1、第3节 化学平衡移动 化学反应进行的方向 课标要求核心素养1.能用焓变和熵变说明化学反应的方向。2.通过实验探究温度、浓度和压强对化学平衡的影响，并能用相关理论加以解释。3.认识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.平衡思想从动态平衡的观点考察、分析化学反应达到平衡的标志及条件改变平衡的移动方向。2.模型认知利用 Qc 与 K 的关系进行平衡移动的定量判断，同时会利用焓变、熵变判断反应进行的方向。3.社会责任根据平衡移动规律认识合成氨等工业生产的条件选择问题，提高经济效益和原料利用率。目标导读考点一化学平衡移动及影响因素 基础梳理 1.化学平衡移动的过程特别提醒化学平衡移动
2、是旧平衡的破坏和新平衡的建立过程，只有平衡破坏或平衡建立并不属于平衡移动。2.化学平衡移动方向与化学反应速率的关系化学平衡发生移动的根本原因是外界条件的改变造成了v正v逆，其具体情况如下：条件的改变(其他条件不变)化学平衡的移动温度增大反应物浓度或减小生成物浓度向_反应方向移动减小反应物浓度或增大生成物浓度向_反应方向移动压强(对有气体存在的反应)反应前后气体分子数改变增大压强 向气体体积_的方向移动减小压强 向气体体积_的方向移动反应前后气体分子数不变改变压强平衡_移动3.影响化学平衡的因素正逆减小增大不(续表)4.化学平衡移动原理勒夏特列原理的理解如果改变影响化学平衡的条件之一(如_、_以
3、及参加反应的化学物质的浓度)，平衡将向着能够_这种改变的方向移动。温度压强减弱吸热放热不条件的改变(其他条件不变)化学平衡的移动温度升高温度向_反应方向移动降低温度向_反应方向移动催化剂使用催化剂平衡_移动特别提醒(1)移动方向：“减弱这种改变”升温平衡 向着吸热反应方向移动；增加反应物浓度平衡向反应物浓度减 小的方向移动；增大压强平衡向气体物质的量减小的方向移动。(2)移动结果：化学平衡移动的结果只是减弱了外界条件的改变，而不能完全抵消外界条件的改变，更不能超过外界条件的变化。自主测评 1.判断正误，正确的画“”，错误的画“”。(1)增大反应物的量，化学反应速率加快，化学平衡正向移动。()(
4、2)化学平衡发生移动，速率一定改变。速率改变，化学平衡一定发生移动。()(3)二氧化氮与四氧化二氮的平衡体系，加压(压缩体积)后颜色加深。()(4)对于“H2(g)I2(g)2HI(g)”的平衡状态，无论恒温恒容，还是恒温恒压，充入稀有气体，平衡均不移动。()(5)CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)H0，在其他条件不变的情况下改变压强，平衡不发生移动，反应放出的热量不变。()(6)恒温恒容条件下，反应 2NO2(g)N2O4(g)达到平衡后，再向容器中通入一定量的 N2O4(g)重新达到平衡后，NO2 的体积分数增大。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)2.(2019 年长
5、春一模)一定条件下，将 TiO2 和焦炭放入真空密闭容器中，反应 TiO2(s)C(s)Ti(s)CO2(g)达到平衡，保持温度不变，缩小容器容积，体系重新达到平衡，下列说法)。中一定正确的是(A.平衡常数减小B.TiO2 的质量不变C.CO2 的浓度不变D.Ti 的质量增加解析：该反应的平衡常数 Kc(CO2)，保持温度不变，缩小容器容积，平衡左移，但是 K 不变，故重新达到平衡时，CO2的浓度不变，A 错误，C 正确；平衡左移，Ti 的质量减少，TiO2的质量增加，B、D 错误。答案：C 考向精练 考向 1 依据外界条件变化讨论化学平衡移动方向1.(2019 年山东师大附中模拟)某温度下，
6、在一容积可变的密闭容器里，反应 2A(g)B(g)2C(g)达到平衡时，A、B 和C 的物质的量分别为 4 mol、2 mol、4 mol。在保持温度和压强不变的条件下，下列说法正确的是()。A.充入 1 mol 稀有气体氦(He)，平衡将不发生移动B.充入 A、B、C 各 1 mol，平衡将向正反应方向移动C.将 A、B、C 各物质的物质的量都减半，C 的百分含量不变D.加入正催化剂，正、逆反应速率均加快，平衡向逆反应方向移动解析：保持温度和压强不变的条件下，充入 1 mol 稀有气体氦(He)，容器的容积变大，平衡正向移动，A 错误；充入 A、B、C 各 1 mol，相当于先充入 A、B、
7、C 分别为 1 mol、0.5 mol、1 mol，根据等效平衡，此时平衡不移动，后又充入 0.5 mol B，平衡逆向移动，B 错误；将 A、B、C 各物质的物质的量都减半，根据等效平衡，平衡不移动，C 的百分含量不变，C 正确；加入正催化剂，正、逆反应速率均加快，且增加程度相同，平衡不发生移动，D 错误。答案：CC.增大 Fe2 的浓度2.(2019 年平顶山模拟)在水溶液中存在反应：AgFe2Ag(s)Fe3H0，达到平衡后，为使平衡体系中析出)。更多的银，可采取的措施是(A.升高温度B.加水稀释D.常温下加压解析：正反应放热，升高温度，平衡向逆反应方向移动，A 错误；加水稀释，平衡向离
8、子数目增多的方向移动，平衡向逆反应方向移动，B 错误；增大 Fe2的浓度会提高 Ag 的产率，C 正确；常温下加压对水溶液的平衡移动几乎无影响，D 错误。答案：C选项改变条件新平衡与原平衡比较A升高温度X 的转化率变小B增大压强X 的浓度变小C充入一定量 YY 的转化率增大D使用适当催化剂X 的体积分数变小考向 2 依据外界条件变化讨论化学平衡移动结果3.(2019 年临汾模拟)将等物质的量的 X、Y 气体充入某密闭容器中，在一定条件下，发生反应并达到平衡：X(g)3Y(g)2Z(g)Hv逆正向移动减小反应物的浓度v正、v逆均减小，且 v逆v正逆向移动增大生成物的浓度v正、v逆均增大，且 v逆
9、v正逆向移动减小生成物的浓度v正、v逆均减小，且 v正v逆正向移动归纳总结 外界条件对化学平衡移动的影响平衡体系 条件变化速率变化平衡变化 速率变化曲线正反应方向为气体体积增大的放热反应增大压强或升高温度v正、v逆均增大，且 v逆v正逆向移动减小压强或降低温度v正、v逆均减小，且 v正v逆正向移动(续表)平衡体系条件变化速率变化平衡变化 速率变化曲线任一平衡或反应前后气体化学计量数和相等的平衡正催化剂或增大压强v正、v逆同等倍数增大平衡不移动负催化剂或减小压强v正、v逆同等倍数减小(续表)注：“惰性气体”对化学平衡的影响(1)恒温、恒容条件原平衡体系体系总压强增大体系中各组分的浓度(或分压)不
10、变平衡不移动。(2)恒温、恒压条件原平衡体系容器容积增大，各反应气体的分压减小体系中各组分的浓度同倍数减小 (等效于减压)考向 3 绝热体系的平衡移动5.(2019 年名校联考)某绝热恒容容器中充入 2 molL1NO2，N2O4(g)H56.9 kJmol1，下列分发生反应 2NO2(g)A.5 s 时 NO2 的转化率为 75%B.03 s 内 v(NO2)增大是因为体系温度升高C.3 s 时化学反应处于平衡状态D.9 s 时再充入 N2O4，平衡后 K 较第一次平衡时大析不正确的是()。在绝热恒容容器中，随着反应进行不断放出热量，体系温度升高，反应速率增大，故 03 s 内 v(NO2)
11、增大是因为体系温度升高，B 正确；3 s 时二氧化氮反应速率最大，37 s 时 v(NO2)随时间减小，7 s 后 v(NO2)不变，反应才处于平衡状态，C 错误；9 s 时反应处于平衡状态，再充入 N2O4，平衡逆向进行，体系温度降低，平衡常数增大，D 正确。答案：C解析：分析图象可知，05 s 内 c(NO2)2 molL10.5 molL11.5 molL1，结合转化率的概念计算出 NO2 的转化率为1.5 molL12 molL1 100%75%，A 正确；该反应是放热反应，6.(不定项)向绝热恒容密闭容器中通入 SO2 和 NO2，一定条件下使反应 SO2(g)NO2(g)SO3(g
12、)NO(g)达到平衡，正反应速率随时间变化的示意图如右图所示。由图可得出的正确结论是()。A.反应在 c 点达到平衡状态B.反应物浓度：a 点小于 b 点C.升高温度该平衡正向移动D.t1t2 时，SO2 的转化率：ab 段小于 bc 段解析：只有正反应速率等于逆反应速率且为定值时，可逆反应才达到平衡状态，图中曲线在 c 点处没有出现水平线，A错误；随着正反应的进行，未达到平衡状态时反应物的浓度随时间的延长而减小，因此反应物浓度 a 点大于 b 点，B 错误；分析曲线 ac 段，从浓度方面考虑 v正应减小，而 v正是增大的，说明该反应是放热的，升高温度该平衡逆向移动，C 错误；若t1t2，分析
13、图中曲线可知：ab 段的正反应速率的平均值小于 bc 段，所以 bc 段转化的 SO2 的量比 ab 段转化的SO2 的量多，且 a 点浓度比 b 点大，所以 SO2 的转化率 bc 段大于 ab 段，D 正确。答案：D考点二化学反应进行的方向 基础梳理 1.自发过程(1)含义：在一定条件下，不需要借助外力作用就能自发进行的过程。(2)特点高能低能有序无序体系趋向于从_状态转变为_状态(体系对外部做功或放出热量)。在密闭条件下，体系有从_转变为_的倾向性(无序体系更加稳定)。2.熵、熵变混乱或无序S(1)熵是量度体系_ 程度的物理量，符号为_。(2)影响熵大小的因素相同条件下，物质不同，熵不同
14、。同一物质：S(g)_S(l)_S(s)。(3)熵变(S)生成物的总熵反应物的总熵。3.化学反应方向的判据H0S0S0、S0 的反应在高温下能自发进行1.(2019 年大同模拟)下列说法不正确的是()。C.因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或熵变均可以单独作为反应自发性的判据D.在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，可以改变化学反应进行的速率解析：焓变和熵变有时不能单独作为反应自发性的判据。答案：CB.NH4HCO3(s)=NH3(g)H2O(g)CO2(g)H 185.57 kJmol1能自发进行，原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向2.灰锡结构松散，不能用于制造器皿，
15、而白锡结构坚固，可以用于制造器皿。已知在 0、100 kPa 条件下，白锡转化为白锡制成的器皿在 0、100 kPa 的室内存放，它会不会变成灰)。锡而不能继续使用(A.会C.不能确定B.不会D.升高温度才会解析：在 0 、100 kPa 条 件 下，白 锡 转 化 为 灰 锡 的kJmol1K1)0.375 kJmol10解析：A 项，反应的自发进行与反应的可能发生不是一致的，错误；B 项，自发的化学反应是指不受外力作用能发生的反应，石墨转化为金刚石需在高温高压条件下进行，该反应不是自发的反应，错误；D 项，低温时能自发的反应为H0，错误。答案：C2.(2019 年天水模拟)下列说法中，正确
16、的是()。A.生成物的总能量大于反应物的总能量时，H0B.已知反应 H2(g)I2(g)2HI(g)平衡常数为 K，则 2H2(g)2I2(g)4HI(g)的平衡常数为 2KC.H0、S0 的反应在温度低时不能自发进行D.在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂不能改变化学反应进行的方向解析：H生成物能量总和反应物能量总和，当生成物的总能量大于反应物的总能量时，H0，A 错误；因为相同温度下，系数变为原来的 n 倍，则化学平衡常数为原来的 n 次方，所以反应 2H2(g)2I2(g)4HI(g)的平衡常数为 K2，B 错误；根据GHTS 判断，对于H0、S0 的反应在温度低时G0，反应能自发进行
17、，C 错误；催化剂只改变反应速率，不改变化学反应进行的方向，D 正确。答案：D归纳总结 焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响化学平衡移动原理在化工生产中的应用科学精神和社会责任 素养说明：化学平衡在化工生产中有非常重要的应用，尤其是控制合适的反应条件使平衡向着理想的方向移动，是近几年高频考点，充分体现了学以致用的原则。条件原则从化学反应速率分析既不能过快，又不能太慢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，又要注意二者影响的矛盾性从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本从实际生产能力分析如设备承受高温、高压能力等从催化剂的使用活性分析
18、注意催化剂的活性对温度的限制1.总体原则(1)化工生产适宜条件选择的一般原则(2)平衡类问题需考虑的几个方面原料的来源、除杂，尤其考虑杂质对平衡的影响。原料的循环利用。产物的污染处理。产物的酸碱性对反应的影响。气体产物的压强对平衡造成的影响。改变外界条件对多平衡体系的影响。2.典型实例工业合成氨(1)反应原理N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol1(2)反应特点：反应为可逆反应；正反应为放热反应；反应物、生成物均为气体，且正反应为气体物质的量减小的反应。反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中氨含量的影响合成氨条件的选择增大压强增大反应速率平衡正向移动，提高平衡混合物中氨
19、的含量压强增大，有利于氨的合成，但需要动力大，对材料、设备的要求高，故采用 1030 MPa 的高压(3)反应条件的选择反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中氨含量的影响合成氨条件的选择升高温度增大反应速率平衡逆向移动，降低平衡混合物中氨的含量温度要适宜，既要保证反应有较快的速率，又要使反应物的转化率不能太低。故采用 400500 的温度，并且在该温度下催化剂的活性最大使用催化剂增大反应速率没有影响工业上一般选用铁触媒作催化剂(续表)(4)原料气的充分利用合成氨反应的转化率较低，从原料充分利用的角度分析，工业生产中可采用循环操作的方法可提高原料的利用率。典例 1(2019 年安庆模拟)铁的
20、氧化物可用于脱除煤气中的H2S，反应原理如下：Fe3O4(s)3H2S(g)H2(g)Fe2O3(s)2H2S(g)H2(g)3FeS(s)4H2O(g)2FeS(s)3H2O(g)FeO(s)H2S(g)FeS(s)H2O(g)温度与平衡常数的关系如图所示，下列有关说法正确的是()。A.上述反应均为吸热反应B.压强越大，H2S 脱除率越高C.温度越高，H2S 脱除率越高D.相同温度、相同物质的量的三种铁的氧化物中，Fe3O4 脱除 H2S 的效果最好解析：温度越高，平衡常数越小，说明正反应为放热反应，则温度越高，H2S 的脱除率越低，A、C 错误；题中三个反应均是气体体积不变的可逆反应，增大
21、压强，平衡不移动，H2S 脱除率不变，B 错误。答案：D典例 2(2019 年龙岩模拟)合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol1一种工业合成氨的简易流程图如下：(1)天然气中的 H2S 杂质常用氨水吸收，产物为 NH4HS。一定条件下向 NH4HS 溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式：_。(2)步骤中制氢气原理如下：CO(g)3H2(g)CO2(g)H2(g)H 206.4H 41.2CH4(g)H2O(g)kJmol1CO(g)H2O(g)kJmol 1对于反应，一定可以提高平衡体系中 H
22、2 百分含量，又能加快反应速率的措施是_。A.升高温度C.加入催化剂B.增大水蒸气浓度D.降低压强利用反应，将 CO 进一步转化，可提高 H2 产量。若 1 molCO 和 H2 的混合气体(CO 的体积分数为 20%)与 H2O 反应，得到 1.18 mol CO、CO2 和 H2 的混合气体，则 CO 转化率为_。(3)图 1 表示 500、60.0 MPa 条件下，原料气投料比与平衡时 NH3 体积分数的关系。根据图中 a 点数据计算 N2 的平衡体积分数：_。(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图 2 坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3 物质
23、的量变化的曲线示意图。图 1图 2(5)上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)_。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：_。解析：(1)依据题意，NH4HS 被空气中氧气氧化，将2 价S 元素氧化成 S，同时生成一水合氨，其反应方程式为 2NH4HSO22NH3H2O2S。(2)结合反应特点，正反应方向是气体物质的量增大的吸热反应，若要加快反应速率又增加H2 的百分含量，可升高温度，A 正确；增加水蒸气浓度，能加快反应速率，使平衡正向移动，但 H2 增加的量没有水蒸气增加的量多，H2 的百分含量减少，B 错误；加入催化剂平衡不移动，H2 的百分含量不变，C 错误
24、；降低压强反应速率减慢，D 错误。根据“三段式”法有：一定条件一定条件CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)开始(mol)转化(mol)0.2x0 x0.8x一定时间(mol)0.2xx0.8x则 0.2xx0.8x1.18，解得 x0.18，故 CO 转化率为0.18 mol0.2 mol 100%90%。(3)根据“三段式”法有N2(g)3H2(g)2NH3(g)开始(mol)转化(mol)平衡(mol)1x1x33x33x02x2x2x42x100%42%，解之，x4271，所以 N2 的平衡体积分数14271424271100%14.5%。(4)由于 N2(g)3H2(g)2NH
25、3(g)H0，反应开始时，温度大于零，随着反应进行，达到平衡前 NH3 的物质的量增加，达到平衡后，温度升高，平衡逆向移动，NH3 的物质的量将减少，图示见答案。(5)根据流程图可知，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(热交换)，用合成氨放出热量对 N2和 H2 进行预热。合成氨的正反应是气体物质的量减少的放热反应，为提高合成氨原料总转化率，又不降低反应速率，可采取对原料加压、分离液氨，使化学平衡正向移动，同时对未反应的 N2、H2 循环利用，提高原料转化率。答案：(1)2NH4HSO22NH3H2O2S(2)A 90%(3)14.5%(4)(5)对原料气加压，分离液氨，未反应的 N2
26、、H2 循环利用一定条件1.(2019 年新课标卷节选)水煤气变换CO(g)H2O(g)=CO2(g)H2(g)H0.5，由此可判断则 平 衡 时 体 系 中H2 的 物 质 的 量 分 数 nH2n总x mol1x1xxx molx2，因该反应为可逆反应，故 x1，最终平衡时体系中 H2 的物质的量分数介于 0.250.50，故答案为 C。(3)由图可知，3090 min 内 a 曲线对应物质的分压变化量p(4.083.80)kPa0.28 kPa，故曲线 a 的反应在 3090 min得出 H2 的物质的量分数介于 0.250.5，CO 的物质的量分数介于 00.25，即 H2 的分压始终
27、高于 CO 的分压，据此可将图分成两部分：内的平均速率 v(a)0.28 kPa60 min 0.0047 kPamin1；由(2)中分析由此可知，a、b 表示的是 H2 的分压，c、d 表示的是 CO的分压，该反应为放热反应，故升高温度，平衡逆向移动，CO分压增加，H2 分压降低，故 467 时和 pCO 随时间变化关系的曲线分别是 b、c；489 时和 pCO 随时间变化关系的曲线分别是 a、d。2Hp2Hp答案：(1)大于(2)C (3)0.004 7bcad2.(2019 年江苏卷节选)CO2 的资源化利用能有效减少 CO2排放，充分利用碳资源。CO2 催化加氢合成二甲醚是一种 CO2
28、 转化方法，其过程中主要发生下列反应：H 41.2反 应 ：CO2(g)H2(g)=CO(g)H2O(g)kJmol1反应：2CO2(g)6H2(g)=CH3OCH3(g)3H2O(g)H122.5 kJmol1在恒压、CO2 和 H2 的起始量一定的条件下，CO2 平衡转化率和平衡时 CH3OCH3 的选择性随温度的变化如图。其中：CH3OCH3 的选择性2CH3OCH3的物质的量反应的CO2的物质的量 100%(1)温度高于 300，CO2 平衡转化率随温度升高而上升的原因是_。(2)220 时，在催化剂作用下 CO2 与 H2 反应一段时间后，测得 CH3OCH3 的选择性为 48%(图
29、中 A 点)。不改变反应时间和温度，一定能提高 CH3OCH3 选择性的措施有_。解析：(1)根据反应方程式，反应为吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，CO2 的转化率增大；反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向进行，CO2 的转化率降低。根据图象，上升幅度超过下降幅度，因此温度超过 300 时，CO2 转化率上升。(2)图中 A 点 CH3OCH3 的选择性没有达到此温度下平衡时 CH3OCH3 的选择性，依据 CH3OCH3 选择性公式，提高 CH3OCH3 选择性，不改变反应时间和温度时，根据反应，可以增大压强，或者使用对反应催化活性更高的催化剂。答案：(1)反应的H0，反应的
30、H0，温度升高使CO2 转化为 CO 的平衡转化率上升，使 CO2 转化为 CH3OCH3(2)增大压强，的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度使用对反应催化活性更高的催化剂3.(2019 年北京卷节选)氢能源是最具应用前景的能源之一，高纯氢的制备是目前的研究热点。甲烷水蒸气催化重整是制高纯氢的方法之一。(1)反应器中初始反应的生成物为 H2 和 CO2，其物质的量之比为 41，甲烷和水蒸气反应的方程式是_。(2)已知反应器中还存在如下反应：.CH4(g)H2O(g)=CO(g)3H2(g)H1.CO(g)H2O(g)=CO2(g)H2(g)H2.CH4(g)=C(s)2H2(g)H3为积炭
31、反应，利用H1 和H2 计算H3 时，还需要利用_反应的H。(3)反应物投料比采用 n(H2O)n(CH4)41，大于初始反应的化学计量数之比，目的是_(选填字母序号)。b.促进 CO 转化为 CO2a.促进 CH4 转化c.减少积炭生成(4)用 CaO 可以去除 CO2。H2 体积分数和 CaO 消耗率随时间变化关系如下图所示。从 t1 时开始，H2 体积分数显著降低，单位时间 CaO 消耗率 _(填“升 高”“降 低”或“不变”)。此时 CaO 消耗率约为 35%，但已失效，结合化学方程式解释原因：_。解析：(1)由于生成物为 H2 和 CO2，其物质的量之比为 41，反应物是甲烷和水蒸气
32、，因而反应方程式为 CH42H2O=4H2CO2；(2)可得 CH4(g)CO2(g)=2CO(g)2H2(g)，设为，用可得 C(s)CO2(g)=2CO(g)，因为还需利用C(s)CO2(g)=2CO(g)反 应 的 焓 变；(3)初 始 反 应n(H2O)n(CH4)41，说明加入的水蒸气过量，又反应器中反应都存在一定可逆性，根据反应知水蒸气浓度越大，甲烷的转化率越高，a 正确；根据反应知水蒸气浓度越大，CO 的转化率越高，b 正确；和产生氢气，使得氢气浓度变大，抑制反应，积炭生成量减少，c 正确；(4)t1 时 CaO 消耗率曲线斜率减小，因而单位时间内 CaO 的消耗率降低，H2 体积分数在 t1 之后降低，结合 CaOH2O=Ca(OH)2 可知水蒸气浓度减小，反应器内反应逆向进行，氧化钙很难和 CO2 反应，因而失效。答案：(1)CH42H2O4H2CO2(2)C(s)2H2O(g)=CO2(g)2H2(g)或C(s)CO2(g)=2CO(g)(3)abc(4)降低CaOH2O=Ca(OH)2，使水蒸气浓度减小，反应逆向进行，CaO 很难与 CO2 反应