2019高三化学一轮教师用书第7章　第1节　化学反应的方向限度

第章化学反应的方向、限度与速率第1节化学反应的方向、限度考纲定位全国卷5年考情1.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。2.能正确计算反应的平衡转化率(α)。3.了解化学反应进行的方向判断。2017年：Ⅰ卷T28(3)；Ⅲ卷T28(4)2016年：Ⅰ卷T27(2)；Ⅱ卷T27(1、2)；Ⅲ卷T26(3)2015年：Ⅰ卷T28(4)；Ⅱ卷T27(2)2014年：Ⅰ卷T28(3)；Ⅱ卷T26(1、2)2013年：Ⅱ卷T28(2、3)考点1|化学反应进行的方向(对应学生用书第131页)[考纲知识整合]1．自发过程(1)含义在一定条件下，不需要借助于外力作用就能自动进行的过程。(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，体系有从有序自发地转变为无序的倾向(无序体系更加稳定)。2．自发反应在一定条件下无须外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。提醒：自发反应(过程)指的是在一定条件下自发进行的倾向而不一定发生，如燃烧反应是自发反应，但在常温下不一定燃烧。3．化学反应方向(1)三个判据提醒：(1)熵：衡量体系混乱程度的物理量，符号为S，单位为J·mol－1·K－1。(2)熵的大小：a.同种物质，由固态→液态→气态是一个熵增的过程，即S(g)＞S(l)＞S(s)。b．气体分子数增大的反应的ΔS＞0。(2)一般规律①ΔH<0，ΔS>0的反应任何温度下都能自发进行；②ΔH>0，ΔS<0的反应任何温度下都不能自发进行；③ΔH和ΔS的作用相反，且相差不大时，温度对反应的方向起决定性作用。当ΔH<0，ΔS<0时低温下反应能自发进行；当ΔH>0，ΔS>0时，高温下反应能自发进行。说明：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系数大小。[高考命题点突破]命题点化学反应方向的判断1．下列说法正确的是________(填序号)。【导学号：95160190】(1)电解质溶解于水的ΔS＜0(2)碳、硫燃烧的ΔS＞0，ΔH＜0(3)CaCO3(s)加热分解的ΔS＜0，ΔH＞0(4)2AB(g)C(g)＋3D(g)的反应高温有利于自发进行，则反应的ΔH＞0(5)凡是放热反应都是自发的，吸热反应都是非自发的(6)－10℃(7)常温下，反应C(s)＋CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH>0(8)反应2Mg(s)＋CO2(g)=C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则该反应的ΔH>0【答案】(2)(4)(7)2．(1)2NO(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋N2(g)。反应能够自发进行，则反应的ΔH________0(填“>”“<”或“＝”)。(2)(2016·全国Ⅱ卷，改编)①C3H6(g)＋NH3(g)＋eq\f(3,2)O2(g)=C3H3N(g)＋3H2O(g)ΔH＝－515kJ·mol－1②C3H6(g)＋O2(g)=C3H4O(g)＋H2O(g)ΔH＝－353kJ·mol－1，上述①②反应在热力学上趋势均很大的原因是_____________________________，其中反应ΔS>0的是反应________。【答案】(1)＜(2)①②反应均为放热量大的反应①考点2|化学平衡常数及其相关计算(对应学生用书第132页)[考纲知识整合]1．化学平衡常数(1)概念：在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，用符号K表示。(2)表达式对于反应aA＋bBcC＋dD，K＝eq\f([C]c[D]d,[A]a[B]b)。实例①Cl2＋H2OHClO＋H＋＋Cl－K＝eq\f([HClO][H＋][Cl－],[Cl2])。②C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)K＝eq\f([CO][H2],[H2O])。③COeq\o\al(2－,3)＋H2OHCOeq\o\al(－,3)＋OH－K＝eq\f([HCO\o\al(－,3)][OH－],[CO\o\al(2－,3)])。④CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)K＝c(CO2)。(3)转化关系①对于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)K12NH3(g)N2(g)＋3H2(g)K2NH3(g)eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)K3则K1与K2的关系为K1·K2＝1，K2与K3的关系为K2＝Keq\o\al(2,3)，K3与K1的关系为K1＝eq\f(1,K\o\al(2,3))。②已知A＋B2CK1，C＋DEK2，则A＋B＋2D2E的K3＝K1·Keq\o\al(2,2)(用K1、K2表示)。(4)意义：化学平衡常数的大小反映了化学反应进行的程度。K正反应进行的程度平衡时生成物浓度平衡时反应物浓度反应物转化率越大越大越大越小越大越小越小越小越大越小提醒：一般地说，当K>105时，就认为反应基本进行完全了，当K<10－5时，认为反应很难进行。2．平衡常数的影响因素对于确定的化学反应，平衡常数K只与温度有关，与浓度、压强无关。(1)对于吸热反应，升高温度，K值增大。(2)对于放热反应，升高温度，K值减小。3．平衡转化率对于反应：aA＋bBcC＋dD中A(g)的平衡转化率可表示为：α(A)＝eq\f(c0A－[A],c0A)×100%{c0(A)代表A的初始浓度，[A]代表A的平衡浓度}。[应用体验]正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度。()(2)催化剂能改变化学反应速率，也能改变平衡常数。()(3)平衡常数发生变化，化学平衡不一定发生移动。()(4)化学平衡发生移动，平衡常数不一定发生变化。()(5)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。()(6)化学平衡常数只受温度的影响，温度升高，化学平衡常数的变化取决于该反应的反应热。()(7)同一可逆反应的正、逆两向平衡常数互为倒数。()(8)若反应物的转化率改变，化学平衡常数一定改变。()【答案】(1)×(2)×(3)×(4)√(5)√(6)√(7)√(8)×[高考命题点突破]命题点1化学平衡的含义及影响因素1．利用醋酸二氨合铜[Cu(NH3)2Ac]溶液吸收CO，能达到保护环境和能源再利用的目的，反应方程式为Cu(NH3)2Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)温度/℃1550100化学平衡常数5×10421.9×10－5下列说法正确的是()【导学号：95160191】A．上述正反应为吸热反应B．15℃时，反应[Cu(NH3)3]Ac·COCu(NH3)2Ac＋CO＋NH3的平衡常数为2×C．保持其他条件不变，减小压强，CO的转化率减小，化学平衡常数减小D．醋酸二氨合铜溶液的浓度的改变使化学平衡常数也改变B[根据提供数据，温度降低，平衡常数增大，说明降低温度，平衡向正反应方向移动，则正反应为放热反应，A项错误；[Cu(NH3)3]Ac·COCu(NH3)2Ac＋CO＋NH3为Cu(NH3)2Ac＋CO＋NH3[Cu(NH3)3]Ac·CO的逆反应，两反应的平衡常数互为倒数，则[Cu(NH3)3]Ac·COCu(NH3)2Ac＋CO＋NH3的平衡常数K＝eq\f(1,5×104)＝2×10－5，B项正确；减小压强，平衡逆向移动，CO的转化率降低，但平衡常数不改变，C项错误；浓度改变不影响平衡常数，D项错误。]2．(2018·武汉模拟)已知反应A(g)＋B(g)C(g)＋D(g)的平衡常数和温度的关系如下：温度/℃70080083010001200平衡常数1.71.11.00.60.4现有两个相同的2L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器Ⅰ、Ⅱ，在Ⅰ中充入1molA和1molB，在Ⅱ中充入1molC和1molD,800℃A．容器Ⅰ、Ⅱ中的压强相等B．容器Ⅰ、Ⅱ中反应的平衡常数相同C．该反应的正反应是放热反应D．容器Ⅰ中A的浓度比容器Ⅱ中的小C[由题中平衡常数与温度的关系可得该反应的正反应是放热反应，C正确；由于反应体系是绝热体系，则容器Ⅰ达到平衡时的温度比容器Ⅱ高，故其平衡常数小，平衡时压强大，A、B错误；容器Ⅰ比容器Ⅱ温度高，故平衡时A的浓度容器Ⅰ大于容器Ⅱ，D错误。]3．随着科学技术的发展和环保要求的不断提高，CO2的捕集利用技术成为研究的重点。完成下列填空：(1)目前国际空间站处理CO2的一个重要方法是将CO2还原，所涉及的反应方程式为CO2(g)＋4H2(g)eq\o(,\s\up12(Ru))CH4(g)＋2H2O(g)已知H2的体积分数随温度的升高而增加。若温度从300℃升至400℃，重新达到平衡，判断下列表格中各物理量的变化。(选填“增大”“减小”或“不变v正v逆平衡常数K转化率α(2)相同温度时，上述反应在不同起始浓度下分别达到平衡，各物质的平衡浓度如下表：[CO2]/(mol·L－1)[H2]/(mol·L－1)[CH4]/(mol·L－1)[H2O]/(mol·L－1)平衡Ⅰabcd平衡Ⅱmnxya、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为________。【解析】(1)H2的体积分数随温度的升高而增加，这说明升高温度平衡向逆反应方向移动，即正反应是放热反应。升高温度，正、逆反应速率均增大，平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，反应物的转化率减小。(2)相同温度时平衡常数不变，则a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为eq\f(cd2,ab4)＝eq\f(xy2,mn4)。【答案】(1)v正v逆平衡常数K转化率α增大增大减小减小(2)eq\f(cd2,ab4)＝eq\f(xy2,mn4)[易错防范]化学平衡常数的3个误区1化学平衡常数与物质状态的关系由于固体或纯液体的浓度视为常数1，所以在平衡常数表达式中不再写出。2化学平衡常数与平衡移动的关系即使化学平衡发生移动，但只要温度不变，平衡常数就不会改变，利用此守恒可以计算恒定温度下再次平衡后的转化率等物理量，这也是定量化学的重要定律。3若同一个反应的系数改变，化学平衡常数可能改变，但表示的意义不改变。

命题点2利用平衡常数判断反应方向4．(2017·渭南二模)某温度，将2molCO与5molH2的混合气体充入容积为2L的密闭容器中，在催化剂的作用下发生反应：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。经过5min后，反应达到平衡，此时转移电子6mol。【导学号：95160192】(1)该反应的平衡常数为______，v(CH3OH)＝________mol·L－1·min－1。若保持体积不变，再充入2molCO和1.5molCH3OH，此时v(正)________v(逆)(填“＞”“＜”或“＝”)。此时平衡向________移动(填“左”或“右”)，平衡常数为________。(2)在其他条件不变的情况下，再增加2molCO与5molH2，达到新平衡时，CO的转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。【解析】(1)依据化学方程式知，转移4mol电子消耗CO的物质的量为1mol，此时转移6mol电子，消耗的CO物质的量＝eq\f(6mol,4mol)×1mol＝1.5molCO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)起始/(mol)250变化/(mol)1.531.5平衡/(mol)0.521.5平衡浓度[CO]＝eq\f(0.5mol,2L)＝0.25mol·L－1，[H2]＝eq\f(2mol,2L)＝1mol·L－1，[CH3OH]＝eq\f(1.5mol,2L)＝0.75mol·L－1，平衡常数K＝eq\f([CH3OH],[CO]·[H2]2)＝eq\f(0.75,0.25×12)L2·mol－2＝3L2·mol－2；5min内，v(CH3OH)＝eq\f(\f(1.5mol,2L),5min)＝0.15mol·L－1·min－1。若保持体积不变，再充入2molCO和1.5molCH3OH，此时浓度商Q＝eq\f(\f(1.5＋1.5,2),\f(0.5＋2,2)×12)＝1.2L2·mol－2＜3L2·mol－2说明平衡正向进行，此时v(正)＞v(逆)。此时温度不变，平衡常数不变仍为3L2·mol－2。(2)在其他条件不变的情况下，再增加2molCO与5molH2，相当于增大压强，反应CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)，是气体体积减小的反应，平衡正向移动，CO的转化率增大。【答案】(1)3L2·mol－20.15＞右3L2·mol－2(2)增大[方法技巧]利用K和Q判断反应方向(对于化学反应aAg＋bBgcCg＋dDg的任意状态，浓度商：Q＝eq\f(ccC·cdD,caA·cbB)，有：eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(Q<K：反应向正反应方向进行，v正>v逆,Q＝K：反应处于化学平衡状态，v正＝v逆,Q>K：反应向逆反应方向进行，v正<v逆))命题点3“三段式”突破K、α的相关综合计算[典例导航](2017·全国Ⅰ卷，节选)H2S与CO2在高温下发生反应：H2S(g)＋CO2(g)COS(g)＋H2O(g)。在610K时，将0.10molCO2与0.40molH2S充入2.5L的空钢瓶中，反应平衡后水的物质的量分数为0.02。(1)H2S的平衡转化率α1＝________%，反应平衡常数K＝________。(2)在620K重复实验，平衡后水的物质的量分数为0.03，H2S的转化率α2______α1，该反应的ΔH______0。(填“>”“<”或“＝”)(3)向反应器中再分别充入下列气体，能使H2S转化率增大的是________(填标号)。A．H2SB．CO2C．COSD．N2[审题指导](1)一步：写方程式列三段式H2S(g)＋CO2(g)COS(g)＋H2O(g)n(始)/mol0.400.1000Δn/molxxxxn(平)/mol0.40－x0.10－xxx二步：列方程求未知量eq\f(x,0.40mol－x＋0.10mol－x＋x＋x)＝0.02解得：x＝0.01mol三步：明确问题规范答案H2S的平衡转化率α1＝eq\f(ΔnH2S,nH2S)＝2.5%。K＝eq\f([COS][H2O],[H2S][CO2])＝eq\f(1,351)≈2.8×10－3。(2)w(H2O)＝0.03＞0.02⇒升温平衡右移⇒ΔH＞0。(3)两种反应物，增大一种反应物，平衡右移，另一反应物转化率增大，自身转化率减小。增大生成物浓度，平衡左移，转化率减小。【答案】(1)2.52.8×10－3(2)＞>(3)B(1)610K时CO2的转化率为________，比H2S的转化率________。(2)610K时，2H2S(g)＋2CO2(g)2COS(g)＋2H2O(g)的平衡常数K′约为________。(3)620K时，化学平衡常数K约为________，比610K时的平衡常数K________。【答案】(1)10%大(2)7.8×10－6(3)6.9×10－3大[题后归纳]“三段式”突破化学平衡的综合计算的方法已知反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量浓度分别为amol·L－1、bmol·L－1，经ts达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mxmol·L－1。mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)起始mol·L－1ab0变化mol·L－1mxnxpxqx平衡mol·L－1a－mxb－nxpx相关计算：①平衡常数：K＝eq\f(pxp·qxq,a－mxm·b－nxn)。②A的平衡转化率：α(A)平＝eq\f(mx,a)×100%。③A的物质的量分数(或气体A的体积分数)：w(A)＝eq\f(a－mx,a－mx＋b－nx＋px＋qx)×100%。④v(A)＝eq\f(mx,t)。⑤混合气体的平均密度：eq\x\to(ρ)混＝eq\f(m总,V)。注意：在求有关物理量时，一定注意是用“物质的量”还是用“物质的量浓度”代入计算。[对点训练](2017·全国Ⅲ卷，节选)298K时，将20mL3xmol·L－1Na3AsO3、20mL3xmol·L－1I2和20mLNaOH溶液混合，发生反应：AsOeq\o\al(3－,3)(aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq)AsOeq\o\al(3－,4)(aq)＋2I－(aq)＋H2O(l)。溶液中c(AsOeq\o\al(3－,4))与反应时间(t)的关系如图所示。(1)下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。a．溶液的pH不再变化b．v(I－)＝2v(AsOeq\o\al(3－,3))c．c(AsOeq\o\al(3－,4))/c(AsOeq\o\al(3－,3))不再变化d．c(I－)＝ymol·L－1(2)tm时，v正________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。(3)tm时v逆________tn时v逆(填“大于”“小于”或“等于”)，理由是_______________________________________________。(4)若平衡时溶液的pH＝14，则该反应的平衡常数K为________。【解析】(1)a对：溶液pH不变时，则c(OH－)也保持不变，反应处于平衡状态。b错：根据反应方程式，始终存在速率关系：v(I－)＝2v(AsOeq\o\al(3－,3))，反应不一定处于平衡状态。c对：由于Na3AsO3总量一定，当c(AsOeq\o\al(3－,4))/c(AsOeq\o\al(3－,3))不再变化时，c(AsOeq\o\al(3－,4))、c(AsOeq\o\al(3－,3))也保持不变，反应建立平衡。d错：由图可知，建立平衡时c(I－)＝2c(AsOeq\o\al(3－,4))＝2ymol·L－1，因此c(I－)＝ymol·L－1时，反应没有建立平衡。(2)tm时，反应正向进行，故v正大于v逆。(3)由于tm时生成物AsOeq\o\al(3－,4)的浓度小于tn时AsOeq\o\al(3－,4)的浓度，因v逆的大小取决于生成物浓度的大小，故tm时的v逆小于tn时的v逆。(4)反应前，三种溶液混合后，c(Na3AsO3)＝3xmol·L－1×eq\f(20mL,20mL＋20mL＋20mL)＝xmol·L－1，同理，c(I2)＝xmol·L－1，反应情况如下：AsOeq\o\al(3－,3)(aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq)AsOeq\o\al(3－,4)(aq)＋2I－(aq)＋H2O(l)起始浓度/mol·L－1xx00平衡浓度/mol·L－1x－yx－y1y2yK＝eq\f(y·2y2,x－y·x－y×12)＝eq\f(4y3,x－y2)(mol·L－1)－1。【答案】(1)ac(2)大于(3)小于tm时生成物浓度较低(4)eq\f(4y3,x－y2)(mol·L－1)－1(2018·山东名校联考)已知合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0。某温度下，若将1molN2和2.8molH2分别投入到初始体积为2L的恒温恒容、恒温恒压和恒容绝热的三个密闭容器中，测得反应过程中三个容器(用a、b、c表示)内N2的转化率随时间的变化如图所示，请回答下列问题：(1)图中代表反应在恒容绝热容器中进行的曲线是________(用a、b、c表示)。(2)曲线a条件下该反应的平衡常数K＝________。(3)b容器中M点，v(正)________v(逆)(填“大于”“小于”或“等于”)。【解析】(1)恒容绝热达到平衡时温度高，反应快，到达平衡的时间短，正向程度小，α(N2)小，进行的曲线为c。(2)达到平衡时恒温恒容比恒温恒压的压强小，N2的转化率小，a对应恒温恒压，b对应恒温恒容，但二者的温度相同，故二者的化学平衡常数相同。N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)c始/(mol/L)0.51.40Δc/(mol/L)0.5×80%3×0.5×80%2×0.5×80%c平/(mol/L)0.10.20.8Kb＝eq\f(0.82,0.1×0.23)L2·mol－2＝800L2·mol－2＝Ka。(3)b容器中M点，N2的转化率比平衡时大，反应向逆向进行，故M点v(正)＜v(逆)。【答案】(1)c(2)800L2·mol－2(3)小于命题点4Kp的有关计算5．(2015·四川高考)一定量的CO2与足量的碳在体积可变的恒压密闭容器中反应：C(s)＋CO2(g)2CO(g)。平衡时，体系中气体体积分数与温度的关系如下图所示：已知：气体分压(p分)＝气体总压(p总)×体积分数。下列说法正确的是()【导学号：95160193】A．550℃时，若充入惰性气体，v正、v逆B．650℃时，反应达平衡后CO2C．T℃时，若充入等体积的CO2和CO，平衡向逆反应方向移动D．925℃时，用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp＝24.0pB[A.550℃时，若充入惰性气体，v正、v逆均减小，由于保持了压强不变，相当于扩大了体积，平衡正向移动，A项错误。B.根据图示可知，在650℃时，CO的体积分数为40%，根据反应方程式：C(s)＋CO2(g)2CO(g)，设开始加入1molCO2，反应掉了xmolCOC(s)＋CO2(g)2CO(g)始态：1mol0变化：xmol2xmol平衡：(1－x)mol2xmol因此有：eq\f(2x,1－x＋2x)×100%＝40%，解得x＝0.25，则CO2的平衡转化率为eq\f(0.25mol,1mol)×100%＝25%，故B项正确。C.因为是恒压体系，T℃时，CO2、CO的体积分数均为50%，故充入等体积的CO2和CO，平衡不移动，C项错误。D.925℃时，CO的体积分数为96%，故Kp＝eq\f([CO]2,[CO2])＝eq\f(96%p总2,4%p总)＝23.04p总，D项错误。][题后拓展]Kp的含义及有关计算Kp含义：在化学平衡体系中，各气体物质的分压替代浓度，计算的平衡常数叫压强平衡常数。单位与表达式有关。计算技巧：第一步，根据“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，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，根据平衡常数计算公式代入计算。例如，N2g＋3H2g2NH3g，压强平衡常数表达式为Kp＝eq\f(p2NH3,pN2·p3H2)。命题点5化学平衡常数与反应速率常数的关系6．(2015·全国Ⅰ卷，节选)Bodensteins研究了下列反应：2HI(g)H2(g)＋I2(g)在716K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表：t/min020406080120x(HI)10.910.850.8150.7950.784x(HI)00.600.730.7730.7800.784(1)根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为________。(2)上述反应中，正反应速率为v正＝k正x2(HI)，逆反应速率为v逆＝k逆x(H2)x(I2)，其中k正、k逆为速率常数，则k逆为________(以K和k正表示)。若k正＝0.0027min－1，在t＝40min时，v正＝________min－1。(3)由上述实验数据计算得到v正～x(HI)和v逆～x(H2)的关系可用下图表示。当升高到某一温度时，反应重新达到平衡，相应的点分别为______(填字母)。【解析】(1)由表