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人教版 (2019)选择性必修1第二章 化学反应速率与化学平衡本单元综合与测试学案设计
展开本章知识体系构建与核心素养提升
本章充分体现了化学核心素养中的“变化观念与平衡思想”。化学反应在达到平衡前,体系中的相关物质的量一直存在着趋向于达到平衡的变化过程,即使是达到平衡状态后,体系中的物质相互之间仍然存在着各种变化。例如,向密闭容器中通入一定量的SO2(g)和O2(g),在催化剂作用下生成SO3(g),该反应过程中SO2(g)、O2(g)的体积分数逐渐减小,而SO3(g)的体积分数逐渐增大,这体现了化学反应中的“变化观念”;而反应达到平衡后,SO2(g)、O2(g)、SO3(g)的体积分数保持不变,但反应仍在进行,这体现了化学反应中的“平衡思想”。因此,在学习过程中要抓住本质,即应用“变化观念与平衡思想”,从不同视角对纷繁复杂的化学变化进行分类研究,逐步揭示各类化学变化的特征和规律;能用对立统一、联系发展和动态平衡的观点分析化学平衡。
在学习过程中,还应注意通过分析探究外界因素对化学反应速率和化学平衡的影响,理清证据与结论之间的关系,并能根据化学反应速率和化学平衡的知识规律构建模型,建立分析解决各种相关问题的思维框架,促进“证据推理与模型认知”等化学核心素养的发展。
例1 在容积为1.00 L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应N2O4(g)2NO2(g),随温度升高,混合气体的颜色变深。
回答下列问题:
(1)反应的ΔH________(填“大于”或“小于”)0;100 ℃时,体系中各物质浓度随时间变化如图所示。在0~60 s时段,反应速率v(N2O4)为__________ mol·L-1·s-1;反应的平衡常数K1为________________。
(2)100 ℃时达到平衡后,改变反应温度为T,c(N2O4)以0.002 0 mol·L-1·s-1的平均速率降低,经10 s又达到平衡。
①T__________(填“大于”或“小于”)100 ℃,判断理由是_________________________。
②列式计算温度T时反应的平衡常数K2:________________________________________。
(3)温度T时反应达平衡后,将反应容器的容积减小一半。平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动,判断理由是_____________________________________________。
答案 (1)大于 0.001 0 0.36
(2)①大于 反应正方向吸热,平衡向吸热方向移动,故温度升高 ②平衡时,c(NO2)=
0.120 mol·L-1+0.002 0 mol·L-1·s-1×10 s×2=0.160 mol·L-1,c(N2O4)=0.040 mol·L-1
-0.002 0 mol·L-1·s-1×10 s=0.020 mol·L-1,K2==1.28
(3)逆反应 对气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动
解析 (1)随温度升高,混合气体的颜色变深,说明升温平衡向正反应方向移动,ΔH>0。在0~60 s时段,v(N2O4)===0.001 0 mol·L-1·s-1;平衡常数K1===0.36。
(2)当温度由100 ℃变为T时,N2O4的浓度降低,“三段式”如下:
N2O4(g) 2NO2(g)
100 ℃平衡时 0.040 mol·L-1 0.120 mol·L-1
温度T时变化 0.020 mol·L-1 0.040 mol·L-1
温度T平衡时 0.020 mol·L-1 0.160 mol·L-1
由于温度变为T时平衡向N2O4浓度减小的方向移动,即向吸热方向移动,故温度升高,所以T>100 ℃。当再次达到平衡时,平衡常数K2===1.28。
(3)温度不变,将反应容器的容积减小一半,压强增大,平衡向气体分子数减小的方向(即逆反应方向)移动。
点评:本题综合考查了化学反应速率和化学平衡的相关知识。通过第(2)小题和第(3)小题较好地考查了学生“证据推理”与“模型认知”的能力(“三段式”法解题步骤)等。
例2 甲醛在木材加工、医药等方面有重要用途。甲醇直接脱氢是工业上合成甲醛的新方法,制备过程涉及的主要反应如下:
反应Ⅰ:CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g) ΔH1=+85.2 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3OH(g)+O2(l)HCHO(g)+H2O(g) ΔH2
反应Ⅲ:H2(g)+O2(g)H2O(g) ΔH3=-241.8 kJ·mol-1
副反应:
反应Ⅳ:CH3OH(g)+O2(g)CO(g)+2H2O(g) ΔH4=-393.0 kJ·mol-1
(1)计算反应Ⅱ的反应热ΔH2=____________。
(2)750 K下,在恒容密闭容器中,发生反应CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g),若起始压强为p0,达到平衡转化率为α,则平衡时的总压强p平=____________(用含p0和α的式子表示);当p0=101 kPa,测得α=50.0%,计算反应平衡常数Kp=________(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数,忽略其他反应)。
(3)Na2CO3是甲醇脱氢制甲醛的催化剂,有研究指出,催化反应的部分机理如下:
历程ⅰ:CH3OH―→·H+·CH2OH
历程ⅱ:·CH2OH―→·H+HCHO
历程ⅲ:·CH2OH―→3·H+CO
历程ⅳ:·H+·H―→H2
下图表示一定条件下温度对碳酸钠催化脱氢性能的影响,回答下列问题:
①从平衡角度解析550~650 ℃甲醇生成甲醛的转化率随温度升高的原因________________。
②反应历程ⅰ的活化能____(填“>”“<”或“=”,下同)CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)活化能。
③650~750 ℃,反应历程ⅱ的速率____反应历程ⅲ的速率。
(4)吹脱是处理甲醛废水的一种工艺,吹脱速率可用方程v=0.042 3c(mg·L-1·h-1)表示(其中c为甲醛浓度),下表为常温下甲醛的浓度随吹脱时间变化数据。
浓度/mg·L-1 | 10 000 | 8 000 | 4 000 | 2 000 | 1 000 |
吹脱时间/h | 0 | 7 | 23 | 39 | 55 |
则当甲醛浓度为2 000 mg·L-1时,其吹脱速率v=______ mg·L-1·h-1,分析上表数据,起始浓度为10 000 mg·L-1,当甲醛浓度降为5 000 mg·L-1,吹脱时间为__________h。
答案 (1)-156.6 kJ·mol-1 (2)p0(1+α) 50.5 (3)①甲醇脱氢反应为吸热反应,升高温度,有利于脱氢反应向正反应方向进行 ②< ③< (4)84.6 16
解析 (1)根据盖斯定律计算:反应Ⅱ的反应热ΔH2=ΔH1+ΔH3=-241.8 kJ·mol-1+85.2 kJ·
mol-1=-156.6 kJ·mol-1。
(2)若起始压强为p0,达到平衡时转化率为α,
CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)
起始量/mol 1 0 0
变化量/mol α α α
平衡时/mol 1-α α α
压强之比等于物质的量之比,则p0∶p平=1∶(1+α),p平=p0(1+α);当p0=101 kPa,测得α=50.0%,计算反应平衡常数Kp==≈50.5。(3)①从平衡角度可知,550~650 ℃甲醇生成甲醛的转化率随温度升高的原因是:甲醇脱氢反应为吸热反应,升高温度,有利于脱氢反应向正反应方向进行。②由盖斯定律,历程ⅰ+历程ⅱ+历程ⅳ得CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g),前两者吸收能量,历程ⅳ放出能量,总反应CH3OH(g) HCHO(g)+H2(g)是吸热反应,故历程ⅰ的活化能小于总反应的活化能。③由图可知650~750 ℃,甲醇的转化率变大,但甲醛的选择性变小,反应历程ⅱ的速率小于反应历程ⅲ的速率。(4)当甲醛浓度为2 000 mg·L-1时,吹脱速率v=0.042 3c mg·L-1·h-1=0.042 3×2 000 mg·
L-1·h-1=84.6 mg·L-1·h-1;根据甲醛浓度减少量和时间之间关系作图,从图中读出当甲醛浓度减少量为5 000 mg·L-1时,所耗时间约为16 h。
例3 在恒容密闭容器中通入CH4与CO2,使其物质的量浓度均为1.0 mol·L-1,在一定条件下发生反应:CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)。测得平衡时CH4的体积分数与温度及压强的关系如图1所示。回答下列问题:
(1)该反应的ΔH________(填“<”“>”或“=”)0。
(2)压强p1、p2、p3由大到小的顺序为____________;压强为p2时,b点处v正________(填“<”“>”或“=”)v逆。
(3)a点时CH4的转化率为________。
(4)为探究速率与浓度的关系,根据相关实验数据,粗略地绘制出了两条速率—浓度关系曲线:v正~c(CH4)和v逆~c(CO),如图2。
①与曲线v正~c(CH4)相对应的是图中曲线________(填“甲”或“乙”)。
②降低温度,反应重新达到平衡时,v正、v逆相应的平衡点分别为________(填字母)。
答案 (1)> (2)p3>p2>p1 > (3)80%
(4)①乙 ②B、F
解析
(1)由图1可知,压强不变时,升高温度,CH4的体积分数减小,平衡右移,说明正反应为吸热反应,则ΔH>0。(2)经三条等压线作一条垂线,会有三个交点,如图:
交点分别为m、n、p;由p点→n点→m点,甲烷的体积分数依次增大,根据反应体系特征,说明体系压强逐渐增大,则p1<p2<p3。b点→a点需要使CH4的体积分数减小,才能建立平衡,故反应正向进行,v正>v逆。
(4)由于反应开始只加入了反应物,结合平衡建立的过程可知,甲曲线为v逆~c(CO),乙曲线为v正~c(CH4),降温后平衡逆向移动,正、逆反应速率都要减小,而c(CH4)要增大,c(CO)要减小,综合考虑,只有B、F符合题意。
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