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第2讲 化学平衡及其移动
第七章
内容索引
01
02
强基础 增分策略
增素能 精准突破
研专项 前沿命题
03
【课程标准】
1.了解可逆反应的含义,知道可逆反应在一定条件下能达到化学平衡。
2.通过实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。
3.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、转化率等相关物理量的变化。
强基础 增分策略
一、可逆反应与化学平衡状态
1.可逆反应 正逆同时,不彻底
2.化学平衡的建立
正向开始、逆向开始、双向同时开始,均可建立平衡
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:
以上过程如下图所示:
3.化学平衡状态
(1)定义
一定条件下的 可逆 反应,正反应和逆反应的速率 相等 ,反应混合物中各组分的 浓度 保持不变的状态。
(2)平衡特点 正、逆反应速率相等是化学平衡的本质
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
应用提升 (1)可逆反应体系中,反应物不能全部转化为生成物,生成物也不能完全转化为反应物。
(2)化学反应达到平衡状态时,各组分的浓度、百分含量保持不变,但不一定相等。
二、化学平衡的移动
1.化学平衡移动的过程
速率改变是化学平衡移动的前提,但是速率改变,化学平衡未必改变
2.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),平衡 不发生 移动;
v(正)
3.影响化学平衡的外界因素
速率图像中,浓度不变速率不变,浓度突变速率突变
若其他条件不变,改变下列一个条件,对化学平衡的影响如下:
4.勒夏特列原理及运用
勒夏特列原理:如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强及参加反应的化学物质的浓度),平衡就向着能够 减弱 这种改变的方向移动。本原理也称化学平衡移动原理。
化学平衡移动的目的是“减弱”外界条件的改变,而不是“消除”外界条件的改变,即“减弱而不抵消”。
5.化学平衡中的特殊情况
(1)当反应物或生成物中存在与其他物质不相混溶的固体或液体物质时,由于其“浓度”是恒定的,不随其量的增减而变化,故改变这些固体或液体的量,对化学平衡没影响。
(2)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。
(3)充入惰性气体(不参与反应的气体)与平衡移动的关系:
关键是混合气体的分压是否改变
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 容器容积增大,各反应气体的分压减小→
旁栏边角 选择性必修1第二章第二节
阅读教材中“思考与讨论”,回答下列问题。
1.在讨论压强是否影响化学平衡时,需考虑反应什么特点
提示 反应物和生成物状态,是否有气体参与或生成,反应前后气体体积是否变化。
2.压强改变,化学平衡是否一定移动
提示 不一定。对于没有气体参加的反应,或反应前后气体体积没有变化的反应,压强改变,化学平衡不移动。
3.通常所说的压强改变影响化学平衡,是如何改变压强的
提示 容器容积的改变引起容器内压强的改变:增大容器容积,压强减小;减小容器容积,压强增大。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)平衡时,其他条件不变,分离出固体生成物,v(正)加快。( × )
(2)化学平衡正向移动,反应物的转化率不一定增大。( √ )
(3)合成氨反应需使用催化剂,说明催化剂可以促进该平衡向生成氨的方向移动。( × )
(4)二氧化氮与四氧化二氮的平衡体系,通过减小容器容积加压后颜色加深。
( √ )
(5)往平衡体系FeCl3+3KSCN Fe(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。( × )
(6)对于密闭容器中的可逆反应mX(g)+nY(s) pZ(g) ΔH<0,达到化学平衡后,通入氦气,化学平衡一定发生移动。( × )
(7)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。( √ )
三、等效平衡
1.含义
在一定条件(恒温恒容或恒温恒压)下,同一可逆反应体系,起始时加入物质的物质的量不同,达到化学平衡时,同种物质的百分含量 相同 。
2.原理
同一可逆反应,在外界条件一定时,不管是从正反应开始,还是从逆反应开始,最后都能达到平衡状态,其中平衡混合物中各成分的百分含量 相同 。由于化学平衡状态与 条件 有关,而与建立平衡的 途径 无关,因而同一可逆反应,从不同的状态开始,只要达到平衡时的条件(温度、浓度、压强等)完全相同,即可形成等效平衡。
3.规律
对于可逆反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)
反应特点 a+b≠c+d a+b=c+d 条件 等温等容 等温等压 等温等容 等温等压
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”比值相同 换算为化学方程式同一边物质,其“量”比值相同 平衡 特点 物质的量(n) 相同 比值相同 比值相同 比值相同
百分含量(w) 相同 相同 相同 相同
浓度 相同 相同 比值相同 相同
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)同一个可逆反应,在不同的条件下达到等效平衡时,同种物质的物质的量不一定相等,浓度一定相等。( × )
(2)对于反应3A(g)+B(g) 2C(g)+D(g),现有两个相同的恒温恒容密闭容器,一个容器中加入3 mol A和1 mol B,另一个容器中加入1.5 mol A、0.5 mol B、1 mol C和0.5 mol D,当达到平衡时两容器中同种物质的浓度相等。
( √ )
(3)一定温度和压强下,在两个容积可变的密闭容器中,一个充入1 mol O2和2 mol SO2,另一个充入8 mol SO3。发生反应并达到平衡后,各物质对应的浓度相等。( √ )
应用提升 等效平衡不是完全相同的平衡状态,一般在物质的百分含量上是相等的,但是各物质的浓度、正逆反应速率、容器内总压和物质分压等量不一定相等。
增素能 精准突破
考点一
化学平衡状态
【能力概述】
【新教材·新高考】
新 教 材 变化 新教材以“合成氨”反应为例,从正反应和逆反应两个角度,结合图像介绍了化学平衡的建立。增加了“方法导引”栏目,介绍了“图像分析”
新 高 考 高频考点 老高考对化学平衡状态的判断考查很少,但新高考因题量的增大,考查得更为细致,可能在非选择题中单独出现或在某些选项中考查平衡状态的判断
预测考向 非气体物质参与的可逆反应、化学平衡状态的判断将成为高考的热点
考向1.可逆反应的特点
典例突破
(2021安徽淮北模拟)已知反应:NO2(g)+SO2(g) SO3(g)+NO(g),起始时向某密闭容器中通入1 mol NO2、2 mol S18O2,反应达到平衡后,下列有关说法正确的是( )
A.NO2中不可能含18O
B.有1 mol N18O生成
C.S18O2的物质的量不可能为0.8 mol
D.SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,说明该反应达到平衡
答案 C
解析 该反应为可逆反应,则通入1 mol NO2、2 mol S18O2,反应达到平衡后,SO2、SO3、NO、NO2均含18O,A错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入1 mol NO2、2 mol S18O2,不可能有1 mol N18O生成,B错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入1 mol NO2、2 mol S18O2,则NO2、S18O2消耗都小于1 mol,所以S18O2的物质的量不可能为0.8 mol,C正确;该反应为可逆反应,SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,不能说明该反应达到平衡,D错误。
针对训练
1.(2022湖南株洲高三期中)某同学欲验证Fe3+和I-在水溶液中发生可逆反应:2Fe3++2I- 2Fe2++I2,设计了下列实验操作,并给出了预测现象,其中不必要的实验操作是(不考虑水中溶解的少量氧气的影响)( )
选项 实验操作 预测现象
A 在9 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液中滴加几滴FeCl3溶液,振荡,将溶液分为三等份 溶液颜色发生变化
B 往第一份溶液中滴加淀粉溶液,振荡 溶液变蓝色
C 往第二份溶液中滴加几滴AgNO3溶液,振荡 有黄色沉淀产生
D 往第三份溶液中滴加几滴KSCN溶液,振荡 溶液变红色
答案 C
解析 溶液混合颜色变化,说明有新物质生成,说明发生反应2Fe3++2I-2Fe2++I2,故A项不符合题意;溶液中滴加淀粉溶液,振荡,溶液变蓝色,说明有碘单质存在,发生反应的化学方程式为2Fe3++2I- 2Fe2++I2,故B项不符合题意;溶液中滴加几滴AgNO3溶液,振荡,有黄色沉淀生成,说明有碘离子存在,因为碘离子过量,无论是否发生反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2,都会出现黄色沉淀,故C项符合题意;碘化钾溶液中滴入几滴FeCl3溶液反应后的溶液中滴加几滴KSCN溶液,振荡,溶液变红色,说明溶液中有Fe3+,说明反应是可逆反应,故D项不符合题意。
2.(2021广东惠州模拟)在密闭容器中有如下反应: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,各物质的浓度(单位mol·L-1)可能是( )
A.X2为0.2 B.Y2为0.2
C.Z为0.3 D.Z为0.4
答案 C
解析 若反应向正反应进行到达平衡,X2、Y2的浓度最小,Z的浓度最大,假定完全反应,则:
X2(g)+Y2(g) 2Z(g)
开始/(mol·L-1): 0.1 0.3 0.2
变化/(mol·L-1): 0.1 0.1 0.2
平衡/(mol·L-1): 0 0.2 0.4
若反应逆向进行,将产物Z完全转化为反应物X2和Y2,X2、Y2的浓度最大,Z的浓度最小,假定完全反应,则:
X2(g)+Y2(g) 2Z(g)
开始/(mol·L-1): 0.1 0.3 0.2
变化/(mol·L-1): 0.1 0.1 0.2
平衡/(mol·L-1): 0.2 0.4 0
由于为可逆反应,物质不能完全转化,所以平衡时浓度范围为0 mol·L-1 归纳总结
“一边倒”确定反应物与生成物取值范围
采用极端假设的方法,可以界定反应物与生成物的取值范围。
如在恒温恒容密闭容器中发生可逆反应:X2(g)+Y2(g) 2Z(g),X2、Y2、Z的初始浓度分别为0.2 mol·L-1、0.1 mol·L-1和0.2 mol·L-1,若反应向正反应进行到达平衡,X2、Y2的浓度最小,Z的浓度最大,假定完全反应,则:
X2(g) + Y2(g) 2Z(g),
若反应向逆反应进行到达平衡,将产物Z转化为反应物X2和Y2,X2、Y2的浓度最大,Z的浓度最小,假定完全反应,则:
X2(g) + Y2(g) 2Z(g),
由于物质不能完全转化,所以平衡时浓度范围为0.1 mol·L-10.3 mol·L-1,0 mol·L-1考向2.化学平衡状态的判断
典例突破
在容积固定的密闭容器中发生反应:2CO(g)+4H2(g) CH3CH2OH(g) +H2O(g)。下列叙述不能说明上述反应已达到化学平衡状态的是( )
A.体系的压强不变
B.反应体系中乙醇的物质的量浓度不再变化
C.混合气体的密度不变
D.混合气体的平均相对分子质量不变
答案 C
解析 该反应为气体体积缩小的可逆反应,压强为变量,当体系的压强不变时,表明正逆反应速率相等,达到平衡状态,A不符合题意;反应体系中乙醇的物质的量浓度不再变化时,表明正逆反应速率相等,该反应达到平衡状态,B不符合题意;该反应中混合气体总质量、容器容积为定值,则混合气体的密度始终不变,不能根据混合气体的密度判断平衡状态,C符合题意;混合气体总质量为定值,混合气体的物质的量为变量,则混合气体的平均相对分子质量为变量,当混合气体的平均相对分子质量不变时,表明正逆反应速率相等,达到平衡状态,D不符合题意。
考题点睛
针对训练
1.在一个容积固定的密闭容器中,进行可逆反应:A(s)+3B(g) 3C(g)。下列叙述中表明可逆反应一定达到平衡状态的是( )
①C的生成速率与C的分解速率相等 ②单位时间内生成a mol A,同时生成3a mol B ③B的浓度不再变化 ④混合气体总的物质的量不再发生变化 ⑤A、B、C的物质的量之比为1∶3∶3 ⑥混合气体的密度不再变化
A.仅有①②③ B.仅有①③④⑥
C.仅有①③⑥ D.仅有①③④
答案 C
解析 C的生成速率与C的分解速率相等,说明正逆反应速率相等,①正确;化学反应速率之比等于化学计量数之比,无论是否达到平衡状态,都存在单位时间生成a mol A,同时生成3a mol B,②错误;当反应达到化学平衡状态时,各物质的浓度不变,③正确;气体反应物与气体生成物的化学计量数之和相等,无论是否达到平衡状态,混合气体总的物质的量都不变,④错误;各物质的物质的量之比等于化学计量数之比,不能作为判断是否达到平衡状态的依据,⑤错误;A为固体,当反应达到平衡状态时,气体的总质量不变,反应达到平衡状态,⑥正确。
2.(2022河北承德高三期中)在绝热的某刚性容器中置入1 mol F2和3 mol ClF3,发生反应:F2(g)+ClF(g) ClF3(g)。下列说法中能够判断该反应一定处于平衡状态的有( )
A.F2(g)与ClF(g)体积之比恒定不变
B.F2(g)与ClF3(g)速率之比恒定不变
C.混合物中Cl元素质量分数恒定不变
D.断裂1 mol F—F键,同时生成3 mol F—Cl键
答案 A
解析 初始投料为1 mol F2和3 mol ClF3,根据化学方程式可知二者按照1∶1进行反应,所以未平衡时F2(g)与ClF(g)体积之比会变,当其不变时反应达到平衡,A项符合题意;无论是否平衡,同一方向F2(g)与ClF3(g)速率之比恒等于计量数之比,B项不符合题意;根据元素守恒可知,无论是否平衡混合物中Cl元素质量分数都不变,C项不符合题意;断裂1 mol F—F键,同时生成3 mol F—Cl键,表示的都是正反应,无论是否平衡都满足此关系,D项不符合题意。
3.(2021福建莆田模拟)一定温度下,反应N2O4(g) 2NO2(g)的焓变为ΔH。现将1 mol N2O4充入一恒压密闭容器中,下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是( )
A.①② B.②④ C.③④ D.①④
答案 D
解析 因反应容器保持恒压,所以容器容积随反应进行而不断变化,结合ρ气= 可知,气体密度不再变化,说明容器容积不再变化,即气体的物质的量不再变化,反应达到平衡状态,①符合题意;无论是否平衡,反应的ΔH都不变,②不符合题意;反应开始时,加入1 mol N2O4,随着反应的进行,N2O4的浓度逐渐变小,故v正(N2O4)逐渐变小,直至达到平衡,③不符合题意;N2O4的转化率不再变化,说明N2O4的浓度不再变化,反应达到平衡状态,④符合题意。
归纳总结
判断化学平衡状态的两方法和两标志
(1)两方法——逆向相等、变量不变。
(2)两标志——本质标志、等价标志。
考点二
化学平衡移动
【能力概述】
【新教材·新高考】
新 教 材 变化 新教材将化学平衡常数放在平衡移动之前讲述,且利用浓度商和平衡常数相对大小,判断反应所处的状态。对化学平衡影响因素的实验探究更为细致,增加了“思考与交流”栏目
新 高 考 高频考点 新高考对化学平衡的考查,信息更新颖,材料更丰富,重点对信息的加工处理能力和语言表达能力进行考查
预测考向 通过灵活多样的形式考查化学平衡移动的原因分析,将是新高考的热点
考向1.外界条件对化学平衡的影响
典例突破
(双选)(2021湖南卷,11)已知:A(g)+2B(g) 3C(g) ΔH<0,向一恒温恒容的密闭容器中充入1 mol A和3 mol B发生反应,t1时达到平衡状态Ⅰ,在t2时改变某一条件,t3时重新达到平衡状态Ⅱ,正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.容器内压强不变,表明反应达到平衡
B.t2时改变的条件:向容器中加入C
C.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ)＞φ(Ⅰ)
D.平衡常数K:K(Ⅱ)答案 B C
解析 恒温恒容条件下进行反应,该反应前后气体分子数不变,所以容器内的气体压强始终保持不变,A项错误;t2时,正反应速率在平衡状态Ⅰ的基础上逐渐增大,则说明为增大产物C的浓度导致的,B项正确;该反应为气体分子数不变的反应,起始充入1 mol A和3 mol B,投料比为1∶3,达到平衡后加入C,加入C相当于按1∶2的投料比投入A和B,A的比例增大,体积分数增大,C项正确;平衡常数只与温度有关,温度不变,故平衡常数不变,D项错误。
针对训练
1.(2022浙江6月选考)关于反应Cl2(g)+H2O(l) HClO(aq)+H+(aq)+Cl-(aq)
ΔH<0,达到平衡后,下列说法不正确的是( )
A.升高温度,氯水中的c(HClO)减小
B.氯水中加入少量醋酸钠固体,上述平衡正向移动,c(HClO)增大
D.取两份氯水,分别滴加AgNO3溶液和碘化钾淀粉溶液,若前者有白色沉淀,后者溶液变蓝色,可以证明上述反应存在限度
答案 D
解析 该反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,且Cl2(g)的溶解度随温度升高而减小,HClO受热易分解,故升高温度c(HClO)减小,A项正确;氯水中加入少量醋酸钠固体,醋酸根离子和氢离子结合生成醋酸分子,氢离子浓度减小,平衡正向移动,c(HClO)增大,B项正确;氯水稀释,平衡正向移动,而c(HClO)和c(Cl-)均减小,但HClO本身也存在电离平衡HClO H++ClO-,稀释促进了HClO的电离,使c(HClO)减小更多,因此 增大,C项正确;氯水中加硝酸银产生白色沉淀,证明溶液中有氯离子,氯水中加碘化钾淀粉溶液,溶液变蓝,证明生成了碘单质,溶液中有强氧化性的物质,而氯气和次氯酸都有强氧化性,不能证明反应物和生成物共存,即不能证明该反应存在限度,D项错误。
2.(2021湖北宜昌模拟)下列事实不能用勒夏特列原理解释的是( )
A.使用催化剂可以提高合成氨的产量
B.实验室制取乙酸乙酯时,将乙酸乙酯不断蒸出
C.保存FeCl3溶液时,加少量稀盐酸
D.实验室用排饱和食盐水的方法收集氯气
答案 A
解析 催化剂影响化学反应速率,但不影响化学平衡,不能用勒夏特列原理解释,A符合题意;实验室制取乙酸乙酯时,将乙酸乙酯不断蒸出,生成物浓度减小,平衡正向移动,能够用勒夏特列原理解释,B不符合题意;FeCl3溶液中存在水解平衡:Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+,加少量稀盐酸后氢离子浓度增大,平衡逆向移动,抑制了Fe3+的水解,可用勒夏特列原理解释,C不符合题意;用排饱和食盐水的方法来收集氯气,增大了Cl-的浓度,使平衡Cl2+H2O
H++Cl-+HClO向逆反应方向移动,降低了氯气的溶解度,可用勒夏特列原理解释,D不符合题意。
3.(2021北京顺义模拟)将1 mol N2和3 mol H2充入某固定容积的密闭容器中,在一定条件下,发生反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0并达到平衡,改变条件。下列关于平衡移动的说法正确的是( )
选项 改变条件 平衡移动方向
A 使用适当催化剂 平衡向正反应方向移动
B 升高温度 平衡向逆反应方向移动
C 再向容器中充入1 mol N2和3 mol H2 平衡不移动
D 向容器中充入氦气 平衡向正反应方向移动
答案 B
解析 使用适当催化剂,平衡不移动,A错误;正反应为放热反应,升高温度,平衡向吸热的方向移动,即平衡向逆反应方向移动,B正确;再向固定容积的容器中充入1 mol N2和3 mol H2,相当于增大压强,平衡向正反应方向移动,C错误;向容器中充入氦气,由于容器的容积不变,N2、H2和NH3的浓度均不变,平衡不移动,D错误。
归纳总结
分析化学平衡移动的一般思路
考向2.化学平衡移动在工业生产中的应用
典例突破
(2020天津卷,16节选)利用太阳能光解水,制备的H2用于还原CO2合成有机化合物,可实现资源的再利用。用H2还原CO2可以在一定条件下合成CH3OH(不考虑副反应),CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0
恒压下,CO2和H2的起始物质的量比为1∶3时,该反应在无分子筛膜时甲醇的平衡产率和有分子筛膜时甲醇的产率随温度的变化如图所示,其中分子筛膜能选择性分离出H2O。
(1)甲醇平衡产率随温度升高而降低的原因为 。
(2)P点甲醇产率高于T点的原因为 。
(3)根据图像,在此条件下采用该分子筛膜时的最佳反应温度为
℃。
答案 (1)该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动
(2)分子筛膜从反应体系中不断分离出H2O,有利于反应正向进行,甲醇产率升高
(3)210
解析 (1)该反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,故甲醇平衡产率降低。(2)分子筛膜从反应体系中不断分离出H2O,有利于反应正向进行,甲醇产率升高,因此P点甲醇产率高于T点。(3)根据图像,温度为210 ℃时,采用该分子筛膜时甲醇产率最高,故选择的最佳反应温度为210 ℃。
考题点睛
针对训练
1.(2022北京卷)某MOFs的多孔材料刚好可将N2O4“固定”,实现了NO2与N2O4分离并制备HNO3,如图所示:
已知:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0
下列说法不正确的是( )
A.气体温度升高后,不利于N2O4的固定
B.N2O4被固定后,平衡正移,有利于NO2的去除
C.制备HNO3的原理为:2N2O4+O2+2H2O ══ 4HNO3
D.每制备0.4 mol HNO3,转移电子数约为6.02×1022
答案 D
解析 二氧化氮转化为四氧化二氮的反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,四氧化二氮的浓度减小,所以气体温度升高后,不利于四氧化二氮的固定,故A项正确;四氧化二氮被固定后,四氧化二氮的浓度减小,二氧化氮转化为四氧化二氮的平衡向正反应方向移动,二氧化氮的浓度减小,所以四氧化二氮被固定后,有利于二氧化氮的去除,故B项正确;由题意可知,被固定后的四氧化二氮与氧气和水反应生成硝酸,反应的化学方程式为2N2O4+O2+2H2O ══ 4HNO3,故C项正确;四氧化二氮转化为HNO3时,每生成1 mol HNO3,反应转移1 mol电子,则每制备0.4 mol HNO3,转移电子数约为0.4 mol×6.02×1023 mol-1=2.408×1023,故D项错误。
2.(2020天津等级考)已知[Co(H2O)6]2+呈粉红色,[CoCl4]2-呈蓝色,[ZnCl4]2-为无色。现将CoCl2溶于水,加入浓盐酸后,溶液由粉红色变为蓝色,存在以下平衡:
[Co(H2O)6]2++4Cl- [CoCl4]2-+6H2O ΔH
用该溶液做实验,溶液的颜色变化如下:
以下结论和解释正确的是( )
A.等物质的量的[Co(H2O)6]2+和[CoCl4]2-中σ键数之比为3∶2
B.由实验①可推知ΔH<0
C.实验②是由于c(H2O)增大,导致平衡逆向移动
D.由实验③可知配离子的稳定性:[ZnCl4]2->[CoCl4]2-
答案 D
解析 1 mol [Co(H2O)6]2+中Co2+与H2O之间存在6 mol配位键(属于σ键)、6 mol H2O中含12 mol σ键,共18 mol σ键,而1 mol [CoCl4]2-中Co2+与Cl-之间存在4 mol配位键(属于σ键),共4 mol σ键,故等物质的量的[Co(H2O)6]2+、[CoCl4]2-中σ键数之比为9∶2,A项错误;根据实验①,置于冰水浴中,温度降低,得到粉红色溶液,说明平衡向逆反应方向移动,故逆反应为放热反应,则正反应为吸热反应,ΔH>0,B项错误;实验②,平衡向逆反应方向移动,是因为加水稀释,体系中各物质浓度减小,平衡向体系中浓度增大的方向移动,C项错误;加入少量ZnCl2固体,得到粉红色溶液,说明[CoCl4]2-转化为[Co(H2O)6]2+,是因为Zn2+与Cl-结合成更稳定的[ZnCl4]2-,导致Cl-浓度变小,平衡逆向移动,因此稳定性:[ZnCl4]2->[CoCl4]2-,D项正确。
3.(2020浙江7月选考,29节选)研究CO2氧化C2H6制C2H4对资源综合利用有重要意义。相关的主要化学反应有:
(1)CO2和C2H6按物质的量1∶1投料,在923 K和保持总压恒定的条件下,研究催化剂X对“CO2氧化C2H6制C2H4”的影响,所得实验数据如表:
催化剂 转化率C2H6/% 转化率CO2/% 产率C2H4/%
催化剂X 19.0 37.6 3.3
结合具体反应分析,在催化剂X作用下,CO2氧化C2H6的主要产物是 ,判断依据是 。
(2)采用选择性膜技术(可选择性地让某气体通过而离开体系)可提高C2H4的选择性(生成C2H4的物质的量与消耗C2H6的物质的量之比)。在773 K条件下,乙烷平衡转化率为9.1%,保持温度和其他实验条件不变,采用选择性膜技术,乙烷转化率可提高到11.0%。结合具体反应说明乙烷转化率增大的原因是 。
答案 (1)CO C2H4的产率低,而C2H6和CO2的转化率较高,且CO2转化率高于C2H6转化率,说明催化剂X有利于提高反应Ⅲ速率 (2)选择性膜吸附C2H4,促进反应Ⅱ平衡正向移动
解析 (1)由题中信息及表中数据可知,尽管CO2和C2H6按物质的量之比1∶1投料,但是C2H4的产率远远小于C2H6的转化率,但是CO2的转化率高于C2H6,说明在催化剂X的作用下,除了发生反应Ⅱ,还发生了反应Ⅲ,而且主要发生了反应Ⅲ,这也说明催化剂X有利于提高反应Ⅲ的速率,因此,CO2氧化C2H6的主要产物是CO。(2)由题中信息可知,选择性膜技术可提高C2H4的选择性,由反应ⅡC2H6(g)+CO2(g)
C2H4(g)+H2O(g)+CO(g)可知,该选择性应具体表现在选择性膜可选择性地让C2H4通过而离开体系,即通过吸附C2H4,减小其在平衡体系的浓度,从而促进化学平衡向正反应方向移动,因而可以提高乙烷的转化率。
归纳总结
分析化学平衡移动问题的注意事项
(1)不要把v(正)增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有v(正)>v(逆)时,才使平衡向正反应方向移动。
(2)同等程度地改变气体反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。
(3)通过缩小体积来增大压强,不管平衡是否移动,各成分的浓度均增大,但增大的倍数可能不同也可能相同。
研专项 前沿命题
等效平衡
题型 考查内容 选择题 非选择题 考查知识 化学平衡状态、化学平衡移动原理
核心素养 宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知
考向1等温等容条件下的等效平衡
例1.一定温度下,在三个容积相同的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物,发生反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0,测得反应的相关数据如下:
下列说法正确的是( )
A.v1B.K1>K3,p2>2p3
C.v1>v3,α1(SO2)<α3(SO2)
D.c2>2c3,α2(SO3)+α3(SO2)<1
思路指导
答案 D
突破方法
恒温恒容条件下的等效平衡
恒温恒容条件下等效平衡的类型:
(1)恒温恒容条件下反应前后体积改变的反应,极值等量即等效。
例如: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)
① 2 mol 1 mol 0
② 0 0 2 mol
③ 0.5 mol 0.25 mol 1.5 mol
④ a mol b mol c mol
上述①②③三种配比,按化学方程式的化学计量数关系均转化为反应物,则SO2均为2 mol,O2均为1 mol,三者建立的平衡状态完全相同。
④中a、b、c三者的关系满足:c+a=2, +b=1,即与上述平衡等效。
(2)恒温恒容条件下,反应前后体积不变的反应,极值等比即等效。
例如: H2(g)+I2(g) 2HI(g)
① 1 mol 1 mol 0
② 2 mol 2 mol 1 mol
③ a mol b mol c mol
①②两种情况下,n(H2)∶n(I2)=1∶1,故互为等效平衡。
③中a、b、c三者关系满足( +a)∶( +b)=1∶1或a∶b=1∶1,c≥0,即与①②平衡等效。
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。
针对训练
1.(2021湖北模拟)图1是两个容积均为1 L的恒容容器,现向甲中充入2 mol A、2 mol B,乙中充入1 mol A、1 mol B,相同温度下发生反应:A(g)+B(g) C(g) ΔH<0。
实验测得容器中c(A)随时间t的变化
曲线如图2所示。下列说法正确的是( )
A.平衡时甲容器中A的转化率为50%
B.反应达到平衡时,两容器中平衡常数:K甲>K乙
C.将乙容器升温可使两容器内各物质的体积分数相同
D.平衡时甲中0.5 mol·L-1答案 D
解析 平衡时乙容器内A的转化率为 ×100%=50%,而甲容器相当于2个乙容器叠加并压缩体积,即增大压强,化学平衡正向移动,A的转化率增大,所以平衡时A的转化率大于50%,A错误;化学平衡常数只随温度的改变而改变,两容器中的反应是在相同温度下达到的化学平衡状态,所以平衡常数K甲=K乙,B错误;该反应为放热反应,将乙容器单独升温,平衡向逆反应方向移动,不可能使乙容器内各物质的体积分数与甲容器内的相同,C错误;A的转化率增大,平衡时A的转化率大于50%,甲容器相当于乙容器中再加入1 mol A和1 mol B,由勒夏特列原理可知c(A)>0.5 mol·L-1,即平衡时甲容器中0.5 mol·L-12.(2021山东德州模拟)某温度时,发生反应2HI(g) H2(g)+I2(g),向三个容积相等的恒容密闭容器A、B、C中,分别加入①2 mol HI,②3 mol HI,③1 mol H2与1 mol I2,分别达到平衡时,以下关系正确的是( )
A.平衡时,各容器的压强:②=①=③
B.平衡时,I2的浓度:②>①>③
C.平衡时,I2的体积分数:②=①=③
D.从反应开始到达平衡的时间:①>②=③
答案 C
解析 根据等效平衡原理,①和③是完全相同的等效平衡,所以二者的浓度、百分含量、压强、转化率等都一样;②与①相比增大了HI的量,该反应为反应前后气体体积不变的反应,增大HI的量,达到平衡时新平衡与原平衡相同,所以各物质的百分含量不变,但是浓度增大。由于是恒容密闭容器,②中初始的量大,所以压强最大,A错误;由于是恒容密闭容器,②中初始的量大,所以②中I2的浓度最大,①和③是完全相同的等效平衡,二者I2的浓度相同,所以平衡时,I2的浓度:②>①=③,B错误;①②③都是等效平衡,所以三者中I2的体积分数相同,C正确;由于②中初始的量大,反应浓度大,反应速率快,所以到达平衡所用时间最短,所以②<③,D错误。
容器 甲 乙 丙
反应物投入量 1 mol N2、3 mol H2 2 mol NH3 4 mol NH3
c1 c2 c3
反应的能量变化 放出a kJ 吸收b kJ 吸收c kJ
体系压强/Pa p1 p2 p3
反应物转化率 α1 α2 α3
3.在温度、容积相同的3个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时的有关数据如表[已知N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1],下列说法正确的是( )
A.2c1>c3 B.α1+α3<1 C.2p292.4
答案 B
解析 投入1 mol N2、3 mol H2,相当于投入2 mol NH3,如果投入4 mol NH3,如果平衡不移动,则2c1=c3,实际上平衡向生成氨的反应方向移动,所以2c1α3,则α1+α3<1,B正确;由B可得,丙相当于乙增大压强,平衡向气体体积减小的方向移动,导致丙中物质的量之和小于乙的二倍,所以其压强存在p3<2p2,C错误;甲、乙是完全相同的等效平衡,则甲放出的热量与乙吸收的热量之和为92.4 kJ·mol-1,即a+b=92.4,D错误。
考向2等温等压条件下的等效平衡
例2.(2021重庆模拟)在一定条件下,向一带活塞的密闭容器中充入2 mol SO2和1 mol O2,发生下列反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),达到平衡后改变下述条件,再次平衡后SO3气体浓度不变的是( )
A.保持温度和容器容积不变,充入1 mol SO3(g)
B.保持温度和容器内压强不变,充入1 mol SO3(g)
C.保持温度和容器内压强不变,充入1 mol O2(g)
D.保持温度和容器内压强不变,充入1 mol Ar(g)
思路指导
答案 B
突破方法
恒温恒压条件下的等效平衡
恒温恒压条件下,无论反应前后体积是否改变,极值等比即等效。
(1)反应前后,气体体积变化的反应
例如: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)
① 2 mol 3 mol 0
② 1 mol 3.5 mol 2 mol
③ a mol b mol c mol
按化学方程式的化学计量数关系均转化为反应物,则①②中 ,故互为等效平衡。
③中a、b、c三者关系满足: ,即与①②平衡等效。
(2)恒温条件下反应前后体积不变的反应
例如: H2(g)+I2(g) 2HI(g)
① 1 mol 1 mol 0
② 2 mol 2 mol 1 mol
③ a mol b mol c mol
①②两种情况下,n(H2)∶n(I2)=1∶1,故互为等效平衡。
③中a、b、c三者关系满足 =1∶1或a∶b=1∶1,c≥0,即与①②平衡等效。
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,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。
针对训练
4.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
答案 B
解析 A项,开始时通入3 mol A和3 mol B,由于容器容积可变,且保持恒压,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,生成C的物质的量为3a mol;B项,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;C项,根据题干所给数据可计算出达到平衡时C的物质的量分数为 ,C项与题干中的加料方式互为等效平衡,C的物质的量分数不变;D项,混合气体的平均相对分子质量不变。
5.(2021山东日照模拟)温度T ℃时,在3个容积相同的恒容密闭容器中发生反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41 kJ·mol-1,其起始时各物质的物质的量及其达到平衡过程体系热量的变化如表所示:
容器 编号 达到平衡过程体系热量的变化(均为正值)
CO H2O(g) CO2 H2 ① 1 4 0 0 32.8 kJ
② 8 2 0 0 Q1
③ 0 0 1 4 Q2
下列说法不正确的是( )
A.容器②中热量变化:Q1=65.6 kJ
B.平衡后容器①②中各组分体积分数相同
C.三个容器达到平衡时,①中的CO、②中的H2O(g)、③中的CO2的转化率相等
D.保持相同条件,向平衡后的容器①中再加入0.1 mol CO和0.4 mol CO2(g),平衡不移动
答案 B
解析 开始加入1 mol CO和4 mol H2O(g)与开始加入4 mol CO和1 mol H2O(g)为等效平衡,放热相等,均为32.8 kJ,反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)是体积不变的反应,压缩气体体积,平衡不移动,所以开始加入4 mol CO和1 mol H2O(g)与开始加入8 mol CO和2 mol H2O(g)也是等效平衡,但开始加入8 mol CO和2 mol H2O(g)为开始加入4 mol CO和1 mol H2O(g)的2倍,放热也为2倍,即Q1=65.6 kJ,A正确;由反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)可知容器①中CO和H2O的变化量相等,若变化量为a mol,则CO、H2O的体积分数分别为 ×100%、 ×100%,不可能相同,同理容器②中CO和H2O的变化量相等,CO、H2O的体积分数也不可能相同,B错误;由反应的ΔH和放出的热量可知,①中平衡时参加反应的CO的物质的量为0.8 mol,则:
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
起始量/mol: 1 4 0 0
变化量/mol: 0.8 0.8 0.8 0.8
平衡量/mol: 0.2 3.2 0.8 0.8
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
起始量/mol: 0 0 1 4
变化量/mol: y y y y
平衡量/mol: y y 1-y 4-y课时规范练23 化学反应速率及影响因素
一、选择题:本题共5小题,每小题只有一个选项符合题目要求。
1.(2021浙江1月选考,19)取50 mL过氧化氢水溶液,在少量I-存在下发生反应:2H2O22H2O+O2↑。在一定温度下,测得O2的放出量,转换成H2O2的浓度(c)如下表:
t/min 0 20 40 60 80
c/(mol·L-1) 0.80 0.40 0.20 0.10 0.050
下列说法不正确的是( )
A.反应20 min时,测得O2体积为224 mL(标准状况)
B.20~40 min,消耗H2O2的平均速率为0.010 mol·L-1·min-1
C.第30 min时的瞬时速率小于第50 min时的瞬时速率
D.H2O2分解酶或MnO2代替I-也可以催化H2O2分解
2.(2021浙江宁波一模)在温度T1和T2时,分别将0.50 mol A和1.2 mol B充入容积为3 L的恒容密闭容器中,发生反应:A(g)+2B(g)2C(g)+D(g),测得n(A)/mol随时间变化数据如下表,下列说法正确的是 ( )
温度 时间/min
0 10 20 40 50
T1 0.50 0.35 0.25 0.10 0.10
T2 0.50 0.30 0.18 …… 0.15
A.温度:T1>T2
B.容器内压强不再发生变化不能作为反应达到平衡状态的标志
C.在温度为T1时,0~10 min用B表示的平均反应速率为0.005 mol·L-1·min-1
D.保持其他条件不变,缩小反应容器容积,逆反应速率增大,正反应速率减小
3.(2021山东临沂二模)一定条件下,在容积为2 L的刚性容器中充入1 mol (g)和2 mol H2,发生反应:(g)+2H2(g)(g) ΔH<0,反应过程中测得容器内压强的变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.升高温度可增大反应速率,提高环戊二烯的平衡转化率
B.0~20 min内,H2的平均反应速率为0.05 mol·L-1·min-1
C.达到平衡时,环戊烷和环戊二烯的体积分数相同
D.该温度下平衡常数Kp=4.0
4.(2022浙江卷)在恒温恒容条件下,发生反应A(s)+2B(g)3X(g),c(B)随时间的变化如图中曲线甲所示。下列说法不正确的是( )
A.从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率
B.从b点切线的斜率可求得该化学反应在反应开始时的瞬时速率
C.在不同时刻都存在关系:2v(B)=3v(X)
D.维持温度、容积、反应物起始的量不变,向反应体系中加入催化剂,c(B)随时间变化关系如图中曲线乙所示
5.(2021山东潍坊模拟)“接触法制硫酸”的主要反应2SO2+O22SO3在催化剂表面的反应历程如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.使用催化剂只能增大正反应速率
B.反应②的活化能比反应①的大
C.该反应的催化剂是V2O4
D.过程中既有V—O的断裂,又有V—O的形成
二、选择题:本题共2小题,每小题有一个或两个选项符合题目要求。
6.氯化钯可以催化乙烯制备乙醛(Wacker法),反应过程如图:
下列叙述错误的是( )
A.CuCl被氧化的反应为2CuCl+2HCl+O22CuCl2+H2O
B.催化剂PdCl2再生的反应为2CuCl2+PdPdCl2+2CuCl
C.制备乙醛的总反应为CH2CH2+O2CH3CHO
D.如果原料为丙烯,则产物是丙醛
7.(2021江苏南京师大附中联考)温度为T1时,在容积为2 L的恒容密闭容器中加入NO和O2发生反应:2NO(g)+O2(g)2NO2(g)(正反应放热)。实验测得:v(正)=v(NO)消耗=2v(O2)消耗=
k(正)c2(NO)·c(O2),v(逆)=v(NO2)消耗=k(逆)c2(NO2),k(正)、k(逆)为速率常数,受温度影响。不同时刻测得容器中n(NO)、n(O2)如表。下列说法正确的是( )
时间/s 0 1 2 3 4 5
n(NO)/mol 0.20 0.10 0.08 0.07 0.06 0.06
n(O2)/mol 0.10 0.05 0.04 0.035 0.03 0.03
A.0~2 s内,该反应的平均速率v(NO)=0.03 mol·L-1·s-1
B.其他条件不变,往原容器中再通入0.20 mol NO和0.10 mol O2,则达平衡时NO2体积分数减小
C.其他条件不变,移走部分NO2,则平衡正向移动,平衡常数增大
D.当温度改变为T2时,若k(正)=k(逆),则T2>T1
三、非选择题:本题共2小题。
8.H2O2能缓慢分解生成水和氧气,但分解速率较慢,加入催化剂会加快分解速率。某化学兴趣小组为研究不同催化剂对H2O2分解反应的催化效果,设计了如图甲、乙、丙所示的三组实验。
(1)定性分析:可以通过观察甲装置的 现象,而定性得出关于Fe3+和Cu2+催化效果的结论。有同学认为该实验不能比较Fe3+和Cu2+的催化效果,理由是 。
(2)定量测定:用乙装置做对照实验,仪器A的名称是 ;实验时组装好装置乙,关闭A的旋塞,将注射器活塞向外拉出一段距离后松开,观察活塞是否回到原来的位置。这一操作的实验目的是 ;实验时以2 min时间为准,需要测量的数据是 。(其他可能影响实验的因素均已忽略)
(3)定量分析:利用丙装置探究MnO2对H2O2分解的催化效果。将
30 mL 5% H2O2溶液一次性加入盛有0.10 mol MnO2粉末的烧瓶中,测得标准状况下由量气管读出气体的体积
[V(量气管)/mL]与时间(t/min)的关系如图所示。图中b点 (填“大于”“小于”或“等于”)90 mL。
9.煤化工是以煤为原料,经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料以及各种化工产品的工业过程。
(1)将不同物质的量的CO(g)和H2O(g)分别通入容积为2 L的恒容密闭容器中,进行反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),得到如下两组数据:
实验组 达到平衡所需时间/min
H2O CO H2 CO
1 650 2 4 1.6 2.4 5
2 900 1 2 0.4 1.6 3
①实验1中以v(CO2)表示的化学反应速率为 。
②该反应的逆反应为 (填“吸”或“放”)热反应。
(2)在一容积为2 L的密闭容器内加入2 mol CO和6 mol H2,在一定条件下发生如下反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0。该反应的逆反应速率与时间关系如图所示:
由图可知反应在t1、t3、t7时都达到了平衡,而在t2、t8时都改变了条件,试判断t8时改变的条件可能是 。
(3)工业上也可采用乙苯()气体催化脱氢法制取H2,同时生成苯乙烯()气体。其他条件不变时,在不同催化剂(n、m、p)作用下,反应进行相同时间后,乙苯的转化率随反应温度的变化如图所示。相同温度下,三种催化剂(n、m、p)的催化活性由高到低的顺序为 ;b点乙苯的转化率高于a点的原因是 。
参考答案
课时规范练23 化学反应速率及影响因素
1.C 解析 反应20min时,过氧化氢的浓度变为0.4mol·L-1,说明分解的过氧化氢的物质的量n(H2O2)=(0.80-0.40)mol·L-1×0.05L=0.02mol,则生成的氧气的物质的量n(O2)=0.01mol,标准状况下的体积V=n·Vm=0.01mol×22.4L·mol-1=0.224L=224mL,A正确;20~40min,消耗过氧化氢的浓度为(0.40-0.20)mol·L-1=0.20mol·L-1,则这段时间内的平均速率v==0.010mol·L-1·min-1,B正确;随着反应的不断进行,过氧化氢的浓度不断减小,某一时刻分解的过氧化氢的量也不断减小,故第30min时的瞬时速率大于第50min时的瞬时速率,C错误;I-在反应中起到催化的作用,故也可以用过氧化氢分解酶或MnO2代替,D正确。
2.B 解析 分析题干表格数据可知,温度T2下A的物质的量减小得更快,即温度T2下反应速率较快,故T13.C 解析 设转化的的物质的量为xmol,可列出三段式:
(g) + 2H2(g) (g)
初始/mol 1 2 0
转化/mol x 2x x
平衡/mol 1-x 2-2x x
相同外界条件下,压强之比等于物质的量之比,,x=0.5。正反应放热,升高温度,平衡逆向移动,环戊二烯的平衡转化率降低,A错误;根据以上分析,0~20min内,H2的平均反应速率为=0.025mol·L-1·min-1,B错误;根据以上分析,达到平衡时,环戊烷和环戊二烯的物质的量都是0.5mol,环戊烷和环戊二烯的体积分数相同,C正确;该温度下平衡常数Kp=,D错误。
4.C 解析 图像中可以得到单位时间内的浓度变化,反应速率是单位时间内物质的浓度变化计算得到,从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率,选项A正确;b点处的切线的斜率是此时刻物质浓度除以此时刻时间,为反应物B的瞬时速率,选项B正确;化学反应速率之比等于化学方程式计量数之比分析,3v(B)=2v(X),选项C错误;维持温度、容积不变,向反应体系中加入催化剂,平衡不移动,反应速率增大,达到新的平衡状态,新平衡状态与原来的平衡状态相同,选项D正确。
5.D 解析 使用催化剂正、逆反应速率都加快,A错误;由题图可知,反应②为快反应,反应①为慢反应,则反应②的活化能比反应①的小,B错误;催化剂在化学反应前后的质量和化学性质都不发生改变,由题图可知V2O5参加化学反应,但反应前后的质量和化学性质都没发生改变,则该反应的催化剂是V2O5,C错误;由图可知反应①中有V—O的断裂,反应②中有V—O的形成,D正确。
6.D 解析 根据图示可知在反应中CuCl被O2氧化产生CuCl2,同时产生H2O,反应的化学方程式为2CuCl+2HCl+O22CuCl2+H2O,A正确;由流程图可知:PbCl2再生的过程有Cu2+、Cl-参加,再生的反应为2CuCl2+PdPdCl2+2CuCl,B正确;PbCl2、CuCl2在反应中起催化作用,总反应为CH2CH2+O2CH3CHO,C正确;如果原料为丙烯,中间产物若为,则得到的产物为丙酮,D错误。
7.AD 解析 根据表格数据可知:在0~2s内,NO的物质的量由0.20mol变为0.08mol,Δn(NO)=0.20mol-0.08mol=0.12mol,则该反应的平均速率v(NO)==0.03mol·L-1·s-1,A正确;其他条件不变,往原容器中再通入0.20molNO和0.10molO2,相当于增大体系的压强,由于该反应的正反应是气体体积减小的反应,增大压强,化学平衡正向移动,所以达平衡时NO2体积分数增大,B错误;化学平衡常数只与温度有关,温度不变,化学平衡常数不变,C错误;由表中数据和化学方程式可知,平衡时c(NO)==0.03mol·L-1,c(O2)=0.015mol·L-1,c(NO2)=0.07mol·L-1,化学平衡常数K=≈363,即k(正)>k(逆)。若k(正)=k(逆),则K减小,化学平衡逆向移动,由于该反应正向放热,则改变条件是升高温度,所以温度T2>T1,D正确。
8.答案 (1)产生气泡的快慢(或反应完成的先后或试管壁的冷热程度等) 实验使用的催化剂的阴离子种类和浓度均不同,其可能影响反应速率 (2)分液漏斗 检查装置的气密性 收集气体的体积 (3)小于
解析 探究催化剂对过氧化氢分解速率的影响,根据实验要求应控制变量,通过分解生成气泡的快慢或单位时间内生成氧气的体积进行催化效果的判断,反应物浓度越高,反应速率越快。
(1)甲中可以通过观察产生气泡的快慢来定性比较Fe3+和Cu2+对H2O2分解的催化效果,但实验使用的催化剂的阴离子种类和浓度均不同,可能影响反应速率。
(2)由装置图可知:仪器A的名称是分液漏斗;反应速率是根据测定相同时间内产生气体的体积来衡量的,为保证测定相同时间内产生气体的体积的准确性,要检查装置的气密性;实验时以2min时间为准,需要测量的数据是收集气体的体积。
(3)随着反应的进行,反应物浓度减小,反应速率减小,3~4min生成10mL气体,那么2~3min生成气体的体积应大于10mL,则b点小于90mL。
9.答案 (1)①0.16 mol·L-1·min-1 ②吸
(2)使用了催化剂
(3)n>m>p a、b点都未达到平衡,b点温度高,速率快,消耗的量多,因此转化率大
解析 (1)①v(CO2)=v(CO)==0.16mol·L-1·min-1。②计算可知,实验1的平衡常数大于实验2的平衡常数,则升高温度,K减小,则正反应为放热反应,逆反应是吸热反应。
(2)该反应前后气体的化学计量数之和不等,t8时逆反应速率增大但平衡不移动,故只能是使用了催化剂的原因。
(3)根据图中信息,相同温度下,三种催化剂(n、m、p)的催化活性由高到低的顺序为n>m>p;根据图中信息,a、b点都未达到平衡,b点温度高,速率快,消耗的量多,因此转化率大。(共98张PPT)
第1讲 化学反应速率及影响因素
第七章
内容索引
01
02
强基础 增分策略
增素能 精准突破
研专项 前沿命题
03
【本章体系构建】
【课程标准】
1.知道化学反应速率的表示方法,了解测定化学反应速率的简单方法。
2.通过实验探究,了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。
3.知道化学反应是有历程的,认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。
4.能进行化学反应速率的简单计算,能通过实验探究分析不同组分浓度改变对化学反应速率的影响,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。
5.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题,能讨论化学反应条件的选择和优化。
强基础 增分策略
一、化学反应速率
1.化学反应速率
指明物质、标清单位
2.化学反应速率与化学计量数的关系
单位相同,速率数值与化学计量数成正比
对于已知反应:mA(g)+nB(g) === pC(g)+qD(g),在同一段时间内,用不同物质来表示该反应速率,当单位相同时,反应速率的数值之比等于这些物质在化学方程式中的 化学计量数 之比。即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)= m∶n∶p∶q 或 。如在一个2 L的容器中发生反应:3A(g)+B(g) === 2C(g),加入2 mol A,1 s后剩余1.4 mol,则
v(A)= 0.3 mol·L-1·s-1 ,v(B)= 0.1 mol·L-1·s-1 ,v(C)= 0.2 mol·L-1·s-1 。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)化学反应速率指一定时间内任何一种反应物浓度的减少或任何一种生成物浓度的增加。( × )
(2)对于任何化学反应来说,反应速率越大,反应现象越明显。( × )
(3)化学反应速率为0.8 mol·L-1·s-1指1 s时某物质的浓度为0.8 mol·L-1。
( × )
(4)由 计算平均速率,用反应物表示时为正值,用生成物表示时为负值。
( × )
(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)根据反应速率的大小可以判断化学反应进行的快慢。( √ )
二、影响化学反应速率的因素
1.影响化学反应速率的因素
(1)内因(主要因素)
内因包括组成、结构、性质等物质自身因素
反应物本身的 性质 是影响化学反应速率的决定因素。如在相同条件下卤素单质与H2反应的速率大小关系为 F2>Cl2>Br2>I2 ;镁、铝、锌、铁与稀硫酸反应的速率大小关系为 Mg>Al>Zn>Fe 。
(2)外因(其他条件不变,只改变一个条件)
(3)化学反应速率的基本图像
图像 图像分析
其他反应条件一定,化学反应速率随反应物浓度的
增大 而增大
其他反应条件一定,化学反应速率随温度的升高而
增大
图像 图像分析
有气体参加的反应,化学反应速率随着压强的增大(容器体积减小)而 增大
有气体参加的反应,化学反应速率随着容器体积的增大(压强减小)而 减小
(T2>T1) 有气体参与的反应,分别在较低温度和较高温度下反应,化学反应速率随着压强的增大及温度的升高而增大
2.化学反应速率的理论解释——有效碰撞理论
(1)基本概念
(2)活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
外界条件的改变,本质上是改变了活化分子的浓度,从而改变反应速率
旁栏边角 选择性必修1第二章第一节
阅读教材“思考与讨论”,回答下列问题。
(1)活化分子间的碰撞一定能发生化学反应吗
提示 不一定,活化分子的碰撞还应具有合理的取向。
(2)用有效碰撞理论解释,在压强不变时,向反应体系中充入稀有气体,反应速率为什么降低
提示 压强不变,充入稀有气体使容器容积增大,活化分子浓度减小,有效碰撞次数减少,反应速率降低。
(3)利用有效碰撞理论解释,升高温度、光辐射、超声波等为什么能够加快反应速率
提示 升高温度、光辐射和超声波等措施,实际上增大了混合物的总能量,使更多的普通分子转化为活化分子,有效碰撞次数增多,反应速率加快。
应用提升 (1)发生有效碰撞的两个条件:①反应物分子必须具有足够的能量(即活化分子);②分子碰撞时要有合适的取向。
(2)浓度因素(浓度和压强)不改变活化分子百分数,改变了活化分子的浓度;能量因素(温度、光辐射、超声波等)改变了活化分子百分数,导致了活化分子浓度改变。
(3)催化剂(尤其是酶)的活性受温度的影响,一般来说,随着温度升高,催化剂活性增强,但温度过高,催化剂活性降低。
增素能 精准突破
考点一
化学反应速率的计算与比较
【能力概述】
【新教材·新高考】
新 教 材 变化 新教材将化学反应速率和影响因素合为一节,删去了“学与问”和“实验2-1”。对化学反应速率的介绍与老教材略有区别,以注释的形式指明“平均反应速率”
新 高 考 高频考点 分析近几年高考化学试题,常在选择题和非选择题中根据图像进行化学反应速率的计算与比较
预测考向 新高考可能会以信息形式引入化学反应速率方程式,还可能出现用分压表示反应速率等新方向
考向1.化学反应速率的计算
典例突破
(2021山东济南模拟)炼铁高炉中发生的主要反应为Fe2O3(s)+3CO(g) 2Fe(s)+3CO2(g)。一定温度下,在2 L的密闭容器中加入200 g Fe2O3粉末和一定量的CO气体模拟炼铁的反应。测得容器内固体的质量随时间的变化如表所示,反应在5~15 min的平均速率v(CO)为( )
A.0.025 mol·L-1·min-1
B.0.05 mol·L-1·min-1
C.0.075 mol·L-1·min-1
D.0.15 mol·L-1·min-1
时间/min 0 5 10 15
固体质量/g 200 170 154 146
答案 C
针对训练
1.(2021辽宁沈阳六校联考)在2 L的恒容容器中,充入1 mol A和3 mol B,并在一定条件下发生反应:A(g)+3B(g) === 2C(g),经3 s后达到平衡,测得C气体的浓度为0.6 mol·L-1,下列说法不正确的是( )
A.用B表示反应速率为0.3 mol·L-1·s-1
B.平衡后,向容器中充入无关气体(如Ne),反应速率增大
C.3 s时生成C的物质的量为1.2 mol
D.平衡后,v正(A)=v逆(A)
答案 B
2.(2021广东佛山检测)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
3.(2022上海宝山二模)一定条件下,在容积为3 L的密闭容器中,一氧化碳与氢气反应生成甲醇:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g),在一定条件下生成甲醇的量如图所示。根据图像,计算在500 ℃时,从反应开始到平衡的氢气的平均反应速率( )
答案 D
解析 由图中信息可知,在500 ℃时,从反应开始到平衡所用时间为tB min,生成的CH3OH的物质的量为nB mol,则根据反应方程式可知,消耗的H2的物质的量为2nB mol,容器的容积为3 L,则该时间段内H2的平均反应速率为
归纳总结
化学反应速率计算常用方法
(1)定义式法:利用公式 计算化学反应速率,也可以利用公式计算物质的量或物质的量浓度变化或时间等。
(2)关系式法:同一反应中,用不同物质表示的化学反应速率之比=物质的量浓度变化量(Δc)之比=物质的量变化量(Δn)之比=化学计量数之比。
(3)利用“三段式法”计算化学反应速率
①写出有关反应的化学方程式。
②找出各物质的起始量、转化量和某时刻量。
③根据已知条件列方程式计算。
考向2.化学反应速率的比较
典例突破
(2021重庆模拟)已知化学反应A(g)+3B(g) 2C(g)+2D(g),下列是不同的情况下测得的不同物质的反应速率,其中表示该化学反应的反应速率最慢的是( )
A.v(A)=0.20 mol·L-1·min-1
B.v(B)=0.45 mol·L-1·s-1
C.v(C)=0.30 mol·L-1·min-1
D.v(D)=0.35 mol·L-1·min-1
答案 C
考题点睛
针对训练
1.(2021广西桂林模拟)一定条件下,下列表示4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)的反应速率中,最快的是( )
A.v(NH3)=0.8 mol·L-1·s-1
B.v(O2)=0.9 mol·L-1·s-1
C.v(NO)=0.6 mol·L-1·s-1
D.v(H2O)=1.0 mol·L-1·s-1
答案 A
2.已知反应4CO+2NO2 N2+4CO2在不同条件下的化学反应速率如下:
①v(CO)=1.5 mol·L-1·min-1
②v(NO2)=0.7 mol·L-1·min-1
③v(N2)=0.4 mol·L-1·min-1
④v(CO2)=1.1 mol·L-1·min-1
⑤v(NO2)=0.01 mol·L-1·s-1
请比较上述5种情况反应的快慢: (按由大到小的顺序)。
答案 ③>①>②>⑤>④
解析 ②v(CO)=2v(NO2)=1.4 mol·L-1·min-1;③v(CO)=4v(N2)=1.6 mol·L-1·min-1;④v(CO)=v(CO2)=1.1 mol·L-1·min-1;⑤v(CO)=2v(NO2)=0.02 mol·L-1·s-1=1.2 mol·L-1·min-1,则由大到小的顺序为③>①>②>⑤>④。
归纳总结
化学反应速率大小的比较方法
(1)定性比较
通过明显的实验现象(如气泡产生快慢、沉淀生成快慢等)来定性比较化学反应速率的大小。
(2)定量比较
同一化学反应中,用不同物质来表示化学反应速率时,数值可能不同,需要进行转化。常用以下两种方法:
考点二
化学反应速率的影响因素
【能力概述】
【新教材·新高考】
新 教 材 变化 删去“科学探究”和实验2-2、2-3、2-4栏目,改为“探究”栏目;新教材引入反应历程(又称反应机理)和基元反应;将活化能由“绪言”部分移到正文;催化剂对反应速率的影响图中出现了“双峰”
新 高 考 高频考点 分析近几年高考试题,主要考查内容有①根据图像考查改变的条件及化学反应速率的计算;②实验探究影响化学反应速率的外界因素;③结合生产实际,选择提高化学反应速率的措施
预测考向 新高考对化学反应速率的影响因素考查侧重有效碰撞理论,可能会引入反应速率方程式,可能从速率常数、浓度等角度分析瞬时反应速率
考向1.影响化学反应速率的因素分析
典例突破
(2021湖北模拟)一定量的铁粉和水蒸气在一个容积可变的密闭容器中进行反应:3Fe(s)+4H2O(g) Fe3O4(s)+4H2(g)。下列条件能使该反应的化学反应速率增大的是( )
A.增加铁粉的质量
B.保持容积不变,充入N2,使体系压强增大
C.将容器的容积缩小一半
D.保持压强不变,充入N2,使容器的容积增大
答案 C
解析 增加固体的量,对反应速率没有影响,故A错误;容积不变,充入氮气使容器压强增大,参加反应气体的浓度不变,则反应速率不变,故B错误;将容器的容积缩小一半,浓度增大,反应速率增大,故C正确;压强不变,充入氮气使容器容积增大,则气体浓度减小,反应速率减小,故D错误。
针对训练 1.下列表格中的各种情况,可以用对应选项中的图像表示的是( )
选项 反应 甲 乙
A 外形、大小相近的金属和水反应 Na K
B 4 mL 0.01 mol·L-1 KMnO4溶液分别和不同浓度的2 mL H2C2O4(草酸)溶液反应 0.1 mol·L-1的 H2C2O4溶液 0.2 mol·L-1的
H2C2O4溶液
C 5 mL 0.1 mol·L-1 Na2S2O3溶液和5 mL 0.1 mol·L-1 H2SO4溶液反应 热水 冷水
D 5 mL 4%的过氧化氢溶液分解放出O2 无MnO2粉末 加MnO2粉末
答案 C
解析 由于K比Na活泼,故大小相同的金属K和Na与水反应,K的反应速率更快,又由于Na、K与H2O反应均为放热反应,随着反应的进行,放出大量的热,反应速率逐渐加快,A项错误;由于起始时乙中H2C2O4浓度大,故其反应速率比甲中快,B项错误;由于甲反应是在热水中进行的,温度高,故甲的反应速率大于乙,随着反应的进行,反应物浓度逐渐减小,故甲、乙中反应速率逐渐减小,C项正确;MnO2在H2O2的分解过程中起催化作用,故乙的反应速率大于甲,D项错误。
2.(2021浙江6月选考,20)一定温度下:在N2O5的四氯化碳溶液(100 mL)中发生分解反应:2N2O5 4NO2+O2。在不同时刻测量放出的O2体积,换算成N2O5浓度如下表:
下列说法正确的是( )
A.600~1 200 s,生成NO2的平均速率为5.0×10-4 mol·L-1·s-1
B.反应2 220 s时,放出的O2体积为11.8 L(标准状况)
C.反应达到平衡时,v正(N2O5)=2v逆(NO2)
D.推测上表中的x为3 930
答案 D
解析 A项,600~1 200 s,N2O5的变化量为(0.96-0.66) mol·L-1=0.3 mol·L-1,在此时间段内NO2的变化量为其2倍,即0.6 mol·L-1,因此,生成NO2的平均速率为 =1.0×10-3 mol·L-1·s-1,A不正确;B项,由表中数据可知,反应2 220 s时,N2O5的变化量为(1.40-0.35) mol·L-1=1.05 mol·L-1,其物质的量的变化量为1.05 mol·L-1×0.1 L=0.105 mol,O2的变化量是其 ,即0.052 5 mol,因此,放出的O2在标准状况下的体积为0.052 5 mol×22.4 L·mol-1=1.176 L,B不正确;
C项,反应达到平衡时,正反应速率等于逆反应速率,用不同物质表示该反应的速率时,其数值之比等于化学计量数之比,2v正(N2O5)=v逆(NO2),C不正确;D项,分析表中数据可知,该反应经过1 110 s(600~1 710,1 710~2 820)后N2O5的浓度会变为原来的 ,因此,N2O5的浓度由0.24 mol·L-1变为0.12 mol·L-1时,可以推测上表中的x为2 820+1 110=3 930,D正确。
考向2.活化能与化学反应机理
典例突破
(双选)(2021湖南卷,14)铁的配合物离子(用[L-Fe-H]+表示)催化某反应的一种反应机理和相对能量的变化情况如图所示:
下列说法错误的是( )
A.该过程的总反应为HCOOH CO2↑+H2↑
B.H+浓度过大或者过小,均导致反应速率降低
C.该催化循环中Fe元素的化合价发生了变化
D.该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定
答案 C D
针对训练
下列有关该反应的说法正确的是( )
A.化学反应速率与Fe3+浓度的大小有关
B.该反应为放热反应
C.Fe2+是该反应的催化剂
D.若不加Fe3+,则正反应的活化能比逆反应的大
答案 AB
解析 铁离子可以看作该反应的催化剂,根据反应的机理可知,化学反应速率与Fe3+浓度的大小有关,故A项正确、C项错误;反应物的总能量高于生成物的总能量,所以该反应为放热反应,故B项正确;此反应为放热反应,不管加不加催化剂,正反应的活化能都低于逆反应的活化能,故D项错误。
2. (双选)(2020山东卷,14)1,3-丁二烯与HBr发生加成反应分两步:第一步H+进攻1,3-丁二烯生成碳正离子( );第二步Br-进攻碳正离子完成1,2-加成或1,4-加成。反应进程中的能量变化如下图所示。已知在0 ℃和40 ℃时,1,2-加成产物与1,4-加成产物的比例分别为70∶30和15∶85。下列说法正确的是( )
A.1,4-加成产物比1,2-加成产物稳定
B.与0 ℃相比,40 ℃时1,3-丁二烯的转化率增大
C.从0 ℃升至40 ℃,1,2-加成正反应速率增大,1,4-加成正反应速率减小
D.从0 ℃升至40 ℃,1,2-加成正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度
答案 AD
解析 从反应进程图上看,1,2-加成产物的能量高于1,4-加成产物的能量,所以 1,4-加成产物稳定,A项正确;由图可以看出该反应为放热反应,温度升高平衡向左移动,反应物的转化率降低,B项错误;C项,升高温度可以增大反应速率,因此1,4-加成反应速率不会减小,C项错误;D项,从0 ℃和40 ℃时1,2-加成产物与1,4-加成产物的比例可以看出,升高温度时,1,2-加成反应明显慢于1,4-加成反应,所以1,2-加成反应的正反应速率增大程度小于其逆反应的增大程度,D项正确。
归纳总结
催化剂和活化能
(1)催化剂
①催化剂的作用原理
在有的反应中催化剂参与化学反应,其作用是降低该反应发生所需要的活化能,可以把一个较难发生的反应变成几个较容易发生的化学反应。
②催化剂的特点和影响因素
a.催化剂具有高度的选择性(或专一性)。一种催化剂并非对所有的化学反应都有催化作用,例如二氧化锰在氯酸钾受热分解中起催化作用,加快化学反应速率,但对其他的化学反应就不一定有催化作用。
b.某些化学反应并非只有唯一的催化剂,例如氯酸钾受热分解中能起催化作用的还有氧化镁、氧化铁和氧化铜等。
c.绝大多数催化剂都有其活性温度范围,温度过高或过低,催化活性都会降低。
(2)活化能
①活化能与ΔH的关系
正、逆反应活化能的差值就是反应的焓变,可表示为ΔH=E(正)-E(逆)。
②活化能与化学反应速率的关系
活化能越大,化学反应速率越小。
(3)催化剂与活化能、ΔH的关系
催化剂能改变反应的活化能,但不能改变反应的ΔH。
考向3.控制变量法探究影响化学反应速率的因素
典例突破
已知:2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4 === 2MnSO4+K2SO4+10CO2↑+8H2O。某化学小组欲探究H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液反应过程中浓度、温度对化学反应速率的影响,进行了如下实验(忽略溶液体积变化):
编号 0.01 mol·L-1 酸性KMnO4 溶液体积/mL 0.1 mol·L-1 H2C2O4溶液 体积/mL 水的体 积/mL 反应温 度/℃ 反应时
间/min
Ⅰ 2 2 0 20 2.1
Ⅱ V1 2 1 20 5.5
Ⅲ V2 2 0 50 0.5
下列说法不正确的是( )
A.V1=1,V2=2
B.设计实验Ⅰ、Ⅲ的目的是探究温度对反应速率的影响
C.实验计时是从溶液混合开始,溶液呈紫红色时结束
D.实验Ⅲ中用酸性KMnO4溶液的浓度变化表示的反应速率v(KMnO4)=0.01 mol·L-1·min-1
答案 C
解析 实验Ⅰ和实验Ⅱ反应温度相同,实验Ⅱ中加入了1 mL水,根据控制变量的原则,溶液总体积应保持不变,因而V1=1,类比分析可得V2=2,A正确;实验Ⅰ、Ⅲ的温度不同,其他条件相同,因而可知设计实验Ⅰ、Ⅲ的目的是探究温度对反应速率的影响,B正确;酸性KMnO4溶液呈紫红色,由表中数据可知,草酸溶液过量,KMnO4可反应完全,因而可用颜色变化来判断反应终点,即实验计时是从溶液混合开始,溶液紫红色刚好褪去时结束,C错误;
考题点睛
针对训练
1.某化学小组为了研究外界条件对化学反应速率的影响,进行了如下实验:
[实验原理] 2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4 ══ K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O
[实验内容及记录]
实验 编号 实验温 度/ ℃ 试管中所加试剂及其用量/mL 溶液褪至
无色所需
时间/min
0.6 mol·L-1 H2C2O4溶液 H2O 3 mol·L-1 H2SO4溶液 0.05 mol·L-1 KMnO4溶液 ① 25 3.0 V1 2.0 3.0 1.5
② 25 2.0 3.0 2.0 3.0 2.7
③ 50 2.0 V2 2.0 3.0 1.0
(1)请完成此实验设计,其中:V1= ,V2= 。
(2)实验①②探究的是 对化学反应速率的影响,根据上表中的实验数据,可以得到的结论是 。
(3)探究温度对化学反应速率的影响,应选择实验 (填实验编号)。
(4)利用实验①中的数据,计算用KMnO4表示的化学反应速率为 。
(5)该小组根据经验绘制了n(Mn2+)随时间变化的趋势如图1所示,但有同学查阅已有实验资料发现,该实验过程中n(Mn2+)随时间变化的实际趋势如图2所示。
该小组同学根据图2所示信息提出了新的假设,并设计实验方案④继续进行实验探究。
①小组同学提出的假设是 。
②若该小组同学提出的假设成立,应观察到 现象。
答案 (1)2.0 3.0 (2)反应物浓度 其他条件不变时,增大(减小)反应物浓度,化学反应速率增大(减小) (3)②③
(4)0.01 mol·L-1·min-1 (5)①Mn2+对该反应有催化作用 ②褪色时间变短
2.(1)某同学设计如下实验方案探究影响锌与稀硫酸反应速率的因素,有关数据如下表所示:
序号 纯锌 粉/g 2.0 mol·L-1硫酸溶液/mL 硫酸铜固体/g 加入蒸馏水/mL
Ⅰ 2.0 50.0 25 0 0
Ⅱ 2.0 40.0 25 0 10.0
Ⅲ 2.0 50.0 25 0.2 0
Ⅳ 2.0 50.0 25 4.0 0
①本实验待测数据可以是 ;实验Ⅰ和实验Ⅱ可以探究 对锌与稀硫酸反应速率的影响。
②实验Ⅲ和实验Ⅳ的目的是 ,写出有关反应的离子方程式: 。
(2)为探究反应物浓度对化学反应速率的影响,设计的实验方案如下表:
实验 序号 体积V/mL K2S2O8溶液 水 KI溶液 Na2S2O3溶液 淀粉溶液
① 10.0 0.0 4.0 4.0 2.0
② 9.0 1.0 4.0 4.0 2.0
③ 8.0 Vx 4.0 4.0 2.0
表中Vx= ,理由是 。
答案 (1)①反应结束所需要的时间(或相同条件下产生等体积的氢气所需要的时间) 硫酸浓度 ②探究硫酸铜固体的质量对反应速率的影响 Zn+Cu2+ === Zn2++Cu,Zn+2H+ === Zn2++H2↑
(2)2.0 保证反应物K2S2O8浓度的改变,而其他物质浓度不变
解析 (1)实验Ⅰ和实验Ⅱ中,锌的质量和状态相同,硫酸的浓度不同,实验Ⅲ和实验Ⅳ中加入硫酸铜,Cu2+的氧化性强于H+,首先发生反应Zn+Cu2+ === Zn2++Cu,生成的铜附着在锌表面,在稀硫酸溶液中构成原电池,加快化学反应速率。但是加入的硫酸铜过多,生成的铜会覆盖在锌表面,阻止锌与稀硫酸进一步反应,产生氢气的速率又会减慢。①本实验待测数据可以是“反应结束所需要的时间”或“相同条件下产生等体积的氢气所需要的时间”;实验Ⅰ和实验Ⅱ可以探究硫酸的浓度对反应速率的影响。②实验Ⅲ和实验Ⅳ加入的硫酸铜的质量不同,可以探究加入硫酸铜固体的质量与反应速率的关系。(2)实验的目的是探究K2S2O8溶液的浓度对化学反应速率的影响,故应保证每组实验中其他物质的浓度相等,即溶液的总体积相等(即为20.0 mL),从而可知Vx=2.0。
归纳总结
控制变量法探究影响反应速率的因素解题策略
研专项 前沿命题
化学反应速率常数及其应用
题型 考查内容 选择题 非选择题 考查知识 基元反应、速率方程式、速率常数的意义及影响因素
核心素养 宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识
考向1速率常数及影响因素
例1.(2020全国Ⅱ卷,28节选)天然气的主要成分为CH4,一般还含有C2H6等烃类,是重要的燃料和化工原料。
高温下,甲烷生成乙烷的反应如下:2CH4 C2H6+H2。反应在初期阶段的速率方程为:r=k×c(CH4) ,其中k为反应速率常数。
(1)设反应开始时的反应速率为r1,甲烷的转化率为α时的反应速率为r2,则r2= r1。
(2)对于处于初期阶段的该反应,下列说法正确的是 (填字母)。
A.增加甲烷浓度,r增大 B.增加H2浓度,r增大
C.乙烷的生成速率逐渐增大 D.降低反应温度,k减小
思路指导
(1)第一步:r=k×c(CH4),说明反应速率(r)与CH4浓度成正比;
第二步:设“1”法确定速率常数(k),反应初始c(CH4)=1 mol·L-1时,初期阶段的速率r1=k;
第三步:当CH4的转化率为α时,c(CH4)=(1-α) mol·L-1,则此时r2=(1-α)r1。
(2)第一步:由r=k×c(CH4)可知,初始阶段反应速率与甲烷的浓度有关;
第二步:CH4的浓度越大,反应速率r越大,A项正确;增加H2浓度,不影响CH4的初始浓度,则r不受影响,B项错误;随着反应的进行,CH4的浓度逐渐减小,则反应速率逐渐减小,C项错误;降低温度,反应速率降低,说明速率常数k减小,D项正确。
答案 (1)(1-α) (2)AD
突破方法
(1)速率常数的含义
速率常数(k)指在给定温度下,反应物浓度皆为1 mol·L-1时的反应速率。在相同的浓度条件下,可用速率常数大小来比较化学反应的反应速率。
化学反应速率与反应物浓度(或浓度的次方)成正比,而速率常数是其比例常数,在恒温条件下,速率常数不随反应物浓度的变化而改变。因此,可以应用速率方程求出该温度下任意浓度时的反应速率。
(2)速率常数的影响因素
温度对化学反应速率的影响是显著的,速率常数是温度的函数,同一反应,温度不同,速率常数将有不同的值,但浓度不影响速率常数。
(3)速率方程
针对训练
1.(2022河北秦皇岛模拟预测)在一恒容密闭容器中充入NO、H2,发生反应: 2NO(g)+2H2(g) N2(g)+2H2O(g)。上述反应的正反应速率方程:v正=k正cα(NO)·cβ(H2)(k正为正反应速率常数,只与温度、催化剂有关)。某温度下,测得正反应速率与物质浓度的关系如下表所示:
实验 c(NO)/(mol·L-1) c(H2)/(mol·L-1) v正
① 0.10 0.10 k
② 0.20 0.10 4k
③ 0.40 0.20 32k
下列说法错误的是( )
A.α=2
B.NO、H2的浓度对正反应速率的影响程度相等
C.升高温度,活化分子百分数增大,k正增大
D.其他条件不变,增大压强,k正不变
答案 B
2.(2021河北卷,13)室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+N === X+Y;②M+N === X+Z,反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图,下列说法错误的是( )
A.0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-8 mol·L-1·min-1
B.反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变
C.如果反应能进行到底,反应结束时62.5%的M转化为Z
D.反应①的活化能比反应②的活化能大
答案 A
解析 由图中数据可知,30 min时,M、Z的浓度分别为0.300 mol·L-1和0.125 mol·L-1,则M的变化量为0.5 mol·L-1-0.300 mol·L-1=0.200 mol·L-1,其中转化为Y的变化量为0.200 mol·L-1-0.125 mol·L-1=0.075 mol·L-1,因此,0~30 min
3.(1)300 ℃时,2NO(g)+Cl2(g) 2ClNO(g)的正反应速率表达式为v(正)=k·cn(ClNO),测得速率和浓度的关系如下表:
序号 c(ClNO)/(mol·L-1) v/(mol·L-1·s-1)
① 0.30 3.60×10-9
② 0.60 1.44×10-8
③ 0.90 3.24×10-8
n= ;k= 。
(2)工业上利用CH4(混有CO和H2)与水蒸气在一定条件下制取H2,原理为CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g),该反应的逆反应速率表达式为v(逆)=k·c(CO)·c3(H2),k为速率常数,在某温度下测得实验数据如表所示:
由上述数据可得该温度下,c2= mol·L-1,该反应的逆反应速率常数
k= L3·mol-3·min-1。
答案 (1)2 4.0×10-8L·mol-1·s-1
(2)0.2 1.0×104
例2.温度为T1时,在三个容积均为1 L的恒容密闭容器中均发生反应:
2NO2(g) 2NO(g)+O2(g) ΔH>0。实验测得:v(正)=v消耗(NO2)=k(正)·c2(NO2),v(逆)=v消耗(NO)=2v消耗(O2)=k(逆)·c2(NO)·c(O2),k(正)、k(逆)为速率常数,受温度影响。下列说法正确的是( )
容器 编号
c(NO2) c(NO) c(O2) c(O2)
Ⅰ 0.6 0 0 0.2
Ⅱ 0.3 0.5 0.2
Ⅲ 0 0.5 0.35
A.设K为该反应的化学平衡常数,则有K=
B.容器Ⅱ中起始反应正向进行
C.达到平衡时,容器Ⅲ中NO的体积分数大于50%
D.当温度改变为T2时,若T2>T1,则 >1.25
思路指导
第一步:
明确反应特点——该反应是吸热反应。
第二步:分析。
速率常数与平衡常数的关系及应用
速率常数与平衡常数的关系及应用
答案 B
突破方法
速率常数与化学平衡常数之间的关系
针对训练
4.顺-1,2-二甲基环丙烷和反-1,2-二甲基环丙烷可发生如下转化:
该反应的速率方程可表示为:v(正)=k(正)·c(顺式)和v(逆)=k(逆)·c(反式), k(正)和k(逆)在一定温度时为常数,分别称作正、逆反应速率常数。回答下列问题:
(1)已知:T1温度下,k(正)=0.006 s-1,k(逆)=0.002 s-1,该温度下反应的平衡常数值K1= ;该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆),则ΔH (填“小于” “等于”或“大于”)0。
(2)T2温度下,图中能表示顺式异构体的质量分数随时间变化的曲线是
(填曲线编号);平衡常数值K2= ;温度T2 (填“小于”“等于”或“大于”)T1,判断理由是 。
(2)反应开始时,c(顺)的浓度大,反应速率大,ω(顺)的变化也大,故B曲线符合题意;设顺式异构体的起始浓度为x,该可逆反应左右物质的化学计量数相等,均为1,则平衡时,顺式异构体的浓度为0.3x,反式异构体的浓度为0.7x,所以平衡常数值 ;因为K1>K2,放热反应升高温度时平衡向逆反应方向移动,所以温度T2大于T1。
①第一步反应 (填“放出”或“吸收”)能量。
②只需一步完成的反应称为基元反应,基元反应如aA+dD === gG+hH的速率方程,v=k·ca(A)·cd(D),k为常数;非基元反应由多个基元反应组成,非基元反应的速率方程可由反应机理推定。H2(g)与I2(g)反应生成HI(g)的速率方程为v= (用含k1、k-1、k2…的代数式表示)。
(2)(2021四川攀枝花模拟)将氨氧化法制硝酸过程中氨经催化氧化后的气体(高于800 ℃)急剧冷却到100 ℃以下,一方面除去大量的H2O,使NO(g)和O2(g)发生反应,另一方面温度低有利于生成NO2(g)。课时规范练24 化学平衡及其移动
一、选择题:本题共6小题,每小题只有一个选项符合题目要求。
1.(2022北京高三合格考)一定条件下,在恒容密闭容器中发生反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)。当SO2、O2、SO3的浓度不再变化时,下列说法正确的是( )
A.SO2和O2全部转化为SO3
B.该反应已达到化学平衡
C.正、逆反应速率相等且等于零
D.SO2、O2、SO3的物质的量之比一定为2∶1∶2
2.(2022辽宁辽阳二模)乙酸作为化工原料可以制备氢气,其热裂解反应为CH3COOH(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH1>0,在恒容密闭容器中充入1 mol乙酸蒸气,在一定条件下仅发生上述反应。下列推断正确的是 ( )
A.该反应在任何温度下都能自发进行
B.其他条件不变,平衡后再通入2 mol CO(g)和2 mol H2(g),平衡逆向移动
C.其他条件不变,平衡后再通入一定量的“惰性气体”,平衡逆向移动
D.其他条件不变,起始充入的CH3COOH(g)越多,CH3COOH(g)的平衡转化率越大
3.(2022浙江丽水高三联考)在容积为2 L的恒容绝热密闭容器中投入1 mol A和1 mol B,发生反应A(s)+B(g)C(g) ΔH<0,2 min后达到平衡,此时容器内有0.3 mol C。下列说法不正确的是( )
A.若容器内混合气体压强不变,则反应达到平衡状态
B.单位时间内n(B)消耗=n(C)生成时,则反应达到平衡状态
C.若开始时在该容器中投入1 mol A和2 mol B,则平衡时B的转化率小于30%
D.若将容器的容积压缩到原来的一半,正逆反应速率都增大
4.(2021北京人大附中三模)一定温度下,在容积恒为1 L的容器中通入一定量N2O4,发生反应N2O4(g)2NO2(g) ΔH>0,各组分浓度随时间(t)的变化如表。
t/s 0 10 20 30 40
0.100 0.062 0.048 0.040 0.040
0 0.076 0.104 0.120 0.120
下列说法不正确的是( )
A.0~30 s,N2O4的平均反应速率为v=0.12 mol·L-1·min-1
B.降低温度,反应的化学平衡常数值减小
C.40 s时,再充入0.04 mol N2O4、0.12 mol NO2,平衡不移动
D.增大容积使平衡正移,达新平衡后混合气颜色比原平衡时浅
5.(2022海南卷)某温度下,反应CH2CH2(g)+H2O(g)CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡,下列说法正确的是( )
A.增大压强,v正>v逆,平衡常数增大
B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大
C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动
D.恒容下,充入一定量的CH2CH2(g),CH2CH2(g)的平衡转化率增大
6.(2021辽宁丹东二模)利用CH4消除NO2污染,反应原理为CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)。在10 L密闭容器中,分别加入0.50 mol CH4和1.20 mol NO2,测得不同温度下,n(CH4)(单位:mol)随时间变化的有关实验数据如表所示,下列说法正确的是( )
组别 温度/K 时间/min
0 10 20 40 50
① T1 0.50 0.35 0.25 0.10 0.10
② T2 0.50 0.30 0.18 M 0.15
A.该反应在高温下才能自发进行
B.T2温度下,若容器内的密度不变则该反应处于平衡状态
C.可以利用40 min时的数据,计算T2温度下的平衡常数K
D.高温下CH4消除NO2速率较快,所以温度越高越有利于消除NO2
二、选择题:本题共2小题,每小题有一个或两个选项符合题目要求。
7.(2021湖南永州三模)工业生产排放的烟气中同时存在SO2、NOx和CO,利用它们的相互作用可将SO2、NOx还原成无害物质,一定条件下得到以下实验结果。图1为298 K各气体分压与CO的物质的量分数的关系,图2为CO的物质的量分数为2.0%时,各气体分压与温度的关系。
下列说法错误的是( )
A.不同温度下脱硝的产物为N2,脱硫的产物可能有多种
B.温度越高脱硫脱硝的效果越好
C.NOx比SO2更易被CO还原
D.体系中可能发生反应:2COSS2+2CO、4CO2+S24CO+2SO2
8.在容积相同的密闭容器中分别加入一定量的催化剂、1 mol C2H5OH(g)和不同量的H2O(g),发生反应C2H5OH(g)+3H2O(g)2CO2(g)+6H2(g) ΔH,测得相同时间内不同水醇比下乙醇转化率随温度变化的关系如图所示。
已知:①水醇比为2∶1时,各点均已达到平衡状态,②不同的水醇比会影响催化剂的催化效果。
下列说法正确的是( )
A.ΔH>0
B.该时间段内用乙醇浓度变化表示的平均化学反应速率:v(A)C.C、E两点对应的化学平衡常数相同
D.A、B、C三点中C点的催化剂催化效果最低
三、非选择题:本题共2小题。
9.控制CO2的排放是防止温室效应等不良气候现象产生的有效途径。
(1)高炉炼铁会排放大量的CO2和烟尘,必须进行严格的控制。
已知:①3CO(g)+Fe2O3(s)2Fe(s)+3CO2(g) ΔH=a kJ·mol-1
②3C(石墨,s)+Fe2O3(s)2Fe(s)+3CO(g) ΔH=+489.0 kJ·mol-1
③C(石墨,s)+CO2(g)2CO(g) ΔH=+172.5 kJ·mol-1
则a= ;若在恒温恒容密闭容器中发生反应①,当达到平衡后,充入CO2,则达到新平衡后CO的体积分数 (填“增大”“减小”或“不变”,下同),其转化率 。
(2)炼铁时需要用石灰石除去铁矿石中的脉石,该过程中涉及反应:CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g) ΔH>0。若在恒温恒容的密闭容器中进行上述反应达到平衡状态,在t1时刻向平衡体系中充入1 mol CO2,t2时刻反应重新达到平衡,画出t1时刻后的正逆反应速率随时间变化的图像。
10.(2021山东淄博三模)CH4-CO2催化重整对温室气体的减排具有重要意义,其反应为CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)。回答下列问题:
(1)已知相关物质的燃烧热(25 ℃、101 kPa):
物质 CH4(g) CO(g) H2(g)
-890.3 -283.0 -285.8
则CH4-CO2催化重整反应的ΔH= kJ·mol-1。
(2)将原料按初始组成n(CH4)∶n(CO2)=1∶1充入密闭容器中,保持体系压强为100 kPa发生反应,达到平衡时CO2体积分数与温度的关系如图所示。
①T1℃、100 kPa下,n(平衡时气体)∶n(初始气体)= ;该温度下,此反应的平衡常数Kp= (以分压表示,列出计算式)。
②若A、B、C三点表示不同温度和压强下已达平衡时CO2的体积分数, 点对应的平衡常数最小,理由是 ; 点对应的总压强最大,理由是 。
(3)900 ℃下,将CH4和CO2的混合气体(投料比1∶1)按一定流速通过盛有炭催化剂的反应器,测得CH4的转化率受炭催化剂颗粒大小的影响如图所示。(注:目数越大,表示炭催化剂颗粒越小)
由图可知,75 min后CH4转化率与炭催化剂目数的关系为 ,原因是 。
参考答案
课时规范练24 化学平衡及其移动
1.B 解析 该反应为可逆反应,反应物不可能完全转化,所以SO2和O2不可能全部转化为SO3,A项错误;当SO2、O2、SO3的浓度不再变化时,说明该反应已达化学平衡状态,B项正确;反应达化学平衡状态时,正、逆反应速率相等但不等于零,C项错误;未知起始加入量,SO2、O2、SO3的物质的量之比不一定为2∶1∶2,D项错误。
2.B 解析 该反应的ΔH>0,ΔS>0,按ΔH-T·ΔS<0,所以该反应较高温度下是自发反应,A项不正确;其他条件不变,平衡后再通入2molCO(g)和2molH2(g),相当于加压,平衡逆向移动,B项正确;其他条件不变,平衡后再通入一定量的“惰性气体”,反应相关气体浓度不变,反应速率不变,平衡不移动,C项不正确;其他条件不变,起始充入的CH3COOH(g)越多,相当于加压,平衡逆向移动,CH3COOH(g)的平衡转化率越小,D项不正确。
3.B 解析 恒容绝热,反应前后气体的物质的量不变,温度升高,则压强增大,当压强不变(即温度不变)时,该反应处于平衡状态,故A项正确;n(B)消耗与n(C)生成均为向正反应方向进行,所以不能用于判断该反应是否处于平衡状态,故B项错误;根据勒夏特列原理可知,若开始时在该容器中投入1molA和2molB,增大B的浓度平衡虽然正向移动,但不能完全抵消,所以新平衡时B的转化率小于旧平衡时的转化率30%,故C项正确;若将容器的容积压缩到原来的一半,则反应物和生成物浓度均增加,所以正逆反应速率均增大,故D项正确。
4.C 解析 由表中数据可知,0~30s,N2O4的浓度由0.100mol·L-1变为0.040mol·L-1,则N2O4的平均反应速率为v==0.002mol·L-1·s-1=0.12mol·L-1·min-1,A正确;该反应ΔH>0,降低温度,平衡逆向移动,反应的化学平衡常数值减小,B正确;40s时,反应已达平衡,根据表中数据,平衡常数K==0.36,40s时,再充入0.04molN2O4、0.12molNO2后,c(NO2)=0.240mol·L-1,c(N2O4)=0.080mol·L-1,此时浓度商Q==0.720>K,则平衡会逆向移动,C错误;增大容积使平衡正移,由勒夏特列原理知,混合气体颜色先变浅后变深,但最终颜色比原平衡时浅,D正确。
5.C 解析 该反应是一个气体分子数减少的反应,增大压强可以加快化学反应速率,正反应速率增大的幅度大于逆反应的,故v正>v逆,平衡向正反应方向移动,但是因为温度不变,故平衡常数不变,A项不正确;催化剂不影响化学平衡状态,因此加入催化剂不影响平衡时CH3CH2OH(g)的浓度,B项不正确;恒容下,充入一定量的H2O(g),H2O(g)的浓度增大,平衡向正反应方向移动,C项正确;恒容下,充入一定量的CH2CH2(g),平衡向正反应方向移动,但是CH2CH2(g)的平衡转化率减小,D项不正确。
6.C 解析 根据表格可知,相同条件下,T2时CH4的减小速率大于T1,所以T2高于T1,到达平衡的时间更短,但是到达平衡时T2对应的CH4含量更高,说明高温不利于CH4的转化,即CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)为放热反应,ΔH<0。该反应为气体分子总数增大的反应,则ΔS>0,又因为ΔH<0,根据ΔH-TΔS<0反应才能自发可知该反应在任何温度下均能自发进行,A错误;ρ=,该反应过程中气体总质量和气体总体积均不变,所以气体的密度无论是否到达平衡均不变,B错误;根据表格可知40min后T1组CH4含量不变,说明处于平衡状态,根据分析可知T2会更快的到达平衡,即40min时T2组实验一定处于平衡状态,则对应的数据可以算出此时的平衡常数K,C正确;该反应是放热反应,温度越高越不利于该反应正向进行,从而导致NO2转化率越低,D错误。
7.B 解析 根据图2可知,不同温度下脱硝的产物为N2,脱硫的产物可能有S2、COS等多种物质,A正确;根据图2可知,1200~1400K,随温度升高,SO2含量升高,B错误;由图示可知,NOx比SO2更易被CO还原,C正确;由图示可知,500~1000K时COS含量降低,S2、CO含量升高,体系中可能发生反应:2COSS2+2CO;温度大于1000K时CO2、S2含量降低,CO、SO2含量升高,体系中可能发生反应:4CO2+S24CO+2SO2,D正确。
8.AD 解析 水醇比为2∶1时,各点均已达到平衡状态,则温度升高,乙醇转化率上升,所以该反应为吸热反应,ΔH>0,A正确;A点水醇比为4∶1,E点水醇比为2∶1,A点乙醇浓度更大,但是E点温度更高,从而导致v(A)和v(E)大小不可判断,B错误;C、E两点温度不同,对应的化学平衡常数不相同,C错误;A、B、C三点温度相同,C点水醇比最大,若其他条件相同时,C点乙醇转化率应为最大,但是根据图中信息可知C点乙醇转化率最低,所以C点的催化剂催化效果最低,D正确。
9.答案 (1)-28.5 不变 减小
(2)
解析 (1)根据盖斯定律,可知①式为②式-3×③式的结果,整理可得:akJ·mol-1=489.0kJ·mol-1-3×172.5kJ·mol-1=-28.5kJ·mol-1;对于反应①,在恒温恒容密闭容器中,平衡后充入CO2,化学平衡逆向移动,CO的转化率减小;由于化学平衡常数K=,K只与温度有关,温度不变,化学平衡常数不变,该反应前后气体体积相等,故平衡后体系中各组分的体积分数保持不变。
(2)对于反应CaCO3CaO(s)+CO2(g),在恒温恒容下反应达到平衡状态,在t1时刻向平衡体系中充入1molCO2,化学平衡逆向移动,但反应物为固体,正反应速率不变,因此逆反应速率突然增大后又随着CO2浓度的降低而减小直至不变。用图像表示为
。
10.答案 (1)+247.3 (2)①5∶4 ②A 该反应为吸热反应,温度越低,平衡常数越小 C 该反应为气体分子数增大的反应,增大压强,CO2的体积分数增大,A、B、C三点中只有C点CO2的体积分数大于相同温度下、100 kPa平衡时的CO2的体积分数,则C点压强最大
(3)目数越大,CH4转化率越大 目数越大,催化剂的颗粒越小,表面积越大,原料气与催化剂的接触更加充分
解析 (1)根据各物质的燃烧热可得:①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3kJ·mol-1;
②CO(g)+O2(g)CO2(g) ΔH=
-283.0kJ·mol-1;
③H2(g)+O2(g)H2O(l) ΔH=
-285.8kJ·mol-1;
根据盖斯定律①-2×(②+③)可得CH4-CO2催化重整反应的ΔH=-890.3kJ·mol-1-2×(-283.0kJ·mol-1-285.8kJ·mol-1)=+247.3kJ·mol-1。
(2)①初始组成n(CH4)∶n(CO2)=1∶1,设n(CH4)=n(CO2)=1mol,设T1℃、100kPa下,平衡时Δn(CH4)=xmol,列三段式有
CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)
起始/mol 1 1 0 0
转化/mol x x 2x 2x
平衡/mol 1-x 1-x 2x 2x
据图可知平衡时CO2的体积分数为30%,所以有=30%,解得x=0.25,所以平衡时气体总物质的量为2.5mol,n(平衡时气体)∶n(初始气体)=2.5mol∶2mol=5∶4;平衡时p(CH4)=p(CO2)=100kPa×=30kPa,p(CO)=p(H2)=100kPa×=20kPa,所以Kp=。
②该反应的焓变大于0,为吸热反应,温度越低,平衡常数越小,所以A点对应的平衡常数最小;该反应为气体体积增大的反应,相同温度下,增大压强平衡逆向移动,CO2的体积分数增大,A、B两点CO2的体积分数均小于相同温度下、压强为100kPa平衡时CO2的体积分数,说明总压强小于100kPa,而C点大于100kPa平衡时CO2的体积分数,说明总压强大于100kPa,所以C点压强最大。
(3)据题图可知,75min后催化剂目数越大,CH4转化率越大,因为催化剂目数越大,颗粒越小,表面积越大,原料气与催化剂的接触更加充分,反应更完全。(共146张PPT)
第3讲 化学平衡常数 化学反应的方向与调控
第七章
内容索引
01
02
强基础 增分策略
增素能 精准突破
研专项 前沿命题
03
【课程标准】
1.认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量,知道化学平衡常数的含义。
2.能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算,能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。
3.知道化学反应是有方向的,知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。
4.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。
5.针对典型的案例,能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
强基础 增分策略
一、化学平衡常数
1.表达式 固体或液体纯净物浓度不变,不能写入平衡常数表达式
对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),在一定温度下达到平衡时:平衡常数 (固体和纯液体的浓度视为常数)。
2.意义及影响因素
平衡常数大小只能说明反应趋势,不能说明反应进行的快慢
意义 K值越大 正反应进行的程度越 大
反应物的转化率越 大
K >105 时,反应可接近完全
影响 因素 内因 反应物本身的性质
外因 温度升高 ΔH<0,K值 减小
ΔH>0,K值 增大
3.应用
(1)利用化学平衡常数,判断反应是否达到平衡或非平衡状态时向何方向进行。
对于化学反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商
Q v(逆)。
Q=K,反应处于 平衡 状态,v(正) = v(逆)。
Q>K,反应向 逆 反应方向进行,v(正) < v(逆)。
(2)利用K可判断反应的热效应
温度变化导致K变化,平衡发生移动;其他条件改变,K不变
(3)计算转化率:利用平衡常数计算转化率的主要途径是利用温度不变时,平衡常数不变列方程求解。
(4)计算相关反应的平衡常数。若只是反应方向改变,则平衡常数变为其倒数;若只是方程式中各物质的化学计量数等倍扩大(变为原来n倍)或缩小程度相同(变为原来的 ),则相应的平衡常数也会变为原来的n次幂或 次幂。
旁栏边角 选择性必修1第二章第二节
阅读教材表2-1,回答下列问题。
(1)反应物(H2、I2)或生成物(HI)不同浓度开始反应,达到平衡时各物质的浓度是否相等
提示 不同浓度开始的反应,达到平衡时各物质的浓度不同。
(2)反应物(H2、I2)或生成物(HI)不同浓度开始反应,达到平衡时平衡常数是否相等
提示 平衡常数相等或接近。
(3)该表中反应的平衡常数相等,说明什么问题
提示 在一定温度下,化学平衡常数不受浓度的影响。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)平衡常数发生变化,化学平衡必定发生移动。( √ )
(2)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。( √ )
(3)其他条件不变,使用不同催化剂,反应的平衡常数不变。( √ )
(4)对某一可逆反应,升高温度则化学平衡常数一定变大。( × )
(5)改变条件,使反应物的平衡转化率都增大,该可逆反应的平衡常数一定增大。( × )
(6)反应A(g)+3B(g) 2C(g)达平衡后,温度不变,增大压强,平衡正向移动,平衡常数K增大。( × )
应用提升 (1)计算平衡常数时代入的必须是各物质的平衡浓度(对于反应前后气体总体积不变的反应,也可以用各物质平衡时的物质的量)。
(2)平衡常数只受温度影响,但是平衡常数的大小,还与方程式的书写形式有关。
二、化学反应速率和化学平衡图像
1.转化率(或百分含量)—时间—温度(或压强)图像
先拐先平,条件强
已知不同温度或压强下,反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线,可推断温度的高低、反应的热效应、压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系等。下面以反应aA(g)+bB(g) cC(g)中反应物的转化率(αA)为例说明。
①图甲中,T2>T1,升高温度,αA降低,平衡逆向移动,则正反应为 放热 反应。
②图乙中,p1>p2,增大压强,αA升高,平衡正向移动,则正反应为
气体体积减小 的反应。
③图丙中,a表示使用了 催化剂 或 增大压强 (反应前后气体分子数相等的可逆反应)。
注意:若纵坐标表示A的百分含量,则甲中正反应为吸热反应,乙中正反应为气体体积增大的反应。
2.恒温线(或恒压线)图像 控制变量,讨论条件对化学平衡的影响
已知不同温度下的转化率—压强图像或不同压强下的转化率—温度图像,推断反应的热效应或反应前后气体物质间化学计量数的关系。以反应A(g)+B(g) C(g)中反应物A的转化率(αA)为例说明。
解答这类图像题时应注意以下两点:
(1)“定一议一”原则:可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应方程式中反应物与生成物气体物质间的化学计量数的大小关系。如图甲中任取一条温度曲线研究可知,压强增大,αA增大,平衡向正反应方向移动,正反应为气体体积减小的反应;乙中任取横坐标一点作横坐标的垂直线,也能得出相应的结论。
(2)通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应的热效应。如在甲图中作横坐标的垂直线可看出,温度越高,αA越小,则平衡向逆反应方向移动,正反应为放热反应;乙中任取一条压强曲线,也能分析出正反应为放热反应。
3.几种特殊图像
(1)同一时间段内,不同温度(或压强)图像
图像中的极值点未必是平衡点,但极值点之后为平衡移动趋势图
对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),下图中M点前,表示化学反应从反应物开始,则v(正)>v(逆);M点为刚达到的平衡点。M点后为平衡受温度的影响情况,即升温时A%增大(C%减小),平衡逆向移动,ΔH < 0。
(2)平衡图外点的意义 对横坐标作垂线,交点为平衡移动的方向
对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),下图中L曲线上所有的点都是 平衡点 。
左上方E点时A%大于此压强时平衡体系中的A%,E点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态,所以,E点v(正) > v(逆);同理,右下方F点v(正) < v(逆)。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)图①表示p2>p1,正反应为气体体积增大的反应。( √ )
(2)图②表示随温度升高,吸热反应的平衡常数变化。( × )
(3)若图③中p2>p1,则对应可逆反应的正反应为吸热、气体体积减小的反应。( × )
三、化学反应的方向 化学反应的调控
1.自发反应 自发反应,并不一定会发生,也不一定速率很快
(1)含义:在温度和压强一定的条件下 无需借助外力 就能自发进行的反应称为自发反应。
(2)特点
①体系趋向于从 高能 状态转变为 低能 状态(体系对外部 做功 或 释放 热量)。
②在密闭条件下,体系有从 有序 转变为 无序 的倾向性(无序体系更加稳定)。
2.判断化学反应方向的依据
3.合成氨反应条件的原理分析
(1)反应原理:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ·mol-1。
(2)反应特点
反应为 可逆 反应;正反应是气体体积 减小 的反应;ΔH < 0。
(3)影响因素
①增大合成氨反应速率的措施: 升高 温度、 增大 压强、 增大 反应物浓度、 使用催化剂 等。
②提高平衡混合气体中氨含量的措施: 降低 温度、 增大 压强、 增大 反应物浓度等。
4.实际合成氨工业中选择的生产条件
(1)压强:工业上合成氨一般采用的压强为 10~30 MPa 。
(2)温度:一般采用的温度为 400~500 ℃ 。
(3)催化剂:工业上合成氨普遍使用的是以 铁 为主体的多成分催化剂,又称 铁触媒 。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)凡是放热反应都是自发的,吸热反应都是非自发的。( × )
(2)某吸热反应能自发进行,则该反应是熵增反应。( √ )
(3)通过判断过程的自发性能够确定过程是否一定发生和确定过程发生的速率。( × )
(4)ΔH<0,ΔS>0的反应,一定是自发反应。( √ )
(5)吸热且熵增加的反应,当温度升高时,反应一定能自发进行。( × )
(6)反应的自发性不仅能够用于判断过程的方向,还能确定过程是否一定能发生。( × )
(7)合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。( √ )
(8)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。( × )
应用提升 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化学计量数的大小。
增素能 精准突破
考点一
化学平衡常数
【能力概述】
【新教材·新高考】
新 教 材 变化 新教材在化学平衡概念之后介绍了化学平衡常数,从而达到定量评价化学平衡的目的,且提供了一组数据,从而得出温度不变,反应起始方向和浓度等不影响化学平衡常数的结论
新 高 考 高频考点 新高考在传统的数据分析、图像分析的考查方式之外,从压强平衡常数、物质的量分数平衡常数等角度也进行了考查
预测考向 预计将来压强平衡常数和物质的量分数平衡常数将成为常态化考查形式
考向1.化学平衡常数应用及其影响因素
典例突破
已知反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)的平衡常数K与温度的关系如下表:
温度/℃ 400 500 830
平衡常数K 10 9 1
(1)该反应的ΔH (填“>”“=”或“<”)0。
(2)500 ℃时,若CO和H2O的起始浓度均为0.060 mol·L-1,则在该条件下,CO的平衡转化率为 。
(3)在1 000 ℃时,平衡常数K=0.5,当CO、H2O(g)、CO2、H2的物质的量浓度相等时,该反应 (填“达到平衡状态”“正向进行”或“逆向进行”)。
CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
答案 (1)< (2)75% (3)逆向进行
解析 (1)由表格中数据可知,温度越高,平衡常数K越小,说明温度升高,反应逆向进行,正反应为放热反应,ΔH<0。
(2)500 ℃时,K=9。假设平衡时,CO的转化浓度为x mol·L-1,则有
针对训练
(2022上海二模)有研究认为,强碱性环境下反应:I-+ClO- IO-+Cl-可能分如下三步进行:
第一步:ClO-+H2O HClO+OH- K1=3.3×10-10
第二步:…… K2=……
第三步:HIO+OH- IO-+H2O K3=2.3×103
下列说法正确的是( )
A.第二步反应的平衡常数表达式为
B.由K值大小可以判断第三步反应比第一步快
C.升高温度会使K1变小、K3变大
D.OH-是该反应的催化剂
答案 A
解析 总反应式减去第一步和第三步反应即可得第二步反应式为
HClO+I- HIO+Cl-,平衡常数表达式为 ,故A项正确;平衡常数只能体现反应进行的程度,无法判断反应的速率快慢,即由K不能确定反应第三步比第一步快,故B项错误;温度升高对于吸热反应平衡正向移动,K值增大,未知第一步和第三步的反应热,则升高温度不确定K1、K3变化,故C项错误;OH-参与该反应的进行,是中间产物,故D项错误。
归纳总结
1.两方程式相加得到新的化学方程式,其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积;两方程式相减得到的新化学方程式,其化学平衡常数是两个平衡常数之比。
2.升高温度,平衡常数增大,该反应为吸热反应,平衡常数减小则反应为放热反应。
降低温度,平衡常数增大,该反应为放热反应,平衡常数减小则反应为吸热反应。
3.Q>K,平衡向逆反应方向移动。
Q=K,平衡不移动。
Q考向2.化学平衡常数、转化率的有关计算
典例突破
甲醇是重要的化工原料,利用煤化工中生产的CO和H2可制取甲醇,发生的反应为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH=-99 kJ·mol-1。在某温度时,将1.0 mol CO与2.0 mol H2充入2 L的空钢瓶中,发生上述反应,在第5 min时达到化学平衡状态,此时甲醇的物质的量分数为10%。甲醇浓度的变化状况如图所示。
(1)从反应开始到5 min时,生成甲醇的平均速率为
。
(2)5 min时达到平衡,H2的平衡转化率α= %;化学平衡常数K= 。
(3)1 min时的v正(CH3OH) (填“>”“<”或“=”)4 min时的v逆(CH3OH)。
(4)若将钢瓶换成同容积的绝热钢瓶,重复上述实验,平衡时甲醇的物质的量分数 (填“>”“<”或“=”)10%。
答案 (1)0.025 mol·L-1·min-1
(2)25 0.59
(3)> (4)<
解析 设达到平衡时CH3OH的浓度为x mol·L-1,则
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
起始/(mol·L-1) 0.5 1 0
变化/(mol·L-1) x 2x x
平衡/(mol·L-1) 0.5-x 1-2x x
(3)在反应达到平衡前,任意点的正反应速率均大于任意点的逆反应速率,反应物浓度越大,反应速率越快,则1 min时的v正(CH3OH)>4 min时的v正(CH3OH)>4 min时的v逆(CH3OH)。
(4)若将钢瓶换成同容积的绝热钢瓶,重复题述实验,则反应放出的热量不能散发,会使体系温度上升,平衡逆向移动,甲醇物质的量分数将减小,所以小于10%。
考题点睛
针对训练
1.(2021安徽巢湖模拟)某温度下,在一个2 L的密闭容器中,加入4 mol A和2 mol B,发生反应3A(g)+2B(g) 4C(s)+2D(g),反应一段时间后达到平衡状态,测得生成1.6 mol C。下列说法正确的是( )
A.该反应的平衡常数表达式为
B.B的平衡转化率是40%
C.增大压强,化学平衡常数增大
D.增加B的量,B的平衡转化率增大
答案 B
解析 化学平衡常数的表达式中不能出现固体或纯液体,而物质C是固体,A项错误;根据化学方程式可知,平衡时B减少的物质的量=1.6 mol×0.5=0.8 mol,B的平衡转化率为40%,B项正确;化学平衡常数只与温度有关,增大压强化学平衡常数不变,C项错误;增加B的量,平衡向正反应方向移动,由勒夏特列原理可知,A的转化率增大,而B的转化率减小,D项错误。
2.(2021河北秦皇岛二模)500 K时,在三个容积均为2 L的恒容密闭容器中,发生反应:A(g)+2B(g) 2C(g) ΔH<0。实验测得:v(正)=k(正)c(A)·c2(B), v(逆)=k(逆)·c2(C), 其中k(正)、k(逆)为速率常数,受温度影响。下列说法正确的是( )
容器 编号 起始物质的量/mol 平衡时A的物质的量/mol
A B C Ⅰ 0 0 1.2 0.4
Ⅱ 0.4 1.0 0.6
Ⅲ 0.7 1.0 0
A.达平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为4∶5
B.达平衡时,容器Ⅲ中B的体积分数小于50%
C.达平衡时,容器Ⅱ中 比容器Ⅰ中的大
D.当温度改变为T时,若k(正)=k(逆),则T<500 K
答案 B
解析 由容器Ⅰ的反应,列三段式:
A(g) + 2B(g) 2C(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0 0 0.6
转化浓度/(mol·L-1) 0.2 0.4 0.4
平衡浓度/(mol·L-1) 0.2 0.4 0.2
A(g) + 2B(g) 2C(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.2 0.5 0.3
转化浓度/(mol·L-1) x 2x 2x
平衡浓度/(mol·L-1) 0.2+x 0.5+2x 0.3-2x
则(0.2+x+0.5+2x+0.3-2x) mol·L-1×2 L=2.0 mol,则x=0,说明起始时反应已达平衡,两者出现矛盾,说明平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比不是4∶5,A错误;若容器Ⅲ在某时刻,B的体积分数为50%,列三段式
A(g) + 2B(g) 2C(g)
起始物质的量/mol 0.7 1.0 0
转化物质的量/mol y 2y 2y
某时刻物质的量/mol 0. 7-y 1.0-2y 2y
归纳总结
(1)有关化学平衡常数和转化率的计算步骤
(2)掌握四个公式
考点二
化学反应速率和化学平衡图像
【能力概述】
(分析与推测能力、
归纳与论证能力)
【新教材·新高考】
新 教 材 变化 新教材增加了“方法导引”栏目,对化学平衡图像的分析方法进行了介绍,引导学生从点、线、面以及线的走势等方面对化学平衡图像进行分析
新 高 考 高频考点 新高考在传统图像的基础上,图像的坐标内容更丰富,形式更直观和灵活,试题难度较大
预测考向 预计“多维”化学平衡图像题将成为新高考的亮点
考向1.“断点”类化学反应速率和化学平衡图像
典例突破
某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g) 2C(g),达到平衡后,在不同的时间段内物质浓度随时间的变化如图甲所示,正逆反应速率随时间的
变化如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.30~40 min间该反应使用了催化剂
B.化学方程式中的x=1,正反应为吸热反应
C.30 min时降低温度,40 min时升高温度
D.前8 min A的平均反应速率为0.08 mol·L-1·min-1
答案 D
解析 若使用催化剂,30 min时,物质的浓度不会发生突变,A项错误;由图甲可知,A、B的浓度变化相同,故A、B的化学计量数相同,都为1,由图乙可知,30 min时改变的条件为减小压强,40 min时改变的条件为升高温度,且升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,B、C两项错误;前8 min A的平均反应速率为 =0.08 mol·L-1·min-1,D项正确。
考题点睛
针对训练
1.(2022河南信阳二模)在恒温恒压下,某一容积可变的密闭容器中发生反应A(g)+B(g) 2C(g) ΔH<0,t1时达到平衡后,在t2时改变某一条件,其反应过程如图所示。下列说法正确的是( )
A.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,A的体积分数:Ⅰ>Ⅱ
B.t2时改变的条件是向密闭容器中加入物质C
C.0~t2时,v(正)>v(逆)
D.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,平衡常数:K(Ⅰ)答案 B
解析 反应速率与其物质的量浓度成正比,Ⅰ、Ⅱ达到平衡状态时逆反应速率相等,说明Ⅰ、Ⅱ达到平衡状态时各物质的物质的量浓度不变,则A的体积分数为Ⅰ=Ⅱ,故A项错误;向密闭容器中加物质C,逆反应速率瞬间增大,再次建立的平衡与原平衡等效,说明和原平衡相同,符合图像,故B项正确;由题中图示可知,t0~t1时,逆反应速率增大,说明平衡正向移动,平衡正向移动时,正反应速率大于逆反应速率,即v(正)>v(逆),t1~t2时,逆反应速率不变,说明处于平衡状态,平衡状态时,正反应速率等于逆反应速率,即v(正)=v(逆),故C项错误;化学平衡常数只与温度有关,Ⅰ、Ⅱ温度相同其平衡常数相同,故D项错误。
2.COCl2的分解反应为COCl2(g) Cl2(g)+CO(g) ΔH=+108 kJ·mol-1。反应体系达到平衡后,各物质的浓度在不同条件下的变化状况如图所示(第10 min到14 min的COCl2浓度变化曲线未标出):
(1)比较第2 min反应温度T(2)与第8 min反应温度T(8)的高低:T(2) (填“<”“>”或“=”)T(8)。
(2)若12 min时反应于温度T(8)下重新达到平衡,则此时c(COCl2)=
mol·L-1。
(3)比较产物CO在2~3 min、5~6 min和12~13 min时平均反应速率[平均反应速率分别以v(2~3)、v(5~6)、v(12~13)表示]的大小: 。
(4)比较反应物COCl2在5~6 min和15~16 min时平均反应速率的大小,v(5~6)
(填“<”“>”或“=”)v(15~16),原因是 。
答案 (1)< (2)0.03 (3)v(5~6)>v(2~3)=v(12~13)
(4)> 在相同温度时,该反应的反应物浓度越高,反应速率越大
解析 (1)从三种物质的浓度变化趋势可知,从第4 min开始,平衡正向移动,由于该正反应是吸热反应,所以改变的条件是升高温度,因此有T(2)(2)由于第12 min与第8 min温度相同,10 min时CO的浓度骤减,则改变的条件为移走部分CO,平衡正向移动,10~12 min,Δc(Cl2)=Δc(COCl2)=0.01 mol·L-1,则12 min达平衡时c(COCl2)=0.03 mol·L-1。
(3)根据化学反应速率的定义,可知反应在2~3 min和12~13 min处于平衡状态,平均反应速率为0,故v(5~6)>v(2~3)=v(12~13)。
(4)在5~6 min和15~16 min时反应温度相同,但15~16 min时各组分的浓度都小,因此反应速率小。
归纳总结
捕捉图像最基本的信息
(1)横坐标与纵坐标的含义
横坐标通常是t、T、p等(即时间、温度、压强等)。
纵坐标通常是v、c、n、α、φ等(即速率、物质的量浓度、物质的量、转化率、体积分数等)。
(2)线的走向与斜率
线的走向,即随着横坐标自变量的增大,纵坐标因变量是变大、变小还是不变。当纵坐标所表示的物理量,如速率、物质的量浓度、物质的量、转化率、体积分数等不随横坐标的变化而变化时,图像中出现一条平行于横坐标的直线,那么该反应就到达了化学平衡状态。
斜率是化学平衡图像曲线中一个重要的参数。斜率的应用,通常是对两条不同曲线的斜率进行比较,或者通过比较同一条曲线不同时刻的斜率变化来判断反应是改变了哪些外界条件。
(3)观察化学平衡图像中的“重要点”
所谓“重要点”,指的是化学平衡图像中的起点、拐点、终点、交点、突变点等,这些点往往隐藏着许多重要的信息,借助这些“重要点”中的有效信息,能够快速地找到解题的思路,突破图像题的难点。
(4)跟踪化学平衡图像中量的变化
量的变化,指的是纵坐标表示的物理量所发生的变化是由什么外界条件改变而引起的。要解决这个问题,我们经常需借助化学平衡移动理论。
考向2.“复合”类化学平衡图像
典例突破
(2021辽宁铁岭二模)二甲醚(CH3OCH3)是无色气体,可作为一种新型能源。由合成气(组成为H2、CO和少量CO2)直接制备二甲醚,其中的主要过程包括以下四个反应:
试回答下列问题:
(1)一步法合成二甲醚是以合成气(CO/H2)为原料,在一定温度、压强和催化剂作用下进行,由H2和CO直接制备二甲醚的热化学方程式: 2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH= ;判断该反应在一定温度下、容积恒定的密闭容器中,下列不能作为达到化学平衡状态的依据是 (填字母)。
A.平均摩尔质量保持不变
B.容器的密度不变
C.容器内压强保持不变
D.单位时间内消耗2 mol CO同时消耗1 mol二甲醚
(2)燃煤废气中的CO2转化为二甲醚的反应原理为2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g),一定条件下,现有两个容积均为2.0 L的恒容密闭容器甲和乙,在甲中充入1 mol CO2和3 mol H2,在乙中充入2 mol CO2和6 mol H2,发生上述反应并达到平衡。该反应中CO2的平衡转化率随温度的变化曲线如图1所示;容器甲中,在不同催化剂作用下,相同时间内CO2的转化率随温度变化如图2所示。下列说法正确的是 (填字母)。
A.图1中,反应2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)的ΔS<0、ΔH>0
B.图1中,表示乙容器CO2的平衡转化率随温度变化的是曲线B
C.图1中,逆反应速率:状态Ⅰ<状态Ⅲ
D.图2中,T3对应的平衡常数小于T4对应的平衡常数
E.图2中,根据图中曲线分析,催化剂Ⅰ的催化效果最好
(3)若CO2和H2仅发生反应Ⅱ和Ⅲ,研究表明:在其他条件相同的情况下,用新型催化剂可以显著提高甲醇的选择率,使用该催化剂,按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(总量为a mol)投料于恒容密闭容器中进行反应,CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率:转化的CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图3所示:(忽略温度对催化剂的影响)
图3
①根据图中数据,温度选择 K,达到平衡时,反应体系内甲醇的产量最高。
②随着温度的升高,CO2的平衡转化率增加但甲醇的选择率降低,请分析其原因: 。
答案 (1)-204.7 kJ·mol-1 B (2)CE
(3)①553 ②当温度升高时反应Ⅱ平衡逆向移动,而反应Ⅲ平衡正向移动且幅度更大,所以CO2的平衡转化率增加,甲醇的选择率却降低
解析 (1)已知:Ⅰ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH1=-90.1 kJ·mol-1
Ⅳ.2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH4=-24.5 kJ·mol-1,
根据盖斯定律Ⅰ×2+Ⅳ,可得2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)
ΔH= -204.7 kJ·mol-1;在一定温度下、容积恒定的密闭容器中,对于反应2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g),反应中混合气体的平均摩尔质量会随着反应而变,故平均摩尔质量保持不变能说明反应已达到化学平衡状态,A不符合题意;密闭容器中,气体总质量守恒,容器的容积不变,故气体密度不变不能说明反应已达到化学平衡状态,B符合题意;反应中容器内压强会随着反应而变,故容器内压强保持不变能说明反应已达到化学平衡状态,C不符合题意;单位时间内消耗2 mol CO,同时消耗1 mol二甲醚,则说明反应已达到化学平衡状态,D不符合题意。
(2)由化学方程式可知,该反应为气体体积减小的反应,则ΔS<0,由图1可知,升高温度,CO2的平衡转化率减小,平衡逆向移动,正向放热,A错误;初始量乙是甲的二倍,恒温恒容下,乙相当于在甲的基础上增大压强,平衡正向移动,CO2的平衡转化率增大,A曲线是乙,B曲线为甲,B错误;随温度升高,速率增大,C正确;由于该反应的正反应为放热反应,升高温度,化学平衡逆向移动,所以T3对应的平衡常数较大,D错误;反应温度低,反应物的转化效率高,则催化剂的催化效果好,根据图示,相同温度下在催化剂Ⅰ时CO2转化效率最高,故催化剂Ⅰ的催化效果最好,E正确。
②反应Ⅲ的正反应是吸热反应,升高温度,该反应正向移动,且温度对吸热反应影响更大,使CO2的平衡转化率增加,但对于反应Ⅱ,由于该反应的正反应是放热反应,升高温度,该反应的化学平衡逆向移动,所以甲醇的选择率降低。
针对训练
1.(2021江苏南通考前练习卷)CO2催化加氢是碳中和的重要手段之一,以下是CO2加氢时发生的两个主要反应:
在容积为V L的两个恒容密闭容器中,分别按表所示充入一定量的CO2和H2,平衡体系中δ(CO)和δ(CH4)[ ]随温度变化关系如图所示。
容器 起始物质的量/mol CO2 H2
甲 0.1 0.3
乙 1 3
下列有关说法正确的是( )
A.ΔH2<0
B.曲线b表示乙容器中δ(CO)随温度的变化
C.M点对应H2的总转化率约为66.7%
D.590 ℃条件下反应10 min,某容器中 =2.4。此时,反应Ⅱ的v(正)>v(逆)
答案 C
解析 反应Ⅰ为放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,δ(CH4)降低,曲线a、c表示容器中δ(CH4)随温度的变化,则曲线b、d表示容器中δ(CO)随温度的变化,由图可知,随着温度升高,δ(CO)增大,说明温度上升反应Ⅱ平衡向正反应方向移动,反应Ⅱ为吸热反应,ΔH2>0,A错误;容积为V L的两个恒容密闭容器中,乙容器的起始量是甲容器的10倍,相当于增大压强,平衡向气体分子总数减少的方向移动,反应Ⅰ往正反应方向移动,δ(CH4)增大,容器中CO2和H2的浓度下降,则反应Ⅱ平衡向逆反应方向移动,δ(CO)降低,综上分析可知:曲线a表示乙容器中δ(CH4)随温度的变化,曲线c表示甲容器中δ(CH4)随温度的变化,曲线b表示甲容器中δ(CO)随温度的变化,曲线d表示乙容器中δ(CO)随温度的变化,B错误;
根据C原子守恒,甲容器中n(CO)+n(CO2)+n(CH4)始终为0.1 mol,M点为甲容器在590 ℃条件下的平衡状态,此时n(CH4)=δ(CH4)×[n(CO)+n(CO2)+n(CH4)]=0.4×0.1 mol=0.04 mol, n(CO)=δ(CO)×[n(CO)+n(CO2)+n(CH4)]=0.4×0.1 mol=0.04 mol,根据
CO2(g)+ 4H2(g) CH4(g)+ 2H2O(g)
1 4 1 2
0.04 mol 0.16 mol 0.04 mol 0.08 mol
CO2(g) + H2(g) CO(g) +H2O(g)
1 1 1 1
0.04 mol 0.04 mol 0.04 mol 0.04 mol,
2.二甲醚(DME)在制药、燃料、农药等化学工业中有许多独特的用途。工业上用合成气制备二甲醚的主要原理如下:
回答下列问题:
(1)已知:CO(g)、H2(g)、CH3OCH3(g)的燃烧热分别是ΔH(CO)=-283 kJ·mol-1、ΔH(H2)=-285 kJ·mol-1和ΔH(CH3OCH3)=-1 453 kJ·mol-1,则反应2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(l)的ΔH= kJ·mol-1;反应③的正反应的活化能 (填“>”“<”或“=”)逆反应的活化能。
(2)在催化剂作用下,发生上述3个反应,CO的转化率、CH3OH与CO2的产率和随温度变化关系如图1所示。总压分别为100 kPa、10 kPa时,平衡体系中CO和CH3OCH3(g)的物质的量分数随温度变化关系如图2所示。
①图1中CO的转化率随温度升高而上升的原因是 。
②图1中780 ℃时,CH3OCH3的选择性为 。(CH3OCH3选择性
③能提高CH3OCH3选择性的最关键因素是 。
④100 kPa时,CO和CH3OCH3的物质的量分数随温度变化关系的曲线分别是 、 。
(3)在100 MPa下,将3 mol H2、2 mol CO充入T ℃恒容密闭容器中,若只发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,达到平衡时,测得n(CH3OH)=0.25 mol、n(H2O)=0.5 mol,则反应Ⅰ平衡常数Kp= (Kp为用气体分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
(2)①反应Ⅰ、反应Ⅱ、反应Ⅲ的ΔH都小于0,若达到平衡,升高温度平衡均逆向移动,则CO转化率减小,而图1中,温度越高CO转化率越大,说明是平衡前的转化率,因此从速率角度分析,影响速率因素是温度和催化剂活性。
②根据图1可知CH3OH与CO2的产率和为18%,而CO转化率为40%,因此转化成CH3OCH3的CO为22%,则选择性= ×100%=55%。
③提高CH3OCH3选择性的最关键因素是催化剂的选择性。
④图2中,题干指明是“平衡体系”,压强越大,反应Ⅱ、Ⅲ不移动,反应Ⅰ正向移动,CO物质的量分数越小,CH3OCH3的物质的量分数越大,温度升高三个反应均逆向移动,CH3OCH3的物质的量分数越小,CO物质的量分数越大,曲线X、Y表示CH3OCH3,曲线Y表示低压时的,曲线X表示高压时的,曲线M、N表示CO物质的量分数,曲线N表示低压时的,曲线M表示高压时的。
(3)若只发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,平衡时,n(CH3OH)=0.25 mol,n(H2O)=0.5 mol,则反应Ⅱ:
2CH3OH(g) H2O(g)+CH3OCH3(g)
转化量/mol 1 0.5 0.5
平衡量/mol 0.25 0.5 0.5,反应Ⅰ理论上生成1.25 mol CH3OH,反应Ⅰ:
CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)
起始量/mol 2 3 0
转化量/mol 1.25 2.5 1.25
则平衡时n(CO)=0.75 mol,n(H2)=0.5 mol、n(CH3OH)=0.25 mol、n(H2O)=0.5 mol、n(CH3OCH3)=0.5 mol,恒容密闭容器中,气体的总压强与气体的总物质的量成正比,则平衡时气体总物质的量为2.5 mol,总压强为50 MPa,
归纳总结
分析化学反应速率和化学平衡图像题的方法
考点三
化学反应进行的方向
【能力概述】
【新教材·新高考】
新 教 材 变化 新教材改“火柴的散落”为“气体的自主扩散过程”,体现熵变判据;新教材增加了具体反应的实例,减少了文字表述。通过“资料卡片”对自由能进行了详尽讲述
新 高 考 高频考点 新高考在选择题的单个选项中出现,直接判断反应能否自发进行;在非选择题中根据反应自发进行判断反应的热效应或判断反应能否自发进行
预测考向 有可能对化学反应进行的方向进行定量考查
考向1.化学反应方向
典例突破
某反应2AB(g) C(g)+3D(g)在高温时能自发进行,其逆反应在低温时能自发进行,则该反应的ΔH、ΔS应为( )
A.ΔH<0、ΔS>0
B.ΔH<0、ΔS<0
C.ΔH>0、ΔS>0
D.ΔH>0、ΔS<0
答案 C
解析 由ΔH-TΔS<0时反应能自发进行推知:ΔH<0、ΔS>0,反应在任何温度下都能自发进行;ΔH>0、ΔS<0,反应在任何温度下都不能自发进行;ΔH>0、ΔS>0,反应在较高温度下能自发进行;ΔH<0、ΔS<0,反应在较低温度下能自发进行。
针对训练
1.在一定条件下,对于反应mA(g)+nB(g) cC(g)+dD(g),C物质的含量(C%)与温度、压强的关系如图所示。下列判断正确的是( )
A.ΔH<0、ΔS>0
B.ΔH>0、ΔS<0
C.ΔH>0、ΔS>0
D.ΔH<0、ΔS<0
答案 A
解析 由题图可知,当压强一定时,温度升高,C物质的含量减小,说明升高温度,平衡逆向移动,则有ΔH<0;温度一定时,增大压强,C物质的含量降低,说明增大压强,平衡逆向移动,则有m+n0。
2.(2022浙江高三检测)下列说法正确的是( )
A.常温下,1 mol SO2的熵小于1 mol SO3
B.自发反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH>0,则ΔS>0
C.可以把CO分解:2CO(g) ══ 2C(s)+O2(g),收集碳,实现变废为宝
D.NaNO2溶于水,ΔH<0,ΔS<0
答案 B
解析 常温下,SO2为气态,SO3为固态,气体的混乱度大于固体,则1 mol SO2的熵大于1 mol SO3,故A项错误;已知该反应为自发反应,则ΔH-TΔS<0,若ΔH>0,则一定有ΔS>0,故B项正确;该反应为气体分子数减小的吸热反应, ΔH>0,ΔS<0,在任何温度下ΔH-TΔS>0,即在任何温度下都不能自发进行,故C项错误;NaNO2溶于水为吸热过程,混乱度增大,故ΔH>0,ΔS>0,故D项错误。
归纳总结
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 在任何温度下均能自发进行
+ - 永远是正值 在任何温度下均不能自发进行
+ + 低温为正;高温为负 低温时不能自发进行;高温时能自发进行
- - 低温为负;高温为正 低温时能自发进行;高温时不能自发进行
考向2.化学反应的调控
典例突破
(2021山东聊城联考)工业上生产硫酸时,利用催化氧化反应将二氧化硫转化为三氧化硫是一个关键步骤,在密闭容器中压强及温度对SO2转化率(利用率)的影响如表:
温度 不同压强下SO2的转化率/% 0.1 MPa 0.5 MPa 1.0 MPa 10 MPa
400 ℃ 99.2 99.6 99.7 99.9
500 ℃ 93.5 96.9 97.8 99.3
600 ℃ 73.7 85.8 89.5 96.4
(1)根据表中数据可知,生成SO3的反应属于 (填“放热”或“吸热”)反应。
(2)在其他条件不变的情况下,扩大容器容积以减小反应体系的压强,v(正)
(填“增大”或“减小”,下同),v(逆) ,平衡向 (填“正反应”或“逆反应”)方向移动。
(3)提高该化学反应限度的途径有 。
(4)在400~500 ℃时,SO2的催化氧化采用常压而不是高压,其主要原因是 。
(5)该反应采用400~500 ℃的原因是 。
答案 (1)放热 (2)减小 减小 逆反应
(3)增大压强或在一定范围内降低温度
(4)增大压强对SO2的转化率影响不大,且高压成本高
(5)温度过高生成物的产率降低,但温度过低化学反应速率降低,故采用400~500 ℃
解析 (1)相同压强下,随温度升高二氧化硫的转化率降低,说明升温平衡逆向移动,正反应放热。
(2)扩大容器容积,各组分浓度减小,正逆反应速率都减小,平衡向气体体积增大的逆反应方向移动。
(3)由表中数据可知,压强和温度对平衡移动都有影响,增大压强SO2的转化率增大,降低温度,SO2的转化率增大,所以提高该化学反应限度的途径有增大压强或在一定范围内降低温度。
(4)由表中数据可知,增大压强对SO2的转化率影响不大,同时增大成本,故通常采用常压而不是高压。
(5)该反应为放热反应,温度过高不利于产物的生成,但温度过低,化学反应速率太低。
针对训练
1.硝酸工业的基础是氨的催化氧化,在催化剂作用下发生如下反应:
①4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g) ΔH=-905 kJ·mol-1 主反应
②4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g) ΔH=-1 268 kJ·mol-1 副反应
有关物质产率与温度的关系如图:
(1)由反应①②可知反应③N2(g)+O2(g) 2NO(g)的反应热ΔH= 。
(2)由图可知工业上氨催化氧化生成NO时,反应温度最好控制在 。
答案 (1)+181.5 kJ·mol-1 (2)780~840 ℃
解析 (1)由盖斯定律,(①-②)× 可得N2(g)+O2(g) 2NO(g),
故ΔH= ×[(-905 kJ·mol-1)-(-1 268 kJ·mol-1)]=+181.5 kJ·mol-1。
(2)从图像可以看出,反应温度在780~840 ℃时,NO的产率最大,故选择780~840 ℃。
(1)有利于提高合成氨平衡产率的条件有 (填字母)。
A.低温 B.高温 C.低压 D.高压 E.催化剂
(2)实际生产中,常用Fe作催化剂,控制温度773 K,压强3.0×107 Pa,原料中N2和H2物质的量之比为1∶2.8。分析说明原料气中N2过量的两个理由:
; 。
(3)关于合成氨工艺的下列理解,正确的是 (填字母)。
A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零
B.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率
C.基于NH3有较强的分子间作用力,可将其液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行
D.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生
答案 (1)AD (2)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率 N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,适度过量有利于提高整体反应速率
(3)ACD
解析 (1) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体体积减小的放热反应。低温有利于平衡正向移动,提高氨气产率,A正确、B错误;低压平衡逆向移动,不利于提高氨气产率,C错误、D正确;催化剂只改变反应速率,不改变化学平衡,不能提高氨气产率,故E错误。
(2)原料中N2和H2物质的量之比为1∶2.8,原料气中N2过量的两个理由:原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率;N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,适度过量有利于提高整体反应速率。
(3) ΔH(298 K)=-46.2 kJ·mol-1是气体体积减小的放热反应,合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零,A正确;当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,总压不变,分压减小,平衡逆向移动,不能提高平衡转化率,B错误;NH3有较强的分子间作用力,可将其液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C正确;合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的N2是从空气中分离得来,先将空气液化,再蒸馏得N2,甲烷与水在高温、催化剂条件下生成CO和H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生,D正确。
归纳总结
化学反应的调控思路
外界 条件 有利于加快反应速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂 加合适的催化剂 — 加合适的催化剂
外界条件 有利于加快反应速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 综合分析结果
温度 高温 ΔH<0 低温 兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度
ΔH>0 高温 在设备条件允许的前提下,尽量采取高温,并考虑催化剂的活性
压强 高压(有气体参加) 反应后气体体积减小的反应 高压 在设备条件允许的前提下,尽量采取高压
反应后气体体积增大的反应 低压 兼顾速率和平衡,选取适宜的压强
研专项 前沿命题
陌生图像综合考查
题型 考查内容 选择题 非选择题 考查知识 化学反应速率常数及与平衡常数的关系、压强平衡常数及其应用
核心素养 变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知
考向1分析平衡图像变化趋势,定性解释
例1.(2020山东卷,18节选)探究CH3OH合成反应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:
回答下列问题:
(1)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 。
(2)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 (填字母)。
A.低温、高压 B.高温、低压
C.低温、低压 D.高温、高压
思路指导
(1)图像的判断和分析
①图像的含义。
反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则CH3OH的平衡产率减小,所以图甲表示CH3OH的平衡产率;图乙中,由于反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应,随着温度升高,平衡逆向移动,CO2的平衡转化率降低;反应Ⅲ为吸热反应,升高温度平衡向正反应方向移动,升高至一定温度后以反应Ⅲ为主,CO2的平衡转化率又升高,所以图乙表示CO2的平衡转化率。
②压强大小的比较。
反应Ⅰ和Ⅱ是气体体积减小的反应,增大压强反应Ⅰ和Ⅱ化学平衡正向移动;反应Ⅲ气体体积不变,平衡不移动。即随着压强增大CH3OH的平衡产率增大,所以压强关系为p1>p2>p3。
③特殊点的分析。
随着温度升高,反应Ⅰ和Ⅱ化学平衡逆向移动,反应Ⅲ化学平衡正向移动,所以T1温度时,三条曲线交于一点的原因为: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。
(2)外界条件对化学平衡的影响
根据图像可知,温度越低,CH3OH的平衡产率越大;压强越大,CO2的平衡转化率越大,CH3OH的平衡产率越大。
因此选择低温和高压,A项正确。
答案 (1)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
(2)A
突破方法
陌生图像题的解题策略
针对训练
1.(2022全国甲)金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途。目前生产钛的方法之一是将金红石(TiO2)转化为TiCl4,再进一步还原得到钛。回答下列问题:
(1)TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1 000 ℃时反应的热化学方程式及其平衡常数如下:
(ⅰ)直接氯化:
TiO2(s)+2Cl2(g) ══ TiCl4(g)+O2(g) ΔH1=172 kJ·mol-1,Kp1=1.0×10-2
(ⅱ)碳氯化:
TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s) ══ TiCl4(g)+2CO(g) ΔH2=-51 kJ·mol-1, Kp2=1.2×1012 Pa
①反应2C(s)+O2(g)2CO(g)的ΔH为 kJ·mol-1,Kp= Pa。
②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化,其原因是 。
③对于碳氯化反应:增大压强,平衡 (填“向左”“向右”或“不”)移动;温度升高,平衡转化率 (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
①反应C(s)+CO2(g) ══ 2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)= Pa。
②图中显示,在200 ℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4,但实际生产中反应温度却远高于此温度,其原因是 。
(3)TiO2碳氯化是一个“气—固—固”反应,有利于TiO2-C“固—固”接触的措施是 。
答案 (1)①-223 1.2×1014
②碳氯化反应的ΔH<0,ΔS>0,ΔG<0,可自发进行,而直接氯化的反应中气体分子数不变,且是吸热反应,不能自发进行 ③向左 变小
(2)①7.2×105 ②升高温度,反应速率增大,缩短了反应达到平衡的时间,提高了效益
(3)将固体TiO2和C粉碎后混合均匀,同时鼓入Cl2使固体粉末“沸腾”
②根据ΔG=ΔH-TΔS,碳氯化反应的ΔH<0,ΔS>0,ΔG<0,所以碳氯化反应可自发进行。而直接氯化反应中,ΔH>0,ΔS=0,ΔG>0,不属于自发进行的反应,故碳氯化的反应趋势大于直接氯化。
③碳氯化反应中,正向反应为气体分子数增大的放热反应,依据勒夏特列原理,增大压强,平衡向左移动;升高温度,平衡向左移动,平衡转化率减小。
(2)①根据图像可知,1 400 ℃时CO2、CO的组成比例分别为0.05、0.6,则
②实际生产中反应温度高于200 ℃,原因是升高温度,反应速率增大,缩短了反应达到平衡的时间,可以达到最佳效益。
(3)将固体TiO2和C粉碎后混合均匀,同时鼓入Cl2使固体粉末“沸腾”,可增大反应物间的接触面积。
2.(2021山东卷,20)2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如下反应:
回答下列问题:
(1)反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以物质的量分数表示的平衡常数Kx与温度T变化关系如图所示。据图判断,A和B中相对稳定的是 (用系统命名法命名); 的数值范围是 (填字母)。
A.<-1
B.-1~0
C.0~1
D.>1
(2)为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α。
已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0,则平衡体系中B的物质的量为 mol,反应Ⅰ的平衡常数Kx1= 。
同温同压下,再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释,反应Ⅰ的化学平衡将 (填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”);平衡时,A与CH3OH物质的量浓度之比c(A)∶c(CH3OH)= 。
(3)为研究反应体系的动力学行为,向盛有四氢呋喃的另一容器中加入一定量A、B和CH3OH。控制温度为353 K,A、B物质的量浓度c随反应时间t的变化如图所示。代表B的变化曲线为 (填“X”或“Y”);t=100 s时,反应Ⅲ的正反应速率v(正) (填“>”“<”或“=”)逆反应速率v(逆)。
答案 (1)2-甲基-2-丁烯 D
(2)0.9α 逆向移动 0.1 (3)X <
解析 (1)由平衡常数Kx与温度T变化关系曲线可知,反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的平衡常数的自然对数随温度升高(要注意横坐标为温度的倒数)而减小,说明3个反应均为放热反应,即ΔH1<0、ΔH2<0、ΔH3<0,因此,B的总能量低于A的总能量,能量越低越稳定,A和B中相对稳定的是B,其用系统命名法命名为 2-甲基-2-丁烯。
由盖斯定律可知,Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,则ΔH1-ΔH2=ΔH3<0,因此ΔH1<ΔH2,由于放热反应的ΔH越小,其绝对值越大,则 的数值范围是大于1,D正确。
(2)向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α,则平衡时n(TAME)=(1-α) mol,n(A)+n(B)=n(CH3OH)=α mol。已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0,则 =9.0,将该式代入上式可以求出平衡体系中B的物质的量为0.9α mol,n(A)=0.1α mol,甲醇的物质的量是α mol。
反应Ⅰ的平衡常数
同温同压下,再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释,反应Ⅰ的化学平衡将向着分子数增大的方向移动,即逆向移动;平衡时,TAME的转化率变大,但是平衡常数不变,A与CH3OH物质的量浓度之比不变,c(A)∶c(CH3OH)=0.1α∶α=1∶10。
(3)温度为353 K,反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0, =9.0。由A、B物质的量浓度c随反应时间t的变化曲线可知,X代表的平衡浓度高于Y,则代表B的变化曲线为X;由母线的变化趋势可知,100 s以后各组分的浓度仍在变化,t=100 s时 ≈10.2>9,因此,反应Ⅲ正在向逆反应方向移动,其正反应速率v(正)小于逆反应速率v(逆)。
考向2分析平衡图像获取数据,定量计算
例2.(2020全国Ⅰ卷,28节选)硫酸是一种重要的基本化工产品。接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化:SO2(g)+ O2(g) SO3(g) ΔH=-98 kJ·mol-1。回答下列问题:
(1)当SO2(g)、O2(g)和N2(g)起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时,在0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa压强下,SO2平衡转化率α随温度的变化如图所示。反应在5.0 MPa、550 ℃时的α= ,判断的依据是 。影响α的因素有 。
(2)将组成(物质的量分数)为2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的气体通入反应器,在温度T、压强p条件下进行反应。平衡时,若SO2转化率为α,则SO3压强为 , 平衡常数Kp= (以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
思路指导
(1)化学平衡图像的分析
第一步,分析题给化学反应:
第二步,分析图像变化
相同温度下,p1时SO2的平衡转化率最大,p3时SO2的平衡转化率最小。
第三步,结合化学反应和图像进行分析
增大压强可以使化学平衡向正反应方向移动,所以该反应在550 ℃、压强为5.0 MPa条件下,SO2的平衡转化率一定高于相同温度下、压强为0.5 MPa和2.5 MPa时的转化率,所以p1=5.0 MPa。由图中数据可知,α=0.975。影响α的因素就是影响化学平衡移动的因素,主要有反应物的浓度、温度、压强等。
(2)化学平衡的定量计算
①三段式法。
假设原气体的物质的量为100 mol,则SO2、O2和N2的物质的量分别为2m mol、m mol和q mol,2m+m+q=3m+q=100,SO2的平衡转化率为α,则有下列关系:
平衡时气体的总物质的量为n(总)=[2m(1-α)+m(1-α)+2mα] mol+q mol,则SO3的物质的量分数为
②利用Kp定义表达式的计算。
第一步,写出定义表达式。
第二步,找数据。
第三步,代数计算。
答案 (1)0.975 该反应气体分子数减少,增大压强,α提高。5.0 MPa>2.5 MPa=p2,所以p1=5.0 MPa 温度、压强和反应物的起始浓度(组成)
突破方法
压强平衡常数
(Kp)的计算流程
针对训练
3.(1)T ℃时,存在如下平衡:2NO2(g) N2O4(g)。该反应正、逆反应速率与NO2、N2O4的浓度关系为:v(正)=k(正)c2(NO2),v(逆)=k(逆)c(N2O4)[k(正)、k(逆)是速率常数],且lgv(正)~lgc(NO2)与lgv(逆)~lgc(N2O4)的关系如图所示。
①T ℃时,该反应的平衡常数K= 。
②T ℃时,往刚性容器中充入一定量NO2,平衡后测得c(N2O4)为1.0 mol·L-1,则平衡时NO2的物质的量分数为 (以分数表示)。平衡后v(正)=
(用含a的表达式表示)。
(2)CH4与CO2反应得到合成气的原理为CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)。某小组向容积是1 L的一密闭容器中充入物质的量均是1 mol的CH4与CO2,反应过程中CO2的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
①压强:p1 (填“>”或“<”)p2。
②1 100 ℃、p1条件下,20 min时反应达到平衡状态,则0~20 min内CH4的反应速率v(CH4)= mol·L-1·min-1;反应的平衡常数Kp= (用含p1的代数式表示,Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
解析 (1)由反应速率方程和图像可知,lgv(正)=lgk(正)+2lgc(NO2),lgv(逆)=lgk(逆)+lgc(N2O4),lgv(正)的斜率更大一些,当c(NO2)=c(N2O4)=1,即lgc(NO2)=lgc(N2O4)=0时,lgv(正)、lgv(逆)分别等于lgk(正)、lgk(逆)等于a+2、a,则k(正)=10a+2,k(逆)=10a。
①T ℃时,该反应的平衡常数
②T ℃时,往刚性容器中充入x mol·L-1 NO2,平衡后测得c(N2O4)为
1.0 mol·L-1,则可建立如下三段式:
2NO2 N2O4
起始量/(mol·L-1) x 0
变化量/(mol·L-1) 2 1
平衡量/(mol·L-1) x-2 1
(2)①对于反应CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g),在温度不变时,减小压强,化学平衡向气体体积增大的正反应方向移动,使CO2的转化率增大,根据图像可知p2时的CO2转化率大于p1时的,说明压强:p1>p2;②在温度为1 100 ℃、压强为p1条件下,20 min时反应达到平衡状态,CO2的转化率为60%,即平衡时Δn(CO2)=1 mol
×60%=0.6 mol,由于容器的容积是1 L,则v(CO2)=
=0.03 mol·L-1·min-1,由于同一反应用不同物质表示反应速率时,速率之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比,所以v(CH4)=v(CO2)=0.03 mol·L-1·min-1;反应中开始加入的CO2、CH4的物质的量都是1 mol,则反应达到平衡时, n(CO2)=n(CH4)=0.4 mol, n(CO)=n(H2)=2×0.6 mol=1.2 mol,n(总)=0.4 mol+0.4 mol+1.2 mol+1.2 mol=3.2 mol,则用压强分数表示化学平衡常数
4.(2021广东珠海一模)氮及其化合物是科学家们一直在探究的问题,它们在工农业生产和生命活动中起着重要的作用。回答下列问题:
(1)查阅资料:标准摩尔生成焓指在25 ℃和101 kPa时,由元素最稳定的单质生成1 mol纯化合物时的焓变,符号为 。已知以下物质的标准摩尔生成焓如下表所示。
由此可得4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g) ΔH2= kJ·mol-1。
(2)氨气的催化氧化是工业制取硝酸的重要步骤,假设只会发生以下两个竞争反应Ⅰ、Ⅱ。
为分析某催化剂对该反应的选择性,将 1 mol NH3和2 mol O2充入1 L密闭容器中,在不同温度、相同时间下,测得有关物质的量关系如图。
①该催化剂在低温时对反应 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)的选择性更好。
②520 ℃时,容器中为c(NH3)= mol·L-1,该温度下反应4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g)的平衡常数K= (不要求得出计算结果,只需列出有具体数字的计算式)。
③高于840 ℃时,NO的产率降低的可能原因是 (填字母)。
A.NH3溶于水
B.反应活化能增大
C.反应Ⅰ的平衡常数变小
D.催化剂活性降低
(3)NH3也是造成水体富营养化的重要原因之一,用NaClO溶液氧化可除去氨氮。其反应机理如图1所示(其中H2O和NaCl略去)。
图1
图2
①NaClO氧化NH3的总反应的化学方程式为 。
③为了提高氨氮的去除率,在实际工艺过程中温度控制在15~30 ℃时,其可能的原因是 。
③温度过低时化学反应速率慢,去除效率低;温度过高时,加快了HClO的分解(或NaClO分解),NaClO的利用率降低;氨气在温度过高时易挥发
(2)①由图示知,在低温时,生成N2比生成NO多,故该催化剂在低温时对反应Ⅱ的选择性更好。
②520 ℃时,由图示数据列式如下:
③由于反应用到了催化剂,故此时NO产率降低有可能是因为温度过高导致催化剂活性下降,另外此反应正向为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,也会导致NO产率下降,C、D正确。
(3)①由图1知,初步确定总反应的反应物为NaClO、NH3,生成物为N2,根据元素守恒结合题干信息,确定生成物中还有H2O、NaCl,结合得失电子守恒和元素守恒配平得总反应的化学方程式为2NH3+3NaClO === N2↑+3H2O+3NaCl。
②去除率较高,余氯量较低,说明去除效果最佳,符合要求的最佳值约为1.5。
③控温15~30 ℃,可从温度过低和过高两个角度回答,即温度过低时化学反应速率慢,去除效率低;温度过高时,加快了HClO的分解(或NaClO分解), NaClO的利用率降低且氨气在温度过高时易挥发。课时规范练25 化学平衡常数 化学反应的方向与调控
一、选择题:本题共3小题,每小题只有一个选项符合题目要求。
1.在淀粉KI溶液中存在下列平衡:I2(aq)+I-(aq)(aq)。测得不同温度下该反应的平衡常数K如表所示。下列说法正确的是( )
T/℃ 5 15 25 35 50
K 1 100 841 689 533 409
A.反应I2(aq)+I-(aq)(aq)的ΔH>0
B.其他条件不变,升高温度,溶液中c()减小
C.该反应的平衡常数表达式为K=
D.25 ℃时,向溶液中加入少量KI固体,平衡常数K小于689
2.(2021江苏七市三模)氯化氢和氯气在生产生活中具有广泛应用。舍勒发现将软锰矿和浓盐酸混合加热可产生氯气,该方法仍是当今实验室制备氯气的主要方法之一。Deacon曾提出在催化剂作用下,氧气直接氧化氯化氢制备氯气,该反应为可逆反应,热化学方程式为4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH=-116 kJ·mol-1。关于Deacon提出的制备Cl2的反应,下列说法正确的是( )
A.该反应一定能自发进行
B.每生成22.4 L Cl2,放出58 kJ的热量
C.增大起始时的值,可提高HCl的平衡转化率
D.断裂4 mol H—Cl的同时,有4 mol H—O生成,说明该反应达到平衡状态
3.(2021江苏扬州考前调研)Cl2可用于生产漂白粉等化工产品。Cl2的制备方法有:
方法Ⅰ:NaClO+2HCl(浓)NaCl+Cl2↑+H2O;
方法Ⅱ:4HCl(g)+O2(g)2H2O(g)+2Cl2(g) ΔH=a kJ·mol-1
上述两种方法涉及的反应在一定条件下均能自发进行。一定条件下,在密闭容器中利用方法Ⅱ制备Cl2,下列有关说法正确的是 ( )
A.升高温度,可以提高HCl的平衡转化率
B.提高,该反应的平衡常数增大
C.若断开1 mol H—Cl的同时有1 mol H—O断开,则表明该反应达到平衡状态
D.该反应的平衡常数表达式K=
二、选择题:本题共3小题,每小题有一个或两个选项符合题目要求。
4.(2021广东汕头一模)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域,对节能减排有重要意义。已知反应:6H2(g)+2CO2(g)CH2CH2(g)+4H2O(g),温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图所示,下列说法不正确的是( )
A.正反应为放热反应
B.化学平衡常数:KMC.当温度高于250 ℃时,催化剂的催化效率降低是因为平衡逆向移动引起的
D.若初始投料比n(H2)∶n(CO2)=3∶1,则图中M点的乙烯体积分数约为7.7%
5.(2021辽宁葫芦岛二模)一定条件下,CH4与H2O(g)发生反应:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g),设起始=Z,在恒压下,平衡时CH4的体积分数[φ(CH4)]与Z和温度(T)的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.该反应的焓变ΔH<0
B.图中Z的大小为a>3>b
C.图中X点对应的平衡混合物中>3
D.温度不变时,图中X点对应的平衡在加压后φ(CH4)减小
6.化学反应中催化剂活性会因积碳反应而降低,同时存在的消碳反应则使积碳量减少。相关数据如下表:
反应 积碳反应CH4(g)C(s)+2H2(g) 消碳反应CO2(g)+C(s)2CO(g)
ΔH/(kJ·mol-1) +75 +172
催化剂X 33 91
催化剂Y 43 72
在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下,某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图所示。升高温度时,下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是( )
A.K积、K消均增加
B.v(积)减小、v(消)增大
C.催化剂X效果比Y好
D.v(消)增加的倍数比v(积)增加的倍数大
三、非选择题:本题共2小题。
7.(2021湖北二模)丙烯是三大合成材料的基本原料之一,可用于生产多种重要有机化工原料。由丙烷制丙烯的两种方法如下:
Ⅰ.丙烷氧化脱氢法:C3H8(g)+O2(g)C3H6(g)+H2O(g) ΔH1
Ⅱ.丙烷无氧脱氢法:C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH2=+124 kJ·mol-1
请回答下列问题:
(1)已知H2(g)+O2(g)H2O(g) ΔH=-242 kJ·mol-1,由此计算ΔH1= kJ·mol-1。
(2)在催化剂作用下,C3H8氧化脱氢除生成C3H6外,还生成CO、CO2等物质。C3H8的转化率和C3H6的产率随温度变化关系如图所示。
①图中C3H8的转化率随温度升高而增大的原因是 。
②在550 ℃时,C3H6的选择性为 (保留1位小数)(C3H6的选择性=×100%)。
③C3H6的选择性:550 ℃ (填“大于”或“小于”)575 ℃。
(3)某温度下,在刚性密闭容器中充入C3H8发生无氧脱氢制备丙烯。
①下列能说明该反应达到平衡状态的是 (填字母)。
a.v正(C3H8)=v正(C3H6)
b.容器内气体的密度不再发生变化
c.容器内气体平均相对分子质量不再变化
d.容器内的压强不再发生变化
②若起始时容器内压强为10 kPa,反应达平衡后总压强为14 kPa,则C3H8的平衡转化率为 ;该反应的压强平衡常数Kp= (保留1位小数)。
8.(2021广东潮州二模)氮氧化物是形成酸雨、水体富营养化、光化学烟雾等环境问题的主要原因。
已知:反应Ⅰ.2NO(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH1=-112 kJ·mol-1;
反应 Ⅱ.2NO2(g)N2O4(g) ΔH2=-24.2 kJ·mol-1;
反应Ⅲ.3O2(g)2O3(g) ΔH3=+144.6 kJ·mol-1;
(1)大气层中O3氧化NO的热化学方程式为3NO(g)+O3(g)3NO2(g) ΔH4= 。
(2)某温度下,向1 L刚性容器中投入1 mol O2发生反应Ⅲ,5 min时压强变为原来的0.9倍后不再变化。
①5 min内O3的生成速率v(O3)= 。
②平衡时O2的转化率α(O2) (填“>”“=”或“<”)30%。
(3)常温下,向压强为p kPa的恒压容器中充入2 mol NO和1 mol O2,发生反应Ⅰ和反应Ⅱ。平衡时NO和NO2的物质的量分别为0.2 mol和1 mol,则常温下反应Ⅱ的平衡常数Kp= [已知气体中某成分的分压p(分)=×p(总),用含p的式子表示]。
(4)工业上常用氨气去除一氧化氮的污染,反应原理为4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(g)。测得该反应的平衡常数与温度的关系为lgKp=5.0+(T为开氏温度)。
①该反应ΔH (填“>”“=”或“<”)0。
②一定温度下,按进料比n(NH3)∶n(NO)=1∶1,匀速通入装有锰、镁氧化物作催化剂的反应器中反应。反应相同时间,NO的去除率随反应温度的变化曲线如上图。NO的去除率先迅速上升的主要原因是 ;当反应温度高于380 ℃时,NO的去除率迅速下降的原因可能是 。
参考答案
课时规范练25 化学平衡常数
化学反应的方向与调控
1.B 解析 温度升高,平衡常数减小,因此该反应是放热反应,ΔH<0,A项错误;升高温度,平衡逆向移动,c()减小,B项正确;K=,C项错误;平衡常数仅与温度有关,25℃时,向溶液中加入少量KI固体,平衡正向移动,但平衡常数不变,仍然是689,D项错误。
2.C 解析 该反应为气体体积减小的反应,ΔS<0,ΔH<0,当ΔG=ΔH-TΔS<0时反应自发进行,则需要低温的条件,A错误;没指明气体所处的状态,无法计算Cl2的物质的量,B错误;增大氧气的量,可促进HCl的转化,即增大起始时的值,可提高HCl的平衡转化率,C正确;断裂H—Cl和生成H—O,都指正反应方向,不能说明该反应达到平衡状态,D错误。
3.C 解析 该反应一定条件下能自发进行,即可以满足ΔH-TΔS<0,该反应为气体体积减小的反应,ΔS<0,则只有ΔH<0才可能满足ΔG<0,所以该反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,HCl的平衡转化率减小,A错误;平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,B错误;若断开1molH—Cl的同时有1molH—O断开,说明正逆反应速率相等,反应达到平衡,C正确;该反应中水为气态,平衡常数表达式K=,D错误。
4.BC 解析 由题图示知,随着温度的升高,CO2平衡转化率下降,说明温度升高,平衡逆向移动,故逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,A正确;升高温度,平衡逆向移动,平衡常数K减小,故KM>KN,B错误;当温度高于250℃时,催化剂催化效率下降,是因为温度升高使催化剂活性下降,而不是因为平衡移动,C错误;由图示知,M点的CO2平衡转化率为50%,设起始时H2的物质的量为3mol,CO2的物质的量为1mol,列三段式如下:
6H2 + 2CO2 CH2CH2 + 4H2O
起始/mol 3 1 0 0
转化/mol 1.5 0.5 0.25 1
平衡/mol 1.5 0.5 0.25 1
则平衡时乙烯的体积分数=×100%≈7.7%,D正确。
5.C 解析 由题图可知,温度越高,φ(CH4)越小,则升高温度,平衡正向移动,则正反应为吸热反应,该反应的焓变ΔH>0,A错误;起始=Z,Z越大,即H2O促进CH4转化的程度越大,φ(CH4)越小,则图中Z的大小为b>3>a,B错误;起始=Z=3,转化时CH4(g)、H2O(g)以等物质的量转化,则X点对应的平衡混合物中>3,C正确;该反应为气体体积增大的反应,增大压强,平衡逆向移动,则温度不变时,图中X点对应的平衡在加压后φ(CH4)增大,D错误。
6.AD 解析 由表格数据可知,积碳反应、消碳反应都是吸热反应,所以升高温度,平衡右移,K积、K消均增加,A正确;升高温度,混合气中各分子的能量均升高,分子有效碰撞的次数增多,反应速率加快,所以v(积)增大、v(消)增大,B不正确;从表中活化能数据(活化能数值越大,反应越困难)可以看出,对于积碳反应,催化剂X效果比Y好,对于消碳反应,催化剂X效果比Y差,C不正确;从题图中曲线看,催化剂表面的积碳量先增大后减小,则表明随着温度的不断升高,v(消)增加的倍数比v(积)增加的倍数大,D正确。
7.答案 (1)-118 (2)①温度升高,催化剂活性增大,反应速率加快 ②61.5% ③大于 (3)①cd ②40% 2.7 kPa
解析 (1)根据盖斯定律,把C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)
ΔH2=+124kJ·mol-1和H2(g)+O2(g)H2O(g)
ΔH=-242kJ·mol-1相加,即得C3H8(g)+O2(g)C3H6(g)+H2O(g) ΔH1=+124kJ·mol-1-
242kJ·mol-1=-118kJ·mol-1。
(2)①由(1)可知该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,C3H8的转化率应该降低,但实际上C3H8的转化率随温度的升高而增大,可能是升高温度,催化剂的活性增大,反应速率加快的缘故。
②由图可知,550℃时,C3H8的转化率为13%,C3H6的产率为8%,设起始时C3H8的物质的量为100mol,则反应的C3H8的物质的量为13mol,生成的C3H6的物质的量为8mol,则C3H6的选择性为×100%≈61.5%。
③550℃时,C3H6的选择性为61.5%,575℃时,C3H6的选择性为×100%≈51.5%,因此550℃时C3H6的选择性大于575℃时C3H6的选择性。
(3)①在C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)反应中,v正(C3H8)=v正(C3H6)均表示正反应速率,无法确定正逆反应速率是否相等,无法判断是否达到平衡状态,a不选;反应物和生成物都是气体,容器内混合气体的总质量是不变的,且容器容积恒定,所以容器内气体密度是定值,则容器内气体的密度不再发生变化时,不能说明反应达到平衡状态,b不选;反应物和生成物都是气体,容器内混合气的质量是不变的,反应前后气体的物质的量发生改变,所以容器内气体的平均相对分子质量在未平衡前是变化的,当容器内气体的平均相对分子质量不再变化时,说明反应达到平衡状态,c选;该反应前后气体计量数之和不相等,所以平衡建立过程中,混合气体的物质的量是变化的,在恒温恒容条件下,压强和气体的物质的量成正比,所以当容器内的压强不再发生变化时,反应达到平衡状态,d选。
②恒温恒容条件下,气体的物质的量和压强成正比,起始时容器内压强为10kPa,反应达平衡后总压强为14kPa,则压强变化了4kPa,根据化学方程式可知,各物质变化的分压均为4kPa,所以平衡时C3H8、C3H6、H2的分压分别为6kPa、4kPa、4kPa。则C3H8的平衡转化率为×100%=40%;Kp==≈2.7kPa。
8.答案 (1)-240.3 kJ·mol-1
(2)①0.04 mol·L-1·min-1 ②=
(3)(kPa)-1
(4)①< ②催化剂活性增强 催化剂失活(或温度上升平衡逆向移动)
解析 (1)由于反应热与反应途径无关,只与物质的始态和终态有关,将,整理可得3NO(g)+O3(g)3NO2(g),ΔH4=ΔH1-ΔH3=-240.3kJ·mol-1。
(2)①设5min时生成O3的物质的量为xmol,在同温同体积条件下,气体的物质的量n与压强p成正比,则0.9×n起始(O2)=n平衡(O2)+n平衡(O3),0.9×1mol=(1-)mol+xmol,解得x=0.2,所以O3的生成速率v(O3)==0.04mol·L-1·min-1。
②平衡时O2的物质的量n平衡(O2)=1mol-×0.2mol=0.7mol,平衡时O2的转化率α(O2)=×100%=30%。
(3)由题给数据可知,若只进行反应Ⅰ,反应平衡时n(NO2)应为1.8mol,实际为1mol,则有0.8molNO2发生反应Ⅱ生成0.4molN2O4,反应平衡时,n(NO)=0.2mol,n(O2)=0.1mol,n(NO2)=1mol,n(N2O4)=0.4mol,p(NO2)=×p(总)=pkPa,p(N2O4)=pkPa,所以常温下反应Ⅱ的平衡常数Kp=(kPa)-1。
(4)①根据该反应的平衡常数与温度的关系式lgKp=5.0+可知,随着温度升高,平衡常数降低,说明升高温度,化学平衡逆向移动,所以该反应的正反应为放热反应。
②该反应的正反应为放热反应,随反应温度的变化,在反应开始时NO的去除率迅速上升是因为催化剂活性增强;当反应温度高于380℃时,NO的去除率迅速下降的原因可能是催化剂失去催化活性或温度上升平衡逆向移动。