专题八 化学反应速率和化学平衡

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  考点1 化学反应速率的计算与大小比较
  例1 某探究小组利用丙酮的溴代反应(CH3COCH3+Br2[HCl]CH3COCH2Br+HBr)来研究反应物浓度与反应速率的关系。反应速率v(Br2)通过测定溴的颜色消失所需的时间来确定。在一定温度下,获得如下实验数据:
  [实验序号&初始浓度c/mol·L-1&溴的颜色消失所需的时间t/s &CH3COCH3&HCl &Br2&①&0.80&0.20&0.0010&290&②&1.60&0.20&0.0010&145&③&0.80&0.40&0.0010&145&④&0.80&0.20&0.0020&580&]
  分析实验数据所得出的结论不正确的是( )
  A.增大c(CH3COCH3),v(Br2)增大
  B.实验②和③的v(Br2)相等
  C.增大c(HCl),v(Br2)增大
  D.增大c(Br2),v(Br2)增大
  解析 从表中数据看:①④中CH3COCH3、HCl的浓度是相同的,而④中Br2比①中的大,结果是溴颜色消失所需的时间变长,即速率变小了,D项错误。其他选项依次找出表中两组相同的数据,看一个变量对另一个变量的影响即可。
  答案 D
  点拨 利用有色物质的颜色变化来测定化学反应速率是常用的方法,解决本题需要找准表中两组数据进行比较,注意寻找一个变量进行分析。而具体的测定反应速率的关键是找准物质的量或物质的量浓度的变化值。
  考点2 可逆反应达到平衡平衡状态的依据
  例2 可逆反应:2NO2(g)⇌2NO(g)+O2(g),在体积固定的密闭容器中,达到平衡状态的标志是( )
  ①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2 ②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO ③用NO2、NO、O2表示的反应速率的比为2∶2∶1 ④混合气体的颜色不再改变 ⑤混合气体的密度不再改变 ⑥混合气体的压强不再改变 ⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变
  A. ①④⑥⑦    B. ②③⑤⑦
  C. ①③④⑤     D. 全部
  解析 单位时间内生成n mol O2必消耗2n mol NO2,而生成2n mol NO2时,必消耗n mol O2,能说明反应达到平衡,①能说明,②不能说明;无论达到平衡与否,化学反应速率都等于化学计量系数之比,③不能说明;有颜色的气体颜色不变,则表示物质的浓度不再变化,④能说明;体积固定,气体质量反应前后守恒,密度始终不变,⑤能说明;反应前后[ΔV≠0],压强不变,意味着各物质的含量不再变化,⑥能说明;由于气体的质量不变,气体的平均相对分子质量不变时,说明气体中各物质的量不变,该反应[ΔV≠0],⑦能说明。
  答案 A
  点拨 化学平衡状态的根本标志是:v(正)=v(逆);各组分百分含量不变。在解题时要牢牢抓住这两个根本标志,并明确气体的颜色、密度、压强、平均相对分子质量的变化与根本标志的关系。
  考点3 等效平衡
  例3 在一真空密闭容器中盛有1 mol PCl5,加热到200 ℃时发生如下反应:PCl5(g)=PCl3(g)+Cl2(g),反应达到平衡时,PCl5所占体积分数为m%。若在同一温度和同一容器中,最初投入的是2 mol PCl5,反应平衡时,PCl5所占体积分数为n%,则m和n的关系是( )
  A.m>n B.m  解析 可建立虚拟路径如下:
  [2 mol PCl5][2 mol PCl5][1 mol PCl5] [T、P1、V][T、P1、2V][T、P2、V][可建立
  等效平衡][缩小容
  器体积][(相当于
  增大压强)]
  答案 B
  点拨 分析等效平衡的关键是分清全等平衡和等比平衡,利用等效平衡方法解化学平衡有关问题时常采用“虚拟法”。若遇到将两个状态进行比较这类问题时,可以“虚拟”一个中间过程,如一个容器、一个隔板等,然后再进行比较。
  考点4 化学反应速率和化学平衡图象
  例4 对于mA(g)+nB(g)⇌pC(g) ΔH=Q kJ·mol-1有如下图所示的变化,则:
   [c%][t][T1、P1][T1、P2][T2、P2][O]
  (1)P1与P2的关系是        ;
  (2)m+n与p的关系是                 ;
  (3)T1与T2的关系是                      ;
  (4)Q与0的关系是                       。
  解析 本题解答时应遵循两个原则:“先拐先平”“定一议二”。在温度均为T1时,P2达到平衡需要的时间短,因此P2>P1;压强越大,C的百分含量越大,说明正反应是体积增大的反应,即m+n>p。在P2保持不变时,T1达到平衡需要的时间短,因此T1>T2;温度越高,C的百分含量越小,而升高温度平衡向吸热反应方向移动,说明正反应是放热反应,即Q<0。
  答案 (1)P2>P1 (2)m+n>p (3)T1>T2 (4)Q<0
  点拨 对于化学反应速率和化学平衡的有关图象问题,可按以下的方法进行分析:①看图象,弄清纵、横坐标所代表的意义,并与勒夏特列原理挂钩;②紧扣可逆反应的特征——正反应方向是吸热还是放热,体积是增大还是减小或不变,有无固体、纯液体物质参加或生成等;③看清起点、拐点、终点,看清曲线的变化趋势;④先拐先平;⑤定一议二。
  考点5 转化率、平衡常数的计算及应用
  例5 能源问题是当前世界各国所面临的严重问题,同时全球气候变暖,生态环境问题日益突出,开发氢能、研制燃料电池、发展低碳经济是化学工作者的研究方向。氢气通常用生产水煤气的方法制得。其中CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g) ΔH<0。在850 ℃时,平衡常数K=1。
  (1)若降低温度到750 ℃时,达到平衡时K 1。(填“大于”“小于”或“等于”)
  (2)850 ℃时,若向一容积可变的密闭容器中同时充入1.0 mol CO、3 mol H2O、1.0 mol CO2和x mol H2,则:
  ①当x=5.0时,上述反应向 (填“正反应”或“逆反应”)方向进行;
  ②若要使上述反应开始时向正反应方向进行,则x应满足的条件是 ;
  ③850 ℃时,若设x=5.0和x=6.0,其它物质的投料不变,当上述反应达到平衡后,测得H2的体积分数分别为a%、b%,则a b(填“大于”“小于”或“等于”)。
  解析 (1)该反应为放热反应,温度越低,反应进行的程度越高,化学平衡常数越大。
  (2)因反应在同一容器内进行,体积相同,方程式中各物质的化学计量数都是1,所以在以下计算中均可用物质的量数值代替浓度数值。①将数值代入浓度商的表达式: [Qc=c(CO2)⋅c(H2)c(CO)⋅c(H2O)=1×51×3=53>1],平衡向逆反应方向移动。②若要使上述反应开始时向正反应方向进行,则浓度商[Qc=c(CO2)⋅c(H2)c(CO)⋅c(H2O)]应小于1,代入数值,可得x<3。③增大一种生成物(氢气)的体积分数,反应向逆反应方向移动,但平衡移动的结果是降低这种增大的幅度,故平衡后氢气的体积分数还是大于原来的。
  答案 (1)大于 (2)逆反应 x<3 小于
  点拨 化学平衡常数只与温度有关,温度不变,化学平衡常数不变,与反应物浓度、是否含有催化剂等无关。计算时,要看清对应的化学方程式,不要看反了,否则算出的化学平衡常数是其倒数。
  考点6 化学反应进行的方向
  例6 已知碳酸钙的分解CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g) ΔH1仅在高温下自发;氯酸钾的分解2KClO3(s)=2KCl(s)+3O2(g) ΔH2在任何温度下都自发,下面有几组焓变数据,其中可能正确的( )
  A.ΔH1=-178.32 kJ·mol-1 ΔH2=-78.3 kJ·mol-1
  B.ΔH1=+178.32 kJ·mol-1 ΔH2=-78.3 kJ·mol-1
  C.ΔH1=-178.32 kJ·mol-1 ΔH2=+78.3 kJ·mol-1
  D.ΔH1=+178.32 kJ·mol-1 ΔH2=+78.3 kJ·mol-1
  解析 既是放热又是熵增的反应一定自发,既是吸热又是熵减的反应一定不自发,吸热的熵增反应仅在高温时自发,故只有B项正确。
  答案 B
  点评 在判断反应是否自发时,焓变和熵变都是与反应能否自发进行有关的因素,但又都不能独立地作为反应自发性的判据,要判断反应进行的方向,必须综合考虑体系的焓变和熵变对反应方向的综合影响。此外,还应注意催化剂与化学反应方向的问题。
   [【专题练习】]
  1. 关于反应2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g),下列说法正确的是( )
  ①单位时间内每生成2 mol SO2,同时生成1 mol O2,则反应处于化学平衡状态 ②SO2生成速率等于SO2消耗速率,则反应处于化学平衡状态 ③SO2、O2、SO3的体积分数不再发生变化,则反应处于化学平衡状态 ④SO2、O2、SO3的分子数之比为2∶1∶2,则反应处于化学平衡状态
  A. ①③ B. ②④ C. ②③ D. ③④
  2. 在一固定体积的密闭容器中,加入2 mol A和1 mol B,发生反应如下;2A(g)+B(g)⇌3C(g)+D(s),当反应达到平衡时,C的浓度为w mol·L-1。若维持容器体积和温度不变,按下列四种配比作为起始物质,达平衡后,C的浓度仍为w mol·L-1是( )
  A. 4 mol A+3 mol B
  B. 2 mol A+1 mol B+3 mol C+1 mol D
  C. 3 mol A+1 mol B+1 mol C
  D. 3 mol C+2 mol D
  3. 下列说法正确的是( )
  A.在常温下,放热反应一般能自发进行,吸热反应都不能自发进行
  B.NH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g) ΔH=+185.7 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方向
  4. 用于净化汽车尾气的反应:2NO(g)+2CO(g)⇌2CO2(g)+N2(g),己知该反应速率极慢,570 K时平衡常数为1×1059。下列说法正确的是( )
  A.装有尾气净化装置的汽车排出的气体中不再含有NO或CO
  B.提高尾气净化效率的常用方法是升高温度
  C.提高尾气净化效率的最佳途径是研制高效催化剂
  D.570 K时及时抽走CO2、N2,平衡常数将会增大,尾气净化效率更佳
  5. 在1 L的密闭容器中充入1 mol A(g)和1 mol B(g),于T ℃时进行如下反应:A(g)+B(g)⇌C(g)+D(g) ΔH<0达到平衡时,A转化了50%。在T ℃时,将1 mol A(g)和4 mol B(g)充入同样的容器中,记录0~8 min内容器中各物质的量如下表。t min时为改变条件后达平衡时所测得的数据。下列说法正确的是( )
  [时间/min&0&4&6&8&t&n[A(g)]/mol&1&0.25&n1&n1&0.15&n[B(g)]/mol&4&3.25&n2&n2&3.15&n[C(g)]/mol&0&0.75&n3&n3&0.85&n[D(g)]/mol&0&0.75&n4&n4&0.85&]
  A.反应在第4 min时处于化学平衡状态
  B.前4 min,用A(g)表示的化学反应速率为0.0625 mol·L-1·min-1
  C.8 min时,混合气体中C(g)的体积分数为16%
  D.t min时,反应所处的温度高于T℃
  6. 某密闭容器中充入等物质的量的气体A和B,一定温度下发生反应:A(g)+xB(g)⇌2C(g),达到平衡后,只改变反应的一个条件,测得容器中物质的浓度、反应速率随时间变化如下图所示。下列说法中正确是( )
  A. 30 min时降低温度,40 min时升高温度
  B. 8 min前A的平均反应速率为0.08 mol·L-1·s-1
  C. 反应方程式中的x=l,正反应为吸热反应
  D. 20~40 min间该反应的平衡常数均为4
  7. 一定温度下,将一定量的混合气体充入密闭容器中,发生反应aA(g)+bB(g)⇌cC(g)+dD(g)达到平衡时,测得B的浓度为0.6 mol·L-1。恒温下将密闭容器的容积扩大一倍,重新达到平衡时,测得气体B的浓度为0.4 mol·L-1,下列叙述正确的是( )
  A. a+b  B. 重新达到平衡时,气体A的浓度增大
  C. 平衡向右移动
  D. 重新达到平衡时,D的体积分数减小
  8. 一定温度下的密闭容器中存在如下反应:2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)。已知c(SO2)始=0.4 mol·L-1,c(O2)始=1 mol·L-1,经测定该反应在该温度下的平衡常数K≈19,试判断:
  (1)当SO2转化率为50%时,该反应是否达到平衡?若未达到平衡,向哪个方向进行?
  (2)达到平衡时,SO2的转化率应为多少?
  
  9. 在2 L密闭容器中,800℃时反应2NO(g)+O2(g)⇌2NO2(g)体系中,n(NO)随时间的变化情况如表:[n(NO)/mol&0.020&0.010&0.008&0.007&0.007&0.007&]
  (1)写出该反应的平衡常数表达式:K= 。已知:K(300℃)>K(350℃),该反应是 热反应。
  (2)右图中表示NO2的浓度变化曲线是 。用O2表示从0~2 s内该反应的平均速率v= 。
   [c(mol·L-1)][t(s)][1 2 3 4][O][0.010
  0.005] [a][b][c][d]
  (3)能说明该反应已经达到平衡状态的是 。
  a. v(NO2)=2v(O2) b. 容器内压强保持不变
  c. v逆(NO)=2v正(O2) d. 容器内的密度保持不变
  (4)为使该反应的反应速率增大,且平衡向正反应方向移动的是 。
  a. 及时分离出NO2气体 b. 适当升高温度
  c. 增大O2的浓度 d. 选择高效的催化剂
  10. “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℃时进行实验,得到的数据如下表:
  [实验编号&①&②&③&④&⑤&c(I-)/mol·L-1&0.040&0.080&0.080&0.160&0.120&c(S2O82-)/mol·L-1&0.040&0.040&0.080&0.020&0.040&t/s&88.0&44.0&22.0&44.0&T1&]
  回答下列问题:
  (1)该实验的目的是 ;
  (2)显色时间t1= ;
  (3)温度对该反应的反应速率的影响符合一般规律,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 (填字母);
  A. 小于22.0 s B. 22.0~44.0 s
  C. 大于44.0 s D. 数据不足,无法判断
  (4)通过分析比较上表数据,得到的结论是 。
  11. 工厂使用石油热裂解的副产物甲烷来制取氢气,其生产流程如下图:
   [ⅠⅡ][水蒸气][水蒸气][纯净氢气][转化炉][吸附塔][甲烷]
  (1)此流程的第Ⅱ步反应为:CO(g)+H2O(g)⇌H2(g)+CO2(g),该反应的化学平衡常数表达式为K= ;反应的平衡常数随温度的变化如下表:
  [温度/℃&400&500&830&1000&平衡常数K&10&9&1&0.6&]
  此反应是 (填“吸”“放”)热反应。在830 ℃下,若开始时向恒容密闭容器中充入CO与H2O均为1 mo1,则达到平衡后CO的转化率为 。
  (2)此流程的第Ⅱ步反应CO(g)+H2O(g)⇌H2(g)+CO2(g),在830℃,以下表的物质的量(单位为mol)投入恒容反应器发生上述反应,其中反应开始时,向正反应方向进行的有 (填实验编号);
  [实验编号&n(CO)&n(H2O)&n(H2)&n(CO2)&A&1&5&2&3&B&2&2&1&1&C&3&3&0&0&D&0.5&2&1&1&](3)若400℃时,第Ⅱ步反应生成l mol氢气的热量数值为33.2(单位为kJ),第Ⅰ步反应的热化学方程式为: CH4(g)+H2O(g)=3H2(g)+CO(g) [Δ]H=-103.3 kJ·mol-1。则400℃时,甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式为 。
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