2020届浙江学考一轮复习考点精讲通用版考点39化学反应的方向与限度学案

2020届浙江学考一轮复习考点精讲通用版考点39化学反应的方向与限度学案

考点39　化学反应的方向与限度 知识条目 必考要求 加试要求 化学反应的限度 a b ‎2.化学平衡的概念 a b ‎3.化学平衡状态的特征 a b ‎4.自发反应的概念 a ‎5.熵变的概念 a ‎6.用熵变、焓变判断化学反应的方向 c ‎7.化学平衡常数 b ‎8.反应物的转化率 b ‎9.化学平衡常数与反应限度、转化率的关系 c ‎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相同条件下。‎ ‎②正、逆反应同时进行。‎ ‎③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 在方程式中用“”表示。‎ ‎2．化学平衡状态 ‎(1)化学平衡的建立 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：‎ — — — 同理，若在相同的条件下，把同一可逆反应的生成物加入相同容器内(即反应从逆向开始)，也可以建立相同的平衡状态。以上过程可用下图表示：‎ ‎(2)概念 一定条件下的可逆反应中，当正、逆两个方向的反应速率相等时，反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持不变的状态。‎ ‎(3)平衡特点 a．逆：只有在可逆反应里才能建立平衡状态。‎ b．等：v正＝v逆≠0是可逆反应达到平衡状态的本质。‎ c．动：化学平衡是一种动态平衡，即v正＝v逆≠0。‎ d．定：条件不变时，反应物与生成物浓度、百分组成保持不变(或反应物与生成物的含量保持一定)。这是判断体系是否处于化学平衡状态的重要特征。‎ e．变：任何化学平衡状态均是暂时的、相对的、有条件的。影响平衡的外界条件改变，平衡状态即被破坏，发生平衡移动。‎ ‎(4)判断平衡状态的方法——“逆向相等，变量不变”‎ ‎①“逆向相等”：反应速率必须一个是正反应的速率，一个是逆反应的速率，且经过换算后同一种物质的减少速率和生成速率相等。‎ ‎②“变量不变”：如果一个量是随反应进行而改变的，当不变时为平衡状态；一个随反应的进行保持不变的量，不能作为是否是平衡状态的判断依据。‎ ‎3．化学反应进行的方向 ‎(1)自发过程 含义：在一定温度和压强下，不需要借助外力(外力是指光照、通电等，注意：温度、压强是条件)，压强作用就能自动进行的过程。‎ 特点：①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或释放热量)。‎ ‎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)自发反应 在一定温度和压强下无须外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。‎ ‎(3)判断化学反应方向的依据 ‎(4)综合判断反应方向的依据 ‎4．反应物的转化率 定义：平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的量与转化前该反应物的量之比，用来表示反应限度。‎ 达平衡时，某一反应物的转换率(%)＝×100%＝×100%＝×100%‎ 如，对于反应：aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，反应物A的转化率可表示为：‎ α(A)＝×100%‎ ‎5．化学平衡常数 ‎(1)定义：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，称为化学平衡常数，用符号K表示。‎ ‎(2)表达式 对于反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在一定温度下，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 ‎①K的大小说明了反应进行的程度(即反应限度)，K值越大，反应进行得越完全，反应物的转化率越大，一般当K＞105时，该反应进行得基本完全。‎ ‎②化学平衡常数K只受温度影响，与浓度无关。对于一个具体的可逆反应温度不变时K值不变。‎ ‎③化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。‎ ‎(4)应用 借助平衡常数可以判断一个化学反应是否达到化学平衡状态。‎ 对于反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(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：Q＝，称为浓度商。‎ ‎①当Q＜K时，反应向正反应方向进行，v正＞v逆；‎ ‎②当Q＝K时，反应处于化学平衡状态，v正＝v逆；‎ ‎③当Q＞K时，反应向逆反应方向进行，v正＜v逆。‎ ‎6．化学平衡的计算 ‎(1)分析三个量 即起始量、变化量、平衡量。‎ ‎(2)明确三个关系 ‎①对于同一反应物，起始量－变化量＝平衡量。‎ ‎②对于同一生成物，起始量＋变化量＝平衡量。‎ ‎③各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。‎ ‎(3)计算方法：三段式法 化学平衡计算模式：对以下反应：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 mol ，容器容积为V L。‎ ‎　　　　　mA(g)　　＋　　nB(g)pC(g)　　＋　　qD(g)‎ 起始(mol) a b 0 0‎ 变化(mol) mx nx px qx 平衡(mol) a－mx b－nx px qx 如：α(A)平＝×100%，α(A)∶α(B)＝∶＝。‎ ‎【例1】　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】　A项，反应属于可逆反应，反应物不能完全转化为生成物，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 ，正确；B项，达到化学平衡状态时正、逆反应速率相等，X、Y、Z的浓度不再发生变化，正确；C项，虽然属于可逆反应，达到化学平衡状态时，如果消耗1 mol X，则反应放出的总热量等于a kJ，正确；D 项，升高反应温度，正、逆反应速率均增大，错误。‎ ‎【答案】　D ‎【提炼】　本题考查可逆反应和化学平衡的基本特征、反应速率的影响因素。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核。本题选项C是易错点，注意反应放出或吸收的热量多少，与焓变和实际参加反应的物质的物质的量有关系，不要受可逆反应影响而产生思维定式。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a kJ热量。‎ ‎【例2】　已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol －1。起始反应物为N2和H2，物质的量之比为1∶3，且总物质的量不变，在不同压强和温度下，反应达到平衡时，体系中NH3的物质的量分数如下表：‎ 下列说法正确的是(　　)‎ A．体系中NH3的物质的量分数越大，则正反应速率越大 B．反应达到平衡时，N2和H2的转化率之比为1∶1‎ C．反应达到平衡时，放出的热量均为92.4 kJ D．600 ℃，30 MPa下反应达到平衡时，生成NH3的物质的量最多 ‎【解析】　A项，体系中NH3的物质的量分数越大，不能表示正反应速率越大，如20 MPa,500 ℃时NH3的物质的量分数大于30 MPa,600 ℃时NH3的物质的量分数，但温度和压强均没后者大，反应速率后者快，故A错误；B项，根据方程式，反应的氮气和氢气的物质的量之比为1∶3，起始反应物中N2和H2的物质的量之比为1∶3，因此反应达到平衡时，N2和H2的转化率之比1∶1，故B正确；C项，无法确定反应的氮气和氢气的物质的量，因此无法计算平衡时，放出的热量，故C错误；D项，根据表格数据，反应物的总物质的量不变时，NH3的物质的量分数越大，生成NH3的物质的量越多，则400 ℃，30 MPa下反应达到平衡时，生成NH3的物质的量最多，故D错误。‎ ‎【答案】　B ‎【提炼】　本题A项考查了浓度对化学反应速率的影响；B项易失分，该选项考查了反应物转化率计算，反应物转化率等于该物质的转化量除以起始量；C项注意反应放出的热量与实际参加反应的量有关；D选项考查数据分析。‎ ‎【例3】　反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0，若在恒压绝热容器中发生，下列选项表明反应一定已达平衡状态的是(　　)‎ A．容器内的温度不再变化 B．容器内的压强不再变化 C．相同时间内，断开H—H键的数目和生成N—H键的数目相等 D．容器内气体的浓度c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)＝1∶3∶2‎ ‎【解析】　A项，反应在绝热容器中发生，故反应过程中伴随有热量的变化，直至反应达到平衡状态，各物质浓度保持不变，容器温度保持不变，故A正确；B项，反应在恒压容器中进行，任何时刻容器内压强均不发生变化，故B错误；C项，断开H—H键和生成N—H键均为正反应，故C错误；D项，“反应混合物中各组分的浓度之比(或分子数之比、物质的量之比)等于化学计量数之比”，不是平衡状态的必然标志，只能是偶然，所以不能据此判断平衡状态，故D错误。‎ ‎【答案】　A ‎【提炼】　判断化学反应达到平衡状态的标志：‎ ‎1．任何情况下均可作为标志的：‎ ‎(1)v正＝v逆(同一种物质)。‎ ‎(2)各组分含量(百分含量、物质的量、质量)不随时间变化。‎ ‎(3)某反应物的消耗(生成)速率：某生成物的消耗(生成)速率＝化学计量数之比。‎ ‎2．在一定条件下可作为标志的：‎ ‎(1)对于有色物质参加或生成的可逆反应体系，颜色不再变化。‎ ‎(2)对于有气态物质参加或生成的可逆反应体系，若反应前后气体的物质的量变化不为0，则混合气体平均相对分子质量M和反应总压p不变(恒温恒容)。‎ ‎(3)对于恒容绝热体系，体系的温度不再变化。‎ ‎3．不能作为判断标志的：‎ ‎(1)各物质的物质的量或浓度变化或反应速率之比＝化学计量数之比(任何情况下均适用)。‎ ‎(2)对于全气体的反应，若反应前后气体的体积无变化，则混合气体平均相对分子质量M和反应总压p不变(恒温恒容)。‎ ‎【例4】　以氧化铝为原料，通过碳热还原法可合成氮化铝(AlN)；通过电解法可制取铝。电解铝时阳极产生的CO2可通过二氧化碳甲烷化再利用。请回答：‎ ‎(1)已知：2Al2O3(s)===4Al(g)＋3O2(g)　ΔH1＝3 351 kJ·mol －1‎ ‎2C(s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH2＝－221 kJ·mol －1‎ ‎2Al(g)＋N2(g)===2AlN(s)　ΔH3＝－318 kJ·mol －1‎ 碳热还原Al2O3合成AlN的总热化学方程式是________________________________________________________________________，‎ 该反应自发进行的条件__________________。‎ ‎(2)在常压、Ru/TiO2催化下，CO2和H2混合气体(体积比1∶4，总物质的量a mol)‎ 进行反应，测得CO2转化率、CH4和CO选择性随温度变化情况分别如图1和图2所示(选择性：转化的CO2中生成CH4或CO的百分比)。‎ 反应Ⅰ　CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH4‎ 反应Ⅱ　CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH5‎ 图1　　　　　　　　　　　　　图2‎ ‎①下列说法不正确的是________。‎ A．ΔH4小于零 B．温度可影响产物的选择性 C．CO2平衡转化率随温度升高先增大后减少 D．其他条件不变，将CO2和H2的初始体积比改变为1∶3，可提高CO2平衡转化率 ‎②350 ℃时，反应Ⅰ在t1时刻达到平衡，平衡时容器体积为V L，该温度下反应Ⅰ的平衡常数为________。(用a、V表示)‎ ‎【解析】　(1)通过观察已知三个方程式，用Al2O3合成AlN的方程式为Al2O3(s)＋3C(s)＋N2(g)===3CO(g)＋2AlN(s)，通过盖斯定律可知：ΔH＝(ΔH1＋3ΔH2＋2ΔH3)/2＝＋1 026 kJ·mol －1；反应的自发性由焓变(ΔH)和熵变(ΔS)共同决定，由第一问可知该反应的ΔH＞0、ΔS＞0，从而可以得出该反应高温自发。‎ ‎(2)①由图1转化率随温度变化看出，350 ℃之前为未平衡之前的转化率，之后为CO2的平衡转化率，温度升高转化率降低，说明反应Ⅰ为放热反应，A正确，C错误；从图2可以看出温度对生成产物(产物的选择性)有影响，B正确；相同条件下CO2和H2的初始体积比从1∶4改变为1∶3，前者CO2的转化率高，D错误；故选CD。‎ ‎②根据图1可知350 ℃时CO2的平衡转化率为0.8，用三段式进行计算：‎ ‎　　　　　　CO2(g)　＋　4H2(g)　　CH4(g)　＋　2H2O(g)‎ 初始量/mol 0.2a 0.8a 0 0‎ 转化量/mol 0.2a×0.8 0.2a×0.8×4 0.2a×0.8 0.2a×0.8×2‎ 平衡量/mol 0.04a 0.16a 0.16a 0.32a 代入求平衡常数K＝[0.16a/V×(0.32a/V)2]/[0.04a/V×(0.16a/V)4]＝625V2/a2。‎ ‎(要除以体积转化为浓度之后代入)‎ ‎【答案】　(1)Al2O3(s)＋3C(s)＋N2(g)===3CO(g)＋2AlN(s)　ΔH＝＋1 026 kJ·mol－1　‎ 高温 ‎(2)①CD　②625V2/a2‎ ‎【提炼】　本题考查了利用盖斯定律书写热化学方程式、反应自发条件判断、平衡常数计算等。化学反应自发进行的最终判据是吉布斯自由能变，自由能一般用ΔG来表示，ΔG＝ΔH－TΔS：当ΔG＝ΔH－TΔS＜0时，反应向正反应方向自发进行；当ΔG＝ΔH－TΔS＝0时，反应达到平衡状态；当ΔG＝ΔH－TΔS＞0时，反应不能向正反应方向自发进行。‎