1、(七) 化学反应速率和化学平衡 在生产和科学研究中的调控作用,素养的认知与形成 核心素养:科学态度与社会责任 对化学反应速率和化学平衡理论的研究本身就是为了解决生活、生产中存在的问题。关注与化学有关的社会热点问题,认识环境保护和资源合理开发的重要性,具有可持续发展意识和绿色化学观念;深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系,能运用所学知识综合分析化学反应速率和化学平衡在生产和科学研究中的调控作用,积极参与有关能源和环境问题的社会决策。,-3-,典例1(2017课标全国,27)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)
2、的热化学方程式如下: C4H10(g)=C4H8(g)+H2(g) H1 已知:C4H10(g)+ O2(g)=C4H8(g)+H2O(g) H2=-119 kJmol-1 H2(g)+ O2(g)=H2O(g) H3=-242 kJmol-1 反应的H1为 kJmol-1。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,-4-,-5-,(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、
3、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 。,-6-,解析 (1)根据盖斯定律,式-式可得式,因此H1=H2-H3=-119 kJmol-1+242 kJmol-1=+123 kJmol-1。由图(a)可以看出,温度相同时,由0.1 MPa 变化到x MPa,丁烷的转化率增大,即平衡正向移动,由于反应是气体物质的量增大的反
4、应,压强越小平衡转化率越大,所以x的压强更小,x0.1。由于反应为吸热反应,所以温度升高时,平衡正向移动,丁烯的平衡产率增大,因此A正确,B错误。由于反应是气体物质的量增大的反应,加压时平衡逆向移动,丁烯的平衡产率减小,因此C错误,D正确。 (2)H2是反应的产物,增大 会促使平衡逆向移动,从而降低丁烯的产率。 (3)590 之前,随温度升高,反应速率增大,反应是吸热反应,升高温度平衡正向移动,生成的丁烯会更多。温度超过590 ,更多的丁烷裂解生成短链烃类,导致丁烯产率快速降低。,-7-,答案 (1)+123 小于 AD (2)原料中过量H2会使反应平衡逆向移动,所以丁烯转化率下降 (3)59
5、0 前升高温度,反应平衡正向移动 升高温度时,反应速率加快,单位时间产生丁烯更多 更高温度导致C4H10裂解生成更多的短碳链烃,故丁烯产率快速降低,-8-,归纳总结化工生产适宜条件选择的一般原则,-9-,典例2(2019湖南师大附中高三月考)氮的固定对人类的生存发展具有重要意义,科学家一直致力于“人工固氮”的新方法研究。 (1)豆科植物的根瘤菌含有一种固氮酶,能在常温下将空气中的氮气转化为自身生长所需的含氮化合物,下列说法错误的是 (填标号)。 a.固氮酶是一种有机物 b.固氮酶能降低固氮反应发生所需的能量 c.固氮酶能使固氮反应的平衡正向移动 d.固氮酶能加快固氮反应的速率,-10-,(2)
6、合成氨是目前最重要的固氮方法。下图为合成氨反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)在不同温度和压强、使用相同催化剂条件下,初始时氮气、氢气的体积之比为13时,平衡混合物中氨的体积分数的变化曲线。,-11-,A、B两平衡状态相比较,前者较大的是 (填标号)。 a.平衡常数 b.平衡混合物的平均摩尔质量 c.氢气的转化率 d.从反应开始至达到平衡状态所需要的时间 图中p1、p2、p3由大到小的顺序为 。 在250 、p2条件下,H2的转化率为 %(结果保留小数点后一位)。,-12-,解析 (1)酶属于有机物,故a正确;固氮酶起到了催化剂的作用,所以固氮酶能降低固氮反应发生所需的能量,使反应在常
7、温下就可以进行,故b正确;催化剂只能改变反应速率,不能影响化学平衡,所以固氮酶不能使固氮反应的平衡正向移动,故c错误;催化剂能够加快反应速率,所以固氮酶能加快固氮反应的速率,故d正确。(2)平衡常数只受温度影响,根据图像可知,A点的温度小于B,合成氨的反应为放热反应,温度升高,平衡向着逆向移动,平衡常数减小,所以A的平衡常数大于B,故a正确;A、B都处于平衡状态时,氨气的体积分数相等,则氮气和氢气的体积分数也相等,则混合气体的平均摩尔质量:A=B,故b错误;由于A、B达到平衡状态时各组分的含量完全相同,所以氢气的转化率:A=B,故c错误; B的压强、温度都大于A,则B的反应速率大于A,所以B优
8、先达到平衡状态,即从反应开始至达平衡状态所需要的时间:AB,故d正确;,-13-,相同温度下,压强增大,平衡正向移动,氨气的体积分数增大,氨气的体积分数关系为p1p2p3,则压强大小为p1p2p3;在250 、p2时,初始时氮气、氢气的体积比为13,物质的量之比也为13,设氮气、氢气的物质的量分别为1 mol、3 mol,氨气的体积分数为50%,设氮气的转化率为x,则N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 开始/mol 1 3 0 转化/mol x 3x 2x 平衡/mol 1-x 3-3x 2x,答案 (1)c (2)ad p1p2p3 66.7,-14-,归纳总结化工生产中反应条件的选择
9、方法(以合成氨为例) (1)反应原理:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H=-92.4 kJmol-1 (2)反应特点:反应为可逆反应;正反应为放热反应;反应物、生成物均为气体,且正反应为气体物质的量减小的反应。 (3)反应条件的选择:,-15-,-16-,(4)原料气的充分利用:合成氨反应的转化率较低,从原料充分利用的角度分析,工业生产中可采用循环操作的方法来提高原料的利用率。,-17-,1,2,B.在1 000 时,10 L的密闭容器中,加入Fe、Fe2O3、CO、CO2各1 mol,10 min达到平衡,则10 min内v(CO2)=0.006 molL-1min-1 C.一段时
10、间以后,铁的量不再变化,不能说明该反应达到平衡 D.下图表示不同温度下,CO的转化率与时间关系图像,答案,解析,-18-,1,2,2.(2018山东济南第一中学高三月考)氢气是一种新型的绿色能源,又是一种重要的化工原料。以生物材质(以C计)与水蒸气反应制取H2是一种低耗能、高效率的制H2方法。该方法由气化炉制造H2和燃烧炉再生CaO两步构成。气化炉中涉及的反应为: .C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) K1; .CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) K2; .CaO(s)+CO2(g) CaCO3(s) K3;,-19-,1,2,(1)该工艺制H2总反应可表示为C(s
11、)+2H2O(g)+CaO(s) CaCO3(s)+2H2(g),其反应的平衡常数K= (用K1、K2、K3的代数式表示)。在2 L的密闭容器中加入一定量的C(s)、H2O(g)和CaO(s)。下列能说明反应达到平衡状态的是 。 a.容器内混合物的质量不变 b.H2与H2O(g)的物质的量之比不再变化 c.混合气体的密度不再变化 d.形成a mol HH键的同时断裂2a mol HO键,-20-,1,2,(2)对于反应,不同温度和压强对H2产率影响如下表。,由表中数据判断:p1 (填“”“”或“=”)p2,下列图像正确的是 。,-21-,1,2,(3)已知反应的H=-41.1 kJmol-1,
12、C=O、OH、HH的键能分别为803 kJmol-1、464 kJmol-1、436 kJmol-1,则CO中碳氧键的键能为 kJmol-1。 (4)对于反应,若平衡时再充入CO2,使其浓度增大到原来的2倍,则平衡向 (填“正反应”“逆反应”)方向移动;当重新平衡后,CO2浓度 (填“变大”“变小”或“不变”)。,答案 (1)K1K2K3 bc (2) BD (3)1 072.9 (4)正反应 不变,-22-,1,2,解析 (1)已知:C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) K1, :CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) K2, :CaO(s)+CO2(g)=CaCO3(s) K3,反应、之和为反应C(s)+2H2O(g)+CaO(s)=CaCO3(s)+2H2(g),则K=K1K2K3;根据质量守恒定律,容器内混合物的质量始终不变,不能判断达到平衡状态,a错误;H2与H2O(g)的物质的量之比不再变化,说明正逆反应速率相等,能够判断达到了平衡状态,b正确;C(s)为固体,反应后气体的质量增大,溶液的体积不变,则混合气体的密度不再变化,能够判断达到了平衡状态,c正确;形成a mol HH键的同时断裂2a mol HO键描述的都是正反应速率,不能判断达到了平衡状态,d错误;,-23-,1,2,
