高考化学学案鲁科版 第7章 化学反应的方向限度与速率 第1节 化学反应的方向限度学案.docx
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高考化学学案鲁科版第7章化学反应的方向限度与速率第1节化学反应的方向限度学案
第1节 化学反应的方向、限度
考纲定位
全国卷5年考情
1.了解化学平衡常数(K)的含义,能利用化学平衡常数进行相关计算。
2.能正确计算反应的平衡转化率(α)。
3.了解化学反应进行的方向判断。
2017年:
Ⅰ卷T28(3);Ⅲ卷T28(4)
2016年:
Ⅰ卷T27
(2);Ⅱ卷T27(1、2);Ⅲ卷T26(3)
2015年:
Ⅰ卷T28(4);Ⅱ卷T27
(2)
2014年:
Ⅰ卷T28(3);Ⅱ卷T26(1、2)
2013年:
Ⅱ卷T28(2、3)
考点1|化学反应进行的方向
(对应学生用书第131页)
[考纲知识整合]
1.自发过程
(1)含义
在一定条件下,不需要借助于外力作用就能自动进行的过程。
(2)特点
①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或释放热量)。
②在密闭条件下,体系有从有序自发地转变为无序的倾向(无序体系更加稳定)。
2.自发反应
在一定条件下无须外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。
提醒:
自发反应(过程)指的是在一定条件下自发进行的倾向而不一定发生,如燃烧反应是自发反应,但在常温下不一定燃烧。
3.化学反应方向
(1)三个判据
提醒:
(1)熵:
衡量体系混乱程度的物理量,符号为S,单位为J·mol-1·K-1。
(2)熵的大小:
a.同种物质,由固态→液态→气态是一个熵增的过程,即S(g)>S(l)>S(s)。
b.气体分子数增大的反应的ΔS>0。
(2)一般规律
①ΔH<0,ΔS>0的反应任何温度下都能自发进行;②ΔH>0,ΔS<0的反应任何温度下都不能自发进行;③ΔH和ΔS的作用相反,且相差不大时,温度对反应的方向起决定性作用。
当ΔH<0,ΔS<0时低温下反应能自发进行;当ΔH>0,ΔS>0时,高温下反应能自发进行。
说明:
对于一个特定的气相反应,熵变的大小取决于反应前后的气体物质的系数大小。
[高考命题点突破]
命题点 化学反应方向的判断
1.下列说法正确的是________(填序号)。
【导学号:
95160190】
(1)电解质溶解于水的ΔS<0
(2)碳、硫燃烧的ΔS>0,ΔH<0
(3)CaCO3(s)加热分解的ΔS<0,ΔH>0
(4)2AB(g)C(g)+3D(g)的反应高温有利于自发进行,则反应的ΔH>0
(5)凡是放热反应都是自发的,吸热反应都是非自发的
(6)-10℃的水结成冰,可用熵变的判据来解释反应的自发性
(7)常温下,反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行,则该反应的ΔH>0
(8)反应2Mg(s)+CO2(g)===C(s)+2MgO(s)能自发进行,则该反应的ΔH>0
【答案】
(2)(4)(7)
2.
(1)2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)。
反应能够自发进行,则反应的ΔH________0(填“>”“<”或“=”)。
(2)(2016·全国Ⅱ卷,改编)①C3H6(g)+NH3(g)+
O2(g)===C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515kJ·mol-1
②C3H6(g)+O2(g)===C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353kJ·mol-1,上述①②反应在热力学上趋势均很大的原因是_____________________________,
其中反应ΔS>0的是反应________。
【答案】
(1)<
(2)①②反应均为放热量大的反应 ①
考点2|化学平衡常数及其相关计算
(对应学生用书第132页)
[考纲知识整合]
1.化学平衡常数
(1)概念:
在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,用符号K表示。
(2)表达式
对于反应aA+bBcC+dD,K=
。
实例
①Cl2+H2OHClO+H++Cl-
K=
。
②C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)
K=
。
③CO
+H2OHCO
+OH-
K=
。
④CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g) K=c(CO2)。
(3)转化关系
①对于N2(g)+3H2(g)2NH3(g) K1
2NH3(g)N2(g)+3H2(g) K2
NH3(g)
N2(g)+
H2(g) K3
则K1与K2的关系为K1·K2=1,K2与K3的关系为K2=K
,K3与K1的关系为K1=
。
②已知A+B2C K1,C+DE K2,则A+B+2D2E的K3=K1·K
(用K1、K2表示)。
(4)意义:
化学平衡常数的大小反映了化学反应进行的程度。
K
正反应进行
的程度
平衡时生成
物浓度
平衡时反
应物浓度
反应物
转化率
越大
越大
越大
越小
越大
越小
越小
越小
越大
越小
提醒:
一般地说,当K>105时,就认为反应基本进行完全了,当K<10-5时,认为反应很难进行。
2.平衡常数的影响因素
对于确定的化学反应,平衡常数K只与温度有关,与浓度、压强无关。
(1)对于吸热反应,升高温度,K值增大。
(2)对于放热反应,升高温度,K值减小。
3.平衡转化率
对于反应:
aA+bBcC+dD中A(g)的平衡转化率可表示为:
α(A)=
×100%{c0(A)代表A的初始浓度,[A]代表A的平衡浓度}。
[应用体验]
正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)平衡常数表达式中,可以是物质的任一浓度。
( )
(2)催化剂能改变化学反应速率,也能改变平衡常数。
( )
(3)平衡常数发生变化,化学平衡不一定发生移动。
( )
(4)化学平衡发生移动,平衡常数不一定发生变化。
( )
(5)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。
( )
(6)化学平衡常数只受温度的影响,温度升高,化学平衡常数的变化取决于该反应的反应热。
( )
(7)同一可逆反应的正、逆两向平衡常数互为倒数。
( )
(8)若反应物的转化率改变,化学平衡常数一定改变。
( )
【答案】
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)√ (7)√ (8)×
[高考命题点突破]
命题点1 化学平衡的含义及影响因素
1.利用醋酸二氨合铜[Cu(NH3)2Ac]溶液吸收CO,能达到保护环境和能源再利用的目的,反应方程式为Cu(NH3)2Ac+CO+NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO。
已知该反应的化学平衡常数与温度的关系如表所示:
温度/℃
15
50
100
化学平衡常数
5×104
2
1.9×10-5
下列说法正确的是( )
A.上述正反应为吸热反应
B.15℃时,反应[Cu(NH3)3]Ac·COCu(NH3)2Ac+CO+NH3的平衡常数为2×10-5
C.保持其他条件不变,减小压强,CO的转化率减小,化学平衡常数减小
D.醋酸二氨合铜溶液的浓度的改变使化学平衡常数也改变
B [根据提供数据,温度降低,平衡常数增大,说明降低温度,平衡向正反应方向移动,则正反应为放热反应,A项错误;[Cu(NH3)3]Ac·COCu(NH3)2Ac+CO+NH3为Cu(NH3)2Ac+CO+NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO的逆反应,两反应的平衡常数互为倒数,则[Cu(NH3)3]Ac·COCu(NH3)2Ac+CO+NH3的平衡常数K=
=2×10-5,B项正确;减小压强,平衡逆向移动,CO的转化率降低,但平衡常数不改变,C项错误;浓度改变不影响平衡常数,D项错误。
]
2.(2018·武汉模拟)已知反应A(g)+B(g)C(g)+D(g)的平衡常数和温度的关系如下:
温度/℃
700
800
830
1000
1200
平衡常数
1.7
1.1
1.0
0.6
0.4
现有两个相同的2L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器Ⅰ、Ⅱ,在Ⅰ中充入1molA和1molB,在Ⅱ中充入1molC和1molD,800℃条件下开始反应。
达到平衡时,下列说法正确的是( )
A.容器Ⅰ、Ⅱ中的压强相等
B.容器Ⅰ、Ⅱ中反应的平衡常数相同
C.该反应的正反应是放热反应
D.容器Ⅰ中A的浓度比容器Ⅱ中的小
C [由题中平衡常数与温度的关系可得该反应的正反应是放热反应,C正确;由于反应体系是绝热体系,则容器Ⅰ达到平衡时的温度比容器Ⅱ高,故其平衡常数小,平衡时压强大,A、B错误;容器Ⅰ比容器Ⅱ温度高,故平衡时A的浓度容器Ⅰ大于容器Ⅱ,D错误。
]
3.随着科学技术的发展和环保要求的不断提高,CO2的捕集利用技术成为研究的重点。
完成下列填空:
(1)目前国际空间站处理CO2的一个重要方法是将CO2还原,所涉及的反应方程式为
CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g)
已知H2的体积分数随温度的升高而增加。
若温度从300℃升至400℃,重新达到平衡,判断下列表格中各物理量的变化。
(选填“增大”“减小”或“不变”)
v正
v逆
平衡常数K
转化率α
(2)相同温度时,上述反应在不同起始浓度下分别达到平衡,各物质的平衡浓度如下表:
[CO2]/
(mol·L-1)
[H2]/
(mol·L-1)
[CH4]/
(mol·L-1)
[H2O]/
(mol·L-1)
平衡Ⅰ
a
b
c
d
平衡Ⅱ
m
n
x
y
a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为________。
【解析】
(1)H2的体积分数随温度的升高而增加,这说明升高温度平衡向逆反应方向移动,即正反应是放热反应。
升高温度,正、逆反应速率均增大,平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,反应物的转化率减小。
(2)相同温度时平衡常数不变,则a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为
=
。
【答案】
(1)
v正
v逆
平衡常数K
转化率α
增大
增大
减小
减小
(2)
=
[易错防范] 化学平衡常数的3个误区
1化学平衡常数与物质状态的关系由于固体或纯液体的浓度视为常数1,所以在平衡常数表达式中不再写出。
2化学平衡常数与平衡移动的关系即使化学平衡发生移动,但只要温度不变,平衡常数就不会改变,利用此守恒可以计算恒定温度下再次平衡后的转化率等物理量,这也是定量化学的重要定律。
3若同一个反应的系数改变,化学平衡常数可能改变,但表示的意义不改变。
命题点2 利用平衡常数判断反应方向
4.(2017·渭南二模)某温度,将2molCO与5molH2的混合气体充入容积为2L的密闭容器中,在催化剂的作用下发生反应:
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。
经过5min后,反应达到平衡,此时转移电子6mol。
【导学号:
95160192】
(1)该反应的平衡常数为______,v(CH3OH)=________mol·L-1·min-1。
若保持体积不变,再充入2molCO和1.5molCH3OH,此时v(正)________v(逆)(填“>”“<”或“=”)。
此时平衡向________移动(填“左”或“右”),平衡常数为________。
(2)在其他条件不变的情况下,再增加2molCO与5molH2,达到新平衡时,CO的转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
【解析】
(1)依据化学方程式知,转移4mol电子消耗CO的物质的量为1mol,此时转移6mol电子,消耗的CO物质的量=
×1mol=1.5mol
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
起始/(mol)25 0
变化/(mol)1.53 1.5
平衡/(mol)0.52 1.5
平衡浓度[CO]=
=0.25mol·L-1,
[H2]=
=1mol·L-1,
[CH3OH]=
=0.75mol·L-1,
平衡常数K=
=
L2·mol-2=3L2·mol-2;
5min内,v(CH3OH)=
=0.15mol·L-1·min-1。
若保持体积不变,再充入2molCO和1.5molCH3OH,此时浓度商Q=
=1.2L2·mol-2<3L2·mol-2
说明平衡正向进行,此时v(正)>v(逆)。
此时温度不变,平衡常数不变仍为3L2·mol-2。
(2)在其他条件不变的情况下,再增加2molCO与5molH2,相当于增大压强,反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),是气体体积减小的反应,平衡正向移动,CO的转化率增大。
【答案】
(1)3L2·mol-2 0.15 > 右 3L2·mol-2
(2)增大
[方法技巧] 利用K和Q判断反应方向
(对于化学反应aAg+bBgcCg+dDg的任意状态,浓度商:
Q=
,有:
命题点3 “三段式”突破K、α的相关综合计算
[典例导航]
(2017·全国Ⅰ卷,节选)H2S与CO2在高温下发生反应:
H2S(g)+CO2(g)COS(g)+H2O(g)。
在610K时,将0.10molCO2与0.40molH2S充入2.5L的空钢瓶中,反应平衡后水的物质的量分数为0.02。
(1)H2S的平衡转化率α1=________%,反应平衡常数K=________。
(2)在620K重复实验,平衡后水的物质的量分数为0.03,H2S的转化率α2______α1,该反应的ΔH______0。
(填“>”“<”或“=”)
(3)向反应器中再分别充入下列气体,能使H2S转化率增大的是________(填标号)。
A.H2S B.CO2
C.COSD.N2
[审题指导]
(1)一步:
写方程式列三段式
H2S(g)+CO2(g)COS(g)+H2O(g)
n(始)/mol0.400.10 0 0
Δn/molxx x x
n(平)/mol0.40-x0.10-xx x
二步:
列方程求未知量
=0.02
解得:
x=0.01mol
三步:
明确问题规范答案
H2S的平衡转化率α1=
=2.5%。
K=
=
≈2.8×10-3。
(2)w(H2O)=0.03>0.02⇒升温平衡右移⇒ΔH>0。
(3)两种反应物,增大一种反应物,平衡右移,另一反应物转化率增大,自身转化率减小。
增大生成物浓度,平衡左移,转化率减小。
【答案】
(1)2.5 2.8×10-3
(2)> > (3)B
(1)610K时CO2的转化率为________,比H2S的转化率________。
(2)610K时,2H2S(g)+2CO2(g)2COS(g)+2H2O(g)的平衡常数K′约为________。
(3)620K时,化学平衡常数K约为________,比610K时的平衡常数K________。
【答案】
(1)10% 大
(2)7.8×10-6 (3)6.9×10-3 大
[题后归纳] “三段式”突破化学平衡的综合计算的方法
已知反应:
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,经ts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-1ab00
变化mol·L-1mxnxpxqx
平衡mol·L-1a-mxb-nxpxqx
相关计算:
①平衡常数:
K=
。
②A的平衡转化率:
α(A)平=
×100%。
③A的物质的量分数(或气体A的体积分数):
w(A)=
×100%。
④v(A)=
。
⑤混合气体的平均密度:
混=
。
注意:
在求有关物理量时,一定注意是用“物质的量”还是用“物质的量浓度”代入计算。
[对点训练]
(2017·全国Ⅲ卷,节选)298K时,将20mL3xmol·L-1Na3AsO3、20mL3xmol·L-1I2和20mLNaOH溶液混合,发生反应:
AsO
(aq)+I2(aq)+2OH-(aq)AsO
(aq)+2I-(aq)+H2O(l)。
溶液中c(AsO
)与反应时间(t)的关系如图所示。
(1)下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。
a.溶液的pH不再变化
b.v(I-)=2v(AsO
)
c.c(AsO
)/c(AsO
)不再变化
d.c(I-)=ymol·L-1
(2)tm时,v正________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。
(3)tm时v逆________tn时v逆(填“大于”“小于”或“等于”),理由是_______________________________________________。
(4)若平衡时溶液的pH=14,则该反应的平衡常数K为________。
【解析】
(1)a对:
溶液pH不变时,则c(OH-)也保持不变,反应处于平衡状态。
b错:
根据反应方程式,始终存在速率关系:
v(I-)=2v(AsO
),反应不一定处于平衡状态。
c对:
由于Na3AsO3总量一定,当c(AsO
)/c(AsO
)不再变化时,c(AsO
)、c(AsO
)也保持不变,反应建立平衡。
d错:
由图可知,建立平衡时c(I-)=2c(AsO
)=2ymol·L-1,因此c(I-)=ymol·L-1时,反应没有建立平衡。
(2)tm时,反应正向进行,故v正大于v逆。
(3)由于tm时生成物AsO
的浓度小于tn时AsO
的浓度,因v逆的大小取决于生成物浓度的大小,故tm时的v逆小于tn时的v逆。
(4)反应前,三种溶液混合后,c(Na3AsO3)=3xmol·L-1×
=xmol·L-1,同理,c(I2)=xmol·L-1,反应情况如下:
AsO
(aq)+I2(aq)+2OH-(aq)AsO
(aq)+2I-(aq)+H2O(l)
起始浓度/mol·L-1 xx00
平衡浓度/mol·L-1x-yx-y 1y2y
K=
=
(mol·L-1)-1。
【答案】
(1)ac
(2)大于 (3)小于 tm时生成物浓度较低 (4)
(mol·L-1)-1
(2018·山东名校联考)已知合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0。
某温度下,若将1molN2和2.8molH2分别投入到初始体积为2L的恒温恒容、恒温恒压和恒容绝热的三个密闭容器中,测得反应过程中三个容器(用a、b、c表示)内N2的转化率随时间的变化如图所示,请回答下列问题:
(1)图中代表反应在恒容绝热容器中进行的曲线是________(用a、b、c表示)。
(2)曲线a条件下该反应的平衡常数K=________。
(3)b容器中M点,v(正)________v(逆)(填“大于”“小于”或“等于”)。
【解析】
(1)恒容绝热达到平衡时温度高,反应快,到达平衡的时间短,正向程度小,α(N2)小,进行的曲线为c。
(2)达到平衡时恒温恒容比恒温恒压的压强小,N2的转化率小,a对应恒温恒压,b对应恒温恒容,但二者的温度相同,故二者的化学平衡常数相同。
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
c始/(mol/L)0.51.40
Δc/(mol/L)0.5×80%3×0.5×80%2×0.5×80%
c平/(mol/L)0.10.20.8
Kb=
L2·mol-2=800L2·mol-2=Ka。
(3)b容器中M点,N2的转化率比平衡时大,反应向逆向进行,故M点v(正)<v(逆)。
【答案】
(1)c
(2)800L2·mol-2 (3)小于
命题点4 Kp的有关计算
5.(2015·四川高考)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
B [A.550℃时,若充入惰性气体,v正、v逆均减小,由于保持了压强不变,相当于扩大了体积,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%,根据反应方程式:
C(s)+CO2(g)2CO(g),设开始加入1molCO2,反应掉了xmolCO2,则有:
C(s)+CO2(g)2CO(g)
始态:
1mol 0
变化:
xmol2xmol
平衡:
(1-x)mol2xmol
因此有:
×100%=40%,解得x=0.25,则CO2的平衡转化率为
×100%=25%,故B项正确。
C.因为是恒压体系,T℃时,CO2、CO的体积分数均为50%,故充入等体积的CO2和CO,平衡不移动,C项错误。
D.925℃时,CO的体积分数为96%,故Kp=
=
=23.04p总,D项错误。
]
[题后拓展] Kp的含义及有关计算
Kp含义:
在化学平衡体系中,各气体物质的分压替代浓度,计算的平衡常数叫压强平衡常数。
单位与表达式有关。
计算技巧:
第一步,根据“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,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,根据平衡常数计算公式代入计算。
例如,N2g+3H2g2NH3g,压强平衡常数表达式为Kp=
。
命题点5 化学平衡常数与反应速率常数的关系
6.(2015·全国Ⅰ卷,节选)Bodensteins研究了下列反应:
2HI(g)H2(g)+I2(g)
在716K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=0.0027min-1,在t=40min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)。
【解析】
(1)由
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