届高考化学大一轮复习 第7章 第2节 考点3 等效平衡教师用书 新人教版.docx
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届高考化学大一轮复习第7章第2节考点3等效平衡教师用书新人教版
2019届高考化学大一轮复习第7章第2节考点3等效平衡教师用书新人教版
1.含义
在一定条件下(等温等容或等温等压),对同一可逆反应体系,起始时加入物质的物质的量不同,而达到化学平衡时,同种物质的百分含量相同。
2.原理
同一可逆反应,当外界条件一定时,反应无论从正反应开始,还是从逆反应开始,最后都能达到平衡状态。
其中平衡混合物中各物质的含量相同。
由于化学平衡状态与条件有关,而与建立平衡的途径无关。
因而,同一可逆反应,从不同的状态开始,只要达到平衡时条件(温度、浓度、压强等)完全相同,则可形成等效平衡。
3.等效平衡规律
对于可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)
反应特点
a+b≠c+d
a+b=c+d
条件
等温等容
等温等压
等温等容
等温等压
起始投料
换算为化学方程式同一边物质,其“量”相同
换算为化学方程式同一边物质,其“量”成比例
换算为化学方程式同一边物质,其“量”成比例
平衡特点
物质的量(n)
相同
成比例
成比例
成比例
百分含量(w%)
相同
相同
相同
相同
浓度
相同
相同
成比例
相同
1.在等温等容条件下,可逆反应:
2A(g)+B(g)3C(g)+D(g) ΔH=-Q1kJ·mol-1(Q1>0),起始物质的量如下表所示:
序号
A
B
C
D
①
2mol
1mol
0
0
②
4mol
2mol
0
0
③
1mol
0.5mol
1.5mol
0.5mol
④
0
1mol
3mol
1mol
⑤
0
0
3mol
1mol
(1)上述反应达到平衡时,互为等效平衡的是哪几组?
达到平衡后,哪些量相同?
提示 ①③⑤互为等效平衡。
表现在达到平衡后物质的量、质量、体积、物质的量浓度、组分百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数)相同。
(2)达到平衡后,①放出的热量为Q2kJ,⑤吸收的热量为Q3kJ,则Q1、Q2、Q3的定量关系为________。
提示 Q2+Q3=Q1
2.在等温等压条件下,可逆反应2A(g)+B(g)3C(g)+D(g)起始物质的量如下表所示:
序号
A
B
C
D
①
2mol
1mol
0
0
②
4mol
2mol
0
0
③
1mol
0.5mol
1.5mol
0.5mol
④
0
1mol
3mol
1mol
⑤
0
0
3mol
1mol
上述反应达到平衡后,互为等效平衡的是哪几组?
达到平衡后,哪些量相同?
提示 ①②③⑤互为等效平衡。
表现在达到平衡后物质的量浓度、组分百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数)相同。
题组一 等温等容条件下等效平衡的应用
1.[2017·哈尔滨师大附中高三测试]在一个1L的密闭容器中,加入2molA和1molB,发生反应:
2A(g)+B(g)3C(g)+D(s),达到平衡时,C的浓度为1.2mol/L,维持容器的体积和温度不变,按下列配比作为起始物质,达到平衡后,C的浓度还是1.2mol/L的是( )
A.1molA+0.5molB+1.5molC+0.1molD
B.3molC+0.5molD
C.2molA+1molB+1molD
D.0.5molA+0.25molB+2.25molC
答案 C
解析 反应2A(g)+B(g)3C(g)+D(s),D为固体,D的量不影响平衡移动;在恒温恒容下,不同途径达到平衡后,C的浓度仍为1.2mol/L,说明与原平衡互为等效平衡,按化学计量数转化到方程式的左边,只要满足n(A)=2mol,n(B)=1mol即可。
A项,由于D的物质的量为0.1mol,按方程式的化学计量数转化到左边,可得1.2molA、0.6molB和1.2molC,与原平衡不互为等效平衡,错误;B项,若开始加入3molC+0.5molD,将3molC、0.5molD按化学计量数转化到左边可得1molA、0.5molB,剩余1.5molC,与原平衡不是等效平衡,错误;C项,由于D为固体,不影响化学平衡,所以反应后与原平衡互为等效平衡,正确;D项,没有加入D物质,无法建立等效平衡,错误。
2.在一固定容积的密闭容器中,保持一定温度,在一定条件下进行反应A(g)+2B(g)3C(g),已知加入1molA和3molB,且达到平衡后,生成amolC。
(1)达到平衡时,C在混合气体中的体积分数是________(用字母a表示)。
(2)在相同的实验条件下,若加入2molA和6molB,达到平衡后,C的物质的量为________mol(用字母a表示),此时C在反应混合气体中的质量分数________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)在相同实验条件下,若改为加入2molA和8molB,若要求平衡后C在反应混合气体中的质量分数不变,则还应加入C________mol。
答案
(1)
(2)2a 不变 (3)6
解析
(1)由于该反应是等体积反应,n总=n平=4mol,
=
=
。
(2)物质按比例增多,相当于对体系加压,平衡不移动,故质量分数不变。
(3)根据等效平衡原理,设还应加入Cxmol,则
∶
=1∶3,
解得x=6。
题组二 等温等压条件下等效平衡的应用
3.恒温恒压下,在一个容积可变的密闭容器中发生反应:
A(g)+B(g)C(g),若开始时通入1molA和1molB,达到平衡时生成amolC。
则下列说法错误的是( )
A.若开始时通入3molA和3molB,达到平衡时,生成的C的物质的量为3amol
B.若开始时通入4molA、4molB和2molC,达到平衡时,B的物质的量一定大于4mol
C.若开始时通入2molA、2molB和1molC,达到平衡时,再通入3molC,则再次达到平衡后,C的物质的量分数为
D.若在原平衡体系中,再通入1molA和1molB,混合气体的平均相对分子质量不变
答案 B
解析 选项A,开始时通入3molA和3molB,由于容器体积膨胀,保持恒压,相当于将三个原容器叠加,各物质的含量与原平衡中的相同,C的物质的量为3amol;选项B,无法确定平衡移动的方向,不能确定平衡时B的物质的量一定大于4mol;选项C,根据题给数据可算出达到平衡时C的物质的量分数为
;选项D,这种条件下混合气体的平均相对分子质量不变。
4.[2016·哈尔滨三中质检]如图所示,甲容器容积固定不变,乙容器有可移动的活塞。
甲中充入2molSO2和1molO2,乙中充入4molSO3和1molHe,在恒定温度和相同的催化剂条件下,发生如下反应:
2SO3(g)2SO2(g)+O2(g)。
下列有关说法正确的是( )
A.若活塞固定在6处不动,达平衡时甲、乙两容器中的压强:
p乙=p甲
B.若活塞固定在3处不动,达平衡时甲、乙两容器中SO3的浓度:
c(SO3)乙>2c(SO3)甲
C.若活塞固定在3处不动,达平衡时甲、乙两容器中SO2的体积分数:
φ(SO2)乙>2φ(SO2)甲
D.若活塞固定在7处不动,达平衡时两容器中SO3的物质的量分数相等
答案 B
解析 4mol三氧化硫就相当于是4molSO2和2molO2。
若活塞固定在6处不动,甲、乙两容器属于等效平衡,但是乙中有1mol氦气,压强大于甲的压强,A不正确;如果活塞固定在3处不动,则甲和乙中的容积都是相同的,由于乙中压强比甲的压强大,平衡逆向移动,则平衡时c(SO3)乙>2c(SO3)甲,φ(SO2)乙<φ(SO2)甲,故B正确,C不正确;如果活塞固定在7处不动,由于乙中还含有1molHe,则相当于降低压强,平衡向正反应方向移动,两容器中SO3的物质的量分数不相等,D不正确。
总结提升
等效平衡判断“四步曲”
1.[2016·江苏高考](双选)一定温度下,在3个体积均为1.0L的恒容密闭容器中反应2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)达到平衡。
下列说法正确的是( )
A.该反应的正反应放热
B.达到平衡时,容器Ⅰ中反应物转化率比容器Ⅱ中的大
C.达到平衡时,容器Ⅱ中c(H2)大于容器Ⅲ中c(H2)的两倍
D.达到平衡时,容器Ⅲ中的正反应速率比容器Ⅰ中的大
答案 AD
解析 A项,若反应Ⅲ的温度为400℃,则反应Ⅰ和反应Ⅲ达到的平衡为等效平衡,而反应Ⅲ的实际温度为500℃,500℃时CH3OH的平衡浓度比400℃时的小,说明升高温度后,平衡逆向移动,故正反应为放热反应,正确;B项,反应Ⅱ相当于给反应Ⅰ加压,加压时,平衡正向移动,故容器Ⅱ中反应物的转化率大,错误;C项,由表中数据知,达到平衡时,可求得容器Ⅰ中c(H2)=0.04mol·L-1,可推知容器Ⅱ中c(H2)<0.08mol·L-1,容器Ⅲ中c(H2)=0.15mol·L-1,平衡时,Ⅱ中c(H2)小于容器Ⅲ中c(H2)的两倍,错误;D项,浓度相同,容器Ⅲ中的温度高,所以容器Ⅲ中正反应速率大于容器Ⅰ中的,正确。
2.[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
答案 B
解析 A项,反应容器为恒压密闭容器,充入惰性气体,相当于减小压强,v正、v逆均减小,平衡应向右移动,错误;B项,设起始时CO2的物质的量为1mol,达到平衡时转化了xmol,利用三段式:
C(s)+CO2(g)2CO(g)
n始/mol10
n转化/molx2x
n平/mol1-x2x
则有
×100%=40.0%,解得x=0.25,CO2的转化率为
×100%=25.0%,正确;C项,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,错误;D项,Kp=
=
=23.04p总,错误。
3.[2015·江苏高考](双选)在体积均为1.0L的两恒容密闭容器中加入足量的相同的碳粉,再分别加入0.1molCO2和0.2molCO2,在不同温度下反应CO2(g)+C(s)2CO(g)达到平衡,平衡时CO2的物质的量浓度c(CO2)随温度的变化如图所示(图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ点均处于曲线上)。
下列说法正确的是( )
A.反应CO2(g)+C(s)===2CO(g)的ΔS>0、ΔH<0
B.体系的总压强p总:
p总(状态Ⅱ)>2p总(状态Ⅰ)
C.体系中c(CO):
c(CO,状态Ⅱ)<2c(CO,状态Ⅲ)
D.逆反应速率v逆:
v逆(状态Ⅰ)>v逆(状态Ⅲ)
答案 BC
解析 由图可知,升高温度,c(CO2)降低,即平衡正向移动,所以该反应为吸热反应,ΔH>0,A项错误;相同温度下,图中Ⅱ点所在曲线对应的c(CO2)高,表示通入0.2molCO2,则Ⅰ点所在曲线表示通入0.1molCO2,Ⅰ点和Ⅱ点的c(CO2)相等,由图知参加反应的CO2的物质的量:
Ⅱ点大于Ⅰ点的2倍,且该反应为气体分子数增多的反应,同时Ⅱ点的温度比Ⅰ点高,所以体系的总压强p总:
p总(状态Ⅱ)>2p总(状态Ⅰ),B项正确;状态Ⅱ中CO2的投入量为状态Ⅲ的2倍,因状态Ⅱ压强比状态Ⅲ大,而加压平衡逆向移动,则状态Ⅱ中的c(CO)小于状态Ⅲ中c(CO)的2倍,C项正确;状态Ⅲ比状态Ⅰ的温度高,温度越高,反应速率越快,所以状态Ⅲ的反应速率快,D项错误。
4.[2016·全国卷Ⅱ]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_____________;有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是__________________;提高丙烯腈反应选择性的关键因素是__________________。
(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________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率,判断理由是_______________;高于460℃时,丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选,填标号)。
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________,理由是___________。
进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为________。
答案
(1)两个反应均为放热量大的反应 降低温度、降低压强 催化剂
(2)不是 该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低 AC
(3)1 该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低 1∶7.5∶1
解析
(1)判断反应自发进行的趋势可从熵变和焓变两方面考虑,反应①和②的熵变不大,但焓变均较大,这是导致两个反应在热力学上趋势均很大的主要原因。
根据影响平衡移动的因素可知,提高丙烯腈平衡产率(即使反应①的平衡右移)的条件可以是降低温度、降低压强。
在影响反应速率的外界因素中,催化剂的影响最大,且不同的反应一般使用的催化剂也不同,因此催化剂是提高丙烯腈反应选择性的关键因素。
(2)温度升高,反应①的平衡常数变小,反应的活化能不变,高于460℃时,丙烯腈产率降低的原因可能是催化剂的活性降低、副反应增多,A、C正确。
(3)由反应①可知n(NH3)∶n(O2)∶n(C3H6)=1∶1.5∶1,由于O2在空气中所占体积分数约为
,所以理论上进料气氨、空气、丙烯的体积比V(NH3)∶V(空气)∶V(C3H6)=1∶(1.5×5)∶1=1∶7.5∶1。
5.[2014·天津高考]合成氨是人类科学技术上的一项重大突破,其反应原理为:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4kJ·mol-1
一种工业合成氨的简易流程图如下:
(1)步骤Ⅱ中制氢气原理如下:
a.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)
ΔH=+206.4kJ·mol-1
b.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
ΔH=-41.2kJ·mol-1
对于反应a,一定可以提高平衡体系中H2百分含量,又能加快反应速率的措施是________。
a.升高温度 B.增大水蒸气浓度
c.加入催化剂D.降低压强
利用反应b,将CO进一步转化,可提高H2产量。
若1molCO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应,得到1.18molCO、CO2和H2的混合气体,则CO转化率为________。
(2)图1表示500℃、60.0MPa条件下,原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。
根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数:
________。
(3)依据温度对合成氨反应的影响,在图2坐标系中,画出一定条件下的密闭容器内,从通入原料气开始,随温度不断升高,NH3物质的量变化的曲线示意图。
(4)上述流程图中,使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________。
简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法:
____________________________________________________________
__________________________________________________________。
答案
(1)a 90%
(2)14.5%
(3)
(4)Ⅳ 对原料气加压;分离液氨后,未反应的N2、H2循环使用
解析
(1)增大水蒸气浓度,平衡右移,但H2百分含量不一定提高;加入催化剂,对平衡无影响,不能提高H2的百分含量;降低压强,反应速率减慢。
设达到平衡时CO转化了xmol。
CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
n起始0.2mol0mol0.8mol
n平衡(0.2-x)molxmol(0.8+x)mol
(0.2-x)+x+(0.8+x)=1.18,x=0.18,αCO=
×100%=90%。
(2)方法1:
设达到平衡时N2转化了xmol。
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
n起始nmol3nmol0
n平衡(n-x)mol(3n-3x)mol2xmol
×100%=42%,x=0.592n
故N2体积分数=
×100%=
×100%≈14.5%。
方法2:
由N2、H2按1∶3投料,N2与H2又按照1∶3发生反应,故从反应开始到反应平衡,N2和H2之比始终为1∶3。
N2体积分数=
×(1-42%)=14.5%。
(3)反应初期,NH3从无到有,在未达到平衡前,NH3物质的量是增大的,达到平衡后,温度升高,平衡逆向移动,NH3物质的量逐渐减小,曲线见答案。
(4)通过热交换器(步骤Ⅳ),加热进入合成塔的原料气,同时冷却从合成塔出来的平衡混合气。
提高原料总转化率的方法有:
①对N2、H2加压;②将产物NH3液化分离,减小生成物浓度;③将未反应的N2、H2循环使用。
时间:
45分钟
满分:
100分
一、选择题(每题7分,共70分)
1.[2017·哈尔滨师大附中高三模拟]下列能用勒夏特列原理解释的是( )
A.溴水中存在下列平衡Br2+H2OHBr+HBrO,加入AgNO3溶液后,溶液颜色变浅
B.工业上由氢气和氮气合成氨是在较高温度下进行的
C.SO2催化氧化成SO3的反应,需要使用催化剂
D.H2、I2、HI平衡混合气加压后颜色变深
答案 A
解析 A项,溴水中加入AgNO3溶液后生成溴化银沉淀,促使平衡Br2+H2OHBr+HBrO正向移动,溶液颜色变浅,与平衡移动有关,正确;B项,合成氨反应是放热反应,从平衡角度分析,较高温度不利于提高产率,错误;C项,加入催化剂,平衡2SO2+O22SO3不移动,不能用勒夏特列原理分析,错误;D项,H2与I2生成HI的反应是反应前后气体物质的量不变的反应,改变压强,平衡不发生移动,颜色变深是因为加压后碘蒸气浓度变大,不能用勒夏特列原理解释,错误。
2.在恒温恒压下,向密闭容器中充入4molSO2和2molO2,发生如下反应:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0。
2min后,反应达到平衡,生成SO3为1.4mol,同时放出热量QkJ。
则下列分析正确的是( )
A.在该条件下,反应前后的压强之比为6∶5.3
B.若反应开始时容器体积为2L,则v(SO3)=0.35mol/(L·min)
C.若把“恒温恒压下”改为“恒压绝热条件下”反应,平衡后n(SO3)<1.4mol
D.若把“恒温恒压下”改为“恒温恒容下”反应,达平衡时放出热量大于QkJ
答案 C
解析 由平衡时n(SO3)=1.4mol可知此时n(SO2)=2.6mol,n(O2)=1.3mol。
因是恒温恒压条件,所以反应前后压强不变,A错误;因该反应是气体分子数变小的反应,所以随着反应的进行,体积逐渐变小,小于2L,所以v(SO3)大于0.35mol/(L·min),B错误;该反应为放热反应,在绝热条件下随着反应的进行要放热,达到平衡时与恒温恒压条件下的平衡比较,平衡要逆向移动,所以n(SO3)<1.4mol,C正确;恒温恒容下的平衡与原来恒温恒压下的平衡比较,平衡要逆向移动,所以放出的热量小于QkJ,D错误。
3.[2017·河北高三联考]T℃时,在容积为2L的3个恒容密闭容器中发生反应:
3A(g)+B(g)xC(g),按不同方式投入反应物,测得反应达到平衡时的有关数据如下:
容器
甲
乙
丙
反应物的投入量
3molA、2molB
6molA、4molB
2molC
达到平衡的时间/min
5
8
A的浓度/(mol·L-1)
c1
c2
C的体积分数/%
w1
w3
混合气体的
密度/(g·L-1)
ρ1
ρ2
下列说法正确的是( )
A.若x<4,则2c1 B.若x=4,则w1=w3 C.无论x的值是多少,均有2ρ1=ρ2 D.甲容器达到平衡所需的时间比乙容器达到平衡所需的时间短 答案 C 解析 若x<4,则正反应为气体分子数减小的反应,乙容器对于甲容器而言,相当于加压,平衡正向移动,所以2c1>c2,A项错误;若x=4,则反应前后气体分子数相等,由于起始时甲容器中A、B的投入量之比与化学方程式中对应化学计量数之比不相等,故w3不可能等于w1,B项错误;起始时乙容器中A、B的投入量是甲容器的2倍,两容器的容积相等,故恒有2ρ1=ρ2,C项正确;起始时乙容器中A、B的浓度是甲容器中的2倍,故乙容器达到平衡所需的时间比甲容器达到平衡所需的时间短,D项错误。 4.高考]在恒容密闭容器中通入X并发生反应: 2X(g)Y(g),温度T1、T2下X的物质的量浓度c(X)随时间t变化的曲线如图所示,下列叙述正确的是( ) A.该反应进行到M点放出的热量大于进行到W点放出的热量 B.T2下,在0~t1时间内,v(Y)= mol·L-1·min-1 C.M点的正反应速率v正大于N点的逆反应速率v逆 D.M点时再加入一定量X,平衡后X的转化率减小 答案 C 解析 依据题中图示,可看出T1>T2,由于T1时X的平衡浓度大,可推出该反应为放热反应。 A项,M点与W点比较,X的转化量前者小于后者,故进行到M点放出的热量应小于进行到W点放出的热量,A项错误;B项,2v(Y)=v(X)= mol·L-1·min-1,B项错误;C项,T1>T2,温度越高,反应速率越大,M点的正反应速率v正>W点的正反应速率v正′,而W点的正反应速率v正′=其逆反应速率v逆′>N点的逆反应速率v逆,C项正确;D项,恒容时充入X,压强增大,平衡正向移动,X的转化率增大,D项错误。 5.相同温度下,体积均为0.25L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应: X2(g)+3Y2(g)2XY3
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