1、第三单元 化学平衡的移动,一 影响化学平衡的外界条件,二 平衡移动原理(勒夏特列原理),教材研读,突破一 平衡原理在化工生产中的应用,突破二 化学平衡计算“三段式法”,重难突破,一、影响化学平衡的外界条件 1.浓度,教材研读,图14中t1为第一次达到平衡所需的时间,t2为浓度改变而引起速率变化 的时刻,t3-t2为第二次达到平衡所需的时间。 在其他条件不变时:,增大反应物浓度,平衡向 正反应 方向移动(图1);减小生成物浓度,平衡向 正反应 方向移动(图2);增大生成物浓度,平衡向 逆反 应 方向移动 (图3);减小反应物浓度,平衡向 逆反应 方向移动(图4)。 应用:生产中常适当增大廉价反应
2、物的浓度,以提高价格高的反应物的转化率。,2.压强 压强对化学平衡的影响,可以从浓度的角度来理解。 无气体参与和生成的反应,压强对化学平衡没有影响。,3.温度 (1)规律 升温,平衡向 吸热 方向移动;降温,平衡向 放热 方向移动。 (2)实验 2NO2(红棕色) N2O4(无色) H=-56.9 kJmol-1 将充满NO2的球(球内反应达到平衡)浸泡在冰水中,红棕色变 浅 , 原因是降温使平衡向放热反应方向(向右)移动。 将充满NO2的球(球内反应达到平衡)浸泡在热水中,红棕色变 深 ,原因是升温使平衡向吸热反应方向(向左)移动。,4.催化剂 催化剂可大大提高反应速率,但正、逆反应速率增大
3、的倍数相同,所以 平衡不移动,只缩短达到平衡所需的时间。 二、平衡移动原理(勒夏特列原理),1.内容:改变影响化学平衡的一个因素,平衡将向着能够 减弱这种改 变 的方向移动。,2.说明:(1)研究对象一定是处于平衡状态的可逆反应。 (2)只适用于改变影响化学平衡的一个因素。 (3)平衡的移动结果只能“减弱”而不能“消除”这种改变。,3.应用:工业合成氨条件的选择 (1)反应速率(2)产率合成氨的产率,1.对于已经达到平衡的可逆反应,下列物理量的变化可以确定可逆反应 平衡发生了移动的是 ( D ) A.浓度变化 B.压强变化 C.体积变化 D.转化率变化,2.下列措施或事实能用勒夏特列原理解释的
4、是 ( A ) A.新制的氯水在光照下颜色逐渐变浅 B.H2、I2、HI的混合气体缩小体积加压后颜色变深 C.工业上生产硫酸的过程中,SO2在催化氧化时的条件控制为常压,而不 是高压 D.工业上合成氨气时温度选择450 左右,而不是常温,3.将BaO2放入密闭的真空容器中,反应2BaO2(s) 2BaO(s)+O2(g)达到 平衡。保持温度不变,缩小容器容积,体系重新达到平衡,下列说法正确 的是 ( C ) A.平衡常数减小 B.BaO的量不变 C.氧气浓度不变 D.平衡向正反应方向移动,4.在反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)中,有a mol SO2和b mol O2参加反应,
5、达到化学平衡状态时有c mol SO3生成,则SO2在平衡混合物中的体积分 数为 ( D ) A. % B. % C. % D. %,突破一 平衡原理在化工生产中的应用,重难突破,1.总体原则 (1)化工生产适宜条件选择的一般原则,(2)平衡类问题需考虑的几个方面 原料的来源、除杂,尤其考虑杂质对平衡的影响。 原料的循环利用。 产物的污染处理。 产物的酸碱性对反应的影响。 气体产物的压强对平衡造成的影响。 改变外界条件对多平衡体系的影响。,2.反应条件的控制合成氨 (1)原理 N2+3H2 2NH3 该反应的特点:可逆反应;正反应为气体分子数减小的反应;正反应为放 热反应;使用催化剂。 (2)
6、适宜条件的选择 浓度:n(N2)n(H2)略大于13,以提高H2的利用率。 压强:2050 MPa。,解释:从平衡移动的角度考虑,压强越大越有利于氨气的合成,但考虑到 压强增大后对设备的要求也提高,故采用2050 MPa。 温度:500 左右。 解释:从平衡移动的角度考虑,温度越高越不利于氨气的合成,但考虑到 反应的速率和催化剂的活性,采用500 左右的温度。 催化剂:铁触媒。,3.反应条件的控制接触法制硫酸 (1)原理 2SO2+O2 2SO3 该反应的特点:可逆反应;正反应为气体分子数减小的反应;正反应为放 热反应;使用催化剂。 (2)适宜条件的选择 压强:常压;温度:400500 ;催化
7、剂:V2O5。 注意 化工生产中可逆反应适宜条件选择的理论依据:,a.加快反应速率;b.利于平衡正向进行。,典例1 (2017课标,27,14分)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:,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,(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
8、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 。,答案 (1)123 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 解析 本题考查反应热的计算及影响化学平衡的因素。
9、(1)结合已知信 息运用盖斯定律,由-可得,故 H1=-119-(-242) kJmol-1=123 kJmol-1;由图(a)可知温度一定时压强由0.1 MPa变成x MPa,平衡转化率增大,对反应而言,减小压强平衡正向移动,平衡转化率增大,故x小于0.1;升高温度或减小压强可使反应的平衡正向移动,丁烯的平衡产率提高,故选择A、D。,温馨提示 解答平衡移动问题的基本思路,1-1 (2018课标,28,15分)采用N2O5为硝化剂是一种新型的绿色硝化 技术,在含能材料、医药等工业中得到广泛应用。回答下列问题: (1)1840年Devil用干燥的氯气通过干燥的硝酸银,得到N2O5。该反应的 氧化
10、产物是一种气体,其分子式为 。 (2)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: 2N2O5(g) 4NO2(g)+O2(g)2N2O4(g),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:,已知:2N2O5(g) 2N2O4(g)+O2(g) H1=-4.4 kJmol-1 2NO2(g) N2O4(g) H2=-55.3 kJmol-1 则反应N2O5(g) 2NO2(g)+ O2(g)的H= kJmol-1。 研究表明,N2O5(g)分解的反应速率v=210-3 (kPa
11、min-1)。t=62 min时,测得体系中 =2.9 kPa,则此时的 = kPa,v= kPa min-1。 若提高反应温度至35 ,则N2O5(g)完全分解后体系压强p(35 ) 63.1 kPa(填“大于”“等于”或“小于”),原因是,25 时N2O4(g) 2NO2(g)反应的平衡常数Kp= kPa(Kp为以分 压表示的平衡常数,计算结果保留1位小数)。 (3)对于反应2N2O5(g) 4NO2(g)+O2(g),R.A.Ogg提出如下反应历程: 第一步 N2O5 NO2+NO3 快速平衡 第二步 NO2+NO3 NO+NO2+O2 慢反应 第三步 NO+NO3 2NO2 快反应,其
12、中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列表述正确的是 (填标号)。 A.v(第一步的逆反应)v(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,答案 (1)O2 (2)53.1 30.0 6.010-2 大于 温度提高,体积不 变,总压强提高;NO2二聚为放热反应,温度提高,平衡左移,体系物质的量 增加,总压强提高 13.4 (3)AC,解析 本题考查氧化还原反应、反应热的计算、化学反应速率、化学 平衡及化学平衡常数的计算。 (1)氯气具有强氧化性,氮元素化合价不变,Ag应以AgCl形式存在,则被 氧化的是氧元素,对应的氧
13、化产物为O2,反应的化学方程式为4AgNO3+2 Cl2 4AgCl+2N2O5+O2。 (2)2N2O5(g) 2N2O4(g)+O2(g) H1=-4.4 kJmol-1 a 2NO2(g) N2O4(g) H2=-55.3 kJmol-1 b 根据盖斯定律,由 -b可得:N2O5(g) 2NO2(g)+ O2(g) H=53.1 kJmol-1。,由2N2O5(g)O2(g)可知, =2.9 kPa时N2O5分压减小5.8 kPa,此时 = (35.8-5.8)kPa=30.0 kPa。v=210-3 (kPamin-1)=210-330(kPamin-1) =6.010-2 kPami
14、n-1。 t=时,N2O5完全分解。 2N2O5 2N2O4+O2 2 2 1 35.8 kPa,=35.8 kPa =17.9 kPa 设达平衡时,N2O4分压减小了x kPa。N2O4 2NO2 开始分压(kPa) 35.8 0 变化分压(kPa) x 2x 平衡分压(kPa) 35.8-x 2x (35.8-x)kPa+2x kPa+17.9 kPa=63.1 kPa,解得x=9.4,则平衡时 =26.4 kPa, =18.8 kPa,K= kPa13.4 kPa。,(3)第一步反应为快反应,其逆反应的速率也比第二步反应的速率快,A 正确;从反应方程式看,中间产物有NO3、NO,B错误;
15、由于第二步反应是 慢反应,说明NO2与NO3的碰撞仅部分有效,C正确;第三步是快反应,故其 活化能应较低,D错误。,1-2 (2018课标,27,14分)CH4-CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO 和H2),还对温室气体的减排具有重要意义。回答下列问题: (1)CH4-CO2催化重整反应为:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)。 已知:C(s)+2H2(g) CH4(g) H=-75 kJmol-1 C(s)+O2(g) CO2(g) H=-394 kJmol-1 C(s)+ O2(g) CO(g) H=-111 kJmol-1 该催化重整反应的H= kJmol-1。有利
16、于提高CH4平衡转化率 的条件是 (填标号)。,A.高温低压 B.低温高压 C.高温高压 D.低温低压 某温度下,在体积为2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化剂 进行重整反应,达到平衡时CO2的转化率是50%,其平衡常数为 mol2L-2。 (2)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低,同时存在的消碳反应则使 积碳量减少。相关数据如下表:,由上表判断,催化剂X Y(填“优于”或“劣于”),理由 是 。在反应进 料气组成、压强及反应时间相同的情况下,某催化剂表面的积碳量随温 度的变化关系如下图所示。升高温度时,下列关于积碳反应、消碳反应 的平衡常数(K)和速率(v)的叙述
17、正确的是 (填标号)。,A.K积、K消均增加 B.v积减小、v消增加 C.K积减小、K消增加,D.v消增加的倍数比v积增加的倍数大,在一定温度下,测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为v=kp(CH4) p(CO2)-0.5(k为速率常数)。在p(CH4)一定时,不同p(CO2)下积碳量随时间 的变化趋势如下图所示,则pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)从大到小的顺序 为 。,答案 (1)247 A (2)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 pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2),解析 本题考查盖斯
18、定律的应用,化学反应速率与化学平衡常数。 (1)C(s)+2H2(g) CH4(g) H=-75 kJmol-1 C(s)+O2(g) CO2(g) H=-394 kJmol-1 C(s)+ O2(g) CO(g) H=-111 kJmol-1 运用盖斯定律,2-可得CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) H =(-1112)-(-75)-(-394) kJmol-1=247 kJmol-1。正反应为气体体积增大 的吸热反应,故升温、减压有利于平衡正向移动,提高CH4的平衡转化 率,A正确。列三段式:,CH4(g) + CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) 始 2 mol
19、1 mol 0 mol 0 mol 转 0.5 mol 0.5 mol 1 mol 1 mol 平 1.5 mol 0.5 mol 1 mol 1 mol K= = = mol2L-2。,(2)积碳反应与消碳反应均为吸热反应,升高温度时,K积、K消均增加;由 图像可知600 以后积碳量减小,说明升高温度,v消增加的倍数比v积增加 的倍数大,故A、D正确。 由图像可知,时间相同时积碳量abc,说明积碳速率abc,由v=kp (CH4)p(CO2)-0.5可知,p(CH4)一定时,积碳速率与p(CO2)成反比,故pa(CO2) pb(CO2)pc(CO2)。,1.计算模式 反应:mA(g)+nB(
20、g) pC(g)+qD(g),令A、B起始的物质的量分别为a mol、b mol,达到平衡后,A的消耗量为mx mol,容器容积为V L。mA(g) + nB(g) pC(g) + qD(g) 起始(mol) a b 0 0 变化(mol) mx nx px qx 平衡(mol) a-mx b-nx px qx,突破二 化学平衡计算“三段式法”,则有:(1)平衡常数K= 。 (2)反应物:n(平)=n(始)-n(变)。 生成物:n(平)=n(始)+n(变)。 (3)A平衡时的浓度:c平(A)= molL-1。 (4)A的转化率:平(A)= 100%,A、B的转化率之比为 。 (5)平衡时A的体
21、积分数:(A)= 100%。,(6)平衡时和开始时的压强比: = 。 (7)混合气体的密度:(混)= gL-1。 (8)混合气体的平均摩尔质量: = gmol-1。,2.基本步骤 (1)确定反应物或生成物的起始加入量。 (2)确定反应过程的变化量。 (3)确定平衡量。 (4)列比例式求解。,典例2 (2017课标,28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1= %,反应平衡常数K
22、= 。 (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2 1,该反应的H 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,解析 (1)反应前后气体体积不变,则平衡后水的物质的量为(0.10 mol+ 0.40 mol)0.02=0.01 mol,利用三段式:H2S(g) + CO2(g) COS(g) + H2O(g) 起始 0.40 mol 0.10 mol 0 0 转化 0.01 mol 0.01 mol 0.01 mol 0.01 mol 平衡 0.39 m
23、ol 0.09 mol 0.01 mol 0.01 mol 则H2S的平衡转化率1= 100%=2.5%。,答案 (1)2.5 2.810-3 (2) (3)B,平衡常数K= 2.810-3。 (2)由610 K到620 K,水的物质的量分数增大,说明平衡正向移动,则H2S 的转化率增大,正反应吸热,H0。 (3)A项,再充入H2S,H2S转化率会减小,错误;B项,再充入CO2,平衡正向移 动,H2S转化率增大,正确;C项,充入COS,平衡逆向移动,H2S转化率减小, 错误;D项,充入N2,平衡不移动,H2S转化率不变,错误。,2-1 运用化学反应原理知识研究如何利用CO、SO2等污染物有重要
24、意 义。 (1)用CO可以合成甲醇。已知: CH3OH(g)+3/2O2(g) CO2(g)+2H2O(l) H=-764.5 kJmol-1 CO(g)+1/2O2(g) CO2(g) H=-283.0 kJmol-1 H2(g)+1/2O2(g) H2O(l) H=-285.8 kJmol-1 则CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) H= kJmol-1。,(2)下列措施中能够增大上述合成甲醇反应速率的是 (填写序 号)。 a.使用高效催化剂 b.降低反应温度 c.增大体系压强 d.不断将CH3OH从反应混合物中分离出来 (3)在一定压强下,容积为V L的容器中充入a mol CO与
25、2a mol H2,在催化 剂作用下反应生成甲醇,CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。,p1 p2(填“大于”“小于”或“等于”); 100 时,该反应的化学平衡常数K= ; 在其他条件不变的情况下,再增加a mol CO和2a mol H2,达到新平衡 时,CO的转化率 (填“增大”“减小”或“不变”)。,解析 (1)将已知的三个热化学方程式从上至下依次标记为,根 据盖斯定律,+2-得CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) H=(-283.0-2 85.82+764.5)kJmol-1=-90.1 kJmol-1。 (3)增大压强,平衡向气体体积减小的方向移动,CO的转化率增大,
26、所 以p1小于p2;,答案 (1)-90.1 (2)ac (3)小于 (V/a)2 增大, CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) 起始(molL-1) a/V 2a/V 0 转化(molL-1) a/2V a/V a/2V 平衡(molL-1) a/2V a/V a/2V 100 时,该反应的化学平衡常数K= =(V/a)2; 在其他条件不变的情况下,再增加a mol CO和2a mol H2,相当于加压, 平衡正向移动,达到新平衡时,CO的转化率增大。,2-2 化工生产中原料转化与利用非常重要,现有反应:CCl4+H2 CHCl3+HCl,查阅资料可知沸点:CCl4为77 ,CHCl3
27、为61.2 。在密闭容 器中,该反应达到平衡后,测得下表数据。,(1)在100 时,此反应的化学平衡常数表达式为 ;在110 时的平衡常数为 。 (2)在实验2中,若1小时后反应达到平衡,则H2的平均反应速率为 。在此平衡体系中再加入0.5 mol CCl4和1.0 mol HCl,平衡将向 方向移动。 (3)实验1中,CCl4的转化率a 50%(填“”“=”或“”)。实 验3中,b的值 (填字母序号)。 A.等于50% B.大于50%,C.小于50% D.由本题所给资料无法判断,答案 (1)K= 1 (2)0.5 molL-1h-1 逆反应 (3) D,解析 本题主要考查平衡常数的计算与转化
28、率大小的判断,意在考查考 生根据化学平衡常数表达式进行计算的能力。(1)根据题给各物质的沸 点及反应温度可知100 时所有物质均为气态,该反应的平衡常数表达 式K= ;由实验2可知,CCl4的转化率为50%,则平衡时c(CCl4)=c(H2)=c(CHCl3)=c(HCl)=0.5 molL-1,代入平衡常数表达式可得K=1。,(2)达到平衡后H2的转化浓度为0.5 molL-1,则H2的平均反应速率为0.5 molL-1h-1;由于加入HCl的物质的量大于加入的CCl4的物质的量,使QK, 则平衡向逆反应方向移动。(3)实验1中,设CCl4转化浓度为x molL-1,K=,解得x=0.48,则CCl4的转化率为 100%=60%50%; 由于不知道该反应是放热反应还是吸热反应,故无法判断b的大小。,
