3.影响化学平衡的因素
若其他条件不变,改变下列条件对平衡的影响如下:
勒夏特列原理:
如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。
4.充入惰性气体与平衡移动的关系
(1)恒温、恒容条件
原平衡体系
体系总压强增大→体系中各组分的浓度不变→平衡不移动。
[应用体验]
1.已知在K2Cr2O7的溶液中存在平衡
取两试管各加入5mL0.1mol/L的K2Cr2O7溶液。
(1)向1号试管中加入几滴浓H2SO4,橙色________,说明平衡向________方向移动。
(2)向2号试管中加入几滴浓NaOH溶液,橙色________,说明平衡向________方向移动。
[提示]
(1)变深 逆反应
(2)变为黄色 正反应
2.将充入NO2的球放入热水,颜色变化为________,放入冰水中颜色变化为________,说明2NO2(g)N2O4(g)的ΔH________0。
[提示] 红棕色变深 红棕色变浅 <
[考点多维探究]
角度1 化学平衡移动的判断
1.对于一定条件下的可逆反应
【导学号:
95812174】
甲:
A(g)+B(g)C(g) ΔH<0
乙:
A(s)+B(g)C(g) ΔH<0
丙:
A(g)+B(g)2C(g) ΔH>0
达到化学平衡后,改变条件,按要求回答下列问题:
(1)升温,平衡移动方向分别为(填“向左”“向右”或“不移动”)
甲________;乙________;丙________。
此时反应体系的温度均比原来________(填“高”或“低”)。
混合气体的平均相对分子质量变化分别为(填“增大”“减小”或“不变”)
甲________;乙________;丙________。
(2)加压,使体系体积缩小为原来的
①平衡移动方向(填“向左”“向右”或“不移动”)
甲________;乙________;丙________。
②设压缩之前压强分别为p甲、p乙、p丙,压缩后压强分别为p′甲、p′乙、p′丙,则p甲与p′甲,p乙与p′乙,p丙与p′丙的关系分别为
甲________;乙________;丙________。
(3)恒温恒压充入氖气,平衡移动方向(填“向左”“向右”或“不移动”)
甲________;乙________;丙________。
[答案]
(1)向左 向左 向右 高 减小 减小 不变
(2)①向右 不移动 不移动 ②p甲
(3)向左 不移动 不移动
2.(2017·武汉模拟)在某密闭容器中充入等物质的量的气体A和B,一定温度下发生反应:
A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,只改变反应的一个条件,测得容器中物质的浓度、反应速率随时间变化如下图所示。
下列说法中正确的是( )
A.20~30min时温度、压强不变,40min时温度不变,增大压强
B.8min前A的平均反应速率为0.08mol·(L·s)-1
C.反应方程式中的x=1,正反应为吸热反应
D.20~40min时该反应的环境温度不变
D [第30min浓度突然减小,说明此时应为增大容器体积,减小压强;第40min正逆反应速率同时增大且平衡向左移动,说明此时反应温度升高,A错误;8min前A的平均反应速率为
=0.00133mol·(L·s)-1,B错误;由A、B、C三种物质单位时间的物质的量浓度变化可知反应方程式中的x=1,而第40min时平衡逆向移动说明正反应放热,C错误;20~40min时该平衡没有移动,故反应温度没有改变,D正确。
]
分析化学平衡移动问题的注意事项
(1)平衡移动的结果只是减弱了外界条件的变化,而不能消除外界条件的变化。
(2)不要把v(正)增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有v(正)>v(逆)时,才使平衡向正反应方向移动。
(3)同等程度地改变反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。
(4)对于缩小体积增大压强,不管是否移动,各成分的浓度均增大,但增大的倍数可能不同也可能相同。
角度2 外界条件对转化率或产率的影响
3.(2017·成都模拟)工业上采取下列方法消除NO2污染:
CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-867kJ/mol,下列说法正确的是( )
【导学号:
95812175】
A.冷却使水液化可提高NO2的平衡转化率
B.提高反应温度,平衡常数增大
C.缩小容器的体积,逆反应速率增大的程度比正反应速率增大的程度小
D.加入合适的催化剂可提高NO2的平衡转化率
A [选项A,减小生成物浓度,平衡向正反应方向移动,NO2的平衡转化率增大,正确;选项B,升温平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,错误;选项C,缩小容器体积相当于加压,平衡向逆反应方向移动,逆反应速率增大的程度更大,错误;选项D,使用催化剂对平衡的移动无影响,错误。
]
4.(2015·全国卷Ⅱ节选)甲醇既是重要的化工原料,又可作为燃料,利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇。
发生的主要反应如下:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1<0
②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2
③CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3>0
回答下列问题:
(1)反应①的化学平衡常数K表达式为________;图1中能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线为________(填曲线标记字母),其判断理由是________。
图1
(2)合成气组成n(H2)/n(CO+CO2)=2.60时,体系中的CO平衡转化率(α)与温度和压强的关系如图2所示。
α(CO)值随温度升高而________(填“增大”或“减小”),其原因是______________________________________________;
图2中的压强由大到小为________,其判断理由是___________________。
图2
[解析]
(1)根据化学平衡常数的书写要求可知,反应①的化学平衡常数为K=c(CH3OH)/[c(CO)·c2(H2)]。
反应①为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,平衡常数K减小,故曲线a符合要求。
(2)由图2可知,压强一定时,CO的平衡转化率随温度的升高而减小,其原因是反应①为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,反应③为吸热反应,温度升高,平衡正向移动,又使产生CO的量增大,而总结果是随温度升高,CO的转化率减小。
反应①的正反应为气体总分子数减小的反应,温度一定时,增大压强,平衡正向移动,CO的平衡转化率增大,而反应③为气体总分子数不变的反应,产生CO的量不受压强的影响,因此增大压强时,CO的转化率提高,故压强p1、p2、p3的关系为p1<p2<p3。
[答案]
(1)K=
[或Kp=
] a 反应①为放热反应,平衡常数数值应随温度升高而变小
(2)减小 升高温度时,反应①为放热反应,平衡向左移动,使得体系中CO的量增大;反应③为吸热反应,平衡向右移动,又使产生CO的量增大;总结果,随温度升高,使CO的转化率降低
p3>p2>p1 相同温度下,由于反应①为气体分子数减小的反应,加压有利于提升CO的转化率;而反应③为气体分子数不变的反应,产生CO的量不受压强影响。
故增大压强时,有利于CO的转化率升高
5.(2016·全国甲卷节选)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料,工业上可用“丙烯氨氧化法”生产,主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。
回答下列问题:
(1)以丙烯、氨、氧气为原料,在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下:
①C3H6(g)+NH3(g)+
O2(g)===C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515kJ·mol-1
②C3H6(g)+O2(g)===C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353kJ·mol-1
有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是__________;提高丙烯腈反应选择性的关键因素是________。
(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,最高产率对应的温度为460℃。
低于460℃时,丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率,判断理由是___________________;
高于460℃时,丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选,填字母)。
A.催化剂活性降低 B.平衡常数变大
C.副反应增多D.反应活化能增大
图(a) 图(b)
(3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。
由图可知,最佳n(氨)/n(丙烯)约为________,理由是_________________________________。
进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为________。
[解析]
(1)由于反应①是一个气体分子数增加的放热反应,降温、减压均有利于提高丙烯腈的平衡产率。
有机反应中要提高某反应的选择性,关键是选择合适的催化剂。
(2)由于反应①是放热反应,温度降低,平衡右移,丙烯腈的平衡产率应增大,因此图(a)中460℃以下的产率不是对应温度下的平衡产率。
反应①的平衡常数随温度的升高而变小,反应的活化能不受温度的影响,故当温度高于460℃时,丙烯腈的产率降低的可能原因是催化剂活性降低和副反应增多。
(3)由图(b)可知,当n(氨)/n(丙烯)=1时,丙烯腈的产率最高,而丙烯醛的产率已趋近于0,如果n(氨)/n(丙烯)再增大,丙烯腈的产率反而降低,故最佳n(氨)/n(丙烯)约为1。
空气中O2的体积分数约为
,结合反应①方程式及最佳n(氨)/n(丙烯)约为1可知,进料气氨、空气、丙烯的理论体积比应为1∶
∶1=1∶7.5∶1。
[答案]
(1)降低温度,降低压强 催化剂
(2)不是 该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低 AC
(3)1 该比例下丙烯腈产率最高,而副产物丙烯醛产率最低 1∶7.5∶1
平衡移动与转化率的关系
判断转化率的变化时,不要把平衡正向移动与反应物转化率提高等同起来,要视具体情况而定。
若有多种反应物,增大某一反应物的浓度,则另外的反应物的转化率增大而自身的减小。
若只有一种反应物时(恒温恒容)
反应实例
反应物
的浓度
平衡
移动
转化率
变化
产物百
分含量
2SO3(g)
2SO2(g)+O2(g)
增大
正向
减小
减小
2NO2(g)
N2O4(g)
增大
正向
增大
增大
2HI(g)I2(g)+
H2(g)
增大
正向
不变
不变
角度3 化学反应速率与化学平衡的综合应用
6.(2015·全国卷Ⅰ节选)Bodensteins研究了下列反应:
2HI(g)H2(g)+I2(g)
在716K时,气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表:
t/min
0
20
40
60
80
120
x(HI)
1
0.91
0.85
0.815
0.795
0.784
x(HI)
0
0.60
0.73
0.773
0.780
0.784
(1)根据上述实验结果,该反应的平衡常数K的计算式为________。
(2)上述反应中,正反应速率为v正=k正x2(HI),逆反应速率为v逆=k逆x(H2)x(I2),其中k正、k逆为速率常数,则k逆为________(以K和k正表示)。
若k正=0.0027min-1,在t=40min时,v正=________min-1。
(3)由上述实验数据计算得到v正~x(HI)和v逆~x(H2)的关系可用下图表示。
当升高到某一温度时,反应重新达到平衡,相应的点分别为________(填字母)。
[解析]
(1)由表中数据可知,无论是从正反应方向开始,还是从逆反应方向开始,最终x(HI)均为0.784,说明此时已达到了平衡状态。
设HI的初始浓度为1mol·L-1,则:
2HI(g)H2(g)+I2(g)
初始浓度/mol·L-11 0 0
转化浓度/mol·L-10.2160.1080.108
平衡浓度/mol·L-10.7840.1080.108
K=
=
。
(2)建立平衡时,v正=v逆,即k正x2(HI)=k逆x(H2)·x(I2),k逆=
k正。
由于该反应前后气体分子数不变,故k逆=
k正=
k正=
。
在40min时,x(HI)=0.85,则v正=0.0027min-1×0.852≈1.95×10-3min-1。
(3)因2HI(g)H2(g)+I2(g) ΔH>0,升高温度,v正、v逆均增大,且平衡向正反应方向移动,HI的物质的量分数减小,H2、I2的物质的量分数增大。
因此,反应重新达到平衡后,相应的点分别应为A点和E点。
[答案]
(1)
(2)k正/K 1.95×10-3
(3)A、E
考点3|“等效平衡”在平衡状态比较中的应用
[基础知识整合]
1.等效平衡的概念
在相同条件下(恒温、恒容或恒温、恒压),同一可逆反应体系,不管是从正反应方向开始,还是从逆反应方向开始,只要按化学方程式中各物质的化学计量数之比投入反应物或生成物,在达到化学平衡状态时,任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)均相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。
2.等效平衡的类型
等效类型
①
②
③
条件
恒温、恒容
恒温、恒容
恒温、恒压
反应的特点
任何可
逆反应
反应前后
气体分子
数相等
任何可逆
反应
起始投料
换算为化
学方程式
同一边物
质,其
“量”相同
换算为化
学方程式
同一边物
质,其“量”
符合同一
比例
换算为化学方程式同一边物质,其“量”符合同一比例
平衡特点
质量分
数(w%)
相同
相同
相同
浓度(c)
相同
成比例
相同(气体)
物质的量(n)
相同
成比例
成比例
[应用体验]
在恒温恒容条件下,可逆反应:
2A(g)+B(g)3C(g)+D(g) ΔH=-Q1kJ·mol-1(Q1>0),起始物质的量如表所示:
序号
A
B
C
D
①
2mol
1mol
0
0
②
4mol
2mol
0
0
③
1mol
0.5mol
1.5mol
0.5mol
④