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化学反应速率与化学平衡 章末复习
教学目标
1.学会简单的化学反应速率的计算,掌握影响化学反应速率的因素,进一步提高根据化学方程式判断、比较和计算化学反应速率的能力,掌握比较化学反应快慢的方法及利用条件控制解决实际问题的能力。
2.理解影响化学平衡移动的因素,会看化学平衡图像;学会化学平衡的计算,特别是以平衡常数为核心的运算。进一步理解及判断可逆反应是否达到化学平衡状态,掌握根据平衡移动原理解决生产、生活中的实际问题的方法及应用。
3.会运用复合判据判断一个反应能否自发进行,运用学过的知识对化学反应进行调控。
4.对学习的知识进行整合,形成自己的知识网络。
5.通过典例分析、问题探究等,提高学生的归纳和总结能力,渗透对立统一的辩证唯物主义思想。
评价目标
1.通过归纳总结、小组交流,进一步熟知外界条件对化学反应速率影响的规律,会用“控制变量法”分析多种因素对化学反应速率的影响。
2.通过问题探究、典例分析,进一步理解化学平衡是一种动态平衡,能多角度灵活运用平衡及其移动的思想分析解决实际问题,会用“三段式法”进行相关计算,会分析识别相关图像,分别建立应用的思维模型。
教学重难点
重点:外界条件对化学反应速率的影响、化学平衡的移动及判断与计算。
难点:化学平衡常数相关计算、平衡图像解题思维模型的建立。
教学方法
提出问题、先思后教、及时跟踪训练、练后反思。
课时安排
1课时。
教学准备
学案、多媒体课件。
教学设计主题 教师活动 学生活动 设计意图 评价维度
情境引入 　　通过学习我们知道影响化学反应速率的因素包括内因和外因。内因是指反应物本身的性质;外因包括浓度、温度、压强、催化剂、反应物颗粒大小等。同时,可逆反应在一定条件下反应达到平衡状态时,若改变这些外界条件,平衡会发生移动,直至建立新的平衡状态。本节课我们将进一步探究这些外界条件对化学反应速率及平衡移动影响的规律和原理。 倾听、思考。 引导学生对反应速率和化学平衡建立联系。明确本节教学内容在本章教学内容中的地位和作用。 　　积极思考。
一、化学反应速率及其影响因素　　　一、化学反应速率及其影响因素　　　　 　　【思考】化学反应速率的表示方法、表达式和单位。　　【讨论】根据有效碰撞理论描述浓度、压强、温度、催化剂等外界条件对化学反应速率的影响规律。固体或纯液体的浓度可视为常数,它们的物质的量的变化不会引起反应速率的变化,但固体颗粒的大小会导致接触面积的变化,故影响化学反应速率。【投影1】(1)恒温时:增大压强体积缩小浓度增大反应速率增大。【投影2】(2)恒容时:a.充入气体反应物反应物浓度增大总压强增大反应速率增大。b.充入“稀有气体”总压强增大,但各物质的浓度不变,反应速率不变。【投影3】(3)恒压时:充入“稀有气体”体积增大各物质浓度减小反应速率减小。【展示】 　　【学生交流】(1)表示方法:用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增大来表示。(2)数学表达式:v=。(3)单位:mol·L-1·s-1或 mol·L-1·min-1。　　【交流1】(1)浓度:①浓度增大,单位体积内活化分子数增多(活化分子百分数不变),有效碰撞的次数增加,化学反应速率增大。②浓度改变,可使气体间或溶液中的化学反应速率发生改变。【交流2】(2)压强:改变压强,对化学反应速率产生影响的根本原因是引起浓度的改变。对于有气体参加的反应体系,有以下几种情况,见投影1、2、3。【交流3】(3)温度:①温度升高,活化分子百分数提高,分子间的碰撞次数增加,化学反应速率增大。②温度升高,吸热反应和放热反应的速率都增大。实验测得,温度每升高10 ℃,化学反应速率通常增大为原来的2~4倍。【交流4】(4)催化剂:①催化剂对反应过程的影响通常可用左图表示(加入催化剂,B点降低)。催化剂能改变反应路径、降低活化能、增大活化分子百分数、增大反应速率,但不影响反应的ΔH。②催化剂只有在适宜的温度下活性最大,反应速率才达到最大。③对于可逆反应,催化剂能够同等程度地改变正、逆反应速率,对化学平衡状态无影响,生产过程中使用催化剂主要是为了提高生产效率。 　　复习基本概念。引导学生注意表达的严谨性。　　复习有效碰撞理论,从实质上理解化学反应速率的影响因素。压强的情况复杂,重点复习,引导学生理解。让学生对比温度和催化剂的影响,体会两种不同方式改变活化分子百分数的方法,原理不同,体会催化剂的优点。 　　观察能力。　　理解概念。
　　【典例1】某探究小组用HNO3溶液与大理石反应过程中质量减小的方法,研究影响反应速率的因素,所用HNO3的物质的量浓度为1.00 mol·L-1、2.00 mol·L-1,大理石有细颗粒与粗颗粒两种规格,实验温度为298 K、308 K。请完成以下实验设计表,并在实验目的一栏中填出对应的实验编号:实验编号T/K大理石规格实验目的①298粗颗粒2.00Ⅰ.实验①和②探究HNO3溶液的浓度对该反应速率的影响Ⅱ.实验①和　　　　探究温度对该反应速率的影响 Ⅲ.实验①和　　　　探究大理石规格(粗、细)对该反应速率的影响 ②③粗颗粒④答案②298　粗颗粒　1.00　③308　2.00　④298　细颗粒　2.00　Ⅱ.③　Ⅲ.④解析 考查影响反应速率的因素的实验设计。实验①和②探究HNO3溶液的浓度对反应速率的影响,故大理石规格和反应温度应相同,而HNO3溶液的浓度不同;同理,①和③应选择不同的温度、①和④应选择不同的规格,而另外2个条件相同。【典例2】对于可逆反应A(g)+3B(s)2C(g)+2D(g),在不同条件下的化学反应速率如下,其中表示的反应速率最大的是(　　)A.v(A)=0.5 mol·L-1·min-1　　B.v(B)=1.2 mol·L-1·s-1C.v(D)=0.4 mol·L-1·min-1 D.v(C)=0.1 mol·L-1·s-1答案D解析 本题可以采用归一法进行求解,可以通过方程式的计量数将不同物质表示的反应速率折算成同一物质表示的反应速率进行比较;B项中的B物质是固体,不能表示反应速率;C项中对应的v(A)=0.2 mol·L-1·min-1;D项中对应的v(A)=3 mol·L-1·min -1。【练后反思】化学反应速率大小的比较方法:由于同一化学反应的反应速率用不同物质表示时数值可能不同,所以比较反应的快慢不能只看数值的大小,而要进行一定的转化。(1)看单位是否统一,若不统一,换算成相同的单位。(2)换算成同一物质表示的速率,再比较数值的大小。(3)比较化学反应速率与化学计量数的比值,即对于一般反应aA+bBcC+dD,比较,若,则A表示的反应速率比B的大。 　　让学生理解在分析多个因素(如浓度、温度、反应物颗粒大小、催化剂、压强等)对反应速率的影响规律时,逐一改变一个因素而保证其他因素相同,通过实验分析得出该因素影响反应速率的结论,这种方法叫控制变量法。　　 　　
二、化学平衡状态的判断　　 　　【思考1】化学平衡状态的概念。【思考2】平衡移动方向的判断依据是什么 　　　　　　　【思考3】可逆反应进行程度的描述方法有哪些 【学生交流】在一定条件下的可逆反应里,正反应速率和逆反应速率相等,反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。【学生交流】平衡状态下的可逆反应,改变条件时平衡移动方向的判断:(1)平衡移动的根本原因是v正≠v逆,通过比较速率,可判断平衡移动方向:当v正>v逆时,平衡向正反应方向移动;当v正二、化学平衡状态的判断　　 　　【典例1】一定温度下,反应N2(g)+O2(g)2NO(g)在密闭容器中进行,回答下列措施对化学反应速率的影响(填“增大”“减小”或“不变”)。(1)缩小体积使压强增大:　　　　　　　　　　。 (2)恒容充入N2:　　　　　　　　　　。 (3)恒容充入He:　　　　　　　　　　。 (4)恒压充入He:　　　　　　　　　　。 【答案】(1)增大　(2)增大　(3)不变　(4)减小【典例2】在两个恒容的密闭容器中分别进行可逆反应:(甲)2NO2(g)2NO(g)+O2(g),(乙)H2(g)+I2(g)2HI(g)。现有下列状态:①反应物的消耗速率与生成物的生成速率之比等于化学计量数之比的状态②反应物的消耗速率与生成物的消耗速率之比等于化学计量数之比的状态③速率之比等于化学计量数之比的状态④浓度之比等于化学计量数之比的状态⑤百分含量之比等于化学计量数之比的状态⑥混合气体的颜色不再改变的状态⑦混合气体的密度不再改变的状态⑧混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态⑨体系温度不再改变的状态⑩压强不再改变的状态反应物的浓度不再改变的状态反应物或生成物的百分含量不再改变的状态其中能表明(甲)达到化学平衡状态的是　　　　　　　　　　　　; 能表明(乙)达到化学平衡状态的是　　　　　　　　　　　　　　。 答案 ②⑥⑧⑨⑩　②⑥⑨【练后反思】解化学平衡移动题目的一般思路:改变条件:(1)速率不变:如容积不变,充入惰性气体,平衡不移动(2)速率改变:①若程度相同:例如加入催化剂,平衡不移动②若程度不同:再比如气体无变化改变压强,平衡不移动
→勒夏特列原理 　　理解压强影响化学反应速率的内涵。熟练掌握化学平衡状态的判断,让学生理解化学平衡状态是一种特殊状态,变量不变的时候也就是平衡的时候。明确该类题目解题思路。
三、化学平衡常数及其计算和有关图像 　　【思考】化学平衡常数的概念、表达式、意义。 　　【学生交流】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.表达式略3.意义:(1)K值越大,反应物的转化率越大,正反应进行的程度越大。(2)K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度变化无关。(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。 　　明确平衡常数只是温度的函数,改变用量浓度,平衡移动,但是平衡常数不改变。 　　
三、化学平衡常数及其计算和有关图像 【典例1】(1)某同学探究影响硫代硫酸钠与稀硫酸反应速率的因素时,设计如下实验:实验序号温度/℃Na2S2O3溶液稀硫酸H2OV/mLV/mLV/mL①2010.00.1010.00.500②40V10.10V20.50V3③20V40.104.00.50V5①写出硫代硫酸钠与稀硫酸反应的化学方程式:　　　 　。 ②该实验①、②可探究　　　对反应速率的影响,因此V3是　　　;实验①、③可探究　　　对反应速率的影响,因此V5是　　　。 (2)在一定体积的密闭容器中,进行如下化学反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数K和温度t的关系如表所示:t/℃7008008301 0001 200K0.60.91.01.72.6①该反应的化学平衡常数表达式为K=　　　　　　　　　　　　。 ②该反应为　　(填“吸热”或“放热”)反应。 ③某温度下,平衡浓度符合下式:c(CO2) c(H2)=c(CO) c(H2O),试判断此时的温度为　　 ℃。 ④在800 ℃时,发生上述反应,某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)=2 mol·L-1,c(H2)=1.5 mol·L-1,c(CO)=1 mol·L-1,c(H2O)=3 mol·L-1,则下一时刻,反应　　　(填“正向”或“逆向”)进行。 (3)已知常温时红磷比白磷稳定,比较下列反应中ΔH的大小:ΔH1　　　(填“>”或“<”)ΔH2。 ①P4(白磷,s)+5O2(g)2P2O5(s)　ΔH1②4P(红磷,s)+5O2(g)2P2O5(s)　ΔH2(4)氨气是一种重要的物质,可用于制取化肥和硝酸等。已知H—H键、N—H键、N≡N键的键能分别是436 kJ mol-1、391 kJ mol-1、946 kJ mol-1。写出合成氨的热化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 答案 (1)①Na2S2O3+H2SO4Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O　②温度　0　浓度　6.0(2)①　②吸热　③830　④逆向(3)<(4)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92 kJ mol-1解析 (1)硫代硫酸钠与稀硫酸反应生成硫酸钠、二氧化硫、硫和水,化学方程式:Na2S2O3+H2SO4Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O;实验①、②的温度不同,故可探究温度对反应速率的影响,要探究温度对反应速率的影响,则必须保持其他影响因素一致:即加入的Na2S2O3溶液的量相同,故V1=10.0 mL,加入的稀硫酸的量相同,故V2=10.0 mL,加入水的体积相同,故V3=0 mL;②实验①、③的温度相同,加入硫酸的量不同,即硫酸的浓度不同,故可探究浓度对反应速率的影响,加入Na2S2O3溶液的量要相同,则V4=10.0 mL,实验①、③的溶液总体积相同,都是20 mL,只有加入硫酸的量不同,所以V5=6.0 mL;(2)①平衡常数为生 　通过典例的练习,掌握反应速率的影响因素及平衡常数的应用,化学反应方向的判断。 　　巩固应用。融会贯通。
三、化学平衡常数及其计算和有关图像 成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比,则CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)的平衡常数K=;②由温度升高,平衡常数变大可知,升高温度,平衡向正反应方向移动,则正反应为吸热反应;③c(CO2) c(H2)=c(CO) c(H2O)时,平衡常数K=1,则该温度为830 ℃;④800 ℃时,K=0.9,Q==1>K,所以化学平衡向逆反应方向移动;(3)①P4(白磷,s)+5O2(g)2P2O5(s)　ΔH1;②4P(红磷,s)+5O2(g)2P2O5(s)　ΔH2;②-①得到反应:4P(红磷,s)P4(白磷,s),ΔH=ΔH2-ΔH1,红磷比白磷稳定,说明红磷的能量低于白磷,所以反应4P(红磷,s)P4(白磷,s)是吸热反应,即ΔH=ΔH2-ΔH1>0,则ΔH1<ΔH2;(4)合成氨的反应方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g),H—H键、N—H键、N≡N键的键能分别是436 kJ mol-1、391 kJ mol-1、946 kJ mol-1,焓变等于反应物的总键能-生成物的总键能,合成氨的焓变为946 kJ mol-1+436 kJ mol-1×3-391 kJ mol-1×6=-92 kJ mol-1,合成氨的热化学方程式:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92 kJ mol-1。【典例2】25 ℃时,在含有Pb2+、Sn2+的某溶液中,加入过量金属锡(Sn),发生反应:Sn(s)+Pb2+(aq)Sn2+(aq)+Pb(s),体系中c(Pb2+)和c(Sn2+)变化关系如图所示。下列判断正确的是(　　)A.往平衡体系中加入金属铅后,c(Pb2+)增大B.往平衡体系中加入少量Sn(NO3)2固体后,c(Pb2+)变小C.升高温度,平衡体系中c(Pb2+)增大,说明该反应ΔH>0D.25 ℃时,该反应的平衡常数K=2.2答案D解析 体系中有过量的锡且金属活泼性Sn>Pb,向平衡体系中加入铅后,c(Pb2+)不变,A错误;加入少量Sn(NO3)2固体,c(Sn2+)增大,平衡逆向移动,c(Pb2+)增大,B错误;升温使c(Pb2+)增大,说明平衡逆向移动,ΔH<0,正反应为放热反应,C错误;由化学方程式和图中数据得平衡常数K==2.2,D正确。
四、化学反应的方向及调控　 【思考】1.如何判断化学反应进行的方向 2.对化学反应进行调控,需要考虑哪些因素 【学生交流】判断化学反应进行的方向:(1)ΔG=ΔH-TΔS<0,反应能自发进行。(2)ΔG=ΔH-TΔS=0,反应达到平衡状态。(3)ΔG=ΔH-TΔS>0,反应不能自发进行。从化学反应速率分析既不能过快,又不能太慢。从化学反应限度分析,既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性。从原料的利用率分析,增加易得廉价原料,提高难得高价原料的利用率,从而降低生产成本。从实际生产能力分析,如设备承受高温、高压能力等。从催化剂的使用活性分析,注意温度对催化剂的活性的限制。 知识层层递进,由简单到复杂,由单一到全面,更加准确透彻地分析解决问题。 知识运用。概括归纳。
　　【典例1】下列说法不正确的是(　　)A.ΔH<0、ΔS>0的反应在任何温度下都能自发进行B.NH4HCO3(s)NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)　ΔH=+185.57 kJ·mol-1能自发进行,原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向C.因为焓变和熵变都与反应的自发性有关,因此焓变或熵变均可以单独作为反应自发性的判据D.在其他外界条件不变的情况下,使用催化剂可以改变化学反应进行的速率答案C解析 反应的ΔH<0、ΔS>0,则始终存在ΔG=ΔH-TΔS<0,在任何温度下该反应都能自发进行,A正确。反应NH4HCO3(s)NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)的ΔH>0、ΔS>0,则高温下存在ΔH-TΔS<0,若该反应能自发进行,说明体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向,B正确。ΔH、ΔS都与反应的自发性有关,但要根据ΔG=ΔH-TΔS判断反应的自发性,不能将ΔH或ΔS单独作为反应自发性的判据,C错误。在其他外界条件不变的情况下,使用催化剂可以改变反应的活化能,从而改变反应速率,D正确。【典例2】接触法制硫酸工艺中,其主反应如下:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-197 kJ·mol-1下列说法正确的是(　　)A.因为反应放热,所以该反应不需要加热即能快速反应B.增大O2的浓度可以提高反应速率和SO2的转化率C.反应450 ℃时的平衡常数小于500 ℃时的平衡常数D.恒温下缩小容器容积,使Q>K答案B解析 反应是吸热还是放热与是否加热无关,该反应不加热不能快速反应,A项错误;增大O2的浓度可以提高反应速率,且平衡正向移动,则SO2的转化率增大,B项正确;该反应为放热反应,升温平衡逆向移动,则反应450 ℃时的平衡常数大于500 ℃时的平衡常数,C项错误;恒温下缩小容器容积,相当于增大压强,平衡正向移动,使Q小结 一、化学反应速率及影响因素二、化学平衡、平衡移动及影响因素三、平衡常数及其计算和有关图像四、反应方向及反应调控 　　帮助学生理清本节课所学重、难点。 　　反思总结。
1.环戊二烯容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应(假设用2AA2表示该反应)。不同温度下,溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.T1>T2
B.a点的反应速率小于c点的反应速率
C.a点的正反应速率大于b点的逆反应速率
D.b点时环戊二烯的浓度为0.45 mol·L-1
答案 C
解析 在相同时间内,环戊二烯浓度减小量越大,反应速率越快。根据图像可知反应温度:T2>T1,A项错误;a、c两点的温度和浓度都不相同,因此无法比较a点和c点的反应速率大小,B项错误;a点和b点温度相同,a点时环戊二烯的浓度大于b点时环戊二烯的浓度,即a点的正反应速率大于b点的正反应速率,因为b点时反应未达到平衡,b点的正反应速率大于逆反应速率,a点的正反应速率大于b点的逆反应速率,C项正确;由图像可知,b点时环戊二烯的浓度为0.6 mol·L-1,D项错误。答案选C。
2.CO2是导致温室效应的气体之一,CH4-CO2催化重整技术对温室气体的减排具有重要意义,其反应原理为CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH=a kJ·mol-1。某实验小组在密闭容器中充入1 mol CH4(g)和1 mol CO2(g),在不同条件下发生该反应,测得平衡时CH4的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列有关说法错误的是(　　)
A.p1>p2
B.a>0
C.正反应速率:m点D.q点CH4的转化率为50%
答案D
解析 该反应为气体分子数增大的反应,随压强增大,平衡逆向移动,故压强越大,平衡时甲烷的体积分数越大,则p1>p2,A项正确;升高温度,甲烷的体积分数减小,说明平衡正向移动,故正反应是吸热反应,ΔH>0,B项正确;温度越高,速率越快,正反应速率:m点　CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)
初始量 1 1 0 0
变化量 x x 2x 2 x
平衡量 1-x 1-x 2x 2x
甲烷的体积分数为×100%=30%,解得x=25%,即q点时,CH4的转化率为25%,D项错误。答案选D。
1.完成学案中的“核心素养专练”。
2.会用本节课分析问题的方式处理生活中常见问题。
化学反应速率是化学平衡移动的基础变量,本章在高考中呈现形式多样化,可以是选择题、填空题单独考查,也可以是综合题全面考查,难度中等偏上。考查方式包括定性和定量两个方面,定性考查包括化学反应速率和化学平衡的概念分析、化学平衡状态的判断、化学平衡的移动、化学平衡常数的含义及表达式等。定量考查包括结合化学平衡的应用考查化学反应速率的计算及大小比较、平衡常数及转化率的计算等。高考对化学平衡的考查,往往围绕勒夏特列原理的理解,通过化学平衡的特征及化学平衡常数的计算和理解进行,应重点关注化学平衡的现象和实质,注意理论联系实际,灵活分析。化学平衡常数是新出现的高考热点,必须理解透彻。试题分三种类型:一是定量计算与定性推断的文字叙述型;二是表格数据型;三是化学反应速率和化学平衡图像型。预计今后高考试题命题会进一步提升创新性、探究性、应用性。如:结合特定的工业生产过程中的化学反应速率和化学平衡的实验分析和设计、问题多样化的平衡图像问题、设计新颖的速率、平衡计算等进行考查。
第二章　化学反应速率与化学平衡
一、外界条件对化学反应速率的影响规律
1.浓度:增大反应物浓度→反应速率增大
2.压强:压强变→浓度变→反应速率变
3.温度:温度每升高10 ℃,化学反应速率通常增大为原来的2~4倍
4.催化剂:正、逆反应速率同倍数增加
二、化学平衡
1.化学平衡状态的特征及其判断方法:(1)逆　(2)等　(3)定　(4)动　(5)变
2.化学平衡移动及其移动方向的判断
勒夏特列原理:如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等),平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。
三、化学平衡常数、计算模式及图像
1.分析方法:看图像(面、线、点),想规律(联想外界条件的改变对化学反应速率和化学平衡的影响规律),作判断(依题意仔细分析,作出正确判断);
2.技巧:定一议二,先拐先平。
四、化学反应方向及化学反应的调控
1.探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素,有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH1=-49.5 kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
ΔH2=-90.4 kJ·mol-1
Ⅲ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH3
回答下列问题:
(1)ΔH3=　　　　　 kJ·mol-1。
(2)一定条件下,向体积为V L的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a mol,CO为b mol,此时H2O(g)的浓度为　　　　　 mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为　　　　　　　　　　　　　　。
(3)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
甲 乙
已知:CO2的平衡转化率=×100%
CH3OH的平衡产率=×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图　　　　(填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为　　　　;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为
　　　　(填字母)。 　　　　　　　　　　　
A.低温、高压 B.高温、低压 C.低温、低压 D.高温、高压
答案 (1)+40.9
(2)
(3)乙　p1、p2、p3　T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响
(4)A
解析 (1)根据盖斯定律可得Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,则ΔH3=+40.9 kJ·mol-1。
(2)反应Ⅰ:　CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
转化/mol x 3x x x
反应Ⅱ:　　CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
转化/mol a-x 2a-2x 　 a-x
反应Ⅲ:　　CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
转化/mol y y y y
n(CO)=y mol-a mol+x mol=b mol,则x+y=a+b。
则c(H2O)= mol·L-1= mol·L-1
KⅢ=。
(3)从图乙中看到,在T1时,p不同时三条曲线交于一点,说明压强的改变对平衡无影响。而反应Ⅲ前后分子数不变,反应以Ⅲ为主,所以升高温度平衡向正反应方向移动,CO2的转化率升高。图乙纵坐标表示CO2的平衡转化率,图甲纵坐标表示CH3OH的平衡产率,反应Ⅰ、Ⅱ都是体积减小的反应,增大压强平衡向正反应方向移动,故p1>p2>p3。
(4)由反应的方程式可知,低温、高压可提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率。
2.二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:
(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)=　　　　。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4)　　　　(填 “变大”“变小”或“不变”)。
(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。
图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是　　　　、　　　　。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH　　　　(填“大于”或“小于”)0。
(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp=　　　　　　　　　　　　　　　　　　(MPa)-3(列出计算式。 以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当　　　　　　　　　　　　。
答案 (1)1∶4　变大
(2)d　c　小于
(3)等
(4)选择合适催化剂等
解析 本题考查了压强、温度对平衡的影响,压强平衡常数的计算,催化剂的使用及平衡图像的分析。(1)根据题给信息可知,反应原理为2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g),则乙烯和水的物质的量之比为1∶4。当反应达平衡时增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动,即平衡向正反应方向移动,则乙烯的物质的量增大。(2)由于原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,而反应2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)中二氧化碳和氢气的化学计量数之比也为1∶3,则无论反应进行到什么程度,混合气体中n(CO2)∶n(H2)始终为1∶3,由此可判断曲线a、b、c、d分别代表H2、H2O、CO2、C2H4。由于升高温度,CO2或H2的量增大,说明正反应为放热反应。(3)根据(2)中的分析可知,任意时刻CO2和H2的物质的量分数之比始终为1∶3,根据点A坐标(440 K,0.39)可知,氢气和水蒸气的物质的量分数都为0.39,则CO2的体积分数为,C2H4的体积分数为(注意:C2H4和H2O的物质的量分数之比始终为化学计量数之比),则CO2(g)、H2(g)、C2H4(g)、H2O(g)的分压分别为0.1 MPa×、0.1 MPa×0.39、0.1 MPa×、0.1 MPa×0.39,从而可求得Kp=(MPa)-3=(MPa)-3。(4)根据外界条件对速率的影响,可知在一定温度和压强下,选择合适的催化剂可提高反应速率,同时使合成乙烯的主反应较多地发生,而副反应被抑制(即反应的选择性)。
3.硫酸是一种重要的基本化工产品。接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化:SO2(g)+O2(g)SO3(g)　ΔH=-98 kJ·mol-1。回答下列问题:
(1)钒催化剂参与反应的能量变化如图(a)所示,V2O5(s)与SO2(g)反应生成VOSO4(s)和V2O4(s)的热化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
图(a)
(2)当SO2(g)、O2(g)和N2(g)起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时,在0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa压强下,SO2平衡转化率α随温度的变化如图(b)所示。反应在5.0 MPa、550 ℃时的α=　　　　,判断的依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。影响α的因素有　　　　　　　　　　　　　　。
图(b)
(3)将组成(物质的量分数)为2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的气体通入反应器,在温度t、压强p条件下进行反应。平衡时,若SO2转化率为α,则SO3压强为　　　　, 平衡常数Kp=　　　　　　　　　(以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(4)研究表明,SO2催化氧化的反应速率方程为
v=k(1-nα')
式中:k为反应速率常数,随温度t升高而增大;α为SO2平衡转化率,α'为某时刻SO2转化率,n为常数。在α'=0.90时,将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程,得到v~t曲线,如图(c)所示。
图(c)
曲线上v最大值所对应温度称为该α'下反应的最适宜温度tm。ttm后,v逐渐下降。原因是
　。
答案 (1)2V2O5(s)+2SO2(g)2VOSO4(s)+V2O4(s)
ΔH=-351 kJ·mol-1
(2)0.975　该反应气体分子数减少,增大压强,α提高。5.0 MPa>2.5 MPa=p2,所以p1=5.0 MPa　温度、压强和反应物的起始浓度(组成)
(3)p　
(4)升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。ttm后,k增大对v的提高小于α引起的降低
解析 本题属于化学反应原理类试题,主要考查热化学方程式的书写、化学平衡及计算、化学平衡常数和速率常数、反应速率变化的原因分析等知识。对读图识图能力、信息吸收及应用能力、规范表达能力等要求较高。
(1)观察图(a),可得出以下两个热化学方程式:①V2O4(s)+2SO3(g)2VOSO4(s)　ΔH1=-399 kJ·mol-1,②V2O4(s)+SO3(g)V2O5(s)+SO2(g)　ΔH2=-24 kJ·mol-1,由①-2×②得2V2O5(s)+2SO2(g)2VOSO4(s)+V2O4(s)　ΔH=-351 kJ·mol-1。
(2)要分析反应在5.0 MPa、500 ℃时的α,首先必须判断此时图像中压强对应p1、p2、p3中哪一个。在其他条件相同时,正反应是气体分子数减少的反应,压强越大SO2平衡转化率α越大,可确定此时对应压强为p1,SO2平衡转化率α=0.975。
(3)应用“三段式”进行计算可得:
　　　　　SO2　+　O2SO3
起始量/mol 2m m 0
变化量/mol 2mα mα 2mα
平衡量/mol 2m(1-α) m(1-α) 2mα
反应达平衡时,气体总物质的量分数减少了mα,则平衡时SO3压强为。
该反应在恒压容器中进行,因此,SO3的分压p(SO3)=,p(SO2)=,p(O2)=,在该条件下,Kp==
。
(4)由题目已知信息知,SO2催化氧化反应为放热反应,温度升高后α降低。因为反应速率方程v=k(1-nα'),升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。当ttm时,k增大对v的提高小于α引起的降低。
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