内容正文:
第2课时 温度变化对化学平衡的影响 勒夏特列原理
新知探究(一)——温度变化对化学平衡的影响
导学设计
按表中实验步骤要求完成实验,观察实验现象,填写下表:
实验原理
+4Cl-⇌+6H2O ΔH>0
实验
步骤
实验现象
溶液变为蓝色
溶液不变色
溶液变为粉红色
结论
其他条件不变时,升高温度,平衡向正反应方向(即吸热反应方向)移动;降低温度,平衡向逆反应方向(即放热反应方向)移动
[系统融通知能]
1.影响规律
(1)任何化学反应都伴随着能量的变化(放热或吸热),所以任意可逆反应的化学平衡状态都受温度的影响。
(2)当其他条件不变时,升高温度,化学平衡向吸热反应方向移动;降低温度,化学平衡向放热反应方向移动。
2.注意事项
(1)升高温度,正反应速率和逆反应速率都增大,降低温度,正反应速率和逆反应速率都减小,只不过温度对正反应速率和逆反应速率的改变程度不同。
(2)催化剂能同等程度地改变正反应速率和逆反应速率,催化剂不能使化学平衡发生移动,但是能改变反应达到化学平衡所需的时间。
[题点多维训练]
1.(2025·河南开封阶段月考)乙烯是一种重要的基本化工原料,主要用于制造塑料、合成橡胶、合成纤维等。利用CO2氧化乙烷制备乙烯的反应为C2H6(g)+CO2(g)⇌C2H4(g)+CO(g)+H2O(g) ΔH>0,该反应达到平衡后,下列措施不能提高C2H4的平衡产率的是 ( )
A.升高温度 B.移除部分C2H4
C.压缩容器体积 D.增大CO2的浓度
解析:选C 反应正向吸热,升高温度,平衡正向移动,能提高C2H4的平衡产率,故A正确;移除部分C2H4,平衡正向移动,能提高C2H4的平衡产率,故B正确;反应正向气体分子数增大,压缩体积,平衡逆向移动,C2H4的平衡产率减小,故C错误;增大二氧化碳的浓度,平衡正向移动,能提高C2H4的平衡产率,故D正确。
2.如图所示,将充满NO2和N2O4混合气体的三个烧瓶关闭弹簧夹后,分别置于盛有下列物质的烧杯(烧杯内有水)中,下列叙述正确的是 ( )
A.(3)中烧瓶气体中c(NO2)最大
B.NH4Cl溶于水时放出热量
C.2NO2⇌N2O4是放热反应
D.(2)中烧瓶内气体的压强比(1)大
解析:选C 烧瓶中气体颜色深浅与c(NO2)有关,由题图可知,(1)中烧瓶内c(NO2)最大,A错误;NH4Cl溶于水时,吸收热量,B错误;烧杯(1)的水中加入CaO,CaO与水反应生成Ca(OH)2并放出热量,(1)中温度高于(2)中温度,而温度升高,气体颜色加深,则反应2NO2⇌N2O4是放热反应,C正确;(1)中温度高于(2)中温度,且温度升高时,平衡2NO2⇌N2O4向逆反应方向移动,气体总物质的量增加,故(1)中烧瓶内气体的压强比(2)大,D错误。
3.(2025·苏州中学月考)工业制硫酸中的一步重要反应是SO2的催化氧化:2SO2+O2⇌2SO3 ΔH<0,下列有关说法正确的是 ( )
A.升高温度只提高逆反应速率
B.降低温度可提高正反应速率
C.升高温度,平衡向正反应方向移动
D.降低温度,平衡向正反应方向移动
解析:选D 升温正、逆反应速率均增大,A项错误;降温正、逆反应速率均减小,B项错误;此反应的正反应为放热反应,升温平衡逆向移动,C项错误;降温平衡正向移动,D项正确。
4.煤化工中常需研究不同温度下的平衡常数、投料比及热值等问题。
已知CO(g)+H2O(g)⇌H2(g)+CO2(g)的平衡常数随温度的变化如表所示:
温度/℃
400
500
830
1 000
平衡常数K
10
9
1
0.6
请回答下列问题:
(1)上述反应的正反应是 (填“放热”或“吸热”)反应。
(2)某温度下,各物质的平衡浓度符合下式:5c(CO2)·c(H2)=3c(CO)·c(H2O),试判断此时的温度为 。
(3)830 ℃时,在恒容反应器中发生上述反应,按下表中的物质的量投入反应混合物,其中反应向正反应方向进行的有 (填字母)。
A
B
C
D
n(CO2)/mol
3
1
0
1
n(H2)/mol
2
1
0
1
n(CO)/mol
1
2
3
0.5
n(H2O)/mol
5
2
3
2
(4)在830 ℃时,在2 L的密闭容器中加入4 mol CO(g)和6 mol H2O(g)达到平衡时,CO的转化率是 。
解析:(1)由表格可知,升温,化学平衡常数减小,故正反应为放热反应。(2)根据平衡常数的表达式知K=0.6,平衡常数只与温度有关,温度一定,平衡常数为定值,所以此时对应的温度为1 000 ℃。(3)830 ℃时,化学平衡常数为1,若n(CO2)·n(H2)<n(CO)·n(H2O),则反应向正反应方向进行,符合此要求的是B、C。(4)830 ℃时,化学平衡常数为1,设CO的转化浓度为x mol·L-1,
CO(g)+H2O(g)⇌H2(g)+CO2(g)
起始/(mol·L-1) 2 3 0 0
转化/(mol·L-1) x x x x
平衡/(mol·L-1)2-x 3-x x x
平衡常数K===1,解得x=1.2,则CO的转化率=×100%=60%。
答案:(1)放热 (2)1 000 ℃ (3)BC (4)60%
新知探究(二)——化学平衡移动原理及应用
1.探究外界条件变化对化学平衡的影响
向一密闭容器中通入1 mol N2、3 mol H2发生反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0,一段时间后达到平衡。
(1)若增大N2的浓度,平衡移动的方向是正向移动;达到新平衡时氮气的浓度与刚改变时相比较,其变化是减小;但新平衡时的浓度大于原平衡时的浓度。
(2)若升高温度,平衡移动的方向是逆向移动;达到新平衡时的温度与刚改变时相比较,其变化是降低;但新平衡时的温度高于原平衡时的温度。
(3)若增大压强,平衡移动的方向是正向移动;达到新平衡时的压强与刚改变时相比较,其变化是减小;但新平衡时的压强大于原平衡时的压强。
2.化学平衡移动原理(勒夏特列原理)
(1)定义
改变影响化学平衡的一个因素,平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。
(2)对平衡移动原理的理解
3.化学平衡移动原理的应用
在合成氨工业中(反应原理N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0),人们充分利用化学平衡移动原理来选择和优化反应条件,改进工艺和装置,提高氨的产率,具体措施如下。
措施
原因
加入过量的N2
促进平衡正向移动,提高H2的转化率
采用适当的催化剂
加快反应速率
采用高压
有利于平衡向正反应方向移动
采用较高温度
加快反应速率同时提高催化剂的活性
不断将氨液化,并移去液氨
促进平衡正向移动,提高原料利用率
[微点拨] 合成氨反应的投料比选择1∶2.8是适当地提高了氮气的投入量,既加快了化学反应速率,又提高了氢气的转化率,从而提高经济效益。
[题点多维训练]
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)对于可逆反应,升高温度,若v正增大,则v逆减小,平衡正向移动 (×)
(2)其他条件不变,若增大某反应物的浓度,则平衡向减少该物质浓度的方向移动,最终该物质的浓度减小 (×)
(3)平衡向右移动,反应物的转化率一定增大 (×)
(4)光照时,氯水颜色变浅,可用勒夏特列原理解释 (√)
2.下列不能用勒夏特列原理解释的事实是 ( )
A.红棕色的NO2加压后颜色先变深后变浅
B.氢气、碘蒸气、碘化氢气体组成的平衡体系加压后颜色变深
C.黄绿色的氯水光照后颜色变浅
D.合成氨工业使用高压以提高氨的产量
解析:选B A项,涉及二氧化氮与四氧化二氮的平衡转化,故可以用勒夏特列原理解释;B项,加压后平衡不移动,但体积缩小,浓度增大使颜色变深,不能用勒夏特列原理解释;C项,光照后,次氯酸见光分解,使氯气与水反应的平衡向右移动,故可以用勒夏特列原理解释;D项,合成氨工业加压使化学平衡向右移动,可以用勒夏特列原理解释。
3.(2023·北京卷)下列事实能用平衡移动原理解释的是 ( )
A.H2O2溶液中加入少量MnO2固体,促进H2O2分解
B.密闭烧瓶内的NO2和N2O4的混合气体,受热后颜色加深
C.铁钢放入浓HNO3中,待不再变化后,加热能产生大量红棕色气体
D.锌片与稀H2SO4反应过程中,加入少量CuSO4固体,促进H2的产生
解析:选B MnO2会催化 H2O2分解,与平衡移动无关,A项错误; NO2转化为N2O4的反应是放热反应,升温平衡逆向移动, NO2浓度增大,混合气体颜色加深,B项正确;铁在浓硝酸中钝化,加热会使表面的氧化膜溶解,铁与浓硝酸反应生成大量红棕色气体,与平衡移动无关,C项错误;加入硫酸铜以后,锌置换出铜,构成原电池,从而使反应速率加快,与平衡移动无关,D项错误。
4.在密闭容器中进行如下反应:CO2(g)+C(s)2CO(g) ΔH>0,达到平衡后,若改变下列条件,则指定物质的浓度及平衡如何变化?
(1)增加C(s),则平衡 (填“逆向移动”“正向移动”或“不移动”,下同),c(CO2) (填“增大”“减小”或“不变”,下同)。
(2)保持温度不变,增大反应容器的容积,则平衡 ,c(CO2) 。
(3)保持反应容器的容积和温度不变,通入He,则平衡 ,c(CO2) 。
(4)保持反应容器的容积不变,升高温度,则平衡 ,c(CO) 。
解析:(1)C为固体,增加固体的量,平衡不移动,c(CO2)不变。(2)增大反应容器的容积,即减小压强,平衡向气体体积增大的正反应方向移动,c(CO2)减小。(3)通入He,但容积和温度不变,平衡不会发生移动,c(CO2)不变。(4)容积不变,升高温度,平衡向吸热的正反应方向移动,c(CO)增大。
答案:(1)不移动 不变 (2)正向移动 减小 (3)不移动 不变 (4)正向移动 增大
5.(2025·海安高级中学练习)在工业合成硫酸中,其中一步反应为2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g) ΔH=-196.6 kJ·mol-1。
(1)根据反应特点,利用原理分析,增大反应速率的措施有 ,增大原料转化率的措施有 。
(2)利用下表实验数据回答问题:
温度
平衡时SO2的转化率/%
1×105 Pa
5×105 Pa
1×106 Pa
5×106 Pa
1×107 Pa
450 ℃
97.5
98.9
99.2
99.6
99.7
550 ℃
85.6
92.9
94.9
97.7
98.3
①应选择的温度是 ,理由是 。
②应采用的压强是 ,理由是 。
答案:(1)增大SO2和O2的浓度、增大压强、升高温度、选用合适的催化剂 增大压强、降低温度(合理即可) (2)①450 ℃ 该反应是放热反应,升高温度,转化率降低,且在450 ℃时反应物的转化率较高 ②1×105 Pa 该压强下SO2的转化率已经很高,若采用更大的压强,SO2的转化率提高很少,但需要的动力更大,对设备的要求更高
[课时跟踪检测]
一、选择题
1.下列事实不能用勒夏特列原理解释的是 ( )
A.夏天,打开啤酒瓶时会从瓶口逸出气体
B.浓氨水中加入氢氧化钠固体时产生较多的刺激性气味的气体
C.压缩氢气与碘蒸气反应的平衡混合气体,颜色变深
D.将盛有NO2和N2O4混合气体的密闭容器置于冷水中,混合气体的颜色变浅
解析:选C A项中考查压强对气体溶解平衡的影响;B项中考查浓度对NH3+H2O⇌NH3·H2O⇌N+OH-平衡移动的影响;D项中考查温度对2NO2⇌N2O4的影响;C项中颜色加深的根本原因是体积减小,c(I2)浓度增大,由于反应是前后气体体积不变的反应,不涉及平衡移动,则不能用勒夏特列原理解释。
2.在某温度下,反应ClF(g)+F2(g)⇌ClF3(g) ΔH=268 kJ·mol-1,在密闭容器中达到平衡,下列说法中正确的是 ( )
A.升高温度,平衡常数不变,平衡向正反应方向移动
B.升高温度,平衡常数减小
C.升高温度,平衡向正反应方向移动,F2的转化率增大
D.降低温度,ClF3的产率增大
解析:选C 因为ΔH>0,升高温度,平衡常数增大,平衡向正反应方向移动,降低温度平衡向逆反应方向移动。
3.将H2(g)和Br2(g)充入恒容密闭容器,恒温下发生反应:H2(g)+Br2(g)⇌2HBr(g) ΔH<0,平衡时Br2(g)的转化率为a;若初始条件相同,绝热下进行上述反应,平衡时Br2(g)的转化率为b。a与b的关系是 ( )
A.a>b B.a=b
C.a<b D.无法确定
解析:选A 该反应为放热反应,绝热下进行反应,温度升高,平衡左移,所以绝热条件下平衡时Br2(g)的转化率低于恒温下平衡时的转化率,即a>b。
4.在一密闭容器中,发生可逆反应:3A(g)⇌3B+C(正反应为吸热反应),平衡时,升高温度,气体的平均相对分子质量有变小的趋势,则下列判断正确的是 ( )
A.B和C可能都是固体
B.B和C一定都是气体
C.若C为固体,则B一定是气体
D.B和C不可能都是气体
解析:选C 正反应吸热,则升温平衡右移。若B、C都为固体,则气体的相对分子质量不变,故A错误;若C为固体,B为气体,平衡右移,气体的总质量减小,总物质的量不变,气体的平均相对分子质量减小,故B错误,C正确;若B、C都是气体,平衡右移,气体的总质量不变,总物质的量增加,则平均相对分子质量减小,故D错误。
5.将等物质的量的X、Y气体充入某密闭容器中,一定条件下,发生如下反应并达到平衡:X(g)+3Y(g)⇌2Z(g) ΔH<0。改变某个条件并维持新条件直至达到新的平衡,下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是 ( )
选项
改变的条件
新平衡与原平衡比较
A
升高温度
X的转化率变小
B
增大压强(压缩容积)
X的浓度变小
C
充入一定量Y
Y的转化率增大
D
使用适当催化剂
X的体积分数变小
解析:选A 升高温度,平衡向吸热的反应方向移动,即逆向移动,X的转化率变小,A项正确;增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动,即正向移动,X的物质的量减小,但由于容器容积减小,各组分的浓度均比原平衡时的大,B项错误;增大一种反应物的浓度,能够提高另一种反应物的转化率,而其本身的转化率降低,C项错误;催化剂只能改变反应速率,不能影响平衡状态,故各物质的体积分数不变,D项错误。
6.有平衡体系:CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g) ΔH<0,为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采用的正确措施是 ( )
A.高温、高压
B.适宜温度、高压、催化剂
C.低温、低压
D.高温、高压、催化剂
解析:选B 此反应ΔH<0,升高温度平衡逆向移动,甲醇的产率减小,A错误;适宜的温度和催化剂,有利于增大反应速率,此反应为气体体积减小的反应,故增大压强可使平衡正向移动,B正确;减小压强,平衡逆向移动,甲醇的产率减小,C错误;升高温度,可使平衡逆向移动,甲醇的产率减小,D错误。
7.(2024·江西卷)温度T下,向1 L真空刚性容器中加入1 mol (CH3)2CHOH,反应达到平衡时,c(Y)=0.4 mol·L-1。下列说法正确的是 ( )
(CH3)2CHOH(g)(CH3)2CO(g)+H2(g)
X Y Z
A.再充入1 mol X和1 mol Y,此时v正<v逆
B.再充入1 mol X,平衡时,c(Y)=0.8 mol·L-1
C.再充入1 mol N2,平衡向右移动
D.若温度升高,X的转化率增加,则上述反应ΔH<0
解析:选A 由题可知,达到平衡时c(X)=0.6 mol·L-1,c(Y)=c(Z)=0.4 mol·L-1,反应的平衡常数K=≈0.27,再充入1 mol X和1 mol Y,此时Q==0.35>K,反应逆向进行,v正<v逆,A项正确;再充入1 mol X,相当于将两个该容器叠加后体积压缩一半,若平衡不移动,则c(Y)=0.8 mol·L-1,而加压时平衡逆向移动,则c(Y)<0.8 mol·L-1,B项错误;再充入1 mol N2,平衡体系中各物质浓度不变,平衡不移动,C项错误;若温度升高,X的转化率增加,说明平衡正向移动,根据升温时平衡向吸热反应方向移动,知正反应为吸热反应,ΔH>0,D项错误。
8.如图所示为工业合成氨的流程图,下列说法错误的是 ( )
A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率,又可以加快反应速率
C.步骤③既可以加快反应速率,又有利于提高原料的平衡转化率
D.步骤④、⑤可以提高原料的转化率,又可以节约原料,降低成本
解析:选C 合成氨工艺需要催化剂,“净化”可以防止催化剂中毒,故A项正确;合成氨反应后分子系数减小,根据勒夏特列原理,加压可以使平衡正向移动,提高原料的转化率,同时又可以加快反应速率,故B项正确;催化剂可以加快反应速率,但不影响平衡移动,不能提高原料的平衡转化率,故C项错误;将氨气液化分离,可以使反应正向进行,提高原料的转化率,同时将N2和H2再循环,可以循环利用,降低了成本,故D项正确。
9.在一容积可变的密闭容器中,加入一定量的X、Y,发生反应:mX(g)⇌nY(g) ΔH=Q kJ·mol-1。反应达到平衡时,Y的物质的量浓度与温度、容器容积的关系如下表所示:
1
2
4
100
1.00
0.75
0.53
200
1.20
0.90
0.63
300
1.30
1.00
0.70
下列说法正确的是 ( )
A.m>n
B.Q<0
C.温度不变,压强增大,Y的质量分数减小
D.体积不变,温度升高,平衡向逆反应方向移动
解析:选C 由表知,容积不变升高温度,c(Y)增大,平衡右移,因升高温度,平衡向吸热方向移动,说明正反应为吸热反应,Q>0,B、D错误;温度不变,容器容积增大,如由1 L变为2 L,若平衡不移动,此时c(Y)应减小为原来的一半,现c(Y)比原来的一半大,说明减压,平衡向右移动,即向气体体积增大的方向移动,所以m<n,A错误;因为m<n,增大压强,平衡向左移动,所以Y的质量分数减小,故C正确。
10.(2025·邢台期末)2NO2(红棕色)⇌N2O4(无色) ΔH<0。将一定量的NO2充入注射器中并密封,改变活塞位置,气体透光率随时间的变化如图所示(颜色越深,透光率越小)。下列说法正确的是 ( )
A.a、b、c点:处于平衡状态
B.b点操作:将注射器的活塞向外拉
C.若在c点将温度降低,其透光率将增大
D.d点:v正>v逆
解析:选C a、b点透光率没有变化,说明处于平衡状态,而c点前后透光率在变化,说明没有处于平衡状态,故A错误;根据图中信息,b点后透光率突然降低,说明二氧化氮浓度突然增大,因此b点操作:将注射器的活塞向里推,故B错误;若在c点将温度降低,平衡正向移动,二氧化氮浓度减小,其透光率将增大,故C正确;d点透光率在减小,二氧化氮浓度增大,平衡逆向移动,因此v正<v逆,故D错误。
二、非选择题
11.(10分)现有反应:mA(g)+nB(g)⇌pC(g),达到平衡后,当升高温度时,B的转化率变大;当减小压强时,混合体系中C的质量分数减小,则:
(1)该反应的逆反应为 (填“吸热”或“放热”)反应,且m+n (填“>”“=”或“<”)p。
(2)减压使容器体积增大时,A的质量分数 (填“增大”“减小”或“不变”,下同)。
(3)若容积不变加入B,则A的转化率 ,B的转化率 。
(4)若升高温度,则平衡时B、C的浓度之比将 。
(5)若加入催化剂,平衡时气体混合物的总物质的量 。
解析:反应mA(g)+nB(g)⇌pC(g)达到平衡后,升高温度时,B的转化率变大,说明平衡向正反应方向移动,正反应为吸热反应;减小压强时,混合体系中C的质量分数减小,说明平衡向逆反应方向移动,即m+n>p,A的质量分数增大;若容积不变加入B,平衡向正反应方向移动,A的转化率增大;升高温度,平衡向正反应方向移动,c(C)增大,c(B)减小,即减小;加入催化剂,平衡不移动,混合气体的总物质的量不变。
答案:(1)放热 > (2)增大 (3)增大 减小
(4)减小 (5)不变
12.(15分)(2024·江苏卷)氢能是理想清洁能源,氢能产业链由制氢、储氢和用氢组成。
(1)利用铁及其氧化物循环制氢,原理如图所示。反应器Ⅰ中化合价发生改变的元素有 ;含CO和H2各1 mol的混合气体通过该方法制氢,理论上可获得 mol H2。
(2)一定条件下,将氮气和氢气按n(N2)∶n(H2)=1∶3混合匀速通入合成塔,发生反应N2+3H22NH3。海绵状的α⁃Fe作催化剂,多孔Al2O3作为α⁃Fe的“骨架”和气体吸附剂。
①H2中含有CO会使催化剂中毒。
CH3COO[Cu(NH3)2]和氨水的混合溶液能吸收CO生成CH3COO[Cu(NH3)3CO]溶液,该反应的化学方程式为
。
②Al2O3含量与α⁃Fe表面积、出口处氨含量关系如图所示。Al2O3含量大于2%,出口处氨含量下降的原因是 。
(3)反应H2+HCHCOO-+H2O可用于储氢。
①密闭容器中,其他条件不变,向含有催化剂的0.1 mol·L-1 NaHCO3溶液中通入H2,HCOO-产率随温度变化如图所示。温度高于70 ℃,HCOO-产率下降的可能原因是 。
②使用含氨基物质(化学式为CN—NH2,CN是一种碳衍生材料)联合Pd⁃Au催化剂储氢,可能机理如图所示。氨基能将HC控制在催化剂表面,其原理是 ;
用重氢气(D2)代替H2,通过检测是否存在 (填化学式)确认反应过程中的加氢方式。
解析:(1)反应器Ⅰ中参与反应的物质有CO、H2、Fe2O3,产物有CO2、H2O、Fe,发生反应3CO+Fe2O3==2Fe+3CO2、3H2+Fe2O3==2Fe+3H2O,化合价发生改变的元素有C、H、Fe。CO、H2各1 mol参与反应,各生成 mol Fe,共 mol Fe。 mol Fe在反应器Ⅱ中发生反应3Fe+4H2O(g)==Fe3O4+4H2,共生成 mol H2。(2)①根据题给反应物及生成物书写即可。②多孔Al2O3可作为气体吸附剂,含量过多会吸附生成的NH3,且当Al2O3含量大于2%时,催化剂α⁃Fe的表面积减小,与反应物的接触面积减小,反应速率减小,也会导致产生的NH3减少。(3)①NaHCO3受热易分解,导致HCOO-产率下降。②氨基中的H原子连在电负性较大的N原子上,HC中的H原子连在电负性较大的O原子上,二者之间可以形成氢键N—H…O、N…H—O。总反应为H2+HC==H2O+HCOO-,使用D2代替H2,若生成HDO,则可确认反应过程中的加氢方式。
答案:(1)C、H、Fe
(2)①CH3COO[Cu(NH3)2]+NH3·H2O+CO==CH3COO[Cu(NH3)3CO]+H2O
②多孔Al2O3可作为气体吸附剂,含量过多会吸附生成的NH3;Al2O3含量大于2%,α⁃Fe表面积减小,反应速率减小,产生NH3减少
(3)①NaHCO3受热易分解,导致HCOO-产率下降
②—NH2可以与HC形成氢键 HDO
1 / 163
学科网(北京)股份有限公司
$$