专题 化学平衡及影响因素(共40张PPT)

(共40张PPT)
专题 化学平衡及影响因素
考题统计
化学平衡及影响因素:
山东卷(2023、2022、2021、2020),湖南卷(2023、2022、2021),湖北卷(2022、2021),广东卷(2023、2022、2021),北京卷(2023、2022、2021),浙江卷(2023、2022、2021、2020),海南卷(2022、2021),辽宁卷(2023、2022、2021),天津卷(2021)
要点1化学平衡状态与平衡移动
课标指引:1.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。　2.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。
聚焦核心要点
1.判断化学平衡状态的方法
2.判断化学平衡移动方向的方法
(1)依据勒夏特列原理判断 前提条件是可逆反应达到化学平衡状态
通过比较改变外界条件时,平衡破坏瞬间的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。
引起v(正)、v(逆)的变化 占优势的反应 化学平衡移动方向
v(正)>v(逆) 正反应占优势 向正反应方向(或向右)移动
v(正)v(正)=v(逆) 双向进行程度相等 化学平衡不移动
(2)根据离子积(Q)与平衡常数(K)的大小判断平衡移动的方向
要点2化工生产中反应条件的选择
课标指引:1.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。　2.针对典型案例,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。
1.化工生产中反应条件的选择方法
(1)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。
(2)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。
(3)从实际生产能力分析,如设备承受高温、高压能力等,注意催化剂的活性对温度的限制。
2.优化和选择化工生产的反应条件
外界 条件 有利于增大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
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
外界 条件 有利于增大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
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
易错辨析
1.增大反应物的量平衡一定会正向移动。(　　)
2.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。(　　)
3.升高温度,化学平衡向吸热反应方向发生移动。(　　)
×
若反应物是固体或纯液体,增大反应物的量,对化学平衡无影响。
×
混合气体的颜色先变深再逐渐变浅。
√
对于吸热反应,升高温度,平衡正向移动。
4.工业合成氨的反应是ΔH<0、ΔS<0的反应,在任何温度下都可自发进行。
(　　)
5.合成氨反应选择在400~500 ℃进行的重要原因是催化剂在500 ℃左右时的活性最大。(　　)
×
工业合成氨的反应在低温下可以自发进行。
√
催化剂的活性受温度的限制。
命题点1化学平衡移动及分析
典例1　(2023·广东卷)催化剂Ⅰ和Ⅱ均能催化反应R(g) P(g)。反应历程(如图)中,M为中间产物。其他条件相同时,下列说法不正确的是(　　)
A.使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行
B.反应达平衡时,升高温度,R的浓度增大
C.使用Ⅱ时,反应体系更快达到平衡
D.使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的
最高浓度更大
精研核心命题
C
解析 由题图可知,使用催化剂Ⅰ和Ⅱ,均存在四个能垒,故反应历程都分为4步进行,A正确;由题图可知,该反应是放热反应,平衡后升高温度,平衡逆向移动,R的浓度增大,B正确;使用Ⅱ时,R→M转化的活化能更大,反应速率比使用Ⅰ更慢,故反应体系达到平衡所需时间更长,C错误;使用Ⅰ时,中间产物M转化为P的活化能更大,反应比使用Ⅱ慢,故反应过程中M所能达到的最高浓度更大,D正确。
变式演练(2023·广东广州一模)恒容密闭容器中,以硫(S8)与CH4为原料制备CS2,S8受热分解成气态S2,发生反应2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)　ΔH。CH4的平衡转化率、S2的体积分数随温度的变化曲线如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.ΔH>0
B.温度升高,S8分解率增大,S2体积分数增大
C.向平衡体系中充入稀有气体,平衡向右移动
D.其他条件相同,S2体积分数越大,CH4平衡转化率越小
B
解析 温度升高,CH4的平衡转化率降低,S2的体积分数升高,说明升高温度,平衡逆向移动,则该反应的正反应是放热反应,即ΔH<0,A错误;S8分解成S2需要吸收热量,S8(g) 4S2(g)　ΔH>0,升高温度,该平衡正向移动,S8分解率增大,则S2体积分数增大,B正确;恒温恒容体系中,通入稀有气体,原平衡体系中各气体浓度均未变化,则平衡不移动,C错误;其他条件不变时,S2体积分数增大,即c(S2)越大,则平衡正向进行的程度越大,CH4的平衡转化率越大,D错误。
【思维建模】解答化学平衡移动及分析类题目的思维模型
命题点2化工生产条件的分析及选择
典例2　(2023·辽宁卷,18节选)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化:
(1)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度,绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如下图所示,下列说法正确的是
　　　　(填字母)。
a.温度越高,反应速率越大
b.α=0.88的曲线代表平衡转化率
c.α越大,反应速率最大值对应温度越低
d.可根据不同α下的最大速率,选择最佳生产温度
cd
(2)为提高钒催化剂的综合性能,我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下,温度和转化率关系如下图所示,催化性能最佳的是　　　　　(填字母)。
d
解析 (1)该反应为放热反应。从图像看,随着温度升高,反应速率先增大后减小,a错误;随着温度升高,反应的转化率应逐渐减小,图像中曲线为不同温度下的等转化率下的反应速率曲线,b错误;由题图可知,转化率越高对应的反应速率最高的温度越低,c正确;结合图像的转化率与速率最高的温度可选取最佳生产温度,d正确。
(2)结合图像可知,相对于a、b、c,d对应的催化剂随着温度的升高,SO2的转化率升高得快,达到一定温度后趋于平缓。
变式演练(2023·北京东城区一模)CH4/CO2催化重整的反应为①CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)　ΔH1,其中积炭是导致催化剂失活的主要原因。产生积炭的反应有:
②CH4(g) C(s)+2H2(g)　ΔH2=+74.6 kJ·mol-1
③2CO(g) C(s)+CO2(g)　ΔH3=-172.5 kJ·mol-1
科研人员研究压强对催化剂活性的影响,在1 073 K时,将恒定组成的CO2、CH4混合气体,以恒定流速通过反应器,测得数据如图。
科研人员研究压强对催化剂活性的影响,在1 073 K时,将恒定组成的CO2、CH4混合气体,以恒定流速通过反应器,测得数据如图。
A.ΔH1=+247.1 kJ·mol-1
B.压强越大,Ra降低越快,其主要原因是反应①平衡逆向移动
C.保持其他条件不变,适当增大投料时 ,可减缓Ra的衰减
D.研究表明“通入适量O2有利于重整反应”,因为O2能与C反应并放出热量
答案 B　
解析 根据盖斯定律,由反应②-③可得①,则有ΔH1=ΔH2-ΔH3
=(+74.6 kJ·mol-1)-(-172.5 kJ·mol-1)=+247.1 kJ·mol-1,A正确;压强越大,Ra降低越快,说明催化剂活性降低越快,积炭越多,其主要原因是反应③为气体体积减小的反应,加压平衡正向移动,使得积炭增多,B错误;保持其他条件不变,适当增大投料时 ,增大CO2浓度,使反应③平衡逆向移动,减少积炭,可减缓Ra的衰减,C正确;通入适量O2,O2能与C反应并放出大量的热,可减少积炭减缓Ra的衰减,同时反应放热使得反应①正向移动,有利于重整反应,D正确。
练真题·明考向
1.(2023·北京卷)下列事实能用平衡移动原理解释的是(　　)
A.H2O2溶液中加入少量MnO2固体,促进H2O2分解
B.密闭烧瓶内的NO2和N2O4的混合气体,受热后颜色加深
C.铁钉放入浓硝酸中,待不再变化后,加热能产生大量红棕色气体
D.锌片与稀硫酸反应过程中,加入少量CuSO4固体,促进H2的产生
训练分层落实
B
解析 MnO2作催化剂会催化H2O2分解,与平衡移动无关,A错误;NO2转化为N2O4的反应是放热反应,升温平衡逆向移动,NO2浓度增大,混合气体颜色加深,B正确;铁在浓硝酸中钝化,加热会使表面的氧化膜溶解,铁与浓硝酸反应生成大量红棕色气体,与平衡移动无关,C错误;加入硫酸铜以后,锌置换出铜,构成原电池,从而使反应速率加快,与平衡移动无关,D错误。
2.(2022·浙江6月选考卷)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
C.取氯水稀释, 增大
D.取两份氯水,分别滴加AgNO3溶液和淀粉KI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
D
解析 HClO受热易分解,升高温度,HClO分解,平衡正向移动,c(HClO)减小,A正确;氯水中加入少量醋酸钠固体,CH3COO-和H+结合生成CH3COOH,c(H+)减小,平衡正向移动,c(HClO)增大,B正确;氯水稀释,平衡正向移动,而c(HClO)和c(Cl-)均减小,但HClO本身存在电离平衡HClO H++ClO-,稀释促进了HClO的电离,使c(HClO)减少更多,故 增大,C正确;氯水中加AgNO3溶液产生白色沉淀,证明溶液中有Cl-,氯水中加淀粉KI溶液,溶液变蓝,证明溶液中有强氧化性物质,而Cl2和HClO都有强氧化性,不能证明反应物和生成物共存,即不能证明上述反应存在限度,D错误。
3.(2022·江苏卷)乙醇-水催化重整可获得H2。其主要反应为
C2H5OH(g)+3H2O(g) ══ 2CO2(g)+6H2(g)　ΔH=+173.3 kJ·mol-1
CO2(g)+H2(g) ══ CO(g)+H2O(g)　
ΔH=+41.2 kJ·mol-1
在1.0×105 Pa、n始(C2H5OH)∶n始(H2O)=1∶3时,若仅考虑上述反应,平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化
B.升高温度,平衡时CO的选择性增大
C.一定温度下,增大 可提高乙醇平衡转化率
D.一定温度下,加入CaO(s)或选用高效催化剂,均能提高平衡时H2产率
答案 B　
解析 两个反应均为吸热反应,升高温度均使平衡正向移动。根据信息可知,CO与CO2的选择性之和为100%,二者变化趋势相反,只有第二个反应生成CO,故升高温度,CO的选择性升高(曲线③),CO2的选择性降低(曲线①),表示氢气产率的应该是曲线②,A错误,B正确;增大乙醇与水的投料比,可提高水的平衡转化率,但乙醇的平衡转化率会降低,C错误;加CaO(s)能吸收CO2,促进第一个反应正向进行,第二个反应逆向进行,可以提高H2产率,但使用催化剂不能提高平衡时H2产率,D错误。
练易错·避陷阱
4.(2023·天津十二区重点校联考)对于可逆反应2NO2(g) N2O4(g),下列说法错误的是(　　)
A.当2v正(N2O4)=v逆(NO2)时,该反应达到平衡状态
B.该反应在一定条件下能自发进行,则ΔH<0
C.恒温恒容条件下,若混合气体的颜色保持不变,则该反应达到平衡状态
D.恒温恒容条件下,达平衡状态后,再充入一定量的NO2,NO2转化率将减小
D
解析 v正(N2O4)代表正反应速率,v逆(NO2)代表逆反应速率,当2v正(N2O4)=v逆(NO2)时,正、逆反应速率之比等于其化学计量数之比,该反应达到平衡状态,A正确;该反应的ΔS<0,在一定条件下能自发进行,应满足ΔH-TΔS<0,推知ΔH<0,B正确;恒温恒容条件下,若混合气体的颜色保持不变,说明c(NO2)不变,则该反应达到平衡状态,C正确;恒温恒容条件下,达平衡状态后,再充入一定量的NO2,相当于增大压强,而增大压强,平衡正向移动,NO2的转化率增大,D错误。
5.(2023·辽宁沈阳一模)某温度下,恒容密闭容器内加入等物质的量H2和I2发生反应H2(g)+I2(g) 2HI(g),v(正)=k(正)c(H2)·c(I2),k为速率常数。反应一段时间后达到平衡。下列说法中错误的是(　　)
B.加入一定量HI,混合气体颜色变深
C.加入一定量氩气,容器内压强增大,反应速率不变
D.加入等物质的量的H2和I2,H2转化率不变
A
解析 若 =8.99,则有k正(308 K)>k正(298 K),k为速率常数,升高温
度,k(正)原本就增大,故不能判断该反应是吸热反应还是放热反应,A错误;加入一定量HI(g),平衡逆向移动,I2浓度增大,混合气体颜色变深,B正确;加入一定量氩气,容器容积和各反应物的浓度不变,则反应速率不变,C正确;加入等物质的量的H2和I2相当于增大压强,该反应是气体体积不变的反应,增大压强,平衡不移动,故H2转化率不变,D正确。
练预测·押考向
6.利用NH3可以消除氮氧化物对环境的污染。除去NO的主要反应:4NH3(g)+6NO(g) 5N2(g)+6H2O(l)　ΔH<0。某研究小组将4 mol NH3和6 mol NO充入2 L密闭容器中,在有氧和无氧条件下,分别测得NO的转化率随温度变化的情况如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.在5 min内,温度由420 K升高到580 K,该段
时间内反应速率v(NO)=0.342 mol·L-1·min-1
B.相同条件下,O2的存在有利于NO的去除
C.在有氧条件下,温度升高到580 K之后,NO转化率降低的原因可能是平衡逆向移动
D.在无氧条件下,温度由420 K升高到580 K时,平衡逆向移动
D
解析 420 K时,NO的转化率为2%,此时消耗n(NO)=6 mol×2%=0.12 mol;580 K时NO的转化率为59%,此时消耗n(NO)=6 mol×59%=3.54 mol,此时段内消耗NO的物质的量为3.54 mol-0.12 mol=3.42 mol,则反应速率
0.342 mol·L-1·min-1,A正确;由题图示可知,相同条件下有O2存在的条件下,NO的转化率明显增大,故O2的存在有利于NO的去除,B正确;该反应为放热反应,580 K反应达到平衡后,温度升高,平衡逆向移动,NO的转化率降低,或者NH3在高温情况下被氧气氧化为NO,从而降低了NO的转化率,C正确;在无氧条件下,温度由420 K升高到580 K时,NO的转化率略有增大,此时可能是温度升高反应速率加快,使得NO的转化率略有增大,但平衡不可能逆向移动,D错误。
7.草酸二甲酯[(COOCH3)2]催化加氢制乙二醇的反应体系中,发生的主要反应为
反应Ⅰ:(COOCH3)2(g)+2H2(g) CH3OOCCH2OH(g)+CH3OH(g)　ΔH1<0
反应Ⅱ:(COOCH3)2(g)+4H2(g) HOCH2CH2OH(g)+2CH3OH(g)　ΔH2<0
压强一定的条件下,将(COOCH3)2、H2按一定比例、流速通过装有催化剂的反应管,测得(COOCH3)2的转化率及CH3OOCCH2OH、HOCH2CH2OH的选择性
与温度的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.曲线B表示HOCH2CH2OH的选择性随温度变化
B.190~198 ℃范围内,温度升高,(COOCH3)2的平衡转化率增大
C.190~198 ℃范围内,温度升高, 逐渐减小
D.192 ℃时,其他条件一定,加快气体的流速可以提高(COOCH3)2的转化率
答案 C　
解析 曲线A上CH3OOCCH2OH选择性为50%时,曲线C表示HOCH2CH2OH的选择性恰好为50%,则曲线C表示HOCH2CH2OH的选择性随温度变化,A错误;两反应均为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,190~198 ℃范围内,温度升高,(COOCH3)2的平衡转化率减小,B错误;190~198 ℃范围内,温度升高,反应Ⅱ的选择性增大,升高温度,对于放热反应,平衡逆向移动,每减少2 mol CH3OH,只减少1 mol HOCH2CH2OH,HOCH2CH2OH减小的幅度小于
CH3OH,故 逐渐减小,C正确;192 ℃时,其他条件一定,加快气体的流速,反应物(COOCH3)2转化率降低,D错误。