湖南省永州市2019年高考化學二輪復習 課時17 化學平衡常數 化學平衡相關計算與圖像分析學案.docx
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化學平衡常數 化學平衡相關計算與圖像分析 【明確考綱】 了解化學平衡常數(K)的含義，能利用化學平衡常數進行相關計算。 【課前真題】 1.（2016年四川卷，6T）一定條件下，CH4與H2O(g)發(fā)生反應：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)，設起始m(H2O)/m(CH4)=Z，在恒壓下，平衡時ψ(CH4)的體積分數與Z和T（溫度）的關系如圖所示。下列說法正確的是（） A．該反應的焓變△H>0 B．圖中Z的大小為a>3>b C．圖中X點對應的平衡混合物中m(H2O)/m(CH4) =3 D．溫度不變時，圖中X點對應的平衡在加壓后ψ(CH4)減小 【解析】選A；A、從圖分析，隨著溫度升高甲烷的體積分數逐漸減小，說明升溫平衡正向移動，則正反應為吸熱反應，故正確；B、m(H2O)/m(CH4)的比值越大，則甲烷的體積分數越小，故a<30。 3.（2016年全國卷II 27T）丙烯腈（CH2=CHCN）是一種重要的化工原料，工業(yè)上可用“丙烯氨氧化法”生產，主要副產物有丙烯醛（CH2=CHCHO）和乙腈（CH3CN）等?；卮鹣铝袉栴}： （1）以丙烯、氨、氧氣為原料，在催化劑存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副產物丙烯醛（C3H4O）的熱化學方程式如下： ①C3H6（g）＋NH3（g）＋1.5 O2（g）=== C3H3N（g）＋3H2O（g） ΔH＝－515 kJmol－1 ②C3H6（g）＋O2（g）=== C3H4O（g）＋H2O（g） ΔH＝－353 kJmol－1 兩個反應在熱力學上趨勢均很大，其原因是__________________________； 有利于提高丙烯腈平衡產率的反應條件； 提高丙烯腈反應選擇性的關鍵因素是____________________________。 （2）圖（a）為丙烯腈產率與反應溫度的關系曲線，最高產率對應的溫度為460 ℃，低于460 ℃時，丙烯腈的產率 ?。ㄌ睢笆恰被颉安皇恰保獪囟认碌钠胶猱a率，判斷理由是_________________________________________； 高于460 ℃時，丙烯腈產率降低的可能原因是 ?。p選，填標號）。 A.催化劑活性降低 B.平衡常數變大 C.副反應增多 D.反應活化能增大 （3）丙烯腈和丙烯醛的產率與n（氨）/n（丙烯）的關系如圖（b）所示。由圖可知，最佳n（氨）/n（丙烯）約為 ，理由是____________________， 進料氣氨、空氣、丙烯的理論體積比約為 。 【答案】：（1）兩個反應均為放熱量大的反應 降低溫度降低壓強 催化劑 （2）不是該反應為放熱反應，平衡產率應隨溫度升高而降低AC （3）1該比例下丙烯腈產率最高，而副產物丙烯醛產率最低1:7.5:1 【解析】：（1）因為兩個反應均為放熱量大的反應，所以在熱力學上趨勢均很大；該反應為氣體分子數增大的放熱反應，所以降低溫度、降低壓強有利于提高丙烯腈平衡產率；提高丙烯腈反應選擇性的關鍵因素是催化劑。 （2）因為該反應為放熱反應，平衡產率應隨溫度升高而降低，反應該開始進行，尚未達到平衡狀態(tài)，460℃以前是建立平衡的過程，所以低于460℃時，丙烯腈產率不是對應溫度下的平衡產率；高于460℃時，丙烯腈產率降低。A．催化劑在一定溫度范圍內活性較高，若溫度過高，活性降低，正確。B．平衡常數變大，對產率的影響是提高產率才對，錯誤。C．根據題意，副產物有丙烯醛，副反應增多導致產率下降，正確。D．反應活化能的大小不影響平衡，錯誤。 （3）根據圖像可知，當n（氨）/n（丙烯）約為1時，該比例下丙烯腈產率最高，而副產物丙烯醛產率最低；根據化學反應C3H6(g)+NH3(g)+1.5 O2(g)=C3H3N(g)+3H2O(g)，氨氣、氧氣、丙烯按1:1.5:1的體積比加入反應達到最佳狀態(tài)，而空氣中氧氣約占20%，所以進料氣氨、空氣、丙烯的理論體積比約為1:7.5:1 4.（2018年全國卷I28 節(jié)選）（2）F. Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中研究了25℃時N2O5(g)分解反應： 其中NO2二聚為N2O4的反應可以迅速達到平衡，體系的總壓強p隨時間t的變化如下表所示（t=∞時，N2O5(g)完全分解）： t/min 0 40 80 160 260 1300 1700 ∞ p/kPa 35.8 40.3 42.5. 45.9 49.2 61.2 62.3 63.1 ①已知：2N2O5(g)=N2O4(g)+O2(g) ΔH1=?4.4 kJmol?1 2NO2(g) =N2O4(g) ΔH 2=?55.3 kJmol?1 則反應N2O5(g)=2NO2(g)+O2(g)的ΔH=_______ kJmol?1。 ②研究表明，N2O5(g)分解的反應速率v=210?3(kPamin?1)，t=62 min時，測得體系中=2.9 kPa，則此時的=________kPa，v=_______ kPamin?1。 ③若提高反應溫度至35℃，則N2O5(g)完全分解后體系壓強p∞(35℃)____63.1 kPa（填“大于”“等于”或“小于”），原因是________。 ④25℃時N2O4(g)2NO2(g)反應的平衡常數Kp=_______kPa（Kp為以分壓表示的平衡常數，計算結果保留1位小數）。 【答案】 ①53.1 ②30.0 6.010－2 ③ 大于 溫度提高，體積不變，總壓強提高；NO2二聚為放熱反應，溫度提高，平衡左移，體系物質的量增加，總壓強提高④13.4 【解析】 ②根據方程式可知氧氣與消耗五氧化二氮的物質的量之比是1:2，又因為壓強之比是物質的量之比，所以消耗五氧化二氮減少的壓強是2.9kPa2＝5.8kPa，則此時五氧化二氮的壓強是35.8kPa－5.8kPa＝30.0kPa，因此此時反應速率v＝2.010－330＝6.010－2（kPamin－1）； ③由于溫度升高，容器容積不變，總壓強提高，且二氧化氮二聚為放熱反應，溫度提高，平衡左移，體系物質的量增加，總壓強提高，所以若提高反應溫度至35℃，則N2O5(g)完全分解后體系壓強p∞(35℃)大于63.1 kPa。 ④根據表中數據可知五氧化二氮完全分解時的壓強是63.1kPa，根據方程式可知完全分解時最初生成的二氧化氮的壓強是35.8kPa2＝71.6 kPa，氧氣是35.8kPa2＝17.9 kPa，總壓強應該是71.6 kPa+17.9 kPa＝89.5 kPa，平衡后壓強減少了89.5 kPa－63.1kPa＝26.4kPa，所以根據方程式2NO2(g)N2O4(g)可知平衡時四氧化二氮對應的壓強是26.4kPa，二氧化氮對應的壓強是71.6 kPa－26.4kPa2＝18.8kPa，則反應的平衡常數。 課堂精講 【考點歸類】 一、化學平衡常數： 1．概念 在一定溫度下，當一個可逆反應達到化學平衡時，生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值是一個常數，用符號K表示。 2．表達式 對于反應mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)， K＝(固體和純液體的濃度視為常數，通常不計入平衡常數表達式中)。 3．意義 (1)K值越大，反應物的轉化率越大，正反應進行的程度越大。 (2)K只受溫度影響，與反應物或生成物的濃度變化無關。 (3)化學平衡常數是指某一具體反應的平衡常數。 4．應用 (1)判斷、比較可逆反應進行的程度 一般來說，一定溫度下的一個具體的可逆反應： K值 正反應進行的程度 平衡時生成物濃度 平衡時反應物濃度 反應物轉化率 越大 越大 越大 越小 越高 越小 越小 越小 越大 越低 (2)判斷正在進行的可逆反應是否達到平衡或反應進行的方向 對于可逆反應：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，濃度商Qc＝，則將濃度商和平衡常數作比較可判斷可逆反應所處的狀態(tài)。 (3)判斷可逆反應的熱效應 ， ， (4)計算平衡體系中的相關量 根據相同溫度下，同一反應的平衡常數不變，計算反應物或生成物的濃度、轉化率等。 二、化學平衡圖像分析： 1．題型分類 (1)分析外界條件對反應速率及化學平衡的影響； (2)由圖象判斷反應特征(確定反應中各物質的化學計量數、判斷熱效應或氣體物質化學計量數的變化關系)； (3)由反應和圖象判斷圖象中坐標或曲線的物理意義； (4)由反應和圖象判斷符合圖象變化的外界條件； (5)由反應判斷圖象正誤等。 2．解題指導 (1)看圖象：一看軸，即縱、橫坐標的意義；二看點，即起點、拐點、交點、終點；三看線，即線的走向和變化趨勢；四看輔助線，即等溫線、等壓線、平衡線等；五看量的變化，如濃度變化、溫度變化、轉化率變化、物質的量的變化等。 (2)依據圖象信息，利用平衡移動原理，分析可逆反應的特征：吸熱還是放熱，氣體計量數增大、減小還是不變，有無固體或純液體參加或生成等。 (3)先拐先平：在化學平衡圖象中，先出現(xiàn)拐點的反應先達到平衡，可能是該反應的溫度高、濃度大、壓強大或使用了催化劑。 (4)定一議二：勒夏特列原理只適用于一個條件的改變，所以圖象中有三個變量時，先固定一個量，再討論另外兩個量的關系。 【典例剖析】 NO2氣體對環(huán)境有危害，應特別注意對地表水、土壤、大氣和飲用水的污染。在一定溫度時，將0.80 mol的NO2氣體充入4 L真空的密閉容器中，每隔一段時間就對該容器內的物質進行分析，得到數據如下表所示： 時間(s) 0 20 40 60 80 n(NO2)/mol 0.80 n1 0.52 n3 n4 n(N2O4)/mol 0.00 0.10 n2 0.16 0.16 (1)在上述條件下，反應從20 s至40 s這一時間段內，NO2的平均反應速率為molL-1s-1。 (2)n3________n4(填“＞”、“＜”或“＝”)，該反應的平衡常數為(保留小數點后一位)。 (3)達到平衡后，如向該密閉容器中再充入0.64 mol氦氣，并把容器體積擴大為8 L，則平衡將(選填“向正反應方向移動”、 “向逆反應方向移動”或“不移動”)，其理由是。 (4)若在相同情況下，最初向該容器中充入的是N2O4氣體，要達到上述同樣的平衡狀態(tài)，起始充入N2O4的物質的量是mol，假設在80 s時達到平衡，請在圖中畫出并標明該條件下此反應中N2O4和NO2的濃度隨時間變化的曲線。 (5)取五等份NO2，分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，反應相同時間后，分別測定體系中NO2的百分量(NO2%)，并作出其隨反應溫度(T)變化的關系圖。下列示意圖中，可能與實驗結果相符的是。 【答案】：(1)0.001 (2)=；2.8 (3)向逆反應方向移動；氦氣是稀有氣體，不參與反應；擴大體積的瞬間，c(NO2)和c(N2O4)均降低為原來一半，使c(N2O4)/c2(NO2)增大，并大于該溫度下的平衡常數，平衡左移。 (4)0.40 (5)BD 【技巧點撥】 1.三段式求解反應速率及平衡計算題關鍵： mA(g)＋nB(g) pC(g) ＋qD(g) 轉化(molL－1)x 2.一定溫度下，判斷正在進行的可逆反應是否達到平衡或反應進行的方向：比較濃度商Qc與平衡常數K大小. 3.在該時間點，此題分三種情況： 1 五種溫度下均已平衡：反應放熱，溫度升高，平衡左移，NO2量增多；選B。 2 五種溫度下均未平衡：溫度越高，速率越快，NO2量越少。 3 溫度處于較低范圍內未平衡，溫度越高，速率越快，NO2量越少； 溫度處于較高范圍內已平衡，反應放熱，溫度升高，平衡左移，NO2量增多；選D 【變式訓練】 “C1化學”是指以碳單質或分子中含1個碳原子的物質（如CO、CO2、CH4、CH3OH等）為原料合成工業(yè)產品的化學工藝，對開發(fā)新能源和控制環(huán)境污染有重要意義． （1）一定溫度下，在容積為2L的密閉容器中，發(fā)生反應：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H=-49.0kJ/mol．相關數據如下： 反應物投入量 1molCO2（g）和3molH2（g） 平衡時c（CH3OH） c1 平衡時能量變化 放出29.4kJ 若甲中反應10s時達到平衡，則用CO2來表示甲中反應從開始到平衡過程中的平均反應速率是mol/（Ls）． （2）壓強為p1時，向體積為1L的密閉容器中充入bmolCO和2bmolH2，發(fā)生反應CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）．平衡時CO的轉化率與溫度、壓強的關系如圖所示．請回答： ①該反應屬于（填“吸”或“放”）熱反應；p1p2（填“＞”、“＜”或“=”）． ②100℃時，該反應的平衡常數K=（用含b的代數式表示）． （3）治理汽車尾氣的反應是2NO（g）+2CO（g） 2CO2（g）+N2（g）△H＜0．在恒溫恒容的密閉容器中通入n（NO）：n（CO）=1：2的混合氣體，發(fā)生上述反應．下圖正確且能說明反應在進行到t1時刻一定達到平衡狀態(tài)的是（選填字母）． 【答案】（1）0.03；（2）①放；＜；②K=1/b2（3）c d 【課后鞏固】 1.向某密閉容器中加入0.3mol A、0.1mol C和一定量的B三種氣體，一定條件下發(fā)生反應，各物質濃度隨時間變化如下甲圖所示。下乙圖為平衡體系中速率隨時 間變化的情況，且四個階段都各改變一種條件，所用條件均不同。若t4時刻改變條件是壓強，則下列說法錯誤的是 甲 乙 A. 若t1=15s，則前15s的平均反應速率v（C）=0.004mol/(Ls) B. 該反應的化學方程式是3A(g)B(g) ＋ 2C(g) C. t2 、t3 、t5時刻改變的條件分別是升高溫度、加入催化劑、增大反應物濃度 D. B的起始物質的量為0.04mol c答案：C 2. 在一定條件下，對于反應aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，C的百分含量（C%）與溫度、壓強的關系如圖所示，下列反應的ΔH和ΔS判斷正確的是（ ） A．ΔH<0 ΔS>0 B．ΔH>0 ΔS<0 C．ΔH>0 ΔS>0 D．ΔH<0 ΔS<0 答案：A 3. 將E和F加入密閉容器中，在一定條件下發(fā)生反應：E(g)＋F(s)2G(g)。忽略固體體積，平衡時G的體積分數(%)隨溫度和壓強的變化如下表所示： 壓強/MPa 體積分數/ (%) 溫度℃ 1.0 2.0 3.0 810 54.0 a b 915 c 75.0 d 1000 e f 83.0 ① b＜f?、?915℃、2.0 MPa時E的轉化率為60%③ 增大壓強，平衡左移?、?K(1 000℃)＞K(810℃) 上述①～④中正確的有( ) A．4個 B．3個C．2個D．1個 答案：A 4. 在某容積一定的密閉容器中，可逆反應A（g）＋B（g）xC（g）根據圖I（ T表示溫度、p表示壓強、C%表示C的體積分數）所示的關系曲線，試判斷下列對圖II的說法正確的是（） A. p3
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