2021届一轮复习人教版化学平衡状态及其移动学案

2021届一轮复习人教版化学平衡状态及其移动学案

第2讲　化学平衡状态及其移动 ‎【2021·备考】‎ 最新考纲：1.了解化学反应的可逆性。2.了解化学平衡建立的过程，掌握化学平衡的概念。3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学平衡的影响，认识并能用相关理论解释其一般规律。4.了解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。‎ 核心素养：1.变化观念与平衡思想：知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定规律：认识化学变化有一定限度，是可以调控的。能多角度、动态地分析化学反应，运用化学反应原理解决实际问题。2.证据推理与模型认知：建立观点、结论和证据之间的逻辑关系：知道可以通过分析、推理等方法认识化学平衡的特征及其影响因素，建立模型。通过运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。‎ 考点一　可逆反应与化学平衡状态 ‎(频数：★★☆　难度：★★☆)‎ 名师课堂导语 本考点主要考查：(1)化学平衡状态的特点；(2)化学平衡状态的判断，特别是一些创新性的判断依据是考查重点，复习时加以关注。‎ ‎1.可逆反应 ‎(1)定义 在同一条件下既可以向正反应方向进行，同时又可以向逆反应方向进行的化学反应。‎ ‎(2)特点 ‎①二同：a.相同条件下；b.正、逆反应同时进行。‎ ‎②一小：反应物与生成物同时存在；任一组分的转化率都小于100%。‎ ‎(3)表示 在化学方程式中用“”表示。‎ 可逆反应不等同于可逆过程。可逆过程包括物理变化和化学变化，而可逆反应属于化学变化。‎ ‎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：‎ 以上过程可用下图表示：‎ 化学反应的平衡状态可以从正反应方向建立，也可以从逆反应方向建立。‎ ‎(3)平衡特点 ‎3.判断化学平衡状态的两种方法 ‎(1)动态标志：v正＝v逆≠0‎ ‎①同种物质：同一物质的生成速率等于消耗速率。‎ ‎②不同物质：必须标明是“异向”的反应速率关系。如aA＋bBcC＋dD，‎ ＝时，反应达到平衡状态。‎ ‎(2)静态标志：各种“量”不变 ‎①各物质的质量、物质的量或浓度不变。‎ ‎②各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数等)不变。‎ ‎③温度、压强(化学反应方程式两边气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。‎ 这些判据不要死记硬背，在判定时要灵活运用“变量不变原则”：若物理量由变量变成了不变量，则表明该可逆反应达到平衡状态；若物理量为“不变量”，则不能作为平衡标志。‎ ‎[速查速测]‎ ‎1.(易混点排查)正确的打“√”，错误的打“×”‎ ‎(1)2H2O 2H2↑＋O2↑为可逆反应(×)‎ ‎(2)二次电池的充、放电为可逆反应(×)‎ ‎(3)可逆反应不等同于可逆过程。可逆过程包括物理变化和化学变化，而可逆反应属于化学变化(√)‎ ‎(4)化学反应达到化学平衡状态时，正、逆反应速率相等，是指同一物质的消耗速率和生成速率相等，若用不同物质表示时，反应速率不一定相等(√)‎ ‎(5)一个可逆反应达到的平衡状态就是这个反应在该条件下所能达到的限度(√)‎ ‎2.一定温度下，对可逆反应A(g)＋2B(g)3C(g)的下列叙述中，能说明反应已达到平衡的是(　　)‎ A.单位时间内消耗a mol A，同时生成3a mol C B.容器内B的浓度不再变化 C.混合气体的物质的量不再变化 D.A的消耗速率等于C的生成速率的倍 答案　B ‎3.(思维探究题)通过图像判断反应是否达到平衡是高考命题新方向：‎ 判断：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________。‎ 答案　①④‎ ‎[A组　基础知识巩固]‎ ‎1.可逆反应：2NO22NO＋O2在固定体积的密闭容器中反应，达到平衡状态的标志是(　　)‎ ‎①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2；‎ ‎②单位时间内生成n mol O2 的同时生成2n mol NO；‎ ‎③用NO2、NO、O2 的物质的量浓度变化表示的反应速率之比为2∶2∶1的状态；‎ ‎④混合气体的颜色不再改变的状态；‎ ‎⑤混合气体的密度不再改变的状态；‎ ‎⑥混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态 A.①④⑥ B.②③⑤‎ C.①③④ D.①②③④⑤⑥‎ 解析　此题列出了判断可逆反应是否达到平衡状态的多种情况，应从平衡状态的两个重要特征上判断：(1)v(正)＝v(逆)，(2)混合物中各组成成分的百分含量不变。①符合特征(1)；②表示的都是正反应方向；③说明了反应中各物质的转化量的关系；④NO2是红棕色气体，颜色不变时说明NO2的浓度保持不变，符合特征(2)；⑤中是恒容条件，ρ始终不变；⑥中说明符合特征(2)。故①④⑥能说明是否达到平衡状态。‎ 答案　A ‎2.一定条件下，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0＜c1＜0.14 mol·L－1‎ 解析　平衡浓度之比为1∶3，转化浓度亦为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，A、C不正确；平衡时Y生成表示逆反应速率，Z生成表示正反应速率且v生成(Y)∶v生成(Z)应为3∶2，B不正确；由可逆反应的特点可知0＜c1＜0.14 mol·L－1。‎ 答案　D ‎3.苯乙烯是现代石油化工产品中最重要的单体之一。在工业上，苯乙烯可由乙苯和CO2催化脱氢制得：‎ 在温度为T1时，此反应的平衡常数K＝0.5。在2 L密闭容器中加入乙苯(g)与CO2，反应到某时刻测得混合物中各组分的物质的量均为1.0 mol，请回答下列问题：‎ ‎(1)该时刻的化学反应________(填“已达到”或“未达到”)平衡状态。‎ ‎(2)下列能说明乙苯与CO2在该条件下反应已达到平衡状态的是________(填字母)。‎ a.v正(CO2)＝v逆(CO2)‎ b.c(CO2)＝c(CO)＝0.5 mol/L c.混合气体的密度不变 d.CO2的体积分数保持不变 ‎(3)若将反应改为恒压绝热条件下进行，达到平衡状态时，则乙苯的物质的量浓度________(填字母)。‎ a.大于0.5 mol/L B.小于0.5 mol/L c.等于0.5 mol/L D.无法确定 解析　(1)各组分的浓度均为＝0.5 mol/L，Q＝＝0.5＝K ‎，则该时刻反应达到平衡状态。(2)a项，对同一物质来说，正、逆反应速率相等，说明反应已达到平衡状态；b项，c(CO2)与c(CO)的浓度是否相等，与反应的起始量和转化率有关，所以当c(CO2)＝c(CO)时不能说明已达平衡状态；c项，在恒容容器中，混合气体的总质量在反应过程中始终没有变化，即密度始终没有变化，与是否达到平衡状态无关；d项，随着反应进行，CO2的体积分数逐渐减小，当CO2的体积分数保持不变时，即达到平衡状态。(3)该反应为正向吸热、气体分子数增大的反应，若维持恒压绝热，相当于在原平衡的基础上降温，同时增大容器的容积，二者对乙苯浓度的影响无法确定。‎ 答案　(1)已达到　(2)ad　(3)d ‎【归纳反思】‎ ‎1.化学平衡状态判断“三关注”‎ ‎(1)关注反应条件，是恒温恒容，恒温恒压，还是绝热恒容容器；(2)关注反应特点，是等体积反应，还是非等体积反应；(3)关注特殊情况，是否有固体参加或生成，或固体的分解反应。‎ ‎2.不能作为“标志”的四种情况 ‎(1)反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比。‎ ‎(2)恒温恒容下的体积不变的反应，体系的压强或总物质的量不再随时间而变化，如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。‎ ‎(3)全是气体参加的体积不变的反应，体系的平均相对分子质量不再随时间而变化，如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。‎ ‎(4)全是气体参加的反应，恒容条件下体系的密度保持不变。‎ ‎[B组　考试能力过关]‎ ‎4.已知：X(g)＋2Y(g)3Z(g)　ΔH＝－a kJ·mol－1(a＞0)。下列说法不正确的是(　　)‎ A.0.1 mol X和0.2 mol Y充分反应生成Z的物质的量一定小于0.3 mol B.达到化学平衡状态时，X、Y、Z的浓度不再发生变化 C.达到化学平衡状态时，反应放出的总热量可达a kJ D.升高反应温度，逆反应速率增大，正反应速率减小 解析　选项对化学平衡的逆、等、定、动、变五个特征中四个特征进行了考查。可逆反应具有不彻底性，故A正确；可逆反应达到平衡后，正反应与逆反应速率相等，各个物质的量浓度不再发生改变，故B正确；C易错选，C中反应放出的热量与实际参加反应的量有关，只要实际参与反应的A为1 mol就可以放出热量a kJ，所以C正确；温度升高，无论是放热反应还是吸热反应，正、逆速率都增大，故D错误。‎ 答案　D ‎5.可逆反应A(g)＋B(g) C(g)＋D(g)。下列依据能判断该反应已达到平衡的是________。‎ ‎(1)压强不随时间改变 ‎(2)气体的密度不随时间改变 ‎(3)c(A)不随时间改变 ‎(4)单位时间内生成C和D的物质的量相等 答案　(3)‎ ‎6.砷(As)是第四周期ⅤA族元素，可以形成As2S3、As2O5、H3AsO3、H3AsO4等化合物，有着广泛的用途。回答下列问题：‎ ‎298 K时，将20 mL 3x mol·L－1Na3AsO3、20 mL 3x mol·L－1 I2和20 mL NaOH溶液混合，发生反应：AsO(aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq)AsO(aq)＋2I－(aq)＋H2O(l)。溶液中c(AsO)与反应时间(t)的关系如图所示。‎ ‎(1)下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。‎ a.溶液的pH不再变化 b.v(I－)＝2v(AsO)‎ c.c(AsO)/c(AsO)不再变化 d.c(I－)＝y mol·L－1‎ ‎(2)tm时，v正________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。‎ ‎(3)tm时v逆________tn时v逆(填“大于”“小于”或“等于”)，理由是_____________________________________________________________________。‎ ‎(4)若平衡时溶液的pH＝14，则该反应的平衡常数K为________。‎ 解析　(1)a项，随着反应进行，溶液的pH不断降低，当pH不再变化时，说明反应达到了平衡；b项，速率之比等于化学计量数之比，该结论在任何时刻都成立，故无法判断是否达到平衡；c项，随反应进行，c(AsO)不断增大，c(AsO)不断减小，当二者比值不变时，说明二者浓度不再改变，则反应达到平衡；d项，由图像并结合方程式可知，平衡时c(I－)＝2y mol/L，故当c(I－)＝y mol/L时，反应未达到平衡；‎ ‎(2)由图像可知tm时刻后c(AsO)仍在不断增加，说明反应还在正向进行，故此时v正大于v逆；‎ ‎(3)tm到tn时刻，反应一直正向进行，生成物的浓度逐渐增大，所以逆反应速率不断增大，故tm时v逆小于tn时v逆；‎ ‎(4)混合后c(AsO)＝x mol/L，c(I2)＝x mol/L，由图像可知平衡时生成的c(AsO)＝y mol/L，溶液的pH＝14，则c(OH－)＝1 mol/L，列出三段式为 ‎ AsO(aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq)AsO(aq)＋2I－(aq)＋H2O(l)‎ 则平衡常数K＝＝。‎ 答案　(1)ac　(2)大于　(3)小于　tm时生成物浓度较低 ‎(4) 考点二　化学平衡移动 ‎(频数：★★★　难度：★★☆)‎ 名师课堂导语 化学平衡移动是高考重点，主要有以下考查方向：(1)外界条件对平衡的影响判断；(2)化学平衡移动有关图像分析；(3)勒夏特列原理的拓展应用；特别是平衡图像是高考重点，复习时要加以关注。‎ ‎1.化学平衡的移动 平衡移动就是由一个“平衡状态→不平衡状态→新平衡状态”的过程。一定条件下的平衡体系，条件改变后，平衡可能发生移动，如下所示：‎ ‎2.化学平衡移动与化学反应速率的关系 v正>v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0，H2的物质的量随时间的变化如图所示，下列有关说法中正确的是(　　)‎ A.平衡时，I2蒸气的体积分数为25%‎ B.若在1.5 min时降低温度，则反应将向左进行 C.平衡后若升高温度，v正增大，v逆减小 D.平衡后向容器中加入一定量的H2后，平衡向左移动，H2的体积分数减小 解析　该反应反应前后气体体积不变，由图可知，平衡时n(H2)＝0.4 mol，则有n(I2)＝0.4 mol，故I2蒸气的体积分数为×100%＝25%，A正确；1.5 min时反应未达到平衡状态，降低温度，平衡向吸热的正反应方向移动，反应速率减慢，但v正仍大于v逆，直至平衡，B错误；平衡后若升高温度，v正、v逆均增大，但v正增大的程度大于v逆，平衡向右移动，C错误；平衡后加入H2，平衡向左移动，根据勒夏特列原理可知，达到新平衡后，c(H2)仍比原来大，则新平衡后H2的体积分数增大，D错误。‎ 答案　A ‎3.用O2将HCl转化为Cl2，可提高效益，减少污染。新型RuO2催化剂对上述HCl转化为Cl2的总反应具有更好的催化活性。‎ 实验测得在一定压强下，总反应的HCl平衡转化率随温度变化的αHCl～T曲线如下图：‎ ‎(1)则总反应的ΔH________0(填“＞”、“＝”或“＜”)；A、B两点的平衡常数K(A)与K(B)中较大的是________。‎ ‎(2)在上述实验中若压缩体积使压强增大，请在上图画出相应αHCl～T曲线的示意图，并简要说明理由：_________________________________________________‎ ‎____________________________________________________________________。‎ ‎(3)下列措施中，有利于提高αHCl的有________。‎ A.增大n(HCl) B.增大n(O2)‎ C.使用更好的催化剂 D.移去H2O 答案　(1)＜　K(A)‎ ‎(2)见下图 温度相同的条件下，增大压强，平衡右移，αHCl增大，因此曲线应在原曲线上方　(3)BD ‎【思维建模】‎ 解答化学平衡移动类试题的一般思路 ‎[B组　考试能力过关]‎ ‎4.室温下，向圆底烧瓶中加入1 mol C2H5OH和含1 mol HBr的氢溴酸，溶液中发生反应：C2H5OH＋HBrC2H5Br＋H2O，充分反应后达到平衡。已知常压下，C2H5Br和C2H5OH的沸点分别为38.4 ℃和78.5 ℃。下列有关叙述错误的是(　　)‎ A.加入NaOH，可增大乙醇的物质的量 B.增大HBr浓度，有利于生成C2H5Br C.若反应物均增大至2 mol，则两种反应物平衡转化率之比不变 D.若起始温度提高至60 ℃，可缩短反应达到平衡的时间 解析　加入NaOH，c(HBr)减小，平衡向逆反应方向移动，乙醇的物质的量增大，A项正确；增大HBr浓度，平衡向正反应方向移动，有利于生成C2H5‎ Br，B项正确；若反应物按照化学计量数之比加入溶液中，则各物质的平衡转化率相等，故反应物均增大至2 mol，两种反应物平衡转化率之比不变，C项正确；若起始温度提高至60 ℃，生成物C2H5Br为气态，能够从反应体系中逸出，导致反应不断向正反应方向进行，因此不能缩短反应达到平衡的时间，D项错误。‎ 答案　D ‎5.丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：‎ ‎(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1丁烯(C4H8)的热化学方程式如下：‎ ‎①C4H10(g)===C4H8(g)＋H2(g)　ΔH1‎ 已知：②C4H10(g)＋O2(g)===C4H8(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－119 kJ·mol－1‎ ‎③H2(g)＋ O2(g)===H2O(g)盛顿ΔH3＝－242 kJ·mol－1‎ 反应①的ΔH1为________kJ·mol－1。‎ 图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x________0.1(填“大于”或“小于”)；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是________(填标号)。‎ A.升高温度 B.降低温度 C.增大压强 D.降低压强 ‎(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是___________________________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________________________。‎ ‎(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是______________________________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________________________、‎ ‎_____________________________________________________________________；‎ ‎590 ℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是______________________________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________________________。‎ 解析　(1)由盖斯定律可知， ①式＝②式－③式，即ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝－119 kJ/mol－(－242 kJ/mol)＝123 kJ/mol。由a图可以看出，温度相同时，由0.1 MPa变化到x MPa，丁烷的转化率增大，即平衡正向移动，所以x的压强更小，x<0.1。由于反应①为吸热反应，所以温度升高时，平衡正向移动，丁烯的平衡产率增大，因此A正确、B错误。反应①正向进行时体积增大，加压时平衡逆向移动，丁烯的平衡产率减小，因此C错误，D正确。(2)反应初期，H2可以活化催化剂，进料气中n(氢气)/n(丁烷)较小，丁烷浓度大，反应向正反应方向进行的程度大，丁烯转化率升高；然后进料气中n(氢气)/n(丁烷)增大，原料中过量的H2会使反应①平衡逆向移动，所以丁烯产率下降。(3)590 ℃之前，温度升高时反应速率加快，生成的丁烯会更多，同时由于反应①是吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡体系中会含有更多的丁烯。而温度超过590 ℃时，由于丁烷高温会裂解生成短链烃类，所以参加反应①的丁烷也就相应减少。‎ 答案　(1)123　小于　AD ‎(2)原料中过量H2会使反应①平衡逆向移动，所以丁烯产率下降 ‎(3)590 ℃前升高温度，反应①平衡正向移动　升高温度时，反应速率加快，单位时间产生丁烯更多　温度高于590 ℃时有更多的C4H10裂解导致产率降低 ‎ ‎6.F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25 ℃时N2O5(g)分解反应：‎ 其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强p随时间t的变化如表所示(t＝∞时，N2O5(g)完全分解)：‎ t/min ‎0‎ ‎40‎ ‎80‎ ‎160‎ ‎260‎ ‎1 300‎ ‎1 700‎ ‎∞‎ p/kPa ‎35.8‎ ‎40.3‎ ‎42.5‎ ‎45.9‎ ‎49.2‎ ‎61.2‎ ‎62.3‎ ‎63.1‎ ‎(1)已知：2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g)　ΔH1＝－4.4 kJ·mol－1‎ ‎2NO2(g)===N2O4(g)　ΔH2＝－55.3 kJ·mol－1‎ N2O5(g)===2NO2(g)＋O2(g)的ΔH＝＋53.1 kJ·mol－1。‎ 若提高反应温度至35 ℃，则N2O5(g)完全分解后体系压强p∞(35 ℃)________63.1 kPa(填“大于”“等于”或“小于”)，原因是_____________________________________________________________________。‎ ‎(2)对于反应2N2O5(g)―→4NO2(g)＋O2(g)，R.A.Ogg提出如下反应历程：‎ 第一步　N2O5NO2＋NO3　快速平衡 第二步　NO2＋NO3―→NO＋NO2＋O2　慢反应 第三步　NO＋NO3―→2NO2　快反应 其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列表述正确的是________(填标号)。‎ A.v(第一步的逆反应)>v(第二步反应)‎ B.反应的中间产物只有NO3‎ C.第二步中NO2与NO3的碰撞仅部分有效 D.第三步反应活化能较高 解析　(1)刚性反应容器的体积不变，25 ℃ N2O5(g)完全分解时体系的总压强为63.1 kPa，升高温度，从两个方面分析：一方面是体积不变，升高温度，体系总压强增大；另一方面，2NO2N2O4的逆反应是吸热反应，升温，平衡向生成NO2的方向移动，气体物质的量增大，故体系总压强增大。 ‎ ‎(2)快速平衡，说明第一步反应的正、逆反应速率都较大，则第一步反应的逆反应速率大于第二步反应的速率，A项正确；反应的中间产物除NO3外还有NO，B项错误；有效碰撞才能发生反应，第二步反应慢，说明部分碰撞有效，C项正确；第三步反应快，说明反应活化能较低，D项错误。‎ 答案　(1)大于　温度提高，体积不变，总压强增大；NO2二聚为放热反应，温度提高，平衡左移，体系物质的量增加，总压强增大 ‎(2)AC