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文档介绍
2019届高考化学二轮复习微专题2微专题2全面突破化学反应速率、化学平衡常数及转化率的判断与计算学案
微专题2 全面突破化学反应速率、化学平衡常数及转化率的判断与计算 1.化学平衡常数 (1)意义：化学平衡常数K表示反应进行的程度，K越大，反应进行的程度越大。K＞105时，可以认为该反应已经进行完全。K的大小只与温度有关。 (2)化学平衡常数表达式：对于可逆化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)在一定温度下达到化学平衡时，K＝。另可用压强平衡常数表示： Kp＝[p(C)为平衡时气体C的分压]。 (3)依据化学方程式计算平衡常数 ①同一可逆反应中，K正·K逆＝1。 ②同一方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小n倍，则新平衡常数K′与原平衡常数K间的关系是K′＝Kn或K′＝。 ③几个可逆反应方程式相加，得总方程式，则总反应的平衡常数等于各分步反应平衡常数之积。 2.转化率、产率及分压的计算 反应物转化率＝×100% 产物的产率＝×100% 分压＝总压×物质的量分数 3.常用的气体定律 同温同体积：p(前)∶p(后)＝n(前)∶n(后) 同温同压强：＝＝＝ 1.(2018·全国卷Ⅰ，28)采用N2O5为硝化剂是一种新型的绿色硝化技术，在含能材料、医药等工业中得到广泛应用。回答下列问题： (1)1840年Devil用干燥的氯气通过干燥的硝酸银，得到N2O5。该反应的氧化产物是一种气体，其分子式为________。 (2)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： 2N2O5(g)―→4NO2(g)＋O2(g) 2N2O4(g) 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 的变化如下表所示[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 则反应N2O5(g)===2NO2(g)＋O2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。 ②研究表明，N2O5(g)分解的反应速率v＝2×10－3×kPa·min－1。t＝62 min时，测得体系中＝2.9 kPa，则此时＝________kPa，v＝________kPa·min－1。 ③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“大小”“等于”或“小于”)，原因是________________________。 ④25 ℃时N2O4(g)2NO2(g)反应的平衡常数Kp＝________kPa(Kp为以分压表示的平衡常数，计算结果保留1位小数)。 (3)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 答案 (1)O2 (2)①＋53.1 ②30.0 6.0×10－2 ③大于 温度提高，体积不变，总压强提高；NO2二聚为放热反应，温度提高，平衡左移，体系物质的量增加，总压强提高 ④13.4 (3)AC 解析 (1)Cl2与AgNO3反应生成N2O5，还应该有AgCl，氧化产物是一种气体，则该气体为O2。 (2)①令2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g) ΔH1＝－4.4 kJ·mol－1 a 2NO2(g)===N2O4(g) ΔH2＝－55.3 kJ·mol－1 b 根据盖斯定律，a式×－b式可得： N2O5(g)===2NO2(g)＋O2(g) ΔH＝＋53.1 kJ·mol－1。 ②由方程式2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)可知，62 min时，＝2.9 kPa，则减小的N2O5为5.8 kPa，此时＝35.8 kPa－5.8 kPa＝30.0 kPa，则v(N2O5)＝2×10－3×30.0 kPa·min－1＝6.0×10－2 kPa·min－1。 ④时间无限长时N2O5完全分解，故由2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)知，此时生成的＝2＝2×35.8 kPa＝71.6 kPa，＝0.5×35.8 kPa＝17.9 kPa。由题意知，平衡时体系的总压强为63.1 kPa，则平衡体系中NO2、N2O4的压强和为63.1 kPa－17.9 kPa＝45.2 kPa，设N2O4的压强为x kPa，则 N2O4(g)2NO2(g) 初始压强/kPa 0 71.6 转化压强/kPa x 2x 平衡压强/kPa x 71.6－2x 则x＋(71.6－2x)＝45.2，解得x＝26.4,71.6 kPa－26.4 kPa×2＝18.8 kPa，Kp＝＝≈13.4 kPa。 (3)第一步反应快速平衡，说明正、逆反应速率很大，极短时间内即可达到平衡，A项正确；第二步反应慢，说明有效碰撞次数少，C项正确；由题给三步反应可知，反应的中间产物有NO3和NO，B项错误；反应快，说明反应的活化能较低，D项错误。 2.[2018·全国卷Ⅲ，28(3)]三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。回答下列问题：对于反应2SiHCl3(g)===SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g)，采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂，在323 K和343 K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。 ①343 K时反应的平衡转化率α＝________%。平衡常数K343K＝________(保留2位小数)。 ②在343 K下：要提高SiHCl3转化率，可采取的措施是________； 要缩短反应达到平衡的时间，可采取的措施有________、________。 ③比较a、b处反应速率大小：va________vb(填“大于”“小于”或“等于”)。反应速率v＝v正－v逆＝k正x2－k逆xx，k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数，x为物质的量分数，计算a处的＝________(保留1位小数)。 答案 ①22 0.02 ②及时移去产物 改进催化剂 提高反应物浓度 ③大于 1.3 解析 温度越高，反应速率越快，达到平衡的时间越短，左边曲线达到平衡的时间短，则此曲线代表343 K时SiHCl3的转化率变化，右边曲线代表323 K时SiHCl3的转化率变化。 ①由题图可知，343 K时反应的平衡转化率α＝22%。设起始时SiHCl3(g)的浓度为1 mol·L－1，则有 2SiHCl3(g)===SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g) 起始浓度/mol·L－1 1 0 0 转化浓度/mol·L－1 0.22 0.11 0.11 平衡浓度/mol·L－1 0.78 0.11 0.11 则343 K时该反应的平衡常数K343 K＝[c(SiH2Cl2)·c(SiCl4)]/c2(SiHCl3)＝0.112/0.782≈0.02。 ②在343 K时，要提高SiHCl3转化率，可采取的措施是及时移去产物，使平衡向右移动；要缩短反应达到平衡的时间，需加快化学反应速率，可采取的措施有提高反应物浓度、改进催化剂等。 ③温度越高，反应速率越快，a点温度为343 K，b点温度为323 K，故反应速率：va>vb。反应速率v＝v正－v逆＝k正x2－k逆xx，则有v正＝k正x2，v逆＝k逆xx，343 K下反应达到平衡状态时v正＝v逆，即k正x2＝k逆xx，此时SiHCl3的平衡转化率α＝22%，经计算可得SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.78、0.11、0.11，则有k正×0.782＝k逆×0.112，k正/k逆＝0.112/0.782≈0.02。a处SiHCl3的平衡转化率α＝20%，此时SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.8、0.1、0.1，则有v正/v逆＝(k正x2)/(k逆xx)＝k正/k逆·x2/(xx)＝0.02×0.82/0.12≈1.3。 3.[2017·全国卷Ⅰ，28(3)]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。 ①H2S的平衡转化率α1＝________%，反应平衡常数K＝________。 ②在620 K重复实验，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 答案 ①2.5 2.8×10－3 ②> > ③B 解析 ①设平衡时H2S转化的物质的量为x mol。 H2S(g)＋CO2(g)COS(g)＋H2O(g) 初始/mol 0.40 0.10 0 0 转化/mol x x x x 平衡/mol 0.40－x 0.10－x x x 由题意得：＝0.02 解得：x＝0.01， H2S的平衡转化率α1＝×100%＝2.5% K＝＝＝≈2.8×10－3。 ②温度升高，水的平衡物质的量分数增大，平衡右移，则H2S的转化率增大，故α2>α1。温度升高，平衡向吸热反应方向移动，故ΔH>0。 ③A项，充入H2S，H2S的转化率反而减小；B项，充入CO2，增大了一种反应物的浓度，能够提高另一种反应物的转化率，故H2S的转化率增大；C项，充入COS，平衡左移，H2S的转化率减小；D项，充入N2，对平衡无影响，不改变H2S的转化率。 4.[2016·全国卷Ⅰ，27(2)②]元素铬(Cr)在溶液中主要以Cr3＋(蓝紫色)、Cr(OH)(绿色)、Cr2O(橙红色)、CrO(黄色)等形式存在，Cr(OH)3为难溶于水的灰蓝色固体，回答下列问题： CrO和Cr2O在溶液中可相互转化。室温下，初始浓度为1.0 mol·L－1的Na2CrO4溶液中c(Cr2O)随c(H＋)的变化如图所示。 由图可知，溶液酸性增大，CrO的平衡转化率______(填“增大”“减小”或“不变”)。根据A点数据，计算出该转化反应的平衡常数为________。 答案 增大 1.0×1014 解析 由图中A点数据，可知：c(Cr2O)＝0.25 mol·L－1、c(H＋)＝1.0×10－7 mol·L－1，则进一步可知平衡时c(CrO)＝1.0 mol·L－1－2×0.25 mol·L－1＝0.5 mol·L－1，根据平衡常数的定义可计算出该转化反应的平衡常数为1.0×1014。 5.[2017·全国卷Ⅲ，28(4)④]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。 若平衡时溶液的pH＝14，则该反应的平衡常数K为________。 答案 解析 反应前，三种溶液混合后，c(Na3AsO3)＝3x mol·L－1×＝x mol·L－1，同理，c(I2)＝x mol·L－1，反应情况如下： AsO(aq)～I2(aq)～AsO(aq)～2I－(aq) 起始浓度/mol·L－1 x x 0 0 平衡浓度/mol·L－1 x－y x－y y 2y K＝＝。 6.[2014·新课标全国卷Ⅰ，28(3)改编]乙醇是重要的有机化工原料，可由乙烯气相直接水合法或间接水合法生产。热化学方程式为： C2H4(g)＋H2O(g)CH3CH2OH(g) ΔH＝－45.5 kJ·mol－1 下图为气相直接水合法中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系(其中∶＝1∶1)。 ①列式计算乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数Kp＝_______________________ (用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。 ②图中压强(p1、p2、p3、p4)的大小顺序为___________________________________________， 理由是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 ①＝＝≈0.07(MPa)－1 ②p4>p3>p2>p1 反应分子数减少，相同温度下，压强增大，乙烯转化率提高 解析 ②C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)是一个气体体积减小的反应，相同温度下，增大压强，平衡向正反应方向移动，C2H4的转化率提高，所以p4>p3>p2>p1。 题组一 分类突破化学平衡常数的计算 1.加热N2O5依次发生的分解反应为：①N2O5(g)N2O3(g)＋O2(g)，②N2O3(g)N2O(g)＋O2(g)。在容积为2 L的密闭容器中充入8 mol N2O5，加热到t ℃，达到平衡状态后O2为9 mol，N2O3为3.4 mol。则t ℃时反应①的平衡常数为( ) A.10.7 B.8.5 C.9.6 D.10.2 答案 B 解析 设N2O5的转化浓度为x，N2O3的转化浓度为y。 N2O5(g)N2O3(g)＋O2(g) 开始(mol·L－1) 4 0 0 转化(mol·L－1) x x x 平衡(mol·L－1) 4－x x x N2O3(g)N2O(g)＋O2(g) 开始(mol·L－1) x 0 0 转化(mol·L－1) y y y 平衡(mol·L－1) x－y y y 根据题意得 所以x＝3.1 mol·L－1 y＝1.4 mol·L－1 所以反应①的平衡常数为： K＝＝＝8.5。 2.CO2经催化加氢可以生成低碳烃，主要有以下两个竞争反应： 反应Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) 反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g) 为分析催化剂对反应的选择性，在1 L密闭容器中充入2 mol CO2和4 mol H2，测得有关物质的物质的量随温度变化如图所示： 该催化剂在较低温度时主要选择______(填“反应Ⅰ”或“反应Ⅱ”)。520 ℃时，反应Ⅰ的平衡常数K＝________(只列算式不计算)。 答案 反应Ⅰ 解析 温度较低时，CH4的物质的量多，所以该催化剂在较低温度时主要选择反应Ⅰ。 CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) 转化(mol·L－1) 0.2 0.8 0.2 0.4 2CO2＋6H2C2H4(g)＋4H2O(g) 0.4 1.2 0.2 0.8 c(CO2)＝(2－0.2－0.4)mol·L－1＝1.4 mol·L－1 c(H2)＝(4－0.8－1.2)mol·L－1＝2 mol·L－1 c(H2O)＝(0.4＋0.8)mol·L－1＝1.2 mol·L－1 所以K＝。 题组二 分压平衡常数的计算 3.(1)(2017·潍坊市高三下学期第一次模拟)活性炭还原NO2的反应为2NO2(g)＋2C(s)N2(g)＋2CO2(g)，在恒温条件下，1 mol NO2和足量活性炭发生该反应，测得平衡时NO2和CO2的物质的量浓度与平衡总压的关系如图所示： ①A、B、C三点中NO2的转化率最高的是________(填“A”“B”或“C”)点。 ②计算C点时该反应的压强平衡常数Kp＝__________(Kp是用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。 (2)(2017·日照市高三下学期第一次模拟)以CO作还原剂与磷石膏反应，不同反应温度下可得到不同的产物。向盛有CaSO4的真空恒容密闭容器中充入CO，反应体系起始总压强为0.1a MPa，不同温度下反应后所得固体成分的物质的量如图所示。在低于800 ℃时主要反应的化学方程式为______________________________________________________________； 1 150 ℃下，反应CaSO4＋COCaO＋CO2＋SO2达到平衡时，c平衡(SO2)＝8.0×10－5 mol·L－1，CO的转化率为80%，则c初始(CO)＝________mol·L－1，该反应的压强平衡常数Kp＝________(用含a的代数式表示；用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数；忽略副反应)。 答案 (1)①A ②4 (2)CaSO4＋4COCaS＋4CO2 1.0×10－4 0.32a 解析 (1)①增大压强，平衡左移，NO2的转化率减小，所以A点NO2的转化率最高。 ②设C点时NO2的浓度为c mol·L－1，则CO2的浓度也为c mol·L－1 2NO2(g)＋2C(s)N2(g) ＋2CO2(g) c mol·L－1 c mol·L－1 c mol·L－1 p(NO2)＝20 MPa×＝8 MPa p(N2)＝20 MPa×＝4 MPa p(CO2)＝20 MPa×＝8 MPa Kp＝＝＝4。 (2)在低于800 ℃时，固体产物为CaS，所以此时反应方程式为CaSO4＋4COCaS＋4CO2 c初始(CO)＝＝1.0×10－4 mol·L－1 CaSO4＋COCaO＋CO2 ＋ SO2 平衡(mol·L－1) 2.0×10－5 8.0×10－5 8.0×10－5 平衡时总压强：0.1a MPa×＝0.18a MPa p(CO2)＝p(SO2)＝0.18a MPa× ＝0.08a MPa p(CO)＝0.18a MPa×＝0.02a MPa Kp＝＝＝0.32a。 题组三 新题预测 4.氨气是工业制硝酸的主要原料之一，催化氧化步骤中发生的主要反应如下： Ⅰ.4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g) ΔH＝－906 kJ·mol－1 Ⅱ.4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g) ΔH＝－126 kJ·mol－1 将固定比例NH3和O2的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器，反应产率与温度的关系如图1所示。 (1)催化氧化步骤中，最适宜的温度为________(填“T1”或“T2”)。 (2)低于T1℃时，NO的产率较低的原因为______________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)高于T2℃时，NO的产率降低的可能原因为________(填字母)。 A.催化剂活性降低 B.平衡常数减小 C.反应活化能增大 D.氨气溶于水 (4)T2℃(T1>T2)时，向20 L恒容密闭容器中充入2 mol NH3和2.75 mol O2，发生反应Ⅰ。反应过程中各物质的物质的量随时间(t)变化的关系如图2所示。T2℃时，该反应的平衡常数K＝________；5 min时，改变了某一外界条件，所改变的条件可能为________________。 答案 (1)T2 (2)温度较低时，反应速率慢，同时部分反应物生成N2 (3)AB (4)0.075 升高温度或缩小容器容积 解析 (1)制硝酸用NH3和氧气反应生成NO，NO与O2反应生成NO2，NO2与水反应生成硝酸。T2时NO的产率最高，因此最适宜的温度是T2。 (2)低于T1℃时，反应速率慢，同时部分反应物转化为N2造成NO的产率较低。 (3)A项，催化剂活性受温度影响，在一定温度时催化剂催化效率最高，超过此温度催化剂的活性降低，正确； B项，根据反应方程式生成NO是放热反应，升高温度，平衡逆向进行，平衡常数减小，正确；C项，活化能的大小不影响平衡移动，错误； D 项，这里的水为气态，所以氨气溶于水是错的。 (4)根据图2,4 min时达到平衡，c(NH3)＝c(NO)＝1/20 mol·L－1，c(O2)＝c(H2O)＝1.5/20 mol·L－1，根据化学平衡表达式K＝代入数据，计算得K＝0.075。 由图知氨气和氧气的物质的量增大，NO和H2O(g)的物质的量减小，说明改变这一条件平衡向逆反应方向移动，即升高温度或缩小容器容积。 5.现将定量的H2O 与足量碳在体积可变的恒压密闭容器中发生反应： C(s)＋H2O (g)CO(g)＋H2(g) ΔH，测得压强、温度对CO的平衡组成的影响如图所示： (1)①下列措施能够提高H2产率的是______________________________________(填字母)。 a.加压 b.分离出CO c.加热 d.增大碳固体的量 ②a、b、c三点所对应的水的转化率最小的是________。 (2)700 ℃、p3时，将1 mol H2O 与足量碳充入初始体积为1 L的密闭容器中，恒温、恒压条件下，当反应进行到10 min时，测得容器中H2的物质的量为0.12 mol。 ①10 min内CO的平均反应速率为________ mol·L－1·min－1(保留两位有效数字)。 ②此温度下该反应的平衡常数K＝________。 ③向容器中投料后，在下图中画出从0时刻到t1时刻达到平衡时容器中混合气体的平均摩尔质量的变化曲线。 ④从t1时刻开始，保持温度不变，对容器加压，混合气体平均摩尔质量从t2时刻后变化如上图，出现该变化的原因是___________________________________________________。 答案 (1)①bc ②b (2)①0.011 ②0.8 ③(起点必须＝18开始) ④压强增大，水蒸气液化 解析 (1)①由图中信息可知，升高温度，CO的体积分数增大，则正反应为吸热反应，反应C(s)＋H2O (g)CO(g)＋H2(g)为气体体积增大的吸热反应。a项，加压，平衡逆向移动，降低氢气的产率，错误；b项，分离出CO，平衡正向移动，提高氢气的产率，正确；c项，加热，平衡正向移动，提高氢气的产率，正确；d项，增大碳固体的量，反应物浓度不变，平衡不移动，错误。②温度相同，a点CO的体积分数大于b点，则水的转化率a点较大，正反应为吸热反应，c点温度高于a点，升高温度平衡正向移动水的转化率增大，故三点对应的水的转化率最小的是b。(2)700 ℃、p3时， C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) 开始时的量(mol) 1 0 0 改变的量(mol) 0.12 0.12 0.12 平衡时的量(mol) 0.88 0.12 0.12 反应后容器的体积为＝1.12 L，①10 min内CO的平均反应速率为≈0.011 mol·L－1·min－1；③开始时为水的摩尔质量18 g·mol－1，随着反应的进行气体的体积增大，平均摩尔质量减小，故图如下：。④从t1时刻开始，保持温度不变，对容器加压，混合气体平均摩尔质量从t2时刻后变化如上图，出现该变化的原因是压强增大，水蒸气液化。 专题强化练 1.(2018·武威市第一中学高三上学期期末)在密闭容器中发生下列反应：aA(g)cC(g)＋dD(g)，反应达到平衡后，将气体体积压缩到原来的一半，当再次达到平衡时，D的浓度为原平衡的1.8倍，下列叙述正确的是( ) A.A的转化率变大 B.平衡向正反应方向移动 C.D的体积分数变大 D.a查看更多