湖南省永州市2019年高考化學(xué)二輪復(fù)習(xí) 課時(shí)17 化學(xué)平衡常數(shù) 化學(xué)平衡相關(guān)計(jì)算與圖像分析學(xué)案.docx
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化學(xué)平衡常數(shù) 化學(xué)平衡相關(guān)計(jì)算與圖像分析 【明確考綱】 了解化學(xué)平衡常數(shù)(K)的含義，能利用化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。 【課前真題】 1.（2016年四川卷，6T）一定條件下，CH4與H2O(g)發(fā)生反應(yīng)：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)，設(shè)起始m(H2O)/m(CH4)=Z，在恒壓下，平衡時(shí)ψ(CH4)的體積分?jǐn)?shù)與Z和T（溫度）的關(guān)系如圖所示。下列說(shuō)法正確的是（） A．該反應(yīng)的焓變△H>0 B．圖中Z的大小為a>3>b C．圖中X點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平衡混合物中m(H2O)/m(CH4) =3 D．溫度不變時(shí)，圖中X點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平衡在加壓后ψ(CH4)減小 【解析】選A；A、從圖分析，隨著溫度升高甲烷的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，說(shuō)明升溫平衡正向移動(dòng)，則正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，故正確；B、m(H2O)/m(CH4)的比值越大，則甲烷的體積分?jǐn)?shù)越小，故a<30。 3.（2016年全國(guó)卷II 27T）丙烯腈（CH2=CHCN）是一種重要的化工原料，工業(yè)上可用“丙烯氨氧化法”生產(chǎn)，主要副產(chǎn)物有丙烯醛（CH2=CHCHO）和乙腈（CH3CN）等。回答下列問(wèn)題： （1）以丙烯、氨、氧氣為原料，在催化劑存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副產(chǎn)物丙烯醛（C3H4O）的熱化學(xué)方程式如下： ①C3H6（g）＋NH3（g）＋1.5 O2（g）=== C3H3N（g）＋3H2O（g） ΔH＝－515 kJmol－1 ②C3H6（g）＋O2（g）=== C3H4O（g）＋H2O（g） ΔH＝－353 kJmol－1 兩個(gè)反應(yīng)在熱力學(xué)上趨勢(shì)均很大，其原因是__________________________； 有利于提高丙烯腈平衡產(chǎn)率的反應(yīng)條件； 提高丙烯腈反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是____________________________。 （2）圖（a）為丙烯腈產(chǎn)率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，最高產(chǎn)率對(duì)應(yīng)的溫度為460 ℃，低于460 ℃時(shí)，丙烯腈的產(chǎn)率 ?。ㄌ睢笆恰被颉安皇恰保?duì)應(yīng)溫度下的平衡產(chǎn)率，判斷理由是_________________________________________； 高于460 ℃時(shí)，丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是 ?。p選，填標(biāo)號(hào)）。 A.催化劑活性降低 B.平衡常數(shù)變大 C.副反應(yīng)增多 D.反應(yīng)活化能增大 （3）丙烯腈和丙烯醛的產(chǎn)率與n（氨）/n（丙烯）的關(guān)系如圖（b）所示。由圖可知，最佳n（氨）/n（丙烯）約為 ，理由是____________________， 進(jìn)料氣氨、空氣、丙烯的理論體積比約為 。 【答案】：（1）兩個(gè)反應(yīng)均為放熱量大的反應(yīng) 降低溫度降低壓強(qiáng) 催化劑 （2）不是該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低AC （3）1該比例下丙烯腈產(chǎn)率最高，而副產(chǎn)物丙烯醛產(chǎn)率最低1:7.5:1 【解析】：（1）因?yàn)閮蓚€(gè)反應(yīng)均為放熱量大的反應(yīng)，所以在熱力學(xué)上趨勢(shì)均很大；該反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的放熱反應(yīng)，所以降低溫度、降低壓強(qiáng)有利于提高丙烯腈平衡產(chǎn)率；提高丙烯腈反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是催化劑。 （2）因?yàn)樵摲磻?yīng)為放熱反應(yīng)，平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低，反應(yīng)該開(kāi)始進(jìn)行，尚未達(dá)到平衡狀態(tài)，460℃以前是建立平衡的過(guò)程，所以低于460℃時(shí)，丙烯腈產(chǎn)率不是對(duì)應(yīng)溫度下的平衡產(chǎn)率；高于460℃時(shí)，丙烯腈產(chǎn)率降低。A．催化劑在一定溫度范圍內(nèi)活性較高，若溫度過(guò)高，活性降低，正確。B．平衡常數(shù)變大，對(duì)產(chǎn)率的影響是提高產(chǎn)率才對(duì)，錯(cuò)誤。C．根據(jù)題意，副產(chǎn)物有丙烯醛，副反應(yīng)增多導(dǎo)致產(chǎn)率下降，正確。D．反應(yīng)活化能的大小不影響平衡，錯(cuò)誤。 （3）根據(jù)圖像可知，當(dāng)n（氨）/n（丙烯）約為1時(shí)，該比例下丙烯腈產(chǎn)率最高，而副產(chǎn)物丙烯醛產(chǎn)率最低；根據(jù)化學(xué)反應(yīng)C3H6(g)+NH3(g)+1.5 O2(g)=C3H3N(g)+3H2O(g)，氨氣、氧氣、丙烯按1:1.5:1的體積比加入反應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài)，而空氣中氧氣約占20%，所以進(jìn)料氣氨、空氣、丙烯的理論體積比約為1:7.5:1 4.（2018年全國(guó)卷I28 節(jié)選）（2）F. Daniels等曾利用測(cè)壓法在剛性反應(yīng)器中研究了25℃時(shí)N2O5(g)分解反應(yīng)： 其中NO2二聚為N2O4的反應(yīng)可以迅速達(dá)到平衡，體系的總壓強(qiáng)p隨時(shí)間t的變化如下表所示（t=∞時(shí)，N2O5(g)完全分解）： t/min 0 40 80 160 260 1300 1700 ∞ p/kPa 35.8 40.3 42.5. 45.9 49.2 61.2 62.3 63.1 ①已知：2N2O5(g)=N2O4(g)+O2(g) ΔH1=?4.4 kJmol?1 2NO2(g) =N2O4(g) ΔH 2=?55.3 kJmol?1 則反應(yīng)N2O5(g)=2NO2(g)+O2(g)的ΔH=_______ kJmol?1。 ②研究表明，N2O5(g)分解的反應(yīng)速率v=210?3(kPamin?1)，t=62 min時(shí)，測(cè)得體系中=2.9 kPa，則此時(shí)的=________kPa，v=_______ kPamin?1。 ③若提高反應(yīng)溫度至35℃，則N2O5(g)完全分解后體系壓強(qiáng)p∞(35℃)____63.1 kPa（填“大于”“等于”或“小于”），原因是________。 ④25℃時(shí)N2O4(g)2NO2(g)反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=_______kPa（Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)，計(jì)算結(jié)果保留1位小數(shù)）。 【答案】 ①53.1 ②30.0 6.010－2 ③ 大于 溫度提高，體積不變，總壓強(qiáng)提高；NO2二聚為放熱反應(yīng)，溫度提高，平衡左移，體系物質(zhì)的量增加，總壓強(qiáng)提高④13.4 【解析】 ②根據(jù)方程式可知氧氣與消耗五氧化二氮的物質(zhì)的量之比是1:2，又因?yàn)閴簭?qiáng)之比是物質(zhì)的量之比，所以消耗五氧化二氮減少的壓強(qiáng)是2.9kPa2＝5.8kPa，則此時(shí)五氧化二氮的壓強(qiáng)是35.8kPa－5.8kPa＝30.0kPa，因此此時(shí)反應(yīng)速率v＝2.010－330＝6.010－2（kPamin－1）； ③由于溫度升高，容器容積不變，總壓強(qiáng)提高，且二氧化氮二聚為放熱反應(yīng)，溫度提高，平衡左移，體系物質(zhì)的量增加，總壓強(qiáng)提高，所以若提高反應(yīng)溫度至35℃，則N2O5(g)完全分解后體系壓強(qiáng)p∞(35℃)大于63.1 kPa。 ④根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知五氧化二氮完全分解時(shí)的壓強(qiáng)是63.1kPa，根據(jù)方程式可知完全分解時(shí)最初生成的二氧化氮的壓強(qiáng)是35.8kPa2＝71.6 kPa，氧氣是35.8kPa2＝17.9 kPa，總壓強(qiáng)應(yīng)該是71.6 kPa+17.9 kPa＝89.5 kPa，平衡后壓強(qiáng)減少了89.5 kPa－63.1kPa＝26.4kPa，所以根據(jù)方程式2NO2(g)N2O4(g)可知平衡時(shí)四氧化二氮對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)是26.4kPa，二氧化氮對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)是71.6 kPa－26.4kPa2＝18.8kPa，則反應(yīng)的平衡常數(shù)。 課堂精講 【考點(diǎn)歸類(lèi)】 一、化學(xué)平衡常數(shù)： 1．概念 在一定溫度下，當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值是一個(gè)常數(shù)，用符號(hào)K表示。 2．表達(dá)式 對(duì)于反應(yīng)mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)， K＝(固體和純液體的濃度視為常數(shù)，通常不計(jì)入平衡常數(shù)表達(dá)式中)。 3．意義 (1)K值越大，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越大，正反應(yīng)進(jìn)行的程度越大。 (2)K只受溫度影響，與反應(yīng)物或生成物的濃度變化無(wú)關(guān)。 (3)化學(xué)平衡常數(shù)是指某一具體反應(yīng)的平衡常數(shù)。 4．應(yīng)用 (1)判斷、比較可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度 一般來(lái)說(shuō)，一定溫度下的一個(gè)具體的可逆反應(yīng)： K值 正反應(yīng)進(jìn)行的程度 平衡時(shí)生成物濃度 平衡時(shí)反應(yīng)物濃度 反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率 越大 越大 越大 越小 越高 越小 越小 越小 越大 越低 (2)判斷正在進(jìn)行的可逆反應(yīng)是否達(dá)到平衡或反應(yīng)進(jìn)行的方向 對(duì)于可逆反應(yīng)：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，濃度商Qc＝，則將濃度商和平衡常數(shù)作比較可判斷可逆反應(yīng)所處的狀態(tài)。 (3)判斷可逆反應(yīng)的熱效應(yīng) ， ， (4)計(jì)算平衡體系中的相關(guān)量 根據(jù)相同溫度下，同一反應(yīng)的平衡常數(shù)不變，計(jì)算反應(yīng)物或生成物的濃度、轉(zhuǎn)化率等。 二、化學(xué)平衡圖像分析： 1．題型分類(lèi) (1)分析外界條件對(duì)反應(yīng)速率及化學(xué)平衡的影響； (2)由圖象判斷反應(yīng)特征(確定反應(yīng)中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)、判斷熱效應(yīng)或氣體物質(zhì)化學(xué)計(jì)量數(shù)的變化關(guān)系)； (3)由反應(yīng)和圖象判斷圖象中坐標(biāo)或曲線(xiàn)的物理意義； (4)由反應(yīng)和圖象判斷符合圖象變化的外界條件； (5)由反應(yīng)判斷圖象正誤等。 2．解題指導(dǎo) (1)看圖象：一看軸，即縱、橫坐標(biāo)的意義；二看點(diǎn)，即起點(diǎn)、拐點(diǎn)、交點(diǎn)、終點(diǎn)；三看線(xiàn)，即線(xiàn)的走向和變化趨勢(shì)；四看輔助線(xiàn)，即等溫線(xiàn)、等壓線(xiàn)、平衡線(xiàn)等；五看量的變化，如濃度變化、溫度變化、轉(zhuǎn)化率變化、物質(zhì)的量的變化等。 (2)依據(jù)圖象信息，利用平衡移動(dòng)原理，分析可逆反應(yīng)的特征：吸熱還是放熱，氣體計(jì)量數(shù)增大、減小還是不變，有無(wú)固體或純液體參加或生成等。 (3)先拐先平：在化學(xué)平衡圖象中，先出現(xiàn)拐點(diǎn)的反應(yīng)先達(dá)到平衡，可能是該反應(yīng)的溫度高、濃度大、壓強(qiáng)大或使用了催化劑。 (4)定一議二：勒夏特列原理只適用于一個(gè)條件的改變，所以圖象中有三個(gè)變量時(shí)，先固定一個(gè)量，再討論另外兩個(gè)量的關(guān)系。 【典例剖析】 NO2氣體對(duì)環(huán)境有危害，應(yīng)特別注意對(duì)地表水、土壤、大氣和飲用水的污染。在一定溫度時(shí)，將0.80 mol的NO2氣體充入4 L真空的密閉容器中，每隔一段時(shí)間就對(duì)該容器內(nèi)的物質(zhì)進(jìn)行分析，得到數(shù)據(jù)如下表所示： 時(shí)間(s) 0 20 40 60 80 n(NO2)/mol 0.80 n1 0.52 n3 n4 n(N2O4)/mol 0.00 0.10 n2 0.16 0.16 (1)在上述條件下，反應(yīng)從20 s至40 s這一時(shí)間段內(nèi)，NO2的平均反應(yīng)速率為molL-1s-1。 (2)n3________n4(填“＞”、“＜”或“＝”)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)為(保留小數(shù)點(diǎn)后一位)。 (3)達(dá)到平衡后，如向該密閉容器中再充入0.64 mol氦氣，并把容器體積擴(kuò)大為8 L，則平衡將(選填“向正反應(yīng)方向移動(dòng)”、 “向逆反應(yīng)方向移動(dòng)”或“不移動(dòng)”)，其理由是。 (4)若在相同情況下，最初向該容器中充入的是N2O4氣體，要達(dá)到上述同樣的平衡狀態(tài)，起始充入N2O4的物質(zhì)的量是mol，假設(shè)在80 s時(shí)達(dá)到平衡，請(qǐng)?jiān)趫D中畫(huà)出并標(biāo)明該條件下此反應(yīng)中N2O4和NO2的濃度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。 (5)取五等份NO2，分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，反應(yīng)相同時(shí)間后，分別測(cè)定體系中NO2的百分量(NO2%)，并作出其隨反應(yīng)溫度(T)變化的關(guān)系圖。下列示意圖中，可能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符的是。 【答案】：(1)0.001 (2)=；2.8 (3)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)；氦氣是稀有氣體，不參與反應(yīng)；擴(kuò)大體積的瞬間，c(NO2)和c(N2O4)均降低為原來(lái)一半，使c(N2O4)/c2(NO2)增大，并大于該溫度下的平衡常數(shù)，平衡左移。 (4)0.40 (5)BD 【技巧點(diǎn)撥】 1.三段式求解反應(yīng)速率及平衡計(jì)算題關(guān)鍵： mA(g)＋nB(g) pC(g) ＋qD(g) 轉(zhuǎn)化(molL－1)x 2.一定溫度下，判斷正在進(jìn)行的可逆反應(yīng)是否達(dá)到平衡或反應(yīng)進(jìn)行的方向：比較濃度商Qc與平衡常數(shù)K大小. 3.在該時(shí)間點(diǎn)，此題分三種情況： 1 五種溫度下均已平衡：反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡左移，NO2量增多；選B。 2 五種溫度下均未平衡：溫度越高，速率越快，NO2量越少。 3 溫度處于較低范圍內(nèi)未平衡，溫度越高，速率越快，NO2量越少； 溫度處于較高范圍內(nèi)已平衡，反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡左移，NO2量增多；選D 【變式訓(xùn)練】 “C1化學(xué)”是指以碳單質(zhì)或分子中含1個(gè)碳原子的物質(zhì)（如CO、CO2、CH4、CH3OH等）為原料合成工業(yè)產(chǎn)品的化學(xué)工藝，對(duì)開(kāi)發(fā)新能源和控制環(huán)境污染有重要意義． （1）一定溫度下，在容積為2L的密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H=-49.0kJ/mol．相關(guān)數(shù)據(jù)如下： 反應(yīng)物投入量 1molCO2（g）和3molH2（g） 平衡時(shí)c（CH3OH） c1 平衡時(shí)能量變化 放出29.4kJ 若甲中反應(yīng)10s時(shí)達(dá)到平衡，則用CO2來(lái)表示甲中反應(yīng)從開(kāi)始到平衡過(guò)程中的平均反應(yīng)速率是mol/（Ls）． （2）壓強(qiáng)為p1時(shí)，向體積為1L的密閉容器中充入bmolCO和2bmolH2，發(fā)生反應(yīng)CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）．平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示．請(qǐng)回答： ①該反應(yīng)屬于（填“吸”或“放”）熱反應(yīng)；p1p2（填“＞”、“＜”或“=”）． ②100℃時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=（用含b的代數(shù)式表示）． （3）治理汽車(chē)尾氣的反應(yīng)是2NO（g）+2CO（g） 2CO2（g）+N2（g）△H＜0．在恒溫恒容的密閉容器中通入n（NO）：n（CO）=1：2的混合氣體，發(fā)生上述反應(yīng)．下圖正確且能說(shuō)明反應(yīng)在進(jìn)行到t1時(shí)刻一定達(dá)到平衡狀態(tài)的是（選填字母）． 【答案】（1）0.03；（2）①放；＜；②K=1/b2（3）c d 【課后鞏固】 1.向某密閉容器中加入0.3mol A、0.1mol C和一定量的B三種氣體，一定條件下發(fā)生反應(yīng)，各物質(zhì)濃度隨時(shí)間變化如下甲圖所示。下乙圖為平衡體系中速率隨時(shí) 間變化的情況，且四個(gè)階段都各改變一種條件，所用條件均不同。若t4時(shí)刻改變條件是壓強(qiáng)，則下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是 甲 乙 A. 若t1=15s，則前15s的平均反應(yīng)速率v（C）=0.004mol/(Ls) B. 該反應(yīng)的化學(xué)方程式是3A(g)B(g) ＋ 2C(g) C. t2 、t3 、t5時(shí)刻改變的條件分別是升高溫度、加入催化劑、增大反應(yīng)物濃度 D. B的起始物質(zhì)的量為0.04mol c答案：C 2. 在一定條件下，對(duì)于反應(yīng)aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，C的百分含量（C%）與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示，下列反應(yīng)的ΔH和ΔS判斷正確的是（ ） A．ΔH<0 ΔS>0 B．ΔH>0 ΔS<0 C．ΔH>0 ΔS>0 D．ΔH<0 ΔS<0 答案：A 3. 將E和F加入密閉容器中，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：E(g)＋F(s)2G(g)。忽略固體體積，平衡時(shí)G的體積分?jǐn)?shù)(%)隨溫度和壓強(qiáng)的變化如下表所示： 壓強(qiáng)/MPa 體積分?jǐn)?shù)/ (%) 溫度℃ 1.0 2.0 3.0 810 54.0 a b 915 c 75.0 d 1000 e f 83.0 ① b＜f?、?915℃、2.0 MPa時(shí)E的轉(zhuǎn)化率為60%③ 增大壓強(qiáng)，平衡左移?、?K(1 000℃)＞K(810℃) 上述①～④中正確的有( ) A．4個(gè) B．3個(gè)C．2個(gè)D．1個(gè) 答案：A 4. 在某容積一定的密閉容器中，可逆反應(yīng)A（g）＋B（g）xC（g）根據(jù)圖I（ T表示溫度、p表示壓強(qiáng)、C%表示C的體積分?jǐn)?shù)）所示的關(guān)系曲線(xiàn)，試判斷下列對(duì)圖II的說(shuō)法正確的是（） A. p3下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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