化學反應速率與化學平衡

化學反應速率與化學平衡復習【例題1】煤制成天然氣是煤氣化的一種重要方法。其工藝核心是合成過程中的甲烷化，涉及的主要反應：CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)△H＜0①CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H＜0②現(xiàn)在300℃，容積為2L的密閉容器中進行有關合成天然氣的實驗，相關數(shù)據(jù)記錄如下：CO/molCO2/molH2/molCH4/molH2O/mol0min43400030min22a3—70min1bcd6下列有關說法錯誤的是A.a=30，b=1.5B.c=25，d=4.5C.前30min內(nèi)，反應①的平均反應速率v(CH4)=0.05mol/(L·min)D.后40min內(nèi)，反應②的平均反應速率v(H2)=0.025mol/(L·min)【解析】根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在前30min內(nèi)，反應①消耗了2molCO，同時消耗H2的物質(zhì)的量是消耗CO的3倍，即6mol，而反應②消耗了1molCO2，同時消耗H2的物質(zhì)的量是消耗CO2的2倍，即4mol，共消耗H210mol，則a=30；到70min時，H2O為6mol，反應①消耗的CO為3mol，由反應①生成的H2O為3mol，則由應②生成的H2O也為3mol，同時消耗的CO2為1.5mol，則不難得出b=1.5，c=25，d=4.5。前30min內(nèi)由反應①生成的CH4為2mol,濃度該變量為1mol/L，對應的反應速率v(CH4)約為0.033mol/(L·min)；后40min內(nèi)由反應②消耗的H2為2mol，濃度改變量為1mol/L，對應的反應速率v(H2)為0.025mol/(L·min)。答案：C【點撥】化學反應速率是表示反應進行快慢的物理量，它用單位時間內(nèi)反應物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示，單位有mol/(L·h)、mol/(L·min)、mol/(L·s)等。計算公式如下：

式中B是物質(zhì)的化學式，△c(B)表示物質(zhì)B濃度的變化，△n(B)表示物質(zhì)B的物質(zhì)的量的變化，V表示容器或溶液的體積，△t表示反應進行的時間。用上式進行進行某物質(zhì)反應速率計算時需注意以下幾點：（1）濃度變化只適用于氣體和溶液中的溶質(zhì)，不適用于固體和純液體。（2）化學反應速率是某段時間內(nèi)的平均速率，而不是即時速率，且計算時取正值。（3）同一反應用不同的物質(zhì)表示反應速率時，數(shù)值可能不同，但意義相同。不同物質(zhì)表示的反應速率之比等于化學計量數(shù)之比?！纠}2】在某溫度時，將2molA和1molB兩種氣體通入容積為2L的密閉容器中，發(fā)生反應：2A(g)+B(g)xC(g)，2min時反應達到平衡狀態(tài)，經(jīng)測定B的物質(zhì)的量為0.4mol，C的反應速率為0.45mol/(L·min)。下列各項能表示該反應達到平衡的是A．vA正:vB逆＝1:2B．混合氣體的密度不再變化C．混合氣體的壓強不再變化D．A的轉(zhuǎn)化率不再變化【解析】解答本題的關鍵是首先根據(jù)題給A、B起始的物質(zhì)的量、平衡B的物質(zhì)的量以及C的反應速率求得x＝3。2A(g)+B(g)xC(g)起始（mol）210轉(zhuǎn)化（mol）2aaax（1）構(gòu)建等溫、等容平衡思想模式（見圖示）：新的平衡狀態(tài)可以認為是兩個原平衡狀態(tài)簡單的疊加并壓縮而成，相當于增大壓強。

（2）構(gòu)建等溫、等壓平衡思想模式（見圖示）：新的平衡狀態(tài)可以認為是兩個原平衡狀態(tài)簡單的疊加而成，壓強不變，平衡不移動。

【例題4】已知二甲醚是一種重要的清潔燃料，可以通過CH3OH分子間脫水制得：2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)△H=23.5kJ·mol－1。在T1℃，恒容密閉容器中建立上述平衡，體系中各組分濃度隨時間變化如圖所示。請回答下列問題：（1）該條件下反應平衡常數(shù)表達式K＝______。在T1℃時，反應的平衡常數(shù)為_____。（2）相同條件下，若改變起始濃度，某時刻各組分濃度依次為c(CH3OH)＝0.4mol·L－1、c(H2O)＝0.6mol·L－1、c(CH3OCH3)＝1.2mol·L－1，此時正、逆反應速率的大?。簐(正)_____v(逆)（填“＞”、“＜”或“＝”）?！窘馕觥浚?）由圖像可知，反應在t1時達到平衡，平衡時各物質(zhì)的濃度分別為c(CH3OCH3)＝1mol·L－1，c(H2O)＝0.8mol·L－1，c(CH3OH)＝0.4mol·L－1；根據(jù)反應2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)可知，其平衡常數(shù)的表達式為K＝，在該溫度下，K＝＝5。（2）根據(jù)題目所提供的數(shù)據(jù)可知，QC＝＝4.5＜K，所以反應正向進行，則v(正)＞v(逆)。答案：（1）5（2）＞【點撥】（1）化學平衡常數(shù)的意義：①它能夠表示出可逆反應進行的完全程度。一個可逆反應的K值越大，說明平衡時生成物的濃度越大，反應物轉(zhuǎn)化率也越大。可以說，化學平衡常數(shù)是一定溫度下一個可逆反應本身固有的內(nèi)在性質(zhì)的定量體現(xiàn)。當K＞105時，可以認為該反應進行完全。雖然轉(zhuǎn)化率也能表示反應進行的程度，但轉(zhuǎn)化率不僅與溫度有關，而且還與起始條件有關。②K的大小只與溫度有關，與反應物或生成物的起始濃度的大小無關。（2）可以利用平衡常數(shù)的值作標準，判斷正在進行的可逆反應是否平衡及不平衡時向何方進行建立平衡。如對于可逆反應：mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)，在一定溫度的任意時刻，反應物與生成物的濃度有如下關系：Qc＝，Qc叫該反應的濃度熵。若Qc＞K，反應向逆向進行；若Qc＝K，反應處于平衡狀態(tài)；若Qc＜K，反應向正向進行。（3）利用K值可判斷反應的熱效應：若溫度升高，K值增大，則正反應為吸熱反應；若溫度升高，K值減小，則正反應為放熱反應。（4）在使用化學平衡常數(shù)時應注意：①不要把反應體系中的純固體、純液體及稀水溶液中水的濃度寫進平衡常數(shù)表達式，但在非水溶液中，若有水參加或生成，則此時水的濃度不可視為常數(shù)，應寫進平衡常數(shù)表達式中。②同一化學反應，化學方程式寫法不同，其平衡常數(shù)的表達式及數(shù)值亦不同，因此書寫平衡常數(shù)表達式及數(shù)值時，要與化學方程式相對應，否則就沒有意義。三、新題預測新題1已知反應2X(g)+Y(g)2Z(g)在一定條件下已達平衡，當減小壓強時：A．逆反應速率增大，正反應速率減小，平衡向逆反應方向移動B．逆反應速率減小，正反應速率增大，平衡向正反應方向移動C．正、逆反應速率都減小，平衡向逆反應方向移動D．正、逆反應速率都減小，平衡向正反應方向移動解析：減小壓強平衡向體積增大的方向移動，即平衡向逆反應的方向移動，減小壓強正、逆反應的速率都減小，只是減小的程度不同，v正的減小程度大于v逆的減小程度，則有v逆＞v正，C選項正確。答案：C點撥：外界條件對化學平衡影響的本質(zhì)：化學平衡移動的方向就是化學反應速率較大的方向：（1）增大反應物的濃度，瞬間正反應的速率增大，逆反應速率不變，正反應速率大于逆反應速率，平衡向正反應方向移動；減小生成物濃度，瞬間，逆反應速率減小，正反應速率不變，正反應速率大于逆反應速率，平衡正移。（2）改變壓強，對化學反應速率產(chǎn)生影響的根本原因是引起濃度的改變，對于有氣體參加的反應體系，有以下幾種情況：①恒溫時：增大壓強引起體系體積縮小，導致濃度增大引起反應速率增大。②恒容時：當充入氣體反應物引起反應物濃度增大，導致總壓增大引起反應速率增大；當充入“稀有氣體”引起總壓增大，但各物質(zhì)的濃度不變，因而反應速率不變。③恒壓時：當充入“稀有氣體”引起體積增大，因而各物質(zhì)濃度減小，導致反應速率減小。（3）升溫，吸熱和放熱反應的速率都增大，吸熱反應速率增大的程度較大；降溫，吸熱反應的速率減小的程度較大。（4）使用催化劑時，同倍數(shù)、同時增大正、逆反應速率，正逆反應速率始終相等。新題2在一固定容積的密閉容器中充入氣體A和B，發(fā)生如下可逆反應：A(g)+B(g)xC(g)；△H＝Q。在不同的溫度和壓強下，C在反應混合物中的含量隨反應時間的變化如圖所示。下列判斷正確的是A.P1＞P2，x＝1B.P1＜P2，x≠1C.T1＜T2，Q＞0D.T1＞T2，Q＜0解析：由曲線Ⅰ和Ⅱ知：T1＞T2，溫度越高，C在平衡體系中的百分含量越低，說明該反應正反應是放熱反應，Q＜0；由曲線Ⅱ和Ⅲ可知：P1＜P2，壓強越高，C在平衡體系中的百分含量越高，說明x＝1。故D項正確。答案：D點撥：遇到圖像曲線的題目，首先要看懂和理解坐標的含義，然后觀察曲線的形狀和走向，明確曲線所代表的是哪些量的關系，明確曲線的起點、終點、交點、拐點及零點的含義，再結(jié)合題中給定的化學反應和數(shù)據(jù)，進行正確的推理和判斷。新題3在恒溫時，一固定容積的容器內(nèi)發(fā)生如下反應：2NO2(g)N2O4(g)，達平衡時，再向容器內(nèi)通入一定量的NO2(g)，重新達到平衡后，與第一次平衡相比，NO2的體積分數(shù)A．不變B．增大C．減小D．無法判斷解析：恒溫、恒容時，向容器內(nèi)通入一定量的NO2氣體，相當于增大體系的壓強，平衡向分子數(shù)減小的方向即正向移動（也可模擬一個等效平衡作過渡狀態(tài)來分析），則NO2的體積分數(shù)減小，千萬不要簡單認為（根據(jù)勒夏特列原理）增加的NO2的量只能減少，不能抵消，錯誤地認為NO2的絕對量增多，體積分數(shù)增大，而錯誤地選B。答案：C點撥：比較平衡體系中某量的變化，一般要構(gòu)建模型，將一個模型轉(zhuǎn)化為另一個模型，只有建立聯(lián)系，方可比較相對大小。如A(g)+B(g)C(g)，可以建立模型如下：

I平衡體系有兩種途徑轉(zhuǎn)化成Ⅲ平衡體系，要判斷改變條件對原平衡的影響，必須建立平衡體系Ⅱ，Ⅱ與Ⅲ等效。充入A、B，相當于原容器加壓縮小體積，I平衡體系向C方向移動。新題4在甲乙兩密閉容器中，分別充入HI、NO2，發(fā)生反應：（甲）2HI(g)H2(g)+I2(g)；△H＞0，（乙）2NO2(g)N2O4(g)；△H＜0，采用下列措施能使兩個容器中混合氣體顏色加深，且平衡發(fā)生移動的是A．增加反越位濃度B．增大壓強（縮小體積）C．降溫D．加催化劑解析：只有增大碘蒸氣、二氧化氮濃度，混合氣體的顏色才能加深。A選項中，增大反應物的濃度，兩平衡分別向生成碘蒸氣和四氧化二氮的方向移動，甲反應，碘蒸氣濃度增大，混合氣體顏色加深，對于乙反應，平衡移動只減弱增大的反應物的濃度，混合氣體的顏色加深，A正確；平衡甲是等氣體分子數(shù)的反應增大壓強平衡不移動，但是受到體積因素的影響，I2單質(zhì)的濃度增大；增大壓強平衡乙向生成四氧化二氮的方向移動，時，二氧化氮濃度小于原平衡的二氧化氮濃度，B錯；降溫，甲、乙平衡都向生成無色氣體方向移動，C錯。答案：A點撥：本題易錯選B，忽視題目限制，平衡發(fā)生移動，甲可是等氣體分子數(shù)反應，它在縮小體積的條件下不發(fā)生移動。化學平衡中隱含的信息大致分為三類：（1）可逆反應方程式，包括物質(zhì)狀態(tài)、氣體分子數(shù)、反應熱等；（2）題干條件，如等溫等容、等溫等壓；密閉容器與恒容容器、絕熱容器等；（3）可逆反應，一些反應體系中隱含的可能反應，如碘化銨的分解存在HI分解的可逆反應。新題5某化工廠生產(chǎn)Z的反應為X(g)+2Y(g)2Z(g)；△H＜0，溫度、壓強對Y的轉(zhuǎn)化率的影響如下表所示：壓強/MPa溫度/℃0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4工業(yè)合成Z的適宜條件是A．高溫、高壓B．低溫、高壓C．常溫、常壓D．常壓較高溫度解析：該可逆反應的特點是：正反應是氣體分子數(shù)減小的反應，且正反應是放熱反應。理論上采用低溫高壓有利于生成Z。結(jié)合數(shù)據(jù)信息分析可知，該反應在常壓下Y的轉(zhuǎn)化率就較高，從節(jié)約能源、降低成本考慮，應采用常壓；如果采用低溫，反應速率較小，所以，從生產(chǎn)效率看，應采用適宜溫度。綜合分析，D項正確。答案：D點撥：本題易錯選A或B，脫離無機化工生產(chǎn)實際，機械運用化學平衡原理。無機化工生產(chǎn)要求：（1）快，因此要提高化學反應速率；（2）多，提高原料轉(zhuǎn)化率；（3）低，要求設備成本低，消耗能量少，對材料的要求低等?；瘜W平衡原理在無機化工生產(chǎn)中的應用，即要考慮正確運用化學平衡理論，又要綜合考慮經(jīng)濟效益。二、化學反應速率的計算（1）在解題過程中經(jīng)常用到“起始量、轉(zhuǎn)化量、某時刻量”的格式來分析、解決問題。如對于反應：mA+nBpC+qD。A的起始濃度為amol·L－1，B的起始濃度為bmol·L－1，反應進行到t1s時，A消耗了xmol·L－1，則反應速率可計算如下：（2）對上述反應來說，在同一段時間內(nèi)，v(A)、v(B)、v(C)、v(D)的數(shù)值不一定相同，但其表達的意義完全相同，都表示的是同一個反應在同一段時間內(nèi)，反應向同一個方向進行的快慢。（3）在同一段時間內(nèi)，同一個反應中用不同的物質(zhì)表示的反應速率之比等于相應物質(zhì)的化學計量數(shù)之比即：v(A):v(B):v(C):v(D)＝m:n:p:q。三、化學反應速率的大小比較利用化學反應速率比較反應進行的快慢，不能只看反應速率的數(shù)值大小，要注意：（1）用同一物質(zhì)的反應速率比較反應快慢時，必須要換算為在速率單位一致的前提下再進行比較。（2）若用不同物質(zhì)的反應速率比較反應進行的快慢時，除要保證單位一致外，還要根據(jù)反應速率之比等于化學計量數(shù)之比換算為同一物質(zhì)的速率后再比較。（3）一般來說，隨著反應時間的延長，反應物濃度減小，反應速率也隨著減小。四、外界條件對化學反應速率的影響（1）純液體和固體濃度視為常數(shù)，它們的量的改變不會影響化學反應速率。但顆粒的大小導致接觸面積的大小發(fā)生變化，故影響反應速率。（2）固體、液體物質(zhì)，由于壓強改變時對它們的體積影響很小，因而壓強對它們濃度的影響可看作不變，壓強對無氣體參加的化學反應的速率無影響。（3）升高溫度，不論吸熱反應還是放熱反應，也不論是正反應速率還是逆反應速率都增大。（4）對于有氣體參加的化學反應，有以下幾種情況：①恒溫時：壓縮反應體系的體積導致引起壓強增大，進而導致引起反應物濃度增大，從而引起反應速率加快。②恒溫時，對于恒容密閉容器：a.充入氣體反應物導致引起氣體反應物濃度增大（壓強也增大），從而引起反應速率加快。b.充入“惰性”氣體導致引起氣體總壓強增大，但氣體反應物的濃度沒有改變，從而反應速率不變。③恒溫恒壓時：充入“惰性”氣體導致引起反應體系的體積增大，進而引起氣體反應物濃度減小，從而引起反應速率減小。（5）在其他條件相同時，使用催化劑，化學反應速率加快。（6）另外光波、電磁波、超聲波、溶劑等也能影響化學反應速率。五、例題分析【例題1】對于反應2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，一次只改變一個條件，能增大逆反應速率的措施是A.通入大量氧氣B.增大容器體積C.移去部分二氧化硫D.降低體系溫度解析：增大反應物濃度可使正反應速率增大，逆反應速率隨之增大，A選項正確；增大容器體積，相當于減小壓強，正、逆反應速率均減小，B選項錯誤；移去部分二氧化硫，可使反應向逆反應方向移動，因而正、逆反應速率均減小，C選項錯誤；降低溫度正、逆反應速率均減小，D選項錯誤。答案：A點撥：本題易將反應速率與化學平衡的移動混淆而錯選。此處常見的誤區(qū)有：反應向正反應方向移動，則正反應速率一定增大，反應向逆反應方向移動，則反應速率一定增大?！纠}2】化學反應A+3B===2C+2D在如下四種不同的情況下的反應速率分別為：①v(A)＝0.15mol/(L·s)；②v(B)＝0.6mol/(L·s)；③該反應進行的快慢順序為____________。點撥：同一個化學反應，如aA+bBcC+dD方程式中，選用不同的物質(zhì)的濃度的變化表示該反應的反應速率，其數(shù)值可能相同，也可能不同，但意義相同，表示的都是同一反應的速率，有各物質(zhì)的反應速率比等于它們在該反應化學方程式中的化學計量系數(shù)之比，即有：v(A):v(B):v(C):v(D)＝a:b:c:d，因此在比較反應速率的大小時，決不能單純地比較各物質(zhì)反應速率數(shù)值的大小（即數(shù)值大的速率不一定反應快），必須結(jié)合化學方程式中各物質(zhì)的化學計量系數(shù)的大小進行比較。比較同一個化學反應的反應速率大小時，應將所給的各物質(zhì)的反應速率轉(zhuǎn)化成同一種物質(zhì)來比較，而且還要注意單位的統(tǒng)一?！纠}3】在固定的容器內(nèi)進行下列反應：A(g)+2B(g)2C(g)+D(g)；△H＞0。下列說法正確的是：A．在容器內(nèi)加少量A，逆反應速率也加快B．使用催化劑，正逆反應速率發(fā)生同等程度改變C．升溫正反應速率變大，逆反應速率變小D．增大壓強，反應速率不變解析：該反應是一個反應前后氣體體積不變的可逆反應。加入少量A時首先正反應速率加快，隨著C、D的增多，逆反應速率也加快，因此選項A正確；催化劑的加入能增加活化分子百分數(shù)，改變反應歷程，對正、逆反應速率同等程度產(chǎn)生影響，選項B正確；無論反應是吸熱還是放熱，升高溫度，正逆反應速率都加快，只是正逆反應加快的程度不同，C選項錯誤；該反應中的物質(zhì)都是氣體，增大壓強，正、逆反應速率都加快。答案：A、B點撥：影響化學反應速率的因素很多：對于有固體參加的化學反應而言，由于在一定的條件下，固體的濃度是固定的，所以有固體物質(zhì)參加的化學反應中濃度不改變，因此在表示化學反應速率時，不能用固體物質(zhì)。但因為固體物質(zhì)的反應是在其表面進行的，故與其表面積有關，當把固體顆粒變小時，其表面積會增大，因此會加快反應速率，固體量的增減對反應速率一般無影響。稀有氣體或其它非反應的氣體對反應速率的影響分兩種情況：①在恒溫恒容條件下充入稀有氣體或其它非反應的氣體，雖然改變了容器內(nèi)氣體的壓強，但各物質(zhì)的濃度不變，因此不影響化學反應速率；②在恒溫恒壓條件下充入稀有氣體或其它非反應的氣體，由于要保持壓強不變，因而容器的體積要增大，各反應物質(zhì)的濃度均減小，因此化學反應速率減慢。原電池的形成會加快化學反應速率?！纠}4】向四個體積相同的密閉容器中分別充入一定量的SO2和O2，開始服用時，按反應速率由大到小的排列順序正確的是甲、500℃，10molSO2和5molO2反應乙、500℃，V2O5作催化劑，10molSO2和5molO2反應丙、450℃，8molSO2和5molO2反應丁、500℃，8molSO2和5molO2反應A.甲、乙、丙、丁B.乙、甲、丙、丁C.乙、甲、丁、丙D.丁、丙、乙、甲解析：溫度高、濃度大、且有催化劑的乙組