2020新课标高考化学二轮教师用书：第1部分专题7　化学反应速率和化学平衡


专题七 　 化学反应速率和化学平衡

1．了解化学反应速率的概念和定量表示方法，能正确计算化学反应的转化率(α)。　2.了解反应活化能的概念，了解催化剂的重要作用。　3.了解化学反应的可逆性及化学平衡的建立。　4.掌握化学平衡的特征，了解化学平衡常数K的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。　5.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对反应速率和化学平衡的影响，能用相关理论解释其一般规律。　6.了解化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。


■真题引领——感悟高考真题·········································
1．(2019·浙江4月选考)下列说法正确的是 (　　)
A．H2(g)＋I2(g)2HI(g)，其他条件不变，缩小反应容器体积，正、逆反应速率不变
B．C(s)＋H2O(g)H2(g)＋CO(g)，碳的质量不再改变说明反应已达平衡
C．若压强不再随时间变化能说明反应2A(？)＋B(g)2C(？)已达平衡，则A、C不能同时是气体
D．1 mol N2和3 mol H2反应达到平衡时H2转化率为10%，放出热量Q1；在相同温度和压强下，当2 mol NH3分解为N2和H2的转化率为10%时，吸收热量Q2，Q2不等于Q1
B　[对于反应H2(g)＋I2(g)2HI(g)，反应前后气体分子数相等，缩小反应容器体积，平衡不移动，正、逆反应速率增大相同的倍数，A项错误；碳的质量不变，说明正、逆反应速率相等，反应已达平衡状态，B项正确；恒温恒容条件下，若A、C同时为气体，当压强不变时，也能说明反应达到平衡状态，C项错误；设N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 　ΔH＝－a(a>0)kJ·mol－1，1 mol N2和3 mol H2反应达到平衡时H2的转化率为10%，放出热量Q1＝0.1a kJ，当2 mol NH3分解为N2和H2的转化率为10%时，吸收热量Q2＝0.1a kJ，故Q1＝Q2，D项错误。]
2．(双选)(2019·江苏高考)在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是(　　)

A．反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)的ΔH>0
B．图中X点所示条件下，延长反应时间能提高NO转化率
C．图中Y点所示条件下，增加O2的浓度不能提高NO转化率
D．380 ℃下，c起始(O2)＝5.0×10－4 mol·L－1，NO平衡转化率为50%，则平衡常数K>2 000
BD　[A项，实线表示不同温度下相同时间内NO的转化率，虚线表示相同条件下NO的平衡转化率，随着温度升高，由虚线知，NO的平衡转化率减小，即温度升高，2NO＋O22NO2的平衡逆向移动，说明该反应为放热反应，ΔH0，所以K>2 000。]
3．(2019·全国卷Ⅱ，节选)已知(g)＋I2(g)===(g)＋2HI(g)　ΔH>0。
(1)某温度下，等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应，起始总压为105 Pa，平衡时总压增加了20%，环戊烯的转化率为________，该反应的平衡常数Kp＝________Pa。达到平衡后，欲增加环戊烯的平衡转化率，可采取的措施有________(填标号)。
A．通入惰性气体　 B．提高温度
C．增加环戊烯浓度 D．增加碘浓度
(2)环戊二烯容易发生聚合生成二聚体，该反应为可逆反应。不同温度下，溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示，下列说法正确的是________(填标号)。

A．T1＞T2
B．a点的反应速率小于c点的反应速率
C．a点的正反应速率大于b点的逆反应速率
D．b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L－1
[解析]　(1)设碘和环戊烯的物质的量均为1 mol，达平衡时转化的物质的量为x mol，由题意得：
　　　　　　　　　(g)＋I2(g)(g)＋2HI(g)
初始物质的量/mol 　1 1 　 0 0
转化物质的量/mol 　x x 　 x 2x
平衡物质的量/mol 　1－x 1－x 　 x 2x
平衡时，容器内气体总物质的量为(2＋x) mol，
则有×100%＝20%，解得x＝0.4。
则环戊烯的转化率为×100%＝40%；
总压强为105 Pa×(1＋20%)＝1.2×105 Pa。
因此各种气体的分压为p()＝1.2×105 Pa×＝0.3×105 Pa，
p(I2)＝1.2×105 Pa×＝0.3×105 Pa，
p()＝1.2×105 Pa×＝0.2×105 Pa，
p(HI)＝1.2×105 Pa×＝0.4×105 Pa。
反应的平衡常数Kp＝＝≈3.56×104 Pa。
欲增加环戊烯的平衡转化率，则平衡正向移动，由于该反应是吸热反应，因此升高温度可使平衡正向移动；增加碘的浓度，平衡正向移动，环戊烯的转化率提高。
(2)升高温度，反应速率增大，由c­t图像的变化趋势可看出T2时，环戊二烯浓度的变化趋势大，因此T2大于T1，选项A错误；由a、c点环戊二烯的浓度可判断a点的反应速率大于c点的反应速率，选项B错误；相同温度下，随着时间的延长，反应物的浓度逐渐减小，反应速率逐渐减小，因此a点的正反应速率大于b点的逆反应速率，选项C正确；由图像知，开始时环戊二烯的浓度为1.5 mol·L－1，b点时的浓度为0.6 mol·L－1，设环戊二烯转化的物质的量浓度为x mol·L－1，则有：
　　　　　　　　　　　　2　二聚体
初始物质的量浓度/(mol·L－1) 1.5 　 0
转化物质的量浓度/(mol·L－1) 2x 　 x
平衡物质的量浓度/(mol·L－1) 0.6 　 x
则有1.5－2x＝0.6，解得x＝0.45，因此选项D正确。
[答案]　(1)40%　3.56×104　BD　(2)CD
4．(2018·全国卷Ⅰ，节选)(1)F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25 ℃时N2O5(g)分解反应：

其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强p随时间t的变化如下表所示[t＝∞时，N2O5(g)完全分解]：提示：2NO2(g)N2O4(g)　ΔHv(第二步反应)
B．反应的中间产物只有NO3
C．第二步中NO2与NO3的碰撞仅部分有效
D．第三步反应活化能较高
[解析]　(1)①t＝62 min时，体系中pO2＝2.9 kPa，根据三段式法得
2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g)
起始　　35.8 kPa　　　0 　　　0
转化　　5.8 kPa　　　5.8 kPa　2.9 kPa
62 min　30.0 kPa　　5.8 kPa　　2.9 kPa
则62 min时pN2O5＝30.0 kPa，v＝2×10－3×30.0 kPa·min－1＝6.0×10－2 kPa·min－1。②刚性反应容器的体积不变，25 ℃ 、N2O5(g)完全分解时体系的总压强为63.1 kPa，升高温度，从两个方面分析：一方面是体积不变，升高温度，体系总压强增大；另一方面，2NO2N2O4的逆反应是吸热反应，升高温度，平衡向生成NO2的方向移动，体系物质的量增大，故体系总压强增大。③N2O5完全分解生成N2O4和O2，起始pN2O5＝35.8 kPa，其完全分解时pN2O4＝35.8 kPa，pO2＝17.9 kPa，设25 ℃平衡时N2O4转化了x，则
　　　N2O4　　2NO2
平衡　35.8 kPa－x　　　2x
35．8 kPa－x＋2x＋17.9 kPa＝63.1 kPa，解得x＝9.4 kPa。平衡时，pN2O4＝26.4 kPa，pNO2＝18.8 kPa，K＝＝ kPa≈13.4 kPa。(2)快速平衡，说明第一步反应的正、逆反应速率都较大，则第一步反应的逆反应速率大于第二步反应的速率，A项正确；反应的中间产物除NO3外还有NO，B项错误；第二步反应慢，说明有效碰撞次数少，C项正确；第三步反应快，说明反应活化能较低，D项错误。
[答案]　(1)①30.0　6.0×10－2　②大于　温度升高，体积不变，总压强增大；NO2二聚为放热反应，温度升高，平衡左移，体系物质的量增加，总压强提高
③13.4　(2)AC
5．(2017·全国卷Ⅱ，改编)丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：
(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1­丁烯(C4H8)的热化学方程式如下：
C4H10(g)===C4H8(g)＋H2(g)　　ΔH1＞0
图(a)是反应平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x________0.1(填“大于”或“小于”)；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是________(填标号)。
A．升高温度　 B．降低温度
C．增大压强 D．降低压强

图(a)　　　　　　图(b)

图(c)
(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是______________________________。
(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是________________________、__________________________；590 ℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是__________________________。
[解析]　(1)由图(a)可知，同温下，x MPa时丁烯的平衡产率高于0.1 MPa时的，根据压强减小平衡向右移动可知，x小于0.1。欲提高丁烯的平衡产率，应使平衡向右移动，该反应的正反应为吸热反应，因此可以通过升高温度的方法使平衡向右移动；该反应为气体体积增大的反应，因此可以通过降低压强的方法使平衡向右移动，所以A、D选项正确。
(2)由于氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大，所以丁烯产率降低。
(3)该反应的正反应为吸热反应，因此升高温度可以使平衡向右移动，使丁烯的产率增大，另外，反应速率也随温度的升高而增大。由题意知，丁烯在高温条件下能够发生裂解，因此当温度超过590 ℃时，参与裂解反应的丁烯增多，而使产率降低。
[答案]　(1)小于　AD
(2)氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大
(3)升高温度有利于反应向吸热方向进行　温度升高反应速率加快　丁烯高温裂解生成短链烃类
6．(2015·全国卷Ⅰ，节选)Bodensteins研究了下列反应：
2HI(g)H2(g)＋I2(g)　ΔH>0
在716 K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＝0.002 7 min－1，在t＝40 min 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1 mol·L－1，则：
　　　　　　　　　　2HI(g)H2(g)＋I2(g)
初始浓度/(mol·L－1)　　1　　　　0　　　 0
0.216 0.108 0.108
0.784 0.108 0.108
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40 min时，x(HI)＝0.85，则v正＝0.002 7 min－1×0.852≈1.95×10－3 min－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

上述真题涉及的题型主要是填空题和不定项选择题。命题角度主要涉及：
(1)化学反应速率的计算、影响因素，如T2、T3(2)、T4(3)、T5(2)。
(2)活化能对反应速率的影响，如T4(2)。
(3)化学平衡的影响因素的判断，如T1、T2、T3(1)、T4(1)、T5、T6(3)。
(4)化学平衡常数(Kp、Kc)反应速率常数的有关计算与换算，如T2、T3(1)、T4(1)、T6(1)。
(5)图像、图表的识别与分析等，如T3(2)、T5、T6(3)。
预测2020年高考仍会以图像为载体在速率计算、平衡常数计算和外界条件对平衡的影响或转化率影响的角度加强命题。特别要注意Kp与速率常数的有关计算。


　化学反应速率和化学平衡的影响因素
(对应学生用书第49页)
■重难突破——重难知识梳理···········································
1．特殊条件的改变对化学反应速率和化学平衡的影响
(1)纯液体和固体浓度视为常数，它们的量的改变不会影响化学反应速率和平衡移动。但固体颗粒的大小导致接触面积的大小发生变化，故影响反应速率。但仍不影响平衡移动。
(2)对于有固、液参加的反应，改变压强不会影响其反应速率和平衡移动。
(3)使用催化剂催化的化学反应，由于催化剂只有在适宜的温度下活性最大，反应速率才能达到最大，故在许多工业生产中温度的选择还需考虑催化剂的活性温度范围。但催化剂的改变不影响平衡移动。
(4)“惰气”对反应速率和平衡的影响。
①恒温恒容，充入“惰气”，不改变反应速率和平衡移动。
②恒温恒压，充入“惰气”体积增大(相当于压强减小)，v正、v逆均减小，平衡向气体分子数增多的方向移动。
[思考]
对于反应N2＋3H22NH3按N2、H2物质的量比1∶3充入密闭容器，反应达到平衡，N2、H2、NH3的物质的量比为1∶3∶1，若在恒温恒容条件再充入0.5 mol N2，1.5 mol H2，0.5 mol NH3，此时平衡向________移动，若是恒温恒压条件呢？________。上述两条件下N2的转化率如何改变？_____________________________________________________。
[答案]　正反应　不移动　恒温恒容时增大，恒温恒压时不变
2．突破化学平衡状态的判断标志
(1)等——“正逆相等”(三种表述)。
①同一物质(两种表述)：v正＝v逆、断键数＝成键数。
②不同物质：＝
(2)定——“变量不变”：如果一个量是随反应进行而改变的(即变量)，当其“不变”时反应就达到平衡状态，即“变量”不变可说明达到平衡状态。
(3)依Q(浓度商)与K关系判断：若Q＝K，反应处于平衡状态。
3．平衡移动方向判断两方法
(1)根据v正与v逆的相对大小
①若外界条件改变，引起v正>v逆，此时正反应占优势，则化学平衡向正反应方向(或向右)移动；
②若外界条件改变，引起v正K，平衡逆向移动；
②若Q＝K，平衡不移动；
③若Q”“＝”或“pa(CO2)。
[答案]　(1)247　A　
(2)①劣于　相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大　AD
②pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2)
　化学反应速率、转化率和平衡常数的有关计算
(对应学生用书第52页)
■重难突破——重难知识梳理···········································
1．化学反应速率的计算
(1)公式法：v(B)＝＝。
(2)比值法：同一化学反应，各物质的反应速率之比等于方程式中的化学计量数之比。对于反应：mA(g)＋nB(g)===pC(g)＋qD(g)来说，则有＝＝＝。
2．化学平衡常数的换算
(1)同一可逆反应中，K正·K逆＝1；
(2)同一方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小n倍，则新平衡常数K′与原平衡常数K间的关系是K′＝Kn或K′＝。
(3)几个可逆反应方程式相加，得总方程式，则总反应的平衡常数等于分步反应平衡常数之积。
[思考]
(1)对于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　K1
2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)　K2
NH3(g)N2(g)＋H2(g)　K3
则K1与K2的关系为________，K2与K3的关系为________，K3与K1的关系为______________。
(2)已知A＋B2C　K1，C＋DE　K2，则A＋B＋2D2E的K3＝________(用K1、K2表示)。
[答案]　(1)K1·K2＝1　K2＝K或K3＝　K1·K＝1
(2)K3＝K1·K
3．三段式突破反应速率与平衡的有关计算
mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)
起始/(mol·L－1)　　 a　　 　 b　　　　 0　　　 0
变化/(mol·L－1) mx nx px qx
平衡/(mol·L－1) a－mx b－nx px qx
(1)v(A)＝。　(2)α(A)＝×100%。
(3)K＝
(4)生成物的产率：实际产量占理论产量的百分数。一般来说，转化率越高，原料利用率越高，产率越高。
产率＝×100%。
(5)混合物中某组分的百分含量＝×100%。
4．[示例]
(2017·全国卷Ⅰ，节选)H2S与CO2在高温下发生反应：H2S(g)＋CO2(g)COS(g)＋H2O(g)。在610 K时，将0.10 mol CO2与0.40 mol H2S充入2.5 L的空钢瓶中，反应平衡后水的物质的量分数为0.02。
(1)H2S的平衡转化率α1＝________%，反应平衡常数K＝________。
(2)在620 K重复实验，平衡后水的物质的量分数为0.03，H2S的转化率α2______α1，该反应的ΔH______0。(填“＞”“＜”或“＝”)
(3)向反应器中再分别充入下列气体，能使H2S转化率增大的是________(填标号)。
A．H2S　 B．CO2
C．COS D．N2
[解答思路]　设平衡时H2S转化的物质的量为x。
　　　　H2S(g)＋CO2(g)COS(g)＋H2O(g)

由题意得：
＝0.02
解得：x＝0.01 mol
H2S的平衡转化率α1＝×100%＝2.5%。
K＝＝＝≈2.8×10－3。
[答案]　(1)2.5　2.8×10－3　(2)>　>　(3)B
■考能提升——高考类题集训··········································
　反应速率、转化率和平衡常数的基本计算
1．碳酸二甲酯(CH3OCOOCH3，简称DMC)是一种应用前景广泛的材料。在密闭容器中按n(CH3OH)∶n(CO2)＝2∶1投料直接合成DMC：2CH3OH(g)＋CO2(g)CH3OCOOCH3(g)＋H2O(g)。一定条件下，平衡时CO2的转化率如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A．该反应的正反应为放热反应
B．压强：p2>p1
C．X点对应的平衡常数为0.5
D．X、Y、Z三点对应的初始反应速率的关系为Z>Y>X
[答案]　C
2．(2019·济宁一模，节选)一定温度下，向2 L恒容密闭容器中通入2 mol CO和1 mol SO2，发生反应：2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(s)。若反应进行到20 min时达到平衡，测得CO2的体积分数为0.5，则前20 min的反应速率v(CO)＝________，该温度下反应的化学平衡常数K＝________。
[解析]　设参加反应的SO2的物质的量为x mol，则有
2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(s)
初始状态/mol　　2　　　1　　　　
反应的量/mol 2x x 2x
平衡状态/mol (2－2x) (1－x) 2x
即＝0.5，解得x＝0.6，v(CO)＝ mol·L－1·min－1＝0.03 mol·L－1·min－1；
c(CO)＝ mol·L－1＝0.4 mol·L－1，c(SO2)＝ mol·L－1＝0.2 mol·L－1，c(CO2)＝ mol·L－1＝0.6 mol·L－1。该温度下反应的平衡常数K＝＝＝11.25。
[答案]　0.03 mol·L－1·min－1　11.25
3．(2019·四川名校大联考)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。在密闭容器中充入10 mol CO和20 mol H2，在催化剂作用下发生反应生成甲醇，改变条件，测得CO的平衡转化率与温度(T)、压强(p)的关系如图所示。则该反应的ΔH________0(填“>”或“