化学反应速率和化学平衡综合演练
【内容精讲】
化学反应速率和化学平衡是化学反应原理的难点，也是高考的热点之一，重点考查反应速率快慢、反应方向和反应限度等方面的判断与计算。常以常见的可逆反应为载体，考查化学反应速率和化学平衡的基本理论和计算；也常以图像或图表为载体，考查理论的运用、图像或图表的分析与计算能力；也常以工业生产流程为载体，考查化学反应速率和方向的判断、转化率和平衡常数的计算等。
1.有关化学反应速率计算：
（1）准确理解基本概念。化学反应速率是用单位时间内反应物浓度的减少或生成物的浓度增加来表示，计算时必须注意“减少”或“增加”，表达式为表达式为：V =Δc/Δt，单位是：mol/(L·s)或mol/(L·min)或mol/(L·h)。
（2）掌握不同物质的化学反应速率的互换。对于同一个反应，用不同的物质来表示该反应的化学反应速率时，其数值可能不同，也可以相同。各物质的化学反应速率之比等于化学方程式中的化学计量数之比。如反应aA+bB=cC+dD中V(A)：V(B)：V（C）：V(D)= Δc (A)：Δc (B)：Δc（C）：Δc(D)= Δn(A) ：Δn(B)：Δn（C）：Δn(D)= a：b：c：d。比较同一反应中，不同物质表示的化学反应速率快慢时，应换算成同一物质的化学反应速率进行比较，还要关注化学反应速率的单位是否相同。
2.化学平衡状态的五大特征：
（1）“逆”：化学平衡研究的对象是可逆反应进行的程度，如本题图(Ⅰ)达到平衡状态时，无一物质的物质的量浓度为0，表明该反应为可逆反应，化学方程式用“”。
（2）“动”。达到平衡时，化学反应并没有停止，即化学平衡是动态平衡。
（3）“等”。反应到达平衡时，v正=v逆，而不是各物质的物质的量浓度相等。
（4）“定”：平衡混合物中各组分的浓度及体积（或质量）分数不变。如本题中物质的量浓度和B的体积分数保持不变时，化学反应达到平衡状态。
（5）“变”：外界条件改变导致原化学平衡被破坏，从而发生平衡移动直至建立新平衡。
3.化学平衡状态的标志：
（1）两个核心依据：是v(正)=v(逆)；平衡混合物中各组成成分的含量保持不变。一要注意对不同种物质而言，速率不一定相等。关键在于同种(侧)物质词性要相反，异侧物质要相同，二要关注百分含量不变标志是指各组成成分的物质的量、质量、物质的量浓度、各成分的百分含量、转化率等不随时间变化而改变；三是有些可逆反应中某一物质有颜色，其颜色不变
也可作为化学平衡的标志。
（2）“特殊”特征标志：压强、密度、平均式量、气体的总物质的量、总质量、总体积、总压强等。可设想当化学反应正向进行，判断某物理量有没有发生改变，如果发生改变，表明该物理量不变可作为化学平衡的标志。
4.化学平衡的移动：涉及化学平衡的移动的内容理论性强、知识面广、规律性强，需要考生注重理解重点内容、构建知识网络。
（1）充分理解勒夏特列原理。如果改变影响平衡的一个条件：浓度、压强、温度，平衡就向能减弱这种改变的方向移动，催化剂不能改变化学平衡的移动方向。既要认识到改变条件，对正逆反应速率的影响、化学平衡移动的方向、转化率和平衡常数的变化，又要认识“减弱”是微弱的，并未彻底改变。
（2）关注细节，注重联系。由于纯液体和固体的浓度为一个常数，因此改变固体或纯液体的用量不会改变化学反应速率。如果参加反应的物质是固体、液体或溶液时，由于改变压强对它们的体积、浓度改变很小，可以认为压强与它们的反应速率无关。
5.化学平衡常数的相关计算：
（1）能正确书写出化学平衡常数。以可逆反应mA(g)+ nB(g)pC(g)+ qD(g)为例，K=，要注意：①各物质的浓度必须是平衡浓度，固体、纯液体或水溶液中水的浓度不列入平衡常数的表达式。②反应方向的改变或化学计量系数的增大或减小，平衡常数均发生改变。③K不随反应物或生成物浓度的改变而改变，仅随温度的改变而改变，可通过温度变化后，K值变化情况，判断出反应放热或吸热，如反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，温度升高，平衡常数K减小，衡向逆反应方向移动，表明该反应放热。
（2）正确化学平衡常数的应用。①推断反应进行的程度：一定温度下，K越大，反应进行的程度越大，反应物的转化率越大；反之，K越小，表示反应进行的程度和反应物的转化率也越小。②判断反应是否达到化学平衡状态：一定温度下，若=K，说明反应达到化学平衡状态；若＜K，说明反应向正反应方向进行；反之，则反应向逆反应方向进行。
（3）有关化学反应速率及平衡的计算，如果我们不能一步得出答案，一般可用“三部曲”(始态、反应、终态)进行求解，但应该注意：
①参加反应消耗或生成的各物质的浓度比一定等于化学方程式中对应物质的化学计量数之比，由于始态时，是人为控制的，故不同物质的始态、终态各物质的量的比值不一定等于化学方程式中的化学计量数之比；若反应物始态时各反应物的浓度成计量数比，则各反应物的转化率相等，且终态时，反应物的浓度也成计量数比。
②始态、反应、终态中的物理量要统一，要么都用物质的量，要么都用物质的量浓度，要么
都用气体的体积。
③计算化学平衡常数时，一定要运用各物质的“平衡浓度”来计算，且勿利用各物质的“物质的量”或“非平衡时的浓度”进行计算。
④平衡常数的表达式与方程式的书写形式有关，对于同一个反应，当化学方程式中的计量数发生变化时，平衡常数的数值及单位均发生变化，当方程式逆写时，平衡常数是原平衡常数的倒数。
6. 化学平衡图像：
【经典例析】
例1. 甲醇是一种很好的燃料，工业上用CH4和H2O为原料，通过反应Ⅰ和Ⅱ来制备甲醇。
⑴将1.0 mol CH4和2.0 mol H2O(g)通入反应室（容积为100L），在一定条件下发生反应：CH4（g）+H2O（g） CO（g）+3H2（g）……Ⅰ。CH4的转化率与温度、压强的关系如右图。
①已知100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H2表示的平均反应速率为 。
②图中的P1 P2（填“”或“=”），100℃时平衡常数为 。
③该反应的△H 0，△S 0，（填“”或“=”）。
⑵在压强为0.1 MPa条件下，将a mol CO与 3a mol H2的混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）；△H ＞ ⑵④BD A．a=150，b=1/3 B．0.1
例2. 在T℃条件下，向1L固定体积的密闭容器M中加入2 mol X和1 mol Y，发生如下反应：2X(g) + Y(g) a Z(g) + W(g) △H = －Q kJ/mol (Q>0)；当反应达到平衡后，反应放出的热量为Q1 kJ，物质X的转化率为α；若平衡后再升高温度，混合气体的平均相对分子质量减小，则
（1）化学计量数a的值为 。
（2）下列说法中能说明该反应达到了化学平衡状态的是 。
a．容器内压强一定 b．容器内气体的密度一定
c．容器内Z分子数一定 d．容器内气体的质量一定
（3）维持T℃温度不变，若起始时向容器M中加入的物质的量如2 mol X、1mol Y、1mol Ar（稀有气体不参与反应），则反应达到平衡后放出的热量是 。
（4）维持T℃温度不变，若起始时向容器M中加入4mol X和6 mol Y，若达平衡时容器内的微粒数目减少10%，则反应中放出的热量为 kJ。
（5）维持T℃条件不变，若在一个和原容器体积相等的恒压容器N 中，加入2 mol X和1 mol Y发生如上反应并达平衡，则 （选填M或N）容器中的反应先达到平衡状态，容器中X的质量分数M N（选填＞、＜、＝符号）。
（6）已知：该反应的平衡常数随温度的变化如下表：
温度/℃
200
250
300
350
平衡常数K
9.94
5.2
1
0.5
若在某温度下，2 mol X和1 mol Y在容器M中反应达平衡， X的平衡转化率为50％，则该温度为 ℃。
解析：（1）混合气体的平均相对分子质量减小，表明气体的总物质的量在增大，升高温度，化学平衡逆向移动，因此题中反应为微粒数减小的反应，x只能为1。（2）当正逆反应速率相等或各组分的物质的量浓度不再改变时，化学反应达到平衡状态，c可选，当反应正向进行时，压强减小，而密度和质量一直保持不变，a可选。（3）同温同体积下，加入与各组分不反应的气体，不影响化学平衡，放出气体的热量保持不变；（4）
2X(g) + Y(g) Z(g) + W(g)
起始量 4 6 0 0
变化量 2x x x x
平衡时 4—2x 6—x x x
（10—x）：10=90% x=1
参与反应的X为2mol，放出的热量为QkJ。
（5）由于该反应是体积减小的反应，恒容条件下，压强不断减少，而恒压条件下的压强保持不变，因此N的化学反应速率更快，先达到平衡，而且压强增大，平衡向右移动，X的转化率高，质量分数小。（6）
2X(g) + Y(g) Z(g) + W(g)
起始量（mol/L） 2 1 0 0
变化量（mol/L） 1 0.5 0.5 0.5
平衡时（mol/L） 1 0.5 0.5 0.5
K=0.5 对应的温度为3500C。
【解后反思】化学反应速率和化学平衡的综合题涉及的知识面广，要求考生复习时应注意如下二点：
1．重点把握主干知识。主要包括影响化学反应速率和化学平衡的因素及其变化规律；化学反应速率、化学平衡常数和转化率的计算公式和解题技巧；图像的认知规律及图像与化学反应原理的联系。
2．关注焓变和墒变判断反应方向、化学平衡常数等“新”内容。分析化学反应进行的方向时，既要注意到如果从固态物质或液态物质生成气态物质，体系的混乱度增大；如果从少数的气态物质生成多数的气态物质，体系的混乱度也变大。这时体系的熵值将增加，ΔS＞0，又要认识到正确判断化学反应方向，必须综合焓变和熵变等方面。
【巩固训练】
1.(1)科学家一直致力于“人工固氮”新方法的研究。根据最新“人工固氮”的研究报道，在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生下列反应：2N2(g)＋6H2O(l)4NH3(g)＋3O2(g) ΔH＝a kJ·mol－1。进一步研究NH3生成量与温度的关系，常压下达到平衡时测得部分实验数据如下表：
温度T/K
303
313
323
NH3生成量/(10－6mol)
4.8
5.9
6.0
①此合成反应的a______0(填“＞”“＜”或“＝”)。
②达到平衡后改变下列条件能使上述反应的反应速率增大，且平衡向正向移动的是____。
a．选用更高效的催化剂 b．升高温度 c．及时分离出氨气 d．增加水蒸气的浓度
(2)工业生产中产生含SO2的废气，经石灰吸收和氧化后制成硫酸钙，硫酸钙是一种用途非常广泛的产品，可用于生产硫酸、水泥等。硫酸生产中，SO2催化氧化成SO3的热化学方程式为：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH＝－196.0 kJ·mol－1
①容器体积不变时，为了提高SO2的转化率，可采用的措施是______(填字母标号)。
A．加入催化剂V2O5 B．使用过量SO2 C．高温 D．通入过量空气
②某温度时，在一个容积为10 L的密闭容器中充入4.0 mol SO2和2.0 mol O2，半分钟后达到平衡，并放出352.8 kJ的热量。此时SO2的转化率是________，该温度下的平衡常数K＝________。
答案：(1)①＞ ②bd (2)①D ②90% 4 050
解析：(1)温度升高平衡向右移动，所以正反应为吸热反应；分离出氨气平衡右移，但反应速率降低，c错误；(2)②依据热化学方程式可知有2 mol SO2与1 mol O2完全反应放出196.0 kJ的热量，所以参加反应的n(SO2)＝×2 mol＝3.6 mol，依据“三部曲”
2SO2(g)＋O2(g)2SO2(g)
始态/(mol·L－1): 0.4 0.2 0
反应/(mol·L－1): 0.36 0.18 0.36
终态/(mol·L－1): 0.04 0.02 0.36
K＝＝4050
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，发生的主要反应如下：
①CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH1
②CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH2＝－58 kJ·mol－1
③CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g) ΔH3＝＋41 kJ·mol－1
回答下列问题：
(1)CO2的电子式是_____________________。
(2)ΔH1＝______kJ·mol－1，①反应正向的熵变ΔS______0(填“＞”“＜”或“＝”)。
(3)在容积为2 L的密闭容器中，充入一定量CO2和H2合成甲醇(上述②反应)，在其他条件不变时，温度T1、T2对反应的影响图像如图，下列说法正确的是______(填序号)。
①温度为T1时，从反应到平衡，生成甲醇的平均速率为v(CH3OH)＝nA/tA mol·L－1·min－1
②当v(CH3OH) ＝v(H2O)时，说明反应达到平衡
③混合气体的平均相对分子质量A点大于B点
④处于A点的反应体系从T1变到T2，达到平衡时n(H2)与n(CH3OH)比值增大
(4)在T1温度时，将2 mol CO2和6 mol H2充入2 L密闭容器中，充分反应(上述②反应)达到平衡后，若CO2转化率为50%，则容器内的压强与起始压强之比为________；T1温度，反应CH3OH(g)＋H2O(g) CO2(g)＋3H2(g)的平衡常数数值为________。
答案：(1) (2)－99 ＜ (3)③④ (4)3∶4 6.75或27/4
解析： (1)CO2的电子式为(2)由已知根据盖斯定律，得②－③＝①，故ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝－99 kJ·mol－1，反应①中气体的物质的量减小，属于熵减小的反应。(3)①温度为T1时，从反应到平衡，生成甲醇的平均速率v(CH3OH)＝＝nA/2tA mol·L－1·min－1，错误；②v(CH3OH)＝v(H2O)，没有反映出反应方向，不能说明反应达到平衡，错误；③该反应属于气体物质的量减少的反应，甲醇的物质的量越多，混合气体的物质的量越少，混合气体的平均相对分子质量越大，混合气体的平均相对分子质量A点大于B点，正确；④处于A点的反应体系从T1变到T2，平衡向逆反应方向移动，达到平衡时n(H2)与n(CH3OH)比值增大，正确。(4)CO2的转化率为50%，转化的二氧化碳为1 mol，则
CO2 (g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)
起始(mol) 2 6 0 0
变化(mol) 1 3 1 1
平衡(mol) 1 3 1 1
相同条件下，气体的压强之比等于物质的量之比，容器内的压强与起始压强之比为＝＝，平衡常数＝＝＝，CH3OH(g)＋H2O(g)CO2(g)＋3H2(g)的平衡常数与CO2＋3H2CH3OH＋H2O的平衡常数互为倒数，因此CH3OH(g)＋H2O(g)CO2(g)＋3H2(g)的平衡常数为＝6.75。
3.硫及其化合物对人类的生产和生活有着重要的作用。
(1)2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH＝－198 kJ·mol－1是制备硫酸的重要反应。在容积为V L的密闭容器中起始充入2 mol SO2和1 mol O2，反应在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如图所示。与实验a相比，实验b改变的条件是____，判断的依据_______。
(2)二氧化硫在一定条件下还可以发生如下反应：SO2(g)＋NO2(g) SO3(g)＋NO(g) ΔH＝－42 kJ·mol－1。在1 L恒容密闭容器中充入SO2(g)和NO2(g)，所得实验数据如下：
实验编号
温度
起始时物质的量/mol
平衡时物质的量/mol
n(SO2)
n(NO2)
n(NO)
甲
T1
0.80
0.20
0.18
乙
T2
0.20
0.80
0.16
丙
T2
0.20
0.30
a
①实验甲中，若2 min时测得放出的热量是4.2 kJ，则0～2 min时间内，用SO2(g)表示的平均反应速率v(SO2)＝____________________。
②实验丙中，达到平衡时，NO2的转化率为________。
③由表中数据可推知，T1_____T2(填“>”“
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