2018届高考二轮复习鲁科版专题10化学反应速率与化学平衡学案28 20页

专题十 化学反应速率与化学平衡 学习目标： 1、了解化学反应速率的概念及定量表示方法。 2、理解外界条件对反应速率、化学平衡的影响规律。 3、掌握化学反应进行的方向、化学平衡常数的简单计算。 4、掌握化学平衡图像的分析。 学习重难点： 1、外界条件对反应速率、化学平衡的影响规律。 2、化学平衡图像的分析。 自主学习： 考点一：化学反应速率及其影响因素 【知识精讲】 1．对 v(B)＝ Δc(B) Δt ＝ Δn(B) V Δt 的剖析 用上式进行某物质反应速率计算时需注意以下几点： (1)浓度变化只适用于气体和溶液中的溶质，不适用于固体和纯液体。 (2)化学反应速率是某段时间内的平均反应速率，而不是即时速率，且计算时取正值。 (3)同一反应用不同的物质表示反应速率时，数值可能不同，但意义相同。不同物质表示的反应速率之比等 于其化学计量数之比。 (4)计算反应速率时，若给出的是物质的量的变化值，要转化为物质的量浓度的变化值(计算时一定要除以 体积)，再进行计算。 (5)对于可逆反应，通常计算的是正、逆反应抵消后的总反应速率，当达到平衡时，总反应速率为零。(注： 总反应速率也可理解为净速率)。 2．“四大影响因素”的深度剖析 浓度、温度、压强、催化剂是影响化学反应速率的四大外界因素，此外反应物颗粒大小对化学反应速率 也有一定的影响。 (1)浓度：对有气体参加的反应或在溶液中发生的反应产生影响，在其他条件不变时都符合“浓快稀慢”的 原理。 (2)压强： 压强增大→气体体积缩小→气体反应物的浓度增大→反应速率增大 注意　①压强对反应速率的影响是通过改变反应物的浓度来实现的。 ②压强只对有气体参加的反应产生影响。 ③向气体反应体系中充入不参与反应的气体时，对反应速率的影响。 恒容：充入稀有气体(或非反应气体)→总压增大→物质的浓度不变(活化分子的浓度不变)→反应速率不 变；恒压：充入稀有气体(或非反应气体)→体积增大→物质的浓度减小(活化分子的浓度减小)→反应速 率减小。 (3)温度：温度升高，化学反应速率增大。升高温度，无论是吸热反应还是放热反应，反应速率都增大。 (4)催化剂：①催化剂能改变(增大或减小)化学反应速率，但不能使本来不会发生的反应变成可以发生的。 ②对可逆反应来说，正反应的催化剂同时也是逆反应的催化剂，催化剂能同等程度地改变正、逆反应速 率，对化学平衡状态无影响，生产过程中使用催化剂主要是为了提高生产效率。 对于反应物颗粒大小：固体物质颗粒越小，总表面积越大，反应速率越快；反之越慢。 【题组集训】 题组一　对化学反应速率的综合考查 1．一定温度下，10 mL 0.40 mol·L－1 H2O2 溶液发生催化分解。不同时刻测得生成 O2 的体积(已折算为标准 状况)如下表。 t/min 0 2 4 6 8 10 V(O2)/mL 0.0 9.9 17.2 22.4 26.5 29.9 下列叙述不正确的是(溶液体积变化忽略不计)(　　) A．0～6 min 的平均反应速率： v(H2O2)≈3.3×10－2 mol·L－1·min－1 B．6～10 min 的平均反应速率： v(H2O2)<3.3×10－2 mol·L－1·min－1 C．反应到 6 min 时，c(H2O2)＝0.30 mol·L－1 D．反应到 6 min 时，H2O2 分解了 50% 【答案】C 【解析】2H2O2 =====催化剂 2H2O＋O2↑ A 项，6 min 时，生成 O2 的物质的量 n(O2)＝ 22.4 mL × 10－3 L·mL－1 22.4 L·mol－1 ＝1×10－3 mol，依据反应方程 式，消耗 n(H2O2)＝2×10－3 mol，所以 0～6 min 时，v(H2O2)＝ 2 × 10－3 mol 0.01 L × 6 min≈3.3×10－2 mol·L － 1·min － 1 ，正确；B 项，6～10 min 时，生成 O 2 的物质的量 n(O2)＝ (29.9－22.4) × 10－3 L 22.4 L·mol－1 ≈0.335×10－3 mol，依据反应方程式，消耗 n(H2O2)＝0.335×10－3 mol×2＝0.67×10－3 mol,6～10 min 时，v(H2O2)＝ 0.67 × 10－3 mol 0.01 L × 4 min≈1.68×10－2 mol·L－1·min－1<3.3×10－2 mol·L－1·min－1，正确； C 项，反应至 6 min 时，消耗 n(H2O2)＝2×10－3 mol，剩余 n(H2O2)＝0.40 mol·L－1×0.01 L－2×10－ 3 mol＝2×10－3 mol，c(H2O2)＝ 2 × 10－3 mol 0.01 L ＝0.20 mol·L－1，错误；D 项，反应至 6 min 时，消耗n(H2O2) ＝2×10－3 mol，n(H2O2)总＝4×10－3 mol，所以 H2O2 分解了 50%，正确。 2．Ⅰ.一定温度下，在 2 L 的密闭容器中，X、Y、Z 三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示： (1)从反应开始到 10 s 时，用 Z 表示的反应速率为__________________________________。 (2)该反应的化学方程式为__________________________________________________。 (3)10 s 后的某一时刻(t1)改变了外界条件，其速率随时间变化的情况如图所示。则下列说法正确的是 ________(填序号)。 A．t1 时刻，增大了 X 的浓度 B．t1 时刻，升高了体系温度 C．t1 时刻，缩小了容器体积 D．t1 时刻，使用了催化剂 Ⅱ.已知：反应 aA(g)＋bB(g) cC(g)，某温度下，在 2 L 的密闭容器中投入一定量的 A、B，两种气体的 物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示。 (1)经测定前 4 s 内 v(C)＝0.05 mol·L－1·s－1，则该反应的化学方程式为____________ ________________________________________________________________________。 (2)请在图中将生成物 C 的物质的量浓度随时间的变化曲线绘制出来。 (3)若上述反应分别在甲、乙、丙三个相同的密闭容器中进行，经同一段时间后，测得三个容器中的反应速 率分别为甲：v(A)＝0.3 mol·L－1·s－1； 乙：v(B)＝0.12 mol·L－1·s－1 丙：v(C)＝9.6 mol·L－1·min－1； 则甲、乙、丙三个容器中反应速率由快到慢的顺序为__________________。 【答案】Ⅰ.(1)0.079 mol·L－1·s－1　(2)X(g)＋Y(g)===2Z(g)　(3)CD Ⅱ.(1)3A(g)＋B(g) 2C(g) (2) (3)乙＞甲＞丙 【解析】Ⅰ . (1)分析图像知 Δc(Z)＝ 1.58 mol 2 L ＝0.79 mol·L－1，v(Z)＝ 0.79 mol·L－1 10 s ＝0.079 mol·L －1·s－1。(2)由各物质转化的量：X 为 0.79 mol，Y 为 0.79 mol，Z 为 1.58 mol，可知方程式中各物质 的化学计量数之比为 1∶1∶2，则化学方程式为 X(g)＋Y(g) 2Z(g)。(3)由图像可知，外界条件同 等程度地增大了该反应的正、逆反应速率。增大 X 的浓度、升高体系温度均不会同等程度地改变正、 逆反应速率，A、B 错误；由(2)中的反应方程式可知，该反应为反应前后气体体积不变的反应，缩小容 器体积或增大压强，均可同等程度地增大正、逆反应速率，C 正确；使用催化剂可同等程度地改变正、 逆反应速率，D 正确。 Ⅱ.(1)前 4 s 内，Δc(A)＝0.8 mol·L－1－0.5 mol·L－1＝0.3 mol·L－1，v(A)＝0.3 mol·L－1÷4 s ＝0.075 mol·L－1·s－1；v(A)∶v(C)＝a∶c＝(0.075 mol·L－1·s－1)∶(0.05 mol·L－1·s－1)＝3∶ 2，由图像知，在 12 s 时 Δc(A)∶Δc(B)＝(0.6 mol·L－1)∶(0.2 mol·L－1)＝3∶1＝a∶b，则 a、 b、c 三者的比例为 3∶1∶2，所以该反应的化学方程式为 3A(g)＋B(g)2C(g)。 (2)生成物 C 的浓度从 0 开始增加，到 12 s 时达到最大，Δc(A)∶Δc(C)＝a∶c＝3∶2，所以Δc(C)＝ 2×0.6 mol·L－1÷3＝0.4 mol·L－1。 (3) 丙 容 器 中 v(C) ＝ 9.6 mol·L － 1·min － 1 ＝ 0.16 mol·L － 1·s － 1 ， 则 甲 容 器 中 v(A) a ＝ v(A) 3 ＝ 0.3 mol·L－1·s－1 3 ＝ 0.1 mol·L － 1·s － 1 ， 乙 容 器 中 v(B) b ＝ v(B) 1 ＝ 0.12 mol·L－1·s－1 1 ＝ 0.12 mol·L－1·s－1，丙容器中 v(C) c ＝ v(C) 2 ＝ 0.16 mol·L－1·s－1 2 ＝0.08mol·L－1·s－1，故甲、乙、丙三 个容器中反应速率由快到慢的顺序为乙＞甲＞丙。 【易误警示】 1．化学反应速率计算的常见错误 (1)不注意容器的容积。 (2)漏写单位或单位写错。 (3)忽略有效数字。 2．比较化学反应速率大小的注意事项 (1)看单位是否统一，若不统一，换算成相同单位。 (2)比较不同时间段内的化学反应速率大小时，可先换算成同一物质表示的反应速率，再比较数值大小。 (3)比较化学反应速率与化学计量数的比值。例如，对于一般反应 aA(g)＋bB(g) cC(g)＋dD(g)，比较 不同时间段内 v(A) a 与 v(B) b 的大小，若 v(A) a ＞ v(B) b ，则用 A 表示的反应速率比用 B 表示的大。 题组二　“控制变量”思想在探究影响化学反应速率因素中的应用 3．某酸性工业废水中含有 K2Cr2O7。光照下，草酸(H2C2O4)能将其中的 Cr2O 2－7 转化为 Cr3＋。某课题组研究发 现，少量铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]即可对该反应起催化作用。为进一步研究有关因素对该反应速率的 影响，探究如下： (1)在 25 ℃下，控制光照强度、废水样品初始浓度和催化剂用量相同，调节不同的初始 pH 和一定浓度草酸 溶液用量，做对比实验，完成以下实验设计表(表中不要留空格)。 实验 编号 初始 pH 废水样品 体积/mL 草酸溶液 体积/mL 蒸馏水 体积/mL ① 4 60 10 30 ② 5 60 10 30 ③ 5 60 测得实验①和②溶液中的 Cr2O 2－7 浓度随时间变化关系如图所示。 (2)上述反应后草酸被氧化为________(填化学式)。 (3)实验①和②的结果表明________；实验①中 0～t1 时间段反应速率 v(Cr3＋)＝________mol·L－1·min－ 1(用代数式表示)。 (4)该课题组对铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]中起催化作用的成分提出如下假设，请你完成假设二和假设三： 假设一：Fe2＋起催化作用； 假设二：________； 假设三：________； …… (5)请你设计实验验证上述假设一，完成下表中内容。 [除了上述实验提供的试剂外，可供选择的药品有 K2SO4、FeSO4、K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O、Al2(SO4)3 等。 溶液中 Cr2O 2－7 的浓度可用仪器测定] 实验方案 (不要求写具体操作过程) 预期实验结果和结论 【答案】答案　(1) 实验 编号 初始 pH 废水样品 体积/mL 草酸溶液 体积/mL 蒸馏水 体积/mL ③ 20 20 (2)CO2 (3)溶液 pH 对该反应的速率有影响　 2(c0－c1) t1 (4)Al3＋起催化作用　SO 2－4 起催化作用 (5) 实验方案 (不要求写具体操作过程) 预期实验结果和结论 用 等 物 质 的 量 的 K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O 代 替 实 验 ① 中 的铁明矾，控制其他条件与实验①相同， 进行对比实验 反应进行相同时间后，若溶液中 c(Cr2O2－7 )大 于实验①中的 c(Cr2O2－7 )，则假设一成立，若 两溶液中的 c(Cr2O2－7 )相同，则假设一不成立 (本题属于开放性试题，合理答案均可) 【解析】首先看清实验目的，确定条件改变的唯一变量，再根据图给信息进行综合分析；对于实验方案的 设计也主要考虑变量的控制。 (1)要保证其他量不变，草酸用量为唯一变量，必须保证溶液的体积为 100 mL，所以加入草酸和水的体 积之和应为 40 mL，两者的具体体积没有要求，只需与②中数据不同即可。(2)此反应中铬的化合价由 ＋6 价变为＋3 价，化合价降低，所以碳的化合价应升高，草酸中碳的化合价为＋3 价，反应后只能变 为＋4 价，即生成 CO2。(3)通过图像可以明显看到，实验①的反应速率比实验②的快，故 pH 越小，反 应速率越快，说明溶液 pH 对该反应的速率有影响；在 0～t1 时间段，Cr2O 2－7 的浓度改变了(c0－c1) mol·L－1，其反应速率为(c0－c1)/t1 mol·L－1·min－1，所以 v(Cr3＋)＝2(c0－c1)/t1 mol·L－1·min－ 1。(4)铁明矾中除结晶水外，共有三种离子，均可能起催化作用，除 Fe2＋外，还有 Al3＋和 SO2－4 。(5) 要想验证假设一正确，必须确定 Al3＋和 SO 2－4 不起催化作用，所以可选择 K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O，为 了确保 Al3＋和 SO2－4 的浓度与原来的相同，所以取和铁明矾相同物质的量的 K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O。 4．某小组利用 H2C2O4 溶液和酸性 KMnO4 溶液反应来探究“条件对化学反应速率的影响”。 (1)向酸性 KMnO4 溶液中加入一定量的 H2C2O4 溶液，当溶液中的 KMnO4 耗尽后，溶液紫色将褪去。为确保能观 察到紫色褪去，H2C2O4 与 KMnO4 初始的物质的量需要满足的关系为 n(H2C2O4)∶n(KMnO4)________。 (2)为探究反应物浓度对化学反应速率的影响，该小组设计了如下实验方案： H2C2O4 溶液 酸性 KMnO4 溶液 H2O 实验 序号 反应温 度/℃ V/mL c/mol·L－ 1 V/mL c/mol·L －1 V/mL ① 25 8.0 0.20 5.0 0.010 0 ② 25 6.0 0.20 5.0 0.010 x 表中 x＝________ mL，理由是_____________________________________________。 (3)已知 50 ℃时，浓度 c(H2C2O4)随反应时间 t 的变化曲线如下图示，若保持其他条件不变，请在坐标图中 画出 25 ℃时 c(H2C2O4)随 t 的变化曲线示意图。 【答案】(1)≥2.5 (2)2.0　保证其他条件不变，只改变反应物 H2C2O4 的浓度，从而才能达到对照实验目的 (3)如下图 【解析】(1)2MnO－4 ＋6H＋＋5H2C2O4===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O，根据上述方程式判断，H2C2O4 与 KMnO4 初 始的物质的量需满足 n(H2C2O4)∶n(KMnO4)≥2.5。 (2)根据表中提供的数据可知，应控制，KMnO4 的浓度不变，调节 H2C2O4 的浓度，所以 x＝2.0(即总体积 保持 13.0 mL 不变)。 (3)温度低，反应速率慢，反应达到平衡时，所用时间较长。 【思想归纳】 控制变量思想是中学化学实验中常用的思想方法，对影响实验结果的因素进行控制，以达到明确各因 素在实验中的作用和目的。尤其是在研究影响化学反应速率和化学平衡的因素时，由于外界影响因素较多， 故要弄清某个因素的影响需控制其他因素相同或不变时再进行实验。因此，控制变量思想在这部分体现的 较为充分，在近几年高考题中也考查较多，且多以探究性实验题的形式出现。 考点二：全面突破化学平衡 【知识精讲】 1．化学平衡状态判断的“两类标志”及“一角度” 判断化学反应是否达到化学平衡状态，关键是看给定条件下能否推出“变量”达到“不变”。常用到的 判断标志有： (1)绝对标志 (2)相对标志 ①有气体参加的反应，气体的总压强、总体积、总物质的量不变时，当是等体积反应时，不一定达到平衡； 当是不等体积反应时，达到平衡。 ②气体的密度( 气体的总质量 气体的总体积)、气体的平均相对分子质量( 气体的总质量 气体的总物质的量)不变时，要具体分析各表达 式中的分子或分母变化情况，判断是否平衡。 ③如果平衡体系中的物质有颜色，则平衡体系的颜色不变时，达到平衡。 (3)一角度 从微观的角度分析，如反应 N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，下列各项均可说明该反应达到了平衡状态： 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。 2．化学平衡状态移动判断的方法和规律 (1)化学平衡移动 (2)两类方法 ①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。 a．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； b．若外界条件改变，引起 v 正K　平衡逆向移动； b．若 Q＝K　平衡不移动； c．若 Q75.0，故 b0，③正确。因为该反应正向吸热， 升高温度平衡正向移动，平衡常数增大，故④正确。 6．一定温度下，在三个体积均为 1.0 L 的恒容密闭容器中发生反应： 2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) 起始物质的量(mol) 平衡物质的量(mol)容器 编号 温度(℃) CH3OH(g) CH3OCH3(g) H2O(g) Ⅰ 387 0.20 0.080 0.080 Ⅱ 387 0.40 Ⅲ 207 0.20 0.090 0.090 下列说法正确的是(　　) A．该反应的正方应为吸热反应 B．达到平衡时，容器Ⅰ中的 CH3OH 体积分数比容器Ⅱ中的小 C．容器Ⅰ中反应到达平衡所需时间比容器Ⅲ中的长 D．若起始时向容器Ⅰ中充入 CH3OH 0.15 mol、CH3OCH3 0.15 mol 和 H2O 0.10 mol，则反应将向正反应方向 进行 【答案】D 【解析】A 项，根据表格中数据，容器Ⅰ和容器Ⅲ中起始物质的量都是 0.20 mol，温度在 387 ℃时，达到平 衡时 CH3OCH3 的物质的量为 0.080 mol，而温度在 207 ℃时，达到平衡时 CH3OCH3 的物质的量为 0.090 mol， 说明该反应的正反应为放热反应，错误；B 项，由于该反应是一个反应前后气体体积相等的反应，因此 容器Ⅰ和容器Ⅱ的平衡为等效平衡，故 CH3OH 的体积分数一样大，错误；C 项，容器Ⅰ的温度高，反应 速率快，达到平衡所需时间短，错误；D 项，容器Ⅰ中的 K＝ 0.0802 0.0402＝4，而此时的 Q＝ 0.15 × 0.10 0.152 ≈0.67，因此 Q”“<”或“＝”)，平衡常数 K2________(填“增大”“减小” 或“不变”)。若要使 K2 减小，可采取的措施是 ________________________________________________________________________。 (3)实验室可用 NaOH 溶液吸收 NO2，反应为 2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O。含 0.2 mol NaOH 的水溶液 与 0.2 mol NO2 恰好完全反应得 1 L 溶液 A，溶液 B 为 0.1 mol·L－1 的 CH3COONa 溶液，则两溶液中 c(NO －3 )、c(NO－2 )和 c(CH3COO－)由大到小的顺序为 ________________________________________________________________________。 (已知 HNO2 的电离常数 Ka＝7.1×10－4 mol·L－1，CH3COOH 的电离常数 Ka＝1.7×10－5 mol·L－1) 可使溶液 A 和溶液 B 的 pH 相等的方法是________。 a．向溶液 A 中加适量水 b．向溶液 A 中加适量 NaOH c．向溶液 B 中加适量水 d．向溶液 B 中加适量 NaOH 【答案】(1)K21/K2 (2)2.5×10－2　75%　>　不变　升高温度 (3)c(NO－3 )>c(NO－2 )>c(CH3COO－)　bc 【解析】(1)观察题给的三个方程式可知，题目所求的方程式可由(Ⅰ)×2－(Ⅱ)得到，故该反应的平衡常 数 K＝ K21 K2。 (2)由题给数据可知，n(ClNO)＝7.5×10－3mol·L－1·min－1×10 min×2 L＝0.15 mol。 　　　　　　　　2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g) 起始物质的量/mol 0.2 0.1 0 转化物质的量/mol 0.15 0.075 0.15 平衡物质的量/mol 0.05 0.025 0.15 故 n(Cl2)＝0.025 mol； NO 的转化率 α1＝ 0.15 mol 0.2 mol ×100%＝75%。 其他条件保持不变，由恒容条件(2 L)改为恒压条件，因该反应是气体分子数减小的反应，平衡正向移 动，NO 的转化率增大，即 α2>α1；平衡常数只是温度的函数，故由恒容条件改为恒压条件时平衡常数 不变；要使平衡常数减小，平衡应逆向移动，因为反应(Ⅱ)是放热反应，故应升高温度。 (3)由反应方程式计算可知：c(NaNO3)＝c(NaNO2)＝0.1 mol·L－1，c(CH3COONa)＝0.1 mol·L－1；由电 离平衡常数可知酸性：HNO3>HNO2>CH3COOH，酸越弱其对应盐溶液中的离子水解程度越大，则 c(NO－3 )>c(NO －2 )>c(CH3COO－)。 由越弱越水解可知，A 溶液的碱性比 B 溶液的碱性弱，pHA