内容正文:
第二章 化学反应的方向、限度与速率
第二节 化学反应的限度
第2课时 反应条件对化学平衡的影响
第二章 化学反应的方向、限度与速率
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目录
contents
Part 01 夯基固本 新知探究
Part 02 检测效果 素养提升
Part 03 课时作业
第二章 化学反应的方向、限度与速率
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夯基固体 新知探究
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变浅
(吸热)
加深
(放热)
吸热
放热
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加深
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正向
加深
加深
正向
逆向
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=
<
逆向
正向
<
>
正向
逆向
>
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不移动
气体体积减小
气体体积增大
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不移动
不移动
减弱
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检测效果 素养提升
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课时作业(十)
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学习目标
核心素养
1.通过实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。2.能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化。
1.变化观念与平衡思想:能从速率的角度认识速率的变化会引起平衡的移动。2.证据推理与模型认知:能运用勒·夏特列原理解释化学问题,并清楚勒·夏特列原理的适用范围。3.科学探究与创新意识:能从实验的角度设计外界因素对化学平衡影响的实验方案。
知识点一 温度、浓度对化学平衡的影响
[探究实验]
[实验1] 探究温度对化学平衡的影响
实验原理
2NO2(g)⥫⥬N2O4(g)
(红棕色) (无色)
ΔH=-56.9 kJ·mol-1
实验操作
实验现象
热水中混合气体颜色 ;冰水中混合气体颜色 ;升高温度,红棕色加深,说明NO2浓度增大,化学平衡向逆反应 方向移动;降低温度,红棕色变浅,说明NO2浓度减小,化学平衡向正反应 方向移动
实验结论
在其他条件不变的情况下,升高温度,平衡向 的方向移动;降低温度,平衡向 的方向移动
[实验2] 探究浓度对化学平衡的影响
实验操作
将0.01 mol·L-1FeCl3溶液与0.01 mol·L-1KSCN溶液等体积混合,平衡后观察溶液的颜色,将上述溶液分别置于两支试管中,向一支试管中加入少量1 mol·L-1KSCN溶液,向另一支试管中加入少量1 mol·L-1FeCl3溶液
实验现象
两支试管分别加入KSCN溶液、FeCl3溶液后,颜色都
[实验2] 探究浓度对化学平衡的影响
实验现象
两支试管分别加入KSCN溶液、FeCl3溶液后,颜色都
实验解释
FeCl3与KSCN溶液混合后溶液呈红色,是因为其中存在平衡:
Fe3++nSCN-⥫⥬[Fe SCN)n]3-n(n=1~6)。(分别增大c(Fe3+) 、c(SCN-),颜色都 ,说明平衡都 移动
实验结论
在其他条件不变的情况下,增大反应物浓度或减小生成物浓度,平衡 移动;增大生成物浓度或减小反应物浓度,平衡 移动
[思考探究]
1.研究表明,温度对化学平衡的影响是通过改变化学平衡常数实现的。温度对平衡常数K有什么影响?
提示:升高温度,若K变大,正反应吸热,若K变小,正反应放热;降低温度,若K变大,正反应放热,若K变小,正反应吸热。
2.温度与K、热效应、平衡移动有何关系?
3.密闭容器中进行合成氨的反应,当一定温度下,反应达平衡后,增大N2的浓度,平衡怎样移动?N2、H2的转化率如何变化?
提示:温度变化导致K变化,平衡发生移动,移动方向是吸热方向或放热方向。
提示:平衡向正反应方向移动;H2的转化率增大,N2的转化率降低。
4.对于可逆反应:C(s)+H2O(g)⥫⥬CO(g)+H2(g),增加固体C的用量,化学平衡是否发生移动?
5.浓度改变,K是否发生变化?浓度变化怎样使化学平衡发生移动?
提示:增加固体或纯液体的量,由于其浓度不变,所以化学平衡不发生移动。
提示:浓度改变,K值不变,浓度的变化导致Q变化,引起Q≠K,使平衡发生移动。
1.温度的影响
(1)影响结论
反应
类型
温度
变化
K的变化
Q与K
的关系
平衡移
动方向
放热
反应
升温
减小
Q>K
逆向移动
降温
增大
Q<K
正向移动
吸热
反应
升温
增大
Q<K
正向移动
降温
减小
Q>K
逆向移动
(2)结论分析
在其他条件不变的情况下,升高温度,放热反应的平衡常数K减小,平衡向吸热方向移动;降低温度,放热反应的平衡常数K增大,平衡向放热方向移动。温度对化学平衡的影响是通过改变平衡常数实现的。
eq \a\vs4\al([名师点拨]) (1)任何化学反应都伴随着能量变化(放热或吸热),因此温度影响所有的可逆反应的平衡状态。
(2)若某化学反应的正反应为放热反应(即ΔH<0),则其逆反应必定为吸热反应(即ΔH>0);正逆反应放出或吸收的热量值相等。
2.浓度的影响
(1)影响结论
①一般结论
浓度变化
Q的变化
Q与K
的关系
平衡移
动方向
反应物浓度增大
减小
Q<K
正向
移动
反应产物浓度减小
反应物浓度减小
增大
Q>K
逆向
移动
反应产物浓度增大
②对于平衡体系中的固体或纯液体,其浓度可视为常数,增大或减小固体或纯液体的物质的量并不影响平衡,化学平衡不移动。
(2)结论分析
温度一定时,反应aA+bB⥫⥬cC+dD的平衡常数是一个定值。在同一温度下,对一个已达平衡状态的化学反应,增大反应物浓度或减少反应产物浓度,浓度商减小,Q<K,平衡正向移动。反之,减小反应物浓度或增大反应产物浓度时,浓度商增大,Q>K,平衡逆向移动。
eq \a\vs4\al([名师点拨]) (1)浓度的改变导致浓度商的改变,但K不变,使Q≠K,从而导致平衡移动。但浓度的改变并不都使化学平衡发生移动。
(2)固体物质和纯液体物质其量改变时,不影响平衡。
(3)增大一种反应物的浓度,达到新的平衡时,该反应物的转化率降低,而其他反应物的转化率增大。在工业生产中,适当增加廉价反应物的浓度,使化学平衡向正反应方向移动,提高高价原料的转化率,以降低生产成本。
[典例1] 在一密闭烧瓶中,在25 ℃时存在着平衡:2NO2⥫⥬N2O4(正反应放热)。把烧瓶置于100 ℃的水中,则下列几项性质中不会改变的是( )
①颜色 ②平均相对分子质量 ③质量
④压强 ⑤密度
A.①和③ B.②和④
C.④和⑤ D.③和⑤
[解析] 升高温度,化学平衡向着吸热方向移动,对于化学平衡2NO2⥫⥬N2O4,平衡向逆反应方向移动。①二氧化氮的浓度增大,颜色加深;②混合气体总的物质的量增大,其质量不变,根据M=m/n可知,混合气体的平均相对分子质量减小;③反应混合物都是气体,根据质量守恒定律,混合气体总的质量不变;④升高温度,化学平衡向左移动,混合气体总的物质的量增大,容器内压强增大;⑤反应混合物都是气体,混合气体总的质量不变,容器的容积不变,混合气体的密度不变。
[答案] D
1.关节炎首次发作一般在寒冷季节,原因是关节滑液中形成了尿酸钠晶体(NaUr),易诱发关节疼痛,其化学机理是:①HUr(aq)+H2O(l) ⥫⥬Ur-(aq)+H3O+(aq)
②Ur-(aq)+Na+(aq) ⥫⥬NaUr(s) ΔH。下列叙述错误的是( )
A.降低温度,反应②平衡正向移动
B.反应②正方向是吸热反应
C.降低关节滑液中HUr及Na+含量是治疗方法之一
D.关节保暖可以缓解疼痛,原理是平衡②逆向移动
解析:选B 由题意知,寒冷季节即降温使②平衡正向移动形成NaUr(s),所以②正向为放热反应,要减少NaUr(s),应使②平衡逆向移动。
知识点二 压强对化学平衡的影响
1.压强对化学平衡移动的解释
化学方程式中气态物质系数变化
压强变化
Q值变化
Q与K的关系
平衡移动方向
增大
增大
增大
Q K
移动
减小
减小
Q K
移动
减小
增大
增大
Q K
移动
减小
减小
Q K
移动
不变
增大
不变
Q K
不移动
减小
2.压强对化学平衡移动影响的规律
(1)若反应前后气体的系数不变(Δvg=0)
改变压强,化学平衡 。
(2)若反应前后气体的系数改变(Δvg≠0)
①增大压强,平衡向 的方向移动;
②减小压强,平衡向 的方向移动。
(3)压强改变只影响有气体参加或生成的可逆反应,对于只涉及固体或液体的反应,压强的影响不予考虑。
[思考探究]
1.已知:N2O4(g) ⥫⥬2NO2(g)(红棕色) Δvg>0,在一定温度条件下,三支针筒中均抽入10 mL NO2气体,将针筒前端封闭。
(1)在恒温条件下,将第二支针筒活塞迅速推至5 mL处(体积减小为原来的 eq \f(1,2),压强增大一倍),与第一支针筒比较。
①可观察到,气体颜色先变________后变________,最终比原来________。
②用Q与K的关系解释,产生该现象的原因_______________________
(2)在恒温条件下,将第三支针筒活塞迅速拉至20 mL处(体积扩大一倍,压强减小为原来的 eq \f(1,2)),与第一支针筒比较。
①可观察到,气体颜色先________,后________,最终比原来________。
②用Q与K的关系解释,产生该现象的原因
______________________
答案:(1)①深 浅 深 ②温度不变,K值不变,气体体积减小到原来的 eq \f(1,2),则c(NO2)=2c平(NO2),c(N2O4)=2c平(N2O4),Q= eq \f(c2(NO2),c(N2O4))=2,平) eq \f(4c(NO2),2c平(N2O4))
=2K,平衡逆向移动,重新达到平衡时,c平(N2O4)、c平(NO2)都比原平衡大,因而最终气体颜色比原来深。
(2)①变浅 变深 浅 ②温度不变,K值不变,气体体积增大到原来的2倍,则c(NO2)= eq \f(1,2)c平(NO2),c(N2O4)= eq \f(1,2)c平(N2O4),Q= eq \f(c2(NO2),c(N2O4))=2,平) eq \f(\f(1,4)c(NO2),\f(1,2)c平(N2O4))
= eq \f(1,2)K,平衡正向移动,重新达到平衡时,c平(N2O4)、c平(NO2)均比原来小,因而颜色比原来浅。
2.在密闭容器中,反应:xA(g)+yB(g) ⥫⥬zC(g),在一定条件下达到平衡状态,保持温度不变,改变下列条件,分析解答下列问题:
(1)若x+y>z,缩小体积,增大压强,则平衡向________方向移动。
(2)若保持体积不变,通入He气,则平衡________移动。
(3)若保持压强不变,通入He气,平衡向正反应方向移动,则x、y、z的关系为________。
(4)若x+y=z,恒容条件下充入He气,则平衡________移动。
提示:(1)正反应 (2)不 (3)x+y<z (4)不
“惰性气体”(泛指与反应无关的气体)
对化学平衡的影响
(1)恒温、恒容条件
原平衡体系 eq \o(――――――――→,\s\up15(充入“惰性气体”))体系总压强增大―→体系中各组分的浓度不变―→平衡不移动。
(2)恒温、恒压条件
原平衡体系 eq \o(―――――――――→,\s\up15(充入“惰性气体”))容器容积增大―→体系中各组分的浓度同比例减小
[典例2] 一定温度下,反应C(s)+H2O(g) ⥫⥬CO(g)+H2(g)在密闭容器中进行,一段时间后达到平衡,下列措施不能使平衡发生移动的是( )
①增加C的物质的量
②保持容器容积不变,充入He使体系压强增大
③将容器的容积缩小一半
④保持压强不变,充入He使容器容积变大
A.①② B.②③
C.①④ D.③④
[解析] ①C是固体,其浓度为常数,改变它的量,平衡不移动;②该反应为反应前后气体体积不相等的反应,保持容器容积不变,充入He,由于c(H2O)、c(CO)、c(H2)都不变,所以平衡不移动;③缩小容器容积,压强增大,平衡左移;④保持压强不变,充入He,容器容积扩大,平衡右移。
[答案] A
2.在密闭容器中,一定量混合气体发生反应:xA(g)+yB(g)⥫⥬zC(g),达到平衡时,测得A的浓度为0.5 mol·L-1,在温度不变的条件下,将容器的容积扩大到原来的两倍,再达到平衡时,测得A的浓度减小为0.3 mol·L-1,下列有关说法正确的是( )
A.x+y<z
B.平衡向正反应方向移动
C.B的浓度增大
D.C的体积分数减小
解析:选D 恒温条件下扩大容器容积,则体系的压强减小,平衡向气体总体积增大的方向移动。原平衡时A的浓度为0.5 mol·L-1,当容器容积扩大为原来的两倍,假设平衡不移动,则A的浓度将变为0.25 mol·L-1,而实际达到新平衡时A的浓度为0.3 mol·L-1,说明平衡向生成A的方向移动,即平衡向逆反应方向移动,所以生成A的方向为气体总体积增大的方向,即x+y>z,A错误;平衡向逆反应方向移动,B错误;虽然平衡向逆反应方向移动,但根据勒·夏特列原理可知,达到新平衡时,B的浓度依然比原平衡时小,C错误;平衡向逆反应方向移动,消耗C,则C的体积分数减小,D正确。
知识点三 催化剂与化学平衡 勒·夏特列原理
1.催化剂与化学平衡
(1)加入催化剂只能改变化学反应速率,化学平衡 。
(2)催化剂既不影响K值大小,也不能使Q变化,始终保持Q=K,故平衡 。
2.勒·夏特列原理(又称为平衡移动原理)
(1)内容:如果改变平衡体系的一个条件(如温度、浓度、压强等),平衡将向 这个改变的方向移动。
(2)平衡移动的结果是“减弱”外界条件的影响,而不是“消除”外界条件的影响,更不是“扭转”外界条件的影响。
(3)适用条件:只适用于判断“改变影响平衡的一个条件”时平衡移动的方向。
[思考探究]
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)在其他条件不变时,增大N2的浓度,平衡移动的方向是______;达到新平衡时,氮气的浓度与改变时相比较,其变化是______。
(2)在其他条件不变时,升高反应体系的温度,平衡移动的方向是________;若体系与环境没有热交换,达新平衡时体系的温度与改变时相比较,其变化是________。
(3)在其他条件不变时,增大压强,平衡移动的方向是________;达新平衡时的压强与改变时相比较,其变化是________。
(4)在其他条件不变时,向容器中通入少量HCl气体,平衡移动的方向是__________;达新平衡时c(NH3)与比原平衡时相比,变________。
答案:(1)向右移动 减小 (2)向左移动 降低 (3)向右移动 减小 (4)向右移动
小
1.对原理的理解
eq \a\vs4\al([名师点拨])不涉及平衡移动的问题都不能用勒夏特列原理解释,常见的有:
(1)使用催化剂不能使化学平衡发生移动;
(2)反应前后气体体积不变的可逆反应,改变压强不能使化学平衡发生移动;
(3)发生的化学反应本身不是可逆反应;
(4)外界条件的改变对平衡移动的影响与生产要求不完全一致的反应。
2.原理的应用技巧
(1)浓度:若增大某物质的浓度,其他条件不变,则平衡向减小该物质浓度的方向移动。
(2)压强:若增大平衡体系的压强,其他条件不变,则平衡向减小压强的方向(气态物质系数减小的方向)移动。对于反应前后气态物质系数相等的反应,改变压强,平衡不移动。
(3)温度:若升高平衡体系的温度,其他条件不变,则平衡向消耗热量(吸热)的方向移动,移动的结果是新平衡的温度比原平衡的温度高。
[典例3] 下列说法不正确的是( )
A.反应混合物各组分百分含量发生改变,化学平衡一定发生了移动
B.外界条件的改变引起浓度商或化学平衡常数改变,则平衡一定发生移动
C.平衡移动,反应物的浓度一定减小
D.外界条件发生变化,化学平衡不一定移动
[解析] 外界条件的改变使正、逆反应速率不相等或Q≠K时才能使化学平衡发生移动,化学平衡移动时反应物的浓度有可能增大。
[答案] C
3.下列事实不能用勒·夏特列原理解释的是( )
A.新制的氯水在光照条件下颜色变浅
B.打开可乐瓶盖后看到有大量气泡溢出
C.已知2HI(g) ⥫⥬H2(g)+I2(g),对容积可变的密闭容器中已达平衡的HI、I2、H2混合气体进行压缩,混合气体颜色变深
D.工业上用氮气、氢气合成氨气的过程中,通过加压将氨气液化以增大转化率
解析:选C 新制的氯水中存在化学平衡:Cl2+H2O⥫⥬HCl+HClO,在光照条件下次氯酸见光分解,平衡正向移动,溶液颜色变浅,能用勒·夏特列原理解释,故A不符合题意;可乐中存在平衡CO2+H2O⥫⥬H2CO3,打开可乐瓶盖后CO2的溶解度减小,有CO2逸出,平衡逆向移动,能用勒·夏特列原理解释,故B不符合题意;已知2HI(g) ⥫⥬H2(g)+I2(g),对容积可变的密闭容器
中已达平衡的HI、I2、H2混合气体进行压缩,反应前后气体体积不变,混合气体颜色变深是因为体积缩小,浓度增大,和平衡移动无关,故C符合题意;工业上用氮气、氢气合成氨气的过程中,反应是气体体积减小的放热反应,增大压强平衡正向移动,通过加压将氨气液化以增大转化率,能用勒·夏特列原理解释,故D不符合题意。
[课堂检测]
1.在容积不变的密闭容器中,一定条件下发生反应:2A(?) ⥫⥬B(g)+2C(g),且达到平衡。当升高温度时气体的密度增大,则下列叙述中正确的是( )
A.升高温度,正反应速率增大,逆反应速率减小
B.若正反应是放热反应,则A为气态
C.物质A一定为非气态,且正反应是吸热反应
D.若向容器中充入惰性气体,则平衡向左移动
解析:选C 无论该反应是吸热反应还是放热反应,升高温度,正逆反应速率都增大,选项A错误;若正反应是放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,容器内气体的密度增大,说明气体的质量增大,则A一定为非气态才符合,选项B错误;因为容器的体积固定,如果A是气体,升高温度时,无论平衡向哪方向移动,气体的密度始终不变,则A一定是非气体,且升高温度,平衡向正反应方向移动时气体的密度才增大,所以正反应是吸热反应,选项C正确;若向容器中充入惰性气体,虽然容器的压强增大,但不改变参加反应气体的浓度,所以平衡不移动,选项D错误。
2.对可逆反应2A(s)+3B(g) ⥫⥬C(g)+2D(g) ΔH<0,在一定条件下达到平衡,下列有关叙述正确的是( )
①增加A的量,平衡向逆反应方向移动②升高温度,平衡向逆反应方向移动,v(正)减小
③压强增大一倍,平衡不移动,v(正)、v(逆)不变
④增大B的浓度,v(正)>v(逆)
⑤加入催化剂,B的转化率提高
A.①② B.④
C.③ D.④⑤
解析:选C ①A是固体,其量的变化对平衡无影响;②升温,v(正)、v(逆)均应增大;但v(逆)增大的程度大,平衡向逆反应方向移动;③压强增大,平衡不移动,但v(正)、v(逆)都增大;④增大B的浓度,正反应速率增大,平衡向正反应方向移动,v(正)>v(逆);⑤催化剂不能使化学平衡发生移动,B的转化率不变。
3.下列措施或事实不能用勒·夏特列原理解释的是( )
A.将NO2球浸泡在热水中颜色加深
B.工业合成氯化氢时使用过量氢气
C.用饱和食盐水除去氯气中的少量HCl气体
D.工业上生产硫酸的过程中,使用过量的空气以提高SO2的利用率
解析:选B 使用勒·夏特列原理时,该反应必须是可逆反应,否则勒·夏特列原理不适用,故选B。
4.反应NH4HS(s)⥫⥬NH3(g)+H2S(g)在某一温度下达到平衡状态,下列各种情况中,不会使化学平衡发生移动的是( )
①减少部分NH4HS固体
②容器容积不变,充入少量氨气
③容积、温度一定,充入氦气
④温度、压强、容积一定,充入SO2气体
A.①② B.②③
C.①③ D.②④
解析:选C ①由于改变固体的量不能使化学平衡发生移动;②充入少量氨气,即增大NH3的浓度,平衡向逆反应方向移动;③容积、温度一定,充入氦气,体系的总压强增大,但NH3和H2S的浓度并未改变,所以平衡不移动;④温度、压强、容积一定,充入SO2气体,由于发生反应SO2+2H2S===3S↓+2H2O,H2S的浓度减小,所以平衡将向生成H2S的方向移动,即向正反应方向移动。
5.已知在K2Cr2O7溶液中存在着如下平衡:
Cr2O eq \o\al(2-,7)+H2O⥫⥬2CrO eq \o\al(2-,4)+2H+
(橙色) (黄色)
加入下列物质能使溶液显橙色的是( )
A.氨水 B.稀硫酸
C.碳酸氢钠溶液 D.水
解析:选B 加入氨水,与溶液中的H+反应,c(H+)减小,平衡向正反应方向移动,c(Cr2O eq \o\al(2-,7))减小,c(CrO eq \o\al(2-,4))增大,溶液显黄色,A错误;加入稀硫酸,溶液中c(H+)增大,平衡向逆反应方向移动,c(CrO eq \o\al(2-,4))减小,c(Cr2O eq \o\al(2-,7))增大,溶液显橙色,B正确;加入碳酸氢钠会消耗H+,c(H+)减小,平衡向正反应方向移动,c(Cr2O eq \o\al(2-,7))减小,c(CrO eq \o\al(2-,4))增大,溶液显黄色,C错误;加水稀释,平衡正向移动,溶液显黄色,D错误。
6.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,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的量,平衡______,c(CO)______。
(2)减小密闭容器体积,保持温度不变,则平衡________,c(CO2)________。
(3)通入N2,保持密闭容器体积和温度不变,则平衡________,c(CO2) ________。
(4)保持密闭容器体积不变,升高温度,则平衡________,c(CO)________。
解析:(1)C为固体,增加C,其浓度并不变,平衡不发生移动;(2)减小容器体积,相当于增大压强,向气态物质系数减小的方向移动;(3)通入的N2不参加反应,并且密闭容器体积和温度不变时,各物质的浓度并不变,平衡不发生移动;(4)其他条件相同,升高温度,平衡向吸热方向移动。
答案:(1)不移动 不变 (2)逆向移动
增大 (3)不移动 不变 (4)正向移动 增大
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