1、高考化学,新高考专用,专题十一化学反应速率和化学平衡,考点一化学反应速率,1.化学反应速率1)表示方法:通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。表达式为v=,单位为molL-1s-1或molL-1min-1。注意:不能用固体或纯液体表示化学反应速率,因为固体或纯液体的浓度视为常数。2)与化学计量数的关系:对于反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),用不同物质表示的反应速率的数值不同,但意义相同。单位相同时,各物质化学反应速率的数值之比等于方程式中各物质的化学计量数之比。,2.影响化学反应速率的因素1)内因(主要因素)反应物本身的性质。2)外因浓度:增大反应物浓度,反
2、应速率增大,反之减小。压强:对于有气体参加的反应,增大压强,反应速率增大,反之减小。解释:增大反应物浓度或增大压强,单位体积内活化分子数增多,单位时间内有效碰撞次数增多,化学反应速率增大。注意:充入无关气体(不参与反应的气体)的影响恒温恒容时:充入无关气体总压强增大,各反应物浓度不变反应速率不变。恒温恒压时:充入无关气体总体积增大,各反应物浓度减小反应速率减小。,温度:升高温度,反应速率增大,反之减小,与反应吸热还是放热无关。催化剂:使用催化剂,一般可加快反应速率。解释:升温、使用催化剂时,体系中活化分子百分数增加,有效碰撞次数增加,化学反应速率增大。其他因素:如反应物的接触面积增大,反应速率
3、增大;构成原电池,反应速率增大。,考点二化学平衡,1.化学平衡研究的对象可逆反应,2.化学平衡状态1)特征,以反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)为例:,2)判断“正、逆相等,变量不变”,3.化学平衡移动1)化学平衡移动的过程2)化学平衡移动方向与化学反应速率的关系v正v逆:平衡向正反应方向移动。v正v逆:平衡向逆反应方向移动。3)勒夏特列原理:如果改变影响平衡的一个因素(如温度、压强及参加反应的物质的浓度),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。,4)改变条件对化学平衡的影响,注意:充入无关气体的影响 恒温恒容时:充入无关气体总压强增大,各组分浓度不变,反应速率不变平衡不移动。恒
4、温恒压时:充入无关气体总体积增大,各组分浓度等比例减小(相当于减压)平衡向气体分子数增大的方向移动。,4.浓度、压强对平衡移动影响的几种特殊情况1)当反应体系中不存在气态物质时,压强的改变对平衡无影响。2)对于反应前后气体分子数相等的反应,压强的改变对平衡无影响,但增大(或减小)压强会使气态物质的浓度增大(或减小)。3)对于有气体参加的反应在恒容时,同等程度地改变反应体系中各物质的浓度时,应视为压强的影响,同等程度地增大(或减小)浓度相当于增大(或减小)压强。4)在恒容容器中,若用表示物质的转化率,表示气体的体积分数,则:对于aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)类反应,达到平衡后,保持
5、温度、容积不变,加入一定量的A,则平衡正向移动,(B)增大而(A)减小,(B)减小而(A)增大。,对于aA(g)bB(g)或aA(g)bB(g)+cC(g)类反应,达到平衡后,保持温度、容积不变,加入一定量的A(是指反应中某一边存在的唯一气体,可以有其他非气态物质),(A)和(A)的变化可从压强增大的角度分析,分为以下三种情况(n表示气体分子数的变化):,5.化学反应的调控(以合成氨为例)1)反应原理:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.4 kJmol-1。2)反应特点:可逆,正向放热,气体分子数减小。3)反应条件的选择浓度:c(N2)c(H2)略大于13。压强:10 MPa30
6、 MPa。解释:从平衡移动的角度考虑,压强越大越有利于氨气的合成,但考虑到压强增大对设备的要求也提高,故采用10 MPa30 MPa。,温度:400500。解释:从平衡移动的角度考虑,温度越高越不利于氨气的合成,但考虑到反应的速率和催化剂的活性,故采用400500。催化剂:铁触媒。注意:为防止催化剂中毒,原料气必须净化除去杂质。,1.化学平衡常数1)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。2)平衡常数与化学方程式的关系相同温度下,对于可逆反应,正、逆反应的平衡常数互为倒数,即K正=。化学方程式乘以系数n,则平衡
7、常数变为原来的n次方,即K2=。反应1和反应2相加得反应3,则K3=K1K2;反应1减去反应2得反应3,则K3=。3)意义及影响因素,考点三化学平衡常数及其相关计算化学反应的方向,K越大,反应物的转化率越大,正反应进行的程度越大。K只受温度的影响。4)应用判断可逆反应进行的程度。判断化学反应进行的方向。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,称为浓度商,常用Q表示。Q,判断可逆反应的热效应,2.化学平衡的计算方法“三段式”法反应:mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量分别为a mol、b mol
8、,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)ab00变化(mol)mxnxpxqx平衡(mol)a-mxb-nxpxqx则有:(1)平衡常数K=。(2)反应物:n(平)=n(始)-n(变)。生成物:n(平)=n(始)+n(变)。,(3)A的转化率:(A)=100%,A、B的转化率之比为(A)(B)=。(4)平衡时A的体积分数:(A)=100%。(5)平衡时和开始时的压强比:=。,3.化学反应进行方向的判据,综合分压平衡常数(Kp)的计算,1.分压平衡常数的含义在化学平衡体系中,用各气体物质的分压代替浓度进行计算,得到的平衡
9、常数称为分压平衡常数(Kp)。例如对于N2(g)+3H2(g)2NH3(g),Kp=。某气体的分压=总压该气体的物质的量分数(或体积分数)。,2.影响因素:Kp只受温度影响。,3.计算流程,例(2022贵州遵义三模,28节选)(2)在某催化剂表面可发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。利用该反应可减少CO2排放,并合成清洁能源。一定条件下,在一密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2发生反应,下图表示压强为0.1 MPa和5.0 MPa下CO2的平衡转化率随温度的变化关系。,其中表示压强为5.0 MPa下CO2的平衡转化率随温度的变化曲线为(填“”或“”
10、);b点对应的平衡常数Kp=MPa-2(Kp为以平衡分压代替平衡浓度表示的平衡常数。分压=总压物质的量分数)。,解题导引审题时要注意反应前后压强是否发生变化,如果题目指出是在一定压强下发生反应(即恒压条件),则反应前后压强保持不变;如果是恒容条件,告知反应的起始压强且反应前后气体分子数不相等,则压强会发生变化,需计算出平衡时的总压强。,解析(2)题给反应为气体分子数减小的反应,故压强增大,平衡正向移动,转化率增大,由题图可知温度相同时,对应的CO2的平衡转化率大。根据题给条件可得三段式:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)开始量2 mol6 mol 0 mol0 mol转化
11、量1 mol3 mol1 mol1 mol平衡量1 mol3 mol1 mol1 mol平衡时气体总物质的量n(总)=1 mol+3 mol+1 mol+1 mol=6 mol,b点对应的总压为0.1 MPa,则平衡时各物质的分压分别为p(CO2)=p(CH3OH)=p(H2O)=MPa,p(H2)=0.1 MPa=0.05 MPa,Kp=。,答案(2),应用化学反应速率和化学平衡图像分析,1.分析反应速率和平衡图像题的思维流程“三看一判断”1)一看面:看清横、纵坐标所表示的物理量,理解曲线的整体含义。2)二看线:看曲线的变化趋势(有时需作等温线、等压线等辅助线)。3)三看点:分析曲线上点的意
12、义,特别是特殊点(起点、终点、交点、极值点等)。4)作判断:根据图像中的信息和化学反应速率、化学平衡的相关规律,结合题目中具体反应的特征(吸热或放热、气体分子数变化等),作出相应判断。,2.常见的反应速率和平衡图像1)速率时间图像注意断点以A(g)+B(g)C(g)H0为例t1时增大反应物的浓度,正反应速率瞬间增大,然后逐渐减小,而逆反应速率逐渐增大;t2时升高温度,正、逆反应速率均增大,吸热反应的正反应速率增大程度较大;t3时减小压强,容器容积增大,浓度减小,正、逆反应速率,均减小;t4时使用催化剂,正、逆反应速率均瞬间增大。2)含量(或转化率)时间温度(或压强)图像“先拐先平,数值大”原则
13、:在含量(或转化率)时间图像中,先出现拐点的先达到平衡,说明该曲线对应的反应速率较大,表明反应温度较高或压强较大或使用催化剂等。以可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)为例:(T2T1,H0)(T2T1,Hp2,a+bc),(p1p2,a+bc)(曲线1用催化剂、2不用催化剂,或a+b=c时曲线1的压强大于2的压强),3)恒温(压)线“定一议二”原则:当图像中有两个变量时,先确定一个量不变,再讨论另一个量的影响。有时需在图像中作辅助线。以可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)为例,纵坐标A为A的平衡转化率:第一幅图中任取一条恒温线进行研究,温度相同时,随着压强增大,A增大,平衡正向移动,故
14、正反应为气体分子数减小的反应;再作一条垂直线与两,条恒温线相交,压强相同时,温度升高,A增大,平衡正向移动,故正反应为吸热反应。第二幅图可采用类似的方法进行分析。4)反应过程中含量温度图像对于反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),不同温度下反应相同时间后测定A或C的含量,如图所示。M点前由于温度较低、反应速率较慢,体系尚未达到平衡;M点时体系恰好达到平衡;M点后为平衡的移动,升高温度,A%增大、C%减小,平衡逆向移动,故H0。,5)平衡曲线外非平衡点的分析对于反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),曲线L上所有的点都是平衡点。E点位于曲线L上方,其A%大于此压强或温度下平
15、衡时的A%,E点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态,故E点v正v逆;同理可知曲线L下方的F点v正v逆。,例1用CO合成甲醇(CH3OH)的化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)Hv(d)C.平均摩尔质量:M(a)M(c)、M(b)M(d)D.平衡常数:K(a)K(c)、K(b)=K(d),解题导引此题属于恒温线类型图像题,可采用“定一议二”原则进行分析,对于需要比较的两个或多个数值,先找到它们对应的相同变量,再讨论另一变量的影响。,解析压强相同时,从T1到T3,CO的平衡转化率减小,说明平衡逆向移动,且该反应为放热反应,则T1到T3温度升高,即T1v(d),B正确。平均摩尔质量
16、=气体总质量气体总物质的量,该反应正向为气体分子数减小的反应,投料相同时,CO的平衡转化率越大,气体总物质的量越小,而气体总质量保持不变,则平均摩尔质量将会越大,因此根据各点的CO平衡转化率的大小,可知平均摩尔质量M(a)M(c)、M(b)M(d),C正确。温度相同时平衡常数相等,故K(b)=K(d);a、c温度不同,平衡常数不相等,a点CO的平衡转化率较大,反应正向进行的程度较大,故K(a)K(c),D错误。,答案D,例2(2021湖南,11,4分)(双选)已知:A(g)+2B(g)3C(g)H0,向一恒温恒容的密闭容器中充入 1 mol A和3 mol B发生反应,t1时达到平衡状态,在t
17、2时改变某一条件,t3时重新达到平衡状态,正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是(),A.容器内压强不变,表明反应达到平衡B.t2时改变的条件:向容器中加入CC.平衡时A的体积分数:()()D.平衡常数K:K()K(),解题导引B项,在t2时改变某一条件,v正没有发生突变,而是不断增大,说明平衡向逆反应方向移动,则进一步说明容器中加入了C。,解析A项,容器内反应是气体分子数不变的可逆反应,压强不变不能说明反应达到平衡;C项,最初加入体系中的A和B的物质的量的比值为13,t2时向体系中加入C,平衡逆向移动,最终A和B各自的物质的量增加的比例为12,因此,平衡时A的体积分数:()();D
18、项,该反应在恒温条件下进行,平衡常数K保持不变。,答案BC,创新反应速率常数的应用,1.速率常数含义大多数化学反应都是分几步完成的,其中的每一步反应称为基元反应。假设基元反应为aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),其速率可表示为v=kca(A)cb(B),式中的k称为反应速率常数(或速率常数)。反应速率常数k在恒温下,不因反应物浓度的改变而变化,但受温度、催化剂、固体表面性质等因素的影响。,2.基元反应的速率方程基元反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)的速率方程可写为v正=k正 ca(A)cb(B),v逆=k逆 cc(C)cd(D)(k正为正反应的速率常数,k逆为逆反应的速
19、率常数)。基元反应的化学反应速率与反应物浓度以其化学计量数为指数的幂的乘积成正比。,3.复杂反应的速率方程许多化学反应不是基元反应,而是由两个或多个基元反应组成的复杂反应。假设反应A2+BA2B是由两个基元反应组成的:第一步A22A慢反应第二步2A+BA2B快反应对于总反应来说,决定速率的步骤是最慢的一个基元反应。故速率方程是v=kc(A2),而不是v=kc(A2)c(B)。,4.反应级数某化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),若其速率方程的形式为v正=k正 ca(A)cb(B),则该反应的反应级数为a+b,即速率方程中指数之和或称该反应为a+b级反应。,5.速率常数与化学平衡
20、常数的关系一定温度下,对于基元反应aA(g)+bB(g)gG(g)+hH(g),v正=k正ca(A)cb(B),v逆=k逆cg(G)ch(H),平衡时v正=v逆,则k正ca(A)cb(B)=k逆cg(G)ch(H),=K。,例(2016海南单科,16,9分)顺-1,2-二甲基环丙烷和反-1,2-二甲基环丙烷可发生如下转化:该反应的速率方程可表示为v(正)=k(正)c(顺)和v(逆)=k(逆)c(反),k(正)和k(逆)在一定温度时为常数,分别称作正、逆反应速率常数。回答下列问题:(1)已知:t1温度下,k(正)=0.006 s-1,k(逆)=0.002 s-1。该温度下反应的平衡常数值K1=;
21、该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆),则H0(填“小于”“等于”或“大于”)。,(2)t2温度下,图中能表示顺式异构体的质量分数随时间变化的曲线是(填曲线编号),平衡常数值K2=;温度t2t1(填“小于”“等于”或“大于”),判断理由是。,解题导引平衡时v(正)=v(逆),将v(正)、v(逆)的表达式代入并整理,即可得到K1与k(正)、k(逆)的关系。,解析(1)反应达到平衡状态时正、逆反应速率相等,结合题给反应速率表达式,得k(正)c(顺)=k(逆)c(反),t1温度下反应的平衡常数值K1=3;该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆),说明断键吸收的能量小于成键释放的能量,为放热反应,H小于0。(2)随着时间的推移,顺式异构体的质量分数不断减小,正反应速率变慢,单位时间内(顺)的变化量减小,则符合条件的曲线是B;设顺式异构体的起始浓度为x,由题图可知,平衡时顺式异构体的浓度为0.3x,反式异构体的浓度为0.7x,所以平衡常数K2=;因为K1K2,对于放热反应,升高温度时平衡逆向移动,所以温度t2t1。,答案(1)3小于(2)B大于对于放热反应,升高温度时平衡向逆反应方向移动,