化學反應速率與平衡的與化學平衡

1、第四章化學反應的速率與化學平衡【知識導航】美國明尼蘇達大學牽頭的一個國際研究小組日前在催化劑制備方面取得突破，可明顯提升化學反應速率，使汽油、塑料、藥品等產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本顯著下降。該新型催化劑采用高度 優(yōu)化的超薄沸石納米片制備，使用獨特工藝將薄片呈 90角擴展，類似于用紙牌搭成的房子， 而成本與傳統(tǒng)工藝相當甚至更低。研究人員將該新型催化劑比作高速公路，由于縫隙更加通暢，分子通過會更快捷且反應高效，而老式的催化劑則類似于小巷，容易將分子卡住從而反應緩慢。中國化工報【重難點】1.化學反應速率(1)速率的表示定義：單位時間內(nèi)反應物濃度減少的量或生成物濃度增加的量。公式：單位：mol (L min)-1

2、, mol (L s)-1注意：同一反應中，不同反應物或生成物有不同的反應速率，各物質(zhì)反應速率的比反應式中相應物質(zhì)的系數(shù)比。公式得到的是某個時間段的平均速率，影響速率大小的主要因素是物質(zhì)的本性。(2)影響速率的外界因素活化能(如圖 4-1)AB+C產(chǎn)抽圖 4-1 活化能(Ea 和 Ea示意圖圖 4-2 催化劑與活化能的關(guān)系影響速率的主要外界因素是：濃度、溫度、壓強、催化劑。因素影響原因影響方式CBCBf,uf都是加入哪種物質(zhì)，其 CBf,則uf。質(zhì)量作用定律。PPf,uf緣于Pf,VJ,CBf（體系中所有的物質(zhì)）,則uf。TTf,uf活化Tf,活化分子數(shù)f（體系中所有的物質(zhì)）,則uf。催化劑加

3、催化劑，u分子加催化劑,EaJ,活化分子數(shù)f（體系中所有的物質(zhì)），則uf數(shù)的f。這里 EaJ是通過改變反應歷程來實現(xiàn)的。在可逆反應增加中，正逆影響相等。與 T 對 EaJ的影響不同。（如圖 4-2 ）2.化學反應平衡（1）概念定義：對可逆反應而言，當正反應的速率與逆反應的速率相等時的化學反應狀態(tài)就是化 學平衡。特點：等，正反應速率和逆反應速率相等。定，平衡時整個體系各物質(zhì)的濃度為定值。動，正反應和逆反應仍然繼續(xù)發(fā)生著，是動態(tài)平衡。性質(zhì)：暫時的，相對的，外界條件一旦改變，平衡也將被破壞；平衡時反應達到最大程 度。（2 ）平衡常數(shù)表達式設(shè)可逆反應： aA+bB -gG+hH，其濃度常數(shù)和壓強常數(shù)表

4、達式如下:KGlgHhKPjgPnKAFBPKPP：P：此常數(shù)值與反應的溫度、反應式的書寫有關(guān)，與反應物濃度和壓強無關(guān)。（3）平衡的移動概念：當外界條件改變時，也發(fā)生了改變，而；正和逆的改變不等，所以，原來平衡時 正逆變成 正逆，平衡破壞了，要重新建立新的平衡，這就是平衡的移動。平衡移動方向：外界因素對化學反應速度和化學平衡的影響外界條件對反應速率的影響對化學平衡的影響濃度反應物濃度增大，u增大反應物濃度增大，平衡右移【例題分析】1.汽車尾氣里有 NO 氣體，它是汽車內(nèi)燃機燃燒的高溫引起的氮氣和氧氣的反應：N2(g) + 02(g)2N0(g) Kc=0.10(2000C)在一個 2 升的容器

5、里進行實驗，起始時，氮氣和氧氣的濃度分別為 0.81molL-1，求達到平衡時 NO 氣體的濃度。解：求平衡濃度往往可以通過平衡常數(shù)關(guān)系列方程求解得到。的平衡濃度為 x, N2和 O2的平衡濃度為 0.81-1/2X ,反應物濃度減小，u減小基元反應 Aa+bBTDd+eE質(zhì)量作用定律表達式為：* CA CB有氣體物質(zhì)參加反應時：壓強增大，U增大壓強壓強減小，U減小升高溫度，U增大降低溫度，U減小溫度溫度影響速率常數(shù) k加入正催化劑U增大催化劑催化劑影響速率常數(shù) k反應物濃度減小，平衡左移生成物濃度增大，平衡左移生成物濃度減小，平衡右移有氣體物質(zhì)參加反應，且反應前后氣體分子總數(shù)不相等時； 壓強

6、增大， 平衡向氣體分子總數(shù)減小 的方向移動；壓強減小，平衡向氣體分子總數(shù)增 大的方向移動升高溫度，平衡向吸熱反應方向移動降低溫度， 平衡向放熱反應方向移動。 溫度影響 平衡常數(shù) K催化劑可加快平衡到達的時間，不能使平衡移動即：設(shè)某一組分的平衡濃度為 x，根據(jù)反應關(guān)系式，得到其他組分的平衡表示式,代入常數(shù)方程求解。本題：設(shè)NO根據(jù)N2(g)0.81-1/2XKc+O2(g)0.81-1/2XNO22NO(g)Kc=0.10(2000C)=N2HO2(0.81 -1/2x)(0.81 -1/2x)解得 x 0.2561 平衡時 NO 的濃度為 0.2561mol L-1。2.下圖是溫度和壓強對 X

7、+ Y 一 2Z反應影響的示意圖。圖中橫坐標表示溫度，縱坐標表 示平衡混合氣體中 Z 的體積分數(shù)。下列敘述正確的是()A.上述可逆反應的正反應為放熱反應B. X 、Y、Z均為氣態(tài)C. X 和 Y 中只有一種是氣態(tài)，Z 為氣態(tài)D.上述反應的逆反應為吸熱反應答案：C解析：根據(jù)題目中的圖像，在壓強不變的情況下，例如lOOOkPa,隨著溫度的升高，Z的體積分數(shù)增大，即隨著溫度的升高，平衡向正反應方向移動。所以，正反應為吸熱反應， 逆反應為放熱反應，故 A、D 項錯誤。同樣，在溫度不變的情況下，從1000 100T1OkPa,隨著壓強的減小，Z 的體積分數(shù)增大，即隨著壓強的減小，平衡向正反應方向移動，正

8、反應 為氣體體積增大的反應，所以C 項正確?！局R拓展】、化學平衡常見圖像及其分析1.圖像分析(如圖 4-3 )圖 4-3 反應平衡圖 1(1 )若 a、b 點重合，則平衡移動肯定是改變某一物質(zhì)的濃度導致。(2) 若 a、b 點不重合，則平衡移動可能是由于以下原因所導致：同時不同程度地改變反 應物(或生成物)的濃度；改變反應體系的壓強(考慮氣體)；改變反應體系的溫度。(3) 若平衡無移動，則可能是由于以下原因所導致：反應前后氣體分子個數(shù)不變；使 用了催化劑。(4 )若u正在U逆的上方，即平衡向正反應方向移動；若U逆在U正的上方，即平衡向逆反工的體積分數(shù)應方向移動。2.圖像分析（如圖 4-4 ）

9、圖 4-4 反應平衡圖 2（1）由曲線的拐點作垂直于橫軸（即 t 軸）的垂線，其交點即為該條件下達到平衡的時間。（2） 由達到平衡的時間長短，推斷 R 與 P2、Ti與 T2的相對大小（圖 4-4 中，Pi P2、TiVT2）,左圖理解為壓強增大，反應更快達到平衡（氣體）；右圖理解為溫度升高，反應更快達到平衡。（3）y 軸代表的物理量不是 P,可以是產(chǎn)物的物質(zhì)的量或產(chǎn)物的生成速度等。3.圖像分析（如圖 4-5 ）:圖 4-5 反應平衡圖 3（1 ）固定壓強 P （或溫度 T）,即作橫坐標軸的垂線，觀察分析圖中所示各物理量隨壓強p（或溫度 T）的變化結(jié)果。（2）y 可以是某物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)、轉(zhuǎn)化率

10、、濃度、濃度比值、體積分數(shù)、物質(zhì)的量分數(shù)等。（3） 左圖如果 y 軸為反應物轉(zhuǎn)化率且 Pi P2 P3,可以理解為當溫度固定時，隨著反應壓強（氣體）增大，反應物的轉(zhuǎn)化率也增大，說明反應物體積大于生成物體積。右圖同樣理解。圖像分析（如圖 4-6 ）:圖 4-6 反應平衡圖 4（1）溫度 T2（最高點）為化學平衡點，y 軸可以是產(chǎn)物的物質(zhì)的量或產(chǎn)物的生成速度等。（2）0TT2溫度段是隨溫度（T）升高，反應速率加快，產(chǎn)物的濃度增大或反應物的轉(zhuǎn) 化率增大。（3）T2Ts溫度段是隨溫度升高而 y 軸數(shù)值降低，如果 y 軸代表產(chǎn)物的物質(zhì)的量，說明逆 反應為吸熱反應。二、解答化學平衡圖像問題的技巧1、 “先

11、拐先平，數(shù)值大”：在含量 -時間曲線中，先出現(xiàn)拐點的，則先達到化學平衡狀態(tài)， 說明該曲線的溫度較高或壓強（氣體）較大；2、 “定一議二”：如圖像中有三個變量，先確定一個量不變，再討論另外兩個量的關(guān)系?！玖曨}】一、選擇題【A 型題】1 氣體 A 與氣體 B 發(fā)生反應，其它條件不變，若氣體 A 的濃度增大 1 倍，則速率增大到 原來的 2 倍，若氣體 B 的濃度增大 1 倍，則速率增大到原來的 4 倍，那么 A 與 B 的反應可 能是（）A 2A+B CB A+2B CC. A+B CD 4A+2B C2.關(guān)于速率常數(shù) k 的敘述正確的是（ ）4 .下列平衡：3Fe（s） + 4H2O（g） 一

12、FesO4（s） + 4H2（g）該反應的平衡常數(shù)表達式正確的是A . Kc= FesO4H2/FeH2OB . Kc= FesO4H24/Fe3H2。44344C . Kc= Fe3O4H2 /Fe H2OD . Kc= H2 / H2O5.某溫度下，在體積為1L 的密閉容器中，將5molSO2和 2.5molO2混合，得到 3molSO3,反應式為 2SO2+O2 -2SO3,則該條件下 SO2的轉(zhuǎn)化率為（A . 40%B . 50%C . 60%A . k 與溫度無關(guān)B.k 與濃度無關(guān)C. k 與催化劑無關(guān)D. k 適合于基元反應和多步反應3.關(guān)于活化能，下列說法正確的是（A .活化能越

13、大，反應速率越快C.活化能是反應物本身具有的）B . 一般說，活化能越小，反應速率越快D .正反應的活化能與逆反應的活化能相同)D . 70%6.對于反應；2H2（g）+ O2（g）_2H2OQ） +Q，理論上最有利于 H2O 生成的條件是（15.對放熱反應，正、逆反應活化能的關(guān)系是)在某溫度下，反應： A(s) + B2+(aq)- A2+(aq)+ B(s)的平衡常數(shù) Kc= 1.0,在同溫度下，B2+和 A2+的濃度分別為 0.50 mol L-1和 0.10 mol L-1則( )反應 2HBr(g) H2(g) + Br2(g) -Q 達到平衡時，要使混合氣體顏色加深，可采取的方法1

14、3N2(g) + H2(g)NH3(g)的平衡常數(shù)為(22-1A .0.2 mol (L s)-1B. 0.4 mol ( s)-1C.0.6 mol ( s)-1D. 0.8 mol ( s)A .降低溫度將對提高C(s)的轉(zhuǎn)化率有利B .達到平衡時，反應物和生成物濃度相等C .減少 H20(g)的量，平衡將向正方向移動D .平衡時，各反應物和生成物的濃度不再改變B. 0. 5C. 2.0D. 0. 2510 .對于平衡體系 aA (g) + bB(s) dD(g) + eE(g), 少，則系數(shù)關(guān)系應是(增大壓強(其它條件不變)，D 的含量減A.a+dveB.a+bvd+eC.d+eaD.d

15、+eva已知合成氨反應的濃度數(shù)據(jù)如下：N2+ 3H2-2NH3起始濃度/mol/L1.03.002 秒末濃度/mol/L0.61.80.8當用氨氣濃度的增加來表示該化學反應速率時，其速率為()11.12.有可逆反應 C(s) +出 09 廠CO(g) + H2(g) -QF 列說法正確的是(A .高溫高壓B 低溫低壓C.低溫高壓D.高溫低壓7.A .正方向反應是自發(fā)的B .系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)C 逆方向反應是自發(fā)的D .先正方向后逆方向8.9.A .減小壓強B .增大氫的濃度C 升高溫度D .使用催化劑反應：2NH3(g) N2(g) + 3H2(g)，在某溫度下的平衡常數(shù)為0.25，則在此溫度下

16、反應13.下列說法正確的是(A .平衡常數(shù)隨起始濃度不同而變化B .轉(zhuǎn)化率相同的反應，平衡常數(shù)也相同C .反應物的轉(zhuǎn)化率不隨起始濃度變化而變化D .某反應物的轉(zhuǎn)化率與它在總反應物中所占的比例不同而不同14.對于 2NO2(g) N2O4(g)平衡體系，迅速減小體積，體系的顏色變化是(A .加深B .變淺C.先淺后深D .先深后淺A . E正 E逆B . E正VE逆C. E正=丘逆D .先 E正 E逆16 .在 N2+3H2 - 2NH3的反應中，經(jīng)過一段時間后，NH3的濃度增加了 0.6 mol L-1，在此時間內(nèi)用 H2表示的平均反應速率為0.45 mol s)-1，反應所經(jīng)過的時間是()1

17、7.在一個密閉容器中，下列反應已達到平衡：aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)+Q，如果升高溫度或降低壓強，則C(g)物質(zhì)的量都增大，試判斷下列各組結(jié)論正確的是()A . a+b c+d, Q c+d , Q 0C. a+b 0D. a+b = c+d , Q p+q 在平衡時，改變條件能使平衡右移的是()A . 加壓、升溫B .減壓、降溫C . 加壓、增加反應物的濃度D .升溫、減少生成物的濃度27 .對N2(g) + 3H2(g)-2NH3(g)達到平衡狀態(tài)的標志是()A . Q= KcB .N2 = H2 = NH3C . N2NH3D.N2、H2、NH3都保持不變28 .降低

18、壓強和升高溫度，可使平衡向正方向移動的是()A . C(s) + H2O(g)-亠 CO (g) + H2(g) -QB . N2(g) + O2(g 廣2NO (g) -QC . N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) + QD . 2H2O(g)2 出(g) + O2(g) -Q29 .對反應 2 + 3H2(g)2NH3(g) + Q,提高氫氣轉(zhuǎn)化率的方法是()A .升溫B.降溫30 .下列對正催化劑敘述正確的是(A .降低正反應的活化能C.改變了反應歷程二、填空題2.影響速率常數(shù)的因素有 _ 、_ ;影響平衡常數(shù)的因素有 _C .增加壓力D .增加 N2(g)的量)B .增加活化分

19、子的百分數(shù)D .增加有效碰撞次數(shù)1 .化學反應的活化能越高，活化分子數(shù)越;有效碰撞次數(shù)越 _;化學反應速率越3.書寫平衡常數(shù)表示式除應標明反應溫度，平衡常數(shù)表達式與化學反應式的書寫一致之外，還應注明_ 、_4 壓強只能使具有_和_ 條件的化學反應平衡發(fā)生移動。二、計算題1.在 300K 時，反應 2N0CI NO + Cl2的 NOCI 濃度和反應速度的數(shù)據(jù)如下:1NOCl 的初始濃度，mol L-初始速度，mol (L s)-10.30-93.60XO0.60-81.44X0求出反應速率常數(shù)并寫出反應速率方程。2+2+2.已知 Pb + Sn=Pb + SnKc= 2.41若初始濃度Pb2+

20、 = O.lmol L -1，達到平衡時 Pb2+和 Sn2+的濃度各是多少？2+1 2+ 1若Pb = 0.1mol , Sn = 0.5mol ，反應將向何方向進行?(3)若平衡時Sn2+ = 0.1mol L-1，反應開始時Pb2+是多少？3. 在某溫度下，密閉容器中進行下列反應：CO(g) + H2O(g)CO2(g) + H2(g)K 尸1求：(1)當 H2O 與 CO 物質(zhì)的量之比為 1 時，CO 的轉(zhuǎn)化率為多少？(2) 當 H2O 與 CO 物質(zhì)的量之比為 3 時，CO 的轉(zhuǎn)化率為多少？(3) 根據(jù)上述計算結(jié)果，能得出什么結(jié)論？四、問答題1. 影響化學反應速率的因素有哪些？怎樣解

21、釋這些影響？2. 壓強增加，反應速率如何改變？平衡將怎樣移動？【參考答案】一、選擇題【A 型題】1.B2.B3.B4.D5.C6.C7.A8.C9.C 10.C11.B12.D13.D14.D15.B16.A17.B18.A19.B20.A21.B22.D23.B24.A25.A【X 型題】26. ACD 27. AD 28. AD 29. BCD 30. ABCD、填空題根據(jù)：Q= S n2+ Pb2+=0.5 0. 1=5 2.41故：平衡向逆方向移動2+(3)設(shè)平衡時Pb 為 x因為：2.41 = 0.1(得:x= 0.041則:2+反應開始時Pb = 0.1 + 0.041 = 0.1

22、413.解:(1)設(shè)平衡時 CO2物質(zhì)的量為 x, CO 初始時物質(zhì)的量為 1。CO(g) + H2O(g)- CO2(g) + H2(g)1-x1-xx2 21 = x (1-x)1 .少，低，慢。2.溫度、催化劑溫度3固體和純液體部分濃度不寫入平衡常數(shù)表達式中， 有水參加或水生成的反應水的濃度不 寫入平衡常數(shù)表達式中。4.有氣體參加，反應前后分子總數(shù)不等。二、計算題1.解:設(shè)速率：尸則:3.60 10-9= k0.30 x1.4410-8=k0.60 x(1) (2)得：0.25 = 0.5x解得:-9-8將 x 代入(1)式，解得速率常數(shù)為：k= 3.60 10(0.09 = 4 X10故速率方程為：尸 4X10-8NOCI22.解:2+(1)已知：Kc= 2.41Pb = 0.1則: 2.41 = S n2+ 0.1得:Sn2+ = 0.2410 5解得：x= 0.5 故：轉(zhuǎn)化率 a=100%= 50%1(2)同理 1 = y2(1-y)(3-y)解得：y= 0.75 故：轉(zhuǎn)化率 a=?5100%= 75%1(3)由此可得，要提高某一反應物的轉(zhuǎn)化率， 可通過增加另一反應