2020届一轮复习通用版7-3关注2大解题关键平衡状态与平衡移动学案

2020届一轮复习通用版7-3关注2大解题关键平衡状态与平衡移动学案

第3课时　关注2大解题关键——平衡状态与平衡移动 考点一　化学平衡状态 ‎1．化学平衡研究的对象——可逆反应 ‎2．化学平衡状态 ‎ ‎(1)概念 一定条件下的可逆反应，当反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物的浓度和生成物的浓度不再改变，我们称为“化学平衡状态”，简称化学平衡。‎ ‎(2)建立过程 在一定条件下，把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。反应过程如下：‎ 以上过程可用如图表示：‎ ‎ (3)平衡特点 ‎3．化学平衡状态的判断 化学反应 mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)‎ 是否平衡 ‎①各物质的物质的量或物质的量分数一定 平衡 混合物体系中各成分的含量 ‎②各物质的质量或质量分数一定 平衡 ‎③各气体的体积或体积分数一定 平衡 ‎④总体积、总压强、总物质的量一定 不一定平衡 正、逆反 应速率之 间的关系 ‎①单位时间内消耗了m mol A，同时也生成了m mol A 平衡 ‎②单位时间内消耗了n mol B，同时也消耗了p mol C 平衡 ‎③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q 不一定平衡 ‎④单位时间内生成了n mol B，同时也消耗了q mol D 不一定平衡 压强 ‎①其他条件一定、总压强一定，且m＋n≠p＋q 平衡 ‎②其他条件一定、总压强一定，且m＋n＝p＋q 不一定平衡 混合气体的平均相对分子质量 ‎①平均相对分子质量一定，且m＋n≠p＋q 平衡 ‎②平均相对分子质量一定，且m＋n＝p＋q 不一定平衡 温度 任何化学反应都伴随着能量变化，当体系温度一定时 平衡 气体密度(ρ)‎ ‎①只有气体参加的反应，密度保持不变(恒容密闭容器中)‎ 不一定平衡 ‎②m＋n≠p＋q时，密度保持不变(恒压容器中)‎ 平衡 ‎③m＋n＝p＋q时，密度保持不变(恒压容器中)‎ 不一定平衡 颜色 反应体系内有色物质的颜色稳定不变(其他条件不变)‎ 平衡 ‎[考法精析]‎ 考法一　化学平衡状态的判断 ‎1．一定温度下在一容积不变的密闭容器中发生可逆反应2X(g)Y(g)＋Z(s)，以下不能说明该反应达到化学平衡状态的是(　　)‎ A．混合气体的密度不再变化 B．反应容器中Y的质量分数不变 C．X的分解速率与Y的消耗速率相等 D．单位时间内生成1 mol Y的同时生成2 mol X 解析：选C　X的分解速率与Y的消耗速率之比为2∶1时，才能说明反应达到平衡状态，故C项说明反应未达到平衡状态。‎ ‎2．一定温度下，反应N2O4(g)2NO2(g)的焓变为ΔH。现将1 mol N2O4充入一恒压密闭容器中，下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是(　　)‎ A．①②　　　　　　　 　B．②④‎ C．③④ D．①④‎ 解析：选D　因反应容器保持恒压，所以容器体积随反应进行而不断变化，结合ρ气＝可知，气体密度不再变化，说明容器体积不再变化，即气体的物质的量不再变化，反应达到平衡状态，①符合题意；无论是否平衡，反应的ΔH都不变，②不符合题意；反应开始时，加入1 mol N2O4，随着反应的进行，N2O4的浓度逐渐变小，故v正(N2O4)逐渐变小，直至达到平衡，③不符合题意；N2O4的转化率不再变化，说明N2O4的浓度不再变化，反应达到平衡状态，④符合题意。‎ ‎3．在一定条件下，可逆反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，达到化学平衡状态时，下列说法正确的是(　　)‎ A．降低温度，可提高反应速率 B．反应物和生成物的浓度都不再发生变化 C．N2的正反应速率等于NH3的逆反应速率 D．加入合适的催化剂，可提高N2的转化率 解析：选B　降低温度，反应速率减慢，A项错误；反应达到平衡时，反应物和生成物的浓度都不变，B项正确；反应达到平衡时，N2的正反应速率等于NH3的逆反应速率的，C项错误；加入合适的催化剂，反应速率加快，但平衡不移动，N2的转化率不变，D项错误。‎ ‎4．用Cl2生产某些含氯有机物时会生成副产物HCl，利用下列反应可实现氯的循环利用：4HCl(g)＋O2(g)2Cl2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－115.6 kJ·mol－1。恒温恒容的密闭容器中，充入一定量的反应物发生上述反应，能充分说明该反应达到化学平衡状态的是(　　)‎ A．气体的质量不再改变 B．氯化氢的转化率不再改变 C．断开4 mol H—Cl键的同时生成4 mol H—O键 D．n(HCl)∶n(O2)∶n(Cl2)∶n(H2O)＝4∶1∶2∶2‎ 解析：选B　反应物和生成物均为气体，气体的总质量始终不变，A错误；反应正向进行时，HCl的转化率升高；反应逆向进行时，HCl的转化率降低，当HCl的转化率不再改变时，可以说明可逆反应达到平衡状态，B正确；断开4 mol H—Cl键和生成4 mol H—O键均表示正反应方向的反应速率，不能据此判断反应是否达到平衡状态，C错误；反应达到平衡状态时，各反应物和生成物的物质的量保持不变，但各物质的物质的量之比等于对应的化学计量数之比，不能判断反应是否达到平衡状态，D错误。‎ ‎[备考方略]‎ 判断化学平衡状态的方法——“正逆相等，变量不变”‎ 考法二　考查“极值”思想在化学平衡计算中的应用 ‎5．可逆反应N2＋3H22NH3，在容积为10 L的密闭容器中进行，开始时加入2 mol N2和3 mol H2，达平衡时，NH3的浓度不可能达到(　　)‎ A．0.1 mol·L－1 B．0.2 mol·L－1‎ C．0.05 mol·L－1 D．0.15 mol·L－1‎ 解析：选B　2 mol N2和3 mol H2反应，假设反应能够进行到底，则3 mol H2完全反应，生成2 mol NH3，此时NH3浓度为0.2 mol·L－1，但由于反应是可逆反应，H2不能完全反应，所以NH3浓度达不到0.2 mol·L－1。‎ ‎6．一定条件下，对于可逆反应X(g)＋3Y(g)2Z(g)，若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零)，达到平衡时，X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.08 mol·L－1，则下列判断正确的是(　　)‎ A．c1∶c2＝3∶1‎ B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为2∶3‎ C．X、Y的转化率不相等 D．c1的取值范围为0v逆 平衡向正反应方向移动 v正＝v逆 反应达到平衡状态，不发生平衡移动 v正＜v逆 平衡向逆反应方向移动 ‎4．勒夏特列原理 如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强、以及参加反应的化学物质的浓度)，平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。‎ ‎[提醒]　①由“化学平衡”可知：勒夏特列原理的适用对象是可逆过程。‎ ‎②由“减弱”可知：只能减弱改变，而不能消除改变。‎ ‎1．自发过程 ‎(1)含义 不用借助外力就可以自动进行的过程。‎ ‎(2)特点 ‎①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或放出热量)。‎ ‎②在密闭条件下，体系有从有序转变为无序的倾向性(无序体系更加稳定)。‎ ‎2．熵与熵变 ‎(1)熵 描述体系混乱程度的物理量，符号为S。‎ 熵值越大，体系混乱度越大。‎ ‎(2)熵变 ΔS＝S(反应产物)－S(反应物)。‎ ‎3．反应进行的方向 ‎(1)判据 ‎(2)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。‎ ‎[提醒]　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化学计量数大小。‎ ‎[考法精析]‎ 考法一　外界条件对化学平衡的影响 ‎[典例1]　将等物质的量的N2、H2气体充入某密闭容器中，在一定条件下，发生如下反应并达到平衡：‎ N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时，下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是(　　)‎ 选项 改变条件 新平衡与原平衡比较 A 增大压强 N2的浓度一定变小 B 升高温度 N2的转化率变小 C 充入一定量H2‎ H2的转化率不变，N2的转化率变大 D 使用适当催化剂 NH3的体积分数增大 ‎[解析]　A项，正反应是气体体积减小的反应，依据勒夏特列原理可知增大压强平衡向正反应方向移动，但N2的浓度仍然比原平衡大，不正确；B项，正反应是放热反应，则升高温度平衡向逆反应方向移动，N2的转化率降低，正确；C项，充入一定量的H2，平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，而H2的转化率降低，不正确；D项，催化剂只能改变反应速率而不能使平衡移动，不正确。‎ ‎[答案]　B ‎[备考方略]　化学平衡移动题的解题流程 ‎[对点练1]　COCl2(g)CO(g)＋Cl2(g)　ΔH>0。当反应达到平衡时，下列措施：①升温、②恒容通入惰性气体、③增加CO浓度、④减压、⑤加入催化剂、⑥恒压通入惰性气体， 能提高COCl2转化率的是(　　)‎ A．①②④　　　　　　　 　B．①④⑥‎ C．②③⑤ D．③⑤⑥‎ 解析：选B　该反应为吸热反应，升温则平衡正向移动，反应物转化率提高，①正确；恒容时，通入惰性气体，反应物与生成物浓度不变，平衡不移动，②错误；增加CO浓度，平衡逆向移动，反应物转化率降低，③错误；该反应正反应为气体分子总数增大的反应，减压时平衡正向移动，反应物转化率提高，④正确；催化剂只能改变反应速率，不能提高反应物的转化率，⑤错误；恒压时，通入惰性气体，容器体积增大，反应物与生成物的浓度均降低，平衡向气体分子数增加的方向移动，即平衡正向移动，反应物转化率提高，⑥正确。‎ ‎[对点练2]　在体积为V L的恒容密闭容器中盛有一定量H2，通入Br2(g)发生反应：H2(g)＋Br2(g)2HBr(g)　ΔH<0。当温度分别为T1、T2平衡时，H2的体积分数与Br2(g)的物质的量的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)‎ A．由图可知：T2>T1‎ B．a、b两点的反应速率：b>a C．为了提高Br2(g)的转化率，可采取增加Br2(g)通入量的方法 D．a点比b点体系的颜色深 解析：选B　A项，根据反应：H2(g)＋Br2(g)2HBr(g)　ΔH<0，升温，平衡向逆反应方向移动，H2的体积分数增大，根据图示变化，可知T1>T2，错误；B项，b点Br2的浓度比a点Br2的浓度大，反应速率也大，正确；C项，增加Br2(g)的通入量，Br2(g)的转化率减小，错误；D项，b点对a点来说，是向a点体系中加入Br2使平衡向正反应方向移动，尽管Br2的量在新基础上会减小，但是Br2的浓度比原来会增加，导致Br2的浓度增加，颜色变深，即b点比a点体系的颜色深，错误。‎ 考法二　化学平衡移动原理在化工生产中的应用 ‎[典例2]　(2016·全国卷Ⅱ节选)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)‎ 等。回答下列问题：‎ ‎(1)以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：‎ ‎①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)ΔH＝－515 kJ·mol－1‎ ‎②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)ΔH＝－353 kJ·mol－1‎ 有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是___________________________________‎ ‎________________________________________________________________________；‎ 提高丙烯腈反应选择性的关键因素是______________________________________。‎ ‎(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时，丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率，判断理由是________________________________________________________________________；‎ 高于460 ℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选，填标号)。‎ A．催化剂活性降低　　　　 　B．平衡常数变大 ‎ C．副反应增多 D．反应活化能增大 ‎[解析]　(1)由题给生成丙烯腈的热化学方程式①可知其反应的特点：正反应为放热反应，正反应方向是气体物质的量增加的反应；故降低温度或降低压强，平衡均向正反应方向移动，有利于提高丙烯腈的平衡产率。‎ 在化工生产中由于此反应会伴随副反应发生，为提高丙烯腈反应的选择性，使用合适催化剂十分重要。‎ ‎(2)由图(a)可知，低于460 ℃时丙烯腈的产率随温度的升高而增大，高于460 ℃时丙烯腈的产率随温度的升高而降低，当460 ℃时丙烯腈的产率最高，而根据反应①可知反应放热，其丙烯腈的产率理应随着温度的升高而降低。图(a)展示的产率变化与反应①应该呈现的产率变化相矛盾的原因是低于460 ℃时，图(a)中呈现的产率变化是未达到平衡时的产率变化，当460 ℃时达到平衡，高于460 ℃时呈现的产率变化才是平衡产率。‎ ‎[答案]　(1)降低温度、降低压强　催化剂 ‎(2)不是　该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低　AC ‎[备考方略]　化工生产适宜条件选择的一般原则 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 注意催化剂的活性对温度的限制 ‎[对点练3]　工业上利用焦炭与水蒸气生产H2的反应原理为C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)　ΔH＞0；CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＜0；第二步生产的原料CO来源于第一步的产物。为提高原料的利用率及H2的日产量，下列措施中不可取的是(　　)‎ ‎①第一步产生的混合气直接作为第二步的反应物 ‎②第二步生产应采用适当的温度和催化剂 ‎③第一、二步生产中均充入足量水蒸气 ‎④第二步应在低温下进行 ‎⑤第二步生产采用高压 ‎⑥第二步生产中增大CO的浓度 A．①③⑤ B．②④⑥‎ C．②③⑤ D．①④⑤⑥‎ 解析：选D　第一步产生的H2使第二步的平衡逆向移动，故应先进行分离，①错误；第二步反应为放热反应，温度过低，反应速率太小而影响H2的日产量，温度过高则平衡逆向移动，且要考虑催化剂的活性，故应选择适当的温度和催化剂，故②正确、④错误；增大廉价易得的水蒸气浓度可提高焦炭的利用率，③正确；压强对第二步反应无影响，不必采取高压，⑤错误；增大CO浓度并未提高主要原材料焦炭的利用率，⑥错误。‎ ‎[对点练4]　化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。‎ ‎(1)利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：TaS2(s)＋2I2(g)TaI4(g)＋S2(g)　ΔH＞0　Ⅰ 如图所示，反应Ⅰ在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的TaS2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1________T2(填“＞”“＜”或“＝”)。上述反应体系中循环使用的物质是________。‎ ‎(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH________0(填“＞”或“＜”)。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是____________‎ ‎______________________________________________________________________________________________________________________________________。‎ 解析：(1)由题意可知，未提纯的TaS2粉末变成纯净TaS2晶体，要经过两步转化：①TaS2＋2I2TaI4＋S2，②TaI4＋S2TaS2＋2I2，即反应Ⅰ先在温度T2端正向进行，后在温度T1端逆向进行，反应Ⅰ的ΔH大于0，因此温度T1小于T2，该过程中循环使用的物质是I2。(2)从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH＜0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，不必再增大压强。‎ 答案：(1)＜　I2‎ ‎(2)＜　在1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失