2026届高考化学一轮复习 第9章 化学反应速率与化学平衡 第3节 化学平衡常数及转化率 化学反应的调控 课件（65张PPT）

(共65张PPT)
第9章
第3节　化学平衡常数及转化率　化学反应的调控
课标要求
1.体会从限度的角度认识和调控化学反应的重要性。了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。
2.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。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.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。针对典型案例,能从限度等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
备考指导
1.本节的主要考查内容有:(1)化学平衡常数以及有关计算;(2)化学平衡转化率的判断及相关计算。
2.对化学平衡常数的复习,需抓住以下几点:(1)化学平衡常数的表达式;(2)化学平衡常数的计算;(3)化学平衡常数的应用;(4)利用分压计算平衡常数。
内容索引
01
02
03
第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
第三环节　核心素养提升
第一环节　必备知识落实
知识点1
化学平衡常数
知识筛查
化学平衡常数
(1)表达式。
(2)意义及应用。
①K越大,正反应进行的程度越大,平衡时反应物的转化率越大。当K> 105 时,可以认为反应进行得较完全。
②K越小,正反应进行的程度越小,平衡时反应物的转化率越小。当K< 10-5 时,认为反应很难进行。
(3)影响因素。
①内因:反应物本身的性质。
②外因:只受温度影响,与浓度、压强、催化剂等外界因素无关。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
×
√
√
×
×
C
知识点2
平衡转化率及化学平衡的相关计算
知识筛查
“三段式”法是有效解答化学平衡计算题的“万能钥匙”。解题时,要注意清楚条理地列出起始量、变化量、平衡量,按题目要求进行计算,同时还要注意单位的统一。
1.明确三个量——起始量、变化量、平衡量
(1)反应物的平衡量=起始量-变化量。
(2)生成物的平衡量=起始量+变化量。
(3)各物质变化浓度之比等于它们在化学方程式中的化学计量数之比。变化浓度是联系化学方程式、平衡浓度、起始浓度、转化率、化学反应速率的桥梁。因此,变化浓度是解题的关键。
2.掌握四个百分数
(2)生成物的产率:实际产量占理论产量的百分数。一般来说,转化率越高,原料利用率越高,产率越高。
知识巩固
1.一定温度下,向容积为2 L的恒容密闭容器中通入NO2和O2,发生反应4NO2(g)+O2(g) 2N2O5(g)　ΔH<0,部分实验数据如下表。
下列说法不正确的是(　　)。
A.5 s内NO2的平均反应速率为0.3 mol·L-1·s-1
B.若10 s时,再向容器中充入2 mol N2O5(g),则新平衡下,NO2的体积分数将增大
C.若5 s时,让该反应在绝热恒容条件
下达到平衡,新平衡下的平衡常数比
原平衡的平衡常数小
D.一定温度下,该反应的平衡常数为0.125,反应物的平衡转化率均为50%
时间/s 0 5 10 15
n(NO2)/mol 8.00 n1 n2 4.00
n(O2)/mol 2.00 1.25 1.00 n3
B
解析:由表中数据可知,5 s内n(O2)由2.00 mol减小为1.25 mol,则有v(O2)=
=0.075 mol·L-1·s-1,v(NO2)=4v(O2)=4×0.075 mol·L-1·s-1=0.3 mol·L-1·s-1,A项正确。10 s时,再向容器中充入2 mol N2O5(g),假设将容器扩大至一定比例使之与原平衡等效,再将容器压缩至原体积,相当于在原来的基础上增大压强,平衡向右移动,达到新平衡时,NO2的体积分数减小,B项错误。5 s时,让该反应在绝热恒容条件下达到平衡,此时温度高于原平衡时的温度,由于该反应是放热反应,温度升高,平衡逆向移动,平衡常数减小,故新平衡下的平衡常数比原平衡的小,C项正确。当n(O2)=1.00 mol时,n2=8 mol-1.00 mol×4=4.00 mol,与15 s时n(NO2)相同,则10 s时该反应达到平衡状态,有
2.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,反应物的起始浓度分别为c(M)=1 mol·L-1,c(N)=2.4 mol·L-1。
请回答下列问题:
(1)若达到平衡后,M的转化率为60%,列出“三段式”,计算此时N的平衡浓度是多少
(2)若反应温度升高,该反应的平衡常数、M的转化率如何变化 　。
(3)若反应温度不变,反应物的起始浓度分别为c(M)=4 mol·L-1,c(N)=a mol·L-1;达到平衡后,c(P)=2 mol·L-1,则M的转化率为　　　　,N的起始浓度为　　　　　　　　。
由“三段式”得,N的平衡浓度为1.8 mol·L-1。
(2)由于该反应正向为吸热反应,温度升高,平衡右移,K值增大,M的转化率增大
(3)50%　6 mol·L-1
第二环节　关键能力形成
能力点1
运用化学平衡常数定量研究化学平衡有关问题的能力
整合建构
问题引领
化学平衡常数常见的易错点有哪些
点拨有关平衡常数的几个易错点:
(1)能列入平衡常数表达式的为气体、非水溶液中的H2O、溶液中的溶质;固体与纯液体以及水溶液中H2O的浓度可看为常数,不能列入平衡常数的表达式。
(2)对于同一可逆反应,正反应的平衡常数等于逆反应的平衡常数的倒数,即K正= 。若化学方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小,尽管是同一反应,平衡常数也会发生改变。两反应相加,得到的新反应,其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积;两反应相减,得到的新反应,其化学平衡常数是两反应平衡常数相除得到的商。
训练突破
1.O3是一种很好的消毒剂,具有高效、洁净、方便、经济等优点。O3可溶于水,在水中易分解,产生的[O]为游离氧原子,有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生的反应如下:
下列叙述正确的是(　　)。
A.降低温度,总反应K减小 B.K=K1+K2
C.适当升温,可提高消毒效率 D.压强增大,K2减小
C
解析:降低温度,总反应平衡向右移动,K增大,A项错误。K=K1·K2,B项错误。适当升高温度,反应①平衡向右移动,反应②平衡向左移动,c([O])增大,可提高消毒效率,C项正确。对于给定的反应,平衡常数只与温度有关,D项错误。
2.已知,相关数据见下表:
根据以上信息判断,下列结论错误的是(　　)。
A.a>b
B.增大压强,反应Ⅱ平衡不移动
C.升高温度,反应Ⅲ平衡向正反应方向移动
D.反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应
C
解析:由Ⅰ+Ⅱ=Ⅲ,得K3=K1·K2,则a>2,b<1,a>b,A项正确。反应Ⅱ前后气体分子数相等,增大压强,平衡不移动,B项正确。由a>2、b<1可知,随温度升高,K2、K3均减小,故反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应,D项正确。升温时,反应Ⅱ、Ⅲ均向逆反应方向移动,C项错误。
能力点2
运用“三段式”进行化学反应速率和化学平衡计算的能力
整合建构
“三段式”法——化学速率和平衡计算的一般模式
反应:mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),令A、B的起始物质的量分别为a mol、b mol,达到平衡后,A的消耗量为mx mol,容器容积为V。
　　 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)
起始量/mol a b 0 0
变化量/mol mx nx px qx
平衡量/mol a-mx b-nx px qx
对于反应物:平衡量=起始量-变化量,n(平)=n(始)-n(变)
对于生成物:平衡量=起始量+变化量,n(平)=n(始)+n(变)
问题引领
(1)运用“三段式”解决有关化学反应速率和平衡的计算问题时,应注意什么
(2)如何计算压强平衡常数
点拨(1)运用“三段式”解决有关化学反应速率和平衡的计算问题时,应注意反应物的平衡量等于起始量减去转化量,生成物的平衡量等于起始量加上转化量。在列“三段式”时,首先需要判断反应进行的方向,另外,注意“三段式”的三个量中只有转化量与化学计量数对应成比例。
(2)压强平衡常数的理解和计算。
①Kp含义:在化学平衡体系中,用各气体物质的分压代替浓度,计算出的平衡常数叫压强平衡常数。
②计算方法:第一步,用“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度;第二步,计算各气体组分的物质的量分数或体积分数;第三步,根据分压计算公式,求出各气体物质的分压,某气体的分压=气体总压强×该气体的体积分数(或物质的量分数);第四步,根据压强平衡常数计算公式代入计算。例如:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),压强平衡常数表达式为
训练突破
N2O5是一种新型硝化剂,一定温度下发生反应2N2O5(g) 4NO2(g) +O2(g)　ΔH>0,T1温度下的部分实验数据如下表,则下列说法错误的是(　　)。
A.500 s内N2O5的分解速率为2.96×10-3 mol·L-1·s-1
B.T1温度下的平衡常数为K1=125,1 000 s时转化率为50%
C.其他条件不变时,T2温度下反应到1 000 s时测得N2O5(g)浓度为2.98 mol·L-1,则T1D.T1温度下的平衡常数为K1,T2温度下的平衡常数为K2,若T1>T2,则K1>K2
C
则K1= =125,B项正确。因正反应方向为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,且能较快达到平衡,其他条件不变时,T2温度下反应到1 000 s时测得N2O5(g)浓度为2.98 mol·L-1,比T1温度下浓度高,说明平衡向逆反应方向移动,则T2能力点3
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的能力
整合建构
问题引领
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时,有哪些基本原则 需要综合考虑哪些问题
点拨从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析的基本原则。
(1)从化学反应速率分析,既不能太大,又不能太小。
(2)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,又要注意两者影响的矛盾性。
(3)从原料的利用率分析,增加易得廉价原料,提高难得贵重原料的利用率,从而降低生产成本。
(4)从实际生产能力分析,如设备承受高温、高压的能力等。
(5)注意催化剂的活性对温度的限制。
(6)工业生产中既不能片面地追求高转化率,也不能片面追求高反应速率,应寻找比较高的反应速率并获得适当平衡转化率的反应条件。
化工生产中需要综合考虑的问题。
(1)原料的来源、除杂,尤其考虑杂质对催化剂的影响。
(2)原料的循环利用,反应热的综合利用。
(3)产物的污染处理。
(4)产物的酸碱性对反应的影响。
(5)气体产物的压强对平衡的影响。
(6)改变外界条件对多平衡体系的影响。
(7)化学反应速率与平衡转化率的问题。
(8)催化剂的选择及其活性温度问题。
训练突破
丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。请回答下列问题:
(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1-丁烯(C4H8)的热化学方程式如下:
①C4H10(g)══C4H8(g)+H2(g)　ΔH1
反应①的ΔH1为　　　 kJ·mol-1。图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图,x　　　(填“大于”或“小于”)0.1;欲使丁烯的平衡产率提高,应采取的措施是　　　　(填字母)。
A.升高温度　B.降低温度　C.增大压强　D.减小压强
(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中 的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是 　 。
(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是　　　　　　　　　　　　、　　　　　　　　　　　;590 ℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是 　。
答案:(1)+123　小于　AD
(2)原料中过量的H2会使反应①平衡逆向移动,所以丁烯产率下降
(3)590 ℃前升高温度,反应①平衡正向移动　升高温度时,反应速率增大,单位时间产生的丁烯更多　更高温度导致C4H10裂解生成更多的短碳链烃,故丁烯产率快速降低
解析:(1)根据盖斯定律,②式-③式可得①式,因此ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119 kJ·mol-1+242 kJ·mol-1=+123 kJ·mol-1。由图(a)可以看出,温度相同时,由0.1 MPa 变化到x MPa,丁烷的转化率增大,即平衡正向移动,由于反应①是气体物质的量增大的反应,压强越小平衡转化率越大,所以x的压强更小,x<0.1。由于反应①为吸热反应,所以温度升高时,平衡正向移动,丁烯的平衡产率增大,因此A正确,B错误。由于反应①是气体物质的量增大的反应,加压时平衡逆向移动,丁烯的平衡产率减小,因此C错误,D正确。
(3)590 ℃之前,随温度升高,反应速率增大,反应①是吸热反应,升高温度平衡正向移动,生成的丁烯会更多。温度超过590 ℃,更多的丁烷裂解生成短链烃类,导致丁烯产率快速降低。
第三环节　核心素养提升
【高考真题剖析】
【例题】 (2023浙江卷改编)水煤气变换反应是工业上的重要反应,可用于制氢。
请回答下列问题。
(1)ΔH2=　　　　 kJ·mol-1。
(2)恒定总压1.70 MPa和水碳比[n(H2O)/n(CO)=12∶5]投料,在不同条件下达到平衡时CO2和H2的分压(某成分分压=总压×该成分的物质的量分数)如下表。
分压 p(CO2)/MPa p(H2)/MPa p(CH4)/MPa
条件1 0.40 0.40 0
条件2 0.42 0.36 0.02
①在条件1下,水煤气变换反应的平衡常数K=　　　　。
②对比条件1,条件2中H2产率下降是因为发生了一个不涉及CO2的副反应,写出该反应的化学方程式: 　　　　　　　　　　　　　。
(3)下列说法正确的是　　　　。
A.通入反应器的原料气应避免混入O2
B.恒定水碳比[n(H2O)/n(CO)],增加体系总压可提高H2的平衡产率
C.通入过量的水蒸气可防止Fe3O4被进一步还原为Fe
D.通过充入惰性气体增加体系总压,可提高反应速率
(4)水煤气变换反应是放热的可逆反应,需在多个催化剂反应层间进行降温操作以“去除”反应过程中的余热(如图1所示),保证反应在最适宜温度进行。
图1
图2
图3
①在催化剂活性温度范围内,图2中B-C段对应降温操作的过程,实现该过程的一种操作方法是　　　　。
A.按原水碳比通入冷的原料气
B.喷入冷水(蒸汽)
C.通过热交换器换热
②若采用喷入冷水(蒸汽)的方式降温,在图3中作出CO平衡转化率随温度变化的曲线。
(5)在催化剂活性温度范围内,水煤气变换反应的历程包含反应物分子在催化剂表面的吸附(快速)、反应及产物分子脱附等过程。随着温度升高,该反应的反应速率先增大后减小,其速率减小的原因是 　。
答案:及评分细则(1)+6　
(2)①2　②CO+3H2 CH4+H2O　
(3)AC(用其他形式的字母表示不得分)
(4)①AC(用其他形式的字母表示不得分)
②
(新曲线在平衡曲线下方不得分,新曲线表示CO转化率随温度降低而不变或减小均不得分)
(5)温度过高时,不利于反应物分子在催化剂表面的吸附,从而导致反应物分子在催化剂表面的吸附量及浓度降低,反应速率减小;温度过高还会导致催化剂的活性降低,从而使化学反应速率减小(意思正确即可得分)
根据盖斯定律可知,③=①-②,
则ΔH2=ΔH-ΔH1=(-41.2 kJ·mol-1)-(-47.2 kJ·mol-1)=+6 kJ·mol-1。
(2)①条件1下没有甲烷生成,只发生了水煤气变换反应,该反应是一个气体分子数不变的反应。设在条件1下平衡时容器的总体积为V,参加反应的一氧化碳的物质的量为x mol,根据已知信息可得以下“三段式”:
开始/mol 5 12 0 0
转化/mol x x x x
平衡/mol 5-x 12-x x x
②根据表格中的数据可知,有甲烷生成,氢气的产率降低,且该副反应没有二氧化碳参与,则该反应的化学方程式为CO+3H2 CH4+H2O。
(3)CO和H2都可以与O2反应,则通入反应器的原料气中应避免混入O2,A项正确;该反应前后气体分子数不变,则增加体系总压平衡不移动,不能提高H2的平衡产率,B项错误;通入过量的水蒸气可以促进四氧化三铁被氧化为氧化铁,且过量的水蒸气可以降低体系中CO和H2的浓度,从而防止铁的氧化物被还原为铁单质,C项正确;若保持容器的容积不变,充入惰性气体可增加体系总压,但反应物浓度不变,反应速率不变,D项错误。
(4)①按原水碳比通入冷的原料气,可以降低温度,同时化学反应速率稍减小,导致CO的转化率稍减小,与图中变化相符,A项方法正确;喷入冷水(蒸汽),可以降低温度,但是同时水蒸气的浓度增大,会导致CO的转化率增大,与图中变化不符,B项方法错误;通过热交换器换热,可以降低温度,且不改变投料比,同时化学反应速率稍减小,CO的转化率稍减小,与图中变化相符, C项方法正确。
②喷入冷水(蒸汽),可以降低温度,平衡正向移动,则一氧化碳的平衡转化率增大,新曲线会高于原平衡曲线。
(5)反应物分子在催化剂表面的吸附是一个快速过程,温度过高时,不利于反应物分子在催化剂表面的吸附,从而导致反应物分子在催化剂表面的吸附量及浓度降低,反应速率减小;温度过高还会导致催化剂的活性降低,从而使化学反应速率减小。
【核心素养考查点剖析】本题为化学反应原理综合题,考查了盖斯定律、化学平衡常数的计算、化学平衡的影响因素以及图像分析,难点为平衡常数的计算,反应前后总压强不变,进行数据的处理,得到反应的各项数据,列出三段式,从而计算得到平衡常数。主要考查了考生的“变化观念与平衡思想”。
【典题训练】
(2021全国甲节选)二氧化碳催化加氢制甲醇,有利于减少大气中温室气体二氧化碳的含量。回答下列问题:
(1)二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为:
CO2(g)+3H2(g)══CH3OH(g)+H2O(g)
该反应一般认为通过如下步骤来实现:
①CO2(g)+H2(g)══CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41 kJ·mol-1
②CO(g)+2H2(g)══ CH3OH(g)　 ΔH2=-90 kJ·mol-1
总反应的ΔH=　　　　 kJ·mol-1。
(2)合成总反应在起始物 =3时,在不同条件下达到平衡,设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH),在t=250 ℃下的x(CH3OH)~p、在p=5×105 Pa下的x(CH3OH)~t如图所示。
①用各物质的平衡分压表示总反应的
平衡常数,表达式Kp=　 ;
②图中对应等压过程的曲线是　　　　,
判断的理由是　 　;
③当x(CH3OH)=0.10时,CO2的平衡转化率
α=　　　　,反应条件可能为____________　　　
或　 。
答案:(1)-49
(2)①　
②b　总反应ΔH<0,升高温度时平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量分数变小　
③33.3%　5×105 Pa,210 ℃　9×105 Pa,250 ℃
解析:(1)根据盖斯定律可知,①+②得到总反应,ΔH=ΔH1+ΔH2=+41 kJ·
mol-1-90 kJ·mol-1=-49 kJ·mol-1。
(2)①二氧化碳加氢制甲醇的总反应为CO2(g)+3H2(g)══CH3OH(g)+H2O(g),因此利用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数,表达式Kp= 。
②该反应正向为放热反应,升高温度时平衡逆向移动,体系中x(CH3OH)将减小,因此图中对应等压过程的曲线是b;总反应ΔH<0,升高温度时平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量分数变小。
③设起始n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol,列“三段式”:
3H2(g)+CO2(g) CH3OH(g)+H2O(g)
起始/mol 3 1 0 0
转化/mol 3x x x x
平衡/mol 3-3x 1-x x x
【新情境模拟训练】
天然气的主要成分是甲烷,它是一种重要的化工原料。
(1)CH4与CO2经催化反应可制得合成气:
CH4(g)+CO2(g)══2CO(g)+2H2(g)　ΔH
已知:反应1　CH4(g)══C(s)+2H2(g)　ΔH1=+75 kJ·mol-1
反应2　2CO(g)══ C(s)+CO2(g)　ΔH2=-172 kJ·mol-1
则该催化反应的ΔH=　　　 kJ·mol-1。
(2)工业上可用CO和H2合成二甲醚,反应为2CO(g)+4H2(g)══ CH3OCH3(g)+H2O(g)　ΔH=-204.7 kJ·mol-1。初始条件相同时,分别在A(恒温)、B(绝热)两个容器内反应。反应初始时两容器的反应速率A　 　(填“>”“<”或“=”,下同)B;平衡时CO的转化率A　　　　B。
(3)工业上可用CO和H2合成甲醇,其反应为
CO(g)+2H2(g)══CH3OH(g)　ΔH=-90.1 kJ·mol-1。
温度T时,在容积为2 L的某密闭容器中进行上述反
应,反应过程中相关数据如图所示。
①下列能表明该反应已达到平衡状态的是　 。
②该化学反应10 min内生成CH3OH的反应速率v(CH3OH)=　　　　　　　　。
③该温度下,反应的平衡常数为　　　　(列出计算式即可)。
④若其他条件不变时,15 min时再向容器中加入2 mol CO和x mol H2,平衡时CO的转化率与原平衡相同,则x=　　　　。
答案:(1)+247
(2)=　>
(3)①BD　②0.03 mol·L-1·min-1　③ ④1.2
解析:(1)已知:反应1　CH4(g)══C(s)+2H2(g)　ΔH1=+75 kJ·mol-1
反应2　2CO(g)══C(s)+CO2(g)　ΔH2=-172 kJ·mol-1
根据盖斯定律可知:反应1-反应2得CH4(g)+CO2(g)══2CO(g)+2H2(g)　ΔH=ΔH1-ΔH2=+75 kJ·mol-1-(-172 kJ·mol-1)=+247 kJ·mol-1。
(2)2CO(g)+4H2(g)══CH3OCH3(g)+H2O(g)
ΔH=-204.7 kJ·mol-1是放热反应,初始条件相同时,分别在A(恒温)、B(绝热)两个容器内反应。反应初始时,两容器中反应物的浓度、温度等相同,两容器的反应速率A=B;该反应放热,随反应进行,B中温度高,平衡时CO的转化率A>B。
(3)①v(H2)=2v(CH3OH)不能说明正逆反应速率关系,故A错误;
CO(g)+2H2(g)══CH3OH(g)是气体体积减小的反应,容器中气体的压强不再变化,说明反应达到平衡状态,故D正确。
②该化学反应10 min内生成CH3OH的反应速率
③由图CH3OH、CO、H2的浓度分别是:0.3 mol·L-1、0.7 mol·L-1、0.4 mol·L-1,
④若其他条件不变时,15 min时再向容器中加入2 mol CO和x mol H2,平衡时CO的转化率与原平衡相同,
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
起始/mol 2+2 2+x 0
变化/mol 1.2 2.4 1.2
平衡/mol 2.8 x-0.4 1.2