化学反应速率与平衡的与化学平衡.docx

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化学反应速率与平衡的与化学平衡

第四章化学反应的速率与化学平衡

【知识导航】

美国明尼苏达大学牵头的一个国际研究小组日前在催化剂制备方面取得突破，可明显提升化学反应速率，使汽油、塑料、药品等产业的生产成本显著下降。

该新型催化剂采用高度优化的超薄沸石纳米片制备，使用独特工艺将薄片呈90°角扩展，类似于用纸牌搭成的房子，而成本与传统工艺相当甚至更低。

研究人员将该新型催化剂比作高速公路，由于缝隙更加通畅，分子通过会更快捷且反应高效，而老式的催化剂则类似于小巷，容易将分子卡住从而反应缓慢。

——中国化工报

【重难点】

1．化学反应速率

（1）速率的表示

定义：

单位时间内反应物浓度减少的量或生成物浓度增加的量。

公式：

单位：

mol·（L·min）-1，mol·（L·s）-1

注意：

①同一反应中，不同反应物或生成物有不同的反应速率，各物质反应速率的比=反应式中相应物质的系数比。

②公式得到的是某个时间段的平均速率，影响速率大小的主要因素是物质的本性。

（2）影响速率的外界因素

活化能（如图4-1）

图4-1活化能（Ea和Ea’）示意图图4-2催化剂与活化能的关系

影响速率的主要外界因素是：

浓度、温度、压强、催化剂。

因素

影响

原因

影响方式

cB

cB↑,υ↑

都是缘于活化分子数的增加

加入哪种物质，其cB↑,则υ↑。

质量作用定律。

P

P↑,υ↑

P↑,V↓，cB↑（体系中所有的物质）,则υ↑。

T

T↑,υ↑

T↑,活化分子数↑（体系中所有的物质）,则υ↑。

催化剂

加催化剂，υ↑

加催化剂,Ea↓，活化分子数↑（体系中所有的物质）,则υ↑。

这里Ea↓是通过改变反应历程来实现的。

在可逆反应中，正逆影响相等。

与T对Ea↓的影响不同。

（如图4-2）

2.化学反应平衡

（1）概念

定义：

对可逆反应而言，当正反应的速率与逆反应的速率相等时的化学反应状态就是化学平衡。

特点：

等，正反应速率和逆反应速率相等。

定，平衡时整个体系各物质的浓度为定值。

动，正反应和逆反应仍然继续发生着，是动态平衡。

性质：

暂时的，相对的，外界条件一旦改变，平衡也将被破坏；平衡时反应达到最大程度。

（2）平衡常数表达式

设可逆反应：

aA+bBgG+hH，其浓度常数和压强常数表达式如下：

此常数值与反应的温度、反应式的书写有关，与反应物浓度和压强无关。

（3）平衡的移动

概念：

当外界条件改变时，

也发生了改变，而

和

的改变不等，所以，原来平衡时

变成

，平衡破坏了，要重新建立新的平衡，这就是平衡的移动。

平衡移动方向：

外界因素对化学反应速度和化学平衡的影响

外界条件

对反应速率的影响

对化学平衡的影响

浓度

反应物浓度增大，υ增大

反应物浓度减小，υ减小

基元反应Aa+bB→Dd+eE质量作用定律表达式为：

υ=k·C

·C

反应物浓度增大，平衡右移

反应物浓度减小，平衡左移

生成物浓度增大，平衡左移

生成物浓度减小，平衡右移

压强

有气体物质参加反应时：

压强增大，υ增大

压强减小，υ减小

有气体物质参加反应，且反应前后气体分子总数不相等时；压强增大，平衡向气体分子总数减小的方向移动；压强减小，平衡向气体分子总数增大的方向移动

温度

升高温度，υ增大

降低温度，υ减小

温度影响速率常数k

升高温度，平衡向吸热反应方向移动

降低温度，平衡向放热反应方向移动。

温度影响平衡常数K

催化剂

加入正催化剂υ增大

催化剂影响速率常数k

催化剂可加快平衡到达的时间，不能使平衡移动

【例题分析】

1．汽车尾气里有NO气体，它是汽车内燃机燃烧的高温引起的氮气和氧气的反应：

N2（g）+O2（g）2NO（g）Kc=0.10（2000℃）

在一个2升的容器里进行实验，起始时，氮气和氧气的浓度分别为0.81mol·L-1，求达到平衡时NO气体的浓度。

解：

求平衡浓度往往可以通过平衡常数关系列方程求解得到。

即：

设某一组分的平衡浓度为x，根据反应关系式，得到其他组分的平衡表示式，代入常数方程求解。

本题：

设NO的平衡浓度为x，N2和O2的平衡浓度为0.81-1/2x，

N2（g）+O2（g）2NO（g）Kc=0.10（2000℃）

0.81-1/2x0.81-1/2xx

根据

解得x≈0.2561,平衡时NO的浓度为0.2561mol·L-1。

2．下图是温度和压强对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中只有一种是气态，Z为气态D.上述反应的逆反应为吸热反应

答案：

C

解析：

根据题目中的图像，在压强不变的情况下，例如1000kPa，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，逆反应为放热反应，故A、D项错误。

同样，在温度不变的情况下，从1000→100→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项正确。

【知识拓展】

一、化学平衡常见图像及其分析

1.图像分析（如图4-3）：

图4-3反应平衡图1

（1）若a、b点重合，则平衡移动肯定是改变某一物质的浓度导致。

（2）若a、b点不重合，则平衡移动可能是由于以下原因所导致：

①同时不同程度地改变反应物（或生成物）的浓度；②改变反应体系的压强（考虑气体）；③改变反应体系的温度。

（3）若平衡无移动，则可能是由于以下原因所导致：

①反应前后气体分子个数不变；②使用了催化剂。

（4）若υ正在υ逆的上方，即平衡向正反应方向移动；若υ逆在υ正的上方，即平衡向逆反应方向移动。

2.图像分析（如图4-4）：

图4-4反应平衡图2

（1）由曲线的拐点作垂直于横轴（即t轴）的垂线，其交点即为该条件下达到平衡的时间。

（2）由达到平衡的时间长短，推断P1与P2、T1与T2的相对大小（图4-4中，P1＞P2、T1＜T2），左图理解为压强增大，反应更快达到平衡（气体）；右图理解为温度升高，反应更快达到平衡。

（3）y轴代表的物理量不是P，可以是产物的物质的量或产物的生成速度等。

3.图像分析（如图4-5）：

图4-5反应平衡图3

（1）固定压强P（或温度T），即作横坐标轴的垂线，观察分析图中所示各物理量随压强p（或温度T）的变化结果。

（2）y可以是某物质的质量分数、转化率、浓度、浓度比值、体积分数、物质的量分数等。

（3）左图如果y轴为反应物转化率且P1＞P2＞P3，可以理解为当温度固定时，随着反应压强（气体）增大，反应物的转化率也增大，说明反应物体积大于生成物体积。

右图同样理解。

图像分析（如图4-6）：

图4-6反应平衡图4

（1）温度T2（最高点）为化学平衡点，y轴可以是产物的物质的量或产物的生成速度等。

（2）0～T1～T2温度段是随温度（T）升高，反应速率加快，产物的浓度增大或反应物的转化率增大。

（3）T2～T3温度段是随温度升高而y轴数值降低，如果y轴代表产物的物质的量，说明逆反应为吸热反应。

二、解答化学平衡图像问题的技巧

1、“先拐先平，数值大”：

在含量-时间曲线中，先出现拐点的，则先达到化学平衡状态，说明该曲线的温度较高或压强（气体）较大；

2、“定一议二”：

如图像中有三个变量，先确定一个量不变，再讨论另外两个量的关系。

【习题】

一、选择题

【A型题】

1．气体A与气体B发生反应，其它条件不变，若气体A的浓度增大1倍，则速率增大到原来的2倍，若气体B的浓度增大1倍，则速率增大到原来的4倍，那么A与B的反应可能是（）

A．2A+B

CB．A+2B

CC．A+B

CD．4A+2B

C

2．关于速率常数k的叙述正确的是（）

A．k与温度无关B．k与浓度无关

C．k与催化剂无关D．k适合于基元反应和多步反应

3．关于活化能，下列说法正确的是（）

A．活化能越大，反应速率越快B．一般说，活化能越小，反应速率越快

C．活化能是反应物本身具有的能量D．正反应的活化能与逆反应的活化能相同

4．下列平衡：

3Fe（s）＋4H2O（g）

Fe3O4（s）＋4H2（g）该反应的平衡常数表达式正确的是（）

A．Kc＝[Fe3O4][H2]/[Fe][H2O]B．Kc＝[Fe3O4][H2]4/[Fe]3[H2O]4

C．Kc＝[Fe3O4][H2]4/[Fe]3[H2O]D．Kc＝[H2]4/[H2O]4

5．某温度下，在体积为1L的密闭容器中，将5molSO2和2.5molO2混合，得到3molSO3,反应式为2SO2+O2

2SO3，则该条件下SO2的转化率为（）

A．40%B．50%C．60%D．70%

6．对于反应；2H2（g）+O2（g）

2H2O（l）+Q，理论上最有利于H2O生成的条件是（）

A．高温高压B．低温低压C．低温高压D．高温低压

7．在某温度下，反应：

A（s）＋B2+（aq）

A2+（aq）＋B（s）的平衡常数Kc＝1.0，在同温度下，若B2+和A2+的浓度分别为0.50mol·L-1和0.10mol·L-1则（）

A．正方向反应是自发的B．系统处于平衡状态

C．逆方向反应是自发的D．先正方向后逆方向

8．反应2HBr（g）

H2（g）＋Br2（g）–Q达到平衡时，要使混合气体颜色加深，可采取的方法（）

A．减小压强B．增大氢的浓度C．升高温度D．使用催化剂

9．反应：

2NH3（g）

N2（g）＋3H2（g），在某温度下的平衡常数为0.25，则在此温度下反应

N2（g）＋

H2（g）

NH3（g）的平衡常数为（）

A．4B．0.5C．2.0D．0.25

10．对于平衡体系aA（g）＋bB（s）

dD（g）＋eE（g），增大压强（其它条件不变），D的含量减少，则系数关系应是（）

A．a+d＜eB．a+b＜d+eC．d+e＞aD．d+e＜a

11．已知合成氨反应的浓度数据如下：

N2+3H2

2NH3

起始浓度/mol/L1.03.00

2秒末浓度/mol/L0.61.80.8

当用氨气浓度的增加来表示该化学反应速率时,其速率为（）

A．0.2mol·（L·s）-1B．0.4mol·（L·s）-1C．0.6mol·（L·s）-1D．0.8mol·（L·s）-1

12．有可逆反应C（s）＋H2O（g）

CO（g）＋H2（g）–Q下列说法正确的是（）

A．降低温度将对提高C（s）的转化率有利

B．达到平衡时，反应物和生成物浓度相等

C．减少H2O（g）的量，平衡将向正方向移动

D．平衡时，各反应物和生成物的浓度不再改变

13．下列说法正确的是（）

A．平衡常数随起始浓度不同而变化

B．转化率相同的反应，平衡常数也相同

C．反应物的转化率不随起始浓度变化而变化

D．某反应物的转化率与它在总反应物中所占的比例不同而不同

14．对于2NO2（g）

N2O4（g）平衡体系，迅速减小体积，体系的颜色变化是（）

A．加深B．变浅C．先浅后深D．先深后浅

15．对放热反应，正、逆反应活化能的关系是（）

A．E正＞E逆B．E正＜E逆C．E正=E逆D．先E正E逆

16．在N2+3H2

2NH3的反应中，经过一段时间后，NH3的浓度增加了0.6mol·L-1，在此时间内用H2表示的平均反应速率为0.45mol·（L·s）-1，反应所经过的时间是（）

A．2sB．1sC．1.33sD．0.44s

17．在一个密闭容器中，下列反应已达到平衡：

aA（g）+bB（g）

cC（g）+dD（g）+Q，如果升高温度或降低压强，则C（g）物质的量都增大，试判断下列各组结论正确的是（）

A．a+bc+d，Q<0

C．a+b0D．a+b=c+d，Q<0

18．在密闭容器内进行下列反应：

X2（g）+Y2（g）

2Z（g）。

已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.2mol·L-1，当反应在一定条件下达到平衡时各物质浓度可能是（）

A．Z为0.3mol·L-1B．Y2为0.35mol·L-1

C．X2为0.2mol·L-1D．Z为0.4mol·L-1

19．在一密闭容器中，用等物质的量的A和B发生如下反应：

A（g）+2B（g）

2C（g），反应达到平衡时，若混合气体中的A和B的物质的量之和与C的物质的量相等，则此时A的转化率为（）

A．40%B．50%C．60%D．70%

20．在2L密闭容器中，发生3A（g）+B（g）

2C（g）的反应，若最初加入A和B都是4mol，A的平均反应速率为0.12mol·（L·s）-1，则10s后容器中的B是（）

A．1.6molB．2.8molC．3.2molD．3.6mol

21．将氯酸钾加热分解，在0.5min内放出氧气5mL，加入二氧化锰后，在同样温度下0.2min内放出氧气50mL，则加入二氧化锰后的反应速率是未加二氧化锰时反应速率的多少倍（）

A．10B．25C．50D．250

22．在一定温度下，反应A2（g）+B2（g）

2AB（g）达到平衡状态的标志是（）

A．单位时间内生成nmolA2同时生成nmolB2

B．单位时间内生成nmolB2同时生成2nmolAB

C．A2的浓度等于B2的浓度

D．B2的质量分数不随时间变化

23．增大压强，既能改变下列可逆反应的正逆反应速率，又能使化学平衡向正反应方向移动的反应是（）

A．N2O4（g）

2NO2（g）B．2NO（g）+O2（g）

2NO2（g）

C．CaCO3（s）

CaO（s）+CO2（g）D．Fe3O4（s）+4CO（g）

3Fe（s）+4CO2（g）

24．在密闭容器中充入4molHI，在一定温度下，2HI（g）

H2（g）+I2（g），达到平衡时，有30%的HI分解，则平衡时混合气体总的物质的量是（）

A．4molB．3.4molC．2.8molD．1.2mol

25．110LN2和130LH2在一定条件下合成氨，当达到平衡时混合气体的总体积为220L，则生成的氨气为（）

A．10LB．20LC．25LD．30L

【X型题】每题的备选答案中有2个或2个以上正确答案。

26．在mA（g）＋nB（g）

pC（g）＋qD（g）–Q的反应中，当m+n＞p+q在平衡时，改变条件能使平衡右移的是（）

A．加压、升温B．减压、降温

C．加压、增加反应物的浓度D．升温、减少生成物的浓度

27．对N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）达到平衡状态的标志是（）

A．Q＝KcB．[N2]＝[H2]＝[NH3]

C．[N2]>[NH3]D．[N2]、[H2]、[NH3]都保持不变

28．降低压强和升高温度，可使平衡向正方向移动的是（）

A．C（s）＋H2O（g）

CO（g）＋H2（g）–QB．N2（g）＋O2（g）

2NO（g）–Q

C．N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）＋QD．2H2O（g）

2H2（g）＋O2（g）–Q

29．对反应N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）＋Q，提高氢气转化率的方法是（）

A．升温B．降温C．增加压力D．增加N2（g）的量

30．下列对正催化剂叙述正确的是（）

A．降低正反应的活化能B．增加活化分子的百分数

C．改变了反应历程D．增加有效碰撞次数

二、填空题

1．化学反应的活化能越高，活化分子数越___；有效碰撞次数越___；化学反应速率越_____。

2．影响速率常数的因素有_____、_____；影响平衡常数的因素有_____。

3．书写平衡常数表示式除应标明反应温度，平衡常数表达式与化学反应式的书写一致之外，还应注明__________________________、_________________________________。

4．压强只能使具有_________和______________条件的化学反应平衡发生移动。

三、计算题

1．在300K时，反应2NOCl2NO＋Cl2的NOCl浓度和反应速度的数据如下：

NOCl的初始浓度，mol·L-1

初始速度，mol·（L·s）-1

0.30

3.60×10-9

0.60

1.44×10-8

求出反应速率常数并写出反应速率方程。

2．已知Pb2+＋Sn===Pb＋Sn2+Kc＝2.41

（1）若初始浓度[Pb2+]＝0.1mol·L-1，达到平衡时Pb2+和Sn2+的浓度各是多少？

（2）若[Pb2+]＝0.1mol·L-1，[Sn2+]＝0.5mol·L-1，反应将向何方向进行？

（3）若平衡时[Sn2+]＝0.1mol·L-1，反应开始时[Pb2+]是多少？

3．在某温度下，密闭容器中进行下列反应：

CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）Kc＝1

求：

（1）当H2O与CO物质的量之比为1时，CO的转化率为多少？

（2）当H2O与CO物质的量之比为3时，CO的转化率为多少？

（3）根据上述计算结果，能得出什么结论？

四、问答题

1．影响化学反应速率的因素有哪些？

怎样解释这些影响？

2．压强增加，反应速率如何改变？

平衡将怎样移动？

【参考答案】

一、选择题

【A型题】

1.B2.B3.B4.D5.C6.C7.A8.C9.C10.C11.B12.D13.D14.D15.B

16.A17.B18.A19.B20.A21.B22.D23.B24.A25.A

【X型题】

26．ACD27．AD28．AD29．BCD30．ABCD

二、填空题

1．少，低，慢。

2．温度、催化剂温度

3．固体和纯液体部分浓度不写入平衡常数表达式中，有水参加或水生成的反应水的浓度不写入平衡常数表达式中。

4．有气体参加，反应前后分子总数不等。

三、计算题

1．解：

设速率：

υ＝k[NOCI]x

则：

3.60×10-9＝k[0.30]x…………

（1）

1.44×10-8＝k[0.60]x…………

（2）

（1）÷

（2）得：

0.25＝0.5x解得：

x＝2

将x代入

（1）式，解得速率常数为：

k＝3.60×10-9÷0.09＝4×10-8

故速率方程为：

υ＝4×10-8[NOCI]2

2．解：

（1）已知：

Kc＝2.41[Pb2+]＝0.1

则：

2.41＝[Sn2+]÷0.1

得：

[Sn2+]＝0.241

（2）根据：

Q＝[Sn2+]÷[Pb2+]

＝0.5÷0.1

＝5＞2.41

故：

平衡向逆方向移动

（3）设平衡时[Pb2+]为x

因为：

2.41＝0.1÷x

得：

x＝0.041

则：

反应开始时[Pb2+]＝0.1＋0.041＝0.141

3．解：

（1）设平衡时CO2物质的量为x，CO初始时物质的量为1。

CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）

1-x1-xxx

1＝x2÷（1-x）2

解得：

x＝0.5故：

转化率a＝

＝50%

（2）同理1＝y2÷（1-y）（3-y）

解得：

y＝0.75故：

转化率a＝

＝75%

（3）由此可得，要提高某一反应物的转化率，可通过增加另一反应物的比例（量）来获得。

四、问答题

1．影响化学反应速率的因素有活化能、浓度、温度、催化剂和压强等。

活化能越低，活化分子百分数就越大，反应速率越快，反之就慢。

活化能是决定反应速率的根本原因。

反应物浓度越大，单位时间内反应物分子间碰撞频率就越大，有效碰撞频率也越大，反应速率增大。

增加温度，提高了反应分子的运动速度，使碰撞频率增大；同时也增加了分子能量，即增大了活化分子百分数。

这两个因素都使反应速率增大，但后一因素是主要的。

催化剂改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应速率增加。

压强对有气体参加且反应两边体积不等的反应速率有明显的影响。

2．压强增加实际上是改变了体系的体积，从而改变各物质的浓度。

对无气体参加的反应，压强对体系体积的影响不大，可忽略不计；对有气体参加的反应，增加压强，使反应式中分子总数多的一方浓度增加更大，因此平衡向分子总数少的一方移动。

此时，体系中正、逆反应的速率都增加了，因为浓度都增加了，只是分子总数多的一方增加的速率更大而已。

【趣味题】

酶是一种生物催化剂，它具有催化剂属性，同是也具有一些无机催化剂所不具有的特性，比如在常温和常压下其催化效率比一般催化剂高107~1013倍。

最主要的特性还是酶的温度特性，即酶只能在一定的温度区间内起催化作用。

正是因为酶的这些特性使得人体温度钳制在一个固定温度附近。

酶是怎样钳制人体体温的呢？

这就涉及到化学平衡的一些原理了。

化学平衡的平衡关系取决于化学反应的活化能。

而催化剂之所以催化就在于催化剂可以改变活化能从而调整化学平衡关系。

人体体内并不是单一化学平衡而是有非常多的单一化学平衡组成的复杂平衡体系。

在这里边一个平衡的反应物可能就是另外一个反应的生成物，各个化学平衡之间交错混杂，最终将人体温度钳制在一定的范围内。

这是对正常人体温恒定的解释。