2018届一轮复习人教版化学平衡常数相关计算与图像分析学案
学案一 化学平衡常数及相关计算
1.表达式
在一定温度下,当一个可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)达到化学平衡时,其化学平衡常数K=(固体和纯液体的浓度视为常数1,通常不计入平衡常数表达式中)。
2.意义
(1)K值越大,反应物的转化率越大,正反应进行的程度越大。
(2)K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度变化无关。
①升高温度—
②降低温度—
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
3.应用
判断、比较可逆反应进行的程度。一般来说,一定温度下的一个具体的可逆反应存在以下规律:
K值
正反应进
行的程度
平衡时生
成物浓度
平衡时反
应物浓度
反应物
转化率
越大
越大
越大
越小
越高
越小
越小
越小
越大
越低
[对点练习]
1.已知在600 ℃时,以下三个反应的平衡常数:
反应①:CO(g)+CuO(s) CO2(g)+Cu(s) K1
反应②:H2(g)+CuO(s)Cu(s)+H2O(g) K2
反应③:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) K3
(1)反应①的平衡常数表达式为________________,反应2CO(g)+2CuO(s)2CO2(g)+2Cu(s)的平衡常数K4与K1的关系________。
(2)反应②的K值随着温度升高而增大,则反应②的反应热ΔH________0。
(3)反应③的K3值与K1、K2的关系是_________________________________。
(4)若其他条件不变,向反应③所在的密闭容器中充入H2O(g),则平衡将向________移动,该反应的平衡常数________(填“变大”、“变小”或“不变”)。
答案:(1)K1= K4=K (2)> (3)K3= (4)正反应方向 不变
2.在一定体积的密闭容器中,进行如下化学反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数K和温度t的关系如表所示:
t ℃
700
800
830
1 000
1 200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题:
(1)该反应的化学平衡常数表达式为K
=_________________________________________。
(2)该反应为________反应(填“吸热”或“放热”)。
(3)某温度下,各物质的平衡浓度符合下式:
3c(CO2)·c(H2)=5c(CO)·c(H2O),试判断此时的温度为________。
(4)若830 ℃时,向容器中充入1 mol CO、5 mol H2O,反应达到平衡后,其化学平衡常数K________1.0(填“大于”、“小于”或“等于”)。
(5)830 ℃时,容器中的反应已达到平衡。在其他条件不变的情况下,扩大容器的体积。平衡________移动(填“向正反应方向”、“向逆反应方向”或“不”)。
解析:(1)根据化学方程式可写出K=。
(2)分析表中数据可知,随着温度的升高,K值逐渐增大,说明正反应是吸热反应。
(3)某温度下,由3c(CO2)·c(H2)=5c(CO)·c(H2O)得出==0.6=K,K只与温度有关,温度一定则K为定值,查表知K=0.6时对应温度是700 ℃。
(4)只要温度不变,K数值就不变,故830 ℃条件下,K的数值是1.0。
(5)830 ℃时达到平衡,扩大容器体积的瞬间,反应物和生成物的浓度都减小相同的倍数,据K=可知,浓度同时改变相同倍数时,则平衡不移动。
答案:(1) (2)吸热 (3)700 ℃
(4)等于 (5)不
[规律方法]
1.化学平衡常数与其他因素的关系
(1)化学平衡常数与化学方程式书写形式的关系
①对于同一可逆反应,正反应的平衡常数等于逆反应的平衡常数的倒数,即:K正=。
②若化学方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小,尽管是同一反应,平衡常数也会发生改变。
③两反应加和,得到的新反应,其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积;两反应相减,得到的新反应,其化学平衡常数是两反应平衡常数相除得到的商。
(2)化学平衡常数与平衡移动的关系
对于给定可逆反应,即使化学平衡发生移动,但只要温度不变,平衡常数就不会改变,利用此守恒可以计算恒定温度下再次平衡后的转化率等物理量,这也是定量化学的重要定律。
2.对于可逆反应:mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),若浓度商Qc= ,则将浓度商和平衡常数作比较可判断可逆反应所处的状态。
1.化学平衡计算的万能钥匙——三段式法
“三段式法”是有效解答化学平衡计算题的“万能钥匙”。解题时,要注意清楚条理地列出起始量、转化量、平衡量,按题目要求进行计算,同时还要注意单位的统一。
(1)解题步骤
(2)具体方法
①分析三个量:起始量、转化量、平衡量。
②明确三个关系:
a.对于同一反应物,起始量-转化量=平衡量;
b.对于同一生成物,起始量+转化量=平衡量;
c.各变化量之比等于各物质的化学计量数之比。
(3)计算模板
对于反应: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。
mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)
起始(mol) a b 0 0
转化(mol) mx nx px qx
平衡(mol) a-mx b-nx px qx
则有:①平衡常数:K=。
②A的平衡浓度:c(A)平= mol·L-1。
③A的转化率:α(A)平=×100%,
α(A)∶α(B)=∶=。
④A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:
= g·mol-1。
2.化学平衡计算的常用方法——差量法
在化学反应中,各物质是按一定的比例关系进行反应的,因此可以根据题中的相关量或对应量的差量,得到相应的解题方法——即差量法。解题步骤如下:
(1)分析题意:分析化学反应各物质之间的数量关系,引起差值的原因。
(2)确定是否能用差量法:分析差值与始态量或终态量是否存在比例关系,以确定是否能用差值法。
(3)写出正确的化学方程式。
(4)根据题意确定“理论差量”与题中提供的“实际差量”,列出比例关系,求出答案。
[对点练习]
1.(2017·广东惠州模拟)某温度下,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:
物质
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0.012 mol·L-1
D.反应开始时,丙中的反应速率最快,甲中的反应速率最慢
解析:选C 设平衡时甲中CO2的转化浓度为x mol·L-1,则
H2(g)+ CO2(g) H2O(g)+CO(g)
起始(mol·L-1) 0.010 0.010 0 0
转化(mol·L-1) x x x x
平衡(mol·L-1) 0.010-x 0.010-x x x
根据平衡常数得:=,解得x=0.006,
则甲中CO2的转化率为×100%=60%。
由于乙相对甲增大了c(H2),因此CO2的转化率增大,A项正确;设平衡时丙中CO2的转化浓度为y mol·L-1,则
H2(g)+ CO2(g) H2O(g)+CO(g)
起始(mol·L-1) 0.020 0.020 0 0
转化(mol·L-1) y y y y
平衡(mol·L-1) 0.020-y 0.020-y y y
根据平衡常数得:=,解得y=0.012,则丙中CO2的转化率为×100%=60%,B项正确;平衡时甲中c(CO2)=0.010 mol·L-1-0.006 mol·L-1=
0.004 mol·L-1,丙中c(CO2)=0.020 mol·L-1-0.012 mol·L-1=0.008 mol·L-1,C项错误;丙中反应物浓度最大,反应速率最快,甲中反应物浓度最小,反应速率最慢,D项正确。
2.在恒温恒压下,向体积为a L的密闭容器中加入1 mol X和1 mol Y,发生反应:X(g)+Y(g)2Z(g)+W(g) ΔH>0,达到平衡后混合气体的体积变为1.2a L,则参加反应的X的物质的量为________ mol。
解析:设参加反应的X的物质的量为x,则由阿伏加德罗定律知,平衡后的总物质的量为2.4 mol。
X(g)+Y(g)2Z(g)+W(g) Δn
1 mol 1 mol
x (2.4-2)mol
解得x=0.4 mol。
答案:0.4
[学案验收·块块过]
1.(2015·重庆高考)羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂,能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在恒容密闭容器中,将CO和H2S混合加热并达到下列平衡:
CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g) K=0.1
反应前CO物质的量为10 mol,平衡后CO物质的量为8 mol。下列说法正确的是( )
A.升高温度,H2S浓度增加,表明该反应是吸热反应
B.通入CO后,正反应速率逐渐增大
C.反应前H2S物质的量为7 mol
D.CO的平衡转化率为80%
解析:选C 升高温度,H2S浓度增大,说明平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,则该反应的正反应为放热反应,故A不正确。通入CO后,正反应速率瞬间增大,之后化学平衡发生移动,正反应速率逐渐减小,逆反应速率逐渐增大,当正反应速率和逆反应速率相等时,反应达到新的化学平衡状态,故B不正确。设反应前H2S的物质的量为a mol,容器的容积为1 L,列“三段式”进行解题:
CO(g)+H2S(g)COS(g)+H2(g)
起始物质的量
浓度(mol·L-1) 10 a 0 0
转化物质的量
浓度(mol·L-1) 2 2 2 2
平衡物质的量
浓度(mol·L-1) 8 a-2 2 2
化学平衡常数K==0.1,解得a=7,故C正确。CO的平衡转化率为×100%=20%,故D不正确。
2.(2017·连云港市模拟)一定温度下(T1
0。T1温度下的部分实验数据如表所示:
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T1K3,则T1>T3
解析:选C v(N2O5)==2.96×10-3 mol·L-1·s-1,A正确;1 000
s后N2O5的浓度不再发生变化,即达到了化学平衡状态,列出三段式如下:
2N2O5(g) 4NO2(g)+O2(g)
起始浓度(mol·L-1) 5.00 0 0
转化浓度(mol·L-1) 2.50 5.00 1.25
平衡浓度(mol·L-1) 2.50 5.00 1.25
则K===125,
α(N2O5)=×100%=50%,B正确;T2温度下N2O5的浓度大于 T1温度下N2O5的浓度,则改变温度使平衡向逆反应方向移动,逆反应是放热反应,则降低温度平衡向放热反应方向移动,即T2K3,则T1>T3,D正确。
4.(2015·四川高考)一定量的CO2与足量的碳在体积可变的恒压密闭容器中反应:C(s)+CO2(g)2CO(g)。平衡时,体系中气体体积分数与温度的关系如图所示:
已知:气体分压(p分)=气体总压(p总)×体积分数。
下列说法正确的是( )
A.550 ℃时,若充入惰性气体,v正、v逆均减小,平衡不移动
B.650 ℃时,反应达平衡后CO2的转化率为25.0%
C.T ℃时,若充入等体积的CO2和CO,平衡向逆反应方向移动
D.925 ℃时,用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp=24.0p总
解析:选B 550 ℃时,若充入惰性气体,v正、v逆均减小,由于保持了压强不变,相当于扩大了体积,平衡正向移动,A项错误。根据图示可知,在650 ℃时,CO的体积分数为40%,根据反应方程式:C(s)+CO2(g) 2CO(g),设开始加入1 mol CO2,反应掉了x mol CO2,则有:
C(s)+CO2(g) 2CO(g)
始态: 1 mol 0
变化: x mol 2x mol
平衡: (1-x)mol 2x mol
因此有:×100%=40%,解得x=0.25,则CO2的平衡转化率为×100%=25%,B项正确。由图可知,T ℃时,CO与CO2的体积分数相等,在等压下充入等体积的CO和CO2,对原平衡条件无影响,平衡不移动,C项错误。925 ℃时,CO的体积分数为96%,故Kp===23.04p总,D项错误。
5.在一定温度下,1 L的密闭容器中发生反应:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),平衡时测得C、H2O、CO、H2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ΔH________0(填“>”或“<”)。
(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 ②C(s)、H2O为0.2 mol,CO、H2为 0.1 mol,判断该反应进行的方向:①________________,②________________。
解析:(1)容积为1 L,则H2O、CO、H2的浓度均为0.1 mol·L-1,K===0.1。(2)升高温度平衡常数增大,说明平衡向右移动,正反应为吸热反应,ΔH>0。(3)①Qc==0.2>K=0.1,反应向逆反应方向进行;②Qc==0.05 (3)①向逆反应方向 ②向正反应方向
6.(2017·海口模拟)已知可逆反应:M(g)+N(g) P(g)+Q(g) ΔH>0,请回答下列问题:
(1)在某温度下,反应物的起始浓度分别为c(M)=1 mol·L-1,c(N)=2.4 mol·L-1;达到平衡后,M的转化率为60%,此时N的转化率为________。
(2)若反应温度升高,M的转化率________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
(3)若反应温度不变,反应物的起始浓度分别为c(M)=4 mol·L-1,c(N)=a mol·L-1;达到平衡后,c(P)=2 mol·L-1,a=________。
(4)若反应温度不变,反应物的起始浓度为c(M)=c(N)=b mol·L-1,达到平衡后,M的转化率为________。
解析:(1)由方程式知反应消耗的N与M物质的量相等,则N的转化率为:×100%=25%。(2)因为该反应的正反应吸热,所以温度升高,平衡右移,M的转化率增大。(3)若反应温度不变,则平衡常数不变。K==,则=,解得a=6。(4)设平衡时M的浓度变化量为x mol·L-1,则
M(g)+N(g) P(g)+Q(g)
初始浓度(mol·L-1): b b 0 0
变化浓度(mol·L-1): x x x x
平衡浓度(mol·L-1): b-x b-x x x
温度不变平衡常数不变,则有=
则==0.414=41.4%。
答案:(1)25% (2)增大 (3)6 (4)41%
7.煤化工中常需研究不同温度下平衡常数、投料比及产率等问题。已知CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)的平衡常数随温度的变化如表所示:
温度/℃
400
500
830
1 000
平衡常数K
10
9
1
0.6
试回答下列问题:
(1)上述反应的正反应是________反应(填“放热”或“吸热”)。
(2)某温度下,上述反应达到平衡后,保持容器体积不变升高温度,正反应速率________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
(3)830 ℃时,在恒容反应器中发生上述反应,按下表中的物质的量投入反应混合物,其中向正反应方向进行的有________(填字母)。
投料
A
B
C
D
n(CO2)/mol
3
1
0
1
n(H2)/mol
2
1
0
1
n(CO)/mol
1
2
3
0.5
n(H2O)/mol
5
2
3
2
(4)830 ℃时,在2 L的密闭容器中加入4 mol CO(g)和 6 mol H2
O(g)达到平衡时,CO的转化率是________。
解析:(1)由表格可知,升高温度,化学平衡常数减小,故正反应为放热反应。(2)升高温度,正、逆反应速率均增大。(3)830 ℃时,化学平衡常数为1,即若n(CO2)·n(H2)v′逆
减小反应
物的浓度
v正、v逆均减小,
且v′逆>v′正
增大生成
物的浓度
v正、v逆均增大,
且v′逆>v′正
减小生成
物的浓度
v正、v逆均减小,
且v′正>v′逆
(2)速率-温度(T)图像
条件变化
速率变化
速率变化曲线
升高温度
v正、v逆均增大,
且v′逆>v′正
降低温度
v正、v逆均减小,
且v′正>v′逆
(3)速率-压强(p)图像
条件变化
速率变化
速率变化曲线
增大压强
v正、v逆均增大,
且v′正>v′逆
减小压强
v正、v逆均减小,
且v′逆>v′正
(4)速率-催化剂图像
条件变化
速率变化
速率变化曲线
使用催化剂
v正、v逆
同等倍数增大
说明:①外界条件(浓度、温度、压强等)增强,曲线在原图像的上方;条件减弱,曲线在原图像的下方。
②浓度改变时,图像中一条曲线连续,一条曲线不连续;其他条件改变,图像中曲线不连续。
③对于反应前后气体的化学计量数之和相等的反应,改变压强时,v正、v逆同等倍数增大或减小,速率变化曲线如图:
[对点练习]
3.对于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0已达平衡,如果其他条件不变时,分别改变下列条件,对化学反应速率和化学平衡产生影响,下列条件与图像不相符的是(O~t1:v正=v逆;t1时改变条件,t2时重新建立平衡)( )
解析:选C 分析时要注意改变条件瞬间v正、v逆的变化。增加O2的浓度,v正增大,v逆瞬间不变,A正确;增大压强,v正、v逆都增大,v正增大的倍数大于v逆,B正确;升高温度,v正、v逆都瞬间增大,C错误;加入催化剂,v正、v逆同时同倍数增大,D正确。
4.向某密闭容器中加入0.3 mol A、0.1 mol C和一定量的B三种气体。一定条件下发生反应,各物质浓度随时间变化如图甲所示[t0~t1阶段c(B)未画出]。图乙为t2时刻后改变条件平衡体系中化学反应速率随时间变化的情况,且四个阶段都各改变一种不同的条件并且改变的条件均不同。已知,t3~t4阶段为使用催化剂。下列说法正确的是( )
A.若t1=15 s,生成物C在t0~t1时间段的化学反应速率为0.004 mol·L-1·s-1
B.t4~t5阶段改变的条件为降低反应温度
C.B的起始物质的量为0.02 mol
D.t5~t6阶段可能是增大压强
解析:选A v(C)===0.004 mol·L-1·s-1,A正确;由t4~t5阶段反应速率同等程度减小可知,反应为减小压强的等体积反应,即化学方程式为3A(g)B(g)+2C(g),B错误;化学计量数之比等于Δc之比,根据3A(g)B(g)+2C(g)求出Δc(B)=
0.03 mol·L-1,则起始浓度为0.02 mol·L-1,容器体积为2 L,n(B)=0.04 mol,C错误;t5~t6阶段改变的条件应是升高温度,D错误。
5.(2017·山西太原模拟)NaHSO3溶液在不同温度下均可被过量KIO3氧化,当NaHSO3完全消耗即有I2析出,根据I2析出所需时间可以求得NaHSO3的反应速率。将浓度均为 0.020 mol·L-1的NaHSO3溶液(含少量淀粉)10.0 mL、KIO3(过量)酸性溶液40.0 mL混合,记录10~55 ℃间溶液变蓝时间,55 ℃时未观察到溶液变蓝,实验结果如图。据图分析,下列判断不正确的是( )
A.40 ℃之前与40 ℃之后溶液变蓝的时间随温度的变化趋势相反
B.图中b、c两点对应的NaHSO3反应速率相等
C.图中a点对应的NaHSO3 反应速率为5.0×10-5 mol·L-1·s-1
D.温度高于40 ℃时,淀粉不宜用作该实验的指示剂
解析:选B 由题给图像可知,温度低于40 ℃时,温度升高,溶液变蓝的时间短,但温度高于40 ℃时情况相反,A项正确;因为b、c两点的温度不同,反应速率不可能相等,B项错误;图中a点所用的时间为80 s,则NaHSO3的反应速率为(0.020 mol·L-1×10.0 mL×10-3 L·mL-1)÷(50 mL×10-3 L·mL-1)÷80 s=5.0×10-5 mol·L-1·s-1,C项正确;温度高于40 ℃时,淀粉易糊化,不宜作该实验的指示剂,D项正确。
准确把握图像变化分析影响因素
对于速率图像,关键要把握以下几点:
(1)看清关键点:起点、终点和变化点。
(2)看清变化趋势。
(3)综合分析反应原理,如有的反应放热造成温度升高,反应速率加快;有的反应生成的金属与原金属形成原电池,反应速率加快;有的反应物浓度减小,反应速率减慢;有的反应生成物中有催化剂,反应速率加快。
曲线的意义是外界条件(如温度、压强等)对正、逆反应速率影响的变化趋势及变化幅度。图中交点A是平衡状态,压强继续增大,正反应速率增大得快,平衡正向移动。
[对点练习]
1.可逆反应mA(g)nB(g)+pC(s) ΔH=Q,温度和压强的变化对正、逆反应速率的影响分别符合下图中的两个图像,以下叙述正确的是( )
A.m>n,Q>0
B.m>n+p,Q>0
C.m>n,Q<0
D.mv正,平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,则正反应为放热反应,Q<0;压强增大,v正、v逆都增大,且v正>v逆,平衡向正反应方向移动,正反应为气体体积减小的反应,C正确。
2.在密闭容器中进行反应:X(g)+3Y(g)2Z(g),有关下列图像的说法不正确的是( )
A.依据图a可判断该反应的正反应为放热反应
B.在图b中,虚线可表示使用了催化剂
C.若正反应的ΔH<0,图c可表示升高温度使平衡向逆反应方向移动
D.由图d中气体平均相对分子质量随温度的变化情况,可推知正反应的ΔH>0
解析:选D A项,由图a可以看出,升高温度时逆反应速率比正反应速率增大的快,平衡逆向移动,所以正反应为放热反应,正确;B项,催化剂只能改变反应速率,不能改变反应限度,即催化剂可缩短达到平衡的时间,而不能改变反应物的平衡转化率,正确;C项,由图c可以看出,改变条件后,正、逆反应速率均增大且逆反应速率增大的幅度大,平衡逆向移动,若正反应的ΔH<0,则升高温度平衡逆向移动,正确;D项,由图d可以看出,升高温度时气体的平均相对分子质量减小,则说明平衡逆向移动,正反应为放热反应,即ΔH<0,错误。
已知不同温度或压强下,反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线,推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。[以A(g)+B(g) C(g)中反应物的转化率αA为例说明]
解答这类图像题时应注意以下两点:
(1)“先拐先平,数值大”原则
分析反应由开始(起始物质相同时)达到平衡所用时间的长短可推知反应条件的变化。
①若为温度变化引起,温度较高时,反应达平衡所需时间短。如甲中T2>T1。
②若为压强变化引起,压强较大时,反应达平衡所需时间短。如乙中p1>p2。
③若为是否使用催化剂,使用适宜催化剂时,反应达平衡所需时间短。如图丙中a使用催化剂。
(2)正确掌握图像中反应规律的判断方法
①图甲中,T2>T1,升高温度,αA降低,平衡逆向移动,正反应为放热反应。
②图乙中,p1>p2,增大压强,αA升高,平衡正向移动,则正反应为气体体积缩小的反应。
③若纵坐标表示A的百分含量,则甲中正反应为吸热反应,乙中正反应为气体体积增大的反应。
[对点练习]
3.(2017·江苏南通模拟)在相同温度下,将H2和N2两种气体按不同比例通入相同的恒容密闭容器中,发生反应:3H2+N22NH3。 表示起始时H2和N2的物质的量之比,且起始时H2和N2的物质的量之和相等。下列图像正确的是( )
解析:选D 随着 的增大,H2含量增多,H2的平衡转化率降低,A错误;随着 的增大,H2含量增多,混合气体的质量减小,B错误;随着 的增大,H2含量增多,N2的平衡转化率增大,C错误;随着 的增大,H2含量增多,混合气体的质量减小,则混合气体的密度减小,D正确。
4.(2015·浙江高考节选)工业上,通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1∶9),控制反应温度600 ℃,并保持体系总压为常压的条件下进行反应。在不同反应温度下,乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图如下:
(1)掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率,解释说明该事实
______________________。
(2)控制反应温度为600 ℃的理由是___________________________________________。
解析:(1)因为该容器内保持恒压,掺入水蒸气,相当于增大了容器的体积,而该反应的正反应是气体化学计量数增大的反应,化学平衡向右移动,提高了乙苯的平衡转化率。(2)从图像可知,600 ℃时,乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。如果温度过低,反应速率慢且转化率低;如果温度过高,选择性下降,且高温还可能使催化剂失去活性,同时还会消耗更多的能量。
答案:(1)正反应方向气体分子数增加,加入水蒸气稀释,相当于起减压的效果 (2)600 ℃,乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。温度过低,反应速率慢,转化率低;温度过高,选择性下降。高温还可能使催化剂失活,且能耗大
[规律方法]
解化学图像题的“三个步骤”
已知不同温度下的转化率-压强图像或不同压强下的转化率-温度图像,推断反应的热效应或反应前后气体物质间化学计量数的关系。[以反应A(g)+B(g)C(g)中反应物的转化率αA为例说明]
解答这类图像题时应注意以下两点:
(1)“定一议二”原则:可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应方程式中反应物与产物气体物质间的化学计量数的大小关系。如甲中任取一条温度曲线研究,压强增大,αA增大,平衡正向移动,正反应为气体体积减小的反应,乙中任取横坐标一点作横坐标的垂直线,也能得出相同结论。
(2)通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应的热效应。如利用上述分析方法,在甲中作横坐标的垂直线,乙中任取一曲线,即能分析出正反应为放热反应。
[对点练习]
5.某化学科研小组研究在其他条件不变时,改变某一条件对化学平衡的影响,得到如下变化规律(图中p表示压强,T表示温度,n表示物质的量)。
根据以上规律判断,下列结论正确的是( )
A.反应Ⅰ:ΔH>0,p2>p1
B.反应Ⅱ:ΔH<0,T1<T2
C.反应Ⅲ:ΔH>0,T2>T1或ΔH<0,T2<T1
D.反应Ⅳ:ΔH<0,T2>T1
解析:选C 反应Ⅰ中温度降低,A的平衡转化率升高,说明平衡向正反应方向移动,故正反应是放热反应,ΔH<0,压强增大平衡向正反应方向移动,A的转化率升高,故p2>p1,A错误;反应Ⅱ中T1温度下反应先达到平衡,说明T1>T2,温度降低,n(C)增大,说明平衡向正反应方向移动,故正反应是放热反应,ΔH<0,B错误;反应Ⅳ中,若T2>T1
,则温度高,A的平衡转化率增大,说明平衡向正反应方向移动,正反应是吸热反应,ΔH>0,D错误。
(1)对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),M点前,表示化学反应从反应物开始,则v正 >v逆;M点为刚达到的平衡点。M点后为平衡受温度的影响情况,即升温,A%增大(C%减小),平衡逆向移动,ΔH<0。
(2)
对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),L线上所有的点都是平衡点。
左上方(E点),A%大于此压强时平衡体系中的A%,E点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态,所以,E点v正>v逆;则右下方(F点)v正vP
B.平衡常数:KNv逆
解析:选D A中,温度越高,反应速率越大,vMKP;C中,M、N两点相比,M点温度低于N点温度,升温,平衡左移,所以M点的 c(I-)小。
7.已知反应(NH4)2CO3(aq)+H2O(l)+CO2(g) 2NH4HCO3(aq) ΔH,可用于捕碳技术之中。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,保持其他初始实验条件不变,重复上述实验,经过相同时间测得CO2气体浓度,得到趋势图(如图所示)。则:
(1)ΔH________0(填“>”、“=”或“<”)。
(2)在T1~T2及T4~T5二个温度区间,容器内CO2
气体浓度呈现如图所示的变化趋势,其原因是___________________________________________________________。
解析:(1)注意当时间到达T1时,反应不是平衡状态,随着温度升高反应速率越来越快,所以T3达到平衡状态,温度升高,CO2浓度上升,平衡逆移,故正反应放热,ΔH<0。
答案:(1)< (2)T1~T2区间,化学反应未达到平衡,温度越高,化学反应速率越快,所以CO2被捕获的量随温度升高而提高。T4~T5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
[学案验收·块块过]
1.有一化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),A的转化率与压强、温度的关系如图所示。下列叙述正确的是( )
A.正反应是放热反应;m+n>p+q
B.正反应是吸热反应;m+np+q
解析:选D 图像中有三个量,应定一个量来分别讨论另外两个量之间的关系。定压强,讨论T与A的转化率的关系:同一压强下,温度越高,A的转化率越高,说明正反应是吸热反应,A、C错误;定温度,讨论压强与A的转化率的关系:同一温度下,压强越大,A的转化率越高,说明正反应是体积缩小的反应,即m+n>p+q,B错误,D正确。
2.根据下列有关图像,说法正确的是( )
A.由图甲知,反应在T1,T3处达到平衡,且该反应的ΔH<0
B.由图乙知,反应在t6时,NH3体积分数最大
C.由图乙知,t3时采取的是降低反应温度的措施
D.图丙在10 L容器、850 ℃反应到4 min时,放出 51.6 kJ的热量
解析:选D 由图甲可知,T2时处于化学平衡状态,升高温度,Z%减少,X%增多,所以ΔH<0,A错误;由图乙可知,反应自t3开始一直在向逆反应方向移动,所以t6时NH3的体积分数最小,B错误;由图乙可知,t3时如果降低温度,平衡向正反应方向移动,则v正>v逆,C错误;由图丙可知,反应进行到4 min 时,则消耗的反应物的物质的量为0.12 mol·L-1×10 L=1.2 mol,所以放出的热量为 51.6 kJ,D正确。
3.某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,在不同的时间段,分别改变影响反应的一个条件,测得容器中物质的物质的量浓度、反应速率分别随时间的变化如图所示:
下列说法中正确的是( )
A.30~40 min内该反应使用了催化剂
B.化学方程式中的x=1,正反应为吸热反应
C.30 min时降低温度,40 min时升高温度
D.8 min前A的平均反应速率为0.08 mol·L-1·min-1
解析:选D 若使用催化剂,则化学反应速率增大,A错误;由物质的量浓度-时间图像可知,A、B的浓度变化相同,故A、B的化学计量数相同,都为1;由反应速率-时间图像可知,30 min 时改变的条件为减小压强,40 min 时改变的条件为升高温度,且升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,B、C错误;前8 min内A的平均反应速率为=0.08 mol·L-1·min-1,D正确。
4.(2017·山西大学附中模拟)在10 L密闭容器中,A、B、C三种气态物质构成了可逆反应的体系;当在某一温度时,A、B、C 物质的量与时间的关系如图甲,C的百分含量与温度的关系如图乙。
下列分析不正确的是( )
A.0~4 min时,A的平均反应速率为0.02 mol·L-1·min-1
B.该反应的平衡常数表达式K=
C.由T1向T2变化时,正反应速率大于逆反应速率
D.该反应正反应是放热反应
解析:选A 根据图甲知,随着反应的进行,A和B的物质的量减少,C的物质的量增大,则A和B是反应物,C是生成物,反应过程中,物质的量的变化量之比等于其化学方程式中化学计量数之比,所以A、B和C的化学计量数之比=(2.4-1.6)∶(1.6-1.2)∶(0.4-0)=2∶1∶1,当反应达到T3时,再升高温度C的含量降低,则正反应是放热反应,该反应的热化学方程式为2A(g)+B(g) C(g) ΔH<0,D正确;0~4 min时,A的平均反应速率v==0.01 mol·L-1·min-1,A错误;该反应的化学方程式为2A(g)+B(g) C(g),K=,B正确;由T1向T2变化时,C的含量增大,平衡向正反应方向移动,则正反应速率大于逆反应速率,C正确。
5.(2016·全国甲卷)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
两个反应在热力学上趋势均很大,其原因是_____________________________________;
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
(3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。由图可知,最佳n(氨)/n(丙烯)约为__________,理由是_______________________________________________________。
进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为_______________________________。
解析:(1)由热化学方程式可知,反应①气体分子数增加,是一个熵增的放热反应,反应②气体分子数不变,是一个熵变化不大的放热量较大的反应,在热力学上都属于自发进行的反应。由于反应①是一个气体分子数增加的放热反应,降温、减压均有利于提高丙烯腈的平衡产率。有机反应中要提高某反应的选择性,关键是选择合适的催化剂。(2)由于反应①是放热反应,温度降低,平衡右移,丙烯腈的平衡产率应增大,因此图(a)中460 ℃以下的产率不是对应温度下的平衡产率。反应①的平衡常数随温度的升高而变小,反应的活化能不受温度的影响,故当温度高于460 ℃时,丙烯腈的产率降低的可能原因是催化剂活性降低和副反应增多。(3)由图(b)可知,当n(氨)/n(丙烯)=1 时,丙烯腈的产率最高,而丙烯醛的产率已趋近于0,如果n(氨)/n(丙烯)再增大,丙烯腈的产率反而降低,故最佳n(氨)/n(丙烯)约为1。空气中O2的体积分数约为,结合反应①方程式及最佳n(氨)/n(丙烯)约为1可知,进料气氨、空气、丙烯的理论体积比应为1∶∶1=1∶7.5∶1。
答案:(1)两个反应均为放热量大的反应 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
(3)1 该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低 1∶7.5∶1
[课时小测试]
1.(2016·四川高考)一定条件下,CH4与H2O(g)发生反应:CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)。设起始=Z,在恒压下,平衡时CH4的体积分数φ(CH4)与Z和T(温度)的关系如图所示 。下列说法正确的是( )
A.该反应的焓变ΔH>0
B.图中Z的大小为a>3>b
C.图中X点对应的平衡混合物中=3
D.温度不变时,图中X点对应的平衡在加压后φ(CH4)减小
解析:选A A.根据图示知温度越高,CH4的体积分数越小,说明平衡向右移动,所以该反应的焓变ΔΗ>0,正确;B.相同条件下Z越大,平衡时CH4的体积分数越小,所以图中Z的大小为b>3>a,错误;C.起始时=3,反应过程中H2O和CH4等量减小,所以平衡时>3,错误;D.温度不变时,加压平衡逆向移动,甲烷的体积分数增大,错误。
2.(2017·怀化模拟)下图所示与对应叙述相符的是( )
A.用硝酸银溶液滴定等浓度的A-、B-、C-的混合溶液(均可以与Ag+反应生成沉淀),由图1可确定首先沉淀的是C-
B.图2表示反应中某反应物的正、逆反应速率随温度变化的情况,由图可知该反应的正反应是吸热反应
C.一定条件下,X和Y反应生成Z,由图3推出该反应的方程式可表示为X+3YZ
D.图4表示溶液中反应:I2+I-I 达到平衡时c(I)随温度的变化,反应速度v(正)M<v(逆)N
解析:选D A项,从图像分析可知,-lg[c(X-)]越大,则c(X-)越小,越先生成沉淀,则首先生成沉淀的是A-,错误;B项,当正逆反应速率相等时,反应到平衡,但随着温度升高,逆反应速率大于正反应速率,则反应向逆向移动,说明正反应为放热反应,错误;C项,当反应物的起始物质的量之比等于化学计量数之比时,物质的转化率相同,从图3分析,当X的物质的量与Y的物质的量比为3时,转化率相同,则二者化学计量数之比为3∶1,错误;D项,由图4分析,随温度升高,c(I)逐渐减小,说明反应逆向移动,则逆反应速率大于正反应速率,且N点温度比M点高,故v(正)Mvb
D.在T2和n(A2)不变时达到平衡,AB3的物质的量大小为c>b>a
解析:选D 若T2>T1,由图像可知,温度升高,生成物的物质的量增大,说明升高温度平衡向正反应方向移动,则正反应为吸热反应,A错误;根据图像可知,a、b、c各点中B的起始物质的量依次增大,对于可逆反应来说,增大一种反应物的物质的量或浓度,有利于平衡向正反应方向移动,则另一种反应物的转化率增大,则达到平衡时A2的转化率大小为aT1,达到平衡时b、d点的反应速率为vdb>a,D正确。
4.(2015·安徽高考)汽车尾气中NO产生的反应为N2(g)+O2(g) 2NO(g)。一定条件下,等物质的量的N2(g)和O2(g)在恒容密闭容器中反应,如图曲线a表示该反应在温度T下N2的浓度随时间的变化,曲线b表示该反应在某一起始反应条件改变时N2的浓度随时间的变化。下列叙述正确的是( )
A.温度T下,该反应的平衡常数K=
B.温度T下,随着反应的进行,混合气体的密度减小
C.曲线b对应的条件改变可能是加入了催化剂
D.若曲线b对应的条件改变是温度,可判断该反应的ΔH<0
解析:选A A项,由曲线a可知,达到平衡时c(N2)=c1 mol·L-1,则生成的c(NO)=2(c0-c1)mol·L-1,故K==。B项,反应物和产物都是气体,当容器保持恒容时,混合气体的密度始终保持不变。C项,催化剂的加入只能改变反应速率而不可能使平衡发生移动,故加入催化剂后达到平衡时,c(N2)仍为 c1 mol·L-1。D项,若曲线b改变的是温度,根据达到平衡时曲线b对应的时间短,则对应温度高,升高温度时c(N2)减小,平衡正向移动,正反应为吸热反应,ΔH>0。
5.(2015·天津高考)某温度下,在2 L的密闭容器中,加入 1 mol X(g)和 2 mol Y(g)发生反应:X(g)+mY(g) 3Z(g)。平衡时,X、Y、Z的体积分数分别为30%、60%、10%。在此平衡体系中加入1 mol Z(g),再次达到平衡后,X、Y、Z的体积分数不变。下列叙述不正确的是( )
A.m=2
B.两次平衡的平衡常数相同
C.X与Y的平衡转化率之比为1∶1
D.第二次平衡时,Z的浓度为0.4 mol·L-1
解析:选D A项,根据再次加入1 mol Z(g),平衡后,X、Y、Z的体积分数不变,可知该反应是一个反应前后气体分子数相等的反应,因此m=2。B项,由于温度没有变化,故两次平衡的平衡常数不变。C项,因为是按照化学方程式中化学计量数之比充入的反应物,因此二者的平衡转化率相等。D项,该反应前后气体分子数不变,因此反应后气体的物质的量与反应前一样,都为4 mol,而平衡后Z的体积分数为10%,平衡时Z的物质的量为4 mol×10%=0.4 mol,容器体积为2 L,Z的浓度为0.2 mol·L-1。
6.在300 mL的密闭容器中,放入镍粉并充入一定量的CO气体,一定条件下发生反应:Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g),已知该反应平衡常数与温度的关系如下表:
温度/℃
25
80
230
平衡常数
5×104
2
1.9×10-5
下列说法不正确的是( )
A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应
B.25 ℃时反应Ni(CO)4(g) Ni(s)+4CO(g)的平衡常数为2×10-5
C.在80 ℃时,测得某时刻,Ni(CO)4(g)、CO浓度均为0.5 mol·L-1,则此时v(正)>v(逆)
D.80 ℃达到平衡时,测得n(CO)=0.15 mol,则Ni(CO)4的平衡浓度为0.125 mol·L-1
解析:选C 由表中数据可知随温度升高,平衡常数减小,故正反应为放热反应,A正确;=2×10-5,B正确;代入数据后Qc>K,平衡逆向移动,v(正)c(HC2O)>c(HCO)>c(CO)
b.c(HCO)>c(HC2O)>c(C2O)>c(CO)
c.c(H+)>c(HC2O)>c(C2O)>c(CO)
d.c(H2CO3)>c(HCO)>c(HC2O)>c(CO)
(4)人体血液中的碳酸和碳酸氢盐存在平衡:H++ HCOH2CO3,当有少量酸性或碱性物质进入血液中时,血液的pH变化不大,用平衡移动原理解释上述现象。
________________________________________________。
解析:(1)H2的体积分数随温度的升高而增加,这说明升高温度平衡向逆反应方向移动,即正反应是放热反应。升高温度,正、逆反应速率均增大,平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,反应物的转化率减小。(2)相同温度时平衡常数不变,则a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为= 。(3)根据电离常数可知H2C2O4的酸性强于H2CO3,则Na2CO3的水解程度大于Na2C2O4,所以0.1 mol·L-1 Na2CO3溶液的pH大于0.1 mol·L-1 Na2C2O4溶液的pH。H2C2O4的酸性强于H2CO3,则等浓度H2C2O4溶液和H2CO3溶液中,H+浓度较大的是H2C2O4。H2C2O4的一、二级电离常数均大于H2CO3,所以H2C2O4的电离程度大于H2CO3,因此溶液中c(H+)>c(HC2O)>c(C2O)>c(HCO)>c(CO),则a、c项正确。
答案:(1)
v正
v逆
平衡常数K
转化率α
增大
增大
减小
减小
(2)=
(3)大于 草酸 ac
(4)当少量酸性物质进入血液中,平衡向右移动,使H+浓度变化较小,血液的pH基本不变;当少量碱性物质进入血液中,平衡向左移动,使H+浓度变化较小,血液的pH基本不变(合理即给分)