第二学期高中化学新课突破人教选修4第二章 化学反应速率和化学平衡 专题突破.docx

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第二学期高中化学新课突破人教选修4第二章化学反应速率和化学平衡专题突破

人教版选修4：

第二章　化学反应速率和化学平衡专题突破

一、化学平衡状态的特征及其判断方法

1．化学平衡状态具有的“五大特征”

（1）逆：

指化学平衡状态只适用于可逆反应，同一可逆反应，在同一条件下，无论反应从正反应方向开始还是从逆反应方向开始，或同时从正、逆反应方向开始，以一定的配比投入反应物或生成物，则可以达到相同的平衡状态。

（2）动：

指动态平衡，即化学反应处于平衡状态时，正、逆反应并未停止，仍在进行，只是正、逆反应速率相等。

（3）等：

指“v正＝v逆≠0”。

即某一物质在单位时间内消耗的物质的量浓度和生成的物质的量浓度相等，也可以用不同物质的化学反应速率表示该反应的正、逆反应速率相等。

（4）定：

指参加反应的各组分的含量保持不变，即各组分的浓度、质量分数、体积分数（有气体参加的可逆反应）、反应物的转化率等均保持不变。

（5）变：

指平衡移动。

可逆反应的平衡状态是相对的、暂时的，当外界某一条件改变时，原平衡被破坏，化学平衡向着减弱这种改变的方向移动，在新的条件下达到新的平衡状态。

【名师点拨】　对于化学平衡状态，“一定条件”“可逆反应”是前提，“相等”是实质，“保持不变”是标志。

【例2】　一定温度下，向某容积恒定的密闭容器中充入1molN2、3molH2，经充分反应后达到如下平衡：

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g），下列有关说法中正确的是（　　）

A．达平衡后再加入一定量的N2，体系内各物质含量不变

B．N2、H2、NH3的浓度一定相等

C．反应没有达到平衡时，NH3会不断地分解，达到平衡时则不会再分解

D．平衡时，N2、H2物质的量之比为1∶3

[解析]　化学平衡是一种相对平衡，条件改变后原来的平衡状态就会被破坏，A错；化学平衡又是一种动态平衡，平衡时正、逆反应仍在进行，C错；平衡时体系内各物质浓度或百分含量保持不变（不是相等），B错；因反应中消耗N2、H2的物质的量之比为1∶3，而N2、H2的起始量之比是1∶3，故平衡时仍是1∶3，D对。

[答案]　D

2．化学平衡状态判断的“四大依据”

（1）对于普通可逆反应，以2SO2（g）＋O2（g）

2SO3（g）为例：

若各组分的物质的量、浓度不发生变化，则反应已达到平衡状态。

若用反应速率关系表示化学平衡状态，式中既要有正反应速率，又要有逆反应速率，且两者之比等于化学计量数之比，就达到化学平衡状态。

（2）对于有色气体存在的反应体系，如2NO2（g）

N2O4（g）等，若体系的颜色不再发生改变，则反应已达平衡状态。

（3）对于有气体存在且反应前后气体的物质的量发生改变的反应，如N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g），若反应体系的压强不再发生变化、平均相对分子质量不再变化，则说明反应已达平衡状态。

对反应物和产物均为气体且反应前后气体物质的量不发生改变的反应，反应过程中的任何时刻体系的压强、气体的总物质的量、平均相对分子质量都不变，故压强、气体的总物质的量、平均相对分子质量不变均不能说明反应已达平衡状态。

（4）从微观的角度分析，如反应N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g），下列各项均可说明该反应达到了平衡状态。

①断裂1molN≡N键的同时生成1molN≡N键。

②断裂1molN≡N键的同时生成3molH—H键。

③断裂1molN≡N键的同时断裂6molN—H键。

④生成1molN≡N键的同时生成6molN—H键。

【特别提示】　

（1）从反应速率的角度来判断反应是否达到平衡时，速率必须是一正一逆（不能同是v正或v逆），且反应速率之比等于化学计量数之比。

（2）在可逆反应过程中，能发生变化的物理量（如各组分的浓度、反应物的转化率、混合气体密度、颜色、平均摩尔质量等），若保持不变，说明可逆反应达到了平衡状态。

【例3】　在一定温度下的定容容器中，当下列哪些物理量不再发生变化时，表明反应A（g）＋2B（g）

C（g）＋D（g）已达到平衡状态的是（　　）

①混合气体的压强　②混合气体的密度　③B的物质的量浓度　④混合气体的总物质的量　⑤混合气体的平均相对分子质量　⑥v（C）与v（D）的比值　⑦混合气体的总质量　⑧混合气体的总体积　⑨C、D的分子数之比为1∶1

A．①②③④⑤⑥⑦⑧　　B．①③④⑤

C．①②③④⑤⑦D．①③④⑤⑧⑨

[解析]　要理解化学平衡状态的特点“等、动、定”的含义，在判断化学平衡状态时还要注意反应前后气体体积是否相等。

题给反应是一个反应前后气体体积不相等的反应，因此在定容容器中，若①混合气体的压强、③B的物质的量浓度、④混合气体的总物质的量、⑤混合气体的平均相对分子质量不再变化，均能证明该反应达到化学平衡状态。

而②中ρ＝

始终不变化，⑥中没指明反应进行的方向，⑦m（g）始终不变化，⑧在定容容器中，混合气体的总体积不能作为判断依据，⑨反应未达到平衡时，C、D气体的分子数之比也为1∶1。

[答案]　B

二、外界条件对化学反应速率的影响规律

影响化学反应速率的因素包括内因和外因。

内因是指反应物本身的性质；外因包括浓度、温度、压强、催化剂、反应物颗粒大小等。

这些外界条件对化学反应速率影响的规律和原理如下。

1．浓度

（1）浓度增大，单位体积内活化分子数增多（活化分子百分数不变），有效碰撞的几率增加，化学反应速率增大。

（2）浓度改变，可使气体间或溶液中的化学反应速率发生改变。

固体或纯液体的浓度可视为常数，它们的物质的量的变化不会引起反应速率的变化，但固体颗粒的大小会导致接触面积的变化，故影响化学反应速率。

2．压强

改变压强，对化学反应速率产生影响的根本原因是引起浓度的改变。

对于有气体参加的反应体系，有以下几种情况：

（1）恒温时：

增大压强

体积缩小

浓度增大

反应速率增大。

（2）恒容时

①充入气体反应物

反应物浓度增大

总压强增大

反应速率增大。

②充入“稀有气体”

总压强增大，但各物质的浓度不变，反应速率不变。

（3）恒压时：

充入“稀有气体”

体积增大

各物质浓度减小

反应速率减小。

3．温度

（1）温度升高，活化分子百分数提高，分子间的碰撞频率提高，化学反应速率增大。

（2）温度升高，吸热反应和放热反应的速率都增大。

实验测得，温度每升高10℃，化学反应速率通常增大为原来的2～4倍。

4．催化剂

（1）催化剂对反应过程的影响通常可用下图表示（加入催化剂，B点降低）。

催化剂能改变反应路径、降低活化能、增大活化分子百分数、加快反应速率，但不影响反应的ΔH。

（2）催化剂只有在适宜的温度下活性最大，反应速率才达到最大。

（3）对于可逆反应，催化剂能够同等程度地改变正、逆反应速率，对化学平衡状态无影响，生产过程中使用催化剂主要是为了提高生产效率。

【名师点拨】　在分析多个因素（如浓度、温度、反应物颗粒大小、催化剂、压强等）对反应速率的影响规律时，逐一改变一个因素而保证其他因素相同，通过实验分析得出该因素影响反应速率的结论，这种方法叫变量控制法。

【例1】　把除去氧化膜的镁条投入盛有稀盐酸的试管中，发现产生氢气的速率变化情况如图1所示。

（1）t1～t2速率变化的主要原因是。

（2）t2～t3速率变化的主要原因是。

（3）在图2中画出生成H2的体积随时间变化的示意图。

[答案]　

（1）镁条与盐酸反应放热，温度升高使反应速率加快

（2）盐酸浓度减小，反应速率减慢

（3）如图所示。

三、根据化学平衡移动方向进行有关判断

1．化学平衡能否移动的判断方法

（1）不要把v正增大与平衡向正反应方向移动等同，只有v正>v逆时，才使平衡向正反应方向移动。

（2）不要把平衡向正反应方向移动与原料转化率的提高等同。

当反应物总量不变时，平衡向正反应方向移动，反应物转化率才提高；当增大一种反应物的浓度，使平衡向正反应方向移动，会使另一种反应物的转化率提高，本身转化率减小。

2．根据化学平衡移动方向进行有关判断

勒夏特列原理指出，改变影响平衡的一个条件，平衡就向减弱这种改变的方向移动。

反之，如果知道了化学平衡移动的方向，也可以推测使化学平衡移动的条件。

（1）根据化学平衡移动方向，判断物质的聚集状态

根据压强改变和化学平衡是否移动或移动的方向，可以判断物质的聚集状态。

如可逆反应2A（g）＋nB

2C（g）达到化学平衡后，若只增大压强，平衡向正反应方向移动，由此可判断B为气体；若增大压强，平衡并不移动，由此可判断B为固体或液体。

（2）根据化学平衡移动方向，判断化学方程式中气体反应物和气体生成物化学计量数的相对大小

改变压强，化学平衡是否移动或移动的方向，与气体反应物和生成物化学计量数的相对大小有关。

据此，由压强改变及其平衡移动的状况，可以判断化学方程式中气体反应物和气体生成物之间的化学计量数的关系。

如可逆反应aA（g）＋bB（g）

cC（g）＋dD（g）在反应过程中A的百分含量[w（A）]随压强（p）变化的曲线如图所示。

由图示可知：

增大压强，A的百分含量逐渐变小，即平衡向正反应方向移动。

又因增大压强，平衡向气体体积缩小的方向移动，故a＋b＞c＋d。

根据化学平衡移动方向还可以判断方程式中某气体物质的化学计量数。

如可逆反应：

A（g）＋nB（g）

3C（g），在恒温下，反应物B的转化率与压强的关系如图所示。

由图示可知：

增大压强，B的转化率不变，即平衡不移动，则1＋n＝3，n＝2。

（3）根据化学平衡移动方向，判断化学反应的能量变化

温度对化学平衡的影响与反应放热、吸热有关，根据温度改变及其平衡移动的方向，可以判断正、逆反应为吸热反应或放热反应。

如可逆反应A（g）＋B（g）

2C（g）达到平衡后，升高温度，C的体积分数增大，由此可判断正反应为吸热反应。

（4）根据化学平衡移动方向，判断混合气体的平均相对分子质量的变化

混合气体的平均相对分子质量为

r＝

，对于反应物和生成物都是气体的可逆反应，当外界条件改变时，不管平衡怎样移动，混合气体的质量始终不变，故混合气体的平均相对分子质量与混合气体的物质的量成反比，若平衡向气体的物质的量缩小的方向移动，混合气体的平均相对分子质量将变大，反之，平均相对分子质量将变小。

（5）根据化学平衡移动方向，判断反应物的平衡转化率

由于外界条件改变，引起化学平衡移动，根据平衡移动的方向可以判断某反应物的平衡转化率。

其规律如下：

①温度、压强对平衡转化率的影响：

在其他条件不变的情况下，改变温度或改变气体反应的容器体积（改变压强），若化学平衡向正反应方向移动，则反应物的平衡转化率一定增大；若平衡向逆反应方向移动，则反应物的平衡转化率一定减小。

②浓度对平衡转化率的影响：

在其他条件不变的情况下，改变浓度，反应物的平衡转化率有可能增大，也有可能减小或不变。

a．减小生成物的浓度，反应物的平衡转化率一定增大。

b．对于多种物质参加的反应，增加某一反应物的浓度，其他反应物的平衡转化率一定增大，而该反应物本身的平衡转化率一般是减小的。

c．对于分解反应（即反应物只有一种），其平衡转化率要视反应前后物质的化学计量数而定。

若反应前后气体分子总物质的量相等，如2HI（g）H2（g）＋I2（g），不论如何改变反应物的浓度，反应物的平衡转化率都不变；若反应后气体分子数是减少的，如2NO2（g）

N2O4（g），增加反应物的浓度，则反应物的平衡转化率增大；若反应后气体分子数增加，如2NH3（g）

N2（g）＋3H2（g），增加反应物的浓度，则反应物的平衡转化率减小。

【例4】　如图是温度和压强对X＋Y

2Z反应影响的示意图。

图中横坐标表示温度，纵坐标表示平衡混合气体中Z的体积分数。

下列叙述正确的是（　　）

A．上述可逆反应的正反应为放热反应

B．X、Y、Z均为气态

C．X和Y中只有一种为气态，Z为气态

D．上述反应的逆反应的ΔH＞0

[解析]　根据题图，在压强不变的情况下，例如1000kPa时，随着温度的升高，Z的体积分数增大，即随着温度的升高，平衡向正反应方向移动。

所以，正反应为吸热反应，ΔH＞0；逆反应为放热反应，ΔH＜0，所以A、D错误；同样，在温度不变的情况下，从1000kPa→100kPa→10kPa，随着压强的减小，Z的体积分数增大，即随着压强的减小，平衡向正反应方向移动，正反应为气体体积增大的反应，所以C正确，B错误。

[答案]　C

四、化学平衡计算模式与公式

1．计算模式

化学平衡计算的最基本的方法模式是“平衡三段式法”。

具体步骤是在化学方程式下写出有关物质起始时的物质的量、发生转化的物质的量、平衡时的物质的量（也可以是物质的量浓度或同温同压下气体的体积），再根据题意列式求解。

　　　　　　　mA（g）＋nB（g）

pC（g）＋qD（g）

n（起始）/mol　　a　　　　b　　　　0　　　0

n（转化）/molmxnxpxqx

n（平衡）/mola－mxb－nxpxqx

起始、转化、平衡是化学平衡计算的“三步曲”。

2．计算公式

（1）v（A）∶v（B）∶v（C）∶v（D）＝m∶n∶p∶q（未达到平衡时，用于确定化学方程式中未知的化学计量数）。

（2）K＝

＝

任意状态的生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值称为浓度商，用Qc表示。

则其与K比较，当Qc>K，v正v逆。

（3）c（A）平＝

＝

。

（4）α（A）＝

×100%＝

×100%。

（5）φ（A）＝

×100%。

（6）平衡时与起始时的压强比

＝

＝

（同T、V时），混合气体的密度比

＝

（同T、p时），

＝

（同质量的气体时）等。

（7）混合气体的密度ρ混＝

＝

（g·L－1）（T、V不变时，ρ不变）。

（8）混合气体的平均摩尔质量

＝

＝

（g·mol－1）。

【例5】　已知可逆反应：

M（g）＋N（g）

P（g）＋Q（g）　ΔH>0，请回答下列问题：

（1）某温度下，反应物的起始浓度分别为c（M）＝1mol·L－1，c（N）＝2.4mol·L－1；达到平衡后，M的转化率为60%，此时N的转化率为。

（2）若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为c（M）＝4mol·L－1，c（N）＝amol·L－1；达到平衡后，c（P）＝2mol·L－1，则a＝。

（3）若反应温度不变，反应物的起始浓度为c（M）＝c（N）＝bmol·L－1，达到平衡后，M的转化率为。

[解析]　用“平衡三段式法”，借助平衡常数来串联计算：

（1）　　　　　　M（g）＋N（g）

P（g）＋Q（g）

起始（mol·L－1）　　1　　2.4　　　0　　　0

变化（mol·L－1）0.60.60.60.6

平衡（mol·L－1）0.41.80.60.6

α（N）＝

×100%＝25%，K＝

＝0.5。

（2）　　　　　　　M（g）＋N（g）P（g）＋Q（g）

起始（mol·L－1）　　4　　　a　　　0　　　0

平衡（mol·L－1）2a－222

由K＝

＝0.5，解得a＝6。

（3）　　　　　　　M（g）　＋　N（g）

P（g）＋Q（g）

起始（mol·L－1）　　b　　　　　b　　　0　　0

平衡（mol·L－1）b（1－x）b（1－x）bxbx

由K＝

＝0.5，解得x≈41.4%。

[答案]　

（1）25%　

（2）6　（3）41.4%

【例6】　在2L的密闭容器中，放入0.4molA和0.6molB，在一定温度下，压强为p，加入催化剂（体积忽略），发生反应：

2A（g）＋3B（g）

xC（g）＋2D（g），保持温度不变，在amin后反应达到平衡状态，容器中c（D）＝0.1mol·L－1，容器内压强变为0.9p，则：

（1）物质B的转化率是。

（2）化学反应速率v（C）是。

（3）x为。

[解析]　　　2A（g）＋3B（g）

xC（g）＋2D（g）

起始（mol）：

　0.4　　0.6　　0　　　0

转化（mol）:

0.20.30.1x0.2

平衡（mol）:

0.20.30.1x0.2

α（B）＝

×100%＝50%。

同温同体积下气体的压强之比等于气体的物质的量之比，即（0.6＋0.4）∶（0.2＋0.3＋0.1x＋0.2）＝1∶0.9，解得x＝2，v（C）＝0.2mol/（2L×amin）＝0.1/amol·L－1·min－1。

[答案]　

（1）50%　

（2）0.1/amol·L－1·min－1　（3）2

五、运用“化归思想”理解等效平衡原理

1．用“化归思想”理解不同条件下等效平衡原理

条件

等效条件

结果

恒温恒容：

反应前后气体分子数不等的可逆反应

投料换算成相同物质表示的物质的量相同

两次平衡时各组分百分含量、n、c均相同

恒温恒容：

反应前后等气体分子数的可逆反应

投料换算成相同物质表示的物质的量等比例

两次平衡时各组分百分含量相同，n、c同比例变化

恒温恒压：

所有可逆反应

投料换算成相同物质表示的物质的量等比例

两次平衡时各组分百分含量相同，n同比例变化

2．利用“一边倒法”判断等效平衡

判断等效平衡四步曲：

第一步，看。

观察可逆反应特点（物质状态、气体分子数），判断反应前后等气体分子数的可逆反应和反应前后不等气体分子数的可逆反应；第二步，挖。

挖掘题目条件，区分恒温恒容和恒温恒压，注意密闭容器不等于恒容容器；第三步，倒。

采用一边倒法，将起始物质转化成一边的物质。

第四步，联。

联系等效平衡判断依据，结合题目条件判断是否达到等效平衡。

【名师点拨】　抓住题目所给条件，从化学平衡与路径无关出发，结合平衡移动原理，将各种情况转化成“同组成浓度是否相等”（化归思想），从而判断是否达到等效平衡状态。

【例7】　（双选）在恒温、恒容条件下，发生如下反应：

2A（g）＋2B（g）C（g）＋3D（g），现分别从两条途径建立平衡。

途径Ⅰ：

A、B的起始浓度均为2mol·L－1；途径Ⅱ：

C、D的起始浓度分别为2mol·L－1和6mol·L－1。

下列叙述中正确的是（　　）

A．达到平衡时，途径Ⅰ的反应速率v（A）等于途径Ⅱ的反应速率v（A）

B．达到平衡时，途径Ⅰ所得混合气体的压强等于途径Ⅱ所得混合气体的压强的

C．Ⅰ、Ⅱ两途径最终达到平衡时，体系内各组分的百分含量相同

D．Ⅰ、Ⅱ两途径最终达到平衡时，体系内各组分的百分含量不相同

[解析]　恒温、恒容条件下，达到平衡时，途径Ⅰ和途径Ⅱ两平衡等效，途径Ⅱ各物质的浓度是途径Ⅰ的2倍，反应速率也是途径Ⅰ的2倍，故A错误；浓度，途径Ⅱ是途径Ⅰ的2倍，压强，途径Ⅰ是途径Ⅱ的

，故B正确；由于起始量转化后比例相等是等效平衡，故各组分百分含量相同，故C正确，D错误。

[答案]　BC