新教材適用2024-2025學年高中化學第2章化學反應速率與化學平衡第2節(jié)化學平衡第4課時溫度催化劑對化學平衡的影響學案新人教版選擇性必修1

第4課時溫度、催化劑對化學平衡的影響學習目標1．探究溫度影響化學平衡的規(guī)律。2．了解催化劑影響化學反應速率的實質(zhì)，并進一步探討對化學平衡的影響，從而了解催化劑在化工生產(chǎn)中的應用。3．相識化學反應速率、化學平衡典型圖像，學會化學平衡圖像題的解題方法。核心素養(yǎng)1．通過試驗探究溫度對化學平衡的影響，提升科學探究與創(chuàng)新意識。2．理解平衡移動原理(勒夏特列原理)，形成變更觀念與平衡思想。奇妙的催化劑我們都知道，生物體利用酶加速體內(nèi)的化學反應，假如缺少酶，生物體內(nèi)的很多化學反應就會進行緩慢。酶在生理學、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)等領域都有重大的意義。那么，化學領域是如何定義催化劑的？在化學反應里能變更反應物化學反應速率(提高或降低)而不改變更學平衡，且本身的質(zhì)量和化學性質(zhì)在化學反應前后都沒有發(fā)生變更的物質(zhì)叫催化劑。催化劑對化學反應速率的影響特別大，一些催化劑可以使化學反應速率加快至幾萬億倍以上。在一個化學反應中，催化劑的作用是降低該反應發(fā)生所須要的活化能，本質(zhì)上是將一個難以發(fā)生的反應轉變成兩個比較簡潔發(fā)生的化學反應。在這兩個反應中，第一個反應中催化劑參與反應作反應物，其次個反應中又生成了催化劑，所以從總的反應方程式上看，催化劑在反應前后未有任何變更。催化劑和反應體系的關系就像鎖與鑰匙的關系一樣，具有高度的選擇性(或?qū)Ｒ恍?。讓我們走進教材學習溫度和催化劑對化學平衡移動的影響。新知預習一、溫度變更對化學平衡的影響1．試驗：NO2球浸泡在冰水、熱水中，視察顏色變更。2NO2(g)N2O4(g)ΔH＝－56.9kJ·mol－1(紅棕色)(無色)將NO2球浸泡在冰水和熱水中(1)現(xiàn)象：冰水中熱水中現(xiàn)象_紅棕色變淺___紅棕色加深__(2)分析：降溫→顏色變淺→平衡向放熱方向移動；升溫→顏色變深→平衡向吸熱方向移動。2．結論：其他條件不變時，上升溫度平衡向著_吸熱__的方向移動，降低溫度平衡向著_放熱__的方向移動。二、催化劑對化學平衡的作用催化劑可_同等程度__地變更正反應速率和逆反應速率，因此催化劑對化學平衡的移動_沒有影響__。但催化劑可_變更__反應達到平衡所需的時間。三、勒夏特列原理1．內(nèi)容：假如變更影響平衡的條件之一(如溫度、壓強，以及參與反應的化學物質(zhì)的濃度)，平衡將向著能夠_減弱__這種變更的方向移動。2．適用范圍：適用于任何動態(tài)平衡(如溶解平衡、電離平衡等)，非平衡狀態(tài)不能用此來分析。3．平衡移動的結果是“減弱”外界條件的影響，而不是“消退”外界條件的影響，更不是“扭轉”外界條件的影響。預習自測1．下列事實不能用勒夏特列原理說明的是(B)A．光照新制的氯水時，溶液的pH漸漸減小B．加催化劑，使N2和H2在肯定條件下轉化為NH3C．可用濃氨水和氫氧化鈉固體快速制氨D．增大壓強，有利于SO2與O2反應生成SO3解析：Cl2＋H2OH＋＋Cl－＋HClO,2HClO2HCl＋O2↑，光照能夠降低HClO濃度，使第一個反應的化學平衡向生成HClO的方向移動；NH3＋H2ONH3·H2ONHeq\o\al(＋,4)＋OH－，向濃氨水中加NaOH固體，c(OH－)增大，上述平衡均向左移動，有利于NH3逸出；2SO2＋O22SO3，增大壓強，平衡向氣體分子數(shù)減小的方向移動；上述事實均符合勒夏特列原理。加催化劑，使N2和H2在肯定條件下轉化為NH3，只是加快NH3的生成速率，并不影響化學平衡，故不能用勒夏特列原理說明。2．將等物質(zhì)的量的N2、H2充入某密閉容器中，在肯定條件下，發(fā)生如下反應并達到平衡：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0。當變更某個條件并維持新條件直至新的平衡時，下表中關于新平衡與原平衡的比較正確的是(B)變更條件新平衡與原平衡比較A壓縮體積N2的濃度肯定變小B上升溫度N2的轉化率變小C充入肯定量H2H2的轉化率不變，N2的轉化率變大D運用適當催化劑NH3的體積分數(shù)增大解析：該反應的正反應是氣體體積減小的反應，依據(jù)勒夏特列原理可知，壓縮體積，壓強增大，平衡向正反應方向移動，但氮氣的濃度仍舊比原平衡大，A項不正確；正反應是放熱反應，上升溫度，平衡向逆反應方向移動，氮氣的轉化率降低，B項正確；充入肯定量的氫氣，平衡向正反應方向移動，氮氣的轉化率增大，而氫氣的轉化率降低，C項不正確；催化劑只能變更反應速率而不能變更平衡狀態(tài)，D項不正確。學問點1溫度影響平衡移動問題探究：1．對肯定條件下的化學平衡狀態(tài)：(1)若變更物質(zhì)的濃度，化學平衡是否肯定發(fā)生移動？(2)若變更體系的溫度呢？2．正反應為放熱反應的平衡體系，上升溫度的瞬間v(正)、v(逆)如何變更？v(正)、v(逆)的大小關系如何？探究提示：1．(1)變更物質(zhì)的濃度，化學平衡不肯定發(fā)生移動，如H2(g)＋I2(g)2HI(g)，其他條件不變，把容器體積縮小，各物質(zhì)的濃度均增大，但平衡不移動。(2)若變更溫度，化學平衡肯定發(fā)生移動。2．v(正)、v(逆)均增大，且v(正)<v(逆)。學問歸納總結：1．影響規(guī)律。(1)上升溫度，可瞬間增大v(正)和v(逆)(影響程度不同)，化學平衡向吸熱反應方向移動。(2)降低溫度，可瞬間減小v(正)和v(逆)(影響程度不同)，化學平衡向放熱反應方向移動。以mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)ΔH為例，①若ΔH<0：②若ΔH>0：2．留意事項。(1)任何的化學反應都伴隨著能量的變更(放熱或吸熱)，所以隨意可逆反應的化學平衡狀態(tài)，都能受溫度的影響而發(fā)生移動。(2)若某反應的正反應為放(吸)熱反應，則逆反應必為吸(放)熱反應，且汲取的熱量與放出的熱量相等，但反應熱符號相反。(3)對同一化學反應，若正反應為吸熱反應，上升溫度，使v(正)、v(逆)都增大，但v(正)增大的倍數(shù)更大，即v′(正)>v′(逆)，平衡向吸熱反應方向移動。反之，降低溫度，使v(正)、v(逆)都減小，但v(正)減小的倍數(shù)更大，即v′(正)<v′(逆)，平衡向放熱反應方向移動。典例1已知常溫下紅棕色的NO2能自動生成無色的N2O4，這是一個正向反應為放熱反應的可逆反應：2NO2N2O4?，F(xiàn)在做下面的試驗，裝置如圖所示：在三個連通的燒瓶里盛有NO2和N2O4的混合氣體，然后用彈簧夾夾住乳膠管。先將三個燒瓶分別浸泡在盛有室溫水的燒杯里，可以視察到混合氣體顏色無變更，接著向左邊燒杯里加入制熱鹽無水CaCl2，向右邊燒杯里加入制冷鹽KNO3，不斷攪拌直至溶液飽和，可以看到，隨著鹽的加入，左邊混合氣體的顏色變深，右邊混合氣體的顏色變淺，中間混合氣體的顏色不變。依據(jù)試驗現(xiàn)象，回答有關問題：(1)左邊的混合氣體顏色變深的緣由是_左邊燒杯中加入制熱鹽，混合氣體溫度上升，平衡向逆反應方向移動，NO2的濃度增大，顏色加深__；右邊的混合氣體顏色變淺的緣由是_右邊燒杯中加入制冷鹽，混合氣體溫度降低，平衡向正反應方向移動，NO2的濃度減小，顏色變淺__。(2)總結溫度變更與可逆反應的熱量變更之間的關系是_上升溫度時，平衡向吸熱反應的方向移動；降低溫度時，平衡向放熱反應的方向移動__。解析：混合氣體顏色的深淺與NO2的濃度有關，容器的容積是不變的，氣體物質(zhì)的量的變更導致氣體濃度的變更。左邊燒瓶內(nèi)的混合氣體的顏色變深，說明NO2的濃度增大，即平衡逆向移動；右邊燒瓶內(nèi)的混合氣體的顏色變淺，說明NO2的濃度減小，即平衡正向移動。加入制熱鹽使溶液溫度上升，相當于對燒瓶加熱。氣體溫度上升時，平衡逆向移動，逆反應是吸熱反應，故上升溫度時，平衡向吸熱反應的方向進行。同理分析可得，降低溫度時，平衡向放熱反應的方向移動。變式訓練?工業(yè)上消退氮氧化物的污染，可用如下反應：CH4(g)＋2NO2(g)N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)ΔH＝akJ·mol－1，在溫度為T1和T2時，分別將0.50molCH4和1.20molNO2充入體積為1L的密閉容器中，測得n(CH4)隨時間變更的數(shù)據(jù)如表所示：時間/min010204050T10.500.350.250.100.10T20.500.300.18……0.15下列說法不正確的是(D)A．0～10min內(nèi)，T1時v(CH4)比T2時小B．溫度：T1<T2C．a(chǎn)<0D．平衡常數(shù)：K(T1)<K(T2)解析：依據(jù)公式v＝eq\f(|Δn|,VΔt)，計算可得0～10min內(nèi)，T1時，v(CH4)＝0.015mol·L－1·min－1，T2時，v(CH4)＝0.02mol·L－1·min－1，A項正確；溫度為T2時反應速率更快，所以T2>T1，B項正確；T2下達到平衡時甲烷的物質(zhì)的量較T1時的大，說明上升溫度平衡向逆反應方向移動，則正反應放熱，所以a<0，C項正確；T1時反應進行更徹底，因此平衡常數(shù)更大，即K(T1)>K(T2)，D項錯誤；綜上所述答案為D。學問點2勒夏特列原理的應用問題探究：依據(jù)化學平衡原理解答下列問題：在體積不變的密閉容器中發(fā)生N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mo1－1，只變更一種外界條件，完成下表。變更條件平衡移動方向氫氣的轉化率(填“增大”“減小”或“不變”)氨氣的體積分數(shù)(填“增大”“減小”或“不變”)增大氮氣的濃度增大氨氣的濃度升溫充入適量氬氣探究提示：正向增大逆向減小增大逆向減小減小不移動不變不變學問歸納總結：1．內(nèi)容：假如變更影響平衡的一個條件(如濃度、壓強或溫度)，則平衡將向著能夠減弱這種變更的方向移動。2．留意事項：(1)勒夏特列原理僅適用于已達到平衡的反應體系，不行逆過程或未達到平衡的可逆過程均不能運用該原理。此外，勒夏特列原理對全部的動態(tài)平衡(如溶解平衡、電離平衡、水解平衡等)都適用。(2)勒夏特列原理只適用于推斷“變更影響平衡的一個條件”時平衡移動的方向。若同時變更影響平衡移動的幾個條件，則不能簡潔地依據(jù)勒夏特列原理來推斷平衡移動的方向，只有在變更的條件對平衡移動的方向影響一樣時，才能依據(jù)勒夏特列原理進行推斷。(3)勒夏特列原理中的“減弱”不等于“消退”，更不是“扭轉”，即平衡移動不能將外界影響完全消退，而只能減弱。①在已達平衡的可逆反應中，若增大某物質(zhì)的濃度，其他條件不變，則平衡向減小該物質(zhì)的濃度的方向移動，移動的結果是該物質(zhì)的濃度比原平衡中的濃度大。②在已達平衡的可逆反應中，若增大平衡體系的壓強，其他條件不變(溫度不變)，則平衡向減小壓強的方向(氣體總體積減小的方向)移動，移動的結果是新平衡的壓強比原平衡的壓強大。③對已達平衡的可逆反應，若上升平衡體系的溫度，其他條件不變，則平衡向消耗熱量(吸熱)的方向移動，移動的結果是新平衡的溫度比原平衡的溫度高。(4)應用勒夏特列原理時應弄清是否真的變更了影響化學平衡的條件。如變更平衡體系中固體或純液體的量、在恒溫恒容條件下充入惰性氣體等，并未變更影響化學平衡的條件。典例2下列事實不能用勒夏特列原理說明的是(D)A．工業(yè)制硫酸采納二氧化硫催化氧化，高壓可以提高單位時間SO3的產(chǎn)量B．打開可樂瓶蓋后看到有大量氣泡冒出C．用飽和食鹽水除去氯氣中氯化氫雜質(zhì)D．容器中有2HI(g)H2(g)＋I2(g)，增大壓強顏色變深解析：增大壓強二氧化硫催化氧化平衡正向移動，所以能用平衡移動原理說明，故A不選；打開可樂瓶蓋后看到有大量氣泡逸出，是因為壓強減小，二氧化碳氣體溶解度減小，平衡移動的結果，和平衡移動有關，能用勒夏特列原理說明，故B不選；氯氣和水的反應是可逆反應，飽和食鹽水中氯離子濃度大，化學平衡逆向進行，減小氯氣溶解度，能用勒夏特列原理說明，故C不選；增大壓強縮小體積，碘濃度增大導致顏色變深，對容積可變的密閉容器中已達平衡的HI、I2、H2混合氣體進行壓縮，混合氣體顏色變深是因為體積縮小，濃度增大，但是該反應平衡不移動，不能用平衡移動原理說明，故選D。變式訓練?下列事實中，不能用勒夏特列原理說明的有幾項(A)①Fe(SCN)3溶液中加入固體KSCN后顏色變深②將混合氣體中的氨液化有利于合成氨反應③試驗室常用排飽和食鹽水的方法收集氯氣④紅棕色NO2氣體加壓后顏色先變深后變淺⑤加入催化劑有利于合成氨的反應⑥由H2(g)、I2(g)和HI(g)組成的平衡體系加壓后顏色變深⑦500℃時比室溫更有利于合成氨的反應A．三項 B．四項C．五項 D．六項解析：勒夏特列原理的內(nèi)容為：假如變更影響平衡的一個條件(如濃度、壓強或溫度等)，平衡就向能夠減弱這種變更的方向移動。勒夏特列原理適用的對象應存在可逆過程，如與可逆過程無關，則不能用勒夏特列原理說明，以此進行推斷。Fe(SCN)3溶液中加入固體KSCN，SCN－的離子濃度增大，平衡向著生成Fe(SCN)3的方向移動，導致溶液顏色變深，能夠用勒夏特列原理說明，①不符合題意；N2與H2合成氨氣的反應是氣體體積減小的可逆反應，將混合氣體中的氨液化，平衡正向移動，有利于氨的合成，能夠用勒夏特列原理說明，②不符合題意；Cl2在水中存在化學平衡：Cl2＋H2OH＋＋Cl－＋HClO，飽和食鹽水中c(Cl－)濃度比水中大，增大c(Cl－)，平衡逆向移動，Cl2溶解、反應消耗削減，有利于Cl2的收集，能夠用勒夏特列原理說明，③不符合題意；NO2氣體在容器中存在化學平衡：2NO2N2O4，平衡體系中增加壓強，體積變小，氣體濃度增大，顏色變深；由于該反應的正反應是氣體體積減小的反應，所以加壓后平衡正向移動，使氣體濃度又略微減小，氣體顏色變淺，能用勒夏特列原理說明，④不符合題意；催化劑只能影響化學反應速率，不能使化學平衡發(fā)生移動，故不能用勒夏特列原理說明，⑤符合題意；由H2、I2(g)、HI氣體組成的平衡，反應前后氣體體積不變，加壓后平衡不移動，但由于體積減小使物質(zhì)濃度增大，氣體顏色變深，不能用勒夏特列原理說明，⑥符合題意；合成氨反應為放熱反應，上升溫度平衡逆向移動，不利于氨的合成，但升溫卻可提高反應速率，不能用勒夏特列原理說明，⑦符合題意；綜上所述可知：不能用勒夏特列原理說明的是⑤⑥⑦三項，故選A。平衡移動原理的應用——工業(yè)制鉀1807年英國化學家戴維用250對鋅－銅原電池串聯(lián)作為電源電解熔融的氫氧化鉀得到鉀。但在實際工業(yè)生產(chǎn)中卻不能用此法，因為戴維用的是鉑電極，它不與熔融的金屬鉀作用，但實際生產(chǎn)中只能用石墨電極，熔融的金屬鉀能滲透到石墨中，侵蝕電極。工業(yè)上約于850℃(反應溫度限制在Na的沸點和K的沸點之間)時用鈉還原熔融氯化鉀的方法制備金屬鉀，Na(1)＋KCl(l)K(g)＋NaCl(l)。鉀的沸點比鈉低，不斷地將鉀的蒸氣分別出去，就能使反應持續(xù)進行。用真空蒸餾法可將鉀的純度提高為99.99%。由于鉀比鈉貴，在一般狀況下都用鈉代替鉀。把熔融的氯化鉀導入不銹鋼的分餾塔中部，分餾塔底層是鐵釜，放著鈉。當鈉的蒸氣上升到分餾塔中，跟氯化鉀反應，鉀蒸氣從塔頂逸出，冷凝后的金屬鉀含有質(zhì)量分數(shù)約為百分之一的金屬鈉。再經(jīng)過分餾精制可以制得純度達百分之九十九的金屬鉀。1．利用反應2NO(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋N2(g)ΔH＝－746.8kJ·mol－1，可凈化汽車尾氣，假如要同時提高該反應的速率和NO的轉化率，實行的措施是(B)A．降低溫度B．增大壓強C．上升溫度D．剛好將CO2和N2從反應體系中移走解析：降低溫度，化學反應速率減慢，化學平衡向放熱方向移動，即正反應方向，NO的轉化率增大，故A錯誤；增大壓強平衡向正反應方向移動，NO的轉化率增大，且化學反應速率加快，故B正確；上升溫度，化學反應速率加快，化學平衡向吸熱方向移動，即逆反應方向，NO的轉化率減小，故C錯誤；將CO2和N2從反應體系中移走，平衡向正反應方向移動，NO的轉化率增大，但反應速率減小，故D錯誤。2．N2O5是一種新型硝化劑，在肯定溫度下可發(fā)生下列反應：2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)ΔH>0，T1溫度下的部分試驗數(shù)據(jù)為：t/s050010001500c(N2O5)/mol·L－15.003.522.502.50下列說法不正確的是(C)A．500s內(nèi)N2O5分解速率為2.96×10－3mol·L－1·s－1B．T1溫度下1000～1500s內(nèi)v(N2O5)v(O2)＝21C．其他條件不變時，T2溫度下反應到1000s時測得N2O5(g)濃度為2.98mol·L－1，則T1<T2D．T1溫度下的平衡常數(shù)為K1，T3溫度下的平衡常數(shù)為K3，若K1>K3，則T1>T3解析：500s內(nèi)N2O5分解速率＝eq\f(Δc,Δt)＝eq\f(5.00－3.52,500)mol·L－1·s－1＝2.96×10－3mol·L－1·s－1，故A正確；T1溫度下1000～1500s內(nèi)，反應物濃度不變，反應達到平衡狀態(tài)，不同物質(zhì)的反應速率之比等于其計量數(shù)之比，則v(N2O5)v(O2)＝21，故B正確；其他條件不變時，T2溫度下反應到1000s時測得N2O5(g)濃度為2.98mol·L－1，ΔH>0，上升溫度平衡正向移動，則c(N2O5)變小，所以溫度T1>T2，故C錯誤；該反應的正反應是吸熱反應，上升溫度平衡正向移動，化學平衡常數(shù)增大，假如K1>K3，則T1>T3，故D正確。3．高溫下，某反應達到平衡，平衡常數(shù)K＝eq\f(c(CO)·c(H2O),c(CO2)·c(H2))。恒容時，溫度上升，H2濃度減小。下列說法正確的是(A)A．該反應的焓變?yōu)檎礏．恒溫下，增大壓強，H2濃度肯定減小C．上升溫度，逆反應速率減小D．該反應為放熱反應解析：由平衡常數(shù)表達式可知，該反應方程式為CO2＋H2CO＋H2O，溫度上升，H2濃度減小，正反應為吸熱反應，焓變?yōu)檎?，故A正確；增大壓強，體積減小，H2濃度增大，故B錯誤；上升溫度，正逆