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高考化学二轮化学反应速率与化学平衡学案

时间:2016-05-06 11:12:25作者:佚名教案来源:网络
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第六讲 化学反应速率与化学平衡
 2016高考导航——适用于全国卷Ⅰ

最新考纲 高频考点 高考印证 命题趋势
1.了解化学反应速率的概念、反应速率的定量表示方法。
2.了解催化剂在生产、生活和科学研究领域中的重大作用。
3.了解化学反应的可逆性。
4.了解化学平衡建立的过程。理解化学平衡常数的含义,能够利用化学平衡常数进行简单的计算。
5.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对反应速率和化学平衡的影响,认识并能用相关理论解释其一般规律。
6.了解化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
7.以上各部分知识的综合应用。 化学反应速率
及影响因素 2015•T28
2014•T9
2013•T28 1.化学反应速率与化学平衡常结合起来进行考查;化学平衡的影响因素及在外界条件改变时平衡移动的方向,是考查化学平衡的必考点,此类问题在选择题和非选择题中均可能出现,试题常常与化学平衡图像相结合进行考查。
2.化学平衡状态的判断是高考常考点,考查角度多样,但都是围绕v(正)和v(逆)是否相等、物质的浓度是否变化来判断。化学平衡常数从表达式的书写到有关计算都有考查,预计今后仍将延续近年的命题形式和特点。
 化学平衡状态
及影响因素 2014•T28
2013•T28 
 化学平衡常数
 及有关计算 2015•T28
2014•T28 

考点一 化学反应速率及影响因素
 


[学生用书P25]

 


 
1.对化学反应速率计算公式的剖析
v(B)=ΔcBΔt=ΔnBVΔt
(1)浓度变化只适用于气体和溶液中的溶质,不适用于固体和纯液体。
(2)化学反应速率是某段时间内的平均反应速率,而不是瞬时速率,且计算时取正值。
(3)同一反应用不同的物质表示反应速率时,数值可能不同,但意义相同。不同物质表示的反应速率之比等于其化学计量数之比。
(4)对于可逆反应,反应进行的净速率是正、逆反应速率之差,当达到平衡时,净速率为零。
2.分析有气体参与的化学反应的反应速率
(1)恒温时,压缩体积――→引起压强增大―→气体反应物浓度增大――→引起反应速率增大。
(2)恒温恒容时
①充入气体反应物――→引起气体反应物浓度增大(压强也增大)――→引起反应速率增大。
②充入“惰性”气体――→引起总压强增大―→气体反应物浓度未改变――→引起反应速率不变。
(3)恒温恒压时,充入“惰性”气体――→引起体积增大――→引起气体反应物浓度减小――→引起反应速率减小。
3.外界条件对可逆反应的正、逆反应速率的影响方向是一致的,但影响程度不一定相同
(1)当增大反应物浓度时,v(正)增大,v(逆)瞬间不变,随后也增大;
(2)增大压强,气体分子数减小方向的反应速率变化程度大;
(3)对于反应前后气体分子数不变的反应,改变压强可以同等程度地改变正、逆反应速率;
(4)升高温度,v(正)和v(逆)都增大,但吸热反应方向的反应速率增大的程度大;
(5)使用催化剂,能同等程度地改变正、逆反应速率。
 
 

    化学反应速率的影响因素

1.(概念判断类)(2015•高考福建卷)在不同浓度(c)、温度(T)条件下,蔗糖水解的瞬时速率(v)如下表。下列判断不正确的是(  )
 
A.a=6.00
B.同时改变反应温度和蔗糖的浓度,v可能不变
C.b<318.2
D.不同温度时,蔗糖浓度减少一半所需的时间相同
[破题关键] 条件中反应物浓度的变化规律为等差数列减小,同温度下瞬时速率也呈现等差数列减小;反应速率随温度升高而加快。
解析:选D。由表格知328.2 K时蔗糖水解的瞬时速率与浓度的关系成正比,则0.600/0.400=9.00/a,a=6.00,A项正确;从题给数据看,浓度越大、温度越高,反应速率越快,当增大浓度同时降低温度时,瞬时速率可能会不变,B项正确;浓度不变时,b K下反应速率低于318.2 K下的反应速率,故b<318.2,C项正确;温度不同,相同浓度下的平均速率不同,浓度减少一半所需的时间也不同,D项错误。
[互动拓展]
(1)在其他条件不变时,某反应的反应速率在温度每升高10 ℃时变为原来的3倍,则50 ℃时的反应速率是10 ℃时的________倍。
(2)在溶液中进行的某反应,开始反应后,反应速率呈先增大后逐渐减小的趋势,若不考虑生成催化剂的影响,则该反应为________热反应。
答案:(1)34 (2)放
  (2015•河北承德高三模拟)对于反应2C6H5CH2CH3(g)+O2(g)  2C6H5CH===CH2(g)+2H2O(g) ΔH<0,下列说法正确的是(  )
A.升温,正反应速率减小,逆反应速率增大
B.升温,正、逆反应速率均增大
C.加压,正反应速率减小,逆反应速率增大
D.加压,正、逆反应速率均减小
解析:选B。升温,正、逆反应速率均增大,A错误,B正确;加压,正、逆反应速率均增大,C、D错误。
2.(2015•高考海南卷改编)10 mL浓度为1 mol/L的盐酸与过量的锌粉反应,若加入适量的下列溶液,既能减慢反应速率,又能使氢气生成量减少的是(  )
A.K2SO4   B.CH3COONa
C.CuSO4     D.Na2CO3
解析:选D。Zn与稀盐酸发生反应:Zn+2HCl===ZnCl2+H2↑,若加入物质使反应速率减慢,则c(H+)减小,产生氢气的物质的量减小,说明最终电离产生的n(H+)减小。A.K2SO4是强酸强碱盐,不发生水解,溶液显中性,溶液中的水对盐酸起稀释作用,使c(H+)减小,但没有消耗H+,因此n(H+)不变;B.CH3COONa与HCl发生反应:CH3COONa+HCl===CH3COOH+NaCl,使溶液中c(H+)减小,反应速率降低,当反应进行到一定程度,会发生反应:2CH3COOH+Zn===(CH3COO)2Zn+H2↑,因此最终不会影响产生氢气的物质的量;C.CuSO4溶液会与Zn发生置换反应:CuSO4+Zn===Cu+ZnSO4,产生的Cu与Zn和盐酸构成原电池,会加快反应速率;D.Na2CO3溶液会与盐酸发生反应:Na2CO3+2HCl===2NaCl+H2O+CO2↑,使溶液中的c(H+)、n(H+)都减小,既能使反应速率减慢,又能使产生氢气的物质的量减小。
 

    反应速率的比较与计算

1.(2014•高考北京卷)一定温度下,10 mL 0.40 mol/L H2O2溶液发生催化分解。不同时刻测得生成O2的体积(已折算为标准状况)如下表。

t/min 0 2 4 6 8 10
V(O2)/
mL 0.0 9.9 17.2 22.4 26.5 29.9
下列叙述不正确的是(溶液体积变化忽略不计)(  )
A.0~6 min的平均反应速率:v(H2O2)≈3.3×10-2 mol/(L•min)
B.6~10 min的平均反应速率:v(H2O2)<3.3×10-2 mol/(L•min)
C.反应至6 min时,c(H2O2)=0.30 mol/L
D.反应至6 min时,H2O2分解了50%
解析:选C。2H2O2=====催化剂2H2O+O2↑。
A.6 min时,生成O2的物质的量n(O2)=22.4 mL×10-3 L/mL22.4 L/mol=1×10-3 mol,依据反应方程式,消耗n(H2O2)=2×10-3 mol,所以0~6 min时,v(H2O2)=2×10-3 mol0.01 L×6 min≈3.3×10-2 mol/(L•min),A正确。B.6~10 min时,生成O2的物质的量n(O2)=29.9-22.4×10-3 L22.4 L/mol≈0.335×10-3 mol,依据反应方程式,消耗n(H2O2)=0.335×10-3 mol×2=0.67×10-3 mol,6~10 min时,v(H2O2)=0.67×10-3 mol0.01 L×4 min≈1.68×10-2 mol/(L•min)<3.3×10-2 mol/(L•min),B正确。C.反应至6 min时,消耗n(H2O2)=2×10-3 mol,剩余n(H2O2)=0.40 mol/L×0.01 L-2×10-3 mol=2×10-3 mol,c(H2O2)=2×10-3 mol0.01 L=0.20 mol/L,C错误。D.反应至6 min时,消耗n(H2O2)=2×10-3 mol,n总(H2O2)=4×10-3 mol,所以H2O2分解了50%,D正确。
2.(2014•高考重庆卷)在恒容密闭容器中通入X并发生反应:2X(g)  Y(g),温度T1、T2下X的物质的量浓度c(X)随时间t变化的曲线如图所示,下列叙述正确的是(  )
 
A.该反应进行到M点放出的热量大于进行到W点放出的热量
B.T2下,在0~t1时间内,v(Y)=a-bt1mol•L-1•min-1
C.M点的正反应速率v正大于N点的逆反应速率v逆
D.M点时再加入一定量X,平衡后X的转化率减小
解析:选C。根据图像给出的在不同温度下达到平衡所需要的时间可得出:T1>T2,再根据不同温度下达到平衡时c(X)的大小可推出此反应为放热反应。M点X的转化率小于W点X的转化率,因此反应进行到M点放
出的热量小于进行到W点放出的热量,选项A不正确。T2下,在0~t1时间内,v(X)=a-bt1 mol•L-1•min-1,v(Y)=12v(X)=a-b2t1 mol•L-1•min-1,选项B不正确。在T1和T2温度时,当达到平衡状态时,M点v正(M)=v逆(M),W点v正(W)=v逆(W),温度高反应速率快,v逆(M)>v逆(W),又v逆(W)>v逆(N),则v逆(M)>v逆(N),则v正(M)>v逆(N),选项C正确。M点时在恒容条件下再加入一定量X,相当于增大压强,平衡正向移动,平衡后X的转化率增大,选项D不正确。
 


 


 


有关化学反应速率的易错点
(1)错误地把化学反应速率等同于瞬时速率,化学反应速率是某一段时间内的平均速率,而不是瞬时速率。
(2)进行化学反应速率的相关计算时,错误地用某物质的物质的量代替物质的量浓度计算,速率大小比较时易忽视各物质的速率的单位是否一致和单位书写是否正确。
(3)错误地认为固体和纯液体不会改变化学反应速率,实际上不能用固体和纯液体物质的变化量表示化学反应速率,但若将固体的颗粒变小(增大固体的接触面积)则化学反应速率会加快。
(4)错误地认为只要增大压强,有气体参加的反应的化学反应速率一定增大;实际上若反应在密闭固定容积的容器中进行,充入氦气(或不参与反应的气体),压强增大,但气体反应物的浓度不变,反应速率不变;若反应在密闭可变容积的容器中进行,充入氦气(或不参与反应的气体)而保持压强不变,相当于压强减小,气体反应物的浓度减小,反应速率减小。
(5)不能正确区分外界条件对可逆反应的正、逆反应速率的影响趋势。例如:对ΔH<0的反应,升高温度,平衡逆向移动,正、逆反应速率都增大,并不是只增大逆反应速率,只是逆反应速率增大的程度大于正反应速率;工业合成氨中,移出部分氨气(平衡右移),正、逆反应速率都减小,并不是增大了正反应速率。
考点二 化学平衡状态及影响因素
 


[学生用书P26]

 


 
1.化学平衡状态判断的“两类标志”及“一角度”
判断化学反应是否达到化学平衡状态,关键是看给定条件下能否推出“变量”达到“不变”。常用到的判断标志有:
(1)绝对标志
 
(2)相对标志
①有气体参加的反应,气体的总压强、总体积、总物质的量不变时,当为反应前后气体分子数不变的反应时,不一定达到平衡;当为反应前后气体分子数不相等的反应时,达到平衡。
②气体的密度(气体的总质量气体的总体积)、气体的平均相对分子质量(气体的总质量气体的总物质的量)不变时,要具体分析各表达式中的分子或分母变化情况,判断是否平衡。
③如果平衡体系中的物质有颜色,则平衡体系的颜色不变时,达到平衡。
(3)一角度
从微观的角度分析,如反应N2(g)+3H2(g)  2NH3(g),下列各项均可说明该反应达到了平衡状态:
①断裂1 mol NN键的同时生成1 mol N≡N键;
②断裂1 mol NN键的同时生成3 mol H-H键;
③断裂1 mol NN键的同时断裂6 mol N-H键;
④生成1 mol NN键的同时生成6 mol N-H键。
2.化学平衡移动判断的方法和规律
(1)①通过比较化学平衡破坏瞬时的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。
a.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;
b.若外界条件改变,引起v正<v逆,则化学平衡向逆反应方向(或向左)移动;
c.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,则化学平衡没有发生移动。
②常见外界条件的变化对正、逆反应速率的影响规律
a.增大反应物浓度的瞬间,v正变大、v逆不变;减小反应物浓度的瞬间,v正变小,v逆不变;增大生成物浓度的瞬间,v正不变,v逆变大;减小生成物浓度的瞬间,v正不变,v逆变小。
b.压强的变化对气体体积数较大的一边反应速率影响大。
c.温度的变化对吸热反应影响大。
d.催化剂对正、逆反应速率影响相同。
(2)通过比较浓度商(Q)与平衡常数(K)的大小来判断平衡移动的方向。
①若Q>K,平衡逆向移动;
②若Q=K,平衡不移动;
③若Q<K,平衡正向移动。
(3)外界条件对平衡移动影响的规律——勒夏特列原理
①温度的影响:升高温度,化学平衡向吸热反应方向移动;降低温度,化学平衡向放热反应方向移动。
②浓度的影响:增大反应物浓度或减小生成物浓度,化学平衡向正反应方向移动;减小反应物浓度或增大生成物浓度,化学平衡向逆反应方向移动。
③压强的影响:增大压强会使平衡向着气体体积减小的方向移动;减小压强会使平衡向着气体体积增大的方向移动。
 
 

    化学平衡的影响因素

1.(化学平衡理论应用类)(2015•高考四川卷)一定量的CO2与足量的碳在体积可变的恒压密闭容器中反应:C(s)+CO2(g)  2CO(g)。平衡时,体系中气体体积分数与温度的关系如下图所示:
 
已知:气体分压(p分)=气体总压(p总)×体积分数。下列说法正确的是(  )
A.550 ℃时,若充入惰性气体,v正、v逆均减小,平衡不移动
B.650 ℃时,反应达平衡后CO2的转化率为25.0%
C.T ℃时,若充入等体积的CO2和CO,平衡向逆反应方向移动
D.925 ℃时,用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp=24.0p总
[破题关键] 恒压容器中充入无关气体,容器容积扩大,相当于压强减小;若充入与平衡状态时比例相同的有关气体,平衡不移动。
解析:选B。A.550 ℃时,若充入惰性气体,由于保持了压强不变,相当于扩大了体积,则v正、v逆均减小,平衡正向移动,A项错误。B.根据图示可知,在650 ℃时,CO的体积分数为40.0%,根据反应方程式:C(s)+CO2(g)  2CO(g),设开始加入1 mol CO2,反应掉了x mol CO2,则有:
 C(s) + CO2(g)    2CO(g)
始态:    1 mol        0
变化:    x mol        2x mol
平衡:    (1-x) mol      2x mol
因此有:2x1-x+2x×100%=40.0%,解得x=0.25,则CO2的平衡转化率为0.25 mol1 mol×100%=25.0%,B项正确。C.由图可知T ℃时,平衡体系中CO2和CO的体积分数相等,则在恒压密闭容器中再充入等体积的CO2和CO,平衡不移动,C项错误。D.925 ℃时,CO的体积分数为96.0%,故Kp=p2COpCO2=96.0%p总24.0%p总=23.04p总,D项错误。
[互动拓展]
恒容条件下,充入无关气体,正、逆反应速率如何变化?平衡是否移动?
答案:正、逆反应速率均不变,平衡不移动。
  (2015•陕西西安模拟)下列四个图中,曲线变化情况与所给反应(a、b、c、d均大于0)相对应的是(  )
 
 
解析:选C。A项反应的ΔH<0,为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,SO3含量减小,温度较高时反应先达到平衡,图中1 200 ℃和1 000 ℃的情况表示反了,错误;B项压强增大,正、逆反应速率均增大,平衡正向移动,则v正增大的幅度大,而图中v逆增大的幅度大,错误;C项反应的ΔH>0,为吸热反应,压强不变时升高温度,平衡正向移动,N2O4的物质的量分数减小,与图中一致,温度不变时增大压强,平衡逆向移动,N2O4的物质的量分数增大,与图中一致,正确;D项起始时增大CO2的物质的量,C的转化率增大,但CO2的转化率减小,错误。
2.(2014•高考安徽卷)臭氧是理想的烟气脱硝试剂,其脱硝反应为2NO2(g)+O3(g)  N2O5(g)+O2(g),若反应在恒容密闭容器中进行,下列由该反应相关图像作出的判断正确的是(  )
A B
  
升高温度,平衡常数减小 0~3 s内,反应速率为v(NO2)=0.2 mol•L-1
C D
  
t1时仅加入催化剂,平衡正向移动 达平衡时,仅改变x,则x为c(O2)
解析:选A。A.从能量变化的图像分析,该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,平衡常数减小,A正确。B.依据化学反应速率的计算公式:v(NO2)=1.0-0.4 mol•L-13 s=0.2 mol•L-1•s-1,单位不对,B错误。C.催化剂会同等程度地改变正、逆反应速率,所以加入催化剂,平衡不移动,C错误。D.增大c(O2),平衡逆向移动,NO2的转化率降低,D错误。
 

    化学平衡状态的判定

1.(2015•山西太原高三调研)可逆反应:2NO2(g)  2NO(g)+O2(g)在体积固定的密闭容器中进行,达到平衡状态的标志是(  )
①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2
②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO
③用NO2、NO、O2表示的反应速率之比为2∶2∶1的状态
④混合气体的颜色不再改变的状态
⑤混合气体的密度不再改变的状态
⑥混合气体的压强不再改变的状态
⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
A.①④⑥⑦          B.②③⑤⑦
C.①③④⑤     D.全部
解析:选A。①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2,能说明反应达到平衡状态;②描述的都是正反应方向,无法判断是否达到平衡状态;③无论达到平衡与否,同向的反应速率之比总是等于化学计量数之比;④混合气体的颜色不变能够说明反应达到了平衡状态;⑤因容器体积固定,密度是一个常数,所以其不能说明反应达到平衡状态;该反应是一个反应前后气体体积不等的反应,容器的体积又固定,所以⑥⑦均能说明反应达到平衡状态。
2.下列说法中可以证明反应H2(g)+I2(g)  2HI(g)已达平衡状态的是(  )
①单位时间内生成n mol H2的同时生成n mol HI
②一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂
③百分含量w(HI)=w(I2)
④反应速率v(H2)=v(I2)=12v(HI)
⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1
⑥温度和体积一定时,生成物浓度不再变化
⑦温度和体积一定时,容器内的压强不再变化
⑧条件一定时,混合气体的平均相对分子质量不再变化
⑨温度和体积一定时,混合气体颜色不再变化
⑩温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化
A.①②③④     B.②⑥⑨
C.②⑥⑨⑩     D.③⑤⑥⑦⑧
解析:选B。对于反应前后气体分子数相等的可逆反应,平均相对分子质量、压强及密度都不能用来判断反应是否达到平衡状态。
 


 


 


有关化学平衡的易错点
(1)混淆化学反应速率变化与化学平衡的移动的关系。化学平衡移动,则化学反应速率一定改变,但化学反应速率改变,化学平衡不一定移动,如催化剂对化学平衡的影响。另外平衡正向移动,不可错误地认为逆反应速率一定减小,正反应速率一定增大。
(2)混淆勒夏特列原理中的“减弱”。勒夏特列原理:如果改变影响平衡的一个条件,平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。此处的“减弱”是在改变后的基础上减弱,并不能抵消,更不能超越。
(3)混淆化学平衡移动与转化率的关系。化学平衡正向移动,反应物转化率不一定增大。
(4)化学平衡移动,平衡常数不一定改变。
考点三 化学平衡常数及有关计算
 


[学生用书P28]

 


 
1.“三段式法”解答化学平衡计算题
(1)步骤
①写出有关化学平衡的反应方程式。
②确定各物质的起始、转化、平衡时的量(物质的量或物质的量浓度)。
③根据已知条件建立等式关系并做解答。
(2)方法
如mA(g)+nB(g)  pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为a mol•L-1、b mol•L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mx mol•L-1。
mA(g)+nB(g)  pC(g)+qD(g)
起始时物质的量浓度mol•L-1  a  b  0  0
转化的物质的量浓度mol•L-1  mx  nx  px  qx
平衡时物质的量浓度mol•L-1  a-mx  b-nx  px  qx
K=pxp•qxqa-mxm•b-nxn。
(3)说明
①反应物:c(平)=c(始)-c(变);
生成物:c(平)=c(始)+c(变)。
②各物质的转化浓度之比等于化学方程式中化学计量数之比。
③转化率=反应物转化的浓度反应物起始的浓度×100%。
2.化学平衡常数的全面突破
(1)化学平衡常数的意义
①化学平衡常数可表示反应进行的程度。K越大,反应进行的程度越大,K>105时,可以认为该反应已经进行完全。虽然转化率也能表示反应进行的程度,但转化率不仅与温度有关,而且与起始条件有关。
②K的大小只与温度有关,与反应物或生成物的起始浓度的大小无关。
(2)化学平衡常数的两个应用
①判断反应进行的方向
若任意状态下的生成物与反应物的浓度幂之积的比值为Q,则Q>K,反应向逆反应方向进行;
Q=K,反应处于平衡状态;
Q<K,反应向正反应方向进行。
②判断反应的热效应
若升高温度,K值增大,则正反应为吸热反应;
若升高温度,K值减小,则正反应为放热反应。
(3)在使用化学平衡常数时应注意
①不要把反应体系中固体、纯液体以及稀水溶液中水的浓度写进平衡常数表达式中,但非水溶液中,若有水参加或生成,则此时水的浓度不可视为常数,应写进平衡常数表达式中。
②同一化学反应,化学反应方程式写法不同,其平衡常数表达式及数值亦不同。因此书写平衡常数表达式及数值时,要与化学反应方程式相对应,否则就没有意义。
3.等效平衡思想是解决化学平衡类试题最常用的思维方法
(1)恒温、恒容条件下的等效平衡
对反应前后气体分子数改变的可逆反应,改变起始加入量时,“一边倒”(即通过可逆反应的化学计量数比换算成方程式同一半边的物质的物质的量)后与原起始加入量相同,则为等效平衡,平衡时各物质的百分含量相同。
对反应前后气体分子数不变的可逆反应,改变起始加入量时,“一边倒”后,投料时各物质的物质的量之比与原起始加入量的比值相同,则为等效平衡,平衡时各物质百分含量相同。
(2)恒温、恒压条件下的等效平衡
如果反应在恒温、恒压下进行,改变起始加入量时,只要通过可逆反应的化学计量数比换算成反应物(或生成物),各物质的物质的量之比与原起始加入量的比值相同,则为等效平衡,平衡时各物质的百分含量相同。
 
 

    有关化学平衡常数的计算

1.(化学理论应用类)[2015•高考全国卷Ⅰ,T28-(4)]Bodensteins研究了下列反应:
2HI(g)  H2(g)+I2(g)
在716 K时,气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表:
t/min 0 20 40 60 80 120
x(HI) 1 0.91 0.85 0.815 0.795 0.784
x(HI) 0 0.60 0.73 0.773 0.780 0.784
(1)根据上述实验结果,该反应的平衡常数K的计算式为________。
(2)上述反应中,正反应速率为v正=k正x2(HI),逆反应速率为v逆=k逆x(H2)x(I2),其中k正、k逆为速率常数,则k逆为________(以K和k正表示)。若k正=0.002 7 min-1,在t=40 min时,v正=________ min-1。
(3)由上述实验数据计算得到v正~x(HI)和v逆~x(H2)的关系可用下图表示。当升高到某一温度时,反应重新达到平衡,相应的点分别为________(填字母)。
 
[破题关键] (1)反应2HI(g)  H2(g)+I2(g)的平衡常数表达式为K=cH2•cI2c2HI,利用三段式表示出各物质的平衡浓度即可得到。(2)由于该反应为等体积反应,故各物质的物质的量分数之比可换算成浓度之比,即可利用题设公式推导。(3)分解反应2HI(g)  H2(g)+I2(g)是吸热反应。升高温度,v正、v逆都增大,但HI的物质的量分数减小,而H2、I2的物质的量分数增大,选取符合条件的点即可。
解析:(1)由表中数据可知,无论是从正反应方向开始,还是从逆反应方向开始,最终x(HI)均为0.784,说明此时已达到了平衡状态。设HI的初始浓度为1  mol•L-1,则:
        2HI(g)  H2(g) + I2(g)
初始浓度/mol•L-1  1      0      0
转化浓度/mol•L-1  0.216    0.108    0.108
平衡浓度/mol•L-1  0.784    0.108    0.108
K=cH2•cI2c2HI=0.108×0.1080.7842。
(2)建立平衡时,v正=v逆,即k正x2(HI)=k逆x(H2)x(I2),k逆=x2HIxH2xI2k正。由于该反应前后气体分子数不变,故k逆=x2HIxH2xI2k正=c2HIcH2cI2k正=k正K。在t=40 min时,x(HI)=0.85,则v正=0.002 7 min-1×0.852≈1.95×10-3 min-1。
(3)因2HI(g)  H2(g)+I2(g) ΔH>0,升高温度,v正、v逆均增大,且平衡向正反应方向移动,HI的物质的量分数减小,H2、I2的物质的量分数增大。因此,反应重新达到平衡后,相应的点分别应为A点和E点。
答案:(1)0.108×0.1080.7842 (2)k正K 1.95×10-3
(3)A、E
[互动拓展]
(1)对于可逆反应mA(g)+nB(g)  pC(g)+qD(g),正反应的化学平衡常数K正与逆反应的化学平衡常数K逆有何数值关系?
(2)反应2HI(g)  H2(g)+I2(g)的化学平衡常数与HI(g)  12H2(g)+12I2(g)的化学平衡常数相同吗?
(3)同一弱电解质的电离平衡常数Ka与其盐的水解平衡常数Kh呈什么关系?
答案:(1)K正=1K逆
(2)不相同,前者的化学平衡常数是后者的平方。
(3)Ka•Kh=Kw
  (2015•高考安徽卷)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,如图曲线a表示该反应在温度T下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下,该反应的平衡常数K=4c0-c12c21
B.温度T下,随着反应的进行,混合气体的密度减小
C.曲线b对应的条件改变可能是加入了催化剂
D.若曲线b对应的条件改变是温度,可判断该反应的ΔH<0
解析:选A。A.由曲线a可知,达到平衡时c(N2)=c1 mol•L-1,则生成的c(NO)=2(c0-c1) mol•L-1,故K=c2NOcN2•cO2=4c0-c12c21。B.反应物和产物都是气体,当容器保持恒容时,混合气体的密度始终保持不变。C.催化剂的加入只能改变反应速率而不可能使平衡发生移动,故加入催化剂后达到平衡时,c(N2)仍为c1 mol•L-1。D.若曲线b改变的是温度,根据达到平衡时曲线b对应的时间短,则对应温度高,升高温度时c(N2)减小,平衡正向移动,正反应为吸热反应,ΔH>0。
2.(2014•高考四川卷)在10 L恒容密闭容器中充入X(g)和Y(g),发生反应X(g)+Y(g)  M(g)+N(g),所得实验数据如下表:
实验编号 温度/℃ 起始时物质的量/mol 平衡时物质的量/mol
n(X) n(Y) n(M)  
① 700 0.40 0.10 0.090
② 800 0.10 0.40 0.080
③ 800 0.20 0.30 a
④ 900 0.10 0.15 b
下列说法正确的是(  )
A.实验①中,若5 min时测得n(M)=0.050 mol,则0至5 min时间内,用N表示的平均反应速率v(N)=1.0×10-2 mol/(L•min)
B.实验②中,该反应的平衡常数K=2.0
C.实验③中,达到平衡时,X的转化率为60%
D.实验④中,达到平衡时,b>0.060
解析:选C。A.根据方程式可知在5 min内反应生成的n(N)等于生成的n(M),则v(N)=0.050 mol10 L×5 min=1×10-3 mol/(L•min),该项错误;B.根据表格中数据可知实验②平衡时c(X)=0.002 mol/L、c(Y)=0.032 mol/L、c(N)=c(M)=0.008 mol/L,则平衡常数K=cM•cNcX•cY=0.008×0.0080.002×0.032=1.0,该项错误;C.由实验②得该反应在800 ℃时平衡常数为1,设反应中转化的X的物质的量为x mol,则有(0.20-x)×(0.30-x)=x•x,故x=0.12,X的转化率为0.12 mol0.20 mol×100%=60%,该项正确;D.假设在900 ℃时,该反应的平衡常数也为1.0,根据实验④中的数据可知b=0.060,由①中数据可知在700 ℃时平衡常数约为2.6,结合800 ℃时平衡常数为1.0可知,温度越高,该平衡常数越小,平衡逆向移动,故b<0.060,该项错误。
 

    有关化学平衡的综合计算

1.(2015•高考天津卷)某温度下,在2 L的密闭容器中,加入1 mol X(g)和2 mol Y(g)发生反应:
X(g)+mY(g)  3Z(g)
平衡时,X、Y、Z的体积分数分别为30%、60%、10%。在此平衡体系中加入1 mol Z(g),再次达到平衡后,X、Y、Z的体积分数不变。下列叙述不正确的是(  )
A.m=2
B.两次平衡的平衡常数相同
C.X与Y的平衡转化率之比为1∶1
D.第二次平衡时,Z的浓度为0.4 mol•L-1
解析:选D。A.根据再次加入1 mol Z(g),平衡后,X、Y、Z的体积分数不变,可知该反应是一个反应前后气体分子数相等的反应,因此m=2。B.由于温度没有变化,故两次平衡的平衡常数不变。C.因为是按照化学方程式中化学计量数之比充入的反应物,因此二者的平衡转化率相等。D.该反应前后气体分子数不变,因此反应后气体的物质的量与反应前一样,都为4 mol,而平衡后Z的体积分数为10%,故平衡时Z的物质的量为4 mol×10%=0.4 mol,容器体积为2 L,则Z的浓度为0.2 mol•L-1。
2.(2015•高考重庆卷)羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂,能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在恒容密闭容器中,将CO和H2S混合加热并达到下列平衡:
CO(g)+H2S(g)  COS(g)+H2(g) K=0.1
反应前CO物质的量为10 mol,平衡后CO物质的量为8 mol。下列说法正确的是(  )
A.升高温度,H2S浓度增加,表明该反应是吸热反应
B.通入CO后,正反应速率逐渐增大
C.反应前H2S物质的量为7 mol
D.CO的平衡转化率为80%
解析:选C。A.升高温度,H2S浓度增大,说明平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,则该反应正反应为放热反应,故不正确。B.通入CO后,正反应速率瞬间增大,之后化学平衡发生移动,正反应速率逐渐减小,逆反应速率逐渐增大,当正反应速率和逆反应速率相等时,反应达到新的化学平衡状态,故不正确。C.设反应前H2S的物质的量为a mol,容器的容积为1 L,列“三段式”进行解题:
      CO(g)+H2S(g)  COS(g)+H2(g)
起始物质的量浓度mol•L-1  10   a   0   0
转化物质的量浓度mol•L-1  2   2   2   2
平衡物质的量浓度mol•L-1  8   a-2   2   2
化学平衡常数K=2×28×a-2=0.1,解得a=7,故正确。
D.CO的平衡转化率为10 mol-8 mol10 mol×100%=20%,故不正确。
3.(2015•高考浙江卷)乙苯催化脱氢制苯乙烯反应:
 
(1)已知:

化学键 C—H C—C C===C H—H
键能/kJ•mol-1 412 348 612 436
计算上述反应的ΔH=________kJ•mol-1。
(2)维持体系总压p恒定,在温度T时,物质的量为n、体积为V的乙苯蒸气发生催化脱氢反应。已知乙苯的平衡转化率为α,则在该温度下反应的平衡常数K=________(用α等符号表示)。
(3)工业上,通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1∶9),控制反应温度600 ℃,并保持体系总压为常压的条件下进行反应。在不同反应温度下,乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图如下:
 
①掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率,解释说明该事实:________________________________________________________________________。
②控制反应温度为600 ℃的理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)某研究机构用CO2代替水蒸气开发了绿色化学合成工艺——乙苯­二氧化碳耦合催化脱氢制苯乙烯。保持常压和原料气比例不变,与掺水蒸气工艺相比,在相同的生产效率下,可降低操作温度;该工艺中还能够发生反应:CO2+H2===CO+H2O,CO2+C===2CO。新工艺的特点有________(填编号)。
①CO2与H2反应,使乙苯脱氢反应的化学平衡右移
②不用高温水蒸气,可降低能量消耗
③有利于减少积炭
④有利于CO2资源利用
解析:(1)  制备苯乙烯需断开2 mol C—H键,生成1 mol H—H键,同时在C—C键的基础上生成C===C键,因此生成1 mol苯乙烯吸收的热量为2×412 kJ=824 kJ,放出的热量为436 kJ+(612-348) kJ=700 kJ,根据反应热的定义可知,ΔH=824 kJ•mol-1-700 kJ•mol-1=+124 kJ•mol-1。
(2)从浓度角度求Kc:根据阿伏加德罗定律的推论,总压强p相同时,V1V2=n1n2,乙苯的转化率为α,由此可得:VV反应后=11+α,V反应后=(1+α)V,根据化学方程式及平衡常数的定义:苯乙烯浓度c1=nα1+αV,H2浓度c2=nα1+αV,乙苯浓度c3=n1-α1+αV,Kc=c1c2c3=n2α2V21+α2n1-αV1+α=nα2V1-α1+α=nα21-α2V。
从压强角度求Kp:容器中氢气的物质的量为αn,苯乙烯的物质的量为αn,乙苯的物质的量为(1-α)n,气体的总物质的量为(1+α)n,所以氢气的分压为αn1+αnp,苯乙烯的分压为αn1+αnp,乙苯的分压为1-αn1+αnp,因此Kp=αn1+αnp•αn1+αnp1-αn1+αnp=α21-α2p。
(3)①因为该容器内保持恒压,掺入水蒸气,相当于增大了容器的体积,而该反应的正反应是气体分子数增大的反应,化学平衡向右移动,提高了乙苯的平衡转化率。
②从图像可知,600 ℃时,乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。如果温度过低,反应速率慢且转化率低;如果温度过高,选择性下降,且高温还可能使催化剂失去活性,同时还会消耗更多的能量。
(4)①中二氧化碳与氢气反应,可以促使平衡向右移动,所以正确;②中不需要提供产生水蒸气的能量,降低能耗,所以正确;③中因为二氧化碳可以与碳反应生成一氧化碳,因此可以减少积炭,所以正确;④中由于该反应消耗二氧化碳,因此有利于二氧化碳资源的利用,所以正确。
答案:(1)+124 (2)α21-α2p[或nα21-α2V]
(3)①正反应方向气体分子数增加,加入水蒸气稀释,相当于起减压的效果 ②600 ℃,乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。温度过低,反应速率慢,转化率低;温度过高,选择性下降。高温还可能使催化剂失活,且能耗大
(4)①②③④

 

 
 
 
 化学反应速率与化学平衡图像的分析方法
(1)认清坐标系,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、生成物。浓度减小的是反应物,浓度增大的是生成物,一般生成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,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、生成物的增加量,并结合有关原理进行推理判断。
(5)先拐先平。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。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。

 

 


 

有关化学反应速率与平衡移动的认识误区
1.误认为温度、压强等条件的改变对正、逆反应速率影响不一致,如认为升温既然使化学平衡向吸热方向移动,则对于放热反应,升温时,逆反应速率增大,而正反应速率减小。其实不然,温度升高,正、逆反应速率都增大,只是吸热反应方向速率增大的程度大;同理,降温会使吸热反应方向速率减小的程度大,而导致化学平衡向放热方向移动。
2.误认为化学平衡向正反应方向移动,则反应物的浓度一定减小,或反应物转化率一定增大。其实不然,这是因为造成平衡移动的因素有多种,如当增大某种反应物的浓度时,平衡虽向正反应方向移动,但该反应物浓度最终增大,且转化率降低。
3.误认为随着化学反应的进行,化学反应速率一定逐渐减小。其实不一定,因为反应速率不仅受浓度影响,而且受温度影响,一般会先增大后减小。
4.误认为改变任意一个条件,都能引起平衡移动。其实不一定,如对于反应前后气体分子数不变的反应,减小体积引起体系压强增大,由于反应混合物中各组分浓度同等程度增大,故平衡不移动。
5.误认为任何可逆反应都是正向开始随后达到平衡。其实不一定,因为一开始反应的进行方向取决于浓度商Q和化学平衡常数K的大小关系。
 

1.下列条件一定能使反应速率增大的是(  )
①增加反应物的物质的量
②升高温度
③缩小反应容器的容积
④不断分离出生成物
⑤加入催化剂MnO2
A.全部            B.①②⑤
C.②     D.②③
解析:选C。若增加固体的物质的量,反应速率不变;升高温度一定能加快反应速率;改变非气体反应的容积,反应速率不变;分离出固体或纯液体生成物,不改变反应速率;催化剂有一定的选择性,MnO2不能改变所有反应的反应速率。
2.(2015•福建福州高三模拟)在恒温下的密闭容器中,有可逆反应2NO2  N2O4,下列描述不能说明反应达到平衡状态的是(  )
A.N2O4生成速率与N2O4分解速率相等
B.混合气体的平均相对分子质量保持不变
C.NO2的分子数与N2O4的分子数之比为2∶1
D.体系颜色不再发生改变
解析:选C。N2O4的生成速率和分解速率相等,说明N2O4的浓度不变,即反应达到平衡状态,A选项正确;混合气体的平均相对分子质量M(混)=m混n混,M(混)不变,说明n(混)不变,即反应达到了平衡状态,B选项正确;NO2与N2O4的分子数之比为2∶1时反应不一定达到平衡状态,C选项错误;体系颜色不变,说明NO2的浓度不变,即反应达到平衡状态,D选项正确。
3.(2015•河北唐山第二次联考)高温下,某反应达到平衡,平衡常数K=cCO•cH2OcCO2•cH2。恒容时,温度升高,H2浓度减小。下列说法正确的是(  )
A.该反应的焓变为正值
B.恒温恒容下,增大压强,H2浓度一定减小
C.升高温度,逆反应速率减小
D.该反应的化学方程式为CO+H2O 高温CO2+H2
解析:选A。根据平衡常数的表达式可得出该反应的化学方程式为CO2+H2 高温CO+H2O(g);升高温度,正、逆反应速率均增大;温度升高,H2浓度减小,平衡正向移动,说明正反应是吸热的,焓变为正值;在恒温恒容下,增大压强的方法有多种,H2浓度变化不确定。
4.(2015•甘肃部分高中第一次联考)等物质的量的X(g) 与Y(g)在密闭容器中进行反应:X(g)+2Y(g)  3Z(g)+Q(s) ΔH>0,下列叙述正确的是(  )
A.当容器中X与Y的物质的量之比满足1∶2时反应达到平衡
B.达到平衡时X的转化率为25%,则平衡常数K为94
C.达到平衡后,反应速率2v正(Y)=3v逆(Z)
D.达到平衡后,加入Q,平衡逆向移动
解析:选B。反应中X、Y按照物质的量之比1∶2进行反应,而容器中两者物质的量之比为1∶2时不一定达到平衡,A项错误;设X、Y起始的物质的量都为1 mol,容器的体积为V L,达到平衡时X的物质的量是1 mol×(1-25%)=0.75 mol,消耗X的物质的量是0.25 mol,而Y的物质的量为1 mol-0.25 mol×2=0.5 mol,生成Z的物质的量为0.25 mol×3=0.75 mol,则平衡常数K=0.75V30.5V2×0.75V=94,B项正确;达到平衡后3v正(Y)=2v逆(Z),C项错误;由于Q为固体,加入Q后平衡不移动,D项错误。
5.(2015•江苏徐州高三模拟)已知反应X(g)+Y(g)  nZ(g) ΔH>0,将X和Y以一定比例混合通入密闭容器中进行反应,各物质的浓度随时间的改变如图所示。下列说法不正确的是(  )
 
A.反应方程式中n=1
B.10 min时,曲线发生变化的原因是升高温度
C.10 min时,曲线发生变化的原因是增大压强
D.0~5 min内,用X表示的反应速率为v(X)=0.08 mol•L-1•min-1
解析:选B。由图像可以看出,0~5 min,X的浓度减小了0.4 mol•L-1,而Z的浓度增大了0.4 mol•L-1,说明X与Z的化学计量数之比为1∶1,故n=1,A项正确;10 min时,X、Y、Z的浓度同时增大一倍,且随后平衡正向移动,说明改变的条件为增大压强,B项错误,C项正确;0~5 min内,v(X)=0.4 mol•L-15 min=0.08 mol•L-1•min-1,D项正确。
6.(2015•江西南昌调研)在一恒容的密闭容器中充入0.1 mol/L CO2、0.1 mol/L CH4,在一定条件下发生反应CH4(g)+CO2(g)  2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如图,下列有关说法不正确的是(  )
 
A.上述反应的ΔH<0
B.压强:p4>p3>p2>p1
C.压强为p4,温度为1 100 ℃时该反应平衡常数为1.64
D.压强为p4时,在y点:v正>v逆
解析:选A。 由图像可知,压强一定时,温度越高,CH4的平衡转化率越大,故正反应为吸热反应,ΔH>0,A项错误;该反应为气体分子数增加的反应,压强越大,CH4的平衡转化率越小,故压强p4>p3>p2>p1,B项正确;p4、1 100 ℃时,CH4的平衡转化率为80.00%,故平衡时各物质的浓度分别为c(CH4)=0.02 mol/L,c(CO2)=0.02 mol/L,c(CO)=0.16 mol/L,c(H2)=0.16 mol/L,即平衡常数K=0.162×0.1620.02×0.02=1.64,C项正确;压强为p4时,y点未达到平衡状态,此时y点CH4的平衡转化率小于80.00%,故v正>v逆,D项正确。
7.向一体积不变的密闭容器中加入2 mol A、0.6 mol C和一定量的B三种气体,在一定条件下发生反应,各物质浓度随时间变化的情况如图甲所示。图乙为t2时刻后改变反应条件,该平衡体系中反应速率随时间变化的情况,且四个阶段都各改变一种不同的条件。已知t3~t4阶段使用了催化剂;图甲中t0~t1阶段c(B)的变化情况未画出。
 
下列说法不正确的是(  )
A.该反应为吸热反应
B.B在t0~t1阶段的转化率为60%
C.t4~t5阶段改变的条件为减小压强
D.t1时该反应的化学平衡常数K=2732
解析:选B。在图乙中t3~t4阶段使用了催化剂;t4~t5阶段正、逆反应速率均减小,但平衡不移动,这说明此阶段是降低压强,平衡不移动,说明反应前后气体体积不变,C项正确。根据图甲可知A一定是反应物,平衡时A消耗了0.2 mol•L-1,C是生成物,平衡时C增加了0.3 mol•L-1,因此B是反应物,即该反应的化学方程式可表示为2A+B  3C。t5~t6阶段正、逆反应速率均增大,平衡向正反应方向进行,因此改变的条件是升高温度,故该反应是吸热反应,A项正确。B的平衡浓度是0.4 mol•L-1,消耗了0.1 mol•L-1,因此B在t0~t1阶段的转化率为20%,B项错误;t1时,达平衡时A、B、C的浓度分别是0.8 mol•L-1、0.4 mol•L-1、0.6 mol•L-1,故平衡常数K=0.630.4×0.82=2732,D项正确。
8.根据下表所示化学反应与数据关系,回答下列问题:
化学反应 平衡
常数 温度
  973 K 1 173 K
①Fe(s)+CO2(g)  FeO(s)+CO(g) K1 1.47 2.15
②Fe(s)+H2O(g)  FeO(s)+H2(g) K2 2.38 1.67
③CO(g)+H2O(g)  CO2(g)+H2(g) K3 ? ?
(1)反应①是________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)写出反应③的平衡常数K3的表达式:____________。
(3)根据反应①②③可推导出K1、K2与K3之间的关系,则K3=________(用K1、K2表示)。
(4)要使反应③在一定条件下建立的平衡向逆反应方向移动,可采取措施有________(填写字母序号)。
A.缩小反应容器的容积
B.扩大反应容器的容积
C.升高温度
D.使用合适的催化剂
E.设法减小平衡体系中的CO浓度
(5)若反应③的逆反应速率与时间的关系如图所示:
 
①可见反应在t1、t3、t7时都达到了平衡,而t2、t8时都改变了一种条件,试判断改变的是什么条件:t2时________;t8时________。
②若t4时降压,t6时增大反应物的浓度,请在图中画出t4~t6时逆反应速率与时间的关系曲线。
解析:(1)由表可知,温度升高,反应①的K1增大,故该反应为吸热反应。(2)反应③ 的平衡常数K3=cCO2•cH2cCO•cH2O。(3)K3=cCO2•cH2cCO•cH2O,K1=cCOcCO2,K2=cH2cH2O,故K3=K2K1。(4)反应①为吸热反应,其逆反应为放热反应,反应②是放热反应,而反应③是反应①的逆反应与反应②的和,故反应③是放热反应,且反应前后气体的体积不变,故只有C、E可使平衡向逆反应方向移动。(5)①由图可知,t2时改变的条件使反应速率增大,且平衡逆向移动,故改变的条件是升高温度或增大CO2的浓度或增大H2的浓度;t8时改变的条件使反应速率加快且平衡不移动,故改变的条件是使用催化剂或加压或减小容器的容积。②若t4时降压,则反应速率减小,曲线在原来平衡曲线的下方,平衡不移动,故该曲线为水平直线,且纵坐标为t6时的v逆。
答案:(1)吸热 (2)K3=cCO2•cH2cCO•cH2O (3)K2K1
(4)CE (5)①升高温度(或增大CO2的浓度或增大H2的浓度) 使用催化剂(或加压或减小容器的容积)

 
9.(2015•北京朝阳期末)甲醇汽油是一种新能源清洁燃料,可以作为汽油的替代物。工业上可用CO和H2制取甲醇,化学方程式为CO(g)+2H2(g)  CH3OH(g) ΔH=a kJ/mol。
为研究平衡时CO的转化率与反应物投料比cCO起始cH2起始及温度的关系,研究小组在10 L的密闭容器中进行模拟反应,并绘出下图:
 
回答下列问题。
(1)反应热a__________0(填“>”或“<”),判断依据是________________________________________________________________________。
(2)若其他条件相同,曲线Ⅰ、Ⅱ分别表示反应物投料比不同时的反应过程。
①反应物投料比:Ⅰ________Ⅱ(填“>”或“<”)。
②若Ⅱ反应的n(CO)起始=10 mol、反应物投料比为0.5,A点的平衡常数KA=________,B点的平衡常数KB________KA(填“>”、“<”或“=”)。
(3)为提高CO的转化率可采取的措施是____________________________________(至少答出两条)。
解析:(1)从曲线走向看,随温度的升高,CO的转化率降低,说明平衡左移,正反应为放热反应,ΔH<0,即a<0。
(2)①由A到B,CO的转化率提高,c(CO)不变时,增大c(H2)可提高CO的转化率,所以A到B,cCO起始cH2起始减小,故Ⅰ<Ⅱ。
②因为n(CO)起始=10 mol,反应物投料比为0.5,所以n(H2)起始=20 mol,CO的转化率为50%,可列出三段式:
   CO(g) + 2H2(g)  CH3OH(g)
起始浓度  1 mol/L  2 mol/L  0
变化浓度  0.5 mol/L  1 mol/L  0.5 mol/L
平衡浓度  0.5 mol/L  1 mol/L  0.5 mol/L
K=cCH3OHcCO•c2H2=1;
由于A、B点的温度相同,故KB=KA。
(3)提高CO的转化率,可减小反应物投料比、降温、加压、分离出CH3OH等。
答案:(1)< 升高温度,CO的转化率降低,平衡左移,正反应为放热反应
(2)①< ②1 =
(3)减小反应物投料比、降低温度、增大压强、分离出CH3OH(任选两条)
10.已知反应2CH3OH(g)  CH3OCH3(g)+H2O(g),某温度下的平衡常数为400。此温度下,在密闭容器中加入CH3OH,反应到某时刻测得各组分的浓度如下:
物质 CH3OH CH3OCH3 H2O
浓度(mol•L-1) 0.44 0.6 0.6
(1)比较此时正、逆反应速率的大小:v正________v逆(填“>”、“<”或“=”)。
(2)若加入CH3OH后,经10 min反应达到平衡,此时c(CH3OH)=____________;该时间内反应速率v(CH3OH)=____________;CH3OH的转化率为________。
(3)CO可用于合成甲醇,反应方程式为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下图所示。该反应ΔH________0(填“>”或“<”)。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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

 
解析:(1)该反应的浓度商表达式为Q=cCH3OCH3×cH2Oc2CH3OH,将所给浓度代入浓度商表达式:Q=0.6×0.60.442≈1.86<400,故反应向正反应方向进行,正反应速率大于逆反应速率。
(2)根据题中给出的某时刻各组分浓度,可知起始时加入的CH3OH的浓度为0.44 mol•L-1+1.2 mol•L-1=1.64 mol•L-1。列化学平衡三段式,设转化的CH3OH的浓度为2x mol•L-1,
2CH3OH(g)  CH3OCH3(g)+H2O(g)
起始浓度/mol•L-1   1.64     0       0
转化浓度/mol•L-1        2x          x               x
平衡浓度/mol•L-1  1.64-2x           x               x
K=x21.64-2x2=400,解得x=0.8,
故平衡时c(CH3OH)=1.64 mol•L-1-0.8 mol•L-1×2=0.04 mol•L-1,
v(CH3OH)=1.6 mol•L-110 min=0.16 mol•L-1•min-1,α(CH3OH)=0.8 mol•L-1×21.64 mol•L-1×100%=97.6%。
(3)由图可知,温度升高,CO的转化率降低,平衡向逆反应方向移动,故逆反应是吸热反应,正反应是放热反应,ΔH<0;压强大,有利于加快反应速率,有利于使平衡正向移动,但压强过大,需要的动力大,对设备的要求也高,在250 ℃、1.3×104 kPa时,CO的转化率已较高,再增大压强,CO的转化率变化不大,没有必要再增大压强。
答案:(1)> (2)0.04 mol•L-1 0.16 mol•L-1•min-1 97.6% (3)< 在250 ℃、1.3×104 kPa下,CO的转化率已较高,再增大压强,CO的转化率提高不大,同时生产成本增加
11.(2015•高考北京卷)氢能是一种极具发展潜力的清洁能源。以太阳能为热源,热化学硫碘循环分解水是一种高效、无污染的制氢方法。其反应过程如下图所示:
 
(1)反应Ⅰ的化学方程式是______________________。
(2)反应Ⅰ得到的产物用I2进行分离。该产物的溶液在过量I2的存在下会分成两层——含低浓度I2的H2SO4层和含高浓度I2的HI层。
①根据上述事实,下列说法正确的是________(选填序号)。
a.两层溶液的密度存在差异
b.加I2前,H2SO4溶液和HI溶液不互溶
c.I2在HI溶液中比在H2SO4溶液中易溶
②辨别两层溶液的方法是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③经检测,H2SO4层中c(H+)∶c(SO2-4)=2.06∶1,其比值大于2的原因是________________________________________________________________________。
(3)反应Ⅱ:2H2SO4(l)===2SO2(g)+O2(g)+2H2O(g) ΔH=+550 kJ•mol-1
它由两步反应组成:ⅰ.H2SO4(l)===SO3(g)+H2O(g)ΔH=+177 kJ•mol-1;ⅱ.SO3(g)分解。
L(L1,L2)、X可分别代表压强或温度。如图表示L一定时,ⅱ中SO3(g)的平衡转化率随X的变化关系。
 
①X代表的物理量是________。
②判断L1、L2的大小关系,并简述理由:________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:(1)由图知反应Ⅰ中的反应物为SO2、H2O、I2,生成物为H2SO4、HI,故反应的化学方程式为SO2+I2+2H2O===H2SO4+2HI。
(2)①H2SO4和HI溶液是互溶的,加入I2后溶液才分成两层,H2SO4层含I2量低,HI层含I2量高,则I2在HI溶液中比在H2SO4溶液中易溶;溶液能分为两层,则两层溶液的密度一定不同,故a、c正确。
②I2在两层溶液中的溶解能力差别较大,故可直接用观察颜色的方法来进行辨别,颜色深的是HI层,颜色浅的是H2SO4层。
③H2SO4层中含有少量的HI,HI===H++I-,使H2SO4层中c(H+)大于2c(SO2-4)。
(3)已知:2H2SO4(l)===2SO2(g)+O2(g)+2H2O(g) ΔH=+550 kJ•mol-1,H2SO4(l)===SO3(g)+H2O(g) ΔH=+177 kJ•mol-1。根据盖斯定律可得:2SO3(g)  2SO2(g)+O2(g) ΔH=+196 kJ•mol-1。图像中SO3的平衡转化率随X的增大而减小,则X应为压强,则L代表温度;该反应为吸热反应,依据勒夏特列原理知当压强一定时,温度升高,平衡转化率增大,因此L1<L2。
答案:(1)SO2+I2+2H2O===H2SO4+2HI
(2)①ac
②观察颜色,颜色深的是HI层,颜色浅的是H2SO4层
③H2SO4层中含有少量HI
(3)①压强 ②L1<L2,SO3(g)分解的热化学方程式:2SO3(g)  2SO2(g)+O2(g) ΔH=+196 kJ•mol-1,当压强一定时,温度升高,平衡转化率增大

 


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