全国通用版版高考化学大一轮复习第28讲化学平衡优选学案.docx
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全国通用版版高考化学大一轮复习第28讲化学平衡优选学案
第28讲 化学平衡
考纲要求
考情分析
命题趋势
1.了解化学反应的可逆性及化学平衡的建立。
2.掌握化学平衡的特征。
3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学平衡的影响,能用相关理论解释其一般规律。
4.了解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。
2017,全国卷Ⅲ,28T
2017,全国卷Ⅱ,27T
2017,海南卷,11T
2016,全国卷甲,28T
2016,全国卷乙,27T
2016,全国卷丙,27T
高考对本部分的考查内容主要有化学平衡状态的判断,对化学平衡移动中相关量的变化分析以及用图像工具分析解决问题等。
预计2019年高考既会保持对传统知识的考查,如化学平衡状态的判断、有关平衡的计算等;又会适当增加对联系实际问题的考查,如利用平衡移动原理探索工业条件的选择等。
分值:
6~12分
考点一 可逆反应与化学平衡状态
1.化学平衡研究的对象——可逆反应
(1)定义
在__同一条件__下既可以向__正__反应方向进行,同时又可以向__逆__反应方向进行的化学反应。
(2)特点
①二同:
a.相同条件下;b.正、逆反应同时进行。
②一小:
反应物与生成物同时存在,任一组分的转化率都__小于__(填“大于”或“小于”)100%。
(3)表示
在化学方程式中用__“”__表示。
2.化学平衡状态
(1)概念
一定条件下的可逆反应中,正反应速率与逆反应速率___相等__,反应体系中所有参加反应的物质的___质量或浓度__保持不变的状态。
(2)化学平衡的建立
(3)化学平衡状态特征
1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。
(1)2H2O
2H2↑+O2↑为可逆反应。
( × )
(2)二次电池的充、放电为可逆反应。
( × )
(3)一个可逆反应达到的平衡状态就是这个反应在该条件下所能达到的限度。
( √ )
2.向含有2mol的SO2的容器中通入过量氧气发生反应:
2SO2+O2
2SO3,充分反应后生成SO3的物质的量__<__2mol(填“<”“>”或“=”,下同),SO2的物质的量__>__0mol,转化率__<__100%。
3.下列说法可以证明H2(g)+I2(g)2HI(g)已达平衡状态的是__②⑥⑨__(填序号)。
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
③百分含量w(HI)=w(I2)
④反应速率v(H2)=v(I2)=
v(HI)
⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1
⑥温度和体积一定时,某一生成物浓度不再变化
⑦温度和体积一定时,容器内压强不再变化
⑧条件一定,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
一 极端假设法确定可逆反应中各物质的浓度范围
先假设反应正向或者逆向能够进行到底,求出各种物质浓度的最大值和最小值,从而确定各物质的范围。
假设反应正向进行到底:
X2(g)+Y2(g)2Z(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
改变浓度/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
终态浓度/(mol·L-1) 0 0.2 0.4
假设反应逆向进行到底:
X2(g)+Y2(g)2Z(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
改变浓度/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
终态浓度/(mol·L-1) 0.2 0.4 0
平衡体系中各物质的浓度范围为0 [例1](双选)一定条件下,对于可逆反应X(g)+3Y(g)2Z(g),若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零),达到平衡时,X、Y、Z的浓度分别为0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.08mol·L-1,则下列判断正确的是( CD ) A.c1∶c2=3∶1 B.平衡时,Y和Z的生成速率之比为2∶3 C.X、Y的转化率相等 D.c1的取值范围为0 二 化学平衡状态的判断依据 1.本质标志: v正=v逆≠0。 对于某一可逆反应来说,正反应消耗掉某反应物的速率等于逆反应生成该反应物的速率。 2.等价标志 以mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)为例: 类型 判断依据 平衡状态 混合物体 系中各成 分的含量 ①各物质的物质的量或物质的量分数一定 平衡 ②各物质的质量或质量分数一定 平衡 ③各气体的体积或体积分数一定 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,即v正=v逆 平衡 ②在单位时间内消耗了nmolB,同时生成pmolC,则v正不一定等于v逆 不一定 ③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q,v正不一定等于v逆 不一定 ④在单位时间内生成nmolB,同时消耗qmolD,二者变化均表示v逆 不一定 压强 ①m+n≠p+q时,总压强一定(其他条件一定) 平衡 ②m+n=p+q时,总压强一定(其他条件一定) 不一定 平均相对 分子质量( r) ①m+n≠p+q时, r一定 平衡 ②m+n=p+q时, r一定 不一定 气体密度 ①m+n≠p+q,恒温恒压时,密度保持不变 平衡 ②m+n=p+q,恒温恒压时,密度保持不变 不一定 温度 体系温度一定(其他不变) 平衡 颜色 反应体系内有色物质的颜色一定 平衡 [例2]将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空恒容容器中(固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡: NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)。 判断该分解反应已经达到化学平衡的是( C ) A.2v(NH3)=v(CO2) B.密闭容器中c(NH3)∶c(CO2)=2∶1 C.密闭容器中混合气体的密度不变 D.密闭容器中氨气的体积分数不变 [例1](2017·全国卷Ⅲ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______(填字母)。 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______。 [答题送检]来自阅卷名师报告 错误 致错原因 扣分 (2) 不能从c(AsO )与时间(t)关系图中获得关键信息,即从tm到平衡,c(AsO )逐渐增加,说明此时v正>v逆 -2 (4) 忽略了三种溶液20mLNa3AsO3、20mLI2和30mLNaOH混合后,其浓度的变化 -2 [解析] (1)平衡时,各物质浓度保持不变,故a、c项正确;由于未标明v(I-)和v(AsO )的方向,所以b项错误;d项,c(I-)=2c(AsO )=2ymol·L-1时才可说明反应达平衡状态。 (2)tm时,反应尚未达到平衡,且反应正向进行,故v正>v逆。 (3)随着反应正向进行,生成物浓度逐渐增大,故v逆逐渐增大,则tm时v逆小于tn时v逆。 (4)根据题给信息,原溶液混合后体积扩大为原来的3倍,故c(AsO )、c(I2)均为xmol·L-1。 根据三段式: AsO (aq)+I2(aq)+2OH-(aq)AsO (aq)+2I-(aq)+H2O(l) c始/(mol·L-1) x x 0 0 c转/(mol·L-1) y y y 2y c平/(mol·L-1) x-y x-y y 2y 再结合pH=14,代入平衡常数表达式得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 1.已知A(g)+B(g)C(g)+D(g)反应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 判断该反应是否达到平衡的依据为( C ) A.压强不随时间改变 B.气体的密度不随时间改变 C.c(A)不随时间改变 D.单位时间里生成C和D的物质的量相等 1.用氮化硅(Si3N4)陶瓷代替金属制造发动机的耐热部件,能大幅度提高发动机的热效率。 工业上用化学气相沉积法制备氮化硅,其反应如下: 3SiCl4(g)+2N2(g)+6H2(g) Si3N4(s)+12HCl(g) ΔH<0 完成下列填空: (1)上述反应达到平衡后,下列说法正确的是___bd__(填字母,下同)。 a.其他条件不变,压强增大,平衡常数K减小 b.其他条件不变,温度升高,平衡常数K减小 c.其他条件不变,增大Si3N4物质的量,平衡向左移动 d.其他条件不变,增大HCl物质的量,平衡向左移动 (2)一定条件下,在密闭恒容的容器中,能表示上述反应达到化学平衡状态的是__ac__。 a.3v逆(N2)=v正(H2)b.v正(HCl)=4v正(SiCl4) c.混合气体密度保持不变d.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6 (3)若平衡时H2和HCl的物质的量之比为 ,保持其他条件不变,降低温度后达到新的平衡时,H2和HCl的物质的量之比__<__ (填“>”“<”或“=”)。 解析 (1)该反应为放热反应,故反应达到平衡后,升高温度,平衡向左移动,平衡常数K减小;温度不变,平衡常数不变,增加固体Si3N4,平衡不移动,增大HCl的物质的量,平衡向逆反应方向移动。 (2)a项叙述表示v正=v逆,反应达到平衡状态;b项均表示正反应,无论反应是否处于平衡状态,都成立;混合气体密度不变说明气体质量不变,而平衡移动则气体质量改变,c项表示达到平衡状态;d项表示的浓度关系与是否平衡无关。 (3)降低温度,平衡向正反应方向移动,n(H2)/n(HCl)变小。 考点二 化学平衡的移动 1.概念 可逆反应达到平衡状态以后,若反应条件(__浓度__、__温度__、__压强__等)发生了变化,平衡混合物中各组分的浓度也会随之__改变__,从而在一段时间后达到__新的平衡状态__。 这种由__旧平衡__向__新平衡__的变化过程,叫做化学平衡的移动。 2.过程 化学平衡移动 3.化学平衡移动方向与化学反应速率的关系 (1)v正>v逆: 平衡向__正反应__方向移动。 (2)v正=v逆: 反应达到平衡状态,__不__发生平衡移动。 (3)v正 平衡向__逆反应__方向移动。 4.影响化学平衡的因素 若其他条件不变,改变下列条件对平衡的影响如下: 改变的条件(其他条件不变) 化学平衡移动的方向 浓度 增大反应物浓度或减小生成物浓度 向__正反应__方向移动 减小反应物浓度或增大生成物浓度 向__逆反应__方向移动 压强(对有气体参加的反应) 反应前后气 增大压强 向__气体体积减小__的方向移动 体体积改变 减小压强 向__气体体积增大__的方向移动 反应前后气体体积不变 改变压强 平衡__不__移动 温度 升高温度 向__吸热反应__方向移动 降低温度 向__放热反应__方向移动 催化剂 同等程度改变v正、v逆,平衡__不__移动 5.勒夏特列原理(平衡移动原理) 如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够__减弱这种改变__的方向移动。 关于勒夏特列原理的两点说明 (1)平衡移动原理不仅能用于判断化学平衡的移动方向,也能用于判断溶解平衡等其他平衡移动的方向,可以说,平衡移动原理对所有的动态平衡都适用,如电离平衡、水解平衡等; (2)平衡移动原理能用来判断平衡移动的方向,但不能用来判断建立新平衡所需要的时间。 1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。 (1)增大任何一种反应物的量,化学平衡一定正向移动。 ( × ) (2)改变化学反应速率,化学平衡一定会发生移动。 ( × ) (3)对一个可逆反应而言,改变温度,化学平衡一定会发生移动。 ( √ ) (4)其他条件不变,增大体系的压强,对一个有气体参与的可逆反应而言,平衡一定会发生移动。 ( × ) (5)起始加入原料的物质的量相等,则各种原料的转化率一定相等。 ( × ) (6)通过改变一个条件使某反应向正反应方向移动,转化率一定增大。 ( × ) 2.下列可逆反应达到平衡后,增大压强同时升高温度,平衡一定向右移动的是( A ) A.2AB(g)A2(g)+B2(g) ΔH>0 B.A2(g)+3B2(g)2AB3(g) ΔH<0 C.A(s)+B(g)C(g)+D(g) ΔH>0 D.2A(g)+B(g)3C(g)+D(s) ΔH<0 3.处于平衡状态的反应2H2S(g)2H2(g)+S2(g) ΔH>0,不改变其他条件的情况下合理的说法是( B ) A.加入催化剂,反应途径将发生改变,ΔH也将随之改变 B.升高温度,正逆反应速率都增大,H2S分解率也增大 C.增大压强,平衡向逆反应方向移动,将引起体系温度降低 D.若体系恒容,注入一些H2后达新平衡,H2浓度将减小 解析 焓变是一个状态函数,与反应发生的途径无关,A项错误;温度升高,正逆反应速率均增大,因该反应是吸热反应,故平衡正向移动,分解率增大,B项正确;该反应是气体体积增大的反应,增大压强平衡逆向移动,逆向反应是放热反应,会使体系温度升高,C项错误;体系中注入H2,体系将向H2浓度降低的方向移动,但最终H2的浓度增大,D项错误。 一 分析化学平衡移动的一般思路和思维模型 1.分析化学平衡移动的一般思路 改变条件 2.思维模型 [例1](2017·海南卷)(双选)已知反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0。 在一定温度和压强下于密闭容器中,反应达到平衡。 下列叙述正确的是( AD ) A.升高温度,K减小 B.减小压强,n(CO2)增加 C.更换高效催化剂,α(CO)增大 D.充入一定量的氮气,n(H2)不变 解析 A项,正反应是放热反应,所以升高温度,平衡向逆反应方向移动,故平衡常数减小,正确;B项,该反应是反应前后气体体积不变的反应,因此减小压强,平衡不移动,故n(CO2)不变,错误;C项,催化剂只能影响反应速率,不能影响平衡移动,故更换高效催化剂,CO转化率不变,错误;D项,温度和压强不变时,充入一定量的氮气,容器体积增大,该反应是反应前后气体体积不变的反应,因此平衡不移动,所以n(H2)不变,正确。 二 化学平衡移动和反应物转化率的变化 转化率= ×100% 1.温度或压强的改变 引起平衡向正反应方向移动时,反应物的转化率必然增大。 2.反应物用量的改变 (1)若反应物只有一种,如aA(g)bB(g)+cC(g),增加A的量,平衡向正反应方向移动,但该反应物A的转化率与气体物质的化学计量数有关: (2)若反应物不止一种,如aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g) ①若只增加A的量,平衡向正反应方向移动,则A的转化率减小,B的转化率增大。 ②若按原比例同倍数地增加反应物A和B的量,则平衡向正反应方向移动,而反应物的转化率与气体反应物的计量数有关。 ③若不同倍增加A、B的量,相当于增加了一种物质,同①。 3.反应物起始的物质的量之比等于化学计量数之比时,各反应物转化率相等。 [例2]COCl2(g)CO(g)+Cl2(g) ΔH>0,当反应达到平衡时,下列措施: ①升温 ②恒容通入惰性气体 ③增加CO浓度 ④减压 ⑤加催化剂 ⑥恒压通入惰性气体,能提高COCl2转化率的是( B ) A.①②④ B.①④⑥ C.②③⑤ D.③⑤⑥ 解析 正反应为吸热反应,升温则平衡正向移动,反应物转化率提高,①正确;恒容时,通入惰性气体,反应物与生成物浓度不变,平衡不移动,②错;增加CO浓度,平衡逆向移动,反应物转化率降低,③错;正反应为气体分子数增大的反应,减压时平衡向正反应方向移动,反应物转化率提高,④正确;催化剂只能改变反应速率,不能改变平衡状态,⑤错;恒压时,通入惰性气体,容器体积增大,反应物与生成物浓度降低,平衡向气体分子数增加的方向移动,即向正反应方向移动,反应物转化率提高,⑥正确。 [例1]某温度下,在一个2L的密闭容器中,加入1molX(g)和2molY(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%。 在此时平衡体系中加入1molZ(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0.4mol·L-1 [答题送检]来自阅卷名师报告 错误 致错原因 扣分 A 不能熟练运用等效平衡原理解决问题 -6 [解析]由于在平衡后加入1molZ(g),相当于增大压强,各组分体积分数不变,说明是等效平衡,则反应前后气体物质的量相等,即m=2,A项正确;化学平衡常数K只与温度有关,B项正确;反应后n(X)=3mol×30%=0.9mol,n(Y)=3mol×60%=1.8mol,二者转化率都为10%,C项正确;再加入1molZ,反应后n(Z)=4mol×10%=0.4mol,则c(Z)=n(Z)/V=0.2mol·L-1,D项错误。 [答案]D 1.在一定温度下,将气体X和气体Y各0.16mol充入10L恒容密闭容器中,发生反应X(g)+Y(g)2Z(g) ΔH<0,一段时间后达到平衡。 反应过程中测定的数据如下表: t/min 2 4 7 9 n(Y)/mol 0.12 0.11 0.10 0.10 下列说法正确的是( C ) A.反应前2min的平均速率v(Z)=2.0×10-5mol/(L·min) B.其他条件不变,降低温度,反应达到新平衡前v逆>v正 C.该温度下此反应的平衡常数K=1.44 D.其他条件不变,再充入0.2molZ,平衡时X的体积分数增大 1.对于合成氨反应,达到平衡后,以下分析正确的是( B ) A.升高温度,对正反应的反应速率影响更大 B.增大压强,对正反应的反应速率影响更大 C.减小反应物浓度,对逆反应的反应速率影响更大 D.加入催化剂,对逆反应的反应速率影响更大 2.(2016·全国卷甲)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料,工业上可用“丙烯氨氧化法”生产,主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。 回答下列问题: (1)以丙烯、氨、氧气为原料,在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下: 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 两个反应在热力学上趋势均很大,其原因是__两个反应均为放热量大的反应__;有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是__降低温度、降低压强__;提高丙烯腈反应选择性的关键因素是__催化剂__。 (2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,最高产率对应的温度为460℃。 低于460℃时,丙烯腈的产率__不是__(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率,判断理由是__该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低__;高于460℃时,丙烯腈产率降低的可能原因是__AC__(填字母)。 A.催化剂活性降低 B.平衡常数变大 C.副反应增多 D.反应活化能增大 (3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。 由图可知,最佳n(氨)/n(丙烯)约为__1.0__,理由是__该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低__。 进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为__1∶7.5∶1__。 解析 (1)由于反应①和②均为放出热量较多的反应,产物的能量较低,故两个反应在热力学上趋势很大;由于反应①为放热反应,且该反应为气体分子数增大的反应,故降低温度和降低压强均有利于反应正向进行,从而提高丙烯腈的平衡产率;提高丙烯腈反应选择性的关键因素是使用合适的催化剂。 (2)反应①为放热反应,升高温度,丙烯腈的平衡产率应降低,故低于460℃时,丙烯腈的产率不是对应温度下的平衡产率;高于460℃时,催化剂的活性降低、副反应增多均可能导致丙烯腈的产率降低,A、C项正确;该反应为放热反应,升高温度,平衡常数减小,B项错误;升高温度可以提高活化分子的百分数,但不能改变反应所需的活化能,D项错误。 (3)从题图(b)中可看出当n(氨)/n(丙烯)≈1时,丙烯腈的产率最高,此时几乎没有丙烯醛;只发生反应①时,NH3、O2、C3H6的物质的量之比为1∶1.5∶1,结合空气中O2的体积分数约为20%,可确定进料气NH3、空气、C3H6的理论体积之比约为1∶7.5∶1。 考点三 常见的五类化学平衡图像 1.速率—时间图像 以反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g) ΔH<0,m+n>p+q为例,各类条件改变图像如下: 此类图像定性揭示了v正、v逆随时间(含条件改变对速率的影响)变化的规律,从两点思考: (1)c、T、p、催化剂对正、逆反应速率的影响; (2)c、T、p、催化剂对平衡的影响,平衡正移,则v正>v逆,反之,v正 2.速率—压强(或温度)图像 特点: 曲线的意义是外界条件(温度、压强)对正、逆反应速率影响的变化趋势及变化幅度。 图中交点是平衡状态,压强增大(或温度升高)后正反应速率增大得快,平衡正向移动。 3.转化率—时间—温度(压强)图像 已知不同温度或压强下,反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线,推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。 [以反应aA(g)+bB(g)cC(g)中反应物的转化率αA为例说明] 解答这类图像题时应注意以下
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