(共50张PPT)
第2章 化学反应的方向、限度与速率
章 末 整 合
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。
典例1 (2022全国甲卷,28)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”)。
-223
1.2×1014
C与O2反应生成CO的平衡常数很大,可推动TiO2直接氯化反应平衡向生成TiCl4方向移动
向左
变小
解析 本题考查盖斯定律的应用、平衡常数的计算、外界条件对平衡和转化率的影响等。
①由盖斯定律可知,反应(ⅱ)-反应(ⅰ)可得2C(s)+O2(g)═2CO(g)
ΔH=-51 kJ·mol-1-172 kJ·mol-1=-223 kJ·mol-1。
②C与O2反应生成CO的平衡常数很大,可推动TiO2直接氯化反应平衡向生成TiCl4方向移动,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)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 。
7.2×105
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
解析 ①根据图像可知,1 400 ℃时CO2、CO的组成比例分别为0.05、0.6,
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)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 。
将固体TiO2和C粉碎并充分混合
解析 将固体TiO2和C粉碎并充分混合,可增大反应物间的接触面积。
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。
Qv(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+nm+n=p+q 反应物A和B的转化率均不变
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
mm=n+p 反应物A的转化率不变
【变式训练1-1】
CH4-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
A
解析由于题给反应正向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】
(2021广东化学,14)反应X==2Z经历两步:①X→Y;②Y→2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是( )
A.a为c(X)随t的变化曲线
B.t1时,c(X)=c(Y)=c(Z)
C.t2时,Y的消耗速率大于生成速率
D.t3后,c(Z)=2c0-c(Y)
D
解析 本题考查化学反应速率与化学平衡。从①②步反应中X、Y、Z的量的关系可知,a表示X的浓度变化,A项正确;t1时,X、Y、Z浓度交于同一点,B项正确;t2时反应未达到平衡,Y的浓度处于下降趋势,C项正确;t3时X已完全反应,则c(Y)+ =c0,则c(Z)=2[c0-c(Y)],D项错误。
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。
典例2 (2022全国乙卷,28节选)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢,需要回收处理并加以利用。回答下列问题:
(1)在1 470 K、100 kPa反应条件下,将n(H2S)∶n(Ar)=1∶4的混合气进行H2S热分解反应:2H2S(g)═S2(g)+2H2(g)的ΔH=+170 kJ·mol-1。平衡时混合气中H2S与H2的分压相等,H2S平衡转化率为______,平衡常数Kp=_____kPa。
50%
4.76
解析 设起始时H2S的物质的量为1 mol,平衡时消耗H2S的物质的量为x mol,则
(2)在1 373 K、100 kPa反应条件下,对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合气,热分解反应过程中H2S转化率随时间的变化如下图所示。
①n(H2S)∶n(Ar)越小,H2S平衡转化率 ,理由是 。
②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应图中曲线 ,计算其在0~0.1 s之间,H2S分压的平均变化率为 kPa·s-1。
越高
等温等压下加入惰性气体,平衡向气体分子数增加的方向移动
d
24.9
(2)①H2S分解的反应是气体分子数增大的反应,因此等温等压下加入惰性气体,平衡向气体分子数增加的方向移动,即H2S的平衡转化率越大。
②由图像和转化率大小关系可知,曲线a、b、c、d、e分别表示n(H2S)∶n(Ar)为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9和1∶19时的H2S转化率与时间的关系,因此n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应的是曲线d。
设起始时H2S的物质的量为1 mol,则Ar的物质的量为9 mol,由题图可知,当0.1 s时H2S的转化率为24%,则
2H2S(g) S2(g)+2H2(g)
起始/mol 1 0 0
转化/mol 0.24 0.12 0.24
0.1 s/mol 0.76 0.12 0.24
则0.1 s时气体的总物质的量为
0.76 mol+0.12 mol+0.24 mol+9 mol=10.12 mol。
起始时,H2S的分压为100 kPa×0.1=10 kPa,0.1 s时H2S的分压为100 kPa×
≈7.51 kPa,即变化值约为2.49 kPa,则变化率为24.9 kPa·s-1。
3.压强平衡常数计算的一般步骤
【变式训练2-1】
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
5×104 2 1.9×10-5
下列说法正确的是( )
A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为吸热反应
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)
D
【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=_____MPa (Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
图1
4
(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= Mpa(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
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),
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反应产物系数之和的反应,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),如下图所示,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)典例3 (2022湖南卷,14改编)向容积均为1 L的两恒容容器中分别充入2 mol X和1 mol Y发生反应:2X(g)+Y(g) Z(g) ΔH,其中甲为绝热过程,乙为恒温过程,两反应体系的压强随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A.ΔH>0
B.气体的总物质的量:naC.a点平衡常数:K<12 mol-2·L2
D.反应速率:va正B
解析 该反应正向是气体分子数减小的反应,绝热容器中气体压强先增大后减小,说明该反应是放热反应,ΔH<0,A项错误;甲容器的温度较高,a、c点气压相等,则c点气体的物质的量较大,B项正确;依据c点进行分析,利用“三段式”计算,设生成Z的物质的量为 mol。
规律方法 解答化学平衡图像题的四步骤
【变式训练3-1】
(2021湖南卷,16节选)某兴趣小组对该反应进行了实验探究。在一定温度和催化剂的条件下,将0.1 mol NH3通入3 L 的密闭容器中进行反应(此时容器内总压为200 kPa),各物质的分压随时间的变化曲线如图所示。
(1)若保持容器容积不变,t1时反应达到平衡,用H2的浓度变化表示0~t1时间内的反应速率v(H2)= mol·L-1·min-1(用含t1的代数式表示);
解析 根据题图可知,从反应达平衡时(即t1时),氨气和氢气的分压都为1.2×100 kPa,氮气的分压为0.4×100 kPa,列三段式为:
2NH3 N2+3H2 总压
起始/mol 0.1 0 0 200 kPa
转化/mol 2n n 3n
平衡/mol 0.1-2n n 3n (1.2+1.2+0.4)×100 kPa
(2)t2时将容器容积迅速缩小至原来的一半并保持不变,图中能正确表示压缩后N2分压变化趋势的曲线是 (用图中a、b、c、d表示),理由是 ;
B
t2时刻,将容器的容积迅速缩小为原来的一半,则所有气体的分压突然增大为原平衡时的2倍,则N2的分压突变为0.8×100 kPa,之后平衡逆向移动,氮气的分压减小
解析 t2时刻,将容器的容积迅速缩小为原来的一半,则所有气体的分压突然增大为原平衡时的2倍,则N2的分压突变为0.8×100 kPa,之后平衡逆向移动,氮气的分压减小,所以符合条件的曲线为b。
(3)在该温度下,反应的标准平衡常数Kθ= 。
0.48
【变式训练3-2】
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=+40.9 kJ·mol-1
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 。
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
解析 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。
(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
A
解析 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。
【变式训练3-3】
298 K时,将20 mL 3x mol·L-1 Na3AsO3溶液、20 mL 3x mol·L-1I2溶液和20 mL NaOH溶液混合,发生反应:
(1)下列可判断反应达到平衡的是 (填字母)。
ac
(2)tm时,v(正) (填“大于”“小于”或“等于”)v(逆)。
大于
(3)tm时v(逆) (填“大于”“小于”或“等于”)tn时v(逆),理由是
。
小于
tm时反应产物浓度较低,逆反应速率较小
解析 tm时反应未达到平衡状态,所以v(正)大于v(逆)。
解析 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)。(共34张PPT)
第2章 化学反应的方向、限度与速率
第3节 第1课时 化学反应速率
素 养 目 标
1.能进行化学反应速率的简单计算,从而形成证据推理与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。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
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。
反应历程中,反应最慢的基元反应决定反应速率,称为决速步
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。
自我检测
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)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。( )
×
×
×
×
重难探究 能力素养全提升
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。
(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。
归纳拓展
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。
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。
应用体验
视角1 化学反应速率的计算
1.某温度下按如图装置进行实验,锥形瓶内盛有6.5 g锌粒(颗粒大小基本相同),通过分液漏斗加入40 mL 2.5 mol·L-1的硫酸溶液,将产生的H2收集在一个注射器中,反应10 s时恰好收集到气体的体积为50 mL(折合成0 ℃、101 kPa条件下的H2体积为44.8 mL),在该温度下,下列说法不正确的是( )
A.用锌粒表示的10 s内该反应的速率为0.013 g·s-1
B.忽略锥形瓶内溶液体积的变化,用H+表示的10 s内
该反应的速率为0.01 mol·L-1·s-1
C.忽略锥形瓶内溶液体积的变化,用Zn2+表示的10 s
内该反应的速率为0.01 mol·L-1·s-1
D.用H2表示的10 s内该反应的速率为
0.005 mol·L-1·s-1
C
解析 0 ℃、101 kPa条件下,H2的体积为44.8 mL,其物质的量为0.002 mol,
则根据Zn+H2SO4==ZnSO4+H2↑可知:Zn~H2SO4~ZnSO4~H2,
|Δn(Zn)|=|Δn(H2SO4)|=|Δn(ZnSO4)|=|Δn(H2)|=0.002 mol;
|Δm(Zn)|=0.002 mol×65 g·mol-1=0.13 g,
2.在N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的反应中,经过一段时间后,NH3的浓度增加了0.6 mol·L-1,在此段时间内用N2表示的平均反应速率为0.15 mol·L-1·s-1,则此段时间是( )
A.1 s B.2 s
C.4 s D.1.33 s
B
方法点拨 化学反应速率的计算方法
化学反应速率的计算只需抓住两点即可:
(2)一条规律:同一反应,用不同物质表示的反应速率之比等于化学计量数之比。
视角2 根据化学反应速率推断化学计量数
3.把0.6 mol X气体和0.4 mol Y气体混合于2 L容器中,发生反应:3X(g)+Y(g)
nZ(g)+2W(g),5 min末生成0.2 mol W,若测知以Z浓度变化来表示的平均速率为0.01 mol· L-1·min-1,上述反应中Z气体的化学计量数n的值是( )
A.1 B.2
C.3 D.4
A
解析 利用条件可求:v(W)= =0.02 mol· L-1·min-1,根据反应速率之比等于化学式前系数之比计算得n=1。
4.某温度时,在2 L容器中X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化关系曲线如图所示。
(1)由图中的数据分析,该反应的化学方程式为____________________。
(2)反应开始至2 min、5 min时Z的平均反应速率为_________________、_________________。
(3)5 min后Z的生成速率比5 min末Z的生成速率______ (填“大”“小”或“相等”)。
3X+Y 2Z
0.05 mol· L-1·min-1
0.04 mol· L-1·min-1
相等
解析 (1)根据图示,X减少了0.6 mol,Y减少了0.2 mol,Z生成了0.4 mol,故X、Y、Z的物质的量变化之比为3∶1∶2,因5 min后三者共存,故反应的方程式为3X+Y 2Z。
(2)根据题图中数据,依据反应速率计算公式可计算出反应速率,需注意Z的初始物质的量是0.1 mol 。
(3)5 min后Z的物质的量不再变化,反应速率相等。
方法点拨 根据n(或c)-t图像推断化学方程式的方法
(1)看图像中不同物质的物质的量或浓度变化趋势,物质的量或浓度增大的是生成物,减小的是反应物。
(2)确定相同时间段不同物质的浓度或物质的量的变化量,根据变化量之比等于化学计量数之比确定化学计量数。
(3)看各物质的物质的量或浓度最后是否保持不变,若一段时间后各物质的浓度保持不变,说明反应为可逆反应,应使用“ ”。
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。
归纳拓展
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)。
应用体验
1.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
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。
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。
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。
3.反应A(g)+3B(g) 2C(g)+2D(g),在四种不同情况下的反应速率分别为①v(A)=0.45 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,该反应在四种不同情况下进行的快慢顺序为( )
A.①>③=②>④ B.④>②=③>①
C.②>①=④>③ D.①>④>②=③
D
解析 同一化学反应中,在单位相同条件下,化学反应速率与其化学式前系数的比值越大,反应速率越快,把各物质所表示的反应速率除以各自的化学计量数进行比较:(共34张PPT)
微专题2 活化能与反应历程 压强平衡常数
素 养 目 标
1.结合图像,理解化学反应的历程,正确计算反应的活化能、反应热,确定反应的决速步,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
2.在学习化学平衡常数(K)的基础上理解压强平衡常数,能利用Kp进行相关计算,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
重难探究 能力素养全提升
探究一 活化能与反应历程
归纳拓展
1.三步突破活化能(能垒)图像
2.活化能、决速步、反应热的判断
活化能是指活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差。如图:
图中:E1表示正反应的活化能,E2表示活化分子变成生成物分子放出的能量(即逆反应的活化能),E3表示使用催化剂时正反应的活化能,反应热为E1-E2。
对于含有多步基元反应的反应历程,思维过程与上图相似。例如:一定条件下,CH4分解形成碳的反应历程如图所示。一般每出现一个峰,为一个过渡态,每越过一个峰,为一步反应。该历程分4步进行,其中第4步的正反应活化能最大。活化能最大的步骤为反应最慢的步骤,为决速步,决速步的反应为CH+3H→C+4H。
反应热的计算有两种方法:
①根据正、逆反应的活化能,本题中总反应的ΔH=E1+E3+E5+E7-E2-E4-E6-E8;
②根据反应物和生成物的相对能量,ΔH=E(生成物)-E(反应物)。计算ΔH时,还应注意图像中能量的单位,我们通常使用的ΔH单位为kJ·mol-1,如图像中能量的单位为电子伏(eV),则图中微粒的量指的是微粒个数,如E eV单位换算后ΔH=E×1.6×10-19×6.02×1023×10-3 kJ·mol-1=96.32E kJ·mol-1。
应用体验
视角1 直线式历程
1.(常规性反应历程)工业上利用NH3对烟道气进行脱硝(除氮氧化物)的SCR技术具有效率高、性能可靠的优势。SCR技术的原理为NH3和NO在催化剂(MnO2)表面转化为N2和H2O,反应历程中的相对能量变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.总反应方程式为6NO+4NH3 5N2+6H2O(ΔH<0)
B.NH2NO是脱硝反应的催化剂
C.升高温度,脱硝反应的正反应速率的增大程度大于其逆反应速率的增大程度
D.决定反应速率的步骤是“NH2NO的转化”
A
解析 由已知SCR技术的原理为NH3和NO在催化剂(MnO2)表面转化为N2和H2O可知,总反应的方程式为6NO+4NH3 5N2+6H2O,根据反应物和生成物的相对能量高低,可以确定该反应为放热反应,A正确;观察相对能量-反应历程曲线知,NH3吸附在催化剂表面后,经过一定的反应形成了NH2NO,NH2NO又经过反应得到N2和H2O,所以NH2NO是脱硝反应的活性中间体,B错误;该反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,所以升高温度后,脱硝反应的正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度,C错误;根据曲线表明,全过程中H的移除过程活化能最大,其速率是全过程几步反应中最慢的,决定了反应的速率,是总反应的决速步骤,D错误。
2.(通过模型表示微粒的组成)硫酸盐(含 )气溶胶是PM2.5的成分之一。近期科研人员提出了雾霾微颗粒中硫酸盐生成的转化机理,其主要过程示意图如图:
下列说法不正确的是( )
A.该过程有H2O参与
B.NO2是生成硫酸盐的氧化剂
C.硫酸盐气溶胶呈酸性
D.该过程没有生成硫氧键
D
3.(竞争反应历程)我国科研人员在银催化简单烷烃的区域选择性方面取得了重要突破,有效克服烷烃C—H键的惰性并实现其区域选择性活化。一种对烷烃C—H键的选择性插入反应历程如图所示。下列说法正确的是
( )
A.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种物质中,最稳定的是Ⅱ
B.总反应速率取决于由中间体1生成中间体2的一步
C.升高温度,三个反应的速率均加快,有利于提高烷烃的转化率
D.催化剂对化学反应具有选择性,生成不同产物的同时改变了反应的焓变
B
解析 物质能量越低越稳定,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种物质中最稳定的是Ⅰ,A错误;化学反应的速率取决于历程中反应慢的过程,中间体1生成中间体2的反应活化能最高,决定了总反应的速率,B正确;三个反应均为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,烷烃的转化率降低,C错误;催化剂具有选择性,只影响化学反应速率,不改变反应的焓变,D错误。
4.(列表型反应历程)水煤气变换反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0(简称WGS),在金属催化剂Au(Ⅲ)表面上发生的所有基元反应步骤的活化能数值(单位:kJ·mol-1)如下表,其中*表示催化剂表面活性位,X*表示金属表面活性位吸附物种。
其他条件一定时,决定WGS反应速率的基元反应为 (填编号),基元反应CO*+O* CO2*+*的焓变ΔH= kJ·mol-1。由表中数据计算WGS反应的焓变ΔH= kJ·mol-1。
②
-166
-55
解析 分析表中数据,反应所需要的活化能越高,反应越难发生,所以该机理中WGS反应速率决速步骤是②,基元反应CO*+O* CO2*+*对应的是⑥ΔH=37 kJ·mol-1-203 kJ·mol-1=-166 kJ·mol-1,WGS反应的焓变ΔH=(150+71+74+37+17) kJ·mol-1-(67+67+25+42+203) kJ·mol-1
=-55 kJ·mol-1。
5.(框图式反应历程)利用CO2与CH4制备合成气(CO、H2),可能的反应历程如图所示:
说明:①C(ads)为吸附性活性炭,E表示方框中物质的总能量(单位:kJ·mol-1), TS表示过渡态。
②相关化学键键能为C—H(413 kJ·mol-1),C=O(745 kJ·mol-1),
C≡O(1 075 kJ·mol-1)
下列说法不正确的是( )
A.制备合成气总反应的ΔH可表示为(E5-E1) kJ·mol-1
B.若E3+E2C.若ΔH=+120 kJ·mol-1,则H—H键键能为436 kJ·mol-1
D.使用催化剂后,CO和H2平衡产率不改变
B
解析 根据图示可知制备合成气总反应的ΔH=(E5-E1) kJ·mol-1,A正确;若E3+E2视角2 循环型历程
6.(单循环型历程)(1)以乙烯(C2H4)作为还原剂脱硝(NO),其脱硝机理如图所示,若反应中n(NO)∶n(O2)=2∶1,则总反应的化学方程式为
____________________________________。
解析 根据图示可知,在催化剂的作用下,C2H4与NO、O2反应最终生成N2、CO2、H2O,反应中n(NO)∶n(O2)=2∶1,反应总方程式为6NO+3O2+2C2H4
3N2+4CO2+4H2O。
(2)用Ni2+可直接催化NO分解生成N2、O2,将其反应机理补充完整(Vo代表氧空穴):
2Ni2++2Vo+2NO→2Ni3++2O-+N2
______________________________。
7.(双循环型历程)据文献报道,某反应的反应历程如图所示,下列有关该历程的说法错误的是( )
A.Ti4+是催化剂
B.Ti4+…NH2—N=O是中间产物
C.总反应化学方程式为4NH3+3O2 2N2+6H2O
D.Ti4+…NH2—N=O→Ti4++N2+H2O属于分解反应
C
解析 图中Ti4+在整个反应中参与了反应,最后又生成,所以是催化剂,A正确;反应中加入NO后生成Ti4+…NH2—N=O,后又生成Ti4+,得出Ti4+…NH2—N=O是中间产物,B正确;根据反应历程,参加反应的有O2、NH3和NO,生成物有N2和H2O,可以写出反应方程式为2NO+4NH3+2O2 3N2+6H2O,C错误;反应中Ti4+…NH2—N=O→Ti4++N2+H2O由一种物质生成多种物质,属于分解反应,D正确。
探究二 压强平衡常数Kp的计算方法
归纳拓展
气体的压强平衡常数(Kp)
(1)气体的分压p(B)。
相同温度下,当某组分气体B单独存在且具有与混合气体总体积相同的体积时,该气体B所具有的压强,称为气体B的分压强,简称气体B的分压。符号为p(B),单位为Pa或 kPa或MPa。
(2)分压定律。
①分压定律:混合气体的总压等于相同温度下各组分气体的分压之和。
p(A)+p(B)+p(C)+p(D)+…=p
应用体验
视角1 压强平衡常数的理解和简单计算
C
0.8
归纳总结 压强平衡常数(Kp)的计算流程
视角2 恒容条件下压强平衡常数的计算
3.(2022湖南卷节选)2021年我国制氢量位居世界第一,煤的气化是一种重要的制氢途径。回答下列问题:
在一定温度下,向容积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1 mol H2O(g),起始压强为0.2 MPa时,发生下列反应生成水煤气:
Ⅰ.C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH1=+131.4 kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.1 kJ·mol-1
反应平衡时,H2O(g)的转化率为50%,CO的物质的量为0.1 mol。此时,整个体系 (填“吸收”或“放出”)热量 kJ,反应Ⅰ的平衡常数Kp= (以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
吸收
31.2
0.02MPa
解析 反应平衡时,H2O(g)的转化率为50%,则水的变化量为0.5 mol,平衡时n(H2O)=0.5 mol,由于n(CO)=0.1 mol,则根据O原子守恒可知n(CO2)=0.2 mol;由H原子守恒可知,n(H2)=0.5 mol。
根据相关反应的热化学方程式可知,反应过程可看作反应Ⅰ中生成了0.3 mol CO,后在反应Ⅱ中又有0.2 mol CO转化为CO2,反应Ⅰ吸收热量131.4 kJ·mol-1×0.3 mol=39.42 kJ,反应Ⅱ生成0.2 mol CO2要放出热量41.1 kJ·mol-1×0.2 mol=8.22 kJ,因此整个体系吸收热量39.42 kJ-8.22 kJ=31.2 kJ。
平衡时,n(H2O)=0.5 mol,n(CO)=0.1 mol,n(CO2)=0.2 mol,n(H2)=0.5 mol,则平衡时气体的总物质的量为0.5 mol+0.1 mol+0.2 mol+0.5 mol=1.3 mol。
在同温同体积条件下,气体的总压之比等于气体的总物质的量之比,则平衡体系的总压为0.2MPa×1.3=0.26MPa,反应Ⅰ的平衡常数
归纳总结 运用Kc、Kp解题的注意事项
三段式是解平衡计算题的万能钥匙,解题时必须注意以下三点:
(1)Kc或Kp利用的是平衡浓度和平衡时的物质的量分数。
(2)一定看清题目是恒温恒容还是恒温恒压,在恒温恒容条件下计算Kp,反应过程中压强可能改变,导致平衡时压强与起始压强不同;在恒温恒压条件下计算Kc,反应过程中容积可能改变,导致平衡时浓度与起始浓度不能直接运算,这两种情况下列三段式时一般用物质的量。
(3)恒容条件下,若压强发生变化时计算Kp,一般需要先求出平衡时的总压p总,也可直接运用各气体的分压进行计算(注意:恒压条件下一般不能直接代入气体的分压进行计算),切忌直接代入起始压强进行计算。
4.用测压法在刚性密闭容器中探究T ℃时4NO(g) N2(g)+2NO2(g)的分解反应,现将一定量的NO充入该密闭容器中,测得体系的总压强随时间的变化如下表所示:
反应时间/min 0 10 20 30 40
总压强/MPa 15.00 14.02 13.20 12.50 12.50
(1)20 min时,NO的转化率α= %。
(2)T ℃时,该反应的压强平衡常数Kp= (Kp为用分压表示的平衡常数)。
48
0.1
解析 在恒容恒温条件下,压强之比等于物质的量之比,因此可以直接用压强代替物质的量计算。
4NO(g) N2(g) + 2NO2(g)
开始/MPa 15.00 0 0
转化/MPa 4x x 2x
某时刻/MPa 15.00-4x x 2x(共48张PPT)
第2章 化学反应的方向、限度与速率
第2节 第2课时 反应条件对化学平衡的影响
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,从而形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。
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。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
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。
所有可逆反应的化学平衡都受温度的影响
2.浓度的影响
(1)
(2)原因:浓度的改变导致浓度商Q的改变。
改变固体或液体的用量,Q不变,平衡不移动
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。
自我检测
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)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。( )
(5)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。( )
×
×
重难探究 能力素养全提升
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。
归纳拓展
1.温度对化学平衡影响的实验探究
实验 原理
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
该反应为放热反应,升高温度,平衡左移
降低温度,平衡右移
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吸热反应 升温 增大 Q降温 减小 Q>K 逆向移动
应用体验
视角1温度对化学平衡影响的规律
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
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
2.在一密闭烧瓶中,25 ℃时存在着平衡:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0。把烧瓶置于100 ℃的水中,则下列几项性质中不会改变的是( )
①颜色 ②平均相对分子质量 ③质量 ④压强 ⑤密度
A.①和③ B.②和④
C.④和⑤ D.③和⑤
D
解析 25 ℃时存在着平衡:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0。把烧瓶置于100 ℃的水中,温度升高;平衡逆向移动,NO2浓度变大,颜色加深,①错误;平衡逆向移动,气体的总物质的量增大,平均相对分子质量减小,②错误;气体物质的量增大,且温度升高,压强变大,④错误;根据质量守恒定律,气体总质量不变,③正确;烧瓶容积不变,气体质量不变,则密度不变,⑤正确;答案选D。
【变式设问】
(1)在一密闭烧瓶中,若在25 ℃时加入NO2建立平衡后,把烧瓶置于100 ℃的水中,则NO2的平衡转化率如何变化
(2)混合气体中NO2的体积分数如何变化
(3)化学平衡常数K如何变化
提示 平衡转化率减小。
提示 体积分数增大。
提示 K减小。
3.如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)
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)。
视角2 温度对化学平衡影响的图像
4.将一定量硫化氢气体加入密闭容器中,发生反应:2H2S(g) S2(g)+2H2(g)。该反应的平衡常数的负对数(-lg K)随温度(T)的变化曲线如图所示,下列说法错误的是( )
A.C点对应状态的平衡常数K=10-3.638 0
B.该反应的ΔH>0
C.反应速率:vA>vC
D.30 ℃时,B点对应状态的v(正)>v(逆)
D
解析 由题图可知:升高温度,平衡常数的负对数减小,说明升高温度K增大,平衡正向移动,则正反应为吸热反应,故该反应的ΔH>0,B正确;C点-lg K=3.638 0,则平衡常数K=10-3.638 0,A正确;因为A点温度比C点高,所以A、C点反应速率:vA>vC,C正确;B点浓度商大于化学平衡常数,所以化学反应向逆反应方向进行,则B点对应状态的v(正)5.某可逆反应:mA(g)+nB(g) pC(g) ΔH,其温度T、时间t与生成物C的体积百分数C%、平衡混合气体的平均相对分子质量M的关系如图1、2所示,下列结论正确的是( )
图1
图9
A.m+n>p,ΔH>0 B.m+n>p,ΔH<0
C.m+n0 D.m+nB
解析 根据“先拐先平数值大”,由题图1可知,T2>T1,升高温度,C的含量减小,平衡逆向移动,说明正反应为放热反应,ΔH<0;结合题图2,升高温度,平衡逆向移动,平衡混合气体的平均相对分子质量M减小,说明反应向气体物质的量增加的方向进行,则m+n>p;故答案选B。
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。
归纳拓展
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
应用体验
视角1 浓度对化学平衡的影响规律
1.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.容器容积不变,通入NH3
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:
2.有甲、乙、丙三支试管,分别加入下列物质后,观察这三支试管的颜色,其中颜色最浅的是( )
甲:10 mL 0.01 mol·L-1的FeCl3溶液和10 mL 0.01 mol·L-1的KSCN溶液
乙:5 mL 水、10 mL 0.01 mol·L-1的FeCl3溶液和5 mL 0.01 mol·L-1的KSCN溶液丙:10 mL 0.1 mol·L-1的FeCl3溶液和10 mL 0.1 mol·L-1的KSCN溶液
A.甲试管 B.乙试管 C.丙试管 D.无法判断
B
解析 三支试管中均存在如下平衡:Fe3++3SCN- Fe(SCN)3(红色),由于丙试管中Fe3+和SCN-的浓度最大,故其颜色最深;甲与乙相比,甲中SCN-的浓度大于乙,故乙中颜色最浅。
视角2 浓度对化学平衡的影响图像
3.下图是恒温条件下某化学反应的反应速率随反应时间变化的示意图。下列叙述与示意图不相符合的是( )
A.反应达到平衡时,正反应速率和逆反应速率相等
B.该反应达到平衡状态Ⅰ后,增大反应物浓度,平衡发生移动,达到平衡状态Ⅱ
C.该反应达到平衡状态Ⅰ后,减小反应物浓度,平衡发生移动,达到平衡状态Ⅱ
D.同一种反应物在平衡状态Ⅰ和平衡状态Ⅱ时浓度不相等
C
解析 条件改变后,v'(正)>v'(逆),根据图像分析应是增大了反应物的浓度。
探究三 压强对化学平衡移动的影响
问题探究
下图是反应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。
归纳拓展
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 QΔνg>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+bc+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
图像
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。
应用体验
视角1 压强对化学平衡影响的规律
1.(压强对化学平衡影响规律考查)对已达到化学平衡的反应
2X(g)+Y(g) 2Z(g),当其他条件不变时,减小压强,对反应产生的影响是
( )
A.K值增大,平衡向正反应方向移动
B.K值减小,平衡向逆反应方向移动
C.K值不变,平衡向逆反应方向移动
D.K值不变,平衡向正反应方向移动
C
解析 平衡常数K只与温度有关,温度不变K不变。上述反应是一个气体体积减小的反应,减小压强平衡逆向移动,故答案选C。
2.(根据压强的影响规律判断物质的状态)已知化学反应2A( )+B(g) 2C( )达到平衡,当增大压强时,平衡向逆反应方向移动,则该条件下A、C两种物质的聚集状态可能的是( )
A.A是气体,C是固体
B.A、C均为气体
C.A、C均为固体
D.A是固体,C是气体
D
解析 当增大压强时,平衡向逆反应方向移动,则该反应是气体体积增大的可逆反应,由于B是气态,所以根据反应方程式可知,A是固体或液体,而C一定是气体,故D正确。
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
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。
解题技巧 分析改变压强对气体浓度影响时,应注意分成两步进行理解
(1)改变压强,引起气体体积的改变,则气体浓度改变,此时气体浓度的变化是由压强的改变引起的。
(2)平衡发生移动,气体浓度在改变后的浓度基础上发生改变。
4.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的转化率减小
D.物质D的浓度减小
B
解析 容器缩小为原来的一半,这一瞬间A的浓度应变为原来的2倍,平衡移动后变为原来的1.6倍,说明平衡正向移动,选项A错误;a>c+d,选项B正确;A的转化率增大,选项C错误;D的浓度增大,选项D错误。
5.容积一定的恒温密闭容器中加入等物质的量的X、Y,进行如下可逆反应:X(g)+Y(g) Z(g)+W(s) ΔH>0。下列叙述正确的是( )
A.若继续充入X,平衡向正反应方向移动,Y的转化率增大
B.若继续充入Z,平衡逆向移动,Z的体积分数减小
C.若移走部分W,平衡正向移动
D.平衡后移走X,上述反应的ΔH减小
A
解析 B项,通入Z,平衡逆向移动,Z的体积分数增大。C项,W为固体,改变其用量,平衡不移动。D项,ΔH的大小与反应方程式中各物质的化学式前系数及状态有关,与加入反应物的量无关。
视角3 压强对化学平衡影响的图像考查
6.符合图像的反应为( )
B
解析 题图中交点v(正)=v(逆),即该点达到化学平衡状态,增大压强,v(正)、v(逆)均增大,v(正)>v(逆),平衡正向移动,说明反应是气体体积减小的反应,故只有B正确。
7.如图为某化学反应的速率与时间的关系示意图。在t1时刻增大压强,速率的变化都符合示意图的反应是( )
B
8.对于反应N2O4(g) 2NO2(g)在温度一定时,平衡体系中NO2的体积分数φ(NO2)随压强的变化情况如图所示(实线上的每个点为对应压强下的平衡点),下列说法正确的是( )
A.A、C两点的正反应速率的关系为A>C
B.A、B、C、D、E各状态中,v(正)C.维持p1不变,E→A所需时间为x;维持p2不变,D→C所需时间为y,则xD.使E状态从水平方向到达C状态,再沿平衡曲线到达A状态,从理论上来讲可选用的条件是从p1突然加压至p2,再由p2无限缓慢降压至p1
D
解析 增大压强,反应速率加快,由题图知C点压强大于A点压强,所以v(A)v(逆),因此,v(正)p1,所以所需时间x>y,C错误;从p1突然加压至p2,瞬间平衡没有移动,NO2的体积分数不变,反映在图像上就是E状态从水平方向到达C状态,再缓慢降压时,平衡向正反应方向移动,NO2的体积分数逐渐增大,反映在图像上就是C状态沿平衡曲线到达A状态,D正确。(共30张PPT)
第2章 化学反应的方向、限度与速率
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
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,体验科学态度与社会责任的学科核心素养。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
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
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
自我检测
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。
( )
√
×
×
√
×
√
重难探究 能力素养全提升
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 MPa~20 MPa和500~600 ℃下直接合成氨,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。
归纳拓展
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。
应用体验
视角1 合成氨的反应原理
1.合成氨工业的主要反应为N2+3H2 2NH3 ΔH<0,在密闭容器中进行该反应。下列说法正确的是( )
A.其他条件不变,及时分离出NH3,会降低NH3的产率
B.使用催化剂可使N2的转化率达到100%
C.其他条件不变,增大压强不仅能提高转化率,还能缩短到达平衡的时间
D.其他条件不变,温度越高,氨气的产率越高
C
解析 其他条件不变,及时分离出NH3,平衡正向移动,生成NH3的物质的量增大,可提高NH3的产率,A错误;催化剂不能改变平衡转化率,则N2的转化率一定小于100%,B错误;增大压强,反应速率加快,达到平衡所用的时间缩短,由于合成氨反应为气体体积减小的可逆反应,增大压强平衡正向移动,从而提高反应的转化率,C正确;合成氨反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,氨气的产率降低,D错误。
2.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
(填字母)。
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
AC
(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______________。
增大N2或H2的浓度
加入催化剂
降温
4.0 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
视角2 合成氨条件的控制
3.下列关于合成氨工业说法不正确的是( )
A.将原料气进行净化处理,是为了防止其中混有的杂质使催化剂“中毒”
B.合成氨厂一般采用10 MPa~30 MPa的压强,综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素
C.将混合气体中的氨液化有利于合成氨反应
D.根据勒·夏特列原理,500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D
解析 将原料气进行净化处理,是为了防止其中混有的杂质使催化剂“中毒”, A选项正确;合成氨厂一般采用10 MPa~30 MPa的压强,综合考虑了反应速率、转化率和成本等因素,因为压强大,反应速率快,反应物的转化率升高,有利于合成氨,但是压强太高时对仪器设备要求也高,压强过低时反应速率慢,反应物的转化率降低,不利于合成氨,B选项正确;将混合气体中的氨液化,即减小了生成物的浓度,合成氨反应的化学平衡正向移动,有利于合成氨,C选项正确;合成氨是放热反应,升高温度,合成氨反应的化学平衡逆向移动,因此室温比500 ℃左右更有利于合成氨的反应,D选项错误。
4.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
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。
5.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
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。
6.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
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。
视角3 合成氨过程的图像分析
7.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( )
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。
8.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
降低
催化剂能降低反应的活化能
>
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42张PPT)
第2章 化学反应的方向、限度与速率
第3节 第2课时 外界条件对化学反应速率的影响
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,从而形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。
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。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
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:
增加少量固体或纯液体反应物,反应速率不变
压强仅对有气体参与的反应有影响
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。
自我检测
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。( )
√
×
×
√
×
√
重难探究 能力素养全提升
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。
归纳拓展
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:
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称为活化分子。
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。
应用体验
视角1 浓度对化学反应速率的影响
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
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。
视角2 温度对化学反应速度的影响
2.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
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。
视角3 外界条件对反应速率的综合影响
3.改变外界条件可以影响化学反应速率,针对反应H2(g)+I2(g) 2HI(g),其中能使活化分子百分数增加的是( )
①增大反应物浓度 ②压缩容器容积
③升高体系的温度 ④使用催化剂
A.①② B.②③ C.①④ D.③④
D
解析 ①增大反应物浓度,使单位体积内活化分子数增加,但不能使活化分子百分数增加;②压缩容器容积,增大气体的压强,使单位体积内活化分子数增加,但不能使活化分子百分数增加;③升高体系的温度,使活化分子百分数增加;④催化剂能降低反应的活化能,使活化分子百分数增加。③④符合题意,故选D。
4.(2023河北邢台高二月考)下列措施不能改变相应化学反应速率的是
( )
A.在铁制品表面刷油漆——铁的腐蚀速率
B.高炉炼铁增加炉高——CO的反应速率
C.食物放在冰箱中储存——食物的腐败速率
D.烧煤时用煤粉代替煤块——煤的燃烧速率
B
解析 在铁表面刷油漆,可阻止铁与氧气接触反应,降低反应速率,A不符合题意;高炉炼铁增加炉高并不能改变CO的反应速率,故B符合题意;冰箱中温度低,反应速率减慢,故C不符合题意;烧煤时用煤粉代替煤块,增大了固体接触面积,可以提高煤的燃烧速率,故D不符合题意。
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。
视角4 反应速率的大小比较
5.反应A(g)+3B(g)═2C(g)+2D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为
①v(A)=0.45 mol·L-1·min-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
下列有关反应速率的比较正确的是( )
A.④>③=②>① B.④<③=②<①
C.①>②>③>④ D.④>③>②>①
A
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。
归纳拓展
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,且平衡前 v'(正)>v'(逆) 正向 移动
减小反应物的浓度 v(正)、v(逆)均减小,且平衡前 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,且平衡前 v'(逆)>v'(正) 逆向 移动
减小反应产物的浓度 v(正)、v(逆)均减小,且平衡前 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,且平衡前 v'(逆)>v'(正) 逆向 移动
减小压强或降低温度 v(正)、v(逆)均减小,且平衡前 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
应用体验
视角1 v-t图像分析
1.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)
( )
C
解析 分析时要注意改变条件的瞬间v(正)、v(逆)的变化。增大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。
2.在一定条件下发生反应:CO(g)+H2O(g) H2(g)+CO2(g),其逆反应的速率随时间变化曲线如图所示,则t1时改变的条件可能是( )
D
A.增大CO浓度 B.升高温度
C.恒容时充入氩气 D.使用催化剂
解析 增大一氧化碳浓度,正反应速率突然增大,逆反应速率逐渐增大,平衡向正反应方向移动,A错误;升高温度,正、逆反应速率突然增大,由于该正反应为放热反应,故平衡逆向移动,逆反应速率图像为在t1突然增大,随着反应的进行,逆反应速率减小,在t2时达到平衡,图像应为曲线,B错误;恒容时充入氩气,压强增大,但反应物和生成物浓度不变,且反应前后气体的系数不变,故恒容时充入氩气不影响反应速率,C错误;使用催化剂,正、逆反应速率突然增大,且增大程度一样,平衡不移动,图像为直线,D正确。
3.一定条件下,在一容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。
减小压强或使用负催化剂
升高温度
>
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。
视角2 与反应速率有关的其他图像分析
4.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
B
解析 由(T1,p1)和(T1,p2)两条线可以看出,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。
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。(共63张PPT)
第2章 化学反应的方向、限度与速率
第2节 第1课时 化学平衡常数 平衡转化率
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。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
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。
自我检测
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%。( )
×
×
×
×
√
重难探究 能力素养全提升
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
提示不是。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,且容器的容积不变,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。
归纳拓展
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 是
②各物质的质量或质量分数一定 是
③各气体的体积或体积分数一定 是
④总体积、总压强、总物质的量一定 不一定
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 是
②单位时间内消耗了n mol B,同时也消耗了p mol C 是
③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q 不一定
④单位时间内生成了n mol B,同时也消耗了q mol D 不一定
压强 ①其他条件一定、总压强一定,且m+n≠p+q 是
②其他条件一定、总压强一定,且m+n=p+q 不一定
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 是
②平均相对分子质量一定,且m+n=p+q 不一定
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 是
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
②m+n≠p+q时,密度保持不变(恒压容器中) 是
③m+n=p+q时,密度保持不变(恒压容器中) 不一定
颜色 反应体系内有色物质的颜色稳定不变(其他条件不变) 是
应用体验
视角1 可逆反应的理解
1.在下列反应CO+H2O CO2+H2中,加入C18O后,则18O( )
A.只存在于CO和CO2中
B.存在于CO、H2O、CO2中
C.只存在于CO中
D.存在于CO、H2O、CO2、H2中
B
解析 加入C18O后,反应后18O会进入CO2,可逆反应逆向进行,18O可能进入H2O或CO,故18O存在于CO、H2O、CO2中,故答案为B。
2.一定条件下,起始浓度依次为0.4 mol· L-1、0.6 mol· L-1、0.9 mol· L-1的SO2、O2、SO3,发生反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),反应达到平衡时下列数据合理的是( )
A.c平(SO3)=1.3 mol· L-1
B.c平(O2)=1.1 mol· L-1
C.c平(SO2)+c平(SO3)=1.2 mol· L-1
D.c平(O2)+c平(SO2)+c平(SO3)=1.9 mol· L-1
D
解析 假设反应正向进行,设O2的转化浓度为a mol· L-1,三段式为
2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)
起始量/(mol·L-1) 0.4 0.6 0.9
转化量/(mol·L-1) 2a a 2a
平衡量/(mol·L-1) 0.4-2a 0.6-a 0.9+2a
其中0.4-2a>0,0.9+2a>0,即-0.45c平(SO3)=0.9+2a<1.3 mol· L-1,A错误;c平(O2)=0.6-a<1.05 mol· L-1,B错误;根据硫原子守恒,c平(SO2)+c平(SO3)=1.3 mol· L-1,C错误;若加入起始浓度的各种物质之后刚好达到平衡状态,则c平(O2)+c平(SO2)+c平(SO3)=1.9 mol· L-1,D正确。
方法点拨 可逆反应中判断物质浓度范围的方法
由于可逆反应中存在反应的限度,在判断反应物或生成物浓度(或物质的量)范围时,常用极端假设的方法,即“一边倒”,假设全部转化为反应物,可以确定反应物浓度的最大值、生成物浓度的最小值;假设全部转化为生成物,可以确定反应物浓度的最小值、生成物浓度的最大值,从而确定反应物或生成物浓度的取值范围。
视角2 化学平衡状态的判断
3.下列标志可表明对应反应达到平衡状态的是( )
选项 反应条件 可逆反应 标志
A 恒温恒容 H2(g)+I2(g) 2HI(g) 混合气体的密度不变
B 恒温恒容 2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) 混合气体颜色不变
C 恒温恒压 NH2COONH4(s) 2NH3(g)+CO2(g) NH3在混合气体中的百分含量不变
D 恒温恒压 2NO2(g) N2O4(g) c平(NO2)=2c平(N2O4)
B
解析 反应前后混合气体的质量和容器容积均是不变的,混合气体的密度一直不变,所以不一定是平衡状态,A错误。NO2为红棕色气体,容器内混合气体的颜色不变,则NO2浓度不变,化学反应达到平衡状态,B正确。反应中生成的NH3和CO2物质的量之比始终为2∶1,故NH3在混合气体中的百分含量始终保持不变,无法判断反应是否达到平衡状态,C错误。c平(NO2)=2c平(N2O4),无法判断正、逆反应速率相等,故无法判断化学反应是否达到平衡状态,D错误。
4.在一定温度下,容积一定的密闭容器中发生反应A(s)+2B(g) C(g)+D(g),当下列物理量不再发生变化时,表明反应已达平衡的是( )
①混合气体的密度 ②混合气体的压强
③B的物质的量浓度 ④混合气体的总物质的量
A.只有①② B.只有②③
C.只有①③ D.只有①④
C
解析 ①该容器的容积保持不变,根据质量守恒定律知,反应前后混合气体的质量会变,所以容器内气体的密度会变,当容器中气体的密度不再发生变化时,能表明达到化学平衡状态,故正确;②该反应是反应前后气体体积没有变化的反应,容器中的压强始终不发生变化,所以压强不变不能证明达到了平衡状态,故错误;③B的物质的量浓度不变是平衡状态的特征之一,此时能证明达到了平衡状态,故正确;④该反应是一个反应前后气体体积不变的可逆反应,无论该反应是否达到平衡状态,混合气体的总物质的量都不变,所以不能据此判断反应是否达到平衡状态,故错误。
规律方法 判断化学平衡状态的方法——“正逆相等,变量不变”
5.一定条件下的密闭容器中,可逆反应2A(g) B(g)+3C(g)在下列四种状态中处于平衡状态的是( )
D
解析 根据v正(A)=2 mol· L-1·min-1,可得v正(B)=1 mol· L-1·min-1,而v逆(B)=2 mol· L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故A错误;根据v正(A)=1 mol· L-1·min-1,可得v正(B)=0.5 mol· L-1·min-1,而v逆(B)=1.5 mol· L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故B错误;根据v正(A) =2 mol· L-1·min-1,可得v正(C)=3 mol· L-1·min-1,而v逆(C)=1.5 mol· L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故C错误;v正(A)=2 mol· L-1·min-1,v逆(A)=2 mol· L-1·min-1,正、逆反应速率相等,故处于平衡状态,故D正确。
6.(2023福建泉州高二期末统考)已知:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0,一定条件下CO与H2O(g)反应的v-t图像如下。30 min、40 min时分别只改变一个条件。下列说法错误的是( )
A.30 min时,降低体系压强
B.40 min时,增加CO2或H2的浓度
C.平衡常数:K(X)=K(Y)
D.CO转化率:α(X)<α(Y)
D
解析 由题干图像可知,30 min时改变条件后,正、逆反应速率同等幅度地减小,平衡不移动,根据反应前后气体的体积未改变可知,该条件为降低体系压强或使用负催化剂,A正确;由题干图像可知,40 min时改变条件后,逆反应速率突然增大,而后正反应速率逐渐增大,故该条件为增大生成物浓度即增加CO2或H2的浓度,B正确;由A、B分析可知,30 min和40 min时均未改变反应容器的温度,温度不变,平衡常数不变,故平衡常数:K(X)=K(Y),C正确;由A、B分析可知,30 min时改变条件平衡不移动,而40 min时改变条件后平衡逆向移动,CO的转化率减小,即CO转化率:α(X)>α(Y),D错误。
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。
归纳拓展
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。
Qv(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。
应用体验
视角1 平衡常数表达式的书写
C
解析 平衡常数等于生成物浓度的幂次方乘积除以反应物的幂次方乘积;注意固体和纯液体不写在计算式中,则该反应的化学平衡常数 ,答案选C。
视角2 平衡常数与反应的关系
A
视角3 平衡常数的计算与应用
3.(判断反应进行的程度)化学平衡常数K的数值大小是衡量化学反应进行程度的标志,在常温下,下列反应的平衡常数的数值如下:
以下说法正确的是( )
A.常温下,NO分解产生O2的反应的平衡常数表达式为K1=c平(N2)·c平(O2)
B.常温下,2H2O(g)═2H2(g)+O2(g),此时平衡常数的数值约为5×10-82
C.常温下,NO、H2O、CO2三种物质分解放出O2的倾向由大到小的顺序为H2O>NO>CO2
D.常温下,NO分解产生O2的反应进行的程度很大,因此NO不会造成大气污染
B
B
5.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 。
0.1 mol·L-1
>
向逆反应方向进行
向正反应方向进行
(2)升高温度平衡常数增大,说明平衡向右移动,则正反应为吸热反应,ΔH>0。
6.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)。
吸热
830
<
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;若温度不变时加入一定量的N,化学平衡向正反应方向移动,M的转化率增大,K不变。
归纳拓展
1.常用解题模式——“三段式”
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
应用体验
1.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 。
1
减小
解析 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)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%
CD
解析 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H2O的转化率小于25%,D错误。
【变式设问】
通过比较(2)中甲、乙容器中H2O、CO的转化率,你能得出什么结论
提示 经分析α甲(H2O)>α乙(H2O),α甲(CO)<α乙(CO)。
结论:两种反应物参加反应时,提高一种反应物的浓度,可以提高另一种反应物的转化率,而该反应物的转化率会降低。
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。
2.H2S与CO2在高温下发生反应:H2S(g)+CO2(g) OS(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_________
(填字母)。
A.H2S B.CO2
C.COS D.N2
2.5
2.8×10-3
>
>
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。
3.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 。
66.7%
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
4.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。
5.(2020山东化学,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:
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 。
+40.9
解析 (1)根据反应Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,
则ΔH3=ΔH1-ΔH2=-49.5 kJ·mol-1-(-90.4 kJ·mol-1)=+40.9 kJ·mol-1。
(2)开始时,n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol ;
平衡时,混合气体含有CH3OH、CO、CO2、H2、H2O(g)五种气体,其中n(CH3OH)=a mol,n(CO)=b mol 。
根据碳原子守恒,可以确定n(CO2)=(1-a-b) mol ;
根据氧原子守恒,可以确定n(H2O)=[2-a-b-2(1-a-b)] mol =(a+b) mol ;
解题技巧 多重平衡的计算技巧
对于多重平衡的计算,一般不用三段式的方法进行计算,因为运用三段式计算过程繁琐,计算量大,浪费时间。该类题目一般可用守恒法进行计算,根据开始加入的物质和平衡后的已知信息,结合元素守恒或某些物质之间的守恒关系,列出关系式进行计算,计算方法简捷,节约时间,且不易出错。
【特别提醒】 对于反应前后气体体积不变的可逆反应,平衡常数与容器容积无关。(共28张PPT)
第2章 化学反应的方向、限度与速率
第1节 化学反应的方向
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。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
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。
用焓变(能量变化)判断反应进行的方向称为焓判据(能量判据)
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。
用熵变判断反应进行的方向称为熵判据
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
自我检测
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(C9H18O6)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NH3(g)+HCl(g) ==NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0。
( )
√
重难探究 能力素养全提升
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。
归纳拓展
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。
应用体验
视角1 焓判据的应用
1.下列过程的方向能用焓判据判断的是( )
A.湿的衣服经过晾晒变干
B.硝酸铵溶于水
C.水蒸气凝结成水
D.CaCO3(s)═CaO(s)+CO2(g) ΔH>0
C
解析 湿的衣服经过晾晒变干、硝酸铵溶于水吸热、CaCO3分解均为吸热过程,不能用焓判据判断自发进行,故A、B、D错误;水蒸气凝结成水放热,能用焓判据判断,故C正确。
方法点拨 能用焓判据来解释过程自发性的一定为放热过程。
视角2 熵变与熵判据的应用
2.以下说法正确的是( )
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,是熵增加的过程
D.高锰酸钾受热分解是一个熵减小的过程
C
解析 A项,ΔH<0(放热)的反应有的是非自发反应;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。
3.下列反应是熵增反应的是( )
A.NH4HC2O4(s)═NH3(g)+CO(g)+CO2(g)+H2O(g)
B.3F2(g)+8NH3(g)═6NH4F(s)+N2(g)
C.SO2(g)+CaO2(s)═CaSO4(s)
D.C(CH3)4(g)→CH3CH2CH(CH3)2(l)
A
解析 反应NH4HC2O4(s)═NH3(g)+CO(g)+CO2(g)+H2O(g)是固体生成气体的反应,属于熵增反应,故A正确;3F2(g)+8NH3(g)═6NH4F(s)+N2(g)、SO2(g)+CaO2(s)═CaSO4(s)、C(CH3)4(g)→CH3CH2CH(CH3)2(l)都是气体分子数减少的反应,属于熵减反应,故B、C、D错误;答案选A。
视角3 利用化学反应原理判断反应进行方向
4.下列过程属于非自发的是( )
A.电解水制氢气
B.蔗糖在水中溶解
C.冬天水结成冰
D.碳酸钙高温分解
A
解析 电解水制取氢气时需要外加电源,该过程需要外力,所以属于非自发过程,A符合题意;蔗糖在水中溶解不需要外力作用就可以发生,因此属于自发过程,B不符合题意;冬天水结成冰不需要外力作用就可以发生,因此属于自发过程,C不符合题意;在高温条件下碳酸钙发生分解反应,不再需要外力就可以发生,因此该高温条件下的分解过程为自发过程,D不符合题意。
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。
归纳拓展
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。
应用体验
视角1 复合判据的定性判断
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
②
2.(2023内蒙古兴安盟高二校考)下列有关化学反应自发性的叙述错误的是
( )
A.2CO(g)═2C(s)+O2(g) ΔH>0高温可以自发
B.CaCO3(s)═CaO(s)+CO2(g) ΔH>0高温可以自发
C.Si(s)+3HCl(g)═SiHCl3(g)+H2(g) ΔH<0低温可以自发
D.2H2O2(l)═2H2O(l)+O2(g) ΔH<0任何温度下可以自发
A
解析 2CO(g)═2C(s)+O2(g) ΔH>0,气体物质的量减少,ΔS<0,任何温度下不能自发进行,故A错误;CaCO3(s)═CaO(s)+CO2(g) ΔH>0,气体物质的量增多,ΔS>0,高温可以自发,故B正确;Si(s)+3HCl(g)═SiHCl3(g)+H2(g) ΔH<0,气体物质的量减少,ΔS<0,低温可以自发,故C正确;2H2O2(l)═2H2O(l)+O2(g) ΔH<0,气体物质的量增多,ΔS>0,任何温度下可以自发,故D正确。
视角2 复合判据的定量计算
3.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)。
A.905.2 K B.927 K
C.1 273 K D.2 000 K
高温
不能自发进行
927.8 KC
(3)甲烷裂解为炭黑和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。甲烷裂解为乙炔和氢气时,
ΔH-TΔS=376.426 kJ·mol-1-220.211×10-3 kJ· mol-1·K-1×T<0,解得T>1 709.4 K。所以要制取炭黑,温度须控制为927.8 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。
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,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。(共45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
——化学反应选择与反应条件优化
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。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
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
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
【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,既有利于加快反应速率,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。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)理论上说,甲醇与氧气的反应可设计成燃料电池。( )
(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。( )
√
√
√
√
√
重难探究 能力素养全提升
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。
归纳拓展
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。
应用体验
视角1 利用二氧化碳合成甲醇
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
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。
2.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=-48.97 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( )
B
视角2 利用一氧化碳合成甲醇
3.在绝热的某刚性容器中充入1 mol CO和2 mol H2,发生反应:CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g) ΔH。下列说法中能够判断该反应一定处于平衡状态的有( )
①容器中CO、H2、CH3OH共存
②单位时间内生成1 mol CH3OH的同时消耗2 mol H2
③CO(g)与CH3OH(g)体积之比恒定不变
④容器中温度恒定不变
⑤容器中CO、H2、CH3OH的物质的量之比为1∶2∶1
⑥反应容器中压强不随时间变化
A.①②③ B.③④⑥ C.①⑤⑥ D.②⑤⑥
B
解析 ①该反应是可逆反应,无论反应是否达到平衡状态,三种物质都存在,所以容器中三种物质共存时不一定达到平衡状态,①错误;②单位时间内生成1 mol CH3OH的同时消耗2 mol H2,只能表明化学反应正向进行,不能体现正逆反应速率相等,②错误;③只要平衡发生移动,CO(g)与CH3OH(g)体积之比就会发生改变,因此当二者体积的比值恒定不变时,反应达平衡状态,③正确;④只要平衡发生移动,容器中温度就会发生改变,则温度恒定不变时,反应达平衡状态,④正确;⑤容器中CO、H2、CH3OH的物质的量之比为1∶2∶1,这与反应的初始物质的量以及反应的转化程度有关,不能确定是否达到平衡状态,⑤错误;⑥该反应是气体体积缩小的反应,只要未达平衡,各物质的浓度就会发生改变,压强也会发生改变,当压强不随时间而改变时,各物质的浓度不变,反应达平衡状态,⑥正确;综合以上分析,③④⑥符合题意;故选B。
4.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( )
D
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。
1.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。
归纳拓展
2.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。
应用体验
视角1 合成甲醇适宜条件的选择
1.(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)。
>
解析 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)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 (填“>”或“<”) 0。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 。
<
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 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。
2.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。
+36
-63
解析 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)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 (填字母)。
A.增大压强 B.升高温度
C.选择合适的催化剂 D.加入大量催化剂
不是
温度越高化学反应速率越快
升高温度,反应ⅰ平衡逆向移动、催化剂活性降低
AC
解析 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时甲醇产率降低,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)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: 。
Ⅱ
CO促进反应ⅱ平衡逆向移动,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
解析 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ⅱ来说CO是反应产物,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。
视角2 合成有机化合物过程的图像分析
3.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
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。
4.工业上制备合成气的工艺主要是甲烷水蒸气重整: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
C
解析 由题图可知,10 min时反应达到平衡,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
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。
5.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)将水蒸气通过红热的炭即可产生水煤气。反应的热化学方程式为C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH=+131.3 kJ·mol-1。
一定温度下,在一个容积可变的密闭容器中,发生上述反应,下列能判断该反应达到化学平衡状态的是 (填字母,下同)。
a.容器中的压强不变
b.1 mol H—H键断裂的同时断裂2 mol H—O键
c.v正(CO)=v逆(H2O)
d.c(CO)=c(H2)
bc
解析 对于容积可变的密闭容器,无论反应是否达平衡,压强都不变,故a不符合题意;1 mol H—H键断裂表示v逆(H2),断裂2 mol H—O键表示v正(H2O),且正、逆反应速率相等,故b符合题意;c中正、逆反应速率相等,符合题意;根据反应方程式可知,无论反应是否达平衡,都有c(CO)=c(H2),故d不符合题意。
(2)将不同量的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),得到如下三组数据:
①实验1中从开始到平衡以v(CO2)表示的反应速率为 。
②该反应的逆反应为 (填“吸”或“放”)热反应。
③若实验3要达到与实验2相同的平衡状态(即各物质的质量分数分别相等),且t<3 min,则a、b应满足的关系是 (用含a、b的数学式表示,不考虑催化剂)。
0.16 mol·L-1·min-1
吸
b=2a,a>1
②反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)为反应前后气体物质的量不变的可逆反应,根据题表中数据可得,650 ℃时,若在容器中加入1 mol H2O(g)和2 mol CO(g),则平衡时可得H2(g)0.8 mol;而900 ℃时,在容器中加入1 mol H2O(g)和2 mol CO(g),平衡时可得H2(g)0.4 mol,说明升高温度平衡逆向移动,则逆反应为吸热反应。
③根据题意可知,等温、等容条件下气体物质的量不变的可逆反应建立等效平衡(压强不影响该平衡移动),则a∶b=1∶2,t<3 min,即增大反应速率,所以a>1。
(3)目前工业上有一种方法是用CO2来生产甲醇。一定条件下发生反应: CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),如图表示该反应进行过程中能量(单位为kJ·mol-1)的变化。在容积为1 L的恒容密闭容器中,充入1 mol CO2和3 mol H2,下列措施中能使c(CH3OH)增大的是 (填字母)。
a.升高温度
b.充入He(g),使体系压强增大
c.将H2O(g)从体系中分离出来
d.再充入1 mol CO2和3 mol H2
cd
解析 由题图可知,正反应为放热反应,升高温度,平衡左移,c(CH3OH)减小,故a错误;恒容条件下充入He(g),平衡不移动,c(CH3OH)不变,故b错误;将H2O(g)从体系中分离出来,平衡右移,c(CH3OH)增大,故c正确;再充入1 mol CO2和3 mol H2,增大反应物浓度,平衡右移,c(CH3OH)增大,故d正确。