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化学平衡
化学平衡
一考纲
化学反应
化学反应速度
B
速度与化学平衡
影响化学反应速度的因素
B
(1)浓度、压强、温度、催化剂对反应速率的影响
可逆反应、化学平衡状态
B
影响化学平衡移动的因素
B
(1)浓度、压强、温度对化学平衡移动的影响
勒夏特列原理
B
(1)用勒夏特列原理解释浓度、压强、温度对化学平衡移动的影响
化学平衡的应用
B
(1)工业生产上(合成氨、制硫酸)反应条件的选择依据
(2)有关“化学平衡与生活”的一些常见例子
二知识框架
(一)化学反应速率
1.化学反应速率
[化学反应速率的概念及其计算公式]
(1)概念:
化学反应速率是用来衡量化学反应进行的快慢程度,通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示.
单位有mol/(L-1·min-1))或mol/(L-1·s-1)
(2)计算公式:
某物质X的化学反应速率:
注意①化学反应速率的单位是由浓度的单位(mol·L-1)和时间的单位(s、min或h)决定的,可以是mol/(L-1·s-1)、mol/(L-1·min-1))或mol/(L-1·h-1),在计算时要注意保持时间单位的一致性.
②对于某一具体的化学反应,可以用每一种反应物和每一种生成物的浓度变化来表示该反应的化学反应速率,虽然得到的数值大小可能不同,但用各物质表示的化学反应速率之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比.如对于下列反应:
mA+nB=pC+qD
有:
∶
∶
∶
=m∶n∶p∶q
或:
③化学反应速率不取负值而只取正值.
④在整个反应过程中,反应不是以同样的速率进行的,因此,化学反应速率是平均速率而不是瞬时速率.
2.影响化学反应速率的因素:
(1)决定因素(内因):
反应物本身的性质。
(2)条件因素(外因)(也是我们研究的对象):
①.浓度:
其他条件不变时,增大反应物的浓度,可以增大活化分子总数,从而加快化学反应速率。
值得注意的是,固态物质和纯液态物质的浓度可视为常数;
②.压强:
对于气体而言,压缩气体体积,可以增大浓度,从而使化学反应速率加快。
值得注意的是,如果增大气体压强时,不能改变反应气体的浓度,则不影响化学反应速率。
③.温度:
其他条件不变时,升高温度,能提高反应分子的能量,增加活化分子百分数,从而加快化学反应速率。
④.催化剂:
使用催化剂能等同地改变可逆反应的正、逆化学反应速率。
⑤.其他因素。
如固体反应物的表面积(颗粒大小)、光、不同溶剂、超声波等。
(二)化学平衡
1化学平衡研究的对象:
可逆反应的规律.
①可逆反应的概念:
在同一条件下,既能向正反应方向进行同时又能向逆反应方向进行的反应,叫做可逆反应.可逆反应用可逆符号“
”表示.
说明a.绝大多数化学反应都有一定程度的可逆性,但有的逆反应倾向较小,从整体看实际上是朝着同方向进行的,例如NaOH+HCl=NaCl+H2O.
b.有气体参加或生成的反应,只有在密闭容器中进行时才可能是可逆反应.如CaCO3受热分解时,若在敞口容器中进行,则反应不可逆,其反应的化学方程式应写为:
CaCO3
CaO+CO2↑;若在密闭容器进行时,则反应是可逆的,其反应的化学方程式应写为:
CaCO3
CaO+CO2
②可逆反应的特点:
反应不能进行到底.可逆反应无论进行多长时间,反应物都不可能100%地全部转化为生成物.
2化学平衡状态.
①定义:
一定条件(恒温、恒容或恒压)下的可逆反应里,正反应和逆反应的速率相等,反应混合物(包括反应物和生成物)中各组分的质量分数(或体积分数)保持不变的状态.
②化学平衡状态的形成过程:
在一定条件下的可逆反应里,若开始时只有反应物而无生成物,根据浓度对化学反应速率的影响可知,此时ν正最大而ν逆为0.随着反应的进行,反应物的浓度逐渐减小,生成物的浓度逐渐增大,则ν正越来越小而ν逆越来越大.当反应进行到某一时刻,ν正=ν逆,各物质的浓度不再发生改变,反应混合物中各组分的质量分数(或体积分数)也不再发生变化,这时就达到了化学平衡状态.
3化学平衡的特征:
①“动”:
化学平衡是动态平衡,正反应和逆反应仍在继续进行,即ν正=ν逆≠0.
②“等”:
达平衡状态时,ν正=ν逆,这是一个可逆反应达平衡的本质.
③“定”:
达平衡时,混合物各组分的浓度一定;质量比(或物质的量之比、体积比)一定;各组分的质量分数(或摩尔分数、体积分数)一定;对于有颜色的物质参加或生成的可逆反应,颜色不改变.同时,反应物的转化率最大.
④“变”.一个可逆反应达平衡后,若外界条件(浓度、温度、压强)改变,使各组分的质量(体积、摩尔、压强)分数也发生变化,平衡发生移动,直至在新的条件下达到新的平衡.
4判断化学平衡状态的标志及判断
A对于一种物质V消耗=V生成,即V正=V逆
B体系中各组分的物质的量浓度或体积分数,物质的量的分数保持不变
C全是气体参加的前后系数改变的可逆反应,物质的量保持不变或压强保持不变
D全是气体参加的前后系数改变的可逆反应,平均相对分子质量保持不变
E对于有颜色物质参加或生成的可逆反应,颜色不随时间的改变而改变
F对于同一种物质而言,断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。
5化学平衡移动及影响化学平衡的因素
(1)化学平衡移动的定义:
对于一个可逆反应达到平衡状态以后,反应条件发生改变,原平衡被破坏,建立一个新的平衡条件下的新平衡的过程。
(2)影响化学平衡的因素
A浓度对化学平衡的影响.
一般规律:
当其他条件不变时,对于已达平衡状态的可逆反应,若增加反应物浓度或减少生成物浓度,则平衡向正反应方向移动(即向生成物方向移动);若减少反应物浓度或增加生成物浓度,则平衡向逆反应方向移动(即向反应物方向移动).
特殊性:
对于气体与固体或固体与固体之间的反应,由于固体的浓度可认为是常数,因此改变固体的量平衡不发生移动.如反应C(s)+H2O(g)
CO(g)+H2(g)达平衡状态后,再加入焦炭的量,平衡不发生移动.
B压强对化学平衡的影响.
一般规律:
对于有气体参加且反应前后气体体积不相等的可逆反应,在其他条件不变的情况下,若增大压强(即相当于缩小容器的体积),则平衡向气体总体积减小的方向移动,若减小压强(即增大容器的体积),则平衡向气体总体积增大的方向移动.
特殊性:
①对于反应前后气体总体积相等的可逆反应达平衡后,改变压强,平衡不发生移动,但气体的浓度发生改变.例如可逆反应H2(g)+I2(g)
2HI(g)达平衡后,若加大压强,平衡不会发生移动,但由于容器体积减小,使平衡混合气各组分的浓度增大,气体的颜色加深(碘蒸气为紫红色).②对于非气态反应(即无气体参加和生成的反应),改变压强,此时固、液体的浓度未改变,平衡不发生移动。
③恒温、恒容时充入不参与反应的气体,此时虽然容器内的压强增大了,但平衡混合气中各组分的浓度并未改变,所以平衡不移动.
C温度对化学平衡的影响.
一般规律:
当其他条件不变时,升高温度,使平衡向吸热方向移动;降低温度,则使平衡向放热反应方向移动.
6化学平衡移动原理(勒夏特列原理)
(1)原理内容:
如果改变影响平衡的一个条件(如温度、压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动
(2)勒夏特列原理适用的范围:
已达平衡的体系(如溶解平衡、化学平衡、电离平衡、水解平衡等).勒夏特列原理不适用于未达平衡的体系,如对于一个刚从反应物开始进行的气相可逆反应来说,增大压强,反应总是朝着正反应方向进行的,由于未达平衡,也就无所谓平衡移动,因而不服从勒夏特列原理
(3)勒夏特列原理适用的条件:
只限于改变影响平衡的一个条件.当有两个或两个以上的条件同时改变时,如果这些条件对平衡移动的方向是一致的,则可增强平衡移动.但如果这些条件对平衡移动的方向影响不一致,则需分析哪一个条件变化是影响平衡移动的决定因素
(4)勒夏特列原理中“减弱这种改变”的解释:
外界条件改变使平衡发生移动的结果,是减弱对这种条件的改变,而不是抵消这种改变.也就是说:
外界因素对平衡体系的影响占主要方面.
7化学平衡常数
(1)定义:
在一定温度下,当一个可逆反应达到平衡状态时,生成物的平衡浓度用化学方程式中的化学计量数作为指数的乘积与反应物的平衡浓度用化学方程式中的化学计量数作为指数的乘积的比值是一个常数,这个常数叫做化学平衡常数,简称平衡常数.用符号K表示.
(2)平衡常数K的表达式:
对于一般的可逆反应:
mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g)
当在一定温度下达到化学平衡时,该反应的平衡常数为:
(3)平衡常数K值的特征:
①K值的大小与浓度、压强和是否使用催化剂无关.即对于一个给定的反应,在一定温度下,不论起始浓度(或压强)和平衡浓度(或压强)如何,也不论是否使用催化剂,达平衡时,平衡常数均相同.
②K值随温度的变化而变化.对于一个给定的可逆反应,温度不变时,K值不变(而不论反应体系的浓度或压强如何变化);温度不同时,K值不同.因此,在使用平衡常数K值时,必须指明反应温度.
(4)平衡表达式K值的意义:
①判断可逆反应进行的方向.
②表示可逆反应进行的程度.
[反应物平衡转化率的计算公式]
某一反应物的平衡转化率=
%
=
%
说明计算式中反应物各个量的单位可以是mol·L-1”、mol,对于气体来说还可以是L或mL,但必须注意保持分子、分母中单位的一致性.
8图像问题处理
化学平衡图像问题的解答方法:
①三步分析法:
一看反应速率是增大还是减小;二看△V正、△V逆的相对大小;三看化学平衡移动的方向。
②四要素分析法:
看曲线的起点;看曲线的变化趋势;看曲线的转折点;看曲线的终点。
③先拐先平:
对于可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),在转化率——时间曲线中,先出现拐点的曲线先达到平衡。
它所代表的温度高、压强大。
这时如果转化率也较高,则反应中m+n>p+q。
若转化率降低,则表示m+n
④定一议二:
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。
一、物质的量(或浓度)—时间图象
1.某温度下,在体积为5L的容器中,A、B、C三种物质物质的量随着时间变化的关系如图1所示,则该反应的化学方程式为_________,2s内用A的浓度变化和用B的浓度变化表示的平均反应速率分别为_________、_________。
12A
3B+C;0.08mol/(L·s);0.12mol/(L·s)。
2图2表示800℃时A、B、C三种气体物质的浓度随时间的变化情况,t1是到达平衡状态的时间.试回答:
(1)该反应的反应物是______;
(2)反应物的转化率是______;
(3)该反应的化学方程式为______.
2
(1)A;
(2)40%;(3)2A
B+C.
二、速率—时间图
此类图象定性地揭示了v正、v逆随时间(含条件改变对速率的影响)而变化的规律,体现了平衡的“动、等、定、变”的基本特征,以及平衡移动的方向.
3对达到平衡状态的可逆反应X+Y
Z+W,在其他条件不变的情况下,增大压强,反应速率变化图象如图1所示,则图象中关于X、Y、Z、W四种物质的聚集状态为[]
A.Z、W均为气体,X、Y中有一种是气体
B.Z、W中有一种是气体,X、Y皆非气体
C.X、Y、Z、W皆非气体
D.X、Y均为气体,Z、W中有一种为气体
3A.
4.某温度下,在密闭容器里SO2、O2、SO3三种气态物质建立化学平衡后,改变条件,对反应2SO2+O2
2SO3(正反应放热)的正、逆反应速率的影响如图所示。
①加催化剂对速率影响的图象是( )。
②升温对速率影响的图象是( )。
③增大反应容器体积对速率影响的图象是
④增大O2的浓度对速率影响的图象是
4①C②A③D④B
5.已知可逆反应:
下列各图表示上述可逆反应建立平衡的过程及改变某一条件后建立起新的平衡过程的曲线:
(1)加入稀有气体后的平衡图为________________________。
(2)降低温度后的平衡图为________________________。
(3)体系加压后的平衡图为________________________。
(4)升高温度后的平衡图为________________________。
(5)减小生成物浓度后的平衡图为________________________。
(6)加入催化剂后的平衡图为________________________。
5
(1)D
(2)F(3)A(4)B(5)E(6)C
三、速率(v)与温度(T)或压强(p)的图象
6.下列各图是温度(或压强)对应
;
的正、逆反应速率的影响,曲线交点表示建立平衡时的温度或压强,其中正确的是( )
6A、C。
7对于可逆反应:
A2(g)+3B2(g)
2AB3(g)(正反应放热)下列图象中正确的是[].
7A、B.
8.符合图象4的反应为( )。
A.N2O3(g)
NO2(g)+NO(g)
B.3NO2(g)+H2O(l)
2HNO3(l)+NO(g)
C.4NH3(g)+5O2(g)
4NO(g)+6H2O(g)
D.CO2(g)+C(s)
2CO(g)
8B
四、含量—时间—温度(压强)图
这类图象反映了反应物或生成物的量在不同温度(压强)下对时间的关系,解题时要注意一定条件下物质含量不再改变时,应是化学反应达到平衡的特征.
9同压、不同温度下的反应:
A(g)+B(g)
C(g)+Q
A的含量和温度的关系如图3所示,下列结论正确的是[].
A.T1>T2,Q<0B.T1<T2,Q<0
C.T1>T2,Q>0D.T1<T2,Q>0
9C.
10现有可逆反应A(g)+2B(g)
nC(g)+Q(Q>0),在相同温度、不同压强时,A的转化率跟反应时间(t)的关系如图4,其中结论正确的是[].
A.p1>p2,n>3B.p1<p2,n>3
C.p1<p2,n<3D.p1>p2,n=3
10B.
五、质量分数—时间图象
11.对于可逆反应mA(g)+nB(s)
pC(g)+qD(g)反应过程中,其他条件不变时,产物D的质量分数D%与温度T或压强p的关系如图9所示,请判断下列说法正确的是( )。
A.降温,化学平衡向正反应方向移动
B.使用催化剂可使D%有所增加
C.化学方程式中气体的化学计量数m<p+q
D.B的颗粒越小,正反应速率越快,有利于平衡向正反应方向移动
11A、C
12.反应2X(g)+Y(g)
2Z(g)(正反应放热),在不同温度(T1和T2)及压强(p1和p2)下,产物Z的物质的量(n2)与反应时间(t)的关系如图10所示。
下述判断正确的是( )。
A.T1<T2,p1<p2B.T1<T2,p1>p2
C.T1>T2,p1>p2D.T1>T2,p1<p212:
C
六、恒压(温)线
该类图象的纵坐标为物质的平衡浓度或反应物的转化率,横坐标为温度或压强.
13对于反应2A(g)+B(g)
2C(g)(正反应放热),下列图象正确的是[].
13.A、D
七、转化率(或质量分数等)—压强、温度图象
14.有一化学平衡mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),如图5所示是A的转化率同压强、温度的关系,分析图5可以得出的正确结论是( )。
A.正反应吸热,m+n>p+q
B.正反应吸热,m+n<p+q
C.正反应放热,m+n>p+q
D.正反应放热,m+n<p+q
14.A
15.图7表示mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),在不同温度下经过一定时间混合体系中C的质量分数与温度T的关系;图8表示在一定条件下达到平衡(v正=v逆)后t时刻改变影响平衡的另一个条件重新建立新平衡的反应过程,判断该反应是
A.m+n>p+q正反应放热
B.m+n>p+q正反应吸热
C.m+n<p+q正反应放热
D.m+n<p+q正反应吸热
15C
16.有可逆反应
,试根据下图回答:
(1)压强
比
_____________填(大、小)
(2)体积
_____________(填大、小)
(3)温度T1℃比T2℃____________(填高、低)
(4)正反应热(吸,放)
16
(1)P1 (2) 。 (3)T1 (4)吸热反应。 9化学平衡应用 (1)合成氨 A[合成氨条件的选择] (1)合成氨反应的特点: 反应物、生成物均为气体且正反应是气体体积减小、放热的可逆反应. N2(g)+H2(g) 2NH3(g) (2)选择适宜条件的目的: 尽可能增大合成氨的反应速率,缩短到达平衡的时间,提高氨的产率. (3)选择适宜条件的依据: 外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律. (4)选择适宜条件的原则: ①既要注意外界条件对二者(合成氨的反应速率和氨的产率)影响的一致性,又要注意对二者影响的矛盾性; ②既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性,又要注意催化剂的活性对温度的限制; ③既要注意理论上生产的要求,又要注意实际操作的可能性. (5)合成氨的适宜条件: ①温度为500℃左右; ②压强为20Mpa~50MPa; B[合成氨工业] (1)原料: 空气、焦炭(或天然气、石油)、水. (2)有关的化学反应: C+H2O(g) CO+H2 CO+H2O(g) CO2+H2 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) (3)设备: 氨合成塔、氨分离器. (4)工艺流程: N2、H2的制取→N2、H2的净化→压缩机中压缩+合成塔中合成→氨分离器中分离液氨(同时将未反应的N2、H2重新送回合成塔中) (2)工业制硫酸--接触法 A反应原理: FeS2=SO2=SO3=H2SO4 B生产过程: 1.二氧化硫的制取和净化: (1)主要设备: 沸腾炉 2)主要反应: 4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 (3)炉气净化: 三净化(防止催化剂中毒) ①除尘: 除矿尘 ②洗涤: 除砷、硒等的化合物 ③干燥: 除水蒸气 2二氧化硫氧化成三氧化硫 (1)主要设备: 接触室 (2)主要反应: 2SO2+O2⇌2SO3 3三氧化硫的吸收和硫酸的生成 主要设备: 吸收塔 主要反应: SO3+H2O=H2SO4(用98.3%的浓硫酸吸收) 尾气处理: 二转转入接触室 二吸用碱液(氨水)吸收 三经典例题 常考题型 <题型一>速率比较: 转化为同一种物质为标准在进行大小比较。 <题型二>计算反应速率 <题型三>平衡标志 <题型四>化学平衡移动判断 <题型五>转化率计算 <题型六>图像题 注在出题时综合最近几年的高考题,出综合题比较多。 1上海市静安区2009届高三化学一模试卷 25.工业制硝酸的主要反应是: 4NH3(g)+502(g) 4NO(g)+6H20(g)+1025KJ。 (1)反应的平衡常数表达式为K=______ ;升高温度K值_____减小______(填“增大”、“减小”或“不变”)。 (2)若反应物起始的物质的量相同,下列关系图错误的是_____c___(填序号)。 (3)在容积固定的密闭容器中发生上述反应,容器内部分物质的物质的量浓度如下表: 时间/浓度 c(NH3)(mol/L) C(O2)(mol/L) C(NO)(mol/L) 起始 0.8 1.6 O 第2min 0.6 a O.2 第4min O.3 0.975 O.5 第6min 0.3 0.975 0.5 第8min 0.8 1.6 O.5 1起始时物料比c(02): c(NH3)>1.25,其原因是可增大氨气转化率。 ②反应在第2min到第4min时O2的平均反应速率为_______0.1875__________(mol/L·min); ③反应在第2min改变了反应条件,改变的条件可能是____ab____(填序号) a.使用催化剂b.升高温度c.增大压强d.增加02的浓度 ④该反应通常在800℃时进行,主要原因是___该温度下催化剂活性最大 ⑤反应在第8min改变的反应条件可能是_____增加反应物浓度_。 2.2008学年第一学期闵行区高三质量监控考试 25.把大气中的游离态的氮转化为氮的化合物的过程称为固氮。 生物固氮和大气固氮(闪电时N2转化为NO)属于自然固氮,这远不能满足人类的需要。 工业固氮(合成氨)是目前人工固氮的主要方法。 有关大气固氮和工业固氮的平衡常数K值分别如下表一和表二。 表一: N2+O2⇌2NO表二: N2+3H2⇌2NH3 温度 27℃ 2000℃ K值 3.84×10-31 0.1 温度 25℃ 350℃ 400℃ 450℃ K值 5×108 1.847 0.507 0.152 (1)根据上表中的数据分析,下列说法正确的是_________。 a.在常温下,大气固氮几乎不可能,而工业固氮非常容易进行 b.人类大规模模拟大气固氮是无意义的 c.在常温下,大气固氮与工业固氮完成程度相差很大 d.大气固氮与工业固氮都是放热反应 (2)在一定条件下,工业固氮在一固定体积的密闭容器中进行直至平衡,有人画出了下列图像a和b;达到平衡后,向密闭容器中分别充入稀有气体或升高温度,有人又分别画出了如下图像c和d。 其中有关图像正确的是______________(填编号)。 (3)在一定条件下,工业固氮反应在体积为VL的 密闭容器中进行,有关图像如右图,则用H2 表示从开始到平衡时该反应的平均速率: v=_______________________。 (4)勒夏特列原理适合于化学中的一切动态平衡,请用此原理解释为什么难溶于水和稀硝酸的氯化银却能溶于氨水中? 请配以必要的方程式和文字来解释: _____________ __________________________________________________________________________。 答案25. (1)(2分)bc (2)(2分)ad (3)(2分) mol/(L·s) (4)(2分)氯化银在水中存在下列溶解平衡: AgCl(s)⇌Ag++Cl¯,加入氨水后,由于发生反应Ag++2NH3⇌[Ag(NH3)2]+,使氯化银在水中的溶解平衡不断向右移动而溶解 32010学年度第二学期普陀区高三质量调研化学试卷 25、(8分)一定温度下,有容积相等的甲、乙两个容器中,甲容器中加入0.1molA和0.2molB,乙容器中加入0.2molA和0.2molB,两容器中均发生反应: A(s)+2B(g) 2C(g)+D(g)。 (1)甲容器与乙容器中,平衡常数(K): 甲乙(填
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