1、第3讲 化学反应速率和化学平衡一、化学反应速率1.表示方法:一定条件下,在2 L的密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),10 s后测得N2的物质的量减少了0.2 mol。(1)10 s内,NH3的物质的量浓度增加了_molL-1。(2)10 s内,反应的平均速率v(H2)=_mol(Ls)-1。(3)反应过程中v(N2)v(H2)v(NH3)=_。0.20.031322.影响因素:(1)将相同形态、相同质量的Na、Mg、Al投入足量的相同浓度的稀盐酸中,反应速率最快的是_,反应速率最慢的是_,说明影响化学反应速率快慢的根本因素是_。(2)对于反应Fe(s)+2HCl(aq
2、)=FeCl2(aq)+H2(g),加快反应速率的方法有:_;_;_;_。NaAl反应物的性质升温增大c(HCl)铁块改为铁粉滴加少量CuSO4(aq)(3)对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),加快反应速率的方法有:_;_;_;_。升高温度增大反应物浓度增大压强加入催化剂二、化学平衡状态和化学平衡常数1.化学平衡状态的判断:对于恒容密闭容器中的反应4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)H=QkJmol-1(1)反应达到平衡状态时,各物质的浓度_,v正(NH3)和v逆(O2)的关系为_。(2)能判断该反应达到平衡状态的依据有_。单位时间内生成4nmol NO的同时生
3、成4nmol NH3。容器内总压强不随时间改变。混合气体的密度不再改变。混合气体的平均相对分子质量不再改变。v(NH3)v(O2)=45。保持不变5v正(NH3)=4v逆(O2)2.化学平衡常数:结合上述反应,完成下列内容(1)该反应的平衡常数表达式为;(2)若增大体系的压强,则K值_,若升高温度,K值减小,则Q_0(填“”或“”)。不变0,在某密闭容器(体积可变)中达到平衡。(1)升高温度,反应速率_,平衡向_方向移动。(2)减小容器的容积,反应速率_,平衡向_方向移动。(3)继续充入水蒸气,反应速率_,平衡向_方向移动。达到新平衡后H2O(g)的转化率_,C(s)的转化率_。(4)保持恒温
4、、恒压,充入Ne,反应速率_,平衡向_方向移动;保持恒温、恒容,充入N2,反应速率_,平衡_。(5)加入催化剂,反应速率_,平衡_动。(6)加入C(s),反应速率_,平衡_。增大正反应增大逆反应增大正反应减小增大减小正反应不变不移动增大不移不变不移动(1)(2012安徽高考)反应SO2(g)+2CO(g)2CO2(g)+S(l)H0,在恒容的密闭容器中进行,平衡前,随着反应的进行,容器内压强始终不变。()分析:反应前后气体分子数不等,正反应是气体体积减小的反应,随着反应的进行,平衡前容器内压强逐渐变小。(2)(2012山东高考)催化剂能改变可逆反应达到平衡的时间。()分析:催化剂能同等程度改变
5、正、逆反应速率,可以改变可逆反应达到平衡的时间,但平衡不发生移动。(3)(2012江苏高考)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0,其他条件不变时升高温度,反应速率v(H2)和H2的平衡转化率均增大。()分析:升高温度,v(H2)增大;但该反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,H2的转化率减小。(4)(2012安徽高考)反应SO2(g)+2CO(g)2CO2(g)+S(l)H0,在恒容的密闭容器中进行,平衡时,其他条件不变,分离出硫,正反应速率加快。()分析:该条件下硫为液体,减少纯液体的量不影响化学反应速率。(5)(2012安徽高考)反应SO2(g)+2CO(g)2CO2(g)+S(l)
6、H0,在恒容的密闭容器中进行,平衡时,其他条件不变,升高温度可提高SO2的转化率。()分析:该反应正方向是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,SO2的转化率降低。(6)(2012上海高考)向锌与稀硫酸反应混合液中加入NH4HSO4固体,反应速率不变。()分析:加入NH4HSO4固体,溶液中c(H+)增大,反应速率加快。(7)(2012四川高考)对于反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)Hv(逆),所以吸热反应方向(逆反应方向)的化学反应速率下降的程度更大。(8)(2012四川高考)恒温恒容下进行的可逆反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),当SO3的生成速率与SO2的消耗
7、速率相等时,反应达到平衡。()分析:SO3的生成速率和SO2的消耗速率均为正反应速率,二者相等不能作为达到平衡状态的标志。热点导向 1化学反应速率及影响因素【典例1】(2012福建高考)一定条件下,溶液的酸碱性对TiO2光催化染料R降解反应的影响如图所示。下列判断正确的是()A.在050 min之间,pH=2和pH=7时R的降解百分率相等B.溶液酸性越强,R的降解速率越小C.R的起始浓度越小,降解速率越大D.在20 min25 min之间,pH=10时R的平均降解速率为0.04 molL-1min-1【解题探究】(1)图像中纵坐标和横坐标的含义是什么?提示:纵坐标表示反应物染料R的物质的量浓度
8、,单位为10-4molL-1;横坐标表示反应时间,单位为min。(2)图像中曲线的斜率与R降解的反应速率的大小有何关系?提示:根据可知,浓度-时间图像上曲线的斜率越大,R降解反应的反应速率越大。(3)图像中曲线的含义是什么?提示:图像中曲线表示在不同pH条件时,c(R)随浓度变化的趋势。本题答案:【解析】选A。根据图像,pH=2和pH=7条件下,在50 min时,R都是完全降解,浓度变为0,降解百分率都是100%,A正确;从图像中可以读出pH=2时,曲线下降是最快的即单位时间内R的浓度变化最大,说明溶液的酸性越强,降解速率越大,B错误;由图可知R的降解速率不仅与R的起始浓度有关,还与溶液的pH
9、有关,因此不能单纯依浓度的大小来判断R的降解速率,C错误;在20 min25 min,pH=10的R其浓度变化量为(0.6-0.4)10-4molL-1=0.210-4molL-1,则v(R)=0.0410-4molL-1min-1,D错误。【易错警示】有关化学反应速率的易错点(1)错误地把化学反应速率等同于瞬时速率,化学反应速率是某一段时间内的平均速率,而不是瞬时速率。(2)进行化学反应速率的相关计算时,错误地用某物质的物质的量代替物质的量浓度计算,速率大小比较时易忽视各物质的速率的单位是否一致,单位书写是否正确。(3)错误地认为纯固体和纯液体不会改变化学反应速率,实际上不能用纯固体和纯液体
10、物质的变化表示化学反应速率,但若将固体的颗粒变小(增大固体的接触面积)则化学反应速率会加快。(4)错误地认为只要增大压强,化学反应速率一定增大;实际上反应在密闭固定容积的容器中进行,若充入氦气(或不参与反应的气体),压强增大,但参与反应的各物质的浓度不变,反应速率不变;若反应在密闭容积可变的容器中进行,充入氦气(或不参与反应的气体)而保持压强不变,相当于压强减小,反应速率减小。(5)不能正确区分外界条件对可逆反应的正、逆反应速率的影响趋势。如对H0的反应升高温度,平衡逆向移动,正、逆反应速率都增大,并不是只增大逆反应速率,只是逆反应速率增大的程度大于正反应速率;工业合成氨中,移出部分氨气(平衡
11、右移),正逆反应速率都减小,并不是增大了正反应速率。【变式训练】(2013台州质检)某同学在三个容积相同的密闭容器中,分别研究三种不同条件下化学反应2X(g)Y(g)+W(g)的进行情况。其中实验、控温在T1,实验控温在T2,它们的起始浓度均是c(X)=1.0 molL-1,c(Y)=c(W)=0,测得反应物X的浓度随时间的变化如图所示。下列说法不正确的是()A.与实验相比,实验可能使用了催化剂B.与实验相比,实验若只改变温度,则温度T1T1，平衡时实验中X浓度较小，表明升温平衡向正反应方向移动，则正反应为吸热反应，正确；C项，实验、中达到平衡时，X的体积百分含量明显是=，故不正确；D项，实验
12、中，平衡时c(Y)=c(W)=0.25 molL-1，而反应温度不变，则平衡常数不变，设平衡时c(Y)=c(W)=a,解得a=0.2 molL-1，则平衡时c(X)=0.8 molL-1-2a=0.4 molL-1，正确。热点考向 2化学平衡常数的计算与应用【典例2】CH4和H2O(g)在催化剂表面发生反应CH4+H2O CO+3H2,该反应在不同温度下的化学平衡常数如下表:温度/8001 0001 2001 400平衡常数0.451.92276.51 771.5(1)该反应是反应(选填“吸热”或“放热”)。(2)T时,向1 L密闭容器中投入1 mol CH4和1 mol H2O(g),平衡时
13、c(CH4)=0.5 molL-1,该温度下反应CH4+H2O CO+3H2的平衡常数K=。(3)T时,向1 L密闭容器中投入2 mol CH4、1 mol H2O(g)、1 mol CO、2 mol H2,则反应的正反应速率逆反应速率(选填“”或“=”)。【解题探究】(1)平衡常数K值的大小可以说明反应进行的程度吗?提示:可以。K值越大,说明平衡体系中生成物所占的比例越大,它的正反应进行的程度越大,即反应进行得越完全,反应物转化率越大;反之,就越不完全,转化率越小。(2)平衡常数K受哪些因素的影响?与反应物或生成物的浓度是否有关?K与反应热效应关系是怎样的?提示:K只受温度影响,与反应物或生
14、成物的浓度变化无关。若正反应为吸热反应,升高温度,K值增大;若正反应为放热反应,升高温度,K值减小。(3)如何根据Qc判断平衡移动的方向?提示:若Qc=K,处于平衡状态,若QcK,平衡逆向移动,若Qcv(逆)。答案：(1)吸热(2)6.75 (3)【方法归纳】“三段式法”解答化学平衡计算题(1)步骤。写出有关化学平衡的反应方程式。确定各物质的起始、转化、平衡时的量(物质的量或物质的量浓度)。根据已知条件建立等式关系并做解答。(2)方法:如mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为amolL-1、bmolL-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mxmolL-1。
15、mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)起始物质的量浓度(molL-1)a b 0 0变化物质的量浓度(molL-1)mxnxpxqx平衡物质的量浓度(molL-1)a-mxb-nxpxqx(3)说明。反应物:c(平)=c(始)-c(变);生成物:c(平)=c(始)+c(变)。各物质的转化浓度之比等于化学方程式中化学计量数之比。转化率=100%。【变式训练】(2013宁波质检)已知某化学反应的平衡常数表达式为在不同的温度下该反应的平衡常数值分别为t7008008301 000 1 200K1.67 1.11 1.000.600.38下列有关叙述不正确的是()A.该反应的化学方程式是CO(g
16、)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)B.上述反应的正反应是放热反应C.如果在一定体积的密闭容器中加入CO2和H2各1 mol,5 min后温度升高到830,此时测得CO为0.4 mol时,该反应为平衡状态D.某温度下,如果平衡浓度符合下列关系式:判断此时的温度是1 000【解析】选C。根据化学反应平衡常数的定义及表达式为可知该反应为CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)，A正确；从表中数值可以看出，升高温度，K减小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，B正确；根据“三段式”可以算出，此时Qc=9/4，而830，K=1，因此不是平衡状态，C错误；当时，变形为查表可知此
17、时温度为1 000，D正确。热点考向 3化学平衡问题的综合考查【典例3】(2013浙江高考节选)捕碳技术(主要指捕获CO2)在降低温室气体排放中具有重要的作用。目前NH3和(NH4)2CO3已经被用作工业捕碳剂,它们与CO2可发生如下可逆反应:反应:2NH3(l)+H2O(l)+CO2(g)(NH4)2CO3(aq)H1反应:NH3(l)+H2O(l)+CO2(g)NH4HCO3(aq)H2反应:(NH4)2CO3(aq)+H2O(l)+CO2(g)2NH4HCO3(aq)H3请回答下列问题:(1)为研究温度对(NH4)2CO3捕获CO2效率的影响,在某温度T1下,将一定量的(NH4)2CO3
18、溶液置于密闭容器中,并充入一定量的CO2气体(用氮气作为稀释剂),在t时刻,测得容器中CO2气体的浓度。然后分别在温度为T2、T3、T4、T5下,保持其它初始实验条件不变,重复上述实验,经过相同时间测得CO2气体浓度,得到趋势图(见图1)。则:H30(填“”“=”或“”)。在T1T2及T4T5二个温度区间,容器内CO2气体浓度呈现如图1所示的变化趋势,其原因是。反应在温度为T1时,溶液pH随时间变化的趋势曲线如图2所示。当时间到达t1时,将该反应体系温度迅速上升到T2,并维持该温度。请在该图中画出t1时刻后溶液的pH变化总趋势曲线。(2)利用反应捕获CO2,在(NH4)2CO3初始浓度和体积确
19、定的情况下,提高CO2吸收量的措施有(写出2个)。【解题探究】(1)图像1和2中纵、横坐标的含义是什么?提示:图像1中纵坐标表示反应物CO2的浓度,横坐标表示反应温度;图像2中纵坐标表示溶液pH,横坐标表示反应时间。(2)图像1中哪些点表示平衡点?提示:图像1中温度为T3时的折点表示反应达到平衡状态的平衡点。(3)其他条件不变时,升高温度平衡将如何移动?提示:其他条件不变时,升高温度平衡将向着吸热反应方向移动,本例中将向着逆反应方向移动,不利于CO2的吸收。【解析】(1)在题干图1中CO2的浓度存在最低点,说明在T1T2区间,反应未达到化学平衡,温度升高,反应速率加快,CO2被捕捉的量增加,剩
20、余CO2的浓度减小;在T3温度下,到t时刻,反应已达平衡状态。T4T5区间,反应已达化学平衡,升高温度剩余CO2的浓度增大,即升高温度,反应平衡向左移动,因此正反应为放热反应,即H30。反应在温度T1条件下达到化学平衡状态,迅速升高温度到T2,这一瞬间溶液的pH不变。升高温度,平衡向左移动,溶液中NH4HCO3浓度减小,(NH4)2CO3浓度增大,则溶液碱性增强,pH增大,一段时间后达到新的化学平衡,溶液的pH不再发生变化。(2)对于反应的化学平衡,要提高CO2的吸收量,即使平衡向右移动,可通过增大压强、降低温度等方法。答案:(1)T1T2区间,化学反应未达到平衡,温度越高,化学反应速率越快,
21、所以CO2被捕获的量随温度升高而提高。T4T5区间,化学反应已达到平衡,由于正反应是放热反应,温度升高平衡向逆反应方向移动,所以不利于CO2捕获(2)降低温度、增加CO2浓度(或分压)【方法归纳】解答化学平衡问题需注意的问题(1)分析化学平衡移动的一般思路。(2)化学平衡问题中的“三不混同”。不要将平衡的移动和速率的变化混同起来。如化学反应速率改变,平衡不一定发生移动,但平衡发生移动,化学反应速率一定改变;不能认为平衡正向移动一定是v(正)加快,v(逆)减慢等。不要将平衡的移动和浓度的变化混同起来。如不能认为平衡正向移动时,反应物浓度一定减少,生成物浓度一定增加等。不要将平衡的移动和反应物的转
22、化率混同起来。不能认为平衡正向移动时,反应物的转化率一定提高。【变式训练】(2013重庆高考)将E和F加入密闭容器中,在一定条件下发生反应:E(g)+F(s)2G(g),忽略固体体积,平衡时G的体积分数(%)随温度和压强的变化如下表所示:压强/MPa体积分数/%温度/1.02.03.081054.0ab915c75.0d1000ef83.0b0K(1 000)K(810)上述中正确的有()A.4个 B.3个 C.2个 D.1个【解析】选A。从所给反应E(g)+F(s)2G(g)可知,该反应是一个体积增大的反应,即S0,正确;结合表中数据“54.0”“75.0”“83.0”,这个过程是压强增大(
23、平衡向逆反应方向移动,G的体积分数减小)和温度升高的过程,所以温度升高平衡一定向正反应方向移动,正反应是吸热反应,即温度升高,化学平衡常数增大,正确;根据以上分析,b小于54.0,f大于83.0,所以b2p乙B.SO3的质量m:m甲=m丙2m乙C.c(SO2)与c(O2)之比为k:k甲=k丙k乙D.反应放出或吸收热量的数值Q:Q甲=Q丙2Q乙【解析】选B。恒温、恒容下,甲与乙起始n(SO2)n(O2)=21,甲等效为在乙的基础上增大一倍压强,平衡向正反应方向移动,转化率增大;丙按化学计量数转化到左边可得n(SO2)=2 mol,n(O2)=1 mol,与甲为等效平衡,平衡时对应各组分的物质的量相等,故压强p甲=p丙,甲等效为在乙的基础上增大一倍压强,平衡向正反应移动,故p乙p甲2p乙,故p甲=p丙2m乙,故SO3的质量m甲=m丙2m乙,故B正确;对于甲、乙,SO2、O2起始物质的量之比等于化学计量数之比,c(SO2)与c(O2)之比为定值21,丙为分解反应,丙中c(SO2)与c(O2)之比为21,故k甲=k丙=k乙=21,故C错误;甲与丙为等效平衡,平衡时对应各组分的物质的量相等,且甲和丙为两个相反的过程,故Q甲+Q丙=197,但Q甲不一定等于Q丙,甲等效为在乙的基础上增大一倍压强,平衡向正反应方向移动,SO2转化率增大,故Q甲2Q乙,故D错误。
