广东省2021版高考化学一轮复习第七单元第3节化学平衡常数化学反应进行的方向课件 人教版

广东省2021版高考化学一轮复习第七单元第3节化学平衡常数化学反应进行的方向课件 人教版

第 3 节　化学平衡常数　 化学反应进行的方向 - 2 - - 3 - 自主预诊 考向突破 化学平衡常数及其应用 1 . 化学平衡常数 (1) 定义 : 在一定温度下 , 当一个可逆反应达到 　　　　　　　 状态时 , 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 　　 表示。   (2) 表达式 : 对于反应 m A(g)+ n B(g) p C(g)+ q D(g), 平衡常数 K = 　　　　　　　　　　　　　　　　 。   化学平衡 K - 4 - 自主预诊 考向突破 (4) 应用 : ① 判断可逆反应进行的程度。 ② 利用化学平衡常数 , 判断反应是否达到平衡或向哪个方向进行。 (3) 意义及影响因素 : ① K 值越大 , 反应物的转化率越大 , 正反应进行的程度 　　　　 。   ② K 只受 　　　　 影响 , 与反应物或生成物的浓度变化无关。   ③ 化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。 越大 温度 正反应 平衡状态 逆反应 - 5 - 自主预诊 考向突破 ③ 判断可逆反应的热效应。 2 . 平衡转化率 可逆反应中某一反应物 A 的平衡转化率可表示为 : α (A)= 　　　　　　　　　 [ c 0 (A) 代表 A 的初始浓度 , c 平 (A) 代表 A 的平衡浓度 ] 。   吸热 放热 放热 吸热 - 6 - 自主预诊 考向突破 微点拨 (1) 计算化学平衡常数利用的是物质的平衡浓度 , 而不是任意时刻的浓度 , 也不能用物质的量进行计算。 (2) 固体和纯液体物质的浓度视为常数 , 不能带入平衡常数表达式。 (3) 正、逆反应的平衡常数互为倒数。 (4) 若化学方程式中各物质的化学计量数都扩大到原来的 n 倍 - 7 - 自主预诊 考向突破 自我诊断 1 . 判断正误 , 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) 平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。 ( 　　 ) 答案 : (1)× 　 (2)× 　 (3)× 　 (4) √ - 8 - 自主预诊 考向突破 2 . 在一定温度下 ,1 L 的密闭容器中发生反应 C(s)+H 2 O(g) CO(g)+H 2 (g), 平衡时测得 C 、 H 2 O 、 CO 、 H 2 的物质的量都为 0.1 mol 。 (1) 该反应的平衡常数 K = 　 。   (2) 若升高平衡体系的温度 , 该反应的平衡常数会增大 , 则该反应的 Δ H 　　　 ( 填 “>” 或 “<”)0 。   (3) 相同条件下 , 向该密闭容器中充入各物质的起始量如下 : ① 均为 0.2 mol 　 ② C(s) 、 H 2 O 均为 0.2 mol,CO 、 H 2 均为 0.1 mol, 判断该反应进行的方向 : ① 　　　　　　　 , ② 　　　　　　　　　　 。   答案 : (1)0.1 　 (2)> 　 (3) ① 向逆反应方向　 ② 向正反应方向 - 9 - 自主预诊 考向突破 考向 1 　 化学平衡常数的理解及表示方法 典例 ❶ (2019 河南洛阳高三上学期尖子生联考 ) 工业上消除氮氧化物的污染 , 可用如下反应 :CH 4 (g)+2NO 2 (g) N 2 (g)+CO 2 (g)+2H 2 O(g) 　 Δ H = a kJ·mol -1 在温度 T 1 和 T 2 时 , 分别将 0.50 mol CH 4 和 1.2 mol NO 2 充入体积为 1 L 的密闭容器中 , 测得 n (CH 4 ) 随时间变化数据如下表 : - 10 - 自主预诊 考向突破 下列说法不正确的是 ( 　　 ) A.10 min 内 , T 1 时 v (CH 4 ) 比 T 2 时小 B. 温度 : T 1 < T 2 C.Δ H : a <0 D. 平衡常数 : K ( T 1 )< K ( T 2 ) 答案 : D 　 解析 : 根据题意可知 ,10 min 内 , T 1 时 v (CH 4 )=0.015 mol · L -1 · min -1 , T 2 时 v (CH 4 )=0.02 mol · L -1 · min -1 , T 1 时 v (CH 4 ) 比 T 2 时小 ,A 项正确 ; 升高温度 , 反应速率增大 , T 2 > T 1 ,B 项正确 ; 温度升高 , 平衡时甲烷剩余量增多 , 说明升高温度平衡向逆反应方向移动 , 正反应放热 , 所以 a <0,C 项正确 ; T 1 时正反应进行的程度大 , 因此平衡常数 K ( T 1 )> K ( T 2 ),D 项错误。 - 11 - 自主预诊 考向突破 对点演练 1 O 3 是一种很好的消毒剂 , 具有高效、洁净、方便、经济等优点。 O 3 可溶于水 , 在水中易分解 , 产生的 [O] 为游离氧原子 , 有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生的反应如下 : 下列叙述正确的是 ( 　　 ) A. 降低温度 , 总反应 K 减小 B. K=K 1 +K 2 C. 适当升温 , 可提高消毒效率 D. 压强增大 , K 2 减小 答案 解析 解析 关闭 答案 解析 关闭 - 12 - 自主预诊 考向突破 考向 2 　 化学平衡的有关计算 典例 ❷ (2019 全国 3,28 节选 ) 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)+O 2 (g)=2Cl 2 (g)+2H 2 O(g) 。下图为刚性容器中 , 进料浓度比 c (HCl) ∶ c (O 2 ) 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 : - 13 - 自主预诊 考向突破 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 c 0 , 根据进料浓度比 c (HCl) ∶ c (O 2 )=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 (O 2 ) 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 ) 。   答案 : (1) 大于　 　 O 2 和 Cl 2 分离能耗较高、 HCl 转化率较低 (2) 增加反应体系压强、及时除去产物 - 14 - 自主预诊 考向突破 解析 : 本题为热化学、电化学与化学平衡的综合题 , 难度中等。 (1) 分析任意一条平衡曲线可知 , 在进料浓度比固定的条件下 , 随着温度的升高 ,HCl 的平衡转化率降低 , 说明正反应为放热反应 , 由于 K 只与温度有关 , 升高温度 , 平衡逆向移动 , 平衡常数 K 减小 , 即 K (300 ℃ ) 大于 K (400 ℃ ) 。 根据进料浓度比及 HCl 的平衡转化率间的关系可知 , c (HCl) ∶ c (O 2 )=1 ∶ 1 的曲线为最上面的的那条曲线 , 由该曲线可知 : 温度为 400 ℃ 时 HCl 的平衡转化率为 84% 。 根据条件可列三段式如下 : 初始 : c 0 　　　　 c 0 　　　　 0 　　　　 0 转化 : c 0 ×0.84 　　 c 0 ×0.21 　　 c 0 ×0.42 　 c 0 ×0.42 平衡 : c 0 ×(1-0.84) 　 c 0 ×(1-0.21) 　 c 0 ×0.42 　 c 0 ×0.42 - 15 - 自主预诊 考向突破 进料浓度比 c (HCl) ∶ c (O 2 ) 过低 , 导致产品 Cl 2 混有大量 O 2 , 则导致分离两气体时能耗较高 ; 而进料浓度比 c (HCl) ∶ c (O 2 ) 过高 , 则导致 HCl 的转化率过低 , 浪费原料。 (2) 在温度一定时 , 要增大 HCl 的平衡转化率 , 可采取的措施有 : 及时移走部分产物、增大体系压强等。 - 16 - 自主预诊 考向突破 对点演练 2 (2018 全国 2,27 节选 )CH 4 -CO 2 催化重整不仅可以得到合成气 (CO 和 H 2 ), 还对温室气体的减排具有重要意义。回答下列问题 : CH 4 -CO 2 催化重整反应为 CH 4 (g)+CO 2 (g)=2CO(g)+2H 2 (g) 。 已知 :C(s)+2H 2 (g)=CH 4 (g) 　 Δ H =-75 kJ·mol -1 C(s)+O 2 (g)=CO 2 (g) 　 Δ H =-394 kJ·mol -1 C(s)+ O 2 (g)=CO(g) 　 Δ H =-111 kJ·mol -1 (1) 该催化重整反应的 Δ H = 　　　 kJ·mol -1 。有利于提高 CH 4 平衡转化率的条件是 　　　 ( 填标号 ) 。   A. 高温低压 B. 低温高压 C. 高温高压 D. 低温低压 (2) 某温度下 , 在体积为 2 L 的容器中加入 2 mol CH 4 、 1 mol CO 2 以及催化剂进行重整反应 , 达到平衡时 CO 2 的转化率是 50%, 其平衡常数为 　　　　 mol 2 ·L -2 。   - 17 - 自主预诊 考向突破 解析 : (1) 将题给三个已知热化学方程式依次编号为 ①②③ , 根据盖斯定律 , 由 ③ ×2 ― ① ― ② 可得 CH 4 (g)+CO 2 (g)=2CO(g)+2H 2 (g), 则该反应的 Δ H =( ― 111 kJ · mol -1 )×2 ― ( ― 75 kJ · mol -1 ) ― ( ― 394 kJ · mol -1 )=+247 kJ · mol -1 。催化重整反应的正反应是气体总分子数增加的吸热反应 , 升高温度和降低压强均有利于平衡正向移动 , 从而提高 CH 4 平衡转化率 ,A 项正确。 (2) 某温度下 , 在体积为 2 L 的容器中加入 2 mol CH 4 、 1 mol CO 2 及催化剂进行重整反应 , 达到平衡时 CO 2 的转化率为 50%, 则有 - 18 - 自主预诊 考向突破 起始浓度 /(mol · L -1 ) 1 0.5 0 0 转化浓度 /(mol · L -1 ) 0.25 0.25 0.5 0.5 平衡浓度 /(mol · L -1 ) 0.75 0.25 0.5 0.5 - 19 - 自主预诊 考向突破 深度指津 “ 三段式 ” 突破平衡常数 ( K ) 、转化率的相关计算 1 . 一个模式 ——“ 三段式 ” 如 m A(g)+ n B(g) p C(g)+ q D(g), 令 A 、 B 起始物质的量浓度分别为 a mol · L -1 、 b mol · L -1 , 达到平衡后消耗 A 的物质的量浓度为 mx mol · L -1 。 　　　　　　 m A(g)+ n B(g) p C(g)+ q D(g) 起始 /(mol · L -1 ) 　 a 　　 b 　　　　 0 　　　 0 变化 /(mol · L -1 ) 　 mx 　　 nx 　　 　 px 　　 qx 平衡 /(mol · L -1 ) 　 a - mx 　 b - nx 　　　 px 　　 qx - 20 - 自主预诊 考向突破 2 . 明确三个量的关系 (1) 三个量 : 即起始量、变化量、平衡量。 (2) 关系。 ① 对于同一反应物 , 起始量 - 变化量 = 平衡量。 ② 对于同一生成物 , 起始量 + 变化量 = 平衡量。 ③ 各反应物转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。 3 . 掌握四个公式 (2) 生成物的产率 : 实际产量 ( 指生成物 ) 占理论产量的百分数。一般来讲 , 转化率越大 , 原料利用率越高 , 产率越大。 - 21 - 自主预诊 考向突破 - 22 - 自主预诊 考向突破 化学反应进行的方向 (1) 含义 : 不用借助外力就可以自动进行的过程。 (2) 特点。 ① 体系趋向于从 　　　　 状态转变为 　　　　　 状态 ( 体系对外部 　　　　 或 　　　　 热量 ) 。   ② 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 . 熵与熵变 (1) 熵 : 描述体系 　　　　　　 的物理量 , 符号为 S 。   熵值越大 , 体系混乱度 　　　　 。   (2) 熵变 :Δ S = S ( 反应产物 )- S ( 反应物 ) 。 (3) 常见的熵增过程。 ① 同一种物质的不同状态 : S (g)> S (l)> S (s) 。 ② 反应后气体物质的量增加的反应。 高能 低能 做功 放出 有序 无序 混乱程度 越大 - 23 - 自主预诊 考向突破 3 . 化学反应方向的判据 > < - 24 - 自主预诊 考向突破 自我诊断 1 . 判断正误 , 正确的打 “ √ ”, 错误的打 “×” 。 (1) 焓变是影响反应是否具有自发性的唯一因素。 ( 　　 ) (2) 吸热且熵增加的反应 , 当温度升高时 , 反应一定能自发进行。 ( 　　 ) (3) 某吸热反应能自发进行 , 则该反应是熵增反应。 ( 　　 ) (4)2NO(g)+2CO(g)=N 2 (g)+2CO 2 (g) 在常温下能自发进行 , 则该反应的 Δ H >0 。 ( 　　 ) (5) 反应 NH 3 (g)+HCl(g)=NH 4 Cl(s) 在室温下可自发进行 , 则该反应的 Δ H <0 。 ( 　　 ) (6) 反应 CaCO 3 (s)=CaO(s)+CO 2 (g) 在室温下不能自发进行 , 说明该反应的 Δ H <0 。 ( 　　 ) 答案 : (1)× 　 (2)× 　 (3) √ 　 (4)× 　 (5) √ 　 (6)× - 25 - 自主预诊 考向突破 2 . 能自发进行的反应一定能实际发生吗 ? 提示 : 不一定。化学反应方向的判据指出的仅仅是在一定条件下化学反应自发进行的趋势 , 并不能说明反应一定能实际发生 , 还需要一定的条件。 - 26 - 自主预诊 考向突破 3 .(1) 汽车燃油不完全燃烧时产生 CO, 有人设想按下列反应除去 CO:2CO(g)=2C(s)+O 2 (g) 已知该反应的 Δ H >0, 简述该设想能否实现的依据 : 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。   (2) 超音速飞机在平流层飞行时 , 尾气中的 NO 会破坏臭氧层。科学家正在研究利用催化技术将尾气中的 NO 和 CO 转化成 CO 2 和 N 2 , 化学方程式为 2NO+2CO 2CO 2 +N 2 。反应能够自发进行 , 则反应的 Δ H 　　　　　 ( 填 “>”“<” 或 “=”)0 。   答案 : (1) 该反应是焓增、熵减的反应 , 任何温度下均不能自发进行　 (2)< - 27 - 自主预诊 考向突破 考向 　 化学反应进行的方向的判据 典例 (2019 云南玉溪元江一中高三月考 ) 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 能自发进行的反应一定能迅速发生 B. 反应 NH 4 HCO 3 (s)=NH 3 (g)+H 2 O(g)+CO 2 (g) Δ H =+185.57 kJ·mol -1 能自发进行 , 是因为体系有自发地向混乱度增大的方向转变的倾向 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判断反应能否自发进行的判据 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方向 答案 解析 解析 关闭 反应进行的自发趋势与反应速率无关 , 能自发进行的反应速率不一定大 ,A 项错误 ;Δ H - T Δ S <0 的反应可自发进行 , 由 Δ H >0 、 Δ S >0, 能自发进行 , 是因为体系有自发地向混乱度增大的方向转变的倾向 ,B 项正确 ; 焓变或熵变单独作为判断反应方向的判据不全面 , 应使用复合判断据 Δ H - T Δ S <0 判断反应能否自发进行 ,C 项错误 ; 催化剂对平衡移动无影响 , 即催化剂不能改变化学反应进行的方向 ,D 项错误。 答案 解析 关闭 B - 28 - 自主预诊 考向突破 易错警示 ① 反应能否自发进行 , 需要综合考虑焓变和熵变对反应的影响。 ② 复合判据 Δ H - T Δ S <0 的反应不一定能够实际发生。 ③ 自发反应的熵不一定增大 , 非自发反应的熵也不一定减小。 - 29 - 自主预诊 考向突破 对点演练 对于化学反应能否自发进行 , 下列说法错误的是 ( 　　 ) A. 若 Δ H <0 、 Δ S >0, 任何温度下都能自发进行 B. 若 Δ H >0 、 Δ S <0, 任何温度下都不能自发进行 C. 需要加热才能够进行的过程肯定不是自发过程 D. 非自发过程在一定条件下可能变成自发过程 答案 解析 解析 关闭 若 Δ H <0 、 Δ S >0, 则有 Δ H - T Δ S <0, 故反应在任何温度下都能自发进行 ,A 项正确 ; 若 Δ H >0 、 Δ S <0, 则有 Δ H - T Δ S >0, 故反应在任何温度下都不能自发进行 ,B 项正确 ; 化学反应能否自发进行与是否需要加热无关 , 有些自发反应需要加热来引发反应 ,C 项错误 ; 有些非自发反应 , 改变反应条件可变成自发反应 , 如 CaCO 3 在常温下是非自发反应 , 但高温下是自发反应 ,D 项正确。 答案 解析 关闭 C - 30 - 自主预诊 考向突破 深度指津 焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响 - 31 - 自主预诊 考向突破 网络构建 1 . 化学平衡常数 - 32 - 自主预诊 考向突破 2 . 化学反应进行的方向 - 33 - 自主预诊 考向突破 核心速记 1 . 化学平衡常数的 3 个应用 (1) 判断反应进行的程度。 (2) 由 Q 与 K 的大小判断某时刻反应进行的方向。 (3) 计算平衡浓度和转化率。 2 . 判断化学反应进行的方向 - 34 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 运用变化观念与平衡思想解决图像表格类试题 图像表格类试题是以图像、图形和表格为试题的信息来源 , 以化学中的基本概念、基本理论、元素化合物和化学实验等知识为载体 , 精心设计问题的一种信息处理和分析题。主要考查学生实验设计能力 , 数据读取、分析与处理能力 , 图像的识别与分析能力。化学核心素养要求学生能依据新发现、新信息 , 分析、评价已有的认识模型 , 能指出存在问题 , 提出改进、优化模型的意见。通过对图像、表格类试题信息的规范审读 , 进一步提高学生获取信息的能力。 - 35 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 A. 通入惰性气体 B. 提高温度 C. 增加环戊烯浓度 D. 增加碘浓度 - 36 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (2) 环戊二烯容易发生聚合生成二聚体 , 该反应为可逆反应。不同温度下 , 溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示 , 下列说法正确的是 　　　　　 ( 填标号 ) 。   A. T 1 > T 2 B.a 点的反应速率小于 c 点的反应速率 C.a 点的正反应速率大于 b 点的逆反应速率 D.b 点时二聚体的浓度为 0.45 mol·L -1 - 37 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 解析 : (1) 温度、体积一定 , 压强与物质的量成正比 , 则起始状态碘和环戊烯的分压分别为 5×10 4 Pa, 设环戊烯的转化率为 x , 根据反应 : 起始 /Pa 　 5×10 4 　　　 5×10 4 　　　　　 0 　　　　　　 0 转化 /Pa 　 5×10 4 x 　　 5×10 4 x 　 　　 5×10 4 x 　　 　 1×10 5 x 平衡 /Pa 　 5×10 4 (1- x ) 5×10 4 (1- x ) 　 5×10 4 x 　 　　　 1×10 5 x 根据平衡时总压增加了 20%, 则 5×10 4 (1- x ) Pa+5×10 4 (1- x ) Pa+5×10 4 x Pa+1×10 5 x Pa=1.2×10 5 Pa 解得 x =0.4, 即环戊烯的转化率为 40% 。平衡时各物质的分压为 p ( 环戊烯 )=3×10 4 Pa, p (I 2 )=3×10 4 Pa, p ( 环戊二烯 )=2×10 4 Pa, p (HI)=4×10 4 Pa, 则该反应的平衡常数 - 38 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 通入惰性气体 , 不会引起各物质的浓度的变化 , 反应速率不变 , 平衡不移动 , 环戊烯的平衡转化率不变 ,A 项不符合题意 ; 由于该反应为吸热反应 , 故升高温度使平衡向右移动 , 环戊烯的平衡转化率增大 ,B 项符合题意 ; 增加一种物质的量 , 自身的转化率减小 , 而另一种反应物的转化率增大 , 增加环戊烯浓度 , 环戊烯的平衡转化率减小 , 增加碘浓度 , 环戊烯的平衡转化率增大 ,C 项不符合题意 ,D 项符合题意。 - 39 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (2) 根据曲线的变化趋势可知 , T 2 温度下反应速率大 , 因此 T 2 大于 T 1 ,A 项错误 ;a 点、 c 点对应的反应物的浓度、温度都不同 , 无法比较 a 、 c 两点的反应速率的大小 ,B 项错误 ;a 点的正反应速率大于 b 点的正反应速率 , 而 b 点还没有达到平衡 , 因此 b 点的正反应速率大于其逆反应速率 , 则 a 点的正反应速率大于 b 点的逆反应速率 ,C 项正确 ; 根据曲线可知 , 环戊二烯的初始浓度为 1.5 mol·L -1 ,b 点环戊二烯的浓度为 0.6 mol·L -1 , 环戊二烯的浓度变化量为 0.9 mol·L -1 , 因此 b 点二聚体的浓度为 0.45 mol·L -1 ,D 项正确。 答案 : (1)40% 　 3.56×10 4 　 BD 　 (2)CD - 40 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 典例 ❷ (2019 全国 1,28) 水煤气变换 [CO(g)+H 2 O(g) CO 2 (g)+H 2 (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 H 2 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 H 2 的物质的量分数为 0.025 0 。 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 0.019 2 。 根据上述实验结果判断 , 还原 CoO(s) 为 Co(s) 的倾向是 CO 　　　　　 H 2 ( 填 “ 大于 ” 或 “ 小于 ”) 。   - 41 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (2)721 ℃ 时 , 在密闭容器中将等物质的量的 CO(g) 和 H 2 O(g) 混合 , 采用适当的催化剂进行反应 , 则平衡时体系中 H 2 的物质的量分数为 　　　　　 ( 填标号 ) 。   A.<0.25 　　　　 B.0.25 　　　　 C.0.25~0.50 D.0.50 　　　　　 E.>0.50 - 42 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 可知水煤气变换的 Δ H 　　　　　 0( 填 “ 大于 ”“ 等于 ” 或 “ 小于 ”), 该历程中最大能垒 ( 活化能 ) E 正 = 　　　　　 eV, 写出该步骤的化学方程式 　 。   (3) 我国学者结合实验与计算机模拟结果 , 研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程 , 如图所示 , 其中吸附在金催化剂表面上的物种用 * 标注。 - 43 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (4)Shoichi 研究了 467 ℃ 、 489 ℃ 时水煤气变换中 CO 和 H 2 分压随时间变化关系 ( 如下图所示 ), 催化剂为氧化铁 , 实验初始时体系中的 和 p CO 相等、 相等。 - 44 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 计算曲线 a 的反应在 30~90 min 内的平均速率 (a)= 　　　　　 kPa·min -1 。 467 ℃ 时 和 p CO 随时间变化关系的曲线分别是 　　　　　 、 　　　　　 。 489 ℃ 时 和 p CO 随时间变化关系的曲线分别是 　　　　　 、 　　　　　 。   解析 : (1) 因平衡后气体 CO 的物质的量分数小于氢气的物质的量分数 , 因此 CO 还原 CoO(s) 为 Co(s) 的能力大于氢气还原 CoO(s) 为 Co(s) 的能力。 - 45 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 起始 /mol 　 1 　　　 1 　　　 0 　 　 0 转化 /mol 　 x x x x 平衡 /mol 　 1 -x 　　 1 -x x x 当 x =0.5 mol 时 , 氢气的物质的量分数为 0.25, 当完全反应时 , 氢气的物质的量分数为 0.5, 因此平衡时氢气的物质的量分数应介于 0.25 和 0.5 之间 , 所以 C 项正确。 - 46 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (3) 由图示可知 , 最终生成物的相对能量低于反应物的相对能量 , 所以该反应为放热反应 , 即 Δ H <0 。由图示可知 , 该历程中最大相对能量差为 2.02 eV, 即最大能垒为 2.02 eV 。由图示给出参加反应的微粒和生成的微粒可知 , 该步骤的化学方程式为 COOH * +H * +H 2 O * =COOH * +2H * +OH * ( 或 H 2 O * =H * +OH * ) 。 - 47 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 答案 : (1) 大于 (2)C (3) 小于　 2.02 　 COOH * +H * +H 2 O * =COOH * +2H * +OH * ( 或 H 2 O * =H * +OH * ) (4)0.004 7 　 b 　 c 　 a 　 d - 48 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 1 . 解决图像题的基本思路 (1) 会识图 : 一看面、二看线、三看点 ( 看清横坐标、纵坐标表示的意义 , 弄清起点、拐点、终点的意义 , 看清曲线的变化趋势 ) 。 (2) 妙解题 : 分析图像中隐含的信息 , 将其加工成化学语言 , 同时与化学概念、化学原理相结合 , 从而快速解题。 2 . 图表信息试题的解题策略 (1) 应用分析归纳的方法 , 得出表格数据中蕴含的具有本质性的规律。 (2) 应用观察方法 , 准确理解图示中纵横轴代表的含义 , 并能结合化学知识分析判断曲线的走向趋势及起点、拐点、水平线的含义。 (3) 注意信息的情景化 , 理解所给信息的作用。注意信息与基础知识间的联系。 - 49 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 1 .(2019 江苏化学 ,15) 在恒压、 NO 和 O 2 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 NO 2 的转化率如下图中实线所示 ( 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)+O 2 (g)=2NO 2 (g) 的 Δ H >0 B. 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 O 2 的浓度不能提高 NO 转化率 D.380 ℃ 下 , c 起始 (O 2 )=5.0×10 -4 mol·L -1 ,NO 平衡转化率为 50%, 则平衡常数 K >2 000 - 50 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 答案 : BD 解析 : 根据虚线可知 , 随着温度的升高 ,NO 的平衡转化率减小 , 则温度升高时平衡逆向移动 , 则正反应为放热反应 , 即反应 2NO(g)+O 2 (g) 2NO 2 (g) 的 Δ H <0,A 项错误 ; 由题图像可知 ,X 对应状态未达到平衡状态 , 所以延长反应时间能使反应继续正向进行 ,NO 的转化率提高 ,B 项正确 ;Y 点所示条件下 , 无论反应处于何种状态 , 增加反应物 O 2 的浓度一定能使反应正向进行 , 提高 NO 的转化率 ,C 项错误 ; 由于反应 2NO(g)+O 2 (g) 2NO 2 (g) 中 NO 和 NO 2 的化学计量数相同 ,NO 的平衡转化率为 50%, 则平衡时的 c (NO)= c (NO 2 ), 则 mol · L -1 代入该式时 , 可得 K =2 000, 但反应达到平衡时 O 2 的浓度一定小于 5.0×10 -4 mol · L -1 , 故平衡常数 K >2 000,D 项正确。 - 51 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 2 .(2019 福建长汀、连城一中等六校高三期中 )CO(g) 和 H 2 O(g) 以 1 ∶ 2 体积比分别通入到体积为 2 L 的恒容密闭容器中进行反应 :CO(g)+H 2 O(g) CO 2 (g)+H 2 (g), 得到如下三组数据 : 下列说法不正确的是 ( 　　 ) A. 从生产效益分析 ,C 组实验的条件最佳 B. 实验 A 中 , 在 0~10 min 内 , 以 v (H 2 ) 表示的反应速率大于 0.013 mol·L -1 ·min -1 C. 从实验数据分析 , 该反应的正反应是吸热反应 D. 比较实验 B 、 C, 说明 C 实验使用了更高效的催化剂 - 52 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 答案 : C 解析 : 实验组 A 中水蒸气的转化率为 32.5%, 实验组 B 中水蒸气的转化率为 20%,C 中的水蒸气的转化率为 0.65/2=32.5%,C 中反应时间短 , 所以从生产效益分析 ,C 组实验的条件最佳 , 故 A 项正确 ; 实验 A 中 ,50 min 内氢气的平均反应速率为 =0.013 mol · L -1 · min -1 , 因为随着反应的进行 , 物质的浓度逐渐减小 , 所以反应速率逐渐减慢 , 则在 0~10 min 内 , 以 v (H 2 ) 表示的反应速率大于 0.013 mol · L -1 · min -1 , 故 B 项正确 ; 从 B 、 C 组实验数据分析 , 升温时 CO 转化率减小 , 则该反应的正反应是放热反应 , 故 C 项错误 ; 比较实验 B 、 C, 起始物质的浓度相同 ,B 的温度高 , 但达到平衡的时间相同 , 说明 C 实验使用了更高效的催化剂 , 故 D 项正确。 - 53 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 3 .(2019 四川成都七中高中毕业班阶段性测试 ) 人们利用焦炭制取水煤气的工艺已广泛用于工业生产中。 500 ℃ 时 , 在密闭容器中将焦炭制取水煤气产生的废气中的 CO 2 转化为二甲醚 , 其相关反应为 : (1) 测得不同时间段部分物质的浓度如下表 : - 54 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 ① 10~20 min 内 ,CH 3 OCH 3 的平均反应速率 v (CH 3 OCH 3 )= 　　　　　 。在上述特定条件下 , 已知主反应的速率方程为 v = kc a (CO 2 )× c b (H 2 )/ c m (CH 3 OCH 3 )( k 为速率常数 , a 、 b 、 m 均大于 0), 下列措施一定能提高主反应的反应速率的是 　　　 ( 填字母序号 ) 。   A. 适当温度 B. 分离出二甲醚 C. 恒压减小 c (CO 2 )/ c (H 2 ) D. 恒容下增大 c (CO 2 ) ② 提高 CH 3 OCH 3 产率的关键因素是选用合适的催化剂 , 其原因是 　　　　　　　　　　 。若起始时 CO 2 和 H 2 的浓度比为 1 ∶ 3, 根据以上数据计算 , 上述主反应的平衡常数的计算表达式为 K = 　　　　　　　   - 55 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (2) 对该反应实验研究得出 , 在相同温度下 ,CO 2 的转化率等物理量随催化剂的组成比的变化关系如图所示。若温度不变 , 催化剂中 n (Mn)/ n (Cu) 约是 　　　　　 时最有利于二甲醚的合成 , 此时 , 若增大反应投料比 n (H 2 )/ n (CO 2 ), 平衡常数 K 将 　　　 ( 填 “ 增大 ”“ 减小 ” 或 “ 不变 ”) 。   - 56 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 答案 : (1) ① 0.003 mol·L -1 ·min -1 　 BD 　 ② 合适的催化剂能大幅提高主反应速率 , 从而提高二甲醚的产率　 0.1×( +0.3) 3 /(0.3 6 ×0.1 2 ) 　 (2)2 　不变 解析 : (1) ① 10~20 min 内 ,CH 3 OCH 3 的平均反应速率 有说明是升温还是降温 , 不能确定速率的变化 , 故 A 项错误 ; 分离出二甲醚 , 根据速率方程分析 , 可以提高主反应的速率 , 故 B 项正确 ; 恒压下减小二氧化碳和氢气的浓度比 , 不能确定速率的变化 , 故 C 项错误 ; 恒容下增大二氧化碳的浓度 , 根据速率方程分析 , 可以提高主反应的速率 , 故 D 项正确。 ② 催化剂能改变反应速率 , 所以合适的催化剂能大幅提高主反应速率 , 从而提高二甲醚的产率 ; 根据三段式分析 , 主反应 : - 57 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 变化 /(mol · L -1 ) 　 0.2 　　 0.6 　　　　 0.1 　　　 0.3 平衡 /(mol · L -1 ) 　 　　　 0.3 　　　　 0.1 　　　 由上述数据可知 , 有 0.1 mol · L -1 的 H 2 参与了副反应 , 则 - 58 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (2) 从图像分析 , 催化剂比例为 2 时 , 二甲醚选择性和二氧化碳的转化率最高 , 所以该组成比时最有利于二甲醚的合成 , 若此时增大反应物投料比 , 因为温度不变 , 所以平衡常数不变。 - 59 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 化学反应速率和化学平衡在生产和科研中的应用 化学反应速率和化学平衡理论的研究本身就是为了解决生活、生产中的实际问题。关注与化学有关的社会热点问题 , 认识环境保护和资源合理开发的重要性 , 具有可持续发展意识和绿色化学观念 ; 深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系 , 能运用所学知识综合分析化学反应速率和化学平衡在生产和科学研究中的调控作用 , 积极参与有关能源和环境问题的社会决策。 - 60 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 典例 (2019 北京理综 ,27 节选 ) 氢能源是最具有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 H 2 和 CO 2 , 其物质的量之比为 4 ∶ 1, 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 : ⅲ 为积碳反应 , 利用 Δ H 1 和 Δ H 2 计算 Δ H 3 时 , 还需要利用 　　　　 反应的 Δ H 。   - 61 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (3) 反应物投料比采用 n (H 2 O) ∶ n (CH 4 )=4 ∶ 1, 大于初始反应的化学计量数之比 , 目的是 　　　　 ( 选填字母序号 ) 。   a. 促进 CH 4 转化 b. 促进 CO 转化为 CO 2 c. 减少积碳生成 (4) 用 CaO 可以去除 CO 2 。 H 2 体积分数和 CaO 消耗率随时间变化关系如下图所示。 从 t 1 时开始 ,H 2 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 : 　　　　　　　 。   - 62 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (3) 增加 H 2 O(g) 的量 , 由 ⅰ 可知可提高 CH 4 的转化率 , 由 ⅱ 可知能促使 CO 转化为 CO 2 , 由 ⅲ 可知降低积碳反应的发生。 (4) 由图像可知 , 从 t 1 时开始 ,H 2 体积分数显著降低 , 单位时间 CaO 消耗率曲线斜率减小 , 原因是 CaO 表面被生成的碳酸钙覆盖 , 失去吸收 CO 2 的能力。 - 63 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 - 64 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 1 . 化工生产适宜条件选择的一般原则 - 65 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 2 . 平衡类问题需考虑的几个方面 (1) 原料的来源、除杂 , 还要考虑杂质对平衡的影响。 (2) 原料的循环利用。 (3) 产物的污染处理。 (4) 产物的酸、碱性对反应的影响。 (5) 气体产物的压强对平衡造成的影响。 (6) 改变外界条件对多平衡体系的影响。 - 66 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 1 . 在一定条件下探究二甲醚的制备反应为 2CO(g)+4H 2 (g) CH 3 OCH 3 (g)+H 2 O(g) 　 Δ H , 测定结果如图所示。下列判断错误的是 ( 　　 ) A. 该反应的 Δ H <0 B. 该反应伴随有副反应的发生 C. 工业选择的较适宜温度为 280~290 ℃ D. 加入催化剂可以提高 CH 3 OCH 3 的产率 答案 解析 解析 关闭 由题图可知 , 随着温度升高 ,CO 的转化率降低 , 所以升高温度 , 平衡逆向移动 , 则该反应是放热反应 ,Δ H <0,A 项正确 ; 从图中可知 ,CO 的转化率降低的同时 ,CH 3 OCH 3 的产率在不同温度下差别大 , 即说明该反应伴随有副反应的发生 ,B 项正确 ; 在 280~290 ℃之间 ,CH 3 OCH 3 的产率较高 , 工业选择的较适宜温度为 280~290 ℃ ,C 项正确 ; 加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间 , 但不能提高 CH 3 OCH 3 的产率 ,D 项错误。 答案 解析 关闭 D - 67 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 2 .(2019 山东烟台高三期末 ) 以硅石 ( 主要成分 SiO 2 ) 为起始原料生产高纯多晶硅的简化工艺流程如下图所示 : (1) 在电弧炉中 , 生成粗硅的化学方程式为 　　　　　　　　　　　　 , 该反应中氧化剂与还原剂物质的量之比为 　　　　　　　　 。   - 68 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (2) 合成炉中有关反应的数据如下表所示 : ① 主反应的温度需严格控制在 280~300 ℃ 之间 , 若温度过低 , 则 　　　　　　　　　　　　　 ; 若温度太高 ,SiHCl 3 则会转化生成 SiCl 4 , 该转化的热化学方程式为 　　　　　　　　　　　　　　　　 。   - 69 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 - 70 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (3) 还原炉中的主要反应为 SiHCl 3 (g)+H 2 (g) Si(s)+3HCl(g) 　 Δ H >0 。实验室中在 1.0 L 密闭容器中研究得到 SiHCl 3 的转化率在不同温度条件下随 n (H 2 )/ n (SiHCl 3 ) 变化的曲线如图所示。 t 1 、 t 2 、 t 3 表示的温度高低顺序为 　　　　　 。   - 71 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 - 72 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 解析 : (1) 二氧化硅和焦炭在高温条件下反应生成硅和一氧化碳 , 化学方程式为 SiO 2 +2C Si+2CO↑; 在该反应中碳元素化合价升高 , 失去电子 , 作还原剂 ,SiO 2 中的硅元素化合价降低 , 获得电子 ,SiO 2 作氧化剂 , 所以氧化剂与还原剂的物质的量的比为 1 ∶ 2 。 (2) ① 温度过低 , 反应速率慢 , 达到平衡所需要的时间较长 , 生产效率低下 ; 但若温度过高 ,SiHCl 3 又会转化生成 SiCl 4 , 根据盖斯定律 , 用副反应减主反应 , 整理可得 SiHCl 3 (g)+HCl(g) SiCl 4 (g)+H 2 (g) 　 Δ H =-31 kJ · mol -1 　 ② 根据热化学方程式可得 - 73 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (3) 根据图像可知 , 当其他条件相同而温度不同的情况下 , 物质 SiHCl 3 的转化率 : t 1 > t 2 > t 3 。由于该反应的正反应为吸热反应 , 在其他条件不变的情况下 , 升高温度 , 化学平衡正向移动 ,SiHCl 3 转化率提高 , 所以温度大小关系为 t 1 > t 2 > t 3 。 - 74 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 3 .(2019 湖南师大附中高三月考 ) 氮的固定对人类的生存发展具有重要意义 , 科学家一直致力于 “ 人工固氮 ” 新方法的研究。 (1) 豆科植物的根瘤菌含有一种固氮酶 , 能在常温下将空气中的氮气转化为自身生长所需的含氮化合物 , 下列说法错误的是 　　　　　 ( 填标号 ) 。   a. 固氮酶是一种有机物 b. 固氮酶能降低固氮反应发生所需的能量 c. 固氮酶能使固氮反应的平衡正向移动 d. 固氮酶能加快固氮反应的速率 - 75 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 (2) 合成氨是目前最重要的固氮方法。下图为合成氨反应 N 2 (g)+3H 2 (g) 2NH 3 (g) 在不同温度和压强、使用相同催化剂条件下 , 初始时氮气、氢气的体积之比为 1 ∶ 3 时 , 平衡混合物中氨的体积分数的变化曲线。 - 76 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 ① A 、 B 两平衡状态相比较 , 前者较大的是 　　　　　 ( 填标号 ) 。   a. 平衡常数 b. 平衡混合物的平均摩尔质量 c. 氢气的转化率 d. 从反应开始至达到平衡状态所需要的时间 ② 图中 p 1 、 p 2 、 p 3 由大到小的顺序为 　　　　　　 。   ③ 在 250 ℃ 、 p 2 条件下 ,H 2 的转化率为 　　　　　 %( 结果保留小数点后一位 ) 。   - 77 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 答案 : (1)c 　 (2) ① ad 　 ② p 1 > p 2 > p 3 　 ③ 66.7 解析 : (1) 酶属于有机物 , 故 a 正确 ; 固氮酶起到了催化剂的作用 , 所以固氮酶能降低固氮反应发生所需的能量 , 使反应在常温下就可以进行 , 故 b 正确 ; 催化剂只能改变反应速率 , 不能影响化学平衡 , 所以固氮酶不能使固氮反应的平衡正向移动 , 故 c 错误 ; 催化剂能够增大反应速率 , 所以固氮酶能增大固氮反应的速率 , 故 d 正确。 (2) ① 平衡常数只受温度影响 , 根据图像可知 ,A 点的温度低于 B, 合成氨的反应为放热反应 , 温度升高 , 平衡逆方向移动 , 平衡常数减小 , 所以 A 的平衡常数大于 B, 故 a 正确 ;A 、 B 都处于平衡状态时 , 氨气的体积分数相等 , 则氮气和氢气的体积分数也相等 , 则混合气体的平均摩尔质量 :A=B, 故 b 错误 ; 由于 A 、 B 达到平衡状态时各组分的含量完全相同 , 所以氢气的转化率 :A=B, 故 c 错误 ;B 的压强、温度都大于 A, 则 B - 78 - 素养解读 案例探究 方法规律 素养提升 的反应速率大于 A, 所以 B 优先达到平衡状态 , 即从反应开始至达平衡状态所需要的时间 :A>B, 故 d 正确 ; ② 相同温度下 , 压强增大 , 平衡正向移动 , 氨气的体积分数增大 , 氨气的体积分数关系为 p 1 > p 2 > p 3 , 则压强大小为 p 1 > p 2 > p 3 ; ③ 在 250 ℃ 、 p 2 时 , 初始时氮气、氢气的体积比为 1 ∶ 3, 物质的量之比也为 1 ∶ 3, 设氮气、氢气的物质的量分别为 1 mol 、 3 mol, 平衡时氨气的体积分数为 50%, 设氮气的转化率为 x , 则 开始 /mol 1 3 0 转化 /mol x 3 x 2 x 平衡 /mol 1- x 3-3 x 2 x