第二讲化学反应速率与化学平衡综合应用.docx
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第二讲化学反应速率与化学平衡综合应用
第二讲化学反应速率和化学平衡的综合运用
【知识梳理】
一、化学反应速率及影响因素
1.化学反应速率的计算
(1)公式法:
化学反应速率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,v(B)=
=
①浓度变化只适用于气体和溶液中的溶质,不适用于固体和纯液体。
②化学反应速率是某段时间内的平均反应速率,而不是即时速率,且计算时取正值。
③同一反应用不同的物质表示反应速率时,数值可能不同,但意义相同。
(2)比值法:
同一化学反应,各物质的反应速率之比等于方程式中的化学计量数之比。
对于反应:
mA(g)+nB(g)===pC(g)+qD(g)来说。
则有
=
=
=
。
2.外界条件对化学反应速率的影响
(1)纯液体和固体浓度视为常数,它们的量的改变不会影响化学反应速率。
但固体颗粒的大小导致接触面的大小发生变化,故影响反应速率。
(2)对于固体、液体物质,由于压强改变时对它们的体积影响很小,因而压强对它们浓度的影响可看作不变,压强对无气体参加的化学反应的速率无影响。
(3)升高温度,不论吸热还是放热反应,也不论正反应速率还是逆反应速率都增大。
(4)用催化剂催化的反应,由于催化剂只有在适宜的温度下活性最大,反应速率才能达到最大,故在许多工业生产中温度的选择还需考虑催化剂的活性温度范围。
(5)“惰性气体”(不参加反应的气体)对反应速率的影响。
①恒温恒容:
充入“惰性气体”
总压强增大―→物质浓度不变(活化分子浓度不变),反应速率不变。
②恒温恒压:
充入“惰性气体”
体积增大
物质浓度减小(活化分子浓度减小)
反应速率减小。
二、化学平衡状态
1.化学平衡状态:
化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应里,正反应和逆反应速率相等,反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。
化学平衡的实质是v(正)=v(逆)≠0时,表现为平衡体系中各组分的物质的量或物质的量分数不再变化,因此v(正)=v(逆)>0是化学平衡判断的充要条件,运用v(正)=v(逆)≠0时,注意方向和数量关系。
如果一个量是随反应进行而改变的,当不变时为平衡状态;一个随反应的进行保持不变的量,不能作为是否是平衡状态的判断依据。
2.外界条件对化学平衡移动的影响
(1)温度的影响:
升高温度,化学平衡向吸热反应方向移动;降低温度,化学平衡向放热反应方向移动。
(2)浓度的影响:
增大反应物浓度或减小生成物浓度,化学平衡向正反应方向移动;减小反应物浓度或增大生成物浓度,化学平衡向逆反应方向移动。
(3)压强的影响:
增大压强会使平衡向着气体体积减小的方向移动;减小压强会使平衡向着气体体积增大的方向移动。
3.勒夏特列原理
(1)勒夏特列原理(又称平衡移动原理)的内容是:
改变影响平衡的一个因素,平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。
关键词“减弱”有两层含义,与改变条件相反的方向,但平衡移动程度不能抵消这种改变。
勒夏特列原理定性揭示了化学平衡与外界条件的关系,可用于研究所有的化学动态平衡,如沉淀溶解平衡、电离平衡、盐类水解平衡等,所以它是一个很重要的基本规律。
(2)平衡移动方向的判断:
依据勒夏特列原理判断;根据图像中正、逆反应速率相对大小判断,若v正>v逆,则平衡向正反应方向移动;反之向逆反应方向移动;依据变化过程中速率变化的性质判断,若平衡移动过程中,正反应速率增大的程度小于逆反应速度增大的程度,则平衡向逆反应方向移动;依据浓度商(Qc)规则判断:
若某温度下Qc<K,反应向正反应方向进行;Qc>K,反应向逆反应方向进行。
(3)用勒夏特列原理不能解释的问题:
若外界条件改变后,无论平衡向正反应方向移动或向逆反应方向移动都无法减弱外界条件的变化,则平衡不移动。
如对于H2(g)+Br2(g)
2HBr(g),由于反应前后气体的分子总数不变,外界压强增大或减小时,平衡无论正向或逆向移动都不能减弱压强的改变,所以对于该反应,压强改变,平衡不发生移动;催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率,所以催化剂不会影响化学平衡;当外界条件的改变对平衡移动的影响与生产要求不一致时,不能用勒夏特列原理解释,如工业合成氨条件的选择。
三、化学平衡常数和化学平衡计算
1.化学平衡常数
(1)平衡常数K只受温度影响,既与任何一种反应物或生成物的浓度变化无关,也与压强的改变无关;由于催化剂同等程度地改变正逆反应速率,故平衡常数不受催化剂影响。
(2)任何可逆反应,当温度保持不变,改变影响化学平衡的其他条件时,无论平衡是否发生移动,K值不变。
(3)对于同类型的反应,K值越大,表示反应进行的程度越大;K值越小,表示反应进行的程度越小。
(4)若任意状态下的生成物与反应物的浓度幂之积的比值为Qc,则Qc>K,反应向逆反应方向进行;Qc=K,反应处于平衡状态;Qc (5)若升高温度,K值增大,则正反应为吸热反应;若升高温度,K值减小,则正反应为放热反应。 2.化学平衡计算的模板 (1)解题步骤: 写出涉及到的可逆反应方程式;找出起始量、转化量和平衡量中哪些是已知量,哪些是未知量,按三段式列出;根据问题建立相应的关系式进行计算。 (2)具体方法: 如mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为amol/L、bmol/L,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mxmol/L,可求平衡常数K= 或求转化率= ×100%。 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 起始(mol/L)ab00 变化(mol/L)mxnxpxqx 平衡(mol/L)a-mxb-nxpxqx 四、化学平衡图像 1.常见的平衡图象(以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),m+n>p+q且△H>0为例) (1)v—t图象: (2)c——t图象: (3)c——p(T)图象: 【应用分类】 1.化学平衡的基本概念和影响平衡移动的条件 2.化学反应速率和化学平衡的实验分析和设计 3.速率和平衡计算及读图、析图,获取信息,采集处理数据等,需特别关注平衡常数表达式的简单计算及应用。 【典例剖析】 典例1化学反应速率的有关计算 ★★1.反应A(g)+3B(g)===2C(g)+2D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为①v(A)=0.45mol·L-1·s-1 ②v(B)=0.6mol·L-1·s-1 ③v(C)=0.4mol·L-1·s-1 ④v(D)=0.45mol·L-1·s-1。 下列有关反应速率的比较中正确的是( ) A.④>③=②>① B.①>④>②=③ C.①>②>③>④D.④>③>②>① 解析: 选B 可用比值法进行反应速率大小比较, =0.45mol·L-1·s-1; = =0.2mol·L-1·s-1; = =0.2mol·L-1·s-1; = =0.225mol·L-1·s-1,故①>④>②=③,B项正确。 【方法小结】 在进行化学反应速率的相关计算时,不能用某物质的物质的量代替物质的量浓度计算,速率大小比较时,易忽视各物质的速率的单位是否一致,单位书写是否正确。 另外,在判断外界条件对速率影响时,一定要和平衡移动区分开,速率比较的是快慢,而平衡移动取决于v正、v逆的相对大小,平衡向正反应方向移动,正反应速率可能反而降低,如对于放热反应降低温度。 【典例剖析】 典例2有关化学反应速率的测定 ★★★★2.“碘钟”实验中,3I﹣+S2O82﹣=I3﹣+2SO42﹣的反应速率可以用I3﹣与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量,t越小,反应速率越大.某探究性学习小组在20℃进行实验,得到的数据如表: 实验编号 ① ② ③ ④ ⑤ c(I﹣)mol/L 0.040 0.080 0.080 0.160 0.160 c(S2O82﹣)mol/L 0.040 0.040 0.080 0.020 0.040 t/s 88.0 44.0 22.0 44.0 t2 下列关于该实验的分析正确的是( ) A.该实验的目的是探究反应物的浓度对反应速率的影响 B.显色时间t2=44.0s C.若在40℃下进行编号③对应浓度的实验,显色时间t2的范围为>22.0s D.通过分析比较上表数据得到的结论是升高温度反应速率加快 【解答】解: A、由题目中表格数据可分析出c(I﹣)、c(S2O32﹣)浓度越大,反应速率越快,显蓝色所需时间越少,故实验目的应是研究反应物I﹣与S2O82﹣的浓度对反应速率的影响,故A正确; B、对比数据组①和②,可以看到,c(S2O82﹣)不变,c(I﹣)增大到2倍时,反应时间缩短了一半,即反应速率加快了一倍; 对比数据组②和③,可以看到,c(I﹣)不变,c(S2O82﹣)增大到2倍时,反应时间缩短了一半,即反应速率也加快了一倍; 对比数据组③和④,可以看到,c(S2O82﹣)增大到2倍时,c(I﹣)变为1/4倍时,反应时间增大了一倍,即反应速率减慢了一倍; 对比数据组对比数据组①和③,可以看到,c(I﹣)和c(S2O82﹣)均增大到2倍时,反应时间为原反应时间的1/4,即反应速率加快了4倍. 可见两个反应物的浓度和反应速率之间的数学关系是: 反应物浓度每增加一倍,反应时间就减少一倍,对于两个反应物来说都是如此,可得出结论: 反应速率与反应物起始浓度乘积成正比. 对比实验①和⑤,实验⑤的c(I﹣)为实验①的4倍,而c(S2O82﹣)保持不变,则由此可计算实验⑤的反应时间应为实验①反应时间的1/4,即t1=88s× =22s,故B错误; C、升高温度反应速率加快,所以显蓝色所需时间减少,40℃下进行编号③对应浓度的实验,显色时间t2的范围为<22.0s,故C错误; D、表中数据是温度一定,究反应物I﹣与S2O82﹣的浓度对反应速率的影响,故D错误. 故选A. 【方法小结】 解决该类试题应注意: ①认真审题,明确实验目的,理解直接测量与实验目的间的逻辑和数学关系;②理解控制变量的思想在实验设计和数据分析中的运用. 【典例剖析】 典例3化学平衡状态的判定 ★★★3.恒温恒容条件下,下列叙述中不是可逆反应2A(g)+3B(s)⇌2C(g)达到平衡的标志的是( ) ①C的生成速率与C的分解速率相等; ②单位时间生成amolA,同时消耗1.5amolB; ③各组分的浓度不再变化; ④混合气体的密度不再变化; ⑤混合气体的总压强不再变化; ⑥混合气体的物质的量不再变化; ⑦混合气体的平均摩尔质量不再变化; ⑧A、B、C的分子数目比为2: 3: 2. A.⑤⑥⑧B.②⑤⑧C.①③④D.②④⑦ 【解答】解: ①C的生成速率与C的分解速率相等,正逆反应速率相等,达到了化学平衡,故①不可选; ②单位时间生成amolA,代表逆反应速率,同时消耗1.5amolB,代表正反应速率,且物质的量的变化之比等于化学计量数之比,因此逆反应和正反应速率相等,达到了化学平衡,故②不可选; ③A、B、C的浓度不再变化,达到了平衡状态,故③不可选; ④由于B为固体,因此反应前后气体的质量变化,恒容气体的总体积不变,所以密度变化,因此混合气体的密度不再变化说明达到平衡状态,故④不可选; ⑤应前后气体的化学计量数相等,因此在恒温恒容条件下压强是一定值,混合气体的总压强不再变化不能说明达到平衡状态,故⑤可选; ⑥反应前后气体的化学计量数相等,对于气体物质而言此反应属于等物质的量的反应,因此混合气体的物质的量不再变化不能说明达到平衡状态,故⑥可选; ⑦反应前后气体的化学计量数相等,物质的量不变,由于B为固体,因此反应前后气体的质量变化,因此混合气体的平均摩尔质量为以变化的值,当混合气体的平均摩尔质量不再变化说明达到平衡状态,故⑦不可选; ⑧A、B、C的分子数目比为2: 3: 2,既不能说明各组分的浓度不再变化,又不能逆反应和正反应速率相等,因此不能说明达到化学平衡状态,故⑧可选; 故选: A. 【方法小结】 化学反应达到平衡状态的标志是: 各组分的量(浓度)不再变化,逆反应和正反应速率相等,根据这些找出无法判断达到平衡状态的选项. 【典例剖析】 典例4转化率、物质的量或浓度、物质的百分含量、温度、压强、时间等有关的曲线 ★★★4.T℃时,A气体与B气体反应生成C气体.反应过程中A、B、C浓度变化如图(Ⅰ)所示,若保持其他条件不变,温度分别为T1和T2时,B的体积分数与时间的关系如图(Ⅱ)所示,则下列结论正确的是( ) A.在t1min时,3V正(B)=2V逆(C) B.(t1+10)min时,保持容器总压强不变,通入稀有气体,平衡向正反应方向移动 C.T℃时,在相同容器中,若由0.3mol•L﹣1A、0.1mol•L﹣1B和0.4mol•L﹣1C反应,达到平衡后,C的浓度仍为0.4mol•L﹣1 D.其他条件不变,升高温度,正、逆反应速率均增大,且A的转化率增大 【解答】解: A.在t1min时,反应达到平衡状态,正逆反应速率相等,各组分反应速率之比等于计量数之比,根据A(g)+3B(g)⇌2C(g),2V正(B)=3V逆(C),故A错误; B.(t1+10)min时,保持压强不变,通入稀有气体,容器体积变大,反应物所占分压减小,平衡向体积增大的方向移动,故B错误; C.根据图Ⅰ知,化学平衡常数K= = , 假设C的平衡浓度是0.4mol/L, A(g)+3B(g)⇌2C(g) 开始(mol/L)0.30.10.4 变化(mol/L)000 平衡(mol/L)0.30.10.4 化学平衡常数K′= = ,所以符合平衡常数K,故C正确; D.其它条件不变,升高温度,正逆反应速率都增大,平衡向吸热反应方向移动,根据图Ⅱ知,正反应是放热反应,所以平衡向逆反应方向移动,A的转化率降低,故D错误. 故选: C. 【方法小结】 化学平衡图像题解题思路: 看懂图,明白横纵坐标的物理意义,图像的变化趋势,曲线的特殊点,如起点、交点、折点、终点;想规律,掌握外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响规律;作出正确的判断,注意“先拐先平”和“定一议二”方法的运用。 【典例剖析】 典例5与化学平衡常数、转化率、物质的百分含量有关的计算 ★★★★5.亚硝酰氯(NOCl)是有机合成中的重要试剂,可由NO和Cl2反应得到,化学方程式为2NO(g)+Cl2(g) 2NOCl(g)。 (1)氮氧化物与悬浮在大气中的海盐粒子相互作用时会生成亚硝酰氯,涉及如下反应: ①2NO2(g)+NaCl(s) NaNO3(s)+NOCl(g) ②4NO2(g)+2NaCl(s) 2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g) ③2NO(g)+Cl2(g) 2NOCl(g) 设反应①②③对应的平衡常数依次为K1、K2、K3,则K1、K2、K3之间的关系为____________。 (2)300℃时,2NOCl(g) 2NO(g)+Cl2(g)。 正反应速率的表达式为v正=k·cn(NOCl)(k为速率常数,只与温度有关),测得速率与浓度的关系如表所示: 序号 c(NOCl)/mol·L-1 v/mol·L-1·s-1 ① 0.30 3.60×10-9 ② 0.60 1.44×10-8 ③ 0.90 3.24×10-8 n=________,k=________。 (3)在1L恒容密闭容器中充入2molNO(g)和1molCl2(g),在不同温度下测得c(NOCl)与时间t的关系如图A所示: ①反应开始到10min时NO的平均反应速率v(NO)=________mol·L-1·min-1。 ②T2时该反应的平衡常数K为________。 ③Cl2的平衡转化率为________________。 (4)在密闭容器中充入NO(g)和Cl2(g),改变外界条件【温度、压强、 、与催化剂的接触面积】,NO的转化率变化关系如图B所示。 X代表________。 = =2。 ③Cl2的平衡转化率为 ×100%=50%。 (4)根据图A,T2下反应速率较大,说明T2大于T1,而T2下达到平衡状态时,c(NOCl)较小,说明升高温度,平衡向逆反应方向移动,故正反应是放热反应。 观察图B,随着X的增大,NO的转化率增大,说明平衡向正反应方向移动,该可逆反应的正反应是气体分子数减小的反应,且正反应是放热反应,X代表压强或 。 与催化剂的接触面积大小只影响化学反应速率,不会使平衡移动,即不改变转化率。 【答案】 (1)K2·K3=K (2)2 4.0×10-8L·mol-1·s-1(3)①0.1 ②2 ③50%(4)压强或 【方法小结】 对于同类型的反应,K值越大,反应物转化率越大,表示反应进行的程度越大;K值越小,反应物转化率越小,表示反应进行的程度越小。 化学平衡常数只与温度有关,与反应物或生成物的浓度无关。 化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。 若化学方程式中的化学计量数变化,相应地化学平衡常数也要发生变化。 对于化学平衡常数的求算,应力求列式条理,计算准确,常用“三段式”求解。 【拓展提升】 ★★★★1.在一个固定体积的密闭容器中,向容器中充入2molA和1molB,发生如下反应: 2A(g)+B(g)⇌3C(g)+D(s),达到平衡时C的浓度为1.2mol/L. (1)若使容器温度升高,平衡时混合气体的平均相对摩尔质量减小,则正反应为 (填“吸热”或“放热”)反应. (2)若维持容器体积和温度不变,按下列方法加入起始物质,达到平衡时C的浓度为1.2mol/L的是 (用序号填空). A.4molA+2molBC.3molC+1molD+1molB B.3molC+2molDD.1.6molA+0.8molB+0.6molC. 【解答】解: (1)根据质量守恒定律及反应方程式知,该反应反应前后气体的物质的量不变,气体的质量变小,所以平均摩尔质量减小,温度升高,平衡时混合气体的平均相对摩尔质量减小,说明平衡向正反应方向移动,所以正反应是吸热反应, 故答案为: 吸热. (2)根据等效平衡,把各物质都换算成方程式左边的物质,与初始加入的2molA和1molB相等即可, A.4molA+2molB与初始2molA和1molB不同,不属于等效平衡,故A错误; B.3molC+lmolD+1molB换算成A、B,A、B浓度分别为2mol、2mol,与初始浓度不同,故B错误; C.3molC+2molD换算成A、B,A、B浓度分别为2mol、1mol,D是固定,对气体无影响,故C正确. D.1.6molA+0.8molB+0.6molC换算成A、B,没有D,C不能反应,与初始A、B的物质的量不相同,故D错误; 故答案为: C. 【课堂练习】 ★★★1.对于合成氨反应,达到平衡后,以下分析正确的是( ) 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 解析: 选B A.合成氨反应的正反应是放热反应,升高温度,正反应、逆反应的反应速率都增大,但是温度对吸热反应的速率影响更大,所以对该反应来说,对逆反应速率影响更大,错误。 B.合成氨的正反应是气体体积减小的反应。 增大压强,平衡正向移动,正反应速率大于逆反应速率,所以对正反应的反应速率影响更大,正确。 C.减小反应物浓度,使正反应的速率减小,由于生成物的浓度没有变化,所以逆反应速率不变,错误。 D.加入催化剂,使正反应、逆反应速率改变的倍数相同,正反应、逆反应速率相同,错误。 ★★★★2.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 解析: 选C 根据图示可知,T1>T2,温度越高平衡时c(X)越高,则逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,M点X的转化量小于W点X的转化量,M点放出的热量小于W点放出的热量,A项错误;T2下,Δt=t1,Δc(Y)= mol·L-1,v(Y)= mol·L-1·min-1,B项错误;M点温度比W点温度高,反应物浓度比W点大,所以M点的正反应速率大于W点的正反应速率,即大于W点的逆反应速率,而W点的逆反应速率大于N点的逆反应速率,则M点的正反应速率大于N点的逆反应速率,C项正确;由于是恒容下反应,再加入一定量X,相当于增加压强,平衡向正反应方向移动,再次平衡时X的转化率增大,D项错误。 ★★★3.反应aA+bB cC在体积为2L的容器中进行反应。 在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段体系中各物质的量随时间变化的曲线如图所示: 请回答下列各题: (1)反应的化学方程式为___________________________________________________。 (2)A的平均反应速率vⅠ(A)、vⅡ(A)、vⅢ(A)从大到小排列次序为________________。 (3)由计算可知,第Ⅰ阶段20min时,C的平均速率vⅠ(C)=____________。 解析: (1)反应达到平衡时,Δn(A)=2.0mol-1.0mol=1.0mol,Δn(B)=6.0mol-3.0mol=3.0mol,Δn(C)=2.0mol-0mol=2.0mol,则Δn(A)∶Δn(B)∶Δn(C)=1.0mol∶3.0mol∶2.0mol=1∶3∶2,即该反应的化学方程式为A+3B2C。 (2)vⅠ(A)= =0.025mol·L-1·min-1,vⅡ(A)= =0.0127mol·L-1·min-1,vⅢ(A)= =0.006mol·L-1·min-1,故vⅠ(A)>vⅡ(A)>vⅢ(A)。 (3)vⅠ(C)=2vⅠ(A)=0.05mol·L-1·min-1。 答案: (1)A+3B 2C (2)vⅠ(A)>vⅡ(A)>vⅢ(A) (3)0.05mol·L-1·min-1 【课后作业】 ★★1.对于反应: 4NH3(g)+5O2(g)⇌4NO(g)+6H2O(g),下列为四种不同情况下测得的反应速率,其中能表明该反应进行最快的是( ) A.v(NH3)=0.2mol•L﹣1•s﹣1B.v(O2)=0.24mol•L﹣1•s﹣1 C.v(H2O)=0.25mol•L﹣1•s﹣1D.v(NO)=0.15mol•L﹣1•s﹣1 【解答】解: 都表示为H2O的反应速率进行比较, A、v(NH3)=0.2mol•L﹣1•s﹣1,速率之比等于化学计量数之比,故v(H2O)= v(NH3)= ×0.2mol•L﹣1•s﹣1=0.3mol•L﹣1•s﹣1, B、v(O2)=0.24mol•L﹣1•s﹣1,速率之比等于化学计量数之比,故v(H2O)= v(O2)= ×0.24mol•L﹣1•s﹣1=0.288mol•L﹣1•s﹣1, C、v(H2O)=0.25mol•L﹣1•s﹣1; D、v(NO)=0.15mol•L﹣1•s﹣1,速率之比等于化学计量数之比,故v(H2O
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