新高考化学一轮复习化学平衡常数化学反应的方向与调控课件（151张）

第3讲化学平衡常数化学反应的方向与调控第七章内容索引0102强基础增分策略增素能精准突破研专项前沿命题03【课程标准】1.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。2.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.知道化学反应是有方向的,知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。4.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。知道催化剂可以改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。5.针对典型的案例,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。强基础增分策略一、化学平衡常数1.表达式

固体或液体纯净物浓度不变,不能写入平衡常数表达式对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),在一定温度下达到平衡时:平衡常数

(固体和纯液体的浓度视为常数)。

2.意义及影响因素平衡常数大小只能说明反应趋势,不能说明反应进行的快慢意义K值越大正反应进行的程度越

大

反应物的转化率越

大

K

>105

时,反应可接近完全

影响因素内因反应物本身的性质外因温度升高ΔH<0,K值

减小

ΔH>0,K值

增大

3.应用(1)利用化学平衡常数,判断反应是否达到平衡或非平衡状态时向何方向进行。对于化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商

Q<K,反应向

正

反应方向进行,v(正)

>

v(逆)。

Q=K,反应处于

平衡

状态,v(正)

=

v(逆)。

Q>K,反应向

逆

反应方向进行,v(正)

<

v(逆)。

(2)利用K可判断反应的热效应温度变化导致K变化,平衡发生移动;其他条件改变,K不变(3)计算转化率:利用平衡常数计算转化率的主要途径是利用温度不变时,平衡常数不变列方程求解。(4)计算相关反应的平衡常数。若只是反应方向改变,则平衡常数变为其倒数;若只是方程式中各物质的化学计量数等倍扩大(变为原来n倍)或缩小程度相同(变为原来的),则相应的平衡常数也会变为原来的n次幂或

次幂。旁栏边角

选择性必修1

P31阅读教材表2-1,回答下列问题。(1)反应物(H2、I2)或生成物(HI)不同浓度开始反应,达到平衡时各物质的浓度是否相等?提示

不同浓度开始的反应,达到平衡时各物质的浓度不同。(2)反应物(H2、I2)或生成物(HI)不同浓度开始反应,达到平衡时平衡常数是否相等?提示

平衡常数相等或接近。(3)该表中反应的平衡常数相等,说明什么问题?提示

在一定温度下,化学平衡常数不受浓度的影响。易错辨析

判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)平衡常数发生变化,化学平衡必定发生移动。(

√

)(2)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。(

√

)(3)其他条件不变,使用不同催化剂,反应的平衡常数不变。(

√

)(4)对某一可逆反应,升高温度则化学平衡常数一定变大。(

×

)(5)改变条件,使反应物的平衡转化率都增大,该可逆反应的平衡常数一定增大。(

×

)(6)反应A(g)+3B(g)2C(g)达平衡后,温度不变,增大压强,平衡正向移动,平衡常数K增大。(

×

)应用提升

(1)计算平衡常数时代入的必须是各物质的平衡浓度(对于反应前后气体总体积不变的反应,也可以用各物质平衡时的物质的量)。(2)平衡常数只受温度影响,但是平衡常数的大小,还与方程式的书写形式有关。二、化学反应速率和化学平衡图像1.转化率(或百分含量)—时间—温度(或压强)图像

先拐先平,条件强已知不同温度或压强下,反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线,可推断温度的高低、反应的热效应、压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系等。下面以反应aA(g)+bB(g)cC(g)中反应物的转化率(αA)为例说明。①图甲中,T2>T1,升高温度,αA降低,平衡逆向移动,则正反应为

放热

反应。

②图乙中,p1>p2,增大压强,αA升高,平衡正向移动,则正反应为

气体体积减小

的反应。

③图丙中,a表示使用了

催化剂

或

增大压强

(反应前后气体分子数相等的可逆反应)。

注意:若纵坐标表示A的百分含量,则甲中正反应为吸热反应,乙中正反应为气体体积增大的反应。2.恒温线(或恒压线)图像

控制变量,讨论条件对化学平衡的影响已知不同温度下的转化率—压强图像或不同压强下的转化率—温度图像,推断反应的热效应或反应前后气体物质间化学计量数的关系。以反应A(g)+B(g)C(g)中反应物A的转化率(αA)为例说明。解答这类图像题时应注意以下两点:(1)“定一议一”原则:可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应方程式中反应物与生成物气体物质间的化学计量数的大小关系。如图甲中任取一条温度曲线研究可知,压强增大,αA增大,平衡向正反应方向移动,正反应为气体体积减小的反应;乙中任取横坐标一点作横坐标的垂直线,也能得出相应的结论。(2)通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应的热效应。如在甲图中作横坐标的垂直线可看出,温度越高,αA越小,则平衡向逆反应方向移动,正反应为放热反应;乙中任取一条压强曲线,也能分析出正反应为放热反应。3.几种特殊图像(1)同一时间段内,不同温度(或压强)图像图像中的极值点未必是平衡点,但极值点之后为平衡移动趋势图对于化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),下图中M点前,表示化学反应从反应物开始,则v(正)>v(逆);M点为刚达到的平衡点。M点后为平衡受温度的影响情况,即升温时A%增大(C%减小),平衡逆向移动,ΔH

<

0。

(2)平衡图外点的意义

对横坐标作垂线,交点为平衡移动的方向对于化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),下图中L曲线上所有的点都是

平衡点

。

左上方E点时A%大于此压强时平衡体系中的A%,E点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态,所以,E点v(正)

>

v(逆);同理,右下方F点v(正)

<

v(逆)。

易错辨析

判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)图①表示p2>p1,正反应为气体体积增大的反应。(

√

)(2)图②表示随温度升高,吸热反应的平衡常数变化。(

×

)(3)若图③中p2>p1,则对应可逆反应的正反应为吸热、气体体积减小的反应。(

×

)三、化学反应的方向

化学反应的调控1.自发反应

自发反应,并不一定会发生,也不一定速率很快(1)含义:在温度和压强一定的条件下

无需借助外力

就能自发进行的反应称为自发反应。

(2)特点①体系趋向于从

高能

状态转变为

低能

状态(体系对外部

做功

或

释放

热量)。

②在密闭条件下,体系有从

有序

转变为

无序

的倾向性(无序体系更加稳定)。

2.判断化学反应方向的依据

3.合成氨反应条件的原理分析(1)反应原理:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

ΔH=-92.2kJ·mol-1。(2)反应特点反应为

可逆

反应;正反应是气体体积

减小

的反应;ΔH

<

0。

(3)影响因素①增大合成氨反应速率的措施:

升高

温度、

增大

压强、

增大

反应物浓度、

使用催化剂

等。

②提高平衡混合气体中氨含量的措施:

降低

温度、

增大

压强、

增大

反应物浓度等。

4.实际合成氨工业中选择的生产条件(1)压强:工业上合成氨一般采用的压强为

10~30

MPa

。

(2)温度:一般采用的温度为

400~500

℃

。

(3)催化剂:工业上合成氨普遍使用的是以

铁

为主体的多成分催化剂,又称

铁触媒

。

易错辨析

判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)凡是放热反应都是自发的,吸热反应都是非自发的。(

×

)(2)某吸热反应能自发进行,则该反应是熵增反应。(

√

)(3)通过判断过程的自发性能够确定过程是否一定发生和确定过程发生的速率。(

×

)(4)ΔH<0,ΔS>0的反应,一定是自发反应。(

√

)(5)吸热且熵增加的反应,当温度升高时,反应一定能自发进行。(

×

)(6)反应的自发性不仅能够用于判断过程的方向,还能确定过程是否一定能发生。(

×

)(7)合成氨反应中,压强越大越利于增大反应速率和平衡正向移动。(

√

)(8)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。(

×

)应用提升

对于一个特定的气相反应,熵变的大小取决于反应前后的气体物质的化学计量数的大小。增素能精准突破考点一化学平衡常数【能力概述】【新教材·新高考】新教材变化

新教材在化学平衡状态概念之后直接介绍了化学平衡常数,从而达到定量评价化学平衡的目的新高考高频考点

新高考在传统的数据分析、图像分析的考查方式之外,从压强平衡常数、物质的量分数平衡常数等角度也进行了考查。预测考向

预计将来压强平衡常数和物质的量分数平衡常数将成为常态化考查形式考向1.化学平衡常数应用及其影响因素典例突破已知反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的平衡常数K与温度的关系如下表:温度/℃400500830平衡常数K1091(1)该反应的ΔH

(填“>”“=”或“<”)0。

(2)500℃时,若CO和H2O的起始浓度均为0.060mol·L-1,则在该条件下,CO的平衡转化率为

。

(3)在1000℃时,平衡常数K=0.5,当CO、H2O(g)、CO2、H2的物质的量浓度相等时,该反应

(填“达到平衡状态”“正向进行”或“逆向进行”)。

CO(g)

+H2O(g)CO2(g)+H2(g)答案

(1)<

(2)75%

(3)逆向进行解析

(1)由表格中数据可知,温度越高,平衡常数K越小,说明温度升高,反应逆向进行,正反应为放热反应,ΔH<0。(2)500

℃时,K=9。假设平衡时,CO的转化浓度为x

mol·L-1,则有针对训练(2021北京昌平二模)某温度下,H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)的平衡常数K=。该温度下,在①、②两个恒容密闭容器中投入物质,起始浓度如下表。下列说法正确的是(

)A.反应开始时,②中反应向逆反应方向进行B.平衡时,①中c(CO2)=0.04mol·L-1C.①中H2的平衡转化率为40%D.①②均达平衡时,①中各组分浓度与②相同容器编号起始浓度/(mol·L-1)H2CO2H2OCO①0.10.100②0.20.10.20.1答案

B解析

设①中H2的平衡转化率为x,由题意可建立如下三段式:

H2(g)

+CO2(g)H2O(g)+CO(g)起/(mol·L-1)

0

0变/(mol·L-1)

x

xx

x平/(mol·L-1)

xxx

x由题给数据可知,反应②的浓度商

,则平衡向正反应方向移动,A错误;由分析可知,平衡时,①中c(CO2)=(0.1-0.1×0.6)

mol·L-1

mol·L-1,B正确;由分析可知,①中H2的平衡转化率为60%,C错误;由A分析可知,②中反应向正反应方向移动,则平衡时H2O的浓度大于

mol·L-1,①中反应平衡时,H2O的浓度为

mol·L-1,①与②中H2O(g)的浓度不同,其他组分浓度也不相同,D错误。归纳总结1.两方程式相加得到新的化学方程式,其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积;两方程式相减得到的新化学方程式,其化学平衡常数是两个平衡常数之比。2.升高温度,平衡常数增大,该反应为吸热反应,平衡常数减小则反应为放热反应。降低温度,平衡常数增大,该反应为放热反应,平衡常数减小则反应为吸热反应。3.Q>K,平衡向逆反应方向移动。Q=K,平衡不移动。Q<K,平衡向正反应方向移动。考向2.化学平衡常数、转化率的有关计算典例突破甲醇是重要的化工原料,利用煤化工中生产的CO和H2可制取甲醇,发生的反应为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

ΔH=-99kJ·mol-1。在某温度时,将1.0molCO与2.0molH2充入2L的空钢瓶中,发生上述反应,在第5min时达到化学平衡状态,此时甲醇的物质的量分数为10%。甲醇浓度的变化状况如图所示。(1)从反应开始到5min时,生成甲醇的平均速率为

。

(2)5min时达到平衡,H2的平衡转化率α=

%;化学平衡常数K=

。

(3)1min时的v正(CH3OH)

(填“>”“<”或“=”)4min时的v逆(CH3OH)。

(4)若将钢瓶换成同容积的绝热钢瓶,重复上述实验,平衡时甲醇的物质的量分数

(填“>”“<”或“=”)10%。

答案

(1)0.025mol·L-1·min-1(2)25

(3)>

(4)<解析

设达到平衡时CH3OH的浓度为x

mol·L-1,则

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)起始/(mol·L-1)

1

0变化/(mol·L-1)

x

2x

x平衡/(mol·L-1)

x

1-2x

x(3)在反应达到平衡前,任意点的正反应速率均大于任意点的逆反应速率,反应物浓度越大,反应速率越快,则1

min时的v正(CH3OH)>4

min时的v正(CH3OH)>4

min时的v逆(CH3OH)。(4)若将钢瓶换成同容积的绝热钢瓶,重复题述实验,则反应放出的热量不能散发,会使体系温度上升,平衡逆向移动,甲醇物质的量分数将减小,所以小于10%。考题点睛

针对训练1.(2021安徽巢湖模拟)某温度下,在一个2L的密闭容器中,加入4molA和2molB,发生反应3A(g)+2B(g)4C(s)+2D(g),反应一段时间后达到平衡状态,测得生成1.6molC。下列说法正确的是(

)A.该反应的平衡常数表达式为的平衡转化率是40%C.增大压强,化学平衡常数增大D.增加B的量,B的平衡转化率增大答案

B解析

化学平衡常数的表达式中不能出现固体或纯液体,而物质C是固体,A项错误;根据化学方程式可知,平衡时B减少的物质的量

mol,B的平衡转化率为40%,B项正确;化学平衡常数只与温度有关,增大压强化学平衡常数不变,C项错误;增加B的量,平衡向正反应方向移动,由勒夏特列原理可知,A的转化率增大,而B的转化率减小,D项错误。2.(2021河北秦皇岛二模)500K时,在三个容积均为2L的恒容密闭容器中,发生反应:A(g)+2B(g)2C(g)

ΔH<0。实验测得:v(正)=k(正)c(A)·c2(B),v(逆)=k(逆)·c2(C),其中k(正)、k(逆)为速率常数,受温度影响。下列说法正确的是(

)容器编号起始物质的量/mol平衡时A的物质的量/molABCⅠ001.20.4Ⅱ0.41.00.6

Ⅲ0.71.00

A.达平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为4∶5B.达平衡时,容器Ⅲ中B的体积分数小于50%C.达平衡时,容器Ⅱ中

比容器Ⅰ中的大D.当温度改变为T时,若k(正)=k(逆),则T<500K答案

B解析

由容器Ⅰ的反应,列三段式:

A(g)

+

2B(g)2C(g)起始浓度/(mol·L-1)

0

0

转化浓度/(mol·L-1)

平衡浓度/(mol·L-1)

A(g)

+

2B(g)2C(g)起始浓度/(mol·L-1)

转化浓度/(mol·L-1)

x

2x

2x平衡浓度/(mol·L-1)

0.2+x

0.5+2x

0.3-2x则(0.2+x+0.5+2x+0.3-2x)

mol·L-1×2

mol,则x=0,说明起始时反应已达平衡,两者出现矛盾,说明平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比不是4∶5,A错误;若容器Ⅲ在某时刻,B的体积分数为50%,列三段式

A(g)

+

2B(g)2C(g)起始物质的量/mol

0转化物质的量/mol

y

2y

2y某时刻物质的量/mol

0.7-y

1.0-2y

2y归纳总结1.有关化学平衡常数和转化率的计算步骤2.掌握四个公式

考点二化学反应速率和化学平衡图像【能力概述】(分析与推测能力、归纳与论证能力)【新教材·新高考】新教材变化

新教材增加了“方法导引”栏目,对化学平衡图像的分析方法进行了介绍,引导学生从点、线、面以及线的走势等方面对化学平衡图像进行分析新高考高频考点

新高考在传统图像的基础上,图像的坐标内容更丰富,形式更直观和灵活,试题难度较大。预测考向

预计“多维”化学平衡图像题将成为新高考的亮点考向1.“断点”类化学反应速率和化学平衡图像典例突破某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,在不同的时间段内物质浓度随时间的变化如图甲所示,正逆反应速率随时间的变化如图乙所示,下列说法正确的是(

)A.30~40min间该反应使用了催化剂B.化学方程式中的x=1,正反应为吸热反应C.30min时降低温度,40min时升高温度D.前8minA的平均反应速率为0.08mol·L-1·min-1答案

D解析

若使用催化剂,30

min时,物质的浓度不会发生突变,A项错误;由图甲可知,A、B的浓度变化相同,故A、B的化学计量数相同,都为1,由图乙可知,30

min时改变的条件为减小压强,40

min时改变的条件为升高温度,且升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,B、C两项错误;前8

min

A的平均反应速率为

=

mol·L-1·min-1,D项正确。考题点睛

针对训练1.反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)

ΔH<0已达平衡,如果其他条件不变时,分别改变下列条件,对化学反应速率和化学平衡的影响与图像不相符的是[O~t1:v(正)=v(逆);t1时改变条件,t2时重新建立平衡](

)答案

C解析

分析时要注意改变条件瞬间v(正)、v(逆)的变化。增加O2的浓度,v(正)瞬间增大,v(逆)瞬间不变,A正确;缩小容器容积,增大压强,v(正)、v(逆)都增大,v(正)增大的程度大于v(逆),B正确;升高温度,v(正)、v(逆)都瞬间增大,C错误;加入催化剂,v(正)、v(逆)同时同等程度改变,D正确。2.COCl2的分解反应为COCl2(g)Cl2(g)+CO(g)

ΔH=+108kJ·mol-1。反应体系达到平衡后,各物质的浓度在不同条件下的变化状况如图所示(第10min到14min的COCl2浓度变化曲线未标出):(1)比较第2min反应温度T(2)与第8min反应温度T(8)的高低:T(2)

(填“<”“>”或“=”)T(8)。

(2)若12min时反应于温度T(8)下重新达到平衡,则此时c(COCl2)=

mol·L-1。

(3)比较产物CO在2~3min、5~6min和12~13min时平均反应速率[平均反应速率分别以v(2~3)、v(5~6)、v(12~13)表示]的大小:

。

(4)比较反应物COCl2在5~6min和15~16min时平均反应速率的大小,v(5~6)

(填“<”“>”或“=”)v(15~16),原因是

。

答案

(1)<

(3)v(5~6)>v(2~3)=v(12~13)(4)>在相同温度时,该反应的反应物浓度越高,反应速率越大解析

(1)从三种物质的浓度变化趋势可知,从第4

min开始,平衡正向移动,由于该正反应是吸热反应,所以改变的条件是升高温度,因此有T(2)<T(8)。(2)由于第12

min与第8

min温度相同,10

min时CO的浓度骤减,则改变的条件为移走部分CO,平衡正向移动,10~12

min,Δc(Cl2)=Δc(COCl2

mol·L-1,则12

min达平衡时c(COCl2

mol·L-1。(3)根据化学反应速率的定义,可知反应在2~3

min和12~13

min处于平衡状态,平均反应速率为0,故v(5~6)>v(2~3)=v(12~13)。(4)在5~6

min和15~16

min时反应温度相同,但15~16

min时各组分的浓度都小,因此反应速率小。归纳总结捕捉图像最基本的信息(1)横坐标与纵坐标的含义横坐标通常是t、T、p等(即时间、温度、压强等)。纵坐标通常是v、c、n、α、φ等(即速率、物质的量浓度、物质的量、转化率、体积分数等)。(2)线的走向与斜率线的走向,即随着横坐标自变量的增大,纵坐标因变量是变大、变小还是不变。当纵坐标所表示的物理量,如:速率、物质的量浓度、物质的量、转化率、体积分数等不随横坐标的变化而变化时,图像中出现一条平行于横坐标的直线,那么该反应就到达了化学平衡状态。斜率,是化学平衡图像曲线中一个重要的参数。斜率的应用,通常是对两条不同曲线的斜率进行比较,或者通过比较同一条曲线不同时刻的斜率变化来判断反应是改变了哪些外界条件。(3)观察化学平衡图像中的“重要点”所谓的“重要点”,指的就是化学平衡图像中的起点、拐点、终点、交点、突变点等,这些点往往隐藏着许多重要的信息,借助这些“重要点”中的有效信息,能够快速地找到解题的思路,突破图像题的难点。(4)跟踪化学平衡图像中量的变化量的变化,指的是纵坐标表示的物理量所发生的变化是由什么外界条件改变而引起的。要解决这个问题,我们经常要借助化学平衡移动理论。考向2.“复合”类化学平衡图像典例突破(2021辽宁铁岭二模)二甲醚(CH3OCH3)是无色气体,可作为一种新型能源。由合成气(组成为H2、CO和少量CO2)直接制备二甲醚,其中的主要过程包括以下四个反应:试回答下列问题:(1)一步法合成二甲醚是以合成气(CO/H2)为原料,在一定温度、压强和催化剂作用下进行,由H2和CO直接制备二甲醚的热化学方程式:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

ΔH=

;判断该反应在一定温度下、容积恒定的密闭容器中,下列不能作为达到化学平衡状态的依据是

(填字母)。

A.平均摩尔质量保持不变B.容器的密度不变C.容器内压强保持不变D.单位时间内消耗2molCO同时消耗1mol二甲醚(2)燃煤废气中的CO2转化为二甲醚的反应原理为2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g),一定条件下,现有两个容积均为2.0L的恒容密闭容器甲和乙,在甲中充入1molCO2和3molH2,在乙中充入2molCO2和6molH2,发生上述反应并达到平衡。该反应中CO2的平衡转化率随温度的变化曲线如图1所示;容器甲中,在不同催化剂作用下,相同时间内CO2的转化率随温度变化如图2所示。下列说法正确的是

(填字母)。

A.图1中,反应2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)的ΔS<0、ΔH>0B.图1中,表示乙容器CO2的平衡转化率随温度变化的是曲线BC.图1中,逆反应速率:状态Ⅰ<状态ⅢD.图2中,T3对应的平衡常数小于T4对应的平衡常数E.图2中,根据图中曲线分析,催化剂Ⅰ的催化效果最好(3)若CO2和H2仅发生反应Ⅱ和Ⅲ,研究表明:在其他条件相同的情况下,用新型催化剂可以显著提高甲醇的选择率,使用该催化剂,按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(总量为amol)投料于恒容密闭容器中进行反应,CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率:转化的CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图3所示:(忽略温度对催化剂的影响)图3①根据图中数据,温度选择

K,达到平衡时,反应体系内甲醇的产量最高。

②随着温度的升高,CO2的平衡转化率增加但甲醇的选择率降低,请分析其原因:

。

答案

(1)-204.7kJ·mol-1

B

(2)CE(3)①553

②当温度升高时反应Ⅱ平衡逆向移动,而反应Ⅲ平衡正向移动且幅度更大,所以CO2的平衡转化率增加,甲醇的选择率却降低解析

(1)已知:Ⅰ.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

ΔH1

kJ·mol-1Ⅳ.2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

ΔH4

kJ·mol-1,根据盖斯定律Ⅰ×2+Ⅳ,可得2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

ΔH=-

kJ·mol-1;在一定温度下、容积恒定的密闭容器中,对于反应2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g),反应中混合气体的平均摩尔质量会随着反应而变,故平均摩尔质量保持不变能说明反应已达到化学平衡状态,A不符合题意;密闭容器中,气体总质量守恒,容器的容积不变,故气体密度不变不能说明反应已达到化学平衡状态,B符合题意;反应中容器内压强会随着反应而变,故容器内压强保持不变能说明反应已达到化学平衡状态,C不符合题意;单位时间内消耗2

mol

CO,同时消耗1

mol二甲醚,则说明反应已达到化学平衡状态,D不符合题意。(2)由化学方程式可知,该反应为气体体积减小的反应,则ΔS<0,由图1可知,升高温度,CO2的平衡转化率减小,平衡逆向移动,正向放热,A错误;初始量乙是甲的二倍,恒温恒容下,乙相当于在甲的基础上增大压强,平衡正向移动,CO2的平衡转化率增大,A曲线是乙,B曲线为甲,B错误;随温度升高,速率增大,C正确;由于该反应的正反应为放热反应,升高温度,化学平衡逆向移动,所以T3对应的平衡常数较大,D错误;反应温度低,反应物的转化效率高,则催化剂的催化效果好,根据图示,相同温度下在催化剂Ⅰ时CO2转化效率最高,故催化剂Ⅰ的催化效果最好,E正确。②反应Ⅲ的正反应是吸热反应,升高温度,该反应正向移动,且温度对吸热反应影响更大,使CO2的平衡转化率增加,但对于反应Ⅱ,由于该反应的正反应是放热反应,升高温度,该反应的化学平衡逆向移动,所以甲醇的选择率降低。针对训练1.(2021江苏南通考前练习卷)CO2催化加氢是碳中和的重要手段之一,以下是CO2加氢时发生的两个主要反应:在容积为VL的两个恒容密闭容器中,分别按表所示充入一定量的CO2和H2,平衡体系中δ(CO)和δ(CH4)[]随温度变化关系如图所示。容器起始物质的量/molCO2H2甲0.10.3乙13下列有关说法正确的是(

)H2<0B.曲线b表示乙容器中δ(CO)随温度的变化点对应H2的总转化率约为66.7%D.590℃条件下反应10min,某容器中=。此时,反应Ⅱ的v(正)>v(逆)答案

C解析

反应Ⅰ为放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,δ(CH4)降低,曲线a、c表示容器中δ(CH4)随温度的变化,则曲线b、d表示容器中δ(CO)随温度的变化,由图可知,随着温度升高,δ(CO)增大,说明温度上升反应Ⅱ平衡向正反应方向移动,反应Ⅱ为吸热反应,ΔH2>0,A错误;容积为V

L的两个恒容密闭容器中,乙容器的起始量是甲容器的10倍,相当于增大压强,平衡向气体分子总数减少的方向移动,反应Ⅰ往正反应方向移动,δ(CH4)增大,容器中CO2和H2的浓度下降,则反应Ⅱ平衡向逆反应方向移动,δ(CO)降低,综上分析可知:曲线a表示乙容器中δ(CH4)随温度的变化,曲线c表示甲容器中δ(CH4)随温度的变化,曲线b表示甲容器中δ(CO)随温度的变化,曲线d表示乙容器中δ(CO)随温度的变化,B错误;根据C原子守恒,甲容器中n(CO)+n(CO2)+n(CH4)始终为

mol,M点为甲容器在590

℃条件下的平衡状态,此时n(CH4)=δ(CH4)×[n(CO)+n(CO2)+n(CH4

mol,n(CO)=δ(CO)×[n(CO)+n(CO2)+n(CH4

mol,根据CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)1

4

1

2

mol

mol

mol

molCO2(g)+H2(g)CO(g)

+H2O(g)1

1

1

1

mol

mol

mol

mol,2.二甲醚(DME)在制药、燃料、农药等化学工业中有许多独特的用途。工业上用合成气制备二甲醚的主要原理如下:回答下列问题:(1)已知:CO(g)、H2(g)、CH3OCH3(g)的燃烧热分别是ΔH(CO)=-283kJ·mol-1、ΔH(H2)=-285kJ·mol-1和ΔH(CH3OCH3)=-1453kJ·mol-1,则反应2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(l)的ΔH=

kJ·mol-1;反应③的正反应的活化能

(填“>”“<”或“=”)逆反应的活化能。

(2)在催化剂作用下,发生上述3个反应,CO的转化率、CH3OH与CO2的产率和随温度变化关系如图1所示。总压分别为100kPa、10kPa时,平衡体系中CO和CH3OCH3(g)的物质的量分数随温度变化关系如图2所示。①图1中CO的转化率随温度升高而上升的原因是

。

②图1中780℃时,CH3OCH3的选择性为

。(CH3OCH3选择性③能提高CH3OCH3选择性的最关键因素是

。

④100kPa时,CO和CH3OCH3的物质的量分数随温度变化关系的曲线分别是

、

。

(3)在100MPa下,将3molH2、2molCO充入T

℃恒容密闭容器中,若只发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,达到平衡时,测得n(CH3OH)=0.25mol、n(H2O)=0.5mol,则反应Ⅰ平衡常数Kp=

(Kp为用气体分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。

(2)①反应Ⅰ、反应Ⅱ、反应Ⅲ的ΔH都小于0,若达到平衡,升高温度平衡均逆向移动,则CO转化率减小,而图1中,温度越高CO转化率越大,说明是平衡前的转化率,因此从速率角度分析,影响速率因素是温度和催化剂活性。②根据图1可知CH3OH与CO2的产率和为18%,而CO转化率为40%,因此转化成CH3OCH3的CO为22%,则选择性=×100%=55%。③提高CH3OCH3选择性的最关键因素是催化剂的选择性。④图2中,题干指明是“平衡体系”,压强越大,反应Ⅱ、Ⅲ不移动,反应Ⅰ正向移动,CO物质的量分数越小,CH3OCH3的物质的量分数越大,温度升高三个反应均逆向移动,CH3OCH3的物质的量分数越小,CO物质的量分数越大,曲线X、Y表示CH3OCH3,曲线Y表示低压时的,曲线X表示高压时的,曲线M、N表示CO物质的量分数,曲线N表示低压时的,曲线M表示高压时的。(3)若只发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,平衡时,n(CH3

mol,n(H2

mol,则反应Ⅱ:

2CH3OH(g)H2O(g)+CH3OCH3(g)转化量/mol

1

平衡量/mol

,反应Ⅰ理论上生成

mol

CH3OH,反应Ⅰ:

CO(g)

+

2H2(g)CH3OH(g)起始量/mol

2

3

0转化量/mol

则平衡时n

mol,n(H2

mol、n(CH3

mol、n(H2

mol、n(CH3OCH3

mol,恒容密闭容器中,气体的总压强与气体的总物质的量成正比,则平衡时气体总物质的量为

mol,总压强为50

MPa,归纳总结分析化学反应速率和化学平衡图像题的方法考点三化学反应进行的方向【能力概述】【新教材·新高考】新教材变化

新教材改“有序排列的火柴散落时成为无序排列”为“气体的自发扩散过程”,体现熵变判据;新教材增加了具体反应的实例,减少了文字表述。通过“资料卡片”对自由能进行了详尽的讲述。新高考高频考点

新高考在选择题的单个选项中出现,直接判断反应能否自发进行;在非选择题中根据反应自发进行判断反应的热效应或判断反应能否自发进行。预测考向

有可能对化学反应进行的方向进行定量考查考向1.化学反应方向典例突破某反应2AB(g)C(g)+3D(g)在高温时能自发进行,其逆反应在低温时能自发进行,则该反应的ΔH、ΔS应为(

)H<0、ΔS>0 H<0、ΔS<0H>0、ΔS>0 H>0、ΔS<0答案

C解析

由ΔH-TΔS<0时反应能自发进行推知:ΔH<0、ΔS>0,反应在任何温度下都能自发进行;ΔH>0、ΔS<0,反应在任何温度下都不能自发进行;ΔH>0、ΔS>0,反应在较高温度下能自发进行;ΔH<0、ΔS<0,反应在较低温度下能自发进行。针对训练1.在一定条件下,对于反应mA(g)+nB(g)cC(g)+dD(g),C物质的含量(C%)与温度、压强的关系如图所示。下列判断正确的是(

)H<0、ΔS>0H>0、ΔS<0H>0、ΔS>0H<0、ΔS<0答案

A解析

由题图可知,当压强一定时,温度升高,C物质的含量(C%)减小,说明升高温度,平衡逆向移动,则有ΔH<0;温度一定时,增大压强,C物质的含量(C%)降低,说明增大压强,平衡逆向移动,则有m+n<c+d,该反应的正反应是气体分子总数增加的反应,则有ΔS>0。2.下列反应在任何温度下均能自发进行的是(

)答案

D解析

“ΔH-TΔS<0”的反应自发进行,则ΔH<0,ΔS>0的反应在任何温度下都能自发进行,故D项符合题目要求。归纳总结焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响ΔHΔSΔH-TΔS反应情况-+永远是负值在任何温度下均能自发进行+-永远是正值在任何温度下均不能自发进行++低温为正;高温为负低温时不能自发进行;高温时能自发进行--低温为负;高温为正低温时能自发进行;高温时不能自发进行考向2.化学反应的调控典例突破(2021山东聊城联考)工业上生产硫酸时,利用催化氧化反应将二氧化硫转化为三氧化硫是一个关键步骤,在密闭容器中压强及温度对SO2转化率(利用率)的影响如表:温度不同压强下SO2的转化率/%0.1MPa0.5MPa1.0MPa10MPa400℃99.299.699.799.9500℃93.596.997.899.3600℃73.785.889.596.4(1)根据表中数据可知,生成SO3的反应属于

(填“放热”或“吸热”)反应。

(2)在其他条件不变的情况下,扩大容器容积以减小反应体系的压强,v(正)

(填“增大”或“减小”,下同),v(逆)

,平衡向

(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。

(3)提高该化学反应限度的途径有

。

(4)在400~500℃时,SO2的催化氧化采用常压而不是高压,其主要原因是

。

(5)该反应采用400~500℃的原因是

。

答案

(1)放热(2)减小减小逆反应(3)增大压强或在一定范围内降低温度(4)增大压强对SO2的转化率影响不大,且高压成本高(5)温度过高生成物的产率降低,但温度过低化学反应速率降低,故采用400~500℃解析

(1)相同压强下,随温度升高二氧化硫的转化率降低,说明升温平衡逆向移动,正反应放热。(2)扩大容器容积,各组分浓度减小,正逆反应速率都减小,平衡向气体体积增大的逆反应方向移动。(3)由表中数据可知,压强和温度对平衡移动都有影响,增大压强SO2的转化率增大,降低温度,SO2的转化率增大,所以提高该化学反应限度的途径有增大压强或在一定范围内降低温度。(4)由表中数据可知,增大压强对SO2的转化率影响不大,同时增大成本,故通常采用常压而不是高压。(5)该反应为放热反应,温度过高不利于产物的生成,但温度过低,化学反应速率太低。针对训练1.硝酸工业的基础是氨的催化氧化,在催化剂作用下发生如下反应:①4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)

ΔH=-905kJ·mol-1主反应②4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(g)

ΔH=-1268kJ·mol-1副反应有关物质产率与温度的关系如图:(1)由反应①②可知反应③N2(g)+O2(g)2NO(g)的反应热ΔH=

。

(2)由图可知工业上氨催化氧化生成NO时,反应温度最好控制在

。

答案

(1)+181.5kJ·mol-1

(2)780~840℃解析

(1)由盖斯定律,(①-②)×可得N2(g)+O2(g)2NO(g),故ΔH=×[(-905

kJ·mol-1)-(-1

268

kJ·mol-1

kJ·mol-1。(2)从图像可以看出,反应温度在780~840

℃时,NO的产率最大,故选择780~840

℃。(1)有利于提高合成氨平衡产率的条件有

(填字母)。

A.低温 B.高温C.低压 D.高压E.催化剂(2)实际生产中,常用Fe作催化剂,控制温度773K,压强3.0×107Pa,原料中N2和H2物质的量之比为1∶。分析说明原料气中N2过量的两个理由:

;

。

(3)关于合成氨工艺的下列理解,正确的是

(填字母)。

A.合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零B.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率C.基于NH3有较强的分子间作用力,可将其液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行D.分离空气可得N2,通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生答案

(1)AD

(2)原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,适度过量有利于提高整体反应速率(3)ACD解析

(1)

ΔH(298

kJ·mol-1是气体体积减小的放热反应。低温有利于平衡正向移动,提高氨气产率,A正确、B错误;低压平衡逆向移动,不利于提高氨气产率,C错误、D正确;催化剂只改变反应速率,不改变化学平衡,不能提高氨气产率,故E错误。(2)原料中N2和H2物质的量之比为1∶2.8,原料气中N2过量的两个理由:原料气中N2相对易得,适度过量有利于提高H2的转化率;N2在Fe催化剂上的吸附是决速步骤,适度过量有利于提高整体反应速率。(3)

ΔH(298

kJ·mol-1是气体体积减小的放热反应,合成氨反应在不同温度下的ΔH和ΔS都小于零,A正确;当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,总压不变,分压减小,平衡逆向移动,不能提高平衡转化率,B错误;NH3有较强的分子间作用力,可将其液化,不断将液氨移去,有利于反应正向进行,C正确;合成氨的反应在合成塔中发生,原料气中的N2是从空气中分离得来,先将空气液化,再蒸馏得N2,甲烷与水在高温、催化剂条件下生成CO和H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生,D正确。归纳总结化学反应的调控思路外界条件有利于加快反应速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度、减小生成物的浓度不断地补充反应物、及时地分离出生成物催化剂加合适的催化剂—加合适的催化剂外界条件有利于加快反应速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果温度高温ΔH<0低温兼顾速率和平衡,考虑催化剂的适宜温度ΔH>0高温在设备条件允许的前提下,尽量采取高温,并考虑催化剂的活性压强高压(有气体参加)反应后气体体积减小的反应高压在设备条件允许的前提下,尽量采取高压反应后气体体积增大的反应低压兼顾速率和平衡,选取适宜的压强研专项前沿命题陌生图像综合考查

题型考查内容选择题非选择题考查知识化学反应速率常数及与平衡常数的关系、压强平衡常数及其应用核心素养变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知考向1分析平衡图像变化趋势,定性解释例1.(2020山东卷,18节选)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:回答下列问题:(1)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。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

。

(2)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、高压思路指导(1)图像的判断和分析①图像的含义反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则CH3OH的平衡产率减小,所以图甲表示CH3OH的平衡产率;图乙中,由于反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应,随着温度升高,平衡逆向移动,CO2的平衡转化率降低;反应Ⅲ为吸热反应,升高温度平衡向正反应方向移动,升高至一定温度后以反应Ⅲ为主,CO2的平衡转化率又升高,所以图乙表示CO2的平衡转化率。②压强大小的比较反应Ⅰ和Ⅱ是气体体积减小的反应,增大压强反应Ⅰ和Ⅱ化学平衡正向移动;反应Ⅲ气体体积不变,平衡不移动。即随着压强增大CH3OH的平衡产率增大,所以压强关系为p1>p2>p3。③特殊点的分析随着温度升高,反应Ⅰ和Ⅱ化学平衡逆向移动,反应Ⅲ化学平衡正向移动,所以T1温度时,三条曲线交于一点的原因为: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。(2)外界条件对化学平衡的影响根据图像可知,温度越低,CH3OH的平衡产率越大;压强越大,CO2的平衡转化率越大,CH3OH的平衡产率越大。因此选择低温和高压,A项正确。答案

(1)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(2)A突破方法陌生图像题的解题策略针对训练1.(1)(2021全国甲卷,28节选)二氧化碳催化加氢制甲醇的总反应可表示为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),在起始物=3时,在不同条件下达到平衡,设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH),在T=250℃下的x(CH3OH)~p、在p=5×105Pa下的x(CH3OH)~T如图所示。①用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数,表达式Kp=

。

②图中对应等压过程的曲线是

,判断的理由是

。

③当x(CH3时,CO2的平衡转化率α=

,反应条件可能为

或

。

(2)(2021全国乙卷,28节选)McMorris测定和计算了在136~180℃范围内下列反应的平衡常数Kp:①由图可知,NOCl分解为NO和Cl2反应的ΔH

(填“大于”或“小于”)0。

②反应2ICl(g)Cl2(g)+I2(g)的K=

(用Kp1、Kp2表示);该反应的ΔH

(填“大于”或“小于”)0,写出推理过程:

。

(3)(2021湖南卷,16节选)某兴趣小组对该反应进行了实验探究。在一定温度和催化剂的条件下,将0.1molNH3通入3L的密闭容器中发生反应(此时容器内总压为200kPa):2NH3N2+3H2(g)ΔH>0,各物质的分压随时间的变化曲线如图所示。①若保持容器容积不变,t1时反应达到平衡,用H2的浓度变化表示0~t1时间内的反应速率v(H2)=

mol·L-1·min-1(用含t1的代数式表示)。

②t2时将容器容积迅速缩小至原来的一半并保持不变,图中能正确表示压缩后N2分压变化趋势的曲线是

(用图中a、b、c、d表示),理由是

。

③在该温度下,反应的标准平衡常数Kθ=

。

②b总反应ΔH<0,升高温度时平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量分数变小③33.3%

5×105Pa,210℃

9×105Pa,250℃(2)①大于②Kp1·Kp2大于

越大即T越低,lgK=lgKp1+lgKp2的值越小,即K越小(3)①

②b

t2时刻,将容器的容积迅速缩小为原来的一半,则所有气体的分压突然增大为原平衡时的2倍,则N2的分压突变为0.8×100kPa,之后平衡逆向移动,氮气的分压减小③解析

(1)①根据总反应的化学方程式CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)可知,该反应用各物质的平衡分压表示的平衡常数②在压强恒定的条件下,由于反应的ΔH<0,随着温度的升高,平衡逆向移动,甲醇的物质的量分数变小,故图中对应等压过程的曲线是b。曲线a是恒温(250

℃)条件下x(CH3OH)随压强变化的曲线。③设反应起始时n(H2)=3

mol,n(CO2)=1

mol,生成CH3OH的物质的量为y,利用“三段式”分析如下:

CO2(g)

+

3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)起始

1

mol

3

mol

0

0转化

y

3y

y

y平衡

1

mol-y

3

mol-3y

y

y由图像可以看出,当x(CH3时的条件是9×105

Pa,250

℃或5×105

Pa,210

℃。(3)①反应达平衡时,氨气和氢气的分压都为1.2×100

kPa,氮气的分压为0.4×100

kPa,列三段式为:

2NH3N2+3H2

总压起始/mol

0

0

200

kPa转化/mol

2n

n

3n平衡/mol

n

n

3n

(1.2+1.2+0.4)×100

kPa恒温恒容条件下,气体的压强与物质的量成正比,可列式:②t2时刻,将容器的容积迅速缩小为原来的一半,则所有气体的分压突然增大为原平衡时的2倍,则N2的分压突变为0.8×100

kPa,之后平衡逆向移动,氮气的分压减小,所以符合条件的曲线为b。③根据t1时各气体的分压,可列式2.(2021山东卷,20)2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油原添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如下反应:回答下列问题:(1)反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以物质的量分数表示的平衡常数Kx与温度T变化关系如图所示。据图判断,A和B中相对稳定的是

(用系统命名法命名);