专题07化学反应速率和化学平衡（讲）原卷版

专题07化学反应速率和化学平衡【考情探究】课标解读内容化学反应速率化学平衡化学反应进行的方向化学平衡的相关计算解读1.了解化学反应速率的概念和定量表示方法2.了解反应活化能的概念，了解催化剂的重要作用3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对反应速率的影响，能用相关理论解释其一般规律1.了解化学反应的可逆性及化学平衡的建立2.掌握化学平衡的特征3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学平衡的影响,能用相关理论解释其一般规律4.了解化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用1.能正确计算化学反应的转化率(α)2.了解化学平衡常数(K)的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算考情分析本专题主要结合实际生产命题,以定性、定量相结合的方式综合考查化学反应速率和化学平衡，包括化学反应速率的计算、影响化学平衡的因素及规律、平衡状态的判断、平衡常数和转化率的计算，同时渗透对计算能力、数形结合能力、语言组织能力等的考查。考查学生对信息的提取、应用能力。备考策略本专题涉及化学反应速率、化学平衡的相关计算及化学平衡移动的影响因素，主要考查学生运用图表、图形分析和解决化学问题的能力。【高频考点】高频考点一化学反应速率和化学平衡的影响因素1．特殊条件的改变对化学反应速率和化学平衡的影响(1)纯液体和固体浓度视为常数，它们的量的改变不会影响化学反应速率和平衡移动。但固体颗粒的大小导致接触面积的大小发生变化，故影响反应速率。但仍不影响平衡移动。(2)对于有固、液参加的反应，改变压强不会影响其反应速率和平衡移动。(3)使用催化剂催化的化学反应，由于催化剂只有在适宜的温度下活性最大，反应速率才能达到最大，故在许多工业生产中温度的选择还需考虑催化剂的活性温度范围。但催化剂的改变不影响平衡移动。(4)“惰气”对反应速率和平衡的影响。①恒温恒容，充入“惰气”，不改变反应速率和平衡移动。②恒温恒压，充入“惰气”体积增大(相当于压强减小)，v正、v逆均减小，平衡向气体分子数增多的方向移动。2．突破化学平衡状态的判断标志(1)等——“正逆相等”(三种表述)。①同一物质(两种表述)：v正＝v逆、断键数＝成键数。②不同物质：eq\f(v正X,X的化学计量数)＝eq\f(v逆Y,Y的化学计量数)(2)定——“变量不变”：如果一个量是随反应进行而改变的(即变量)，当其“不变”时反应就达到平衡状态，即“变量”不变可说明达到平衡状态。(3)依Q(浓度商)与K关系判断：若Q＝K，反应处于平衡状态。3．平衡移动方向判断两方法(1)根据v正与v逆的相对大小①若外界条件改变，引起v正>v逆，此时正反应占优势，则化学平衡向正反应方向(或向右)移动；②若外界条件改变，引起v正<v逆，此时逆反应占优势，则化学平衡向逆反应方向(或向左)移动；③若外界条件改变，虽能引起v正和v逆变化，但变化后新的v正′和v逆′仍保持相等，则化学平衡没有发生移动。(2)依据浓度商(Q)规则判断通过比较浓度商(Q)与平衡常数(K)的大小来判断平衡移动的方向。①若Q>K，平衡逆向移动；②若Q＝K，平衡不移动；③若Q<K，平衡正向移动。4．三种等效平衡(1)恒温恒容，对于非等体反应，极端转化各物质的量相等，平衡相同(c平、n平、v、%均相同)。(2)恒温恒压，任何气体反应，极端转化，各物质的量之比相同，平衡等效(c平、v、%均相同，但n平成比例)。(3)恒温恒容，对于等体反应，极端转化各物质的量之比相同，平衡等效(c%相同，c平、n平成比例，v不同)。高频考点二化学反应速率、转化率和平衡常数的有关计算1．化学反应速率的计算(1)公式法：v(B)＝eq\f(ΔcB,Δt)＝eq\f(\f(ΔnB,V),Δt)。(2)比值法：同一化学反应，各物质的反应速率之比等于方程式中的化学计量数之比。对于反应：mA(g)＋nB(g)=pC(g)＋qD(g)来说，则有eq\f(vA,m)＝eq\f(vB,n)＝eq\f(vC,p)＝eq\f(vD,q)。2．化学平衡常数的换算(1)同一可逆反应中，K正·K逆＝1；(2)同一方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小n倍，则新平衡常数K′与原平衡常数K间的关系是K′＝Kn或K′＝eq\r(n,K)。(3)几个可逆反应方程式相加，得总方程式，则总反应的平衡常数等于分步反应平衡常数之积。3．三段式突破反应速率与平衡的有关计算mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)起始/(mol·L－1)ab00变化/(mol·L－1)mxnxpxqx平衡/(mol·L－1)a－mxb－nxpxqx(1)v(A)＝eq\f(mx,Δt)。(2)α(A)＝eq\f(mx,a)×100%。(3)K＝eq\f(pxp·qxq,a－mxm·b－nxn)(4)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。产率＝eq\f(产物实际质量,理论产量)×100%。(5)混合物中某组分的百分含量＝eq\f(平衡量,平衡总量)×100%。高频考点三常见的化学反应速率、化学平衡图像分析1．速率—时间图像反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，m＋n>p＋q，且ΔH>0(1)t1时增大反应物的浓度，正反应速率瞬间增大，然后逐渐减小，而逆反应速率逐渐增大；(2)t2时升高温度，正反应和逆反应速率均增大，吸热反应的反应速率增大得快；(3)t3时减小压强，容器容积增大，浓度变小，正反应速率和逆反应速率均减小，正反应的反应速率减小得多；(4)t4时使用催化剂，正反应速率和逆反应速率均瞬间增大但仍相等。2.转化率(或含量)—时间图像反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，m＋n>p＋q，且ΔH>0(1)图甲表示压强对反应物转化率的影响，对于气体反应物化学计量数之和大于气体生成物化学计量数之和的反应，压强越大，反应物的转化率越大；(2)图乙表示温度对反应物转化率的影响，对于吸热反应，温度越高，反应物的转化率越大；(3)图丙表示催化剂对反应物转化率的影响，催化剂只能改变化学反应速率，不能改变反应物的转化率。3．恒压(温)线反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，m＋n>p＋q，且ΔH>0分析时可沿横轴作一条平行于纵轴的虚线，即为等压线或等温线，然后分析另一条件变化对该反应的影响。4．特殊类型图像(1)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，如图所示，M点前，表示从反应物开始，v正＞v逆；M点为刚达到平衡点；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH＜0。(2)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，如图所示，L线上所有的点都是平衡点。L线的左上方(E点)，A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量，所以E点v正＞v逆；则L线的右下方(F点)，v正＜v逆。5．速率、平衡图像题的分析方法(1)认清坐标系，弄清纵、横坐标所代表的意义，并与有关原理相结合。(2)看清起点，分清反应物、生成物，浓度减小的是反应物，浓度增大的是生成物，一般生成物多数以原点为起点。(3)看清曲线的变化趋势，注意渐变和突变，分清正、逆反应曲线，从而判断反应特点。(4)注意终点。例如，在浓度—时间图像上，一定要看清终点时反应物的消耗量、生成物的增加量，并结合有关原理进行推理判断。(5)图像中先拐先平数值大。例如，在转化率—时间图像上，先出现拐点的曲线先达到平衡，此时逆向推理可得该曲线对应的温度高、浓度大或压强大。(6)定一议二原则。当图像中有三个量时，先确定一个量不变再讨论另外两个量的关系。高频考点四速率与平衡图像在生产中的综合应用1．图像分析(1)⇒eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(\s\up(该反应为放热反应，低于,T0时，应慢，还未达到平衡，,为平衡建立过程，高于T0时，,为平衡移动过程))))(2)⇒eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(\s\up(随温度升高，－lgK减小，K增,大，反应为吸热反应ΔH>0))))(3)对于A(g)＋2B(g)C(g)⇒eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(\f(nA,nB)越大，Ag越多，αA越小))(4)⇒eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(\o(\s\up(3号催化剂最合适，,其最适温度为400℃))))2．图像题的一般分析思路(1)一审题：审明各物质的状态(有无固体、液体)，明确气体分子数的变化(变大、变小、不变)，正反应是吸热还是放热。(2)二析图像(3)三想方法规律①三步分析法：一看反应速率是增大还是减小；二看v(正)、v(逆)的相对大小；三看化学平衡移动的方向。②先拐先平数值大：在含量(转化率)－时间曲线中，先出现拐点的反应则先达到平衡，说明该曲线反应速率快，表示温度较高、有催化剂、压强较大等。③定一议二：当图像中有三个量时，先确定一个量不变，再讨论另外两个量的关系，有时还需要作辅助线。④想规律做判断：联想化学反应速率、化学平衡移动规律，将图表与原理结合，对照得出结论。高频考点五分压平衡常数(Kp)与速率常数(k正、k逆)1．Kp的两种计算模板(1)平衡总压为pN2＋3H22NH3n(平)abcp(分压)eq\f(a,a＋b＋c)p0eq\f(b,a＋b＋c)p0eq\f(c,a＋b＋c)p0Kp＝eq\f(\f(c,a＋b＋c)p02,\f(a,a＋b＋c)p0\f(b,a＋b＋c)p03)。(2)刚性容器起始压强为p0，平衡转化率为α2NO2N2O4p(始)p00Δpp0αeq\f(1,2)p0αp(平)p0－p0αeq\f(1,2)p0αKp＝eq\f(\f(1,2)p0α,p0－p0α2)。2．Kp与k正、k逆的关系以2NO2N2O4为例eq\b\lc\\rc\](\a\vs4\al\co1(v正＝k正p2NO2,v逆＝k逆pN2O4))eq\o(→,\s\up10(平衡时),\s\do12(v正＝v逆))k正p2(NO2)＝k逆p(N2O4)→eq\f(k正,k逆)＝eq\f(pN2O4,p2NO2)＝Kp。【题型突破】题型一化学反应速率与化学平衡的影响因素例1．（2021·福建宁德市高三一模）甲烷水蒸气催化重整是制备高纯氢的方法之一，反应为CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)。在不同温度下，向a、b两个恒温恒容的密闭容器中均通入1.1molCH4(g)和1.1molH2O(g)，测得容器a中CO物质的量、容器b中H2物质的量随时间的变化曲线如图所示(已知容器a、b的体积为2L)。下列说法正确的是()A．该反应为放热反应B．两容器达到平衡时，b容器中CO的体积分数大于a容器C．a容器前4min用CH4表示的平均反应速率为0.125mol/(L∙min)D．a容器达到平衡后，再充入1.1molCH4(g)和1molCO(g)，此时v正＜v逆【变式探究】（2021·湖南株洲市高三一模）利用现代传感技术探究压强对2NO2(g)N2O4(g)平衡移动的影响。在恒定温度和标准压强条件下，往针筒中充入一定体积的NO2气体后密封并保持活塞位置不变。分别在t1、t2时迅速移动活塞后并保持活塞位置不变，测定针筒内气体压强变化如图所示。下列分析中不正确的是()A．t1时移动活塞，使容器体积增大B．在B、E两点，对应的正反应速率：v(B)>v(E)C．图中除A、C、F点外，其他点均为平衡状态D．在E，F，H三点中，H点的气体平均相对分子质量最大题型二反应速率、转化率和平衡常数的基本计算例2．（2020·江苏卷）CH4与CO2重整生成H2和CO的过程中主要发生下列反应在恒压、反应物起始物质的量比条件下，CH4和CO2的平衡转化率随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法正确的是（）A.升高温度、增大压强均有利于提高CH4的平衡转化率B.曲线B表示CH4的平衡转化率随温度的变化C.相同条件下，改用高效催化剂能使曲线A和曲线B相重叠D.恒压、800K、n(CH4)：n(CO2)=1:1条件下，反应至CH4转化率达到X点的值，改变除温度外的特定条件继续反应，CH4转化率能达到Y点的值【举一反三】（2021·福建漳州市高三一模）温度为T1时，在容积为10L的恒容密闭容器充入一定量的M(g)和N(g)，发生反应。反应过程中的部分数据如表所示，下列说法正确的是（）t/min0510n(M)/mol6.04.0n(N)/mol3.01.0A．T2时该反应的化学平衡常数为0.64，则T1＞T2B．05min内，用M表示的平均反应速率为0.4mol∙L1∙min1C．该反应在第8min时v逆＞v正D．当M、N的转化率之比保持不变时，可判断该反应达到平衡状态【变式探究】（2021·河北石家庄高三模拟）在恒容密闭容器中充入气体和，发生反应，所得实验数据如表所示。下列说法正确的是()实验编号温度/℃起始起始平衡①300②500③500A．上述反应的B．时测得①中，则内C．500℃时，该反应的平衡常数D．实验③中反应达到平衡时，的转化率小于20％题型三化学图像分析例3．[2019江苏]在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是A．反应2NO(g)+O2(g)===2NO2(g)的ΔH>0B．图中X点所示条件下，延长反应时间能提高NO转化率C．图中Y点所示条件下，增加O2的浓度不能提高NO转化率D．380℃下，c起始(O2)=5.0×10−4mol·L−1，NO平衡转化率为50%，则平衡常数K>2000【变式探究】（2021·辽宁高三模拟）恒压下，将CO2和H2以体积比1∶4混合进行反应CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)(假定过程中无其他反应发生)，用Ru/TiO2催化反应相同时间，测得CO2转化率随温度变化情况如图所示。下列说法正确的是()A．反应CO2(g)＋4H2(g)=CH4(g)＋2H2O(g)的ΔH>0B．图中450℃时，延长反应时间无法提高CO2的转化率C．350℃时，c(H2)起始＝0.4mol·L－1，CO2平衡转化率为80%，则平衡常数K<2500D．当温度从400℃升高至500℃，反应处于平衡状态时，v(400℃)逆>v(500℃)逆【变式探究】(2019·全国卷Ⅰ)水煤气变换[CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g)]是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题：(1)Shibata曾做过下列实验：①使纯H2缓慢地通过处于721℃下的过量氧化钴CoO(s)，氧化钴部分被还原为金属钴Co(s)，平衡后气体中H2的物质的量分数为0.0250。②在同一温度下用CO还原CoO(s)，平衡后气体中CO的物质的量分数为0.0192。根据上述实验结果判断，还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO________H2(填“大于”或“小于”)。(2)721℃时，在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2的物质的量分数为________(填标号)。A．<0.25 B．0.25C．0.25～0.50 D．0.50E．>0.50(3)Shoichi研究了467℃、489℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如下图所示)，已知水煤气变换反应的ΔH<0。催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。计算曲线a的反应在30～90min内的平均速率eq\x\to(v)(a)＝________kPa·min－1。467℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。489℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。【举一反三】(2019·全国卷Ⅲ)近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：(1)Deacon发明的直接氧化法为4HCl(g)＋O2(g)=2Cl2(g)＋2H2O(g)。下图为刚性容器中，进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系：可知反应平衡常数K(300℃)________K(400℃)(填“大于”或“小于”)。设HCl初始浓度为c0，根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)＝1∶1的数据计算K(400℃)＝________________(列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是______________________________________________________________________。(2)在一定温度的条件下，进一步提高HCl的转化率的方法是_______________________________________________________________________________________。(写出2种)题型四化学反应原理综合例4.（2020·新课标Ⅰ）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=−98kJ·mol−1。回答下列问题：(1)钒催化剂参与反应的能量变化如图所示，V2O5(s)与SO2(g)反应生成VOSO4(s)和V2O4(s)的热化学方程式为：_______________________________________。(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0.5MPa、2.5MPa和5.0MPa压强下，SO2平衡转化率α随温度的变化如图所示。反应在5.0MPa、550℃时的α=__________，判断的依据是______________________。影响α的因素有____________________________。(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)0.8(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，如图所示。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。t<tm时，v逐渐提高；t>tm后，v逐渐下降。原因是__________________________。【变式探究】（2020·新课标Ⅱ）天然气的主要成分为CH4，一般还含有C2H6等烃类，是重要的燃料和化工原料。(1)乙烷在一定条件可发生如下反应：C2H6(g)=C2H4(g)+H2(g)ΔH，相关物质的燃烧热数据如下表所示：物质C2H6(g)C2H4(g)H2(g)燃烧热ΔH/(kJ·mol−1ΔH=_________kJ·mol−1。②提高该反应平衡转化率的方法有_________、_________。③容器中通入等物质的量的乙烷和氢气，在等压下(p)发生上述反应，乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数Kp=_________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。(2)高温下，甲烷生成乙烷的反应如下：2CH4C2H6+H2。反应在初期阶段的速率方程为：r=k×，其中k为反应速率常数。①设反应开始时的反应速率为r1，甲烷的转化率为α时的反应速率为r2，则r2=_____r1。②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是_________。A．增加甲烷浓度，r增大B．增加H2浓度，r增大C．乙烷的生成速率逐渐增大D．降低反应温度，k减小(3)CH4和CO2都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如下图所示：①阴极上的反应式为_________。②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，则消耗的CH4和CO2体积比为_________。【举一反三】（2020·新课标Ⅲ）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