2020江苏高考化学二轮讲义：10专题十　化学反应速率和化学平衡




了解化学反应速率的概念和平均反应速率的表示方法。
理解温度、浓度、压强和催化剂等对化学反应速率影响的一般规律。
认识催化剂在生产、生活和科学研究领域中的重大作用。
认识化学反应的可逆性。能用焓变和熵变说明常见简单化学反应的方向。
理解化学平衡和化学平衡常数的含义，能用化学平衡常数进行简单计算。
理解浓度、温度、压强、催化剂等对化学平衡影响的一般规律。
认识化学反应速率和化学平衡的调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。
　化学反应速率、化学平衡及其影响因素和相关图像探析

1．正确理解化学反应速率的影响因素
(1)“惰性气体”对反应速率的影响
①恒容：充入“惰性气体”总压增大―→参与反应的物质浓度不变(活化分子浓度不变)―→反应速率不变。
②恒压：充入“惰性气体”体积增大―→参与反应的物质浓度减小(活化分子浓度减小)―→反应速率减小。
(2)纯液体、固体对化学反应速率的影响
在化学反应中，纯液体和固态物质的浓度为常数，故不能用纯液体和固态物质的浓度变化来表示反应速率，但是固态反应物颗粒的大小是影响反应速率的条件之一，如煤粉由于表面积大，燃烧就比煤块快得多。
(3)外界条件对可逆反应的正、逆反应速率的影响方向是一致的，但影响程度不一定相同。
①当增大反应物浓度时，瞬间v正增大，v逆不变，随后v正逐渐减小，v逆逐渐增大直至平衡。
②增大压强，v正和v逆都增大，气体分子数减小方向的反应速率变化程度大。
③对于反应前后气体分子数不变的反应，改变压强可以同等程度地改变正、逆反应速率。
④升高温度，v正和v逆都增大，但吸热反应方向的反应速率增大的程度大。
⑤使用催化剂，能同等程度地改变正、逆反应速率。
2．突破化学平衡状态的判断标志
(1)化学平衡标志的判断要注意“三关注”：一要关注反应条件，是恒温恒容、恒温恒压还是绝热容器；二要关注反应特点，是等体积反应还是非等体积反应；三要关注特殊情况，是否有固体参加或生成，或固体的分解反应。
如在一定温度下的定容容器中，当下列物理量不再发生变化时：a.混合气体的压强；b.混合气体的密度；c.混合气体的总物质的量；d.混合气体的平均相对分子质量；e.混合气体的颜色；f.各反应物或生成物的浓度之比等于化学计量数之比；g.某种气体的百分含量。
①能说明2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)达到平衡状态的是acdg(填字母，下同)。
②能说明I2(g)＋H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是eg。
③能说明2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的是acdeg。
④能说明C(s)＋CO2(g)2CO(g)达到平衡状态的是abcdg。
⑤能说明A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)达到平衡状态的是bdg。
⑥能说明NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)达到平衡状态的是abc。
⑦能说明5CO(g)＋I2O5(s)5CO2(g)＋I2(s)达到平衡状态的是bdg。
(2)化学平衡标志的判断还要注意“一个角度”，即从微观角度分析判断。
如反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，下列各项能说明该反应达到平衡状态的是①②③④(填序号)。
①断裂1 mol N≡N键的同时生成1 mol N≡N键；
②断裂1 mol N≡N键的同时生成3 mol H—H键；
③断裂1 mol N≡N键的同时断裂6 mol N—H键；
④生成1 mol N≡N键的同时生成6 mol N—H键。
3．掌握化学平衡移动的判断方法
(1)依据勒夏特列原理判断
通过比较平衡破坏瞬时的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。
①若外界条件改变，引起v正＞v逆，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＜v逆，则化学平衡向逆反应方向(或向左)移动；
③若外界条件改变，虽能引起v正和v逆变化，但变化后新的v正′和v逆′仍保持相等，则化学平衡没有发生移动。
(2)依据浓度商(Qc)规则判断
通过比较浓度商(Qc)与平衡常数(K)的大小来判断平衡移动的方向。
①若Qc＞K，平衡逆向移动；
②若Qc＝K，平衡不移动；
③若Qc＜K，平衡正向移动。
4．正确理解不能用勒夏特列原理解释的问题
(1)若外界条件改变后，无论平衡向正反应方向移动还是向逆反应方向移动都无法减弱外界条件的变化，则平衡不移动。如对于H2(g)＋Br2(g)2HBr(g)，由于反应前后气体的分子总数不变，外界压强增大或减小时，平衡无论正向移动还是逆向移动都不能减弱压强的改变。所以对于该反应，压强改变，平衡不发生移动。
(2)催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率，所以催化剂不会影响化学平衡。

角度一　化学反应的方向
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)(2019·高考江苏卷)一定温度下，反应2H2 (g)＋O2(g)===2H2O(g)能自发进行，该反应的ΔHp＋q，且ΔH>0

分析时可沿横轴作一条平行于纵轴的虚线，即为等压线或等温线，然后分析另一条件变化对该反应的影响。
4.特殊类型图像
(1)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，如图所示，M点前，表示从反应物开始，v正＞v逆；M点为刚达到平衡点；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH＜0。

(2)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，如图所示，L线上所有的点都是平衡点。L线的左上方(E点)，A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量，所以E点v正＞v逆；则L线的右下方(F点)，v正＜v逆。

5．速率、平衡图像题的分析方法
(1)认清坐标系，弄清纵、横坐标所代表的意义，并与有关原理相结合。
(2)看清起点，分清反应物、生成物，浓度减小的是反应物，浓度增大的是生成物，一般生成物多数以原点为起点。
(3)看清曲线的变化趋势，注意渐变和突变，分清正、逆反应曲线，从而判断反应特点。
(4)注意终点。例如，在浓度—时间图像上，一定要看清终点时反应物的消耗量、生成物的增加量，并结合有关原理进行推理判断。
(5)图像中先拐先平数值大。例如，在转化率—时间图像上，先出现拐点的曲线先达到平衡，此时逆向推理可得该曲线对应的温度高、浓度大或压强大。
(6)定一议二原则。当图像中有三个量时，先确定一个量不变再讨论另外两个量的关系。
题组三　化学平衡的移动　等效平衡
5．(2019·苏锡常镇四市高三调研)工业上用丁烷催化脱氢制备丁烯：C4H10(g)C4H8(g)＋H2(g)　ΔH>0，将丁烷和氢气以一定的配比通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，反应的平衡转化率、产率与温度、投料比有关。下列判断不正确的是(　　)

A．由图甲可知，x小于0.1
B．由图乙可知，丁烯产率先增大后减小，减小的原因是氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率减小
C．由图丙可知产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是温度升高平衡正向移动
D．由图丙可知，丁烯产率在590 ℃之后快速降低的主要原因为丁烯高温分解生成副产物
解析：选B。A.正反应为气体体积增大的反应，增大压强，平衡逆向移动，则丁烯的平衡产率减小，由图甲可知，x小于0.1，A正确；B.氢气浓度增大，逆反应速率增大，B错误；C.正反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，由图丙可知产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是温度升高平衡正向移动，C正确；D.由图丙可知，丁烯产率在590 ℃之后快速降低的主要原因为丁烯高温分解生成副产物，D正确。
6．(双选)在温度、容积相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如下[已知N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1]，下列说法正确的是(　　)
容器
甲
乙
丙
反应物投入量
1 mol N2、3 mol H2
2 mol NH3
4 mol NH3
NH3的浓度/(mol·L－1)
c1
c2
c3
反应的能量变化
放出a kJ
吸收b kJ
吸收c kJ
体系压强/Pa
p1
p2
p3
反应物转化率
α1
α2
α3
A.2c1＞c3　　　　　　 B．a＋b＞92.4
C．2p2>p3 D．α1＋α3＜1
解析：选CD。甲容器投入1 mol N2、3 mol H2，乙容器投入2 mol NH3，恒温恒容条件下，甲容器与乙容器是等效平衡，各组分的物质的量、含量、转化率等完全相等；而甲容器投入1 mol N2、3 mol H2，丙容器投入4 mol NH3，采用“极限转化法”，丙相当于投入2 mol N2、6 mol H2，丙中投入量是甲中的二倍，如果恒温且丙容器容积是甲容器二倍，则甲容器与丙容器为等效平衡，所以丙所达到的平衡可以看作在恒温且容积是甲容器二倍条件下达到平衡后，再压缩体积至与甲容器体积相等所达到的平衡，由于该反应是气体体积减小的反应，缩小容器体积，增大了压强，平衡正向移动，所以丙中氮气、氢气的转化率大于甲和乙的。A项，丙容器反应物投入4 mol NH3，采用“极限转化法”转化为反应物为2 mol N2、6 mol H2，是甲中的二倍，若平衡不移动，c3＝2c1，丙相当于增大压强，平衡正向移动，所以丙中氨的浓度大于甲中氨浓度的二倍，即c3＞2c1，故A错误；B项，甲投入1 mol N2、3 mol H2，乙投入2 mol NH3，则甲与乙是完全等效的，根据盖斯定律可知，甲与乙的反应的能量变化之和为92.4 kJ，故a＋b＝92.4，故B错误；C项，丙容器投入4 mol NH3，是乙的二倍，若平衡不移动，丙中压强为乙的二倍，由于丙中相当于增大压强，平衡正向移动，所以丙中压强减小，小于乙的2倍，即2p2＞p3，故C正确；D项，丙容器投入4 mol NH3，是乙的二倍，若平衡不移动，转化率α1＋α3＝1，由于丙中相当于增大压强，平衡正向移动，氨的转化率减小，所以转化率α1＋α3＜1，故D正确。
7．T ℃时，在容积为2 L的3个恒容密闭容器中发生反应：3A(g)＋B(g)xC(g)，按不同方式投入反应物，测得反应达到平衡时的有关数据如下：
容器
甲
乙
丙
反应物的投入量
3 mol A、2 mol B
6 mol A、4 mol B
2 mol C
达到平衡的时间/min
5

8
A的浓度/(mol·L－1)
c1
c2

C的体积分数/%
w1

w3
混合气体的密度/(g·L－1)
ρ1
ρ2

下列说法正确的是(　　)
A．若x＜4，则2c1＜c2
B．若x＝4，则w1＝w3
C．无论x的值是多少，均有2ρ1＝ρ2
D．甲容器达到平衡所需的时间比乙容器达到平衡所需的时间短
解析：选C。若x＜4，则正反应为气体分子数减小的反应，乙容器对于甲容器而言，相当于加压，平衡正向移动，所以2c1＞c2，A项错误；若x＝4，则反应前后气体分子数相等，由于起始时甲容器中A、B的投入量之比与化学方程式中对应化学计量数之比不相等，故w3 不可能等于w1，B项错误；起始时乙容器中A、B的投入量是甲容器的2倍，两容器的容积相等，故恒有2ρ1＝ρ2，C项正确；起始时乙容器中A、B的浓度是甲容器中的2倍，故乙容器达到平衡所需的时间比甲容器达到平衡所需的时间短，D项错误。
　化学平衡常数及转化率的相关计算和大小比较

1．化学平衡常数
(1)意义：化学平衡常数K表示反应进行的程度，K越大，反应进行的程度越大。K＞105 时，可以认为该反应已经进行完全。K的大小只与温度有关。
(2)化学平衡常数表达式：对于可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)在一定温度下达到化学平衡时，K＝。另可用压强平衡常数表示：Kp＝[p(C)为平衡时气体C的分压]。
(3)依据化学方程式计算平衡常数
①同一可逆反应中，K正·K逆＝1；
②同一反应方程式中的化学计量数扩大或缩小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，得总反应方程式，则总反应的平衡常数等于分步反应平衡常数之积。
　K的表达式及计算中与ΔH的区别
由于纯液体和纯固体的浓度是一个常数，所以在平衡常数的表达式中不表示出来，其实质是把该常数项归并入K，如反应2CrO(aq)＋2H＋(aq)Cr2O(aq)＋H2O(l)中K＝。在利用多个方程式归纳平衡常数(K)之间的关系时，要注意与焓变(ΔH)的区别：方程式相加减，焓变相加减，平衡常数相乘除；方程式乘以某个系数x，焓变也需乘以该系数x，平衡常数变为原来的x次方。例如：
①C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)　K1　ΔH1
②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　K2　ΔH2
③C(s)＋2H2O(g)CO2(g)＋2H2(g)　K3　ΔH3
④N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　K4　ΔH4
⑤2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)　K5　ΔH5
⑥NH3(g)N2(g)＋H2(g)　K6　ΔH6
反应③＝反应①＋反应②，ΔH3＝ΔH1＋ΔH2，K3＝K1·K2。ΔH5＝－ΔH4＝2ΔH6，K5＝＝K。
2．转化率、产率及分压的计算
(1)反应物转化率＝×100%
(2)产物的产率＝×100%
(3)分压＝总压×物质的量分数
3．计算中常用的气体定律
(1)同温同体积：＝
(2)同温同压强：＝＝＝(反应前后气体质量不变时适用)

1．(2019·高考江苏卷)(双选)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
解析：选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，由题图知，随着温度升高，NO的平衡转化率减小，即温度升高，反应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，正确。
2．(2018·高考江苏卷)(双选)一定温度下，在三个容积相同的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物，发生反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)(正反应放热)，测得反应的相关数据如下：

容器1
容器2
容器3
反应温度T/K
700
700
800
反应物投入量
2 mol SO2、1 mol O2
4 mol SO3
2 mol SO2、1 mol O2
平衡v正(SO2)/
(mol·L－1·s－1)
v1
v2
v3
平衡
c(SO3)/(mol·L－1)
c1
c2
c3
平衡体系
总压强p/Pa
p1
p2
p3
物质的平衡
转化率α
α1(SO2)
α2(SO3)
α3(SO2)
平衡常数K
K1
K2
K3
下列说法正确的是(　　)
A．v12p3
C．v1α3(SO2)
D．c2>2c3，α2(SO3)＋α3(SO2)2c1，A项错误；平衡常数仅与温度有关，容器3中温度高，而该反应为放热反应，升温平衡逆向移动，平衡常数减小，则K1>K3，容器1和容器2中温度相同，投料量不同，平衡时p22c1，c1>c3，故c2>2c3，假设容器2中投入2 mol SO3且保持容器2和容器3的反应温度相同，则两容器中的反应达到的平衡完全等效，则有α2(SO3)＋α3(SO2)＝1，对于容器2而言，相当于对容器3加压并降低温度，该反应是气体分子数减小的放热反应，加压、降温均会使平衡正向移动，则α2(SO3)减小，所以α2(SO3)＋α3(SO2)T1)，在3个体积均为2.0 L的恒容密闭容器中反应 2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g)(正反应放热)达到平衡，下列说法正确的是(　　)
容器
温度/
℃
物质的起始
浓度/(mol·L－1)
物质的平衡浓度/(mol·L－1)
c(NO)
c(Cl2)
c(ClNO)
c(ClNO)
Ⅰ
T1
0.2
0.1
0
0.04
Ⅱ
T1
0.2
0.1
0.2
c1
Ⅲ
T2
0
0
0.2
c2
A.达到平衡时，容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为1∶2
B．达到平衡时，容器Ⅲ中ClNO的转化率小于80%
C．达到平衡时，容器Ⅱ中c(ClNO)/c(NO)比容器Ⅰ中的大
D．若温度为T1，起始时向同体积恒容密闭容器中充入0.2 mol NO(g)、0.2 mol Cl2(g)和0.2 mol ClNO(g)，则该反应向正反应方向进行
解析：选C。A.容器Ⅱ相当于0.4 mol·L－1 NO与0.2 mol·L－1氯气开始建立平衡，相当于容器Ⅰ增大了压强，正反应为气体体积减小的反应，故平衡正向移动，因此达到平衡时，容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为大于1∶2，A错误；B.容器Ⅲ相当于0.2 mol·L－1 NO与0.1 mol·L－1氯气开始建立平衡，正反应放热，升高温度平衡逆向移动，因此达到平衡时，容器Ⅲ中NO的转化率小于容器Ⅰ中NO的转化率(20%)，所以达到平衡时，容器Ⅲ中ClNO的转化率大于80%，B错误；C.容器Ⅱ相当于0.4 mol·L－1 NO与0.2 mol·L－1氯气开始建立平衡，正反应体积减小，相当于容器Ⅰ增大了压强，平衡正向移动，因此达到平衡时，容器Ⅱ中c(ClNO)/c(NO)比容器Ⅰ中的大，C正确；D.根据容器Ⅰ中数据可知该温度下平衡常数为K＝＝，若温度为T1，起始时向同体积恒容密闭容器中充入0.2 mol NO(g)、0.2 mol Cl2(g)和0.2 mol ClNO(g)，则浓度商为＝10＞K，所以该反应向逆反应方向进行，D错误。
2．CO2经催化加氢可以生成低碳烃，主要有以下两个竞争反应：
反应Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)
反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)
为分析催化剂对反应的选择性，在1 L密闭容器中充入2 mol CO2和4 mol H2，测得有关物质的物质的量随温度变化如图所示：

该催化剂在较低温度时主要选择________(填“反应 Ⅰ ”或“反应 Ⅱ ”)。520 ℃时，反应 Ⅰ 的平衡常数K＝________(只列算式不计算)。
解析：温度较低时，CH4的物质的量多，所以该催化剂在较低温度时主要选择反应Ⅰ。520 ℃时c(CH4)＝c(C2H4)＝0.2 mol·L－1。
　　　　 CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)
0.2 0.8 0.2 0.4
　　　　 2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)
0.4 1.2 0.2 0.8
c(CO2)＝(2－0.2－0.4) mol·L－1＝1.4 mol·L－1
c(H2)＝(4－0.8－1.2) mol·L－1＝2 mol·L－1
c(H2O)＝(0.4＋0.8) mol·L－1＝1.2 mol·L－1
所以反应Ⅰ的平衡常数K＝。
答案：反应Ⅰ　
题组二　新题预测
3．(2019·徐州高三考前模拟)(双选)工业上以CO和H2为原料合成甲醇的反应：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH＜0，在容积为1 L的恒容容器中，分别在T1、T2、T3三种温度下合成甲醇。如图是上述三种温度下不同H2和CO的起始组成比(起始时CO的物质的量均为1 mol)与CO平衡转化率的关系。下列说法正确的是(　　)

A．H2转化率：a＞b＞c
B．上述三种温度之间关系为T1＞T2＞T3
C．a点状态下再通入0.5 mol CO和0.5 mol CH3OH，平衡向正方向移动
D．c点状态下再通入1 mol CO和4 mol H2，新平衡中CH3OH的体积分数增大
解析：选AD。A.从图中可知若n(H2)/n(CO)＝1.5，则CO的转化率a>b>T3下对应的转化率，此时H2的转化率也和CO的转化率一样顺序，即a>b>T3下对应的转化率；在相同温度T3时，改变n(H2)/n(CO)从1.5到4(c点)，氢气转化率减小，所以H2转化率：a＞b＞c，A正确；B.该反应是放热反应，温度越高，CO转化率越低，三种温度之间关系为T1”“