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2022届高考新教材化学人教版一轮复习学案：第七单元 第3节 化学平衡常数 化学反应的方向
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这是一份2022届高考新教材化学人教版一轮复习学案：第七单元 第3节 化学平衡常数 化学反应的方向，共24页。
第3节 化学平衡常数 化学反应的方向
备考要点
素养要求
1.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。
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。
3.了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。
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。
1.平衡思想——从化学平衡常数的角度认识化学平衡的定量关系,并用化学平衡常数解决问题。
2.证据推理——领会用有关浓度进行平衡常数的计算及利用平衡常数计算转化率等。
3.模型认知——利用Q与K的关系进行平衡移动的定量判断,同时会利用焓变、熵变判断反应进行的方向。
考点一 化学平衡常数
必备知识自主预诊
知识梳理
1.定义
在一定温度下,一个可逆反应达到化学平衡时,生成物 与反应物 的比值是一个常数,用符号 表示。
2.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K= (固体和纯液体的浓度视为常数)。
3.意义
(1)K的大小反映了化学反应进行的程度。K越大,反应物的转化率越 ,正反应进行的程度越 。当K≥105时,该反应就进行得基本完全了。
(2)K的大小只能预示某可逆反应向某方向进行的最大限度,不能预示反应达到平衡所需要的时间。
(3)K只受 影响,与反应物或生成物的浓度变化无关,与压强变化无关。
4.应用
(1)利用化学平衡常数,可判断反应是否达到平衡或反应进行的方向。
对于化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商Q= 。
Q
Q>K,反应向 反应方向进行。
(2)利用K可判断反应的热效应:若升高温度,K增大,则正反应为 热反应;若升高温度,K减小,则正反应为 热反应。
(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,可列方程求解。
(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1n),则相应的平衡常数也会变为原来的n次幂或1n次幂。
自我诊断
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(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。( )
2.在一定温度下,已知以下三个反应的平衡常数:
反应①:CO(g)+CuO(s)CO2(g)+Cu(s) K1
反应②:H2(g)+CuO(s)Cu(s)+H2O(g) K2
反应③:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) K3
(1)反应①的平衡常数表达式为 。
(2)反应③的K3与K1、K2的关系是K3= 。
关键能力考向突破
考向1 化学平衡常数表达式及其影响因素
【典例1】(双选)(2020陕西西安铁一中学质检)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:
反应① O3O2+[O] ΔH>0 平衡常数为K1;
反应② [O]+O32O2 ΔH<0 平衡常数为K2;
总反应:2O33O2 ΔH<0 平衡常数为K。
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
对点演练1(2020湖南长沙八校联考)将一定量的SO2(g)和O2(g)分别通入体积为2 L的恒容密闭容器中,在不同温度下进行反应,得到如下表中的两组数据:
实验
编号
温度
/℃
平衡
常数
起始量/mol
平衡量/mol
达到平衡
所需时间
/min
SO2
O2
SO2
O2
1
T1
K1
4
2
x
0.8
6
2
T2
K2
4
2
0.4
y
t
下列说法中不正确的是( )
A.x=2.4
B.T1、T2的关系:T1>T2
C.K1、K2的关系:K2>K1
D.实验1在前6 min的反应速率v(SO2)=0.2 mol·L-1·min-1
误区警示平衡常数表达式书写的注意事项
(1)不要把反应体系中纯固体、纯液体以及水溶液中水的浓度列入平衡常数的表达式中。
(2)非水溶液中发生的反应,若有水参加或生成,则此时水的浓度不可视为常数,应列入平衡常数的表达式中。
(3)若进行的反应为离子反应时,书写其化学平衡常数时应先改写成离子反应再进行书写。如Cl2+H2OH++Cl-+HClO的化学平衡常数为K=c(H+)·c(Cl-)·c(HClO)c(Cl2)。
(4)同一化学反应,化学方程式写法不同,其平衡常数表达式及数值亦不同。如:
N2O4(g)2NO2(g) K=c2(NO2)c(N2O4)
12N2O4(g)NO2(g) K'=c(NO2)c12(N2O4)=K
2NO2(g)N2O4(g) K″=c(N2O4)c2(NO2)=1K
(5)有气体参与的反应,用平衡分压(总压乘以各自的物质的量分数)表示平衡常数。
如对于反应2A(g)+B(s)C(g),若达到平衡时,n(A)=n1,n(C)=n2,密闭体系的压强为p,则K=p·n2n1+n2(p·n1n1+n2)2=n2(n1+n2)pn12。
考向2 利用平衡常数判断反应状态及其反应热
【典例2】(双选)(2020云南大理州统测)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),已知该反应的平衡常数与温度的关系如下表:
温度/℃
25
80
230
平衡常数
5×104
2
1.9×10-5
下列说法不正确的是( )
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2×10-5
C.80 ℃达到平衡时,测得n(CO)=0.3 mol,则Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L-1
D.在80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO浓度均为0.5 mol·L-1,则此时v(正)>v(逆)
对点演练2(1)某温度下,反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)中SO2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。将2.0 mol SO2和1.0 mol O2置于10 L密闭容器中,反应达平衡后,体系总压强为0.10 MPa。平衡状态由A变到B时,平衡常数K(A) (填“>”“<”或“=”)K(B),B点的化学平衡常数是 。
(2)在一个固定容积为5 L的密闭容器中充入0.20 mol SO2和0.10 mol O2,t1时刻达到平衡,测得容器中含SO3 0.18 mol 。
①t1时刻达到平衡后,改变一个条件使化学反应速率发生如图所示的变化,则改变的条件是 。
A.体积不变,向容器中通入少量O2
B.体积不变,向容器中通入少量SO2
C.缩小容器体积
D.升高温度
E.体积不变,向容器中通入少量氮气
②若继续通入0.20 mol SO2和0.10 mol O2,则平衡 (填“向正反应方向”“向逆反应方向”或“不”)移动,再次达到平衡后, mol
(1)判断反应状态:对于可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),在一定温度下的任意时刻,由反应物与生成物浓度可得,Q=cc(C)·cd(D)ca(A)·cb(B)。Q和平衡常数K有如下关系:
Qv(逆)=K 反应处于化学平衡状态,v(正)=v(逆)>K 反应向逆反应方向进行,v(正)
升高温度K增大→正反应为吸热反应K减小→正反应为放热反应
降低温度K增大→正反应为放热反应K减小→正反应为吸热反应
考向3 化学平衡常数、转化率的有关计算
【典例3】已知反应X(g)+Y(g)R(g)+Q(g)的平衡常数与温度的关系如下表所示。830 ℃时,向一个2 L的密闭容器中充入0.2 mol X和0.8 mol Y,反应初始4 s内v(X)=0.005 mol·L-1·s-1。下列说法正确的是( )
温度/℃
700
800
830
1 000
1 200
平衡常数
1.7
1.1
1.0
0.6
0.4
A.4 s时容器内c(Y)=0.76 mol·L-1
B.830 ℃达平衡时,X的转化率为80%
C.反应达平衡后,升高温度,平衡正向移动
D.1 200 ℃时反应R(g)+Q(g)X(g)+Y(g)的平衡常数K=0.4
对点演练3在一个容积为2 L的密闭容器中,加入0.8 mol A2气体和0.6 mol B2气体,一定条件下发生反应A2(g)+B2(g)2AB(g) ΔH<0,反应中各物质的浓度随时间的变化情况如图所示,下列说法不正确的是( )
A.图中a的值为0.15
B.该反应的平衡常数K=0.03
C.温度升高,平衡常数K值减小
D.平衡时A2的转化率为62.5%
深度指津“三段式”突破平衡常数(K)、转化率的相关计算
(1)一个模式——“三段式”。
如反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为amol·L-1、bmol·L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mxmol·L-1。
mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
起始/(mol·L-1) a b 0 0
变化/(mol·L-1) mx nx px qx
平衡/(mol·L-1) a-mx b-nx px qx
K=(px)p·(qx)q(a-mx)m·(b-nx)n。
(2)明确三个量的关系。
①三个量:即起始量、变化量、平衡量。
②关系。
a.对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量。
b.对于同一生成物,起始量+变化量=平衡量。
c.各反应物转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。
(3)掌握四个公式。
①反应物的转化率=n(转化)n(起始)×100%=c(转化)c(起始)×100%。
②生成物的产率:实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲,转化率越大,原料利用率越高,产率越大。
产率=实际产量理论产量×100%。
③平衡时混合物中某一组分的质量分数=某一组分平衡时的质量平衡时各物质的总质量×100%。
④某组分的体积分数=某一组分的物质的量混合气体总的物质的量×100%。
考点二 化学反应速率和化学平衡的图像
必备知识自主预诊
知识梳理
1.转化率(或百分含量)—时间—温度(或压强)图像
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,可推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。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 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 反应。
③图丙中,a表示使用了 或 (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
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,平衡正向移动,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,则平衡逆向移动,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)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)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 。
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)。
自我诊断
判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(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。( )
关键能力考向突破
考向1 有“断点”的图像
【典例1】对于达到平衡的可逆反应X+YW+Z(已配平),在t时刻增大压强(其他条件不变),正、逆反应速率(v)变化的情况如图所示。下列对X、Y、W、Z四种物质状态的描述正确的是( )
A.W、Z均为气体,X、Y中只有一种为气体
B.X、Y均为气体,W、Z中只有一种为气体
C.X、Y或W、Z中均只有一种为气体
D.X、Y均为气体,W、Z均为液体或固体
对点演练1在密闭容器中进行反应X(g)+3Y(g)2Z(g),有关图像的说法不正确的是( )
A.依据图a可判断该反应的正反应为放热反应
B.在图b中,虚线可表示使用了催化剂
C.若正反应的ΔH<0,图c可表示升高温度使平衡向逆反应方向移动
D.由图d中气体平均相对分子质量随温度的变化情况可推知,正反应的ΔH>0
规律小结分析速率图像中改变的条件
改变条件后速率图像中有一个速率出现连续性,则改变的条件一定是浓度;对于一个反应前后气体体积发生变化的反应来说,如果正、逆反应速率变化程度相等,改变的条件一定是催化剂;对于一个反应前后气体体积不变的反应来说,如果正、逆反应速率变化程度相等,改变的条件可能是压强,也可能是催化剂。若“断点”后的速率增大,且正、逆反应速率增大程度不同,则可能是升高温度或增大压强;若“断点”后的速率减小,且正、逆反应速率减小程度不同,则可能是降低温度或减小压强;再利用平衡移动方向作出具体的判断。
考向2 有“拐点”的图像
【典例2】(双选)(2020山东胶南模拟)汽车尾气中NO产生的反应为N2(g)+O2(g)2NO(g)。一定条件下,等物质的量的N2(g)和O2(g)在恒容密闭容器中反应,图中曲线a表示该反应在温度T时N2的浓度随时间的变化,曲线b表示该反应在某一起始反应条件改变时N2的浓度随时间的变化。下列叙述正确的是( )
A.温度T时,该反应的平衡常数K=4(c0-c1)2c12
B.温度T时,随着反应的进行,混合气体的密度减小
C.曲线b对应改变的条件可能是加入了催化剂
D.若曲线b对应改变的条件是温度,可判断该反应的ΔH>0
对点演练2(2020陕西西安模拟)在容积一定的密闭容器中给定物质A、B、C的量,在一定条件下发生反应aA(g)+bB(g)xC(g)并达到平衡,且符合下图所示的关系(C%表示平衡混合气中产物C的百分含量,T表示温度,p表示压强)。则图中Y是指( )
A.反应物A的百分含量
B.平衡混合气中物质B的百分含量
C.平衡混合气的密度
D.平衡混合气的平均摩尔质量
规律方法有关“拐点”图像的分析方法
同一可逆反应,若反应条件不同,达到平衡所用的时间也可能不同,反映到图像出现“拐点”的时间也就有差异。图像中先出现“拐点”的反应先达到平衡,即反应所处的外界条件(温度、压强、浓度)相对要高一些,或者是加入了催化剂。
考向3 由平滑曲线组成的图像
【典例3】T℃时,在一固定容积的密闭容器中发生反应A(g)+B(g)C(s) ΔH<0,按照不同配比充入A、B,达到平衡时容器中A、B浓度变化如图中曲线(实线)所示,下列判断正确的是( )
A.T℃时,该反应的平衡常数的值为4
B.c点没有达到平衡,此时反应向逆反应方向进行
C.若c点为平衡点,则此时容器内的温度高于T℃
D.T℃时,直线cd上的点均为平衡状态
对点演练3某化学小组研究在其他条件不变时,在密闭容器中改变某一条件对反应A2(g)+3B2(g)2AB3(g)化学平衡状态的影响,得到如图所示的曲线(图中T表示温度,n表示物质的量)。下列判断正确的是( )
A.在T2和n(A2)起始不变时达到平衡,AB3的物质的量大小为c>b>a
B.若T2>T1,则正反应一定是放热反应
C.达到平衡时A2的转化率大小为b>a>c
D.若T2>T1,达到平衡时b、d点的反应速率为vd>vb
考点三 化学反应的方向 化学反应的调控
必备知识自主预诊
知识梳理
1.自发反应
(1)含义:在温度和压强一定的条件下 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 状态转变为 状态(体系对外部 或 热量)。
②在密闭条件下,体系有从 转变为 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:
合
成
氨
反
应—可逆性:反应为 反应
—体积变化:正反应是气体体积 的反应
—焓变:ΔH 0
(3)影响因素:
①增大合成氨反应速率的措施: 温度、 压强、 反应物浓度、 等。
②提高平衡混合气体中氨含量的措施: 温度、 压强、 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 。
(2)温度:一般采用的温度为 。
(3)催化剂:工业上合成氨普遍使用的是以 为主体的多成分催化剂,又称 。
自我诊断
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(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,因此该反应是熵增反应。( )
(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。( )
2.(1)ΔH和ΔS的作用相反,且相差不大时, 对反应的方向起决定性作用。当ΔH<0,ΔS<0时, 下反应能自发进行;当ΔH>0,ΔS>0时, 下反应能自发进行。
(2)反应NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)在室温下可自发进行的理由是 ,CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)在高温下可自发进行的理由是 。
关键能力考向突破
考向1 化学反应的方向
【典例1】(2020山东临沂测试)下列说法不正确的是( )
A.焓变是反应能否自发进行相关的因素之一,放热反应具有自发进行的倾向
B.在不同条件下同一物质有不同的熵值,其体系的混乱程度越大,熵值越大
C.自发反应是指不需要条件就能发生的反应
D.一个反应能否自发进行是焓变和熵变共同影响的结果
对点演练1下列反应在任何温度下均能自发进行的是( )
A.2N2(g)+O2(g)2N2O(g) ΔH=+163 kJ·mol-1
B.Ag(s)+12Cl2(g)AgCl(s) ΔH=-127 kJ·mol-1
C.HgO(s)Hg(l)+12O2(g) ΔH=+91 kJ·mol-1
D.H2O2(l)12O2(g)+H2O(l) ΔH=-98 kJ·mol-1
规律小结焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响
ΔH
ΔS
ΔH-TΔS
反应情况
-
+
<0
在任何温度下反应均自发进行
+
-
>0
在任何温度下反应均不能自发进行
+
+
高温时为负
低温时非自发,高温时自发
-
-
低温时为负
低温时自发,高温时非自发
考向2 化学反应的调控
【典例2】(2020山东泰安一中月考)有关合成氨工业的说法正确的是( )
A.增大H2的浓度,可提高H2的转化率
B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中可循环使用,所以总体来说氨的产率很高
C.合成氨工业的反应温度控制在400~500 ℃,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10~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大
对点演练2有平衡体系:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0。为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应
采取的正确措施是( )
A.高温,高压
B.适宜温度,高压,催化剂
C.低温,低压
D.高温,高压,催化剂
拓展升华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
不需要
加合适的催化剂
温度
高温
△H<0
低温
兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度
△H>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
网络构建
核心速记
1.化学平衡常数
2.化学反应的方向
3.化学反应的调控
1.化学平衡常数的3个应用
(1)判断反应进行的程度。
(2)由Q与K的大小判断某时刻反应进行的方向。
(3)计算平衡浓度和转化率。
2.判断化学反应的方向
ΔH-TΔS>0,反应不能自发进行=0,反应达到平衡状态<0,反应能自发进行
3.合成氨工业中选择的生产条件
(1)压强:10~30 MPa
(2)温度:400~500 ℃
(3)催化剂:铁触媒
11
学科素养提升
运用变化观念与平衡思想解决图像表格类试题
素养解读
图像表格类试题是以图像、图形和表格为试题的信息来源,以化学中的基本概念、基本理论、元素化合物和化学实验等知识为载体,精心设计问题的一种信息处理和分析题。主要考查学生实验设计能力,数据读取、分析与处理能力,图像的识别与分析能力。化学核心素养要求学生能依据新发现、新信息,分析、评价已有的认识模型,能指出存在的问题,提出改进、优化模型的意见。通过对图像、表格类试题信息的规范审读,进一步提高学生获取信息的能力。
案例探究
情境:以下是接触法制硫酸工艺的主要设备和主要生产流程:
生产阶段
SO2的制取和净化
SO2氧化成SO3
吸收SO3生成硫酸
主要原料
黄铁矿(或硫黄)、空气
—
98.3%
浓硫酸
主要化
学反应
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
2SO2+O22SO3
SO3+H2OH2SO4
主要设备
沸腾炉
接触室
吸收塔
工艺要求
矿石粉碎,炉气净化
用两层催化剂
用热交换器
用98.3%的浓硫酸吸收SO3
主要排放
矿渣、矿尘、洗涤液
—
尾气
【典例】(2020全国1,28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)+12O2(g)SO3(g) ΔH=-98 kJ·mol-1。
(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)。
(3)研究表明,SO2催化氧化的反应速率方程为:
v=kαα'-10.8(1-nα')
式中:k为反应速率常数,随温度t升高而增大;α为SO2平衡转化率,α'为某时刻SO2转化率,n为常数。在α'=0.90时,将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程,得到v-t曲线,如图所示。
曲线上v最大值所对应温度称为该α'下反应的最适宜温度tm。ttm后,v逐渐下降。原因是
。
解析(1)要分析反应在5.0MPa、500℃时的α,首先必须判断此时图像中压强对应p1、p2、p3中哪一个。在其他条件相同时,正反应是气体分子数减少的反应,压强越大SO2平衡转化率α越大,可确定此时对应压强为p1,SO2平衡转化率α=0.975。
(2)应用“三段式”进行计算可得:
SO2 + 12O2SO3
起始量/mol 2m m 0
变化量/mol 2mα mα 2mα
平衡量/mol 2m(1-α) m(1-α) 2mα
反应达平衡时,气体总物质的量分数减少了mα,则平衡时SO3压强为2mαp100-mα。
该反应在恒压容器中进行,因此,SO3的分压p(SO3)=2mαp100-mα,p(SO2)=2m(1-α)p100-mα,p(O2)=m(1-α)p100-mα,在该条件下,Kp=p(SO3)p(SO2)×p0.5(O2)=α(1-α)1.5mp100-mα0.5。
(3)由题目已知信息知,SO2催化氧化反应为放热反应,温度升高后α降低。因为反应速率方程v=kαα'-10.8(1-nα'),升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。当ttm时,k增大对v的提高小于α引起的降低。
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)
(2)2mα100-mαp α(1-α)1.5m100-mαp0.5
(3)升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。ttm后,k增大对v的提高小于α引起的降低
方法规律
1.解决图像题的基本思路
(1)会识图:一看面、二看线、三看点(看清横坐标、纵坐标表示的意义,弄清起点、拐点、终点的意义,看清曲线的变化趋势)。
(2)妙解题:分析图像中隐含的信息,将其加工成化学语言,同时与化学概念、化学原理相结合,从而快速解题。
2.图表信息试题的解题策略
(1)应用分析归纳的方法,得出表格数据中蕴含的具有本质性的规律。
(2)应用观察方法,准确理解图示中纵横轴代表的含义,并能结合化学知识分析判断曲线的走向趋势及起点、拐点、水平线的含义。
(3)注意信息的情景化,理解所给信息的作用。注意信息与基础知识间的联系。
素养提升
1.(双选)(2020山东化学,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
2.
(双选)(2020江苏化学,15)CH4与CO2重整生成H2和CO的过程中主要发生下列反应CH4(g)+CO2(g)2H2(g)+2CO(g) ΔH=247.1 kJ·mol-1 H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) ΔH=41.2 kJ·mol-1在恒压、反应物起始物质的量比n(CH4)∶n(CO2)=1∶1条件下,CH4和CO2的平衡转化率随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.升高温度、增大压强均有利于提高CH4的平衡转化率
B.曲线B表示CH4的平衡转化率随温度的变化
C.相同条件下,改用高效催化剂能使曲线A和曲线B相重叠
D.恒压、800 K、n(CH4)∶n(CO2)=1∶1条件下,反应至CH4转化率达到X点的值,改变除温度外的特定条件继续反应,CH4转化率能达到Y点的值
3.(2020山东化学,18)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,向体积为V L的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a mol,CO为b mol,此时H2O(g)的浓度为 mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为 。
(3)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
已知:CO2的平衡转化率=n(CO2)初始-n(CO2)平衡n(CO2)初始×100%
CH3OH的平衡产率=n(CH3OH)平衡n(CO2)初始×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图 (填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为 ;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是 。
(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为 (填标号)。
A.低温、高压 B.高温、低压
C.低温、低压 D.高温、高压
第3节 化学平衡常数 化学反应的方向
考点一 化学平衡常数
必备知识·自主预诊
1.浓度幂之积 浓度幂之积 K
2.cp(C)·cq(D)cm(A)·cn(B)
3.(1)高 大 (3)温度
4.(1)cc(C)·cd(D)ca(A)·cb(B) 正 平衡 逆 (2)吸 放
自我诊断1.答案(1)√ (2)√ (3)√ (4)× (5)× (6)×
2.答案(1)K1=c(CO2)c(CO) (2)K1K2
解析(1)根据化学平衡常数的定义可知,K1=c(CO2)c(CO)。(2)K3=c(CO2)·c(H2)c(CO)·c(H2O),K2=c(H2O)c(H2),结合K1=c(CO2)c(CO),可知K3=K1K2。
关键能力·考向突破
典例1BC 降温时,总反应平衡向右移动,K增大,A项错误;K1=c(O2)·c([O])c(O3)、K2=c2(O2)c([O])·c(O3)、K=c3(O2)c2(O3)=K1·K2,B项正确;适当升高温度,反应①平衡向右移动,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。
对点演练1 A 根据题中信息可列“三段式”:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
n(起始)/mol 4 2
n(转化)/mol 4-x 2-0.8
n(平衡)/mol x 0.8
(4-x)∶(2-0.8)=2∶1
解得:x=1.6
同理,解得y=0.2
由于2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)是放热反应,温度越高,反应正向进行的程度越小,根据x、y可以判断出T1>T2,K1
解析(1)平衡常数只受温度的影响,温度不变,平衡常数不变,所以K(A)=K(B);由图像知,体系总压强为0.10MPa时SO2的平衡转化率为0.8,则二氧化硫转化的物质的量为2.0mol×0.8=1.6mol。根据“三段式”分析如下:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
起始: 2.0mol 1.0mol 0
转化: 1.6mol 0.8mol 1.6mol
平衡: 0.4mol 0.2mol 1.6mol
则平衡时c(SO2)=0.04mol·L-1,c(O2)=0.02mol·L-1,c(SO3)=0.16mol·L-1。
K(A)=K(B)=c2(SO3)c2(SO2)·c(O2)=0.1620.042×0.02=800。
(2)①体积不变,向容器中通入少量O2,此时刻正反应速率增大,逆反应速率不变,A错误;体积不变,向容器中通入少量SO2,此时刻正反应速率增大,逆反应速率不变,B错误;缩小容器体积,压强增大,正、逆反应速率增大,正反应是气体体积减小的反应,所以平衡正向移动,图像变化符合要求,C正确;正反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,正、逆反应速率都增大,逆反应速率大于正反应速率,D错误;体积不变,向容器中通入少量氮气,总压增大,各气体分压不变,平衡不移动,E错误。②继续通入0.20molSO2和0.10molO2,等效于增大压强,平衡向正反应方向移动;用极限法求出n(SO3)的范围,假设平衡不移动,此时n(SO3)=0.18mol×2=0.36mol;假设0.40molSO2完全反应生成SO3,根据反应方程式2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)可知,完全反应时n(SO3)=0.4mol,所以再次达到平衡时,0.36mol
X(g)+Y(g)R(g)+Q(g)
开始/(mol·L-1): 0.1 0.4 0 0
变化/(mol·L-1): x x x x
平衡/(mol·L-1): 0.1-x 0.4-x x x
故K=x2(0.1-x)(0.4-x)=1.0,解得x=0.08,所以平衡时X的转化率为0.08mol·L-10.1mol·L-1×100%=80%,B正确。由表格可知,温度升高,化学平衡常数减小,平衡逆向移动,C错误。1200℃时反应X(g)+Y(g)R(g)+Q(g)的平衡常数的值为0.4,所以1200℃时反应R(g)+Q(g)X(g)+Y(g)的平衡常数的值为10.4=2.5,D错误。
对点演练3 B 根据图像和已知信息可得:
A2(g)+B2(g)2AB(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.4 0.3 0
转化浓度/(mol·L-1) 0.25 0.25 0.5
平衡浓度/(mol·L-1) a 0.05 0.5
则有a=0.4-0.25=0.15,A正确;该反应的平衡常数K=0.520.15×0.05≈33.33,B错误;该反应正向是放热反应,升高温度平衡逆向移动,K值减小,C正确;平衡时A2的转化率为0.250.4×100%=62.5%,D正确。
考点二 化学反应速率和化学平衡的图像
必备知识·自主预诊
1.①放热 ②气体体积减小的 ③催化剂 增大压强
3.(1)< (2)平衡点 > <
自我诊断答案(1)√ (2)× (3)×
关键能力·考向突破
典例1B 由图像可知,增大压强,正、逆反应速率都增大,且平衡正向移动,而增大压强时平衡向气体分子数减小的方向移动,B正确。
对点演练1 D 由图a可以看出,升高温度时逆反应速率比正反应速率增大得快,平衡逆向移动,所以正反应为放热反应,A正确;催化剂只能改变反应速率,不能改变反应限度,即催化剂可缩短达到平衡的时间,而不能改变反应物的平衡转化率,B正确;由图c可以看出,改变条件后,正、逆反应速率均增大且逆反应速率增大的幅度大,平衡逆向移动,若正反应的ΔH<0,则升高温度平衡逆向移动,C正确;由图d可以看出,升高温度时气体的平均相对分子质量减小,则说明平衡逆向移动,则正反应为放热反应,即ΔH<0,D错误。
典例2AD 由化学方程式可写出该反应的平衡常数的表达式K=c2(NO)c(N2)·c(O2),起始时N2、O2的浓度均为c0mol·L-1,故平衡时c(N2)=c(O2)=c1mol·L-1,又有c(NO)=2(c0-c1)mol·L-1,故反应的平衡常数K=4(c0-c1)2c12,A项正确;该体系是恒容密闭体系,混合气体的密度ρ=mV,气体的质量和体系的体积都不变,故密度不变,B项错误;加入催化剂只能改变反应速率,不能改变化学反应限度和反应物的平衡转化率,曲线b相对于曲线a,氮气的平衡转化率增大了,所以不是加入催化剂,C项错误;由图像知曲线b先达平衡,若改变的是温度,则是升温,又因为平衡时氮气的浓度比曲线a低,故升温使平衡正向移动,则正向是吸热反应,即ΔH>0,D项正确。
对点演练2 D 由左图可知,在相同温度下,增大压强(p2>p1),C的百分含量增大,说明增大压强平衡向正反应方向移动,则有a+b>x;在相同压强下,升高温度(T1>T2),C的百分含量降低,说明升高温度平衡逆向移动,该反应的正反应为放热反应。增大压强平衡向正反应方向移动,A的百分含量减小,与图像不符,A错误。增大压强平衡向正反应方向移动,B的百分含量减小,与图像不符,B错误。由于反应容器的容积不变,气体的质量不变,则温度变化,平衡混合气的密度不变,C错误。升高温度,平衡向逆反应方向移动,混合气体的物质的量增多,质量不变,平衡混合气的平均摩尔质量减小,增大压强,平衡向正反应方向移动,平衡混合气的平均摩尔质量增大,与图像符合,D正确。
典例3C a点时K=1c(A)·c(B)=14×1=14,A项错误;依据图像分析可知,c点浓度商Q
考点三 化学反应的方向 化学反应的调控
必备知识·自主预诊
1.(1)无需借助外力 (2)①高能 低能 做功 释放 ②有序 无序
2.< > > = <
3.(2)可逆 减小 < (3)①升高 增大 增大 使用催化剂 ②降低 增大 增大
4.(1)10~30 MPa (2)400~500 ℃ (3)铁 铁触媒
自我诊断1.答案(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)×
(7)√ (8)×
2.答案(1)温度 低温 高温 (2)ΔH<0 ΔS>0
关键能力·考向突破
典例1C 根据ΔH-TΔS<0时反应能自发进行可知,一个反应能否自发进行是焓变和熵变共同影响的结果,焓变是影响反应能否自发进行的因素之一,放热反应具有自发进行的倾向,但不一定能自发,A、D正确;根据熵增原理,体系的混乱程度越大,熵值越大,B正确;自发反应是指在温度和压强一定的条件下,不借助光、电等外部力量就能自动进行的反应,需要一定的温度和压强,C错误。
对点演练1 D 反应自发进行的前提条件是反应的ΔH-TΔS<0。对于A项,ΔH>0,ΔS<0,在任何温度下都有ΔH-TΔS>0,即任何温度下反应都不能自发进行;对于B项,ΔH<0,ΔS<0,在较低温度下ΔH-TΔS<0,即反应温度不能过高;对于C项,ΔH>0,ΔS>0,若使反应自发进行,即要求ΔH-TΔS<0,必须提高温度,即反应只有在较高温度时能自发进行;对于D项,ΔH<0,ΔS>0,在任何温度下都有ΔH-TΔS<0,即在任何温度下反应均能自发进行。
典例2B A项,增大H2的浓度,H2的转化率减小;C项,温度控制在400~500℃主要是为了兼顾速率与平衡,且500℃时催化剂活性最大;D项,压强采用10~30MPa主要是考虑对设备材料的要求。
对点演练2 B 该反应是一个气体体积减小的放热反应,为增加甲醇的产量,需使平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响,因此可采取适宜温度、高压和使用催化剂的条件。
学科素养提升11
素养提升
1.AD 本题考查了核心素养中的“变化观念与平衡思想”,要求从原理上认识化学变化的本质和特征。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;1,3-丁二烯与HBr反应转化为1,2-加成产物或1,4-加成产物,所以无法比较0℃、40℃时1,3-丁二烯转化率的大小,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。
2.BD A项,因第一个反应是气体分子数增大的反应,增大压强使平衡逆向移动,不利于提高CH4的平衡转化率,错误;B项,结合两个热化学方程式可以看出两个反应均消耗CO2,所以同温度下CO2的平衡转化率大于CH4的,故曲线B表示CH4的平衡转化率随温度的变化曲线,正确;C项,改用高效催化剂,不能影响平衡移动,平衡转化率不改变,错误;D项,图中X点除改变温度外,可向体系中充入CO2气体,会提高CH4的平衡转化率至Y点,正确。
3.答案(1)+40.9
(2)a+bV b(a+b)(1-a-b)(3-3a-b)
(3)乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响
(4)A
解析本题利用科研文献中图像、曲线及数据设题,要求考生在陌生情景中进行热力学分析,有一定难度。
(1)根据盖斯定律可得Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,则ΔH3=+40.9kJ·mol-1。
(2)反应Ⅰ: CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
转化/mol x 3x x x
反应Ⅱ: CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
转化/mol a-x 2a-2x a-x
反应Ⅲ: CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
转化/mol y y y y
n(CO)=ymol-amol+xmol=bmol,则x+y=a+b。
则c(H2O)=x+yVmol·L-1=a+bVmol·L-1
KⅢ=c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)=b(a+b)V21-x-yV×3-3x-y-2a+2xV=b(a+b)(1-a-b)(3-3a-b)。
(3)从图乙中看到在T1时,p不同时三条曲线交于一点,说明压强的改变对平衡无影响。而反应Ⅲ前后分子数不变,反应以Ⅲ为主,所以升高温度平衡向正方向移动,CO2的转化率升高。图乙纵坐标表示CO2的平衡转化率,图甲纵坐标表示CH3OH的平衡产率,反应Ⅰ、Ⅱ都是体积减小的反应,增大压强平衡向正反应方向移动,故p1>p2>p3。
(4)由反应的方程式可知,低温、高压可提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率。
第3节 化学平衡常数 化学反应的方向
备考要点
素养要求
1.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。
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。
3.了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。
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。
1.平衡思想——从化学平衡常数的角度认识化学平衡的定量关系,并用化学平衡常数解决问题。
2.证据推理——领会用有关浓度进行平衡常数的计算及利用平衡常数计算转化率等。
3.模型认知——利用Q与K的关系进行平衡移动的定量判断,同时会利用焓变、熵变判断反应进行的方向。
考点一 化学平衡常数
必备知识自主预诊
知识梳理
1.定义
在一定温度下,一个可逆反应达到化学平衡时,生成物 与反应物 的比值是一个常数,用符号 表示。
2.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K= (固体和纯液体的浓度视为常数)。
3.意义
(1)K的大小反映了化学反应进行的程度。K越大,反应物的转化率越 ,正反应进行的程度越 。当K≥105时,该反应就进行得基本完全了。
(2)K的大小只能预示某可逆反应向某方向进行的最大限度,不能预示反应达到平衡所需要的时间。
(3)K只受 影响,与反应物或生成物的浓度变化无关,与压强变化无关。
4.应用
(1)利用化学平衡常数,可判断反应是否达到平衡或反应进行的方向。
对于化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商Q= 。
Q
Q>K,反应向 反应方向进行。
(2)利用K可判断反应的热效应:若升高温度,K增大,则正反应为 热反应;若升高温度,K减小,则正反应为 热反应。
(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,可列方程求解。
(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1n),则相应的平衡常数也会变为原来的n次幂或1n次幂。
自我诊断
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(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。( )
2.在一定温度下,已知以下三个反应的平衡常数:
反应①:CO(g)+CuO(s)CO2(g)+Cu(s) K1
反应②:H2(g)+CuO(s)Cu(s)+H2O(g) K2
反应③:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) K3
(1)反应①的平衡常数表达式为 。
(2)反应③的K3与K1、K2的关系是K3= 。
关键能力考向突破
考向1 化学平衡常数表达式及其影响因素
【典例1】(双选)(2020陕西西安铁一中学质检)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:
反应① O3O2+[O] ΔH>0 平衡常数为K1;
反应② [O]+O32O2 ΔH<0 平衡常数为K2;
总反应:2O33O2 ΔH<0 平衡常数为K。
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
对点演练1(2020湖南长沙八校联考)将一定量的SO2(g)和O2(g)分别通入体积为2 L的恒容密闭容器中,在不同温度下进行反应,得到如下表中的两组数据:
实验
编号
温度
/℃
平衡
常数
起始量/mol
平衡量/mol
达到平衡
所需时间
/min
SO2
O2
SO2
O2
1
T1
K1
4
2
x
0.8
6
2
T2
K2
4
2
0.4
y
t
下列说法中不正确的是( )
A.x=2.4
B.T1、T2的关系:T1>T2
C.K1、K2的关系:K2>K1
D.实验1在前6 min的反应速率v(SO2)=0.2 mol·L-1·min-1
误区警示平衡常数表达式书写的注意事项
(1)不要把反应体系中纯固体、纯液体以及水溶液中水的浓度列入平衡常数的表达式中。
(2)非水溶液中发生的反应,若有水参加或生成,则此时水的浓度不可视为常数,应列入平衡常数的表达式中。
(3)若进行的反应为离子反应时,书写其化学平衡常数时应先改写成离子反应再进行书写。如Cl2+H2OH++Cl-+HClO的化学平衡常数为K=c(H+)·c(Cl-)·c(HClO)c(Cl2)。
(4)同一化学反应,化学方程式写法不同,其平衡常数表达式及数值亦不同。如:
N2O4(g)2NO2(g) K=c2(NO2)c(N2O4)
12N2O4(g)NO2(g) K'=c(NO2)c12(N2O4)=K
2NO2(g)N2O4(g) K″=c(N2O4)c2(NO2)=1K
(5)有气体参与的反应,用平衡分压(总压乘以各自的物质的量分数)表示平衡常数。
如对于反应2A(g)+B(s)C(g),若达到平衡时,n(A)=n1,n(C)=n2,密闭体系的压强为p,则K=p·n2n1+n2(p·n1n1+n2)2=n2(n1+n2)pn12。
考向2 利用平衡常数判断反应状态及其反应热
【典例2】(双选)(2020云南大理州统测)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),已知该反应的平衡常数与温度的关系如下表:
温度/℃
25
80
230
平衡常数
5×104
2
1.9×10-5
下列说法不正确的是( )
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2×10-5
C.80 ℃达到平衡时,测得n(CO)=0.3 mol,则Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L-1
D.在80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO浓度均为0.5 mol·L-1,则此时v(正)>v(逆)
对点演练2(1)某温度下,反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)中SO2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。将2.0 mol SO2和1.0 mol O2置于10 L密闭容器中,反应达平衡后,体系总压强为0.10 MPa。平衡状态由A变到B时,平衡常数K(A) (填“>”“<”或“=”)K(B),B点的化学平衡常数是 。
(2)在一个固定容积为5 L的密闭容器中充入0.20 mol SO2和0.10 mol O2,t1时刻达到平衡,测得容器中含SO3 0.18 mol 。
①t1时刻达到平衡后,改变一个条件使化学反应速率发生如图所示的变化,则改变的条件是 。
A.体积不变,向容器中通入少量O2
B.体积不变,向容器中通入少量SO2
C.缩小容器体积
D.升高温度
E.体积不变,向容器中通入少量氮气
②若继续通入0.20 mol SO2和0.10 mol O2,则平衡 (填“向正反应方向”“向逆反应方向”或“不”)移动,再次达到平衡后, mol
(1)判断反应状态:对于可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),在一定温度下的任意时刻,由反应物与生成物浓度可得,Q=cc(C)·cd(D)ca(A)·cb(B)。Q和平衡常数K有如下关系:
Q
升高温度K增大→正反应为吸热反应K减小→正反应为放热反应
降低温度K增大→正反应为放热反应K减小→正反应为吸热反应
考向3 化学平衡常数、转化率的有关计算
【典例3】已知反应X(g)+Y(g)R(g)+Q(g)的平衡常数与温度的关系如下表所示。830 ℃时,向一个2 L的密闭容器中充入0.2 mol X和0.8 mol Y,反应初始4 s内v(X)=0.005 mol·L-1·s-1。下列说法正确的是( )
温度/℃
700
800
830
1 000
1 200
平衡常数
1.7
1.1
1.0
0.6
0.4
A.4 s时容器内c(Y)=0.76 mol·L-1
B.830 ℃达平衡时,X的转化率为80%
C.反应达平衡后,升高温度,平衡正向移动
D.1 200 ℃时反应R(g)+Q(g)X(g)+Y(g)的平衡常数K=0.4
对点演练3在一个容积为2 L的密闭容器中,加入0.8 mol A2气体和0.6 mol B2气体,一定条件下发生反应A2(g)+B2(g)2AB(g) ΔH<0,反应中各物质的浓度随时间的变化情况如图所示,下列说法不正确的是( )
A.图中a的值为0.15
B.该反应的平衡常数K=0.03
C.温度升高,平衡常数K值减小
D.平衡时A2的转化率为62.5%
深度指津“三段式”突破平衡常数(K)、转化率的相关计算
(1)一个模式——“三段式”。
如反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为amol·L-1、bmol·L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mxmol·L-1。
mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
起始/(mol·L-1) a b 0 0
变化/(mol·L-1) mx nx px qx
平衡/(mol·L-1) a-mx b-nx px qx
K=(px)p·(qx)q(a-mx)m·(b-nx)n。
(2)明确三个量的关系。
①三个量:即起始量、变化量、平衡量。
②关系。
a.对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量。
b.对于同一生成物,起始量+变化量=平衡量。
c.各反应物转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。
(3)掌握四个公式。
①反应物的转化率=n(转化)n(起始)×100%=c(转化)c(起始)×100%。
②生成物的产率:实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲,转化率越大,原料利用率越高,产率越大。
产率=实际产量理论产量×100%。
③平衡时混合物中某一组分的质量分数=某一组分平衡时的质量平衡时各物质的总质量×100%。
④某组分的体积分数=某一组分的物质的量混合气体总的物质的量×100%。
考点二 化学反应速率和化学平衡的图像
必备知识自主预诊
知识梳理
1.转化率(或百分含量)—时间—温度(或压强)图像
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,可推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。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 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 反应。
③图丙中,a表示使用了 或 (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
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,平衡正向移动,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,则平衡逆向移动,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)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)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 。
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)。
自我诊断
判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(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。( )
关键能力考向突破
考向1 有“断点”的图像
【典例1】对于达到平衡的可逆反应X+YW+Z(已配平),在t时刻增大压强(其他条件不变),正、逆反应速率(v)变化的情况如图所示。下列对X、Y、W、Z四种物质状态的描述正确的是( )
A.W、Z均为气体,X、Y中只有一种为气体
B.X、Y均为气体,W、Z中只有一种为气体
C.X、Y或W、Z中均只有一种为气体
D.X、Y均为气体,W、Z均为液体或固体
对点演练1在密闭容器中进行反应X(g)+3Y(g)2Z(g),有关图像的说法不正确的是( )
A.依据图a可判断该反应的正反应为放热反应
B.在图b中,虚线可表示使用了催化剂
C.若正反应的ΔH<0,图c可表示升高温度使平衡向逆反应方向移动
D.由图d中气体平均相对分子质量随温度的变化情况可推知,正反应的ΔH>0
规律小结分析速率图像中改变的条件
改变条件后速率图像中有一个速率出现连续性,则改变的条件一定是浓度;对于一个反应前后气体体积发生变化的反应来说,如果正、逆反应速率变化程度相等,改变的条件一定是催化剂;对于一个反应前后气体体积不变的反应来说,如果正、逆反应速率变化程度相等,改变的条件可能是压强,也可能是催化剂。若“断点”后的速率增大,且正、逆反应速率增大程度不同,则可能是升高温度或增大压强;若“断点”后的速率减小,且正、逆反应速率减小程度不同,则可能是降低温度或减小压强;再利用平衡移动方向作出具体的判断。
考向2 有“拐点”的图像
【典例2】(双选)(2020山东胶南模拟)汽车尾气中NO产生的反应为N2(g)+O2(g)2NO(g)。一定条件下,等物质的量的N2(g)和O2(g)在恒容密闭容器中反应,图中曲线a表示该反应在温度T时N2的浓度随时间的变化,曲线b表示该反应在某一起始反应条件改变时N2的浓度随时间的变化。下列叙述正确的是( )
A.温度T时,该反应的平衡常数K=4(c0-c1)2c12
B.温度T时,随着反应的进行,混合气体的密度减小
C.曲线b对应改变的条件可能是加入了催化剂
D.若曲线b对应改变的条件是温度,可判断该反应的ΔH>0
对点演练2(2020陕西西安模拟)在容积一定的密闭容器中给定物质A、B、C的量,在一定条件下发生反应aA(g)+bB(g)xC(g)并达到平衡,且符合下图所示的关系(C%表示平衡混合气中产物C的百分含量,T表示温度,p表示压强)。则图中Y是指( )
A.反应物A的百分含量
B.平衡混合气中物质B的百分含量
C.平衡混合气的密度
D.平衡混合气的平均摩尔质量
规律方法有关“拐点”图像的分析方法
同一可逆反应,若反应条件不同,达到平衡所用的时间也可能不同,反映到图像出现“拐点”的时间也就有差异。图像中先出现“拐点”的反应先达到平衡,即反应所处的外界条件(温度、压强、浓度)相对要高一些,或者是加入了催化剂。
考向3 由平滑曲线组成的图像
【典例3】T℃时,在一固定容积的密闭容器中发生反应A(g)+B(g)C(s) ΔH<0,按照不同配比充入A、B,达到平衡时容器中A、B浓度变化如图中曲线(实线)所示,下列判断正确的是( )
A.T℃时,该反应的平衡常数的值为4
B.c点没有达到平衡,此时反应向逆反应方向进行
C.若c点为平衡点,则此时容器内的温度高于T℃
D.T℃时,直线cd上的点均为平衡状态
对点演练3某化学小组研究在其他条件不变时,在密闭容器中改变某一条件对反应A2(g)+3B2(g)2AB3(g)化学平衡状态的影响,得到如图所示的曲线(图中T表示温度,n表示物质的量)。下列判断正确的是( )
A.在T2和n(A2)起始不变时达到平衡,AB3的物质的量大小为c>b>a
B.若T2>T1,则正反应一定是放热反应
C.达到平衡时A2的转化率大小为b>a>c
D.若T2>T1,达到平衡时b、d点的反应速率为vd>vb
考点三 化学反应的方向 化学反应的调控
必备知识自主预诊
知识梳理
1.自发反应
(1)含义:在温度和压强一定的条件下 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 状态转变为 状态(体系对外部 或 热量)。
②在密闭条件下,体系有从 转变为 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:
合
成
氨
反
应—可逆性:反应为 反应
—体积变化:正反应是气体体积 的反应
—焓变:ΔH 0
(3)影响因素:
①增大合成氨反应速率的措施: 温度、 压强、 反应物浓度、 等。
②提高平衡混合气体中氨含量的措施: 温度、 压强、 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 。
(2)温度:一般采用的温度为 。
(3)催化剂:工业上合成氨普遍使用的是以 为主体的多成分催化剂,又称 。
自我诊断
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(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,因此该反应是熵增反应。( )
(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。( )
2.(1)ΔH和ΔS的作用相反,且相差不大时, 对反应的方向起决定性作用。当ΔH<0,ΔS<0时, 下反应能自发进行;当ΔH>0,ΔS>0时, 下反应能自发进行。
(2)反应NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)在室温下可自发进行的理由是 ,CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)在高温下可自发进行的理由是 。
关键能力考向突破
考向1 化学反应的方向
【典例1】(2020山东临沂测试)下列说法不正确的是( )
A.焓变是反应能否自发进行相关的因素之一,放热反应具有自发进行的倾向
B.在不同条件下同一物质有不同的熵值,其体系的混乱程度越大,熵值越大
C.自发反应是指不需要条件就能发生的反应
D.一个反应能否自发进行是焓变和熵变共同影响的结果
对点演练1下列反应在任何温度下均能自发进行的是( )
A.2N2(g)+O2(g)2N2O(g) ΔH=+163 kJ·mol-1
B.Ag(s)+12Cl2(g)AgCl(s) ΔH=-127 kJ·mol-1
C.HgO(s)Hg(l)+12O2(g) ΔH=+91 kJ·mol-1
D.H2O2(l)12O2(g)+H2O(l) ΔH=-98 kJ·mol-1
规律小结焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响
ΔH
ΔS
ΔH-TΔS
反应情况
-
+
<0
在任何温度下反应均自发进行
+
-
>0
在任何温度下反应均不能自发进行
+
+
高温时为负
低温时非自发,高温时自发
-
-
低温时为负
低温时自发,高温时非自发
考向2 化学反应的调控
【典例2】(2020山东泰安一中月考)有关合成氨工业的说法正确的是( )
A.增大H2的浓度,可提高H2的转化率
B.由于氨易液化,N2、H2在实际生产中可循环使用,所以总体来说氨的产率很高
C.合成氨工业的反应温度控制在400~500 ℃,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10~30 MPa,因为该压强下铁触媒的活性最大
对点演练2有平衡体系:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0。为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应
采取的正确措施是( )
A.高温,高压
B.适宜温度,高压,催化剂
C.低温,低压
D.高温,高压,催化剂
拓展升华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
不需要
加合适的催化剂
温度
高温
△H<0
低温
兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度
△H>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
网络构建
核心速记
1.化学平衡常数
2.化学反应的方向
3.化学反应的调控
1.化学平衡常数的3个应用
(1)判断反应进行的程度。
(2)由Q与K的大小判断某时刻反应进行的方向。
(3)计算平衡浓度和转化率。
2.判断化学反应的方向
ΔH-TΔS>0,反应不能自发进行=0,反应达到平衡状态<0,反应能自发进行
3.合成氨工业中选择的生产条件
(1)压强:10~30 MPa
(2)温度:400~500 ℃
(3)催化剂:铁触媒
11
学科素养提升
运用变化观念与平衡思想解决图像表格类试题
素养解读
图像表格类试题是以图像、图形和表格为试题的信息来源,以化学中的基本概念、基本理论、元素化合物和化学实验等知识为载体,精心设计问题的一种信息处理和分析题。主要考查学生实验设计能力,数据读取、分析与处理能力,图像的识别与分析能力。化学核心素养要求学生能依据新发现、新信息,分析、评价已有的认识模型,能指出存在的问题,提出改进、优化模型的意见。通过对图像、表格类试题信息的规范审读,进一步提高学生获取信息的能力。
案例探究
情境:以下是接触法制硫酸工艺的主要设备和主要生产流程:
生产阶段
SO2的制取和净化
SO2氧化成SO3
吸收SO3生成硫酸
主要原料
黄铁矿(或硫黄)、空气
—
98.3%
浓硫酸
主要化
学反应
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
2SO2+O22SO3
SO3+H2OH2SO4
主要设备
沸腾炉
接触室
吸收塔
工艺要求
矿石粉碎,炉气净化
用两层催化剂
用热交换器
用98.3%的浓硫酸吸收SO3
主要排放
矿渣、矿尘、洗涤液
—
尾气
【典例】(2020全国1,28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)+12O2(g)SO3(g) ΔH=-98 kJ·mol-1。
(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)。
(3)研究表明,SO2催化氧化的反应速率方程为:
v=kαα'-10.8(1-nα')
式中:k为反应速率常数,随温度t升高而增大;α为SO2平衡转化率,α'为某时刻SO2转化率,n为常数。在α'=0.90时,将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程,得到v-t曲线,如图所示。
曲线上v最大值所对应温度称为该α'下反应的最适宜温度tm。t
。
解析(1)要分析反应在5.0MPa、500℃时的α,首先必须判断此时图像中压强对应p1、p2、p3中哪一个。在其他条件相同时,正反应是气体分子数减少的反应,压强越大SO2平衡转化率α越大,可确定此时对应压强为p1,SO2平衡转化率α=0.975。
(2)应用“三段式”进行计算可得:
SO2 + 12O2SO3
起始量/mol 2m m 0
变化量/mol 2mα mα 2mα
平衡量/mol 2m(1-α) m(1-α) 2mα
反应达平衡时,气体总物质的量分数减少了mα,则平衡时SO3压强为2mαp100-mα。
该反应在恒压容器中进行,因此,SO3的分压p(SO3)=2mαp100-mα,p(SO2)=2m(1-α)p100-mα,p(O2)=m(1-α)p100-mα,在该条件下,Kp=p(SO3)p(SO2)×p0.5(O2)=α(1-α)1.5mp100-mα0.5。
(3)由题目已知信息知,SO2催化氧化反应为放热反应,温度升高后α降低。因为反应速率方程v=kαα'-10.8(1-nα'),升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。当t
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)
(2)2mα100-mαp α(1-α)1.5m100-mαp0.5
(3)升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。t
方法规律
1.解决图像题的基本思路
(1)会识图:一看面、二看线、三看点(看清横坐标、纵坐标表示的意义,弄清起点、拐点、终点的意义,看清曲线的变化趋势)。
(2)妙解题:分析图像中隐含的信息,将其加工成化学语言,同时与化学概念、化学原理相结合,从而快速解题。
2.图表信息试题的解题策略
(1)应用分析归纳的方法,得出表格数据中蕴含的具有本质性的规律。
(2)应用观察方法,准确理解图示中纵横轴代表的含义,并能结合化学知识分析判断曲线的走向趋势及起点、拐点、水平线的含义。
(3)注意信息的情景化,理解所给信息的作用。注意信息与基础知识间的联系。
素养提升
1.(双选)(2020山东化学,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
2.
(双选)(2020江苏化学,15)CH4与CO2重整生成H2和CO的过程中主要发生下列反应CH4(g)+CO2(g)2H2(g)+2CO(g) ΔH=247.1 kJ·mol-1 H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) ΔH=41.2 kJ·mol-1在恒压、反应物起始物质的量比n(CH4)∶n(CO2)=1∶1条件下,CH4和CO2的平衡转化率随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.升高温度、增大压强均有利于提高CH4的平衡转化率
B.曲线B表示CH4的平衡转化率随温度的变化
C.相同条件下,改用高效催化剂能使曲线A和曲线B相重叠
D.恒压、800 K、n(CH4)∶n(CO2)=1∶1条件下,反应至CH4转化率达到X点的值,改变除温度外的特定条件继续反应,CH4转化率能达到Y点的值
3.(2020山东化学,18)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,向体积为V L的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a mol,CO为b mol,此时H2O(g)的浓度为 mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为 。
(3)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
已知:CO2的平衡转化率=n(CO2)初始-n(CO2)平衡n(CO2)初始×100%
CH3OH的平衡产率=n(CH3OH)平衡n(CO2)初始×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图 (填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为 ;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是 。
(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为 (填标号)。
A.低温、高压 B.高温、低压
C.低温、低压 D.高温、高压
第3节 化学平衡常数 化学反应的方向
考点一 化学平衡常数
必备知识·自主预诊
1.浓度幂之积 浓度幂之积 K
2.cp(C)·cq(D)cm(A)·cn(B)
3.(1)高 大 (3)温度
4.(1)cc(C)·cd(D)ca(A)·cb(B) 正 平衡 逆 (2)吸 放
自我诊断1.答案(1)√ (2)√ (3)√ (4)× (5)× (6)×
2.答案(1)K1=c(CO2)c(CO) (2)K1K2
解析(1)根据化学平衡常数的定义可知,K1=c(CO2)c(CO)。(2)K3=c(CO2)·c(H2)c(CO)·c(H2O),K2=c(H2O)c(H2),结合K1=c(CO2)c(CO),可知K3=K1K2。
关键能力·考向突破
典例1BC 降温时,总反应平衡向右移动,K增大,A项错误;K1=c(O2)·c([O])c(O3)、K2=c2(O2)c([O])·c(O3)、K=c3(O2)c2(O3)=K1·K2,B项正确;适当升高温度,反应①平衡向右移动,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。
对点演练1 A 根据题中信息可列“三段式”:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
n(起始)/mol 4 2
n(转化)/mol 4-x 2-0.8
n(平衡)/mol x 0.8
(4-x)∶(2-0.8)=2∶1
解得:x=1.6
同理,解得y=0.2
由于2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)是放热反应,温度越高,反应正向进行的程度越小,根据x、y可以判断出T1>T2,K1
解析(1)平衡常数只受温度的影响,温度不变,平衡常数不变,所以K(A)=K(B);由图像知,体系总压强为0.10MPa时SO2的平衡转化率为0.8,则二氧化硫转化的物质的量为2.0mol×0.8=1.6mol。根据“三段式”分析如下:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
起始: 2.0mol 1.0mol 0
转化: 1.6mol 0.8mol 1.6mol
平衡: 0.4mol 0.2mol 1.6mol
则平衡时c(SO2)=0.04mol·L-1,c(O2)=0.02mol·L-1,c(SO3)=0.16mol·L-1。
K(A)=K(B)=c2(SO3)c2(SO2)·c(O2)=0.1620.042×0.02=800。
(2)①体积不变,向容器中通入少量O2,此时刻正反应速率增大,逆反应速率不变,A错误;体积不变,向容器中通入少量SO2,此时刻正反应速率增大,逆反应速率不变,B错误;缩小容器体积,压强增大,正、逆反应速率增大,正反应是气体体积减小的反应,所以平衡正向移动,图像变化符合要求,C正确;正反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,正、逆反应速率都增大,逆反应速率大于正反应速率,D错误;体积不变,向容器中通入少量氮气,总压增大,各气体分压不变,平衡不移动,E错误。②继续通入0.20molSO2和0.10molO2,等效于增大压强,平衡向正反应方向移动;用极限法求出n(SO3)的范围,假设平衡不移动,此时n(SO3)=0.18mol×2=0.36mol;假设0.40molSO2完全反应生成SO3,根据反应方程式2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)可知,完全反应时n(SO3)=0.4mol,所以再次达到平衡时,0.36mol
X(g)+Y(g)R(g)+Q(g)
开始/(mol·L-1): 0.1 0.4 0 0
变化/(mol·L-1): x x x x
平衡/(mol·L-1): 0.1-x 0.4-x x x
故K=x2(0.1-x)(0.4-x)=1.0,解得x=0.08,所以平衡时X的转化率为0.08mol·L-10.1mol·L-1×100%=80%,B正确。由表格可知,温度升高,化学平衡常数减小,平衡逆向移动,C错误。1200℃时反应X(g)+Y(g)R(g)+Q(g)的平衡常数的值为0.4,所以1200℃时反应R(g)+Q(g)X(g)+Y(g)的平衡常数的值为10.4=2.5,D错误。
对点演练3 B 根据图像和已知信息可得:
A2(g)+B2(g)2AB(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.4 0.3 0
转化浓度/(mol·L-1) 0.25 0.25 0.5
平衡浓度/(mol·L-1) a 0.05 0.5
则有a=0.4-0.25=0.15,A正确;该反应的平衡常数K=0.520.15×0.05≈33.33,B错误;该反应正向是放热反应,升高温度平衡逆向移动,K值减小,C正确;平衡时A2的转化率为0.250.4×100%=62.5%,D正确。
考点二 化学反应速率和化学平衡的图像
必备知识·自主预诊
1.①放热 ②气体体积减小的 ③催化剂 增大压强
3.(1)< (2)平衡点 > <
自我诊断答案(1)√ (2)× (3)×
关键能力·考向突破
典例1B 由图像可知,增大压强,正、逆反应速率都增大,且平衡正向移动,而增大压强时平衡向气体分子数减小的方向移动,B正确。
对点演练1 D 由图a可以看出,升高温度时逆反应速率比正反应速率增大得快,平衡逆向移动,所以正反应为放热反应,A正确;催化剂只能改变反应速率,不能改变反应限度,即催化剂可缩短达到平衡的时间,而不能改变反应物的平衡转化率,B正确;由图c可以看出,改变条件后,正、逆反应速率均增大且逆反应速率增大的幅度大,平衡逆向移动,若正反应的ΔH<0,则升高温度平衡逆向移动,C正确;由图d可以看出,升高温度时气体的平均相对分子质量减小,则说明平衡逆向移动,则正反应为放热反应,即ΔH<0,D错误。
典例2AD 由化学方程式可写出该反应的平衡常数的表达式K=c2(NO)c(N2)·c(O2),起始时N2、O2的浓度均为c0mol·L-1,故平衡时c(N2)=c(O2)=c1mol·L-1,又有c(NO)=2(c0-c1)mol·L-1,故反应的平衡常数K=4(c0-c1)2c12,A项正确;该体系是恒容密闭体系,混合气体的密度ρ=mV,气体的质量和体系的体积都不变,故密度不变,B项错误;加入催化剂只能改变反应速率,不能改变化学反应限度和反应物的平衡转化率,曲线b相对于曲线a,氮气的平衡转化率增大了,所以不是加入催化剂,C项错误;由图像知曲线b先达平衡,若改变的是温度,则是升温,又因为平衡时氮气的浓度比曲线a低,故升温使平衡正向移动,则正向是吸热反应,即ΔH>0,D项正确。
对点演练2 D 由左图可知,在相同温度下,增大压强(p2>p1),C的百分含量增大,说明增大压强平衡向正反应方向移动,则有a+b>x;在相同压强下,升高温度(T1>T2),C的百分含量降低,说明升高温度平衡逆向移动,该反应的正反应为放热反应。增大压强平衡向正反应方向移动,A的百分含量减小,与图像不符,A错误。增大压强平衡向正反应方向移动,B的百分含量减小,与图像不符,B错误。由于反应容器的容积不变,气体的质量不变,则温度变化,平衡混合气的密度不变,C错误。升高温度,平衡向逆反应方向移动,混合气体的物质的量增多,质量不变,平衡混合气的平均摩尔质量减小,增大压强,平衡向正反应方向移动,平衡混合气的平均摩尔质量增大,与图像符合,D正确。
典例3C a点时K=1c(A)·c(B)=14×1=14,A项错误;依据图像分析可知,c点浓度商Q
考点三 化学反应的方向 化学反应的调控
必备知识·自主预诊
1.(1)无需借助外力 (2)①高能 低能 做功 释放 ②有序 无序
2.< > > = <
3.(2)可逆 减小 < (3)①升高 增大 增大 使用催化剂 ②降低 增大 增大
4.(1)10~30 MPa (2)400~500 ℃ (3)铁 铁触媒
自我诊断1.答案(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)×
(7)√ (8)×
2.答案(1)温度 低温 高温 (2)ΔH<0 ΔS>0
关键能力·考向突破
典例1C 根据ΔH-TΔS<0时反应能自发进行可知,一个反应能否自发进行是焓变和熵变共同影响的结果,焓变是影响反应能否自发进行的因素之一,放热反应具有自发进行的倾向,但不一定能自发,A、D正确;根据熵增原理,体系的混乱程度越大,熵值越大,B正确;自发反应是指在温度和压强一定的条件下,不借助光、电等外部力量就能自动进行的反应,需要一定的温度和压强,C错误。
对点演练1 D 反应自发进行的前提条件是反应的ΔH-TΔS<0。对于A项,ΔH>0,ΔS<0,在任何温度下都有ΔH-TΔS>0,即任何温度下反应都不能自发进行;对于B项,ΔH<0,ΔS<0,在较低温度下ΔH-TΔS<0,即反应温度不能过高;对于C项,ΔH>0,ΔS>0,若使反应自发进行,即要求ΔH-TΔS<0,必须提高温度,即反应只有在较高温度时能自发进行;对于D项,ΔH<0,ΔS>0,在任何温度下都有ΔH-TΔS<0,即在任何温度下反应均能自发进行。
典例2B A项,增大H2的浓度,H2的转化率减小;C项,温度控制在400~500℃主要是为了兼顾速率与平衡,且500℃时催化剂活性最大;D项,压强采用10~30MPa主要是考虑对设备材料的要求。
对点演练2 B 该反应是一个气体体积减小的放热反应,为增加甲醇的产量,需使平衡正向移动,理论上可采用低温、高压的方式,但在实际生产中还需考虑反应速率、设备承受的压力及催化剂的活性等因素的影响,因此可采取适宜温度、高压和使用催化剂的条件。
学科素养提升11
素养提升
1.AD 本题考查了核心素养中的“变化观念与平衡思想”,要求从原理上认识化学变化的本质和特征。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;1,3-丁二烯与HBr反应转化为1,2-加成产物或1,4-加成产物,所以无法比较0℃、40℃时1,3-丁二烯转化率的大小,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。
2.BD A项,因第一个反应是气体分子数增大的反应,增大压强使平衡逆向移动,不利于提高CH4的平衡转化率,错误;B项,结合两个热化学方程式可以看出两个反应均消耗CO2,所以同温度下CO2的平衡转化率大于CH4的,故曲线B表示CH4的平衡转化率随温度的变化曲线,正确;C项,改用高效催化剂,不能影响平衡移动,平衡转化率不改变,错误;D项,图中X点除改变温度外,可向体系中充入CO2气体,会提高CH4的平衡转化率至Y点,正确。
3.答案(1)+40.9
(2)a+bV b(a+b)(1-a-b)(3-3a-b)
(3)乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响
(4)A
解析本题利用科研文献中图像、曲线及数据设题,要求考生在陌生情景中进行热力学分析,有一定难度。
(1)根据盖斯定律可得Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,则ΔH3=+40.9kJ·mol-1。
(2)反应Ⅰ: CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
转化/mol x 3x x x
反应Ⅱ: CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
转化/mol a-x 2a-2x a-x
反应Ⅲ: CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
转化/mol y y y y
n(CO)=ymol-amol+xmol=bmol,则x+y=a+b。
则c(H2O)=x+yVmol·L-1=a+bVmol·L-1
KⅢ=c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)=b(a+b)V21-x-yV×3-3x-y-2a+2xV=b(a+b)(1-a-b)(3-3a-b)。
(3)从图乙中看到在T1时,p不同时三条曲线交于一点,说明压强的改变对平衡无影响。而反应Ⅲ前后分子数不变,反应以Ⅲ为主,所以升高温度平衡向正方向移动,CO2的转化率升高。图乙纵坐标表示CO2的平衡转化率,图甲纵坐标表示CH3OH的平衡产率,反应Ⅰ、Ⅱ都是体积减小的反应,增大压强平衡向正反应方向移动,故p1>p2>p3。
(4)由反应的方程式可知,低温、高压可提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率。
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