(g)达到平衡后,保持温度不变,将容器容积缩小为原来的一半,当达到新的平衡时,A的浓度是原来的1.6倍,则下列说法正确的是( )
A.平衡向逆反应方向移动
B.aC.物质A的转化率增大
D.物质D的浓度减小
答案C
解析容器容积缩小为原来的一半,若平衡不移动,则A的浓度应变为原来的2倍,达到新的平衡时A的浓度是原来的1.6倍,说明平衡正向移动,A的转化率增大,A错误,C正确;加压平衡正向移动,说明a>c+d,物质D的浓度增大,B、D错误。
素养脉络
随堂检测
1.反应X(g)+Y(g)
2Z(g) ΔH<0,达到平衡状态时,下列说法正确的是( )
A.减小容器容积,平衡向右移动
B.加入催化剂,Z的产率增大
C.增大X的浓度,X的转化率增大
D.降低温度,Y的转化率增大
答案D
解析因为该反应为反应前后气态物质物质的量不变的反应,故减小容器容积,化学平衡不发生移动,A项错误;加入催化剂可同等程度地改变正、逆反应速率,故化学平衡不会发生移动,B项错误;增大X的浓度,化学平衡向右移动,但X的转化率减小,C项错误;该反应的正反应放热,降低温度,化学平衡向右移动,Y的转化率增大,D项正确。
2.已知反应COCl2(g)
CO(g)+Cl2(g) ΔH>0。当反应达到平衡时,下列措施:①升温、②恒容通入惰性气体、③增加CO浓度、④减压、⑤加入催化剂、⑥恒压通入惰性气体,能提高COCl2转化率的是( )
A.①②④ B.①④⑥
C.②③⑤
D.③⑤⑥
答案B
解析该反应正向为吸热反应,升温时平衡正向移动,反应物转化率提高,①符合题意;恒容时,通入惰性气体,反应物与反应产物浓度不变,平衡不移动,②不符合题意;增加CO浓度,平衡逆向移动,反应物转化率降低,③不符合题意;该反应正向为气体分子总数增大的反应,减压时平衡正向移动,反应物转化率提高,④符合题意;催化剂只能改变反应速率,不能提高反应物的转化率,⑤不符合题意;恒压时,通入惰性气体,容器体积增大,反应物与反应产物的浓度均降低,平衡向气体分子数增加的方向移动,即平衡正向移动,反应物转化率提高,⑥符合题意。
3.(2020湖南长沙一中、湖南师大附中高二期末)在密闭容器中发生如下反应:aA(g)+bB(g)
cC(g)。其他条件不变时,分析改变某一条件对上述反应的影响,得到下列图像(图中p表示压强,T表示温度,n表示物质的量,α表示平衡转化率)。下列分析正确的是( )
A.如图1反应:若p1>p2,则该反应只能在高温下自发进行
B.如图2反应:此反应的ΔH<0,且T1>T2
C.如图3反应:表示t1时刻可能是使用催化剂对反应速率的影响
D.如图3反应:表示t1时刻增大B的浓度对反应速率的影响
答案C
解析由图1可知,压强不变时,升高温度,A的平衡转化率降低,因此该反应为放热反应,ΔH<0,图1中若p1>p2,则表示压强增大时A的平衡转化率增大,即有a+b>c,气体物质的分子数减少,表示该反应为熵减的过程,即ΔS<0,高温不利于反应正向自发进行,故A错误。由图2可知,T2比T1先达到平衡,所以T2>T1,B错误。由图3可知,t1时刻改变的某一条件使正、逆反应速率都增大,且平衡不移动,可能使用了催化剂,故C正确。图3中t1时刻若是增大B的浓度,则该瞬间只增大正反应速率,逆反应速率不变,之后逆反应速率逐渐增大,故D错误。
4.反应X(g)+Y(g)
2Z(g) ΔH<0,在t1时达到平衡,t2时由于体系条件的改变,平衡受到破坏,到t3时再次达到平衡。如图所示为物质的浓度与时间的关系,则t2时刻使化学平衡发生移动的原因是( )
A.增大X或Y的浓度
B.增大压强
C.降低温度
D.升高温度
答案D
解析此反应的特点是反应前后气体物质的量不变。从图中可知t2到t3一段时间内Z的浓度降低了,X、Y的浓度增大了,说明平衡逆向移动。又因为加压时平衡不会移动,升温平衡逆向移动,降温平衡正向移动,增加X或Y的浓度,平衡均会正向移动,故t2时刻改变的条件为升高温度。
5.在密闭容器中进行下列反应CO2(g)+C(s)
2CO(g)
ΔH>0,达到平衡后,改变下列条件,则指定物质的浓度及平衡如何变化:
(1)增加C的量,平衡 ,c平(CO) 。?
(2)减小密闭容器容积,保持温度不变,则平衡 ,c平(CO2) 。?
(3)通入N2,保持密闭容器容积和温度不变,则平衡 ,c平(CO2) 。?
(4)保持密闭容器容积不变,升高温度,则平衡 ,c平(CO) 。?
答案(1)不移动 不变
(2)逆向移动 增大
(3)不移动 不变
(4)正向移动 增大
解析(1)C为固体,增加C的量,平衡不发生移动。
(2)减小容器容积,相当于增大压强,平衡向气态物质系数减小的方向移动。
(3)通入的N2不参加反应,并且密闭容器容积和温度不变时,各物质的浓度也不变,平衡不发生移动。
(4)其他条件相同,升高温度,平衡向吸热的方向移动。(共38张PPT)
第1课时 化学反应速率
第2章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.能进行化学反应速率的简单计算,从而形成模型认知的学科核心素养
2.能通过实验探究测定化学反应速率,体验科学探究与创新意识的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
化学反应进行得越快越好吗?
提示并不是所有的化学反应都是进行得越快越好。如金属的腐蚀人们就希望进行得越慢越好。
必备知识
一、化学反应是有历程的
1.对“化学反应是有历程的”这个问题的认识
(1)基元反应:大多数反应都是分几步完成的,其中的每一步反应称为基元反应,如氢气与氧气反应生成水,主要是分成四步:
(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),基元反应的总和称为总反应。由几个基元反应组成的总反应也称复杂反应。平常所写的化学方程式就是总反应的化学方程式。
(3)简单反应:有的反应反应物一步直接转化为反应产物,其总反应就是基元反应,这类反应又称为简单反应,如中和反应OH-+H+==H2O。
2.造成化学反应速率千差万别的原因
反应不同,反应历程就不相同。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着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。
3.激光技术开创化学反应的新阶段
化学反应实质上就是旧化学键的伸长、断裂和新化学键的生成过程,是反应物获得能量形成过渡态,再生成反应产物的过程。
二、化学反应速率
1.含义
描述化学反应进行快慢的物理量。
2.表示方法
(1)对于反应体系体积不变的化学反应,可以用单位时间内某物质浓度(或质量、物质的量等)的改变量(取绝对值)来表示该物质的化学反应速率。
3.常用单位
mol·L-1·s-1、mol·L-1·min-1。
4.用不同物质表示的反应速率之间的关系
在同一化学反应中,用各物质表示的化学反应速率的数值之比等于化学方程式中各物质化学式前的系数之比。如对于化学反应aA(g)+bB(g)c
C(g)+dD(g),有下列恒等式:v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=a∶b∶c∶d。为了统一起见,将化学反应速率定义为
这样对于一个化学反应来说,无论用哪一种物质表示,化学反应速率都是相同的。
【微思考】同一反应同一时间段用不同物质表示的化学反应速率不同,表示反应速率的意义是否相同?
提示相同。
三、化学反应速率的测定
1.测定原理:利用化学反应中与某一种化学物质的浓度(或质量)相关的性质进行测定。
2.测定方法
测定化学反应速率的关键是测定某一时间间隔内反应体系中某物质浓度的变化。物质的某些物理性质(如压强、体积、吸光度、电导率等)与其物质的量或浓度存在函数关系,因此人们常用物理方法,通过准确而快速地测定反应物或反应产物浓度的变化来确定化学反应速率。常用于测定化学反应速率的物理方法有量气法、比色法、电导法。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)对于任何化学反应来说,反应速率越大,反应现象越明显。( )
(2)对于任何化学反应来说,都必须用单位时间内反应物或反应产物浓度的变化来表示化学反应速率。( )
(3)单位时间内反应物浓度的变化表示正反应速率,反应产物浓度的变化量表示逆反应速率。( )
(4)化学反应速率为0.8
mol·L-1·s-1是指1
s时某物质的物质的量浓度为0.8
mol·L-1。( )
(5)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的反应速率,其数值可能不同,但表示的意义相同。( )
(6)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的反应速率,数值越大,表示化学反应速率越快。( )
答案(1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)×
课堂篇
素养提升
探究一
化学反应速率的计算方法
问题探究
如何定量表示一个化学反应在一定条件下的反应速率?
提示用单位时间反应物或反应产物浓度的变化来表示化学反应在一定条件下的反应速率。
深化拓展
化学反应速率的计算方法
(1)利用反应速率的定义式v=
求算。
(2)利用化学反应中各物质的反应速率之比等于化学式前的系数之比的规律求算。
(3)利用“三段式”进行计算。
①求解化学反应速率计算题的一般步骤:
a.写出有关反应的化学方程式;
b.找出各物质的起始量、转化量、某时刻量;
c.根据已知条件列方程计算。
例如,对于反应:mA+nB
pC+qD。起始时A的浓度为a
mol·L-1,B的浓度为b
mol·L-1。反应进行至t1s时,A消耗了x
mol·L-1,则反应速率可计算如下:
②计算时注意以下量的关系:
a.对反应物:c起始-c转化=c某时刻
b.对反应产物:c起始+c转化=c某时刻。
素能应用
典例1将6
mol
CO2和8
mol
H2充入一容积为2
L的密闭容器中(温度保持不变)发生反应CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0。测得H2的物质的量随时间变化如图所示(图中字母后的数字表示对应的坐标)。该反应在8~10
min内CO2的平均反应速率是( )
A.0.5
mol·L-1·min-1
B.0.1
mol·L-1·min-1
C.0
mol·L-1·min-1
D.0.125
mol·L-1·min-1
答案C
变式训练1一定条件下,向2
L密闭容器中加入2
mol
N2和10
mol
H2,发生反应N2+3H2
2NH3,2
min
时测得剩余N2
1
mol,下列化学反应速率不正确的是( )
A.v(N2)=0.25
mol·L-1·min-1
B.v(H2)=0.75
mol·L-1·min-1
C.v(NH3)=1
mol·L-1·min-1
D.v(NH3)=0.5
mol·L-1·min-1
答案C
解析根据反应速率的定义式可得,v(N2)=
=0.25
mol·L-1·min-1。因为v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=1∶3∶2,故v(H2)=0.75
mol·L-1·min-1,v(NH3)=0.5
mol·L-1·min-1。C项不正确。
探究二
化学反应速率的比较
问题探究
在两种不同条件下进行反应mA+nB
pC+qD中,一种条件下v(A)=4
mol·L-1·min-1,另外一种条件下v(B)=1
mol·L-1·min-1,若A表示的反应速率比B表示的反应速率快,试分析m、n符合什么关系?
提示同一条件下不同物质表示的化学反应速率之比=化学式前的系数之比,即m∶n=v(A)∶v(B),已知v(A)∶v(B)=4∶1,且两种条件下用A表示的反应速率比用B表示的反应速率快,则m∶n<4∶1。
深化拓展
化学反应速率的比较方法
(1)归一法:依据化学反应速率之比等于化学式前的系数之比,将同一反应中用不同物质表示的反应速率转化成用同一种物质表示的反应速率,然后直接依据数值进行比较。例如对于反应2SO2+O2
2SO2,如果在三种不同条件下的反应速率分别是a.v(SO2)=2
mol·L-1·min-1,b.v(O2)=3
mol·L-1·min-1,c.v(SO3)=4
mol·L-1·min-1,比较三种不同条件下反应速率的大小,可以将三者表示的反应速率都转化为用O2表示的反应速率再进行比较,即a.v(O2)=1
mol·L-1·min-1,b.v(O2)=3
mol·L-1·min-1,c.v(O2)=2
mol·L-1·min-1,则三种不同条件下反应速率的大小关系为b>c>a。
(2)比值法:用不同条件下各物质的量表示的反应速率除以对应各物质的系数,然后再对求出的数值(注意单位保持一致)进行大小排序,数值大的反应速率快。例如:对于反应mA+nB
pC+qD,若
,则反应速率v(A)>v(B)。
素能应用
典例2对于反应A(g)+3B(g)==2C(g),下列各数据表示不同条件下的反应速率,其中反应进行得最快的是( )
A.v(A)=0.01
mol·L-1·s-1
B.v(B)=0.02
mol·L-1·s-1
C.v(B)=0.60
mol·L-1·min-1
D.v(C)=1.0
mol·L-1·min-1
答案A
解析对于同一反应在不同条件下的反应速率进行比较时,必须选定同一种速率单位和同一种物质,这样比较才有意义。如果选择B物质和单位mol·L-1·min-1,并依据“各物质的速率之比等于化学方程式中化学式前的系数之比”进行相应的换算,然后进行对比。A项,v(B)=3v(A)=3×60
s·min-1
×0.01
mol·L-1·s-1=1.8
mol·L-1·min-1;B项,v(B)=60
s·min-1×0.02
mol·L-1·s-1
=1.2
mol·L-1·min-1;D项,v(B)=
v(C)=1.5
mol·L-1·min-1,经过比较可知A项反应进行得最快。
变式训练2反应A+3B==2C+2D在四种不同情况下的反应速率分别为①v(A)=0.15
mol·L-1·s-1;②v(B)=0.6
mol·L-1·s-1;③v(C)=0.4
mol·L-1·s-1;④v(D)=0.45
mol·L-1·s-1。该反应进行的快慢顺序为 。?
解析解法一:由反应速率之比与物质的系数之比,比较后进行判断。由化学方程式A+3B==2C+2D可知,A与B的系数之比为1∶3,而v(A)∶v(B)=
0.15∶0.6=1∶4,故v(B)>v(A),从而得②>①。B与C的系数之比为3∶2,而v(B)∶v(C)=0.6∶0.4=3∶2,故v(B)=v(C),从而得③=②。C与D的系数之比为2∶2=1∶1,而v(C)∶v(D)=0.4∶0.45,故v(D)>v(C),从而得④>③。故反应进行的快慢顺序为④>③=②>①。
答案④>③=②>①
解法二:将不同物质表示的反应速率换算为同一物质表示的反应速率,再比较反应速率数值的大小。若将其他物质表示的反应速率换算为用物质A表示的速率,则由方程式中的系数知:v(A)∶v(B)=1∶3,则②表示的v(A)=0.2
mol·L-1·s-1;v(A)∶v(C)=1∶2,则③表示的v(A)=0.2
mol·L-1·s-1;
v(A)∶v(D)=1∶2,则④表示的v(A)=0.225
mol·L-1·s-1。故反应进行的快慢顺序为④>③=②>①。
素养脉络
随堂检测
1.某一反应物的浓度是1.0
mol·L-1,经过20
s后,它的浓度变成了0.2
mol·L-1。在这20
s内用该物质浓度变化表示的化学反应速率为( )
A.0.04 B.0.04
mol·L-1·s-1
C.0.08
mol·L-1·s-1
D.0.04
mol·L-1
答案B
2.用纯净的CaCO3与100
mL
1
mol·L-1稀盐酸反应制取CO2。下列说法不正确的是( )
A.可以用单位时间内CaCO3质量的减少表示该反应的反应速率
B.可以用单位时间内生成H2的量表示该反应的反应速率
C.可以用单位时间内溶液中Ca2+浓度的增加表示该反应的反应速率
D.可以用单位时间内CaCO3浓度的变化表示该反应的反应速率
答案D
解析CaCO3为固体,其浓度可视为常数,也就不存在浓度的变化,D项错误。
3.在不同条件下,分别测得反应2SO2+O2
2SO3的化学反应速率如下,其中表示该反应进行得最快的是( )
A.v(SO2)=4
mol·L-1·min-1
B.v(O2)=3
mol·L-1·min-1
C.v(SO2)=0.1
mol·L-1·s-1
D.v(O2)=0.1
mol·L-1·s-1
答案D
解析本题考查的是化学反应速率的比较。以SO2为标准,并将单位进行统一,将A、B、C、D选项换算成以SO2表示的反应速率分别为:A中
v(SO2)=4
mol·L-1·min-1;B中v(SO2)=2v(O2)=6
mol·L-1·min-1;
C中v(SO2)=(0.1×60)
mol·L-1·min-1=6
mol·L-1·min-1;
D中v(SO2)=2v(O2)=(2×0.1×60)
mol·L-1·min-1=12
mol·L-1·min-1。则D项符合题意。
4.某温度时,在V
L密闭容器中,A、B、C三种物质的物质的量随时间变化的曲线如图所示,由图中数据分析:
(1)反应的化学方程式为 。?
(2)从开始到t1
min末,用物质C表示的反应速率为 。?(共49张PPT)
第2课时 外界条件对化学反应速率的影响
第2章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.能运用变量控制的方法探究影响化学反应速率的因素,从而形成变化观念的学科核心素养。
2.能用一定的理论模型说明外界条件改变对化学反应速率的影响,通过基元反应活化能解释外界条件对反应速率的影响,体现证据推理与模型认知的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
1.反应物本身的性质是影响化学反应速率的主要因素。如相同条件下Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为Mg>Al。
2.影响化学反应速率的客观因素有浓度、压强、温度、催化剂、反应物之间的接触面积等。
必备知识
一、浓度对化学反应速率的影响
在其他条件不变时,增大反应物的浓度可以加快化学反应速率;减小反应物的浓度可以减慢化学反应速率。
压强对反应速率的影响是通过改变气体浓度实现的,故一般意义上增大气体压强是指压缩气体体积;对于有气体参加的化学反应,温度一定时:
二、温度对化学反应速率的影响
1.基本规律
在其他条件不变时,升高温度可以加快化学反应速率;降低温度可以减慢化学反应速率。
2.化学反应速率与温度的定量关系
(1)经验规律。
对于在溶液中发生的反应,温度每升高10
K,反应速率提高到原来的2~4倍。
(2)阿伦尼乌斯公式(经验公式):k=A
式中:k为反应速率常数,A为比例系数,e为自然对数的底,R为理想气体常数,Ea为活化能。当Ea>0时,升高温度,反应速率常数增大,化学反应速率随之提高。
三、催化剂对化学反应速率的影响
1.催化剂:能改变化学反应速率而在反应前后本身的质量和化学性质不变的物质。
2.催化原理
(1)催化剂通过参与反应改变反应历程、改变反应的活化能来改变化学反应速率。
(2)催化剂不能改变化学反应的平衡常数,不能改变平衡转化率。
3.特点
(1)选择性:只对某一反应或某类反应起催化作用。
(2)高效性:可以较大幅度降低反应的活化能,从而加快化学反应速率。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)催化剂都不参加化学反应。( )
(2)升高温度时,不论正反应是吸热还是放热,正、逆反应的速率都增大。( )
(3)可逆反应中减小反应产物的浓度可增大正反应的速率。( )
(4)增大反应体系的压强,反应速率不一定增大。( )
(5)增大反应物的浓度,能够增大活化分子的百分含量,所以反应速率增大。( )
(6)对于反应2CO2(g)+6H2(g)
CH3CH2OH(g)+3H2O(g),使用催化剂可大大提高生产效率。( )
答案(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)√
课堂篇
素养提升
探究一
外界条件对反应速率的影响
问题探究
生活中我们总是期望有利于我们的反应进行得越快越好,不利于我们的反应进行得尽可能慢一些。那么怎样才能调控化学反应速率?影响化学反应速率的因素有哪些?
提示要调控化学反应速率就要研究影响化学反应速率的因素。影响化学反应速率的主要因素是反应物本身的性质,影响化学反应速率的客观因素有温度、浓度、压强、催化剂、接触面积、光照等。
深化拓展
1.浓度对化学反应速率的影响
(1)在298
K时,实验测得溶液中的反应H2O2+2HI==2H2O+I2在不同浓度时的反应速率如下表所示:
实验编号
1
2
3
4
5
c(HI)/(mol·L-1)
0.100
0.200
0.300
0.100
0.100
c(H2O2)/(mol·L-1)
0.100
0.100
0.100
0.200
0.300
v/(mol·L-1·s-1)
0.007
6
0.015
3
0.022
7
0.015
1
0.022
8
分析上表数据:
①当c(H2O2)恒定时,随c(HI)增大,其反应速率增大,若c(HI)增大1倍,其反应速率v也增大约1倍。同理,当c(HI)恒定时,反应速率v与c(H2O2)之间有类似的变化规律。
②由以上分析可知,其反应速率v与c(H2O2)·c(HI)成正比,上述反应在不同浓度时的反应速率的数学表达式可写为v=kc(H2O2)·c(HI)。
(2)化学反应速率与反应物浓度的关系:
①速率方程。
对于任意一个化学反应aA+bB==cC+dD,其反应速率方程为v=kcm(A)·cn(B),式子中m、n、k都由实验测得,与化学方程式中的系数无关。
②反应速率常数。
速率方程中的k称为反应速率常数,它表示单位浓度下的化学反应速率。反应速率常数与浓度无关,但受温度、催化剂、固体表面性质等因素的影响。通常情况下,反应速率常数越大,反应进行得越快。
(3)改变浓度对化学反应速率的影响规律。
增加反应物浓度,反应速率均增大,正反应速率增大得多。增加反应产物浓度,反应速率均增大,逆反应速率增大得多。固体或纯液体的浓度可视为常数,则固体量的增多,不影响反应速率,反应速率还与固体表面积的大小和反应产物扩散的速率有关。
2.压强对化学反应速率的影响
对于气体来说,在一定温度下,一定质量的气体所占的体积与压强成反比。如图所示:
结论:增大压强,体积缩小,浓度增大,化学反应速率加快。
微观解释:增大压强→体积缩小→反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞增加→反应速率加快;反之,反应速率减慢。
(1)由于固体、液体粒子间的空隙很小,增大压强几乎不能改变它们的浓度,因此对只有固体或液体参加的反应,压强的变化对于反应速率的影响可以忽略不计。
(2)对于反应N2+3H2
2NH3,不同条件下,压强对化学反应速率的影响如下:
①恒温恒容密闭容器中。
a.充入N2,压强增大,c(N2)增大,化学反应速率加快。
b.充入He(He不参与反应),压强增大,但c(N2)、c(H2)、c(NH3)都不变,化学反应速率不变。
②恒温恒压密闭容器中。
充入He,体积增大,c(N2)、c(H2)、c(NH3)都减小,化学反应速率减小。
3.温度对化学反应速率的影响
(1)根据基元反应碰撞理论,能量较高,相互之间发生碰撞,能够引发化学反应发生的反应物分子叫做活化分子。
①化学反应一般需要一个活化的过程,即能发生反应的分子,必须是先吸收能量后形成活化分子。
②普通反应物分子形成活化分子所吸收的能量叫活化能(Ea)。对基元反应而言,其活化能是过渡态的能量与反应物的平均能量之差。
③活化能越高,反应越难进行,反应速率常数越小。可见,活化能是决定化学反应速率的内因。
(2)一定条件下的化学反应,升高温度,可加快化学反应速率,降低温度,可减慢化学反应速率。
4.催化剂对化学反应速率的影响
某些反应使用催化剂前后的活化能及反应速率常数之比如下表所示:
化学反应
催化剂
Ea/(kJ·mol-1)
无催化剂
有催化剂
2HI==H2+I2
金
184
105
1.6×108(503
K)
CH3CHO==CH4+CO
碘
210
136
7.5×104(793
K)
2H2O2==2H2O+O2↑
过氧化
氢酶
75
25
5.8×108(298
K)
分析上表数据可知:
(1)使用催化剂,反应的活化能大幅度降低,反应速率常数变大,化学反应速率加快。
(2)催化剂:比温度、压强、浓度对化学反应速率的影响程度都要大,加快的速率可达几千倍;因为使用催化剂能降低活化能,也就是降低了阻碍反应进行的一个重要因素的影响。
素能应用
典例1(2021安徽泗县高二期末)某密闭容器中发生如下反应:X(g)+3Y(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时加入了催化剂
B.t3时降低了温度
C.t5时增大了压强
D.t3~t4时间内反应物转化率最低
答案A
解析由图像知,在t1时刻化学反应达到平衡,t2~t3化学平衡没有移动,可能是加入了催化剂或增大压强,但该反应是一个气态物质系数发生变化的反应,压强的改变不会使正、逆反应速率同等程度地提高,只能是加入了催化剂;t3~t4平衡逆向移动,并且化学反应速率都减小,是减小了压强;t5~t6平衡逆向移动,反应物的转化率最小,t5是升高了温度,不是压强的影响。
规律方法
1.在讨论压强对反应速率的影响时,应区分引起压强改变的原因。对于气体反应体系,有以下几种情况:
2.由于压强的变化对固体、纯液体或溶液的体积影响很小,因而对它们浓度改变的影响也很小,可以认为改变压强对它们的反应速率无影响。
变式训练1用纯净的碳酸钙和稀盐酸反应制取CO2气体。下列措施对改变该反应的反应速率几乎没有影响的是( )
①改用等浓度的硝酸与碳酸钙反应 ②增大反应体系的压强或减小反应体系的压强 ③改用相同质量粉末状碳酸钙代替块状碳酸钙 ④改用含有相同H+浓度的稀硫酸
A.①②
B.②③
C.③④
D.①④
答案A
解析因硝酸与盐酸的浓度相同,故对反应速率无影响。压强对反应速率的影响是通过改变气体的浓度来改变反应速率的,而该反应为固体碳酸钙与液体盐酸的反应,反应物中没有气体,故改变压强对该反应的反应速率几乎没有影响;粉末状碳酸钙的表面积较大,反应速率增大;尽管强调了稀硫酸与原盐酸中的H+浓度相同,但稀硫酸与碳酸钙反应生成的CaSO4微溶,会覆盖在碳酸钙表面,从而使碳酸钙与H+的接触面积减小,导致反应速率减小。
探究二
依据v-t图像理解外界条件对反应速率的影响
问题探究
v-t图像的意义是什么?
提示v-t图像可以直观地表示出在一定条件下,反应速率随时间的变化趋势。
深化拓展
1.非可逆反应v-t图像
Zn与足量盐酸反应,反应速率随时间的变化情况如右图所示。
分析:AB段,因反应为放热反应,随反应进行,温度升高,导致反应速率加快;BC段,则主要因为随反应的进行,溶液中H+的浓度减小,导致反应速率减小。
2.可逆反应的v-t图像
平衡
体系
条件变化
速率变化
平衡
变化
速率变化曲线
任一
平衡
体系
增大反应物的浓度
v(正)、v(逆)均增大,且v'(正)>v'(逆)
正向
移动
减小反应物的浓度
v(正)、v(逆)均减小,且v'(逆)>v'(正)
逆向
移动
平衡
体系
条件变化
速率变化
平衡
变化
速率变化曲线
任一
平衡
体系
增大反应产物的浓度
v(正)、v(逆)均增大,且v'(逆)>v'(正)
逆向
移动
减小反应产物的浓度
v(正)、v(逆)均减小,且v'(正)>v'(逆)
正向
移动
平衡
体系
条件变化
速率变化
平衡
变化
速率变化曲线
正反应方向为
气体体积增大
的放热反应
增大压强或升高温度
v(正)、v(逆)均增大,且v'(逆)>v'(正)
逆向
移动
减小压强或降低温度
v(正)、v(逆)均减小,且v'(正)>v'(逆)
正向
移动
平衡
体系
条件变化
速率变化
平衡
变化
速率变化曲线
任意平衡或反
应前后气体系
数之和相等的
平衡
正催化剂或增大压强
v(正)、v(逆)同等倍数增大
平衡
不移
动
负催化剂或减小压强
v(正)、v(逆)同等倍数减小
素能应用
典例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)( )
答案C
解析分析时要注意改变条件的瞬间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
关于反应速率、化学平衡图像题的分析方法
(1)看清坐标系,弄清纵、横坐标所代表的意义,并与有关原理相结合。
(2)看清起点,分清反应物、反应产物,浓度减小的是反应物,浓度增大的是反应产物,一般反应产物多数以原点为起点。
(3)看清曲线的变化趋势,注意渐变和突变,分清正、逆反应的曲线,从而判断反应特点。
(4)注意终点。例如,在浓度—时间图像上,一定要看清终点时反应物的消耗量、反应产物的增加量,并结合有关原理进行推理判断。
(5)图像中先拐先平数值大。例如,在转化率—时间图像上,先出现拐点的曲线先达到平衡,此时逆向推理可得该曲线对应的温度高、浓度大或压强大。
(6)定一议二原则。当图像中有三个量时,先确定一个量不变再讨论另外两个量的关系。
变式训练2密闭容器中进行可逆反应:aA(g)+bB(g)
cC(g),在不同温度(T1和T2)及压强(p1和p2)下,混合气体中B的质量分数w(B)与反应时间(t)的关系如图所示。下列判断正确的是( )
A.T1c,正反应为吸热反应
B.T1>T2,p1C.T1p2,a+bD.T1>T2,p1>p2,a+b>c,正反应为放热反应
答案B
解析由(T1,p1)和(T1,p2)两条曲线可以看出,温度相同(T1),但压强为p2时达到平衡所需的时间短,即反应速率大,所以p2>p1;压强较大(即压强为p2)时对应的w(B)较大,说明增大压强平衡逆向移动,则a+bT2;温度较高(即温度为T1)时对应的w(B)较小,说明升高温度平衡正向移动,故正反应为吸热反应。
素养脉络
随堂检测
1.对于反应C(s)+H2O(g)
CO(g)+H2(g),其他条件不变时,下列措施不能改变化学反应速率的是( )
A.增大C(s)的量
B.增大H2O(g)的浓度
C.增大CO(g)或H2(g)的浓度
D.减小H2O(g)的浓度
答案A
解析改变物质的浓度,可以改变化学反应速率,而改变固体物质的物质的量不能改变化学反应速率,因为固体物质的浓度可视为常数。
2.把镁条投入到盛有盐酸的敞口容器中,产生H2的速率可如右图表示。在下列因素中对产生H2的速率有影响的是( )
①盐酸的浓度 ②镁条的表面积
③溶液的温度 ④Cl-的浓度
A.①④
B.③④
C.①②③
D.②③
答案C
解析镁和盐酸反应的实质为Mg+2H+==Mg2++H2↑,影响反应速率的因素有镁带的表面积、H+的浓度及温度等,氯离子没有参加反应,对反应速率没有影响,故选C。
3.已知C(s)+CO2(g)
2CO(g) ΔH>0,反应速率为v1,N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH<0,反应速率为v2。对于上述两个反应,当温度升高时,v1和v2的变化情况为( )
A.同时增大
B.同时减小
C.v1增大,v2减小
D.v1减小,v2增大
答案A
解析温度升高时,不管是放热反应还是吸热反应,反应速率都增大。
4.四个试管中都装有5
mL
0.1
mol·L-1
Na2S2O3溶液,分别在不同的温度下加入0.1
mol·L-1的硫酸和一定量的水,最先出现浑浊的是( )
A.20
℃,10
mL硫酸
B.20
℃,5
mL硫酸和5
mL水
C.30
℃,10
mL硫酸
D.30
℃,5
mL硫酸和5
mL水
答案C
解析溶液混合后总体积相同,从温度角度分析,C、D中温度高,反应速率快;从浓度角度分析,A、C中浓度大,反应速率快。综合两个角度,反应速率最快的是C。
5.一定条件下,在一体积不变的密闭容器中发生反应2A(g)+B(g)
3C(g) ΔH=a
kJ·mol-1。下图为反应体系中反应速率随时间变化的情况,且t2、t3、t4各改变一种不同的条件。填写下列空白。
(1)t3时改变的条件为 ,t4时改变的条件为 。?
(2)a (填“>”或“<”)0。?
答案(1)减小压强或使用负催化剂 升高温度 (2)>
解析题给反应是反应前后气体物质的量相等的反应,故改变压强对化学平衡无影响。由图像变化分析可知,t3时刻改变的条件是减小压强(或使用负催化剂),可同等程度地减小正、逆反应速率;t4时刻改变条件平衡正向移动,且v(正)、v(逆)出现突变,则改变的条件是升高温度,结合v(正)>v(逆)可知正反应吸热,即正反应的ΔH>0。(共41张PPT)
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
第2章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.能从反应限度和反应速率角度讨论化学反应和化工生产条件的选择和优化,运用温度、浓度、压强、催化剂对化学反应速率和平衡的影响规律解释实际问题,随之形成科学态度与社会责任的学科核心素养。
2.使学生形成多角度综合调控化学反应的思路,发展学生绿色化学的观念,体验社会责任的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
合成氨反应的发明有什么意义?实现合成氨工业化生产需注意什么?
提示合成氨技术的发明,使工业化人工固氮成为现实。要实现合成氨的工业化生产,必须从反应速率和反应限度两个方面选择合适的反应条件。
必备知识
一、合成氨反应的限度
1.合成氨反应的特点
合成氨反应是一个可逆反应,化学方程式为N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)。在298
K时ΔH=-92.2
kJ·mol-1,ΔS=-198.2
J·K-1·mol-1,该反应是一个放热反应,同时又是一个熵减小的反应。
2.合成氨的自发性
在298
K时,合成氨是自发进行的反应。
3.合成氨反应的限度
降低温度、增大压强将有利于合成氨反应的化学平衡向生成氨气的方向移动,在一定温度和压强下,从化学平衡的角度分析,反应物氮气与氢气的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高。
【微思考】已知298
K时,N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
ΔH=-92.2
kJ·mol-1,ΔS=-198.2
J·K-1·mol-1,请通过计算说明298
K时合成氨反应能否自发进行?
提示ΔH-TΔS=-92.2×103
J·mol-1-298
K×(-198.2
J·K-1·mol-1)=-92.2×103
J·mol-1+59
063.6
J·mol-1=-33
136.4
J·mol-1<0,即298
K时合成氨反应能自发进行。
二、合成氨反应的速率
1.浓度对合成氨反应速率的影响
由v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3)知,合成氨反应的速率与氮气浓度的1次方成正比,与氢气浓度的1.5次方成正比,与氨气浓度的1次方成反比。在反应过程中,随着氨气浓度的增加反应速率会逐渐降低,因此为了保证足够高的反应速率,应该适时将氨从混合物中分离出来。
2.催化剂对反应速率的影响
加入适宜的催化剂可以改变反应的历程,降低反应的活化能,从而增大反应速率。在其他条件相同的情况下,使用催化剂可使合成氨反应的速率提高上万亿倍。
3.温度
温度越高,合成氨反应进行得越快。
三、合成氨生产的适宜条件
1.合成氨反应条件的选择
工业生产中,必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件,既要考虑尽量增大反应物的转化率,充分利用原料,又要选择较快的反应速率,提高单位时间内的产量,同时还要考虑设备的要求和技术条件。
2.合成氨的适宜条件
反应
条件
压强
温度
催化剂
浓度
根据反应设备选择压强,大致为低压(1×107
Pa)、中压(2×107~3×107
Pa)
和高压(8.5×107~1×108
Pa)
700
K
左右
铁
使气态NH3变成液态NH3并及时从平衡混合物中分离出去,及时补充N2和H2
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)使用铁做催化剂,可提高合成氨反应的速率和平衡转化率。( )
(2)高压比常压条件更有利于合成氨的反应。( )
(3)500
℃左右比室温更有利于合成氨的反应,提高H2的平衡转化率。( )
(4)合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率。( )
(5)合成氨采用2×107~5×107
Pa,因为该压强下铁触媒的活性最高。( )
(6)合成氨工业采用高压,不仅能提高转化率,还能缩短到达平衡的时间。( )
答案(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)√
课堂篇
素养提升
探究
工业生产中选择适宜生产条件的思路
问题探究
利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题。1909年,德国物理化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5~20
MPa和500~600
℃下直接合成,反应器出口仅仅得到6%的氨。假如你是合成氨工厂的厂长,你最关心什么呢?
提示最关心的问题应是如何提高单位时间内的产量以及原料的利用率。
深化拓展
1.合成氨最佳条件的分析与选择
(1)温度:
升高温度有利于提高反应速率,但不利于提高平衡混合物中氨的含量。且催化剂都有一个适宜的使用温度。合成氨工业上一般采用700
K左右的温度。此温度催化剂活性最强。
(2)压强:
增大压强,有利于提高反应速率,也有利于提高平衡混合物中氨的含量。但压强越大,对设备材料、技术的要求就越高,生产成本也越高,综合考虑,工业上采用的压强一般为1×107~1×108
Pa。
(3)浓度:
理论上n(N2)∶n(H2)=1∶3时,平衡转化率最高,但实验表明当n(N2)∶n(H2)=1∶2.8时更有利于氨的合成。工业上通常采用1∶2.8的比例投料,并且及时地分离出NH3,促使平衡正向移动。
(4)催化剂:
催化剂不影响化学平衡,但能极大地加快反应速率,工业上一般采用铁触媒做合成氨的催化剂。
2.工业生产中选择适宜生产条件的思路
(1)从可逆性、反应前后气态物质系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。
(2)根据反应特点具体分析外界条件对反应速率和化学平衡的影响;从反应速率和化学平衡的角度进行综合分析,再充分考虑实际情况,选出适宜的外界条件。
素能应用
典例合成氨技术的发明使工业化人工固氮成为现实。
(1)下列有关合成氨工业的叙述,不能用平衡移动原理来解释的是 。?
A.使用铁作为催化剂有利于合成氨的反应
B.高压比常压更有利于合成氨的反应
C.700
K左右比室温更有利于合成氨的反应
D.使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应
(2)已知工业合成氨的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
ΔH=-92.2
kJ·mol-1。
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时刻所对应的实验条件改变分别是t2 ,t4 ,t7 。?
②温度为T
℃时,将2a
mol
H2和a
mol
N2放入0.5
L
密闭容器中,充分反应达平衡后测得N2的转化率为50%,此时放出热量46.1
kJ,则该温度下反应的平衡常数为 。?
答案(1)AC
(2)①增大N2或H2的浓度 加入催化剂 降温 ②4.0
mol-2·L2
解析(1)使用铁作为催化剂,能同等程度地加快正、逆反应的速率,即正、逆反应速率仍相等,因而平衡不发生移动,只是可以缩短达到平衡所需的时间,不能用平衡移动原理来解释。由于合成氨反应的正反应是一个气态物质系数减小的反应,所以增大压强可以使平衡向着生成氨的方向移动,可以用平衡移动原理解释。合成氨反应是放热反应,低温虽然可以提高氨气的产量,但是反应速率太慢,而温度太高虽能加快反应速率,但却使平衡混合物中氨气的含量降低,因此工业生产一般采用适宜的温度,既能加快反应速率又能适当维持平衡混合物中氨气的含量。700
K左右催化剂的活性最高,因此不能用平衡移动原理来解释。将反应产物氨气液化分离,降低了反应产物的浓度,将使平衡向生成氨的方向移动,有利于氨的生成,可以用平衡移动原理来解释。
(2)①t2时刻正反应速率瞬间加快,逆反应速率未变化,平衡正向移动,应是增大了反应物的浓度;t4时刻反应速率加快,但平衡未发生移动,应是加入了催化剂;t7时刻正、逆反应速率都瞬间减慢后平衡正向移动,应是降低了温度。
②根据“三段式”计算:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
起始物质的量
浓度/(mol·L-1)
2a
4a
0
转化物质的量
浓度/(mol·L-1)
a
3a
2a
平衡物质的量
浓度/(mol·L-1)
a
a
2a
平衡时放出热量为46.1
kJ,则平衡时N2转化了0.5
mol,0.5a
mol=0.5
mol,则a=1.0。
规律方法
合成氨条件的优化
变式训练1哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。现向一密闭容器中充入1
mol
N2和3
mol
H2,在一定条件下使该反应发生。下列有关说法正确的是( )
A.达到化学平衡时,N2将完全转化为NH3
B.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等
C.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化
D.达到化学平衡时,正反应和逆反应的速率都为零
答案C
解析在密闭容器中进行的任何可逆反应不可能进行到底,因此,达到化学平衡时,氮气不可能完全转化为氨气,A错;当正反应速率和逆反应速率相等(不为零)时,反应达到平衡,此时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化,但不能认为N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等。
变式训练2对于可逆反应3H2(g)+N2(g)
2NH3(g) ΔH<0,当反应达到平衡后,为了使H2的转化率增大,下列选项中采用的三种方法都正确的是( )
A.升高温度,降低压强,增加氮气
B.降低温度,增大压强,加入催化剂
C.升高温度,增大压强,增加氮气
D.降低温度,增大压强,分离出部分氨
答案D
解析合成氨反应是放热反应,从理论上分析应采用尽可能低的温度,合成氨反应前后都是气体物质,反应前气体体积比反应后气体体积更大,所以增大压强会使平衡向着气体体积减小的方向进行,即向正反应方向移动,增加反应物浓度或减小反应产物的浓度,会使平衡向着正反应方向移动,在合成氨反应中分离出部分氨气,会使平衡向着正反应方向移动,加入催化剂可加速反应的进行,但对平衡移动无影响。综合分析可得,D是正确的。
素养脉络
随堂检测
1.合成氨时采用700
K左右的温度进行,主要是因为在该温度时( )
A.合成氨的化学反应速率最大
B.N2的转化率最高
C.催化剂的活性最大
D.NH3在平衡混合气体中的体积分数最大
答案C
解析当压强一定、温度升高时,虽然能增大合成氨的反应速率,但由于合成氨反应是放热反应,升高温度会降低平衡混合物中NH3的含量。因此,从反应的理想条件来看,氨的合成反应在较低温度下进行有利,但是温度过低,反应速率很小,需要很长的时间才能达到平衡状态,这在工业生产上是很不经济的。催化剂铁在700
K左右时的活性最大,这是合成氨反应一般选择在700
K左右进行的重要原因之一。
2.工业合成氨的正反应是放热反应,下列关于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的图像中,错误的是( )
答案C
解析合成氨反应是放热反应,升高温度,正、逆反应速率都增大,但逆反应速率增大的程度大,A正确;在T1时w(NH3)最大,达到平衡,再升高温度,平衡逆向移动,w(NH3)减小,B正确;低温时达到平衡,w(NH3)大,C错误;增大压强,平衡向右移动,w(NH3)增大,D正确。
3.有关合成氨工业的下列说法正确的是( )
A.从合成塔出来的混合气体中NH3的含量较小,所以生产氨的工厂的效率都很低
B.由于氨可液化分离出来,N2、H2在实际生产中循环使用,所以总体来说氨的产率较高
C.合成氨工业的反应温度一般控制在700
K左右,目的是使化学平衡向正反应方向移动
D.合成氨厂采用的压强是2×107~3×107
Pa,因在该压强下铁催化剂的活性最大
答案B
解析合成氨工业中从合成塔出来的混合气体中NH3的含量较小,但由于分离出NH3后,N2和H2可循环使用,所以总体来说氨的产率是较高的,则A项错误,B项正确;合成氨工业的反应温度控制在700
K左右而不选择常温,是为了加快反应速率,且催化剂在700
K时催化活性最高,C项错误;合成氨的反应为气态物质系数减小的反应,增大压强主要是为了使平衡向正反应方向移动,与催化剂活性无关,D项错误。
4.在合成氨时,既要使氨的产率增大,又要使化学反应速率增大,可以采取的措施有( )
①增大体积使压强减小 ②减小体积使压强增大 ③升高温度 ④降低温度 ⑤恒温恒容,再充入等量的N2和H2 ⑥恒温恒压,再充入等量的N2和H2 ⑦及时分离产生的NH3 ⑧使用正催化剂
A.①④⑤⑦
B.②③④⑦⑧
C.②⑤
D.②③⑤⑥⑧
答案C
解析要使氨的产率增大,平衡右移,增大压强和降低温度、增大N2和H2的浓度、及时分离产生的NH3均可以,要使化学反应速率增大,增大压强、升高温度、增大N2和H2的浓度、使用正催化剂都可以,因此符合要求的是②⑤。
5.工业合成氨[N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)]反应过程中的能量变化如图所示,根据图示回答下列问题:
(1)该反应通常用活性铁做催化剂,加活性铁会使图中B点 (填“升高”或“降低”),理由是 。?
(2)450
℃时该反应的平衡常数 (填“<”“>”或“=”)500
℃时的平衡常数。?
(3)一定条件下的密闭容器中,该反应达到平衡,要提高H2的转化率,可以采取的合理措施有 (填字母)。?
a.高温高压
b.加入催化剂
c.增加N2的浓度
d.增加H2的浓度
e.分离出NH3
答案(1)降低 催化剂能降低反应的活化能
(2)> (3)ce
解析(1)催化剂能降低反应的活化能。
(2)该反应正向为放热反应,低温有利于平衡正向移动,450
℃时反应正向进行的程度大,即450
℃对应的平衡常数比500
℃时大。
(3)高温使化学平衡逆向移动,H2转化率降低,a不合理;催化剂对平衡无影响,b不合理;增加N2的浓度可以提高H2的转化率,c合理;增加H2的浓度会降低H2的转化率,d不合理;分离出NH3,有利于平衡右移,提高H2的转化率,e合理。(共54张PPT)
微项目 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳
合成甲醇
第2章
2021
——化学反应选择与反应条件优化
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.通过以工业废气中的二氧化碳为原料合成甲醇反应的自发性判断和条件选择,体会焓变、熵变、化学平衡和反应速率等相关知识的应用价值,逐步形成化学学科的变化观念与平衡思想及科学态度与社会责任的学科核心素养。
2.在设计反应、判断方向性和选择条件的活动过程中,综合利用相关知识分析、解决有关问题,初步形成解决这类问题的一般思路并掌握有关的方法,从而形成证据推理与模型认知的学科核心素养。
3.通过本项目的学习,树立绿色化学观念,认识到利用化学反应将无用物质转化为有用物质是解决环境问题的重要途径之一,体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
工业上如何将CO2合成甲醇?
提示通过化学反应将CO2与氢源(H2或H2O)在催化剂条件下合成甲醇。
必备知识
1.利用焓变和熵变判断化学反应的方向
2.化工生产适宜条件选择的一般原则
(1)从化学反应速率角度分析既不能过快,又不能太慢。
(2)从化学平衡移动角度分析既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性。
【微思考】有人说压强越大,反应速率越快,而且利用反应CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g)合成甲醇转化率大,因此工业生产中常常使用高压,对吗?
提示不对。尽管压强大,对于CO2(g)+3H2(g)
==CH3OH(g)+H2O(g)而言,既有利于加快速率,又有利于提高反应物转化率,但考虑实际情况,压强越大对设备要求越高,生产成本越高,因此工业上往往选择合理的压强。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)理论上说,甲醇与氧气可设计成燃料电池。( )
(2)利用CO和H2合成甲醇,其物质的量之比是n(CO)∶n(H2)=1∶2。( )
(3)利用天然气合成甲醇的反应为CH4(g)+H2O(g)
CH4O(g)+H2(g)。( )
(4)甲醇是21世纪具有竞争力的清洁燃料之一。( )
(5)ΔH<0,ΔS<0的反应在低温下可能自发进行。( )
答案(1)√ (2)√ (3)√ (4)√ (5)√
课堂篇
素养提升
探究一
选择合适的化学反应合成甲醇
问题探究
CO2的大量排放有什么危害?试设想如何将CO2变废为宝?
提示CO2产生“温室效应”将导致南极、北极冰雪融化,海平面上升,病虫害增加,气候反常等,从而使人类生存环境恶化。可以通过化学反应,使CO2和氢气(或水等)在催化剂作用下合成甲醇。
深化拓展
热力学角度分析合成甲醇反应能否进行
从工业废气中合成甲醇,是近年来科学研究的热点。甲醇是重要的化工原料。利用CO2和氢源(H2、H2O)在催化剂的作用下合成甲醇,可能发生的反应如下:
①CO2(g)+3H2(g)
==CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH1=-48.97
kJ·mol-1,ΔS1=-177.16
J·mol-1·K-1;
②CO2(g)+2H2O(g)
==CH3OH(g)+
O2(g) ΔH2=+676.48
kJ·mol-1,
ΔS2=-43.87
J·mol-1·K-1
③CO2(g)+H2(g)
==CO(g)+H2O(g) ΔH3=+41.17
kJ·mol-1,ΔS3=+42.08
J·
mol-1·K-1。
根据判据ΔH-TΔS判断反应①低温下能正向自发进行,反应②任何情况下都不能自发进行,反应③在高温下能正向自发进行。
素能应用
典例1在一定条件下,利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g)
==CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1,研究发现,反应过程中会发生副反应CO2(g)+H2(g)
==CO(g)+H2O(g) ΔH2,温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法不正确的是( )
A.ΔH1<0,ΔH2>0
B.增大压强有利于加快合成反应的速率
C.生产过程中,温度越高越有利于提高CH3OH的产率
D.选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生
答案C
解析根据图像可以看出,温度越高,CO的产率越高,CH3OH的产率越低,可知ΔH1<0,ΔH2>0,A正确,C错误;对于气体反应,增大压强都能加快合成反应的速率,B正确;合适的负催化剂可以减弱副反应的发生,D正确。
变式训练1能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。甲醇是一种可再生能源,具有广泛的开发和应用前景,因此甲醇被称为21世纪最具竞争力的新型清洁燃料之一。工业上用CO生产燃料甲醇,一定条件下发生反应:CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g)。如图表示反应中能量的变化。
请回答下列问题:
(1)在图中,曲线 (填“a”或“b”)表示使用了催化剂;该反应属于 (填“吸热”或“放热”)反应。?
(2)科学家常用量热剂来直接测定某一反应的反应热,现测得:CH3OH(g)+
O2(g)
==CO2(g)+2H2O(g)
ΔH=-676.48
kJ·mol-1,又知H2O(l)
==H2O(g) ΔH=+44
kJ·mol-1,请写出32
g的CH3OH(g)完全燃烧生成CO2(g)和液态水的热化学方程式: 。?
答案(1)b 放热
(2)CH3OH(g)+
O2(g)
==CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-764.48
kJ·mol-1
解析(1)加入催化剂,可降低反应的活化能,由图像可知曲线b的活化能较低,应加入催化剂;反应物的总能量大于反应产物的总能量,所以该反应属于放热反应。
(2)①CH3OH(g)+
O2(g)
==CO2(g)+2H2O(g)
ΔH=-192.9
kJ·mol-1,
②H2O(l)
==H2O(g) ΔH=+44
kJ·mol-1,利用盖斯定律将①-②×2可得CH3OH(g)+
O2(g)
==CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-676.48
kJ·mol-1-44
kJ·mol-1
×2=-764.48
kJ·mol-1。
探究二
选择适宜的反应条件
问题探究
选择合成甲醇适宜的反应条件时,你会考虑哪些影响因素?
提示结合反应速率和化学平衡的影响因素,需要考虑温度、浓度、压强、催化剂对反应的影响。总原则既要考虑有较快的反应速率,又要尽可能提高产率。
深化拓展
1.化工生产适宜条件选择的一般原则
条件
原则
从化学反应速率分析
既不能过快,又不能太慢
从化学平衡移动分析
既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析
增加易得廉价原料,提高难得高价原料的利用率,从而降低生产成本
从实际生产能力分析
如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的活性方面分析
注意催化剂的活性对温度的限制
2.利用CO2和H2合成甲醇在实际化工生产中适宜条件的选择
主反应CO2(g)+3H2(g)
==CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-48.97
kJ·mol-1,副反应CO2(g)+H2(g)
==CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.17
kJ·mol-1。一般考虑以下因素:
(1)反应物物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]:增大比值,甲醇的产率增大。
(2)改变温度或压强:①同压下,升高温度平衡转化率减小;②同温下,增大压强平衡转化率增大。
(3)改变催化剂的组成:组成改变影响甲醇的平衡转化率和选择性。
综合理论和事实表明,较高的物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于甲醇的合成。
3.项目成果展示
(1)利用化学反应解决实际问题的一般思路。
(2)目标化学反应设计过程及理论依据。
素能应用
典例2(1)已知反应CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g),在恒容密闭容器中按
加入CO和H2合成甲醇,测得起始压强p0=102
kPa。CO的平衡转化率[α(CO)]随温度的变化曲线如图所示,R点时反应的平衡常数Kp=
(kPa)-2(用平衡分压代替平衡浓度计算,
p分=p总×物质的量分数),R、S两点平衡常数大
小:Kp(R) (填“>”“=”或“<”)Kp(S)。?
(2)CO可用于合成甲醇,反应的化学方程式为CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应的ΔH 0(填“>”或“<”)。实际生产条件控制在250
℃、1.3×104
kPa左右,选择此压强的理由是 。?
答案(1) > (2)< 在1.3×104
kPa时,CO的转化率已较高,再增大压强CO转化率提高不大,同时生产成本增加,得不偿失
解析(1)R点时CO的平衡转化率为0.50,设起始加入的CO为x
mol,根据“三段式”分析:
CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g)
起始/mol
x
2x
0
转化/mol
0.50x
1.0x
0.50x
平衡/mol
0.50x
1.0x
0.50x
不同温度的转化率越大,K越大,故Kp(R)>Kp(S)。
(2)从图像来看,随着温度的升高,CO的转化率变小,故ΔH<0。综合温度、压强对CO转化率的影响来看,在1.3×104
kPa时,CO的转化率已经很大,不必再增大压强。
变式训练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
mol
CO2和8
mol
H2,发生反应CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-48.97
kJ·mol-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
mol·L-1·min-1
B.保持温度不变,若起始时向上述容器中充入4
mol
CO2、2
mol
H2、2
mol
CH3OH(g)和1
mol
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
mol
CO2和4
mol
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
答案B
解析由图中曲线Ⅰ可知,该反应在0~8
min内H2的变化量为6
mol,则CO2的变化量为2
mol,该反应在0~8
min内CO2的平均反应速率是
=0.125
mol·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
mol
CO2、2
mol
H2、2
mol
CH3OH(g)和2
mol
H2O(g),保持温度不变,若起始时向容器中充入4
mol
CO2、2
mol
H2、2
mol
CH3OH(g)和1
mol
H2O(g),相当于在原平衡状态的基础上减少1
mol
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
mol
CO2和4
mol
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。
随堂检测
1.一定温度下,在三个容积均为1.0
L的恒容密闭容器中发生反应:
2CH3OH(g)
CH3OCH3(g)+H2O(g)。
容器
编号
起始物质的量/mol
平衡物质的量/mol
CH3OH(g)
CH3OCH3(g)
H2O(g)
Ⅰ
387
0.20
0.080
0.080
Ⅱ
387
0.40
?
?
Ⅲ
207
0.20
0.090
0.090
下列说法正确的是( )
A.该反应的正反应为吸热反应
B.达到平衡时,容器Ⅰ中的CH3OH体积分数比容器Ⅱ中的小
C.容器Ⅰ中反应到达平衡所需时间比容器Ⅲ中的长
D.若起始时向容器Ⅰ中充入CH3OH
0.15
mol、CH3OCH3
0.15
mol和H2O
0.10
mol,则反应将向正反应方向进行
答案D
解析由题给表格中的Ⅰ、Ⅲ数据可知,温度越低,生成物的量越多,说明升高温度平衡逆向移动,则此反应的正反应为放热反应,A选项错误;题给反应是一个反应前后气体分子数不变的反应,达到平衡后,容器Ⅰ和Ⅱ中甲醇的体积分数相同,B选项错误;容器Ⅰ中温度高,反应速率快,达到平衡所需的时间短,C选项错误;根据387
℃时,
故开始时反应向正反应方向进行,D选项正确。
2.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
mol
CH4(g)和1
mol
H2O(g),测得H2O(g)和H2(g)的浓度随时间变化曲线如图所示,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
mol·L-1·min-1
C.该反应的化学平衡常数K=0.187
5
mol2·L-2
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
答案C
解析由图可知,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
mol·L-1,则:
CH4(g)+H2O(g)
CO(g)+3H2(g)
开始/(mol·L-1)
1
1
0
0
转化/(mol·L-1)
0.25
0.25
0.25
0.75
平衡/(mol·L-1)
0.75
0.75
0.25
0.75
C项正确;同一物质的消耗速率与其生成速率相等时,反应到达平衡,由方程式可知当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率为1∶3时,反应到达平衡,D项错误。
3.T
℃时,在1
L的密闭容器中充入2
mol
CO2和6
mol
H2,一定条件下发生反应:CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.1
kJ·mol-1,测得H2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如下表所示。下列说法不正确的是( )
答案B
解析t0~t1时间内v(H2)=
mol·L-1·min-1,A项正确;由表中信息可知t1时该反应达到平衡状态,由于正反应是放热反应,若t1时升高温度,则平衡要向逆反应方向移动,H2的转化率要减小,故B错误;t0时,反应向正反应方向进行,故v(正)>v(逆),故C正确;t1时反应处于平衡状态,CO2、H2、CH3OH(g)、H2O(g)的平衡浓度分别为1
mol·L-1、3
mol·L-1、1
mol·L-1、1
mol·L-1,所以该反应的平衡常数K=
,由于反应物的投料之比等于其化学式前的系数之比,所以达到平衡时CO2与H2的转化率相等,均为50%,故D正确。
4.(2020福建师大附中月考)在恒容密闭容器中,由CO合成甲醇:CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g),在其他条件不变的情况下研究温度对反应的影响,实验结果如图所示,下列说法正确的是( )
B.该反应在T1时的平衡常数比T2时的小
C.CO合成甲醇的反应为吸热反应
答案D
解析因题给反应的方程式中氢气前的系数为2,则该反应的平衡常数的表达式为K=
,A错误;由图像可知,反应从T2到T1时,甲醇的物质的量增大,根据平衡常数的计算式可知T1时的平衡常数比T2时的大,B错误;由图像可知在T2温度下反应先达到平衡,反应速率较T1快,则有T2>T1,从图像的纵坐标分析可得温度降低,平衡向正反应方向移动,则正反应为放热反应,C错误;处于A点的反应体系从T1变到T2的过程中,平衡向逆反应方向移动,则c(H2)增大,而c(CH3OH)减小,达到平衡时
应该增大,D正确。
5.甲醇既是重要的化工原料,又可作为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇。发生的主要反应如下:
①CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g) ΔH1=-99
kJ·mol-1
②CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-58
kJ·mol-1
③CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH3=+41
kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)反应①的化学平衡常数K的表达式为 ;图1中能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线为 (填曲线标记字母),其判断理由是 。?
(2)合成气组成
=2.60时,体系中的CO平衡转化率(α)与温度和压强的关系如图2所示。α(CO)值随温度升高而 (填“增大”或“减小”),其原因是 ;图2中的压强由大到小为 ,其判断理由是 。?
a 反应①为放热反应,平衡常数应随温度升高变小
(2)减小 升高温度时,反应①为放热反应,平衡向左移动,使得体系中CO的量增大;反应③为吸热反应,平衡向右移动,又使产生CO的量增大;总结果,随温度升高,使CO的转化率降低 p3>p2>p1 相同温度下,由于反应①为气体分子数减小的反应,加压有利于提升CO的转化率;而反应③为气体分子数不变的反应,产生CO的量不受压强影响。故增大压强时,有利于CO的转化率升高
解析(1)根据化学平衡常数的书写要求可知,反应①的化学平衡常数为
K=
。反应①为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,平衡常数K减小,故曲线a符合要求。
(2)由图2可知,压强一定时,CO的平衡转化率随温度的升高而减小,其原因是反应①为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,反应③为吸热反应,温度升高,平衡正向移动,又使产生CO的量增大,而总结果是随温度升高,CO的转化率减小。反应①的正反应为气体总分子数减小的反应,温度一定时,增大压强,平衡正向移动,CO的平衡转化率增大,而反应③为气体总分子数不变的反应,产生CO的量不受压强的影响,因此增大压强时,CO的转化率提高,故压强p1、p2、p3的关系为p16.甲醇是重要的化工原料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂的作用下合成甲醇,可能发生的反应如下:
ⅰ.CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
ⅱ.CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH2
ⅲ.CH3OH(g)
CO(g)+2H2(g) ΔH3
回答下列问题:
(1)已知反应ⅱ中相关化学键键能数据如下:
化学键
H—H
C=O
C
O
H—O
E/(kJ·mol-1)
436
803
1
076
465
由此计算ΔH2=
kJ·mol-1。已知ΔH3=+99
kJ·mol-1,则ΔH1=
kJ·mol-1。?
(2)一定比例的合成气在装有催化剂的反应器中反应12小时。体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图1所示。
①温度为470
K时,图中P点 (填“是”或“不是”)处于平衡状态。在490
K之前,甲醇产率随着温度升高而增大的原因是 ;490
K之后,甲醇产率下降的原因是 。?
②一定能提高甲醇产率的措施是 。?
A.增大压强
B.升高温度
C.选择合适催化剂
D.加入大量催化剂
(3)图2为一定比例的CO2/H2、CO/H2、CO/CO2/H2条件下甲醇生成速率与温度的关系。
①490
K时,根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。?
②490
K时,曲线a与曲线b相比,CO的存在使甲醇的生成速率增大,从平衡移动的角度,并结合反应ⅰ、ⅱ分析原因: 。?
答案(1)+36 -63
(2)①不是 温度越高化学反应速率越快 升高温度,反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低 ②AC
(3)①Ⅱ ②CO促进反应ⅱ逆向移动,二氧化碳和氢气的量增加,水蒸气的量减少,反应ⅰ正向移动
解析(1)对于反应CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH2,反应热=反应物总键能-反应产物总键能,故ΔH2=(2×803+436)
kJ·mol-1-(1
076+2×465)
kJ·mol-1=+36
kJ·mol-1;根据盖斯定律由ⅱ-ⅲ=ⅰ,故ΔH1=ΔH2-ΔH3=+36
kJ·mol-1-(+99
kJ·mol-1)=-63
kJ·mol-1。
(2)①温度为470
K时,图中P点不是处于平衡状态。在490
K之前,甲醇产率随着温度升高而增大的原因是温度越高化学反应速率越快;490
K之后,甲醇产率下降的原因是升高温度,反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低;②A项,增大压强,反应ⅰ平衡正向移动,正确;B项,由题图可知,温度高于490
K甲醇产率降低,错误;C项,选择合适催化剂,提高甲醇产率,正确;D项,加入大量催化剂,不能影响平衡,错误。
(3)①490
K时,从甲醇的生成速率来看,a曲线大于c曲线,即甲醇来源于CO2和H2,故490
K时,根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是Ⅱ;②490
K时,曲线a与曲线b相比,CO的存在使甲醇生成速率增大,原因是:对于反应ⅱCO是生成物,CO促进反应ⅱ逆向移动,二氧化碳和氢气的量增加,水蒸气的量减少,反应ⅰ正向进行,故CO的存在使甲醇生成速率增大。(共56张PPT)
章末整合
第2章
2021
内容索引
01
02
知识网络
重难突破
知识网络
答案①温度 ②正向 ③逆向 ④右 ⑤左
重难突破
突破1
化学平衡移动与转化率
利用勒·夏特列原理解释平衡移动方向和转化率高低是高考的重点内容。
素能应用
典例1室温下,向圆底烧瓶中加入1
mol
C2H5OH和含1
mol
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C2H5Br
C.若反应物均增大至2
mol,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
答案D
解析加入NaOH,NaOH和HBr反应使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的浓度,平衡向正反应方向移动,有利于生成C2H5Br,B项正确;若反应物按照化学式前的系数之比加入溶液中,则各物质的平衡转化率应相等,故反应物均增大至2
mol,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。
规律方法
1.化学平衡移动的判断方法
(1)依据勒·夏特列原理判断。
通过比较改变条件瞬时的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。
①若外界条件改变,引起v(正)>v(逆),则化学平衡向正反应方向(或向右)移动;
②若外界条件改变,引起v(正)③若外界条件改变,虽能引起v(正)和v(逆)变化,但变化后新的v'(正)和v'(逆)仍保持相等,则化学平衡不发生移动。
(2)依据浓度商(Q)规则判断。
Q反应向正反应方向进行,v(正)>v(逆)
Q=K
反应处于化学平衡状态,v(正)=v(逆)
Q>K
反应向逆反应方向进行,v(正)2.转化率大小变化分析
判断反应物转化率的变化时,不要把平衡正向移动与反应物转化率提高等同起来,要视具体情况具体分析。常见有以下几种情形:
反应类型
条件的改变
反应物转化率的变化
有多种反应物的可逆反应:
mA(g)+
nB(g)
pC(g)+qD(g)
恒容时只增加反应物A的用量
反应物A的转化率减小,反应物B的转化率增大
同等倍数地增大反应物A、B的量
恒温恒压条件下
反应物转化率不变
恒温
恒容
条件下
m+n>p+q
反应物A和B的转化率均增大
m+n反应物A和B的转化率均减小
m+n=p+q
反应物A和B的转化率均不变
反应类型
条件的改变
反应物转化率的变化
只有一种反应物的可逆反应:
mA(g)
nB(g)+pC(g)
增加反应物A的用量
恒温恒压
条件下
反应物转化率不变
恒温
恒容
条件下
m>n+p
反应物A的转化率增大
m反应物A的转化率减小
m=n+p
反应物A的转化率不变
变式训练1-1CH4-CO2催化重整反应为CH4(g)+CO2(g)
2CO(g)+2H2(g) ΔH=+247
kJ·mol-1。有利于提高CH4平衡转化率的条件是( )
A.高温低压
B.低温高压
C.高温高压
D.低温低压
答案A
解析由于题给反应为吸热且气体体积增大的反应,要提高CH4的平衡转化率,需在高温低压下进行。
变式训练1-2已知X(g)+Y(g)
2Z(g) ΔH<0。反应发生后,t1时达到平衡,t2时改变条件,t3时达到新平衡,则t2时改变的条件可能是( )
A.升高温度
B.减小Z的浓度
C.缩小反应容器容积
D.增大X或Y的浓度
答案A
解析由题图可知,t2时改变条件,X或Y的浓度逐渐增大,Z的浓度逐渐减小,该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,X和Y的浓度增大,Z的浓度减小,A符合题意。减小Z的浓度,平衡正向移动,X、Y的浓度逐渐减小,B不符合题意。缩小反应容器容积,压强增大,平衡不移动,但X、Y、Z的浓度均增大,C不符合题意。增大X或Y的浓度,平衡正向移动,则Z的浓度增大,D不符合题意。
突破2
化学平衡常数(K)及转化率(α)的计算
化学平衡常数(K)及转化率(α)的计算是高考的重点、热点和难点,主要涉及温度一定时浓度平衡常数和压强平衡常数的计算。
素能应用
A.通入惰性气体
B.升高温度
C.增加环戊烯浓度
D.增加碘浓度
答案40% 3.56×104
Pa BD
解析设容器中起始时加入I2(g)和环戊烯的物质的量均为a,平衡时转化的环戊烯的物质的量为x,列出“三段式”:
起始:
a
a
0
0
转化:
x
x
x
2x
平衡:
a-x
a-x
x
2x
通入惰性气体,对该反应的平衡无影响,A项不符合题意;该反应为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,可提高环戊烯的平衡转化率,B项符合题意;增加环戊烯浓度,能提高I2(g)的平衡转化率,但环戊烯的平衡转化率降低,C项不符合题意;增加I2(g)的浓度,能提高环戊烯的平衡转化率,D项符合题意。
规律方法
1.化学平衡常数
(2)依据化学方程式计算平衡常数。
①同一可逆反应中,K正·K逆=1;
②同一反应方程式中的化学计量数扩大n倍或缩小到原来的
,则新平衡常数K'与原平衡常数K间的关系是K'=Kn或K'=
。
③几个可逆反应方程式相加,得总反应方程式,则总反应的平衡常数等于分步反应的平衡常数之积。
2.转化率、产率及分压的计算
3.压强平衡常数计算的一般步骤
变式训练2-1(双选)在300
mL的密闭容器中,放入镍粉并充入一定量的CO气体,一定条件下发生反应:Ni(s)+4CO(g)
Ni(CO)4(g),已知该反应平衡常数与温度的关系如下表。
温度/℃
25
80
230
平衡常数/(mol-3·L3)
5×104
2
1.9×10-5
下列说法正确的是( )
A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应
B.25
℃时反应Ni(CO)4(g)
Ni(s)+4CO(g)的平衡常数为0.5
mol3·L-3
C.在某条件下达到平衡,测得Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5
mol·L-1,则此时温度高于80
℃
D.80
℃时,在相同容器中充入0.3
mol
CO和0.3
mol
Ni(CO)4,同时加入足量Ni,此时v(正)>v(逆)
答案AD
变式训练2-2(1)活性炭还原NO2的反应为2NO2(g)+2C(s)
N2(g)+2CO2(g),在恒温条件下,1
mol
NO2和足量活性炭发生该反应,测得平衡时NO2和CO2的物质的量浓度与平衡总压的关系如图1所示,C点时该反应的平衡常数Kp= (Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。?
图1
(2)以CO作为还原剂与磷石膏(主要成分为CaSO4·2H2O)反应,不同反应温度下可得到不同的产物。向盛有CaSO4的真空恒容密闭容器中充入CO,反应体系起始总压强为0.1a
MPa,不同温度下反应后所得固态物质的物质的量如图2所示。在低于800
℃时主要反应的化学方程式为 ;1
150
℃下,反应CaSO4+CO
CaO+CO2+SO2达到平衡时,c平(SO2)=8.0×10-5
mol·L-1,CO的转化率为80%,则c始(CO)=
mol·L-1,该反应的压强平衡常数Kp= (用含a的代数式表示;用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数;忽略副反应)。?
图2
答案(1)4 (2)CaSO4+4CO
CaS+4CO2 1.0×10-4 0.32a
解析(1)Kp的表达式为Kp=
,先计算平衡时,混合气体中各组分的物质的量分数,设平衡时NO2的变化量为x
mol,则
2NO2(g)+2C(s)
N2(g)+2CO2(g)
起始/mol
1
0
0
变化/mol
x
0.5x
x
平衡/mol
1-x
0.5x
x
平衡时物质
的量分数
由于C点时c(NO2)=c(CO2),即1-x=x,解得x=0.5。把x=0.5代入上述物质的量分数算式中,得到NO2、N2、CO2的物质的量分数分别为0.4、0.2、0.4,由于NO2与CO2的物质的量分数相等,故p(CO2)=p(NO2),
(2)在低于800
℃时,固体产物为CaS,所以此时反应的化学方程式为CaSO4+4CO
CaS+4CO2;根据1
150
℃时反应的化学方程式CaSO4+CO
CaO+CO2+SO2及平衡时c平(SO2)=8.0×10-5
mol·L-1可知,
突破3
常见的化学反应速率、化学平衡图像分析
1.速率—时间图像
反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
(1)t1时增大反应物的浓度,正反应速率瞬间增大,然后逐渐减小,而逆反应速率逐渐增大;
(2)t2时升高温度,正反应和逆反应速率均增大,吸热反应的反应速率增大得快;
(3)t3时减小压强,容器容积增大,浓度变小,正反应速率和逆反应速率均减小,正反应的反应速率减小得多;
(4)t4时使用催化剂,正反应速率和逆反应速率均瞬间增大但仍相等。
2.转化率(或含量)—时间图像
反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
(1)图甲表示压强对反应物转化率的影响,对于气体反应物系数之和大于气体生成物系数之和的反应,压强越大,反应物的转化率越大;
(2)图乙表示温度对反应物转化率的影响,对于吸热反应,温度越高,反应物的转化率越大;
(3)图丙表示催化剂对反应物转化率的影响,催化剂只能改变化学反应速率,不能改变反应物的转化率。
3.恒压(温)线
反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
分析时可沿横轴作一条平行于纵轴的虚线,即为等压线或等温线,然后分析另一条件变化对该反应的影响。
4.特殊类型图像
(1)对于化学反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),如下图所示,M点前,表示从反应物开始,v(正)>v(逆);M点为刚达到平衡点;M点后为平衡受温度的影响情况,即升温,A的百分含量增加或C的百分含量减少,平衡左移,故正反应ΔH<0。
(2)对于化学反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),如右图所示,L线上所有的点都是平衡点。L线的左上方(E点),A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量,所以E点v(正)>v(逆);则L线的右下方(F点),v(正)素能应用
典例3(双选)不同温度下反应3SiCl4(g)+2H2(g)+Si(s)
4SiHCl3(g) ΔH<0中SiCl4的转化率如图所示。下列叙述正确的是( )
A.B点:v(正)>v(逆)
B.v(正):A点>E点
C.反应适宜温度:480~520
℃
D.某一温度下加入SiCl4可提高SiCl4的转化率
答案AC
解析同一点比较正、逆反应速率看反应进行方向,B点反应正向进行,所以v(正)>v(逆),A项正确;不同点比较正、逆反应速率看反应条件,A点温度低于E点温度,所以v(正):A点℃时,SiCl4转化率高,480~520
℃为反应适宜温度,C项正确;加入SiCl4会提高其他反应物的转化率,SiCl4本身的转化率会减小,D项错误。
规律方法
解答化学平衡图像题的四步骤
(1)下列可判断反应达到平衡的是 (填标号)。?
(2)tm时,v(正) v(逆)(填“大于”“小于”或“等于”)。?
(3)tm时v(逆) tn时v(逆)(填“大于”“小于”或“等于”),理由是 。?
答案(1)ac (2)大于 (3)小于 tm时反应产物浓度较低,逆反应速率较小
(2)tm时反应未达到平衡状态,所以v(正)大于v(逆)。
(3)从tm到tn,反应逐渐趋于平衡状态,反应物浓度逐渐减小而反应产物浓度逐渐增大,所以正反应速率逐渐减小,逆反应速率逐渐增大,故tm时v(逆)小于tn时v(逆)。
变式训练3-2(2020山东学业水平等级考化学,18)探究CH3OH合成反应中化学平衡的影响因素,有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH1=-49.5
kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g) ΔH2=-90.4
kJ·mol-1
Ⅲ.CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH3
回答下列问题:
(1)ΔH3=
kJ·mol-1。?
(2)一定条件下,向容积为V
L的恒容密闭容器中通入1
mol
CO2和3
mol
H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a
mol,CO为b
mol,此时H2O(g)的浓度为
mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为 。?
(3)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图 (填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为 ;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是 。?
(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为 (填标号)。?
A.低温、高压
B.高温、低压
C.低温、低压
D.高温、高压
答案(1)+40.9
(3)乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响
(4)A
解析本题利用科研文献中图像、曲线及数据设题,要求考生在陌生情景中进行热力学分析,有一定难度。
(1)根据盖斯定律可得Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,则ΔH3=+40.9
kJ·mol-1。
(2)反应Ⅰ:
CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)
转化/mol
x
3x
x
x
反应Ⅱ: CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g)
转化/mol
a-x
2a-2x
a-x
反应Ⅲ: CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g)
转化/mol
y
y
y
y
n(CO)=y
mol-a
mol+x
mol=b
mol,则x+y=a+b。
(3)从图乙中看到在T1时,p不同时三条曲线交于一点,说明压强的改变对平衡无影响。而反应Ⅲ前后分子数不变,反应以Ⅲ为主,所以升高温度平衡向正方向移动,CO2的转化率升高。图乙纵坐标表示CO2的平衡转化率,图甲纵坐标表示CH3OH的平衡产率,反应Ⅰ、Ⅱ都是体积减小的反应,增大压强平衡向正反应方向移动,故p1>p2>p3。
(4)由反应的方程式可知,低温、高压可提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率。