化学反应速率和化学平衡 专题复习.docx
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化学反应速率和化学平衡专题复习
化学反应速率和化学平衡专题复习
[知识规律总结]
一、化学反应速率
1、概念:
用来衡量化学反应进行快慢的物理量,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,
2、表示方法:
3、单位:
mol/(L·s);mol/(L·min)
4、同一化学反应用不同的物质表示时,该反应的化学反应速率可能不同。
化学计量数之比等于对应物质的化学反应速率之比。
例:
2A(g)+3B(g)
C(g)+4D(g)ν(A):
ν(B):
ν(C):
ν(D)=2:
3:
1:
4
5、起始浓度不一定按比例,但是转化浓度一定按比例。
6、固体和纯液体的浓度视为常数(保持不变),因此,它们的化学反应速率也视为常数。
题型一:
根据化学计量数之比,计算反应速率
【例1】反应4NH3(g)+5O2(g)
4NO(g)+6H2O(g)在10L密闭容器中进行,半分钟后,水蒸气的物质的量增加了0.45mol,则此反应的平均速率
(反应物的消耗速率或产物的生成速率)可表示为()
A.
B.
C.
D.
【点拨】正确答案是C。
【规律总结】遇到这一类题目,一定要充分利用化学反应中各物质的反应速率之比等于它们的化学计量数之比这一规律进行计算。
题型二:
以图象形式给出条件,计算反应速率
【例2】某温度时,在2L容器中,X、Y、Z三种物质的物质的量随时间变化的曲线如图所示。
由图中数据分析:
该反应的化学方程式为_________________。
反应开始至2min,用Z表示的平均反应速率为____________。
【点拨】由图可知,X、Y的物质的量随反应的进行而减小,Z的物质的量随反应的进行而增大,则X和Y为反应物,Z为生成物。
∵
∴反应方程式为:
3X+Y=2Z。
二、影响化学反应速率的因素
1.内因:
反应物本身的性质(如:
硫在空气中和在氧气中燃烧的速率明显不同)。
2.外因:
(1)浓度:
浓度大,分子之间碰撞机会增大,发生化学反应的几率加大,化学反应速率就快;因此,化学反应速率与浓度有密切的关系,浓度越大,化学反应速率越快。
增大反应物的浓度,正反应速率加快。
(2)温度:
温度越高,反应速率越快(正逆反应速率都加快)。
(3)压强:
对于有气体参与的化学反应,反应体系的压强增大,反应速率增大(正逆反应速率都增大)。
说明:
压强的改变是通过改变反应体系的浓度起作用的,如:
①缩小或增大反应体系的容积;②保持容积不变时向反应体系中加入反应物或减少反应物等。
但:
若保持体系容积不变,向反应体系加入惰性气体时化学反应速率不变。
(4)催化剂:
改变化学反应速率(对于可逆反应使用催化剂可以同等程度地改变正逆反应速率)。
【例3】把下列四种X溶液分别加入四个盛有10mL2mol/L盐酸的烧杯中,均加水稀释到50mL,此时,X和盐酸缓慢地进行反应,其中反应最快的是()
A.10℃20mL3mol/L的X溶液B.20℃30mL2mol/L的X溶液
C.20℃10mL4mol/L的X溶液D.10℃10mL2mol/L的X溶液
本题若没有看清楚题目实质,仅仅从选项的表面看X浓度的大小及反应温度的高低来判断反应速率的快慢,则会错选C。
B的反应速率最快
三、化学平衡的概念
一定条件下的可逆反应,正反应和逆反应的速率相等,反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态叫做化学平衡状态。
可逆反应中旧化学平衡的破坏、新化学平衡的建立过程叫做化学平衡的移动。
要从以下几个方面理解化学平衡:
1、逆:
化学平衡研究的对象是可逆反应。
2、等:
处于密闭体系的可逆反应,化学平衡状态建立的条件是正反应速率和逆反应速率相等,即v(正)=v(逆)≠0。
这是可逆反应达到平衡状态的本质。
3、定:
当一定条件下可逆反应一旦达到平衡(可逆反应进行到最大程度)状态时,在平衡体系的混合物中,各组分的含量(即反应物与生成物的物质的量、物质的量浓度、质量分数、体积分数等)保持不变(即不随时间的改变而改变)。
这是判断体系是否处于化学平衡状态的重要特征。
4、动:
指化学反应达化学平衡状态时,反应并没有停止,实际上正反应与逆反应始终在进行,且正反应速率等于逆反应速率,所以化学平衡状态是动态平衡状态。
5、变:
任何化学平衡状态均是暂时的、相对的、有条件的(与浓度、压强、温度等有关),而与达到平衡的过程无关(化学平衡状态既可从正反应方向开始而达到平衡,也可以从逆反应方向开始而达到平衡)。
当外界条件变化时,原来的化学平衡被打破,在新的条件下建立起新的化学平衡。
6、径:
化学平衡状态的建立与途径无关。
无论从正反应、还是从逆反应方向建立,只要条件相同均能达到同一平衡状态(等效平衡)。
四、平衡标志:
1、如何理解V(正)=V(逆)
例如,一定条件下,可逆反应N2+3H2
2NH3,对该可逆反应,表示正、逆反应速率可以用N2或H2或NH3来表示:
(1)单位时间内,有1molN2反应掉,同时有1molN2生成
(2)单位时间内,有3molH2反应掉,同时有2molNH3反应掉
(3)单位时间内,有1molN2生成,同时有2molNH3生成
以上均表示V(正)=V(逆)
2、判断化学平衡状态的标志:
(1)任何情况下均可作为标志的:
①υ正=υ逆(同一种物质);
②某反应物的消耗(或生成)速率:
某生成物的消耗(或生成)速率=化学计量数之比;
③各组分含量(百分含量、物质的量、质量等)不随时间变化。
(2)在一定条件下可作为标志的:
①对于有色物质参加或生成的可逆反应,颜色不再变化;
②对于有气态物质参加或生成的可逆反应,若反应前后气体的物质的量变化不为0,恒温恒容,混合气体平均相对分子质量M和总压p不变;
③对于绝热体系,体系的温度不变。
(3)不能作为判断标志的:
①各物质的物质的量或浓度变化或反应速率之比=化学计量数之比;
②对于有气态物质参加或生成的可逆反应,若反应前后气体的物质的量变化为0,恒温恒容,混合气体平均相对分子质量M和总压p不变。
反应
mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g)
是否平衡
混合物体系中各成分的含量
①各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定
平衡
②各物质的质量或各物质的质量分数一定
平衡
③各气体的体积或体积分数一定
平衡
④总压强、总体积、总物质的量一定
不一定平衡
正、逆反应速率的关系
①在单位时间内消耗了mmolA同时生成mmolA
平衡
②在单位时间内消耗了nmolB同时生成pmolC
不一定平衡
③vA:
vB:
vC:
vD=m:
n:
p:
q
不一定平衡
④在单位时间内生成了nmolB同时消耗qmolD
不一定平衡
总压强
①m+n≠p+q时,总压强一定(其它条件一定)
平衡
②m+n=p+q时,总压强一定(其它条件一定)
不一定平衡
混合气体的平均分子量
①m+n≠p+q时,混合气体的平均相对分子质量一定
平衡
②m+n=p+q时,混合气体的平均相对分子质量一定
不一定平衡
温度
绝热体系的温度不再变化
平衡
密度
恒温恒容体系中混合气体的密度一定
不一定平衡
颜色
有色物质参加或生成的可逆反应,颜色不再变化
平衡
【例4】下列方法中可以证明2HI(g)
H2(g)+I2(g)已达平衡状态的是:
①单位时间内生成nmolH2的同时生成nmolHI
②一个H-H键断裂的同时有两个H-I键断裂
③百分组成HI%=I2%
④反应速率V(H2)=V(I2)=1/2V(HI)时
⑤〔HI〕∶〔H2〕∶〔I2〕=2∶2∶1时
⑥温度和体积一定时,某一生成物的浓度不再变化
⑦温度和体积一定时,容器内压强不再变化
⑧条件一定时,混合气体的平均相对分子质量不在变化
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,混合气体密度不再变化
解析:
①不能证明V正=V逆错误。
②表明V正=V逆,正确。
③百分组成表明的是浓度,只能说不变,不能说相等,错误。
④不能表明正逆反应速率相等,错误。
⑤浓度应说不变,不能说相等,错误。
⑥浓度不变说明已达平衡,正确。
⑦此反应前后体积相等,温度和体积一定时,压强不变时,某组分的浓度可能变化,错误。
⑧此反应前后体积相等,质量守恒,相对分子质量不变,不能表明平衡
⑨混合气体颜色不变,浓度不变,证明已达平衡
⑩反应前后体积相等,温度和压强一定时,体积不变,质量守恒,密度不变不能说明已达平衡。
答案:
②⑥⑨
在上述⑥-⑩的说法中能说明2NO2
N2O4达到平衡状态是:
答案:
⑥⑦⑧⑨⑩
五、化学平衡的有关计算
1.基本公式:
①m=ρV;②m=nM;③气体方程:
pV=nRT。
(其中:
m为质量,V为体积,ρ为密度,n为物质的量,M为摩尔质量,p为气体的压强,T为绝对温度,R为常数)
导出公式:
pM=ρRT
转化率(只针对反应物而言):
反应物的转化率=反应物转化的物质的量(或体积、浓度)/反应物起始的物质的量(或体积、浓度)×100%
2.化学平衡常数:
对于可逆反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),在一定温度下达到平衡,其平衡常数的表达式:
注意:
①纯固体或纯液体的浓度为一定值,不列入平衡常数的表达式中。
②任何一个平衡常数表达式必须和具体的化学反应方程式相匹配。
对于同一化学反应,由于方程式书写形式不同,其平衡常数表达式也会相应改变。
不同书写形式的平衡常数,虽然数值不同,但实际含义相同。
K值的意义:
表示可逆反应的限度,K值越大,说明平衡体系中生成物所占的比例越大,它的正向反应进行的程度越大,即该反应进行得越完全,反应物转化率越大;反之,就越不完全,转化率就越小。
一般认为K>105时,该反应进行得基本完全。
影响K值的外界因素只有温度,与反应物或生成物的浓度变化无关。
通常使用三行式法(起始、转化、平衡)进行有关转化率与平衡常数的计算。
(1)化学平衡计算的基本方法是“始”、“变”、“平”三段分析法。
如:
起始 a b 0 0
变化 —x
平衡 a—x
说明:
a、b表示反应物的物质的量或反应物的浓度或同温同压下气体的体积
(2)化学平衡计算中用到的基本关系与定律:
①各物质变化浓度之比=方程式中的化学计量数之比;
②反应物转化率=其消耗浓度与起始浓度之比;
③平衡时某组分体积分数=该组分在平衡混合物中的物质的量的分数;
④阿伏加德罗定律及其推论。
(3)同一物质参与两个化学平衡的计算:
要利用“同一物质”在反应②中的起始浓度=反应①中的平衡浓度的关系,进行两次三段分析或逆向推算。
(4)改变平衡条件时,气体的平均相对分子质量(
)变化的规律:
①体系中若全为气体,据
直接判断;
②体系中若有固体或液体,当气体的物质的量不变时,据上式判断;当气体的物质的量改变时,则须根据混合气体中各组分气体体积比计算。
六、等效平衡:
在一定条件下(定温、定容或定温、定压),对同一可逆反应,只要起始时加入物质的量不同,而达到化学平衡时,同种物质的含量相同,这样的平衡称为等效平衡。
此类平衡有以下规律:
1.在定温定容条件下
⑴对于两边气体分子数不相等的可逆反应,只改变起始时加入物质的物质的量,如果通过可逆反应的化学计量数换算成方程式同一半边的物质时物质的量与起始所给物质对应相同,则两平衡等效。
⑵对于反应前后气体分子数相等的可逆反应,只要反应物(或生成物)的物质的量的比例与起始所给物质的比例对应相同,则两平衡等效。
2.在定温定压下,改变起始时加入物质的物质的量,只要按化学计量数换算成方程式同一半边的物质的物质的量时与起始所给物质对应成比例,则达平衡后与原平衡等效。
题型四:
一般可逆反应在恒温、恒容条件下建立等效平衡
【例5】在一个体积固定的密闭容器中加入2molA和1molB,发生反应:
2A(g)+B(g)
3C(g)+D(g),达到平衡时C的浓度为amol·L-1。
若维持容器体积和温度不变,按下列四种配比作为起始物质,达到平衡后,C的浓度仍为amol·L-1的是()
A.4molA+2molBB.2molA+1molB+3molC+1molD
C.3molC+1molD+1molBD.3molC+1molD
【点拨】等效平衡的含义:
在一定条件(恒温恒容或恒温恒压)下,只是起始加入情况不同的同一可逆反应达到平衡后,任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)均相同,这样的化学平衡互称等效平衡。
对于一般可逆反应,在恒温恒容条件下,只改变起始加入的情况,只要通过可逆反应的化学计量数比换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量与原平衡相同,则二平衡等效。
假设2molA和1molB能够完全反应,则应生成3molC+1molD,所以如果维持容器体积和温度不变,开始时向容器中加入3molC+1molD,达到平衡时,与原平衡是等效平衡,则C的浓度仍为amol·L-1。
所以正确答案为D。
题型五:
反应前后气体体积不变的可逆反应在恒温、恒容条件下建立等效平衡
【例6】可逆反应A(g)+B(g)
2C(g)在固定容积的容器中进行,如果向容器中充入1molA和1molB,在某温度下达到平衡时,C的体积分数为m%;若向容器中充入1molC,在同样的温度下达到平衡时,C的体积分数为n%,则m和n的关系正确的是()
A.m>nB.m 【点拨】在恒温恒容条件下,对于反应前后气体分子数不变的可逆反应,只要按化学计量数换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量之比与原平衡相同,则二平衡也为等效平衡。 假设1molC物质完全反应,可以生成0.5molA和0.5molB,投入量是第一种投料方式的一半,所以压强也是其一半。 但由于该反应是一个气体体积不变的反应,即压强对该反应的平衡状态没有影响,所以前后两个平衡仍然是等效平衡。 因此两个平衡中C的体积分数相等。 正确答案为C。 但在第二个平衡状态中C的浓度是第一个平衡状态的一半。 【例7】在一密闭的容器中充入2molA和1molB发生反应: 2A(g)+B(g) xC(g),达到平衡后,C的体积分数为w%;若维持容器的容积和温度不变,按起始物质的量A: 0.6mol、B: 0.3mol、C: 1.4mol充入容器,达到平衡后,C的体积分数仍为w%,则x的值为() A.只能为2B.只能为3 C.可能为2,也可能为3D.无法确定 【点拨】这是一道关于在恒温恒容条件下的等效平衡问题,应该包括两种情况。 若x等于3,则这一反应是一个前后气体体积不变的类型,因此只要满足第二种投料方式中按化学计量数换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量之比与第一种投料方式相等即可达到等效平衡。 若x不等于3,则须满足第二种投料方式通过可逆反应的化学计量数比换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量与第一种投料方式完全相等,才能使二平衡等效。 正确答案为C。 题型六: 可逆反应在恒温、恒压条件下建立等效平衡 【例8】在一个盛有催化剂容积可变的密闭容器中,保持一定温度和压强,进行以下反应: N2+3H2 2NH3。 已知加入1molN2和4molH2时,达到平衡后生成amolNH3(见下表已知项)。 在相同温度、压强下,保持平衡时各组分的体积分数不变。 对下列编号①~③的状态,填写表中空白。 已知 编号 起始状态物质的量n/mol 平衡时NH3的物质的量 n/mol N2 H2 NH3 1 4 0 a ① 1.5 6 0 ② 1 0.5a ③ m g(g≥4m) 【点拨】对于一般的可逆反应,在恒温恒压条件下,只要按化学计量数换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量之比与原平衡相同,则达平衡后,与原平衡等效。 ①因为从题干可知n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)平衡=1∶4∶a,所以①状态下n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)平衡=1.5∶6∶1.5a。 ②起始状态时,有1molNH3,则相当于起始时有N2和H2分别为0.5mol和1.5mol,按n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)平衡=1∶4∶a,可得②状态时n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)平衡=0.5∶2∶0.5a,所以原有N2和H2分别为0和0.5mol。 ③设起始时n(NH3)为xmol,则相当于N2和H2总量分别为(m+ )mol和(g+ )mol,则(m+ )∶(g+ )=1∶4,即可得x=2(g-4m) 设为n(NH3)平衡ymol,可得: 4∶a=(g+ )∶y,即: y=(g-3m)·a。 题型七: 通过建立等效平衡的中间状态,比较反应物转化率的大小以及平衡时某物质体积分数、浓度的大小 【例9】体积相同的甲、乙两个容器中,分别充有等物质的量的SO2和O2,在相同温度下发生反应: 2SO2+O2 2SO3并达到平衡。 在这过程中,甲容器保持体积不变,乙容器保持压强不变,若甲容器中SO2的转化率为p%,则乙容器中SO2的转化率为() A.等于p%B.大于p%C.小于p%D.无法判断 【点拨】根据题意,甲、乙两容器可设为如图所示装置。 2SO2+O2 2SO3是一气体总物质的量减少的反应。 甲容器保持体积不变,压强变小;乙容器保持压强不变,体积减小,达到平衡状态时转化为状态丙。 假设乙中的活塞不移动,由于甲、乙两个容器的体积、温度相同,达到平衡时甲、乙两容器中存在的平衡是等效平衡,其中SO2的转化率也相等。 对于乙和丙两个状态,乙中压强小于丙中压强,因此丙中SO2转化率大于乙中SO2转化率。 由此可以判断出丙中SO2的转化率也大于甲中SO2的转化率。 所以正确答案为B。 【规律总结】对于气体参加的可逆反应,在温度恒定的条件下,涉及体积与压强以及平衡移动有关判断的问题时,可设计一些等效平衡的中间状态来进行求解。 这样能降低思维难度,具有变难为易、变抽象为直观的作用。 【例10】在相同温度下,有相同体积的甲、乙两容器,甲容器中充入1gN2和1gH2,乙容器中充入2gN2和2gH2。 下列叙述中,错误的是() A.化学反应速率: 乙>甲B.平衡后N2的浓度: 乙>甲 C.H2的转化率: 乙>甲D.平衡混合气中H2的体积分数: 乙>甲 【点拨】因为乙的原料投入量正好是甲的两倍,假设开始时乙的容器体积也是甲的两倍(如图所示),则此时甲与乙是等效平衡。 再将乙容器体积压缩至与甲相等(如图中丙),在此过程中平衡: N2+3H2 2NH3要向正反应方向移动,即N2、H2的转化率增大,在体系中的体积分数减小。 但此时,丙中N2、H2、NH3的浓度都比甲中大,但丙中N2、H2的浓度要小于甲中的两倍,而丙中NH3的浓度的浓度要大于甲中的两倍。 答案应该选D。 【例11】甲、乙两容器,甲的容积固定,乙的容积可变。 在一定温度下,向甲中通入3molN2和4molH2,反应达到平衡时,生成NH3的物质的量为amol。 (1)相同温度下,向乙中通入2molNH3,且保持容积与甲相同,当反应达到平衡时,各物质的浓度与甲平衡中相同。 起始时乙中还通入了____molN2和____molH2。 (2)相同温度下,若向乙中通入6molN2和8molH2,且保持压强与甲相等,当反应达到平衡时,生成氨的物质的量为bmol,则a∶b______1∶2;若乙与甲的容积始终相等,达到平衡时,生成氨的物质的量为cmol,则a∶c_____1∶2(填“>”、“<”或“=”)。 【点拨】 (1)当乙的容积与甲保持相同时,要达到等效平衡,则应满足乙中的投料量与甲中相等,将2molNH3全部归到平衡的左边相当于1molN2与3molH2,因此还差2molN2和1molH2。 (2)当乙的压强与甲保持相同时,只要乙的投料方式中N2和H2的物质的量之比与甲中相等即可达到等效平衡。 因此向乙中通入6molN2和8molH2,达到平衡时,生成氨的物质的量浓度与甲中相等,而氨的物质的量物质的量b=2a,所以a∶b=1∶2;若乙的容积与甲保持相等,则相当于在原平衡的基础上使压强增大2倍,则平衡要向右移动,所以平衡时氨的物质的量物质的量c>2a,即a∶c<1∶2。 七、化学平衡的移动——勒夏特列原理 如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度),平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。 外界条件对化学平衡的影响 改变条件化学平衡移动化学平衡移动的结果 增大反应物浓度向正反应方向移动反应物浓度减小,但比原来大 减小反应物浓度向逆反应方向移动反应物浓度增大,但比原来小 增大生成物浓度向逆反应方向移动生成物浓度减小,但比原来大 减小生成物浓度向正反应方向移动生成物浓度增大,但比原来小 增大体系压强向气体体积减小的方向移动体系压强减小,但比原来大 减小体系压强向气体体积增大的方向移动体积压强增大,但比原来小 升高温度向吸热方向移动体系温度降低,但比原来高 降低温度向放热方向移动体系温度升高,但比原来低 掌握其适用范围: 不仅适用于化学平衡,还适用于溶解平衡、电离平衡、水解平衡等,只要与平衡有关的事实均可用该原理解释。 八、影响化学平衡的条件 1.浓度 在其它条件不变的情况下,增大反应物的浓度,或减小生成物的浓度,都可以使平衡向着正反应方向移动;增大生成物的浓度,或减小反应物的浓度,都可以使平衡向着逆反应方向移动。 2.压强 有气体参与的可逆反应,在其它条件不变的情况下,增大压强,会使化学平衡向着气体体积缩小的方向移动;减小压强,会使化学平衡向着气体体积增大的方向移动, 应特别注意: ⑴压强对化学平衡的影响是通过改变浓度实现的。 若压强改变但体系浓度不变,则平衡不移动。 如: 在容积和温度均不变情况下,向反应体系中加入惰性气体,虽然此时压强改变了,但,反应体系浓度未变,所以,平衡不移动。 ⑵在有些可逆反应里,反应前后气态物质的总体积没有变化,如 在这种情况下,增大或减小压强都不能使化学平衡移动。 ⑶改变压强对固态物质或液态物质的体积几乎无影响。 因此平衡混合物都是固体或液体时,改变压强不能使化学平衡移动。 3.温度 在其它条件不变的情况下,温度升高,会使化学平衡向着吸热反应的方向移动;温度降低,会使化学平衡向着放热反应的方向移动。 说明: 使用催化剂不影响化学平衡的移动。 由于使用催化剂对正反应速率与逆反应速率影响的幅度是等同的,所以平衡不移动。 但应注意。 虽然催化剂不使化学平衡移动,但使用催化剂可影响可逆反应达到平衡的时间。 下表是对一种具体反应的分析: 对于反应(正反应为放热反应), 外界条件对化学反应速率、反应物转化率的影响如下: 改变条件改变条件的瞬间v(正)、v(逆)过程中v(正)、v(逆)的变化转化率 增
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