江苏专用201X版高考化学一轮复习 专题7 化学反应速率与化学平衡 2 第二单元 化学反应的方向.docx
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江苏专用201X版高考化学一轮复习专题7化学反应速率与化学平衡2第二单元化学反应的方向
第二单元 化学反应的方向与限度
1.了解化学反应的可逆性及化学平衡的建立。
2.能正确计算化学反应的转化率(α)。
3.掌握化学平衡的特征。
了解化学平衡常数(K)的含义,能利用化学平衡常数进行相关计算。
化学反应的方向
[知识梳理]
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.化学反应方向的判据
[自我检测]
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)凡是放热反应都是自发的,因为吸热反应都是非自发的。
( )
(2)自发反应的熵一定增大,非自发反应的熵一定减小。
( )
(3)反应2Mg(s)+CO2(g)===C(s)+2MgO(s)能自发进行,则该反应的ΔH>0。
( )
(4)焓变是影响反应是否具有自发性的一种重要因素。
( )
(5)熵变是决定反应是否具有自发性的唯一判据。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)×
2.(教材改编)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
解析:
选C。
C项,H2O(g)变成液态水,熵值减小,故ΔS<0,错误。
(1)自发反应不一定能实现,化学反应能否实现与反应的自发性、反应速率、反应物转化率有关。
(2)在恒温、恒压条件下,化学反应的方向是由反应的焓变和熵变共同决定的。
下列说法错误的是( )
A.2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)在常温下能自发进行,则该反应的ΔH>0
B.反应NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0
C.一定温度下,反应MgCl2(l)===Mg(l)+Cl2(g)的ΔH>0,ΔS>0
D.常温下,反应C(s)+CO2(g)===2CO(g)不能自发进行,则该反应的ΔH>0
[解析] A项,该反应是熵减的反应,常温下能自发进行说明ΔH<0;B项,该反应是熵减的反应,常温下能自发进行说明ΔH<0;C项,此反应为高温下MgCl2的分解反应,ΔH>0,ΔS>0;D项,该反应ΔS>0,常温下不能自发进行,则有ΔH-TΔS>0,故ΔH>0。
[答案] A
(1)反应CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)的ΔH________0,ΔS________0。
(2)反应NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)的ΔS<0,ΔH<0,室温下能自发进行,说明________________________________________________________________________。
答案:
(1)> >
(2)该反应的焓变效应大于熵变效应
化学反应方向的判断
化学反应方向的判断
1.碳铵[(NH4)2CO3]在室温下就能自发地分解产生氨气,对其说法中正确的是( )
A.碳铵分解是因为生成易挥发的气体,使体系的熵增大
B.碳铵分解是因为外界给予了能量
C.碳铵分解是吸热反应,根据能量判断能自发分解
D.碳酸盐都不稳定,都能自发分解
答案:
A
2.(2018·保定高三检测)下列反应中,一定不能自发进行的是( )
A.2KClO3(s)===2KCl(s)+3O2(g) ΔH=-78.03kJ/mol ΔS=1110J/(mol·K)
B.CO(g)===C(石墨,s)+1/2O2(g) ΔH=110.5kJ/mol ΔS=-89.36J/(mol·K)
C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)===4Fe(OH)3(s) ΔH=-444.3kJ/mol ΔS=-280.1J/(mol·K)
D.NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)===CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH=37.301kJ/mol ΔS=184.05J/(mol·K)
解析:
选B。
根据ΔH-TΔS,当ΔH<0,ΔS>0时,ΔH-TΔS<0,反应肯定能自发进行;当ΔH>0,ΔS<0时,ΔH-TΔS>0,反应一定不能自发进行。
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
在任何温度下均能自发进行
+
-
永远是正值
在任何温度下均不能自发进行
+
+
低温为正;高温为负
低温时不能自发进行;高温时能自发进行
-
-
低温为负;高温为正
低温时能自发进行;高温时不能自发进行
可逆反应与化学平衡状态
[知识梳理]
一、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:
①相同条件下;②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
在方程式中反应符号用“”表示。
二、化学平衡状态
1.定义
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
3.特征
[自我检测]
1.判断正误,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的正、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。
( )
(6)化学反应的限度可以通过改变反应条件而改变。
( )
解析:
(1)两个反应的条件不同,所以不是可逆反应;
(2)充电、放电不是同一条件下、同时完成的,不是可逆反应。
答案:
(1)×
(2)× (3)√ (4)√ (5)√ (6)√
2.向含有2mol的SO2的容器中通入过量氧气发生2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-QkJ·mol-1(Q>0),充分反应后生成SO3的物质的量______2mol(填“<”“>”或“=”,下同),SO2的物质的量______0mol,转化率______100%,反应放出的热量________QkJ。
答案:
< > < <
(1)可逆反应的判断强调“两同”:
同一条件、同时进行。
(2)化学平衡状态的判断依据是①正反应速率=逆反应速率;②各组分的浓度或百分含量保持不变。
用氮化硅(Si3N4)陶瓷代替金属制造发动机的耐热部件,能大幅度提高发动机的热效率。
工业上用化学气相沉积法制备氮化硅,其反应如下:
3SiCl4(g)+2N2(g)+6H2(g)
Si3N4(s)+12HCl(g) ΔH<0。
完成下列填空:
(1)在一定温度下进行上述反应,若反应容器的容积为2L,3min后达到平衡,测得固体的质量增加了2.80g,则H2的平均反应速率=________mol/(L·min)。
(2)一定条件下,在密闭恒容的容器中,能表示上述反应达到化学平衡状态的是________。
a.3v逆(N2)=v正(H2)
b.v正(HCl)=4v正(SiCl4)
c.混合气体密度保持不变
d.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6
[解析]
(1)反应达到平衡时,n(Si3N4)=
=0.02mol,则v(H2)=
=0.02mol/(L·min)。
(2)判断反应达到平衡状态的标志是v正=v逆,反应中N2与H2的化学计量数之比为1∶3,达到平衡状态时,3v逆(N2)=v逆(H2),即v逆(H2)=v正(H2),a正确;b项反应方向一致,无法判断反应是否达到平衡,b错误;该反应的正反应方向是气体密度减小的反应,因此,当混合气体密度保持不变时,可以判断反应达到平衡状态
,c正确;c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6,与化学反应是否达到平衡无关,d错误。
[答案]
(1)0.02
(2)ac
对于可逆反应:
2NO2(g)
2NO(g)+O2(g),用选项序号回答下列问题:
(1)在恒容容器中进行,达到平衡状态的标志是__________________。
(2)在恒压容器中进行,达到平衡状态的标志是________。
①单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2
②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO
③用NO2、NO、O2的物质的量浓度变化表示的反应速率的比值为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
⑦混合气体的压强不再改变的状态
答案:
(1)①④⑥⑦
(2)①④⑤⑥
“两审”“两标志”突破化学平衡状态的判断
(1)“两审”
一审题干条件,是恒温恒容还是恒温恒压。
二审反应特点:
①全部是气体参与的等体积反应还是非等体积反应;②有固体或液体参与的等体积反应还是非等体积反应。
(2)“两标志”
①本质标志
v正=v逆≠0。
对于某一可逆反应来说,正反应消耗掉某反应物的速率等于逆反应生成该反应物的速率。
②等价标志
a.全部是气体参加的非等体积反应[如N2(g)+3H2(g)2NH3(g)],体系的压强(恒温恒容时)、平均相对分子质量不再随时间而变化。
b.体系中各组分的物质的量浓度、体积分数、物质的量(或质量)分数保持不变。
c.对同一物质而言,断裂的化学键的物质的量与形成的化学键的物质的量相等。
d.对于有有色物质参加或生成的可逆反应[如2NO2(g)N2O4(g)],体系的颜色不再随时间而变化。
e.体系中某反应物的转化率或某生成物的产率达到最大值且不再随时间而变化。
从定性、定量两个角度考查可逆反应的特点
1.在已达到平衡的可逆反应:
2SO2+O22SO3中,充入由18O组成的氧气一段时间后,18O存在于下列物质中的( )
A.多余的氧气中
B.生成的三氧化硫中
C.氧气和二氧化硫中
D.二氧化硫、氧气和三氧化硫中
解析:
选D。
化学平衡是动态平衡,加入的18O2定会与SO2结合生成含18O的SO3,同时含18O的SO3又会分解得到SO2和O2,使SO2中也含有18O,因此18O存在于SO2、O2、SO3这三种物质中。
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0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.08mol·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0mol·L-1 解析: 选D。 X、Y的平衡浓度之比为1∶3,转化浓度亦为1∶3,故c1∶c2=1∶3,转化率相等,A、C不正确;平衡时Y生成表示逆反应,Z生成表示正反应,且vY(生成)∶vZ(生成)应为3∶2,B不正确;由可逆反应的特点可知0mol·L-1 极端假设法确定各物质浓度范围 可逆反应各物质浓度范围可根据极端假设法判断,假设反应正向或逆向进行到底,求出各物质浓度的最大值和最小值,从而确定它们的浓度范围。 例如: 可逆反应X2(g)+Y2(g)2Z(g),各物质的起始浓度分别为c(X2)=0.1mol·L-1,c(Y2)=0.3mol·L-1,c(Z)=0.2mol·L-1。 假设反应正向进行到底: X2(g)+Y2(g)2Z(g) 起始浓度(mol·L-1)0.10.30.2 改变浓度(mol·L-1)0.10.10.2 终态浓度(mol·L-1)00.20.4 假设反应逆向进行到底: X2(g)+Y2(g)2Z(g) 起始浓度(mol·L-1)0.10.30.2 改变浓度(mol·L-1)0.10.10.2 终态浓度(mol·L-1)0.20.40 平衡体系中各物质的浓度范围为X2∈(0,0.2),Y2∈(0.2,0.4),Z∈(0,0.4)。 化学平衡状态的判断 3.(2018·邯郸一模)一定条件下,NO2与SO2反应生成SO3和NO两种气体。 将体积比为1∶2的NO2、SO2气体置于密闭容器中发生上述反应,下列不能说明反应达到平衡状态的是( ) A.混合气体颜色保持不变 B.体系的平均相对分子质量保持不变 C.NO2和SO2的体积比保持不变 D.每消耗1molSO2的同时生成1molNO2 解析: 选B。 发生反应: NO2(g)+SO2(g)NO(g)+SO3(g)。 A说明c(NO2)不变,可以作为达到平衡的标志,A正确。 平均相对分子质量M= ,气体的总质量不变,气体的总物质的量不变,则平均相对分子质量始终不变,B错误。 NO2和SO2的起始体积比为1∶2,反应过程中二者变化量(设为x)相同,则平衡时体积比为(1-x)∶(2-x),当体积比保持不变时表示反应达到平衡,C正确。 D项中消耗SO2表示正反应,生成NO2表示逆反应,D正确。 4. (1)在一定条件下,可逆反应达到平衡状态的本质特征是________________________。 下列关系中能说明反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已经达到平衡状态的是____________。 A.3v正(N2)=v正(H2) B.v正(N2)=v逆(NH3) C.2v正(H2)=3v逆(NH3)D.v正(N2)=3v逆(H2) (2)在一定温度下的恒容密闭容器中,可逆反应达到平衡状态时,一些宏观物理量恒定不变: a.各物质的浓度不变,b.平衡混合物中各组分的物质的量分数或质量分数不变,c.容器内气体压强不变,d.容器内气体密度不变,e.容器内气体颜色不变。 ①能说明反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g)达到平衡状态的有________; ②能说明反应: H2(g)+I2(g)2HI(g)达到平衡状态的有________; ③能说明反应: 2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的有________; ④能说明反应: C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)达到平衡状态的有________。 解析: (2)中判断时首先要注意本题中反应的条件是恒温恒容,其次要注意反应物和生成物中是否有固体物质存在,以及反应前后气体物质的量的变化。 ①在反应过程中气体的质量不变,因此在恒容状态下不能用密度判断反应是否达到平衡状态,由于反应物和生成物均为无色气体,因此也不能用气体颜色来判定。 ②是一个反应前后气体体积不变的反应,反应过程中气体的质量不变,物质的量也不变,所以不能用压强和密度判定反应是否达到平衡状态。 ③在反应过程中气体的质量保持不变,因此不能用密度来判定反应是否达到平衡状态。 ④中反应过程中气体的质量和气体的物质的量均发生改变,因此a、b、c、d均可用来判定反应是否达到平衡状态,由于反应物和生成物中的气体均为无色气体,因此不能用气体颜色来判定反应是否达到平衡状态。 答案: (1)正反应速率与逆反应速率相等 C (2)①abc ②abe ③abce ④abcd 判断化学平衡状态常用的方法 举例反应 mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g) 正、逆反应 速率的关系 在单位时间内消耗了mmolA,同时生成mmolA 平衡 在单位时间内消耗了nmolB,同时生成pmolC 不一定 平衡 v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q 不一定 平衡 在单位时间内消耗了nmolB,同时消耗qmolD 平衡 混合物体 系中各组 分的含量 各物质的物质的量或物质的量分数一定 平衡 各物质的质量或质量分数一定 平衡 总压强或总体积或总物质的量一定 不一定 平衡 压强 m+n≠p+q时,总压强一定(其他条件不变) 平衡 m+n=p+q时,总压强一定(其他条件不变) 不一定 平衡 温度 在其他条件不变的条件下,体系温度一定 平衡 颜色 体系的颜色(反应物或生成物有颜色)不再变化 平衡 混合气体的 平均相对 分子质量 (Mr) m+n≠p+q时,平均相对分子质量一定 平衡 m+n=p+q时,平均相对分子质量一定 不一定 平衡 体系的密度 m+n≠p+q,恒温恒压,体系密度一定 平衡 恒温恒容,体系密度一定 不一定 平衡 化学平衡常数及平衡转化率 [知识梳理] 一、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= (固体和纯液体的浓度视为常数,通常不计入平衡常数表达式中)。 3.意义 化学平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度。 4.应用 (1)利用化学平衡常数判断化学反应可能进行的程度。 K值越大,反应物的转化率越大,反应进行的程度越大。 (2)利用化学平衡常数判断化学平衡移动的方向。 对于可逆反应: aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),在一定温度下的任意时刻,反应物与生成物浓度有如下关系: =Qc,称为浓度商。 Qc (3)利用化学平衡常数随温度的变化判断反应的热效应。 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。 二、“三段式法”计算平衡转化率 可按下列模式进行计算: 如mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为amol/L、bmol/L,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mxmol/L。 mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g) 起始(mol/L)ab00 变化(mol/L)mxnxpxqx 平衡(mol/L)a-mxb-nxpxqx 1.求平衡常数: K= 。 2.求转化率 转化率= ×100%,如α平(A)= ×100%。 (1)同一个反应中,反应物可以有多种,但不同反应物的转化率可能不同。 (2)增大一种反应物的浓度,可以提高其他反应物的转化率,工业生产中常常提高廉价原料的比例,从而增大昂贵原料的转化率,如工业合成氨中增大氮气的浓度,从而提高氢气的转化率。 [自我检测] 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)化学平衡发生移动,平衡常数不一定发生变化。 ( ) 答案: (1)× (2)× (3)× (4)√ 2. (1)对于3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g),反应的化学平衡常数的表达式为________________________________________________________________________。 (2)已知下列反应的平衡常数: ①H2(g)+S(g)H2S(g) K1 ②S(g)+O2(g)SO2(g) K2 则反应SO2(g)+H2(g)O2(g)+H2S(g)的平衡常数为________(用K1和K2表示)。 答案: (1)K= (2) (1)关于H2O的浓度问题 ①稀水溶液中进行的反应,虽然H2O参与反应,但是H2O只作为溶剂,不能代入平衡常数表达式。 如NH4Cl+H2ONH3·H2O+HCl的平衡常数表达式为K= 。 ②H2O的状态不是液态而是气态时,则需要代入平衡常数表达式。 (2)K的大小只与温度有关,与反应物或生成物的起始浓度的大小无关。 (3)代入平衡常数表达式的是平衡浓度,而不是任意时刻的浓度,更不能将物质的量代入。 (4)同一化学反应,可以用不同的化学方程式表示,每个化学方程式都有自己的平衡常数表达式及相应的平衡常数。 因此,要注意使用与化学方程式相对应的平衡常数。 (2017·高考全国卷Ⅱ,27,14分)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=-119kJ·mol-1 ③H2(g)+ O2(g)===H2O(g) ΔH3=-242kJ·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)根据盖斯定律,可得①=②-③,则ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119kJ·mol-1+242kJ·mol-1=123kJ·mol-1。 反应①为气体总体积增大的反应,在温度相同时降低压强有利于提高平衡转化率,故x<0.1。 反应①为吸热反应,升高温度有利于平衡正向移动,A项正确;降低压强平衡向气体总体积增大的方向移动,D项正确。 (2)结合图(b)可看出随着n(氢气)/n(丁烷)增大,丁烯产率先升高后降低,这是因为氢气是生成物,当n(氢气)/n(丁烷)逐渐增大时,逆反应速
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