2021届一轮复习人教版化学平衡常数化学反应进行的方向学案

2021届一轮复习人教版化学平衡常数化学反应进行的方向学案

第3讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向 ‎【2021·备考】‎ 最新考纲：1.了解化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。2.能正确计算化学反应的转化率。‎ 核心素养：1.变化观念与平衡思想：能从化学平衡常数的角度分析化学反应，运用化学平衡常数解决问题。能多角度、动态地分析化学反应的转化率，运用化学反应原理解决实际问题。2.证据推理与模型认知：知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。能运用模型(Qc与K的关系)解释化学平衡的移动，揭示现象的本质和规律。‎ 考点一　化学平衡常数　转化率 ‎(频数：★★★　难度：★★☆)‎ 名师课堂导语 化学平衡常数和转化率是高考必考点，主要考查化学平衡常数表达式；化学平衡常数和转化率的计算；特别是通过平衡压强来表示平衡常数和计算转化率是近几年高考重点，复习时应加以关注。‎ ‎1.化学平衡常数 ‎(1)概念：‎ 在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，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K表示。‎ ‎(2)表达式：‎ 对于反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，‎ K＝。‎ ‎(3)实例 化学方程式 平衡常数 关系式 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)‎ K1＝ K2＝(或K1) K3＝ N2(g)＋2(g)NH3(g)‎ K2＝ ‎2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)‎ K3＝ ‎(1)纯液体、纯固体物质或稀溶液中水的浓度均不写，但是水蒸气的浓度要写。在非水溶液中进行的反应，若有水参加或生成，则水的浓度不可视为常数，应写进平衡常数表达式中。‎ ‎(2)平衡常数表达式中各物质的浓度为平衡时的浓度，其书写形式与化学方程式的书写有关。‎ ‎(4)意义及影响因素 ‎①K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大通常K>105可认为反应彻底，K<10－5认为反应不能发生。‎ ‎②K只受温度影响，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。‎ ‎(5)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何方向进行。‎ 对于化学反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的任意状态，浓度商：Qc＝。‎ Qc＜K，反应向正反应方向进行；‎ Qc＝K，反应处于平衡状态；‎ Qc＞K，反应向逆反应方向进行。‎ ‎③利用K可判断反应的热效应：若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应；若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。‎ ‎(1)计算化学平衡常数利用的是物质的平衡浓度，而不是任意时刻浓度，也不能用物质的量。‎ ‎(2)催化剂能加快化学反应速率，但对化学平衡无影响，也不会改变平衡常数的大小。‎ ‎2.平衡转化率 对于上例反应中A(g)的平衡转化率可表示为：‎ α(A)＝×100%{c0(A)代表A的初始浓度，c平(A)代表A的平衡浓度}。‎ ‎1.对于A(g)＋B(g)C(g)类反应，达到平衡后，保持温度、容积不变，又加入一定量的A，则平衡向正反应方向移动，α(B)增大而α(A)减小。‎ ‎2.对于aA(g)bB(g)类反应，达到平衡后，保持温度、容积不变，又加入一定量的A，相当于增大压强。‎ ‎[速查速测]‎ ‎1.(易混点排查)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)化学平衡发生移动，平衡常数不一定发生变化(√)‎ ‎(5)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度(√)‎ ‎2.已知反应A(g)＋3B(g)3C(g)在一定温度下达到平衡，该反应的平衡常数表达式为________________。若各物质的平衡浓度分别为c(A)＝2.0 mol·L－1、c(B)＝2.0 mol·L－1、c(C)＝1.0 mol·L－1，则K＝________。‎ 答案　K＝　0.062 5‎ ‎3.(思维探究题)已知下列反应在某温度下的平衡常数：‎ H2(g)＋S(s)H2S(g)　K1‎ S(s)＋O2(g)SO2(g)　K2‎ 则在该温度下反应H2(g)＋SO2(g)O2(g)＋H2S(g)的平衡常数为________。‎ 答案　K1/K2。‎ ‎[A组　基础知识巩固]‎ ‎1.某温度下，在一个2 L的密闭容器中，加入4 mol X和2 mol Y进行如下反应：3X(g)＋2Y(g)4Z(s)＋2W(g)，反应一段时间后达到平衡，测得生成1.6 mol Z，则下列说法正确的是(　　)‎ A.该反应的化学平衡常数表达式是K＝ B.此时，Y的平衡转化率是40%‎ C.增大该体系的压强，化学平衡常数增大 D.增加Y，Y的平衡转化率增大 解析　化学平衡常数的表达式中不能出现固体或纯液体物质，而物质Z是固体，A错误；根据化学方程式可知，平衡时减少的Y的物质的量是1.6 mol×＝0.8 mol，所以Y的转化率为×100%＝40%，B正确；平衡常数只与温度有关，增大压强时平衡常数不变，C错误；增加Y后平衡右移，X的转化率增大，而Y的转化率减小，D错误。‎ 答案　B ‎2.某温度下，反应H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)的平衡常数K＝。该温度下，在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中，投入H2(g)和CO2(g)，其起始浓度如表所示：‎ 起始浓度 甲 乙 丙 c(H2)/(mol·L－1)‎ ‎0.010‎ ‎0.020‎ ‎0.020‎ c(CO2)/(mol·L－1)‎ ‎0.010‎ ‎0.010‎ ‎0.020‎ 下列判断不正确的是(　　)‎ A.平衡时，乙中CO2的转化率大于60%‎ B.平衡时，甲中和丙中H2的转化率均是60%‎ C.平衡时，丙中c(CO2)是甲中的2倍，是0.008 mol·L－1‎ D.反应开始时，乙中的反应速率最快，甲中的反应速率最慢 解析　设甲容器中，平衡时氢气的变化浓度为x，则：K＝＝，解得x＝0.006 0 mol·L－1，平衡时c(H2)＝c(CO2)＝0.010－x＝0.004 0 mol·L－1，c(H2O)＝c(CO)＝0.006 0 mol·L－1，α(H2)＝×100%＝60%。因乙中H2的起始浓度大于甲，故乙平衡相当于是甲平衡正向移动的结果，乙中CO2的转化率大于60%，A项正确；丙平衡可看作是2个甲平衡合并而成的，又因H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)是平衡不受压强影响的反应，故丙平衡中物质的转化率不变，仅各物质的浓度是甲平衡中各物质浓度的2倍，所以B、C项正确；由于三组反应中丙中各物质的浓度最大，甲中各物质的浓度最小，所以丙反应速率最快，甲反应速率最慢，D项错误。‎ 答案　D ‎3.N2O5是一种新型硝化剂，一定温度下发生反应2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)　ΔH>0，T1温度下的部分实验数据为：‎ t/s ‎0‎ ‎500‎ ‎1 000‎ ‎1 500‎ c(N2O5)/(mol·L－1)‎ ‎5.00‎ ‎3.52‎ ‎2.50‎ ‎2.50‎ 下列说法不正确的是(　　)‎ A.500 s内，N2O5的分解速率为2.96×10－3 mol·L－1·s－1‎ B.T1温度下的平衡常数为K1＝125，1 000 s时N2O5的转化率为50%‎ C.其他条件不变时，T2温度下反应到1 000 s时测得N2O5(g)浓度为2.98 mol·L－1，则有T1T2，则有K1>K2‎ 解析　500 s内c(N2O5)由5.00 mol·L－1降低到3.52 mol·L－1，则有v(N2O5)＝＝2.96×10－3mol·L－1·s－1，A正确。1 000 s时，c(N2O5)＝2.50 mol·L－1，则c(NO2)＝5 mol·L－1，c(O2)＝1.25 mol·L－1，此时N2O5的转化率为×100%＝50%；化学平衡常数K1＝＝＝125，B正确。T2温度下反应到1 000 s时测得N2O5(g)浓度为2.98 mol·L－1>2.50 mol·L－1，说明反应正向进行的程度减小，又反应ΔH>0，故有T1>T ‎2，C错误。该反应为吸热反应，升高温度，平衡正向移动，平衡常数增大，由于T1>T2，则有K1>K2，D正确。‎ 答案　C ‎【规范答题】‎ 化学平衡计算模板 反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量(mol)分别为a、b，达到平衡后，A的消耗量为mx，容器容积为V L。‎ 对于反应物：n(平)＝n(始)－n(变)‎ 对于生成物：n(平)＝n(始)＋n(变)‎ 则有：(1)平衡常数：K＝。‎ ‎(2)A的平衡浓度：c(A)平＝mol·L－1。‎ ‎(3)A的转化率：α(A)平＝×100%。‎ ‎(4)A的体积分数：φ(A)＝×100%。‎ ‎(5)平衡与起始压强之比：＝。‎ ‎(6)混合气体的平均密度：‎ ρ混＝g·L－1。‎ ‎(7)平衡时混合气体的平均摩尔质量：‎ M＝g·mol－1。‎ ‎[B组　考试能力过关]‎ ‎4.近期发现，H2S是继NO、CO之后第三个生命体系气体信号分子，它具有参与调节神经信号传递、舒张血管减轻高血压的功能。回答下列问题：‎ H2S与CO2在高温下发生反应：H2S(g)＋CO2(g)COS(g) ＋H2O(g)。在610‎ ‎ K时，将0.10 mol CO2与0.40 mol H2S充入2.5 L的空钢瓶中，反应平衡后水的物质的量分数为0.02。‎ ‎(1)H2S的平衡转化率α1＝________%，反应平衡常数K＝________。‎ ‎(2)在620 K重复试验，平衡后水的物质的量分数为0.03，H2S的转化率α2________α1，该反应的ΔH________0。(填“>”“<”或“＝”)‎ ‎(3)向反应器中再分别充入下列气体，能使H2S转化率增大的是________(填标号)。‎ A. H2S B. CO2 ‎ C.COS D.N2‎ 解析　‎ ‎　 ＝0.02，x＝0.01。H2S的转化率为×100%＝2.5%。K＝＝2.8×10－3。‎ ‎(2)水的物质的量分数增大，说明平衡正向移动，H2S的转化率增大；温度升高，平衡正向移动，说明正反应是吸热反应。(3)增大H2S浓度，平衡正向移动，CO2转化率增大，H2S转化率降低，A错误；同理，增大CO2浓度，H2S转化率增大，CO2转化率降低，B正确；增大COS浓度，平衡向逆反应方向移动，H2S转化率降低，C错误；加入不反应的N2，反应物、生成物浓度均不变，平衡不移动，H2S转化率不变，D错误。‎ 答案　(1)2.5　2.8×10－3　(2)>　>　(3)B ‎5.CH4CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2)，还对温室气体的减排具有重要意义。回答下列问题：‎ ‎(1)CH4CO2催化重整反应为：CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)。‎ 已知：C(s)＋2H2(g)===CH4(g)　ΔH＝－75 kJ·mol－1‎ C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－394 kJ·mol－1‎ C(s)＋O2(g)===CO(g)　ΔH＝－111 kJ·mol－1‎ 该催化重整反应的ΔH＝________kJ·mol－1。有利于提高CH4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 某温度下，在体积为2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，其平衡常数为________ mol2·L－2。‎ ‎(2)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少。相关数据如下表：‎ 积碳反应CH4(g)=== C(s)＋2H2(g)‎ 消碳反应CO2(g)＋C(s) ===2CO(g)‎ ΔH/(kJ·mol－1)‎ ‎75‎ ‎172‎ 活化能(kJ·mol－1)‎ 催化 剂X ‎33‎ ‎91‎ 催化 剂Y ‎43‎ ‎72‎ ‎①由上表判断，催化剂X________Y(填“优于”或“劣于”)，理由是_____________________________________________________________________。‎ 在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下，某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图1所示，升高温度时，下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是________(填标号)。‎ A.K积、K消均增加 B.v积减小、v消增加 C.K积减小、K消增加 D.v消增加的倍数比v积增加的倍数大 ‎②在一定温度下，测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为v＝k·p(CH4)·[p(CO2)]－0.5(k为速率常数)。在p(CH4)一定时，不同p(CO2)下积碳量随时间的变化趋势如图2所示，则pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)从大到小的顺序为_____________________________________________________________________。‎ 解析　(1)将已知中3个反应依次记为①、②、③，根据盖斯定律③×2－①－②得该催化重整反应的ΔH＝(－111×2＋75＋394) kJ·mol－1＝＋247 kJ·mol－1。由于该反应为吸热且气体体积增大的反应，要提高CH4的平衡转化率，需在高温低压下进行。根据平衡时消耗的CO2为1 mol×50%＝0.5 mol，则消耗的CH4为0.5 mol，生成的CO和H2均为1 mol，根据三段式法可知平衡时CH4、CO2、CO和H2的平衡浓度分别为0.75 mol·L－1、0.25 mol·L－1、0.5 mol·L－1、0.5 mol·L－1，则平衡常数K＝＝ mol2·L－2。(2)①从表格中数据可看出相对于催化剂X，用催化剂Y催化时积碳反应的活化能大，则积碳反应的反应速率小，而消碳反应活化能相对小，则消碳反应的反应速率大，再根据题干信息“反应中催化剂活性会因积碳反应而降低”可知催化剂X劣于催化剂Y。结合图示可知500～600 ℃随温度升高积碳量增加，而600～700 ℃随温度升高积碳量减少，故随温度升高，K积和K消均增加，且消碳反应速率增加的倍数比积碳反应的大，故A、D正确。②由该图像可知在反应时间和p(CH4)相同时，图像中速率关系va>vb>vc，结合沉积碳的生成速率方程v＝k·p(CH4)·[p(CO2)]－0.5，在p(CH4)相同时，随着p(CO2)增大，反应速率逐渐减慢，即可判断：pc(CO2)>pb(CO2)>pa(CO2)。‎ 答案　(1)247　A　 ‎(2)①劣于　相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大　AD　②pc(CO2)>pb(CO2)>pa(CO2)‎ 考点二　化学反应进行的方向 ‎(频数：★☆☆　难度：★☆☆)‎ 名师课堂导语 化学反应进行的方向，在高考中很少涉及，复习时没必要拓展强化，只要抓住教材主干知识点进行落实即可。‎ ‎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(体系对外部做功或释放热量)。‎ ‎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.化学反应方向 ‎(1)判据 ‎(2)一般规律：‎ ‎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。‎ ‎(1)熵：衡量体系混乱程度的物理量，符号为S，单位为J·mol－1·K－1。‎ ‎(2)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。‎ ‎(3)复合判据计算时要注意单位换算。‎ ‎[速查速测]‎ ‎1.(易混点排查)正确的打“√”，错误的打“×”‎ ‎(1)放热过程均可以自发进行，吸热过程均不能自发进行(×)‎ ‎(2)CaCO3CaO＋CO2↑是一个熵增的过程(√)‎ ‎(3)焓变是影响反应是否具有自发性的唯一因素(×)‎ ‎(4)ΔH＜0、ΔS＞0时，反应一定能自发进行(√)‎ ‎(5)吸热且熵增加的反应，当温度升高时，反应一定能自发进行(×)‎ ‎(6)－10 ℃的水结成冰，可用熵变的判据来解释反应的自发性(×)‎ ‎2.下列过程的熵变的判断不正确的是(　　)‎ A.溶解少量食盐于水中，ΔS＞0‎ B.纯碳和氧气反应生成CO(g)，ΔS＞0‎ C.H2O(g)变成液态水，ΔS＞0‎ D.CaCO3(s)加热分解为CaO(s)和CO2(g)，ΔS＞0‎ 答案　C ‎3.(思维探究题)能自发进行的反应一定能实际发生吗？‎ 答案　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，并不能说明在该条件下反应一定能实际发生，还要考虑化学反应的快慢问题。‎ ‎[A组　基础知识巩固]‎ ‎1.反应2AB(g)==‎ ‎=C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，反应后体系中物质的总能量升高，则该反应的ΔH、ΔS应为(　　)‎ A.ΔH<0，ΔS>0 B.ΔH<0，ΔS<0‎ C.ΔH>0，ΔS>0 D.ΔH>0，ΔS<0‎ 解析　该反应中气体的物质的量增加，ΔS>0。反应后体系中物质的总能量升高，说明正反应是吸热反应，ΔH>0。‎ 答案　C ‎2.下列说法不正确的是(　　)‎ A.ΔH<0、ΔS>0的反应在任何温度下都能自发进行 B.NH4HCO3(s)===NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)　ΔH＝＋185.57 kJ·mol－1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 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　反应的ΔH<0、ΔS>0，则始终存在ΔH－TΔS<0，在任何温度下该反应都能自发进行，A正确。反应NH4HCO3(s)===NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)的ΔH>0、ΔS>0，则高温下存在ΔH－TΔS<0，若该反应能自发进行，说明体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向，B正确。ΔH、ΔS都与反应的自发性有关，但要根据ΔH－TΔS判断反应的自发性，不能将ΔH或ΔS单独作为反应自发性的判据，C错误。在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂可以改变反应的活化能，从而改变反应速率，D正确。‎ 答案　C ‎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)＋O2(g)‎ 已知该反应的ΔH>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CO2和N2，化学方程式如下：2NO＋2CO2CO2＋N2。反应能够自发进行，则反应的ΔH________0(填“>”“<”或“＝”)。‎ 解析　(1)2CO(g)===2C(s)＋O2(g)，该反应是焓增、熵减的反应。根据ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG>0，不能实现。‎ ‎(2)该反应为熵减反应，能自发进行说明ΔH<0。‎ 答案　(1)该反应是焓增、熵减的反应，任何温度下均不自发进行　(2)<‎ ‎【规律总结】‎ 焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响 ΔH ΔS ΔH－TΔS 反应情况 ‎－‎ ‎＋‎ 永远是负值 在任何温度下过程均自发进行 ‎＋‎ ‎－‎ 永远是正值 在任何温度下过程均非自发进行 ‎＋‎ ‎＋‎ 低温为正高温为负 低温时非自发，高温时自发 ‎－‎ ‎－‎ 低温为负高温为正 低温时自发，高温时非自发 ‎[B组　考试能力过关]‎ ‎4.下列有关说法不正确的是________。‎ A.C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－515 kJ·mol－1和C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)　ΔH＝－353 kJ·mol－1两个反应在热力学上趋势均很大 B.Na与H2O的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行 C.某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应 D.2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)在常温下能自发进行，则该反应的ΔH＞0‎ E.反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0‎ F.CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0‎ G..一定温度下，反应 MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)的ΔH>0、ΔS>0‎ 答案　DF