2022届高考高考化学人教版一轮：第9章 第3节　化学平衡常数及转化率　化学反应的调控

第9章2022第3节化学平衡常数及转化率化学反应的调控课标要求1.体会从限度的角度认识和调控化学反应的重要性。了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。2.认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量,知道化学平衡常数的含义。能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算,能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。3.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。针对典型案例,能从限度等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。备考指导1.本节的主要考查内容有:(1)化学平衡常数以及有关计算;(2)化学平衡转化率的判断及相关计算。2.对化学平衡常数的复习,需抓住以下几点:(1)化学平衡常数的表达式;(2)化学平衡常数的计算;(3)化学平衡常数的应用;(4)利用分压计算平衡常数。内容索引010203第一环节必备知识落实第二环节关键能力形成第三环节核心素养提升第一环节必备知识落实知识点1化学平衡常数知识筛查化学平衡常数(1)表达式。(2)意义及应用。①K越大,正反应进行的程度越大,平衡时反应物的转化率越大。当K>105时,可以认为反应进行得较完全。②K越小,正反应进行的程度越小,平衡时反应物的转化率越小。当K<10-5时,认为反应很难进行。(3)影响因素。①内因:反应物本身的性质。②外因:只受温度影响,与浓度、压强、催化剂等外界因素无关。知识巩固1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。×√√××C知识点2平衡转化率及化学平衡的相关计算知识筛查“三段式”法是有效解答化学平衡计算题的“万能钥匙”。解题时,要注意清楚条理地列出起始量、变化量、平衡量,按题目要求进行计算,同时还要注意单位的统一。1.明确三个量——起始量、变化量、平衡量(1)反应物的平衡量=起始量-变化量。(2)生成物的平衡量=起始量+变化量。(3)各物质变化浓度之比等于它们在化学方程式中的化学计量数之比。变化浓度是联系化学方程式、平衡浓度、起始浓度、转化率、化学反应速率的桥梁。因此,变化浓度是解题的关键。2.掌握四个百分数

(2)生成物的产率:实际产量占理论产量的百分数。一般来说,转化率越高,原料利用率越高,产率越高。知识巩固1.一定温度下,向容积为2L的恒容密闭容器中通入NO2和O2,发生反应4NO2(g)+O2(g)2N2O5(g)

ΔH<0,部分实验数据如下表。下列说法不正确的是(

)。A.5s内NO2的平均反应速率为0.3mol·L-1·s-1B.若10s时,再向容器中充入2molN2O5(g),则新平衡下,NO2的体积分数将增大C.若5s时,让该反应在绝热恒容条件下达到平衡,新平衡下的平衡常数比原平衡的平衡常数小D.一定温度下,该反应的平衡常数为0.125,反应物的平衡转化率均为50%时间/s051015n(NO2)/mol8.00n1n24.00n(O2)/mol2.001.251.00n3B解析:由表中数据可知,5

s内n(O2)由2.00

mol减小为1.25

mol,则有v(O2)==0.075

mol·L-1·s-1,v(NO2)=4v(O2)=4×0.075

mol·L-1·s-1=0.3

mol·L-1·s-1,A项正确。10

s时,再向容器中充入2

mol

N2O5(g),假设将容器扩大至一定比例使之与原平衡等效,再将容器压缩至原体积,相当于在原来的基础上增大压强,平衡向右移动,达到新平衡时,NO2的体积分数减小,B项错误。5

s时,让该反应在绝热恒容条件下达到平衡,此时温度高于原平衡时的温度,由于该反应是放热反应,温度升高,平衡逆向移动,平衡常数减小,故新平衡下的平衡常数比原平衡的小,C项正确。当n(O2)=1.00

mol时,n2=8

mol-1.00

mol×4=4.00

mol,与15

s时n(NO2)相同,则10

s时该反应达到平衡状态,有2.已知在密闭容器中发生可逆反应:M(g)+N(g)P(g)+Q(g)

ΔH>0。某温度下,反应物的起始浓度分别为c(M)=1mol·L-1,c(N)=2.4mol·L-1。请回答下列问题:(1)若达到平衡后,M的转化率为60%,列出“三段式”,计算此时N的平衡浓度是多少?(2)若反应温度升高,该反应的平衡常数、M的转化率如何变化?

。

(3)若反应温度不变,反应物的起始浓度分别为c(M)=4mol·L-1,c(N)=amol·L-1;达到平衡后,c(P)=2mol·L-1,则M的转化率为

,N的起始浓度为

。

由“三段式”得,N的平衡浓度为1.8mol·L-1。(2)由于该反应正向为吸热反应,温度升高,平衡右移,K值增大,M的转化率增大(3)50%

6mol·L-1第二环节关键能力形成能力点1运用化学平衡常数定量研究化学平衡有关问题的能力整合建构

问题引领化学平衡常数常见的易错点有哪些?点拨有关平衡常数的几个易错点:(1)能列入平衡常数表达式的为气体、非水溶液中的H2O、溶液中的溶质;固体与纯液体以及水溶液中H2O的浓度可看为常数,不能列入平衡常数的表达式。(2)对于同一可逆反应,正反应的平衡常数等于逆反应的平衡常数的倒数,即K正=

。若化学方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小,尽管是同一反应,平衡常数也会发生改变。两反应相加,得到的新反应,其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积;两反应相减,得到的新反应,其化学平衡常数是两反应平衡常数相除得到的商。训练突破1.(2020陕西西安质检)O3是一种很好的消毒剂,具有高效、洁净、方便、经济等优点。O3可溶于水,在水中易分解,产生的[O]为游离氧原子,有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生的反应如下:下列叙述正确的是(

)。A.降低温度,总反应K减小 B.K=K1+K2C.适当升温,可提高消毒效率 D.压强增大,K2减小C解析:降低温度,总反应平衡向右移动,K增大,A项错误。K=K1·K2,B项错误。适当升高温度,反应①平衡向右移动,c([O])增大,可提高消毒效率,C项正确。对于给定的反应,平衡常数只与温度有关,D项错误。2.(2020山东枣庄模拟)已知,相关数据见下表:

根据以上信息判断,下列结论错误的是(

)。A.a>bB.增大压强,反应Ⅱ平衡不移动C.升高温度,反应Ⅲ平衡向正反应方向移动D.反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应C解析:由Ⅰ+Ⅱ=Ⅲ,得K3=K1·K2,则a>2,b<1,a>b,A项正确。反应Ⅱ前后气体分子数相等,增大压强,平衡不移动,B项正确。由a>2、b<1可知,随温度升高,K2、K3均减小,故反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应,D项正确。升温时,反应Ⅱ、Ⅲ均向逆反应方向移动,C项错误。能力点2运用“三段式”进行化学反应速率和化学平衡计算的能力整合建构“三段式”法——化学速率和平衡计算的一般模式反应:mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B的起始物质的量分别为amol、bmol,达到平衡后,A的消耗量为mxmol,容器容积为V。

mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)起始量/mol a

b 0 0变化量/mol mx

nx

px

qx平衡量/mol a-mx

b-nx

px

qx对于反应物:平衡量=起始量-变化量,n(平)=n(始)-n(变)对于生成物:平衡量=起始量+变化量,n(平)=n(始)+n(变)问题引领(1)运用“三段式”解决有关化学反应速率和平衡的计算问题时,应注意什么?(2)如何计算压强平衡常数?点拨(1)运用“三段式”解决有关化学反应速率和平衡的计算问题时,应注意反应物的平衡量等于起始量减去转化量,生成物的平衡量等于起始量加上转化量。在列“三段式”时,首先需要判断反应进行的方向,另外,注意“三段式”的三个量中只有转化量与化学计量数对应成比例。(2)压强平衡常数的理解和计算。①Kp含义:在化学平衡体系中,用各气体物质的分压代替浓度,计算出的平衡常数叫压强平衡常数。②计算方法:第一步,用“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度;第二步,计算各气体组分的物质的量分数或体积分数;第三步,根据分压计算公式,求出各气体物质的分压,某气体的分压=气体总压强×该气体的体积分数(或物质的量分数);第四步,根据压强平衡常数计算公式代入计算。例如:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),压强平衡常数表达式为训练突破1.N2O5是一种新型硝化剂,一定温度下发生反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)

ΔH>0,T1温度下的部分实验数据如下表,则下列说法错误的是(

)。A.500s内N2O5的分解速率为2.96×10-3mol·L-1·s-1B.T1温度下的平衡常数为K1=125,1000s时转化率为50%C.其他条件不变时,T2温度下反应到1000s时测得N2O5(g)浓度为2.98mol·L-1,则T1<T2D.T1温度下的平衡常数为K1,T2温度下的平衡常数为K2,若T1>T2,则K1>K2C则K1=

=125,B项正确。因正反应方向为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,且能较快达到平衡,其他条件不变时,T2温度下反应到1

000

s时测得N2O5(g)浓度为2.98

mol·L-1,比T1温度下浓度高,说明平衡向逆反应方向移动,则T2<T1,C项错误。升高温度平衡正向移动,K增大,D项正确。2.反应A(g)B(g)+C(g)在容积为1.0L的密闭容器中进行,A的起始浓度为0.050mol·L-1。在T1和T2温度下,A的浓度与时间关系如图所示。请回答下列问题:(1)上述反应的温度T1

T2,平衡常数K(T1)

K(T2)。(均填“大于”“小于”或“等于”)

(2)若T2温度时,5min后反应达到平衡状态,A的转化率为70%,则:①平衡时体系总的物质的量为

。

②反应的平衡常数K=

(结果保留两位有效数字)。

③反应在0~5min内的平均反应速率v(A)=

。

答案:(1)小于小于(2)①0.085mol

②0.082

③0.007mol·L-1·min-1解析:(1)由题图可知,T2时,反应达到平衡所用时间少,反应速率大,所以温度高;而温度越高c(A)越小,说明平衡正向移动,可判断正反应为吸热反应,升高温度,K增大。故①平衡时体系总的物质的量=(0.015

mol·L-1+0.035

mol·L-1+0.035

mol·L-1)×1.0

L≈0.085

mol能力点3针对典型案例,能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析的能力整合建构

问题引领从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析时,有哪些基本原则?需要综合考虑哪些问题?点拨从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析的基本原则。(1)从化学反应速率分析,既不能太大,又不能太小。(2)从化学平衡移动分析,既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性,又要注意两者影响的矛盾性。(3)从原料的利用率分析,增加易得廉价原料,提高难得贵重原料的利用率,从而降低生产成本。(4)从实际生产能力分析,如设备承受高温、高压的能力等。(5)注意催化剂的活性对温度的限制。(6)工业生产中既不能片面地追求高转化率,也不能片面追求高反应速率,应寻找比较高的反应速率并获得适当平衡转化率的反应条件。化工生产中需要综合考虑的问题。(1)原料的来源、除杂,尤其考虑杂质对催化剂的影响。(2)原料的循环利用,反应热的综合利用。(3)产物的污染处理。(4)产物的酸碱性对反应的影响。(5)气体产物的压强对平衡的影响。(6)改变外界条件对多平衡体系的影响。(7)化学反应速率与平衡转化率的问题。(8)催化剂的选择及其活性温度问题。训练突破1.一定条件下合成乙烯:已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图所示,下列说法不正确的是(

)。A.该反应的逆反应为吸热反应B.平衡常数:KM>KNC.生成乙烯的速率:v(N)一定大于v(M)D.当温度高于250℃时,升高温度,催化剂的催化效率降低C解析:升高温度,CO2的平衡转化率降低,说明平衡逆向移动,则逆反应为吸热反应,A项正确。该反应的正反应是放热反应,升温平衡常数减小,B项正确。化学反应速率随温度的升高而增大,催化剂在250

℃时,催化活性最高,温度继续升高,其催化效率降低,所以v(N)有可能小于v(M),C项错误,D项正确。2.丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。请回答下列问题:(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1-丁烯(C4H8)的热化学方程式如下:①C4H10(g)══C4H8(g)+H2(g)

ΔH1反应①的ΔH1为

kJ·mol-1。图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图,x

(填“大于”或“小于”)0.1;欲使丁烯的平衡产率提高,应采取的措施是

(填字母)。

A.升高温度B.降低温度C.增大压强D.减小压强(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中

的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是

。

(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是

、

;590℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是

。

答案:(1)+123小于AD(2)原料中过量H2会使反应①平衡逆向移动,所以丁烯转化率下降(3)590℃前升高温度,反应①平衡正向移动升高温度时,反应速率增大,单位时间产生的丁烯更多更高温度导致C4H10裂解生成更多的短碳链烃,故丁烯产率快速降低解析:(1)根据盖斯定律,②式-③式可得①式,因此ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119

kJ·mol-1+242

kJ·mol-1=+123

kJ·mol-1。由图(a)可以看出,温度相同时,由0.1

MPa

变化到x

MPa,丁烷的转化率增大,即平衡正向移动,由于反应①是气体物质的量增大的反应,压强越小平衡转化率越大,所以x的压强更小,x<0.1。由于反应①为吸热反应,所以温度升高时,平衡正向移动,丁烯的平衡产率增大,因此A正确,B错误。由于反应①是气体物质的量增大的反应,加压时平衡逆向移动,丁烯的平衡产率减小,因此C错误,D正确。(3)590

℃之前,随温度升高,反应速率增大,反应①是吸热反应,升高温度平衡正向移动,生成的丁烯会更多。温度超过590

℃,更多的丁烷裂解生成短链烃类,导致丁烯产率快速降低。第三环节核心素养提升【高考真题剖析】

【例题】

(2020全国Ⅲ改编)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0.1MPa,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(440K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp=

(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

。

【核心素养考查点剖析】本题为化学反应原理综合题,考查了盖斯定律、化学平衡常数的计算以及利用勒夏特列原理进行图像的分析,难点为平衡常数的计算,通过巧用三个反应的化学方程式,进行数据的处理,得到反应的各项数据,从而计算得到平衡常数。主要考查了考生的“变化观念与平衡思想”。【答案及评分细则】(1)1∶4变大(填“增大”不得分)(2)d

c小于(填“<”不得分)(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。(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)。【典题训练】

(2020浙江杭州高级中学高三模拟)在容积为2L的刚性密闭容器中加入1molCO2和3molH2,发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。在其他条件不变的情况下,温度对反应的影响如图所示(注:T1、T2均大于300℃)。下列说法正确的是(

)。A.该反应在T1时的平衡常数比在T2时的小D.T1时,若反应达到平衡后CO2的转化率为x,则平衡后容器内的压强与起始压强之比为(2-x)∶2D【新情境模拟训练】

(1)若起始时NO2的物质的量设为1mol,反应在恒定温度和标准压强下进行,N2O4的平