江苏专用版高考化学专题五第2讲化学反应的方向和限度学案.docx
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江苏专用版高考化学专题五第2讲化学反应的方向和限度学案
第2讲 化学反应的方向和限度
【2020·备考】
最新考纲：
1.认识化学反应的可逆性。
2.能用焓变和熵变说明常见简单化学反应的方向。
3.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。
新课标要求：
知道化学反应是有方向的，知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。
认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义。
了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。
通过实验探究，了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。
最新考情：
关于化学反应进行的方向和限度一般考查形式有：
一是在选择题中某个选项考查可逆反应焓变和熵变的大小，如2018年T10B、2017年T12A；二是考查化学平衡状态的判断，如2015年T11D；三是与化学平衡相结合考查化学平衡常数的应用，如2018年T15、2017年T15等。
预测2020年高考延续这一命题特点，一是在选择题某一选项中出现，考查难度中等，二是在填空题第20题中结合化学平衡的考查。
考点一 化学反应进行的方向
[知识梳理]
1.自发过程
（1）含义
在一定条件下，不需要借助外力作用就能自动进行的过程。
（2）特点
①体系趋向于从高能状态转变为低能状态（体系对外部做功或释放热量）。
②在密闭条件下，体系有从有序转变为无序的倾向性（无序体系更加稳定）。
2.化学反应方向
（1）判据
（2）一般规律：
①ΔH<0，ΔS>0的反应任何温度下都能自发进行；
②ΔH>0，ΔS<0的反应任何温度下都不能自发进行；
③ΔH和ΔS的作用相反，且相差不大时，温度对反应的方向起决定性作用。
当ΔH<0，ΔS<0时低温下反应能自发进行；当ΔH>0，ΔS>0时，高温下反应能自发进行。
说明：
对于一个特定的气相反应，熵变的大小取决于反应前后的气体物质的化学计量数大小。
名师助学：
①反应能否自发进行，需要综合考虑焓变和熵变对反应的影响。
②复合判据ΔH－TΔS<0的反应不一定能够实际发生。
③自发反应的熵不一定增大，非自发反应的熵也不一定减小。
[题组诊断]
化学反应进行的方向
1.下列说法正确的是（ ）
A.所有能自发进行的化学反应都是放热反应
B.同一物质固、液、气三种状态的熵值相同
C.ΔH<0、ΔS>0的反应可自发进行
D.在其他条件不变的情况下，使用催化剂可以改变化学反应进行的方向
解析 只要ΔG<0的化学反应都能自发进行。
而ΔG＝ΔH－TΔS，当ΔH>0、ΔS>0时，反应也是有可能自发进行的，故A项错误。
同一物质固、液、气三种状态的熵值递增，故B项错误。
ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG<0则反应可自发进行，所以ΔH<0、ΔS>0的反应可自发进行，故C项正确。
使用催化剂只会改变化学反应的速率，不会改变化学反应进行的方向，故D项错误。
答案 C
2.下列说法正确的是（ ）
A.反应N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）的ΔH<0，ΔS>0（2017·江苏化学，12A）
B.反应2CO＋2NO===N2＋2CO2在常温下能自发进行，则反应的ΔH＞0，ΔS＜0（2018·江苏南京、盐城一模）
C.反应TiO2（s）＋2Cl2（g）===TiCl4（g）＋O2（g） ΔH>0能自发进行，其原因是ΔS>0（2018·江苏南通第一次调研）
D.反应4Fe（s）＋3O2（g）===2Fe2O3（s）常温下可自发进行，该反应为吸热反应（2018·江苏化学，10C）
解析 该反应的正反应为气体分子数减少的反应，ΔS<0，A项错误；从反应方程式中气体物质化学计量系数来看，物质的量在减小，即熵减小，但反应能自发，则该反应是放热反应，ΔH<0，B项错误；一个吸热反应如果能自发进行，则该反应一定是熵增大反应，C项正确；该反应的气体分子数减小，即熵减小，但反应能自发，说明反应一定为放热反应，D项错误。
答案 C
3.已知吸热反应2CO（g）===2C（s）＋O2（g），设ΔH和ΔS不随温度而变，下列说法中正确的是（ ）
A.低温下能自发进行
B.高温下能自发进行
C.任何温度下都能自发进行
D.任何温度下都不能自发进行
解析 已知反应2CO（g）===2C（s）＋O2（g）的ΔH＞0，ΔS＜0，所以ΔH－TΔS＞0，反应任何温度下都是不能自发进行，D项正确。
答案 D
【归纳总结】
焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响
ΔH
ΔS
ΔH－TΔS
反应情况
－
＋
永远是负值
在任何温度下过程均自发进行
＋
－
永远是正值
在任何温度下过程均非自发进行
＋
＋
低温为正高温为负
低温时非自发，高温时自发
－
－
低温为负高温为正
低温时自发，高温时非自发
考点二 化学平衡常数 转化率
[知识梳理]
1.化学平衡常数
（1）概念：
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，用符号K表示。
（2）表达式：
对于反应mA（g）＋nB（g）
pC（g）＋qD（g），
K＝
。
实例：
化学方程式
平衡常数
关系式
N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g）
K1＝
K2＝
（或K
1）
K3＝
N2（g）＋
H2（g）
NH3（g）
K2＝
2NH3（g）
N2（g）＋3H2（g）
K3＝
（3）意义：
①K值越大，正反应进行的程度越大，反应物的转化率越大。
②K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关，吸热反应，升高温度，K增大，放热反应，升高温度，K减小。
名师助学：
①计算化学平衡常数利用的是物质的平衡浓度，而不是任意时刻浓度，也不能用物质的量。
②对于有纯固体和纯液体参加的反应，它们在K的表达式中不出现。
③催化剂能加快化学反应速率，但对化学平衡无影响，也不会改变平衡常数的大小。
④化学反应方向改变或化学计量数改变，化学平衡常数均发生改变。
2.平衡转化率
对于上例反应中A（g）的平衡转化率可表示为：
α（A）＝
×100%{c0（A）代表A的初始浓度，c平（A）代表A的平衡浓度}。
[题组诊断]
化学平衡常数的理解
1.甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。
工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。
已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如下表所示：
化学反应
平衡常数
温度/℃
500
800
①2H2（g）＋CO（g）
CH3OH（g）
K1
2.5
0.15
②H2（g）＋CO2（g）
H2O（g）＋CO（g）
K2
1.0
2.50
③3H2（g）＋CO2（g）
CH3OH（g）＋H2O（g）
K3
（1）据反应①与②可推导出K1、K2与K3之间的关系，则K3＝________（用K1、K2表示）。
（2）反应③的ΔH________0（填“>”或“＜”）。
解析
（1）K1＝
，K2＝
，
K3＝
，K3＝K1·K2。
（2）根据K3＝K1·K2，500℃、800℃时，反应③的平衡常数分别为2.5，0.375；升温，K减小，平衡左移，正反应为放热反应，所以ΔH＜0。
答案
（1）K1·K2
（2）＜
2.某温度下气体反应达到化学平衡，平衡常数K＝
，恒容时，若温度适当降低，F的浓度增加，下列说法正确的是（ ）
A.增大c（A）、c（B），K增大
B.降低温度，正反应速率增大
C.该反应的焓变为负值
D.该反应的化学方程式为2E（g）＋F（g）
A（g）＋2B（g）
解析 某温度下气体反应达到化学平衡，平衡常数K＝
，则该反应为2E（g）＋F（g）
A（g）＋2B（g），恒容时，若温度适当降低，F的浓度增加，平衡向逆反应方向移动，正反应为吸热反应，故C错误，D正确；平衡常数只受温度影响，与浓度无关，温度不变，平衡常数不变，故A错误；降低温度，正、逆反应速率都降低，正反应速率降低更多，平衡向逆反应方向移动，故B错误。
答案 D
化学平衡常数的应用
3.在一定温度下，1L的密闭容器中发生反应：
C（s）＋H2O（g）
CO（g）＋H2（g），平衡时测得C、H2O、CO、H2的物质的量都为0.1mol。
（1）该反应的平衡常数K＝________。
（2）若升高平衡体系的温度，该反应的平衡常数会增大，则该反应的ΔH________0（填“>”或“<”）。
（3）相同条件下，向该密闭容器中充入各物质的起始量如下：
①均为0.2mol ②C（s）、H2O为0.2mol，CO、H2为0.1mol，判断该反应进行的方向：
①________，②________。
解析
（1）容积为1L，则H2O、CO、H2的浓度均为0.1mol·L－1，K＝
＝
＝0.1。
（2）升高温度平衡常数增大，说明平衡向右移动，正反应为吸热反应，ΔH>0。
（3）①Qc＝
＝0.2>K＝0.1，反应向逆反应方向进行；②Qc＝
＝0.05答案
（1）0.1
（2）> （3）①向逆反应方向 ②向正反应方向
4.在一个体积为2L的真空密闭容器中加入0.5molCaCO3，发生反应CaCO3（s）
CaO（s）＋CO2（g），测得二氧化碳的物质的量浓度随温度的变化关系如下图所示，图中A表示CO2的平衡浓度与温度的关系曲线，B表示不同温度下反应经过相同时间时CO2的物质的量浓度的变化曲线。
请按要求回答下列问题：
（1）该反应正反应为________（填“吸”或“放”）热反应；温度为T5时，该反应耗时40s达到平衡，则此温度下，该反应的平衡常数数值为________。
（2）如果该反应的平衡常数K值变大，该反应________（填编号）。
a.一定向逆反应方向移动
b.在平衡移动时正反应速率先增大后减小
c.一定向正反应方向移动
d.在平衡移动时逆反应速率先减小后增大
（3）请说明随温度的升高，曲线B向曲线A逼近的原因：
____________________________________________________________________。
（4）保持温度、体积不变，充入CO2气体，则CaCO3的质量________，CaO的质量________，CO2的浓度________（填“增大”“减小”或“不变”）。
解析
（1）T5时，c（CO2）＝0.20mol·L－1，K＝c（CO2）＝0.20。
（2）K值增大，平衡正向移动，正反应速率大于逆反应速率。
（4）体积不变，增大c（CO2），平衡左移，CaCO3质量增大，CaO质量减小，由于温度不变，K不变，所以c（CO2）不变。
答案
（1）吸 0.20
（2）bc （3）随着温度升高，反应速率加快，达到平衡所需要的时间变短 （4）增大 减小 不变
【归纳总结】
化学平衡常数三点理解两点应用
1.三点理解
（1）对于同类型的反应，K值越大，反应物转化率越大，表示反应进行的程度越大；K值越小，反应物转化率越小，表示反应进行的程度越小。
（2）化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。
（3）化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
若化学方程式中的化学计量数变化，相应地化学平衡常数也要发生变化。
2.两点应用
（1）利用化学平衡常数判断化学平衡移动的方向
对于可逆反应aA（g）＋bB（g）
cC（g）＋dD（g），在一定温度下的任意时刻，反应物与生成物浓度有如下关系：
＝Qc，称为浓度商。
Qc
（2）利用化学平衡常数判断可逆反应的热效应
有关化学平衡“三段式”计算
5.已知反应X（g）＋Y（g）
R（g）＋Q（g）的平衡常数与温度的关系如表所示。
830℃时，向一个2L的密闭容器中充入0.2molX和0.8molY，反应初始4s内v（X）＝0.005mol/（L·s）。
下列说法正确的是（ ）
温度/℃
700
800
830
1000
1200
平衡常数
1.7
1.1
1.0
0.6
0.4
A.4s时容器内c（Y）＝0.76mol/L
B.830℃达平衡时，X的转化率为80%
C.反应达平衡后，升高温度，平衡正向移动
D.1200℃时反应R（g）＋Q（g）
X（g）＋Y（g）的平衡常数K＝0.4
解析 反应初始4s内X的平均反应速率v（X）＝0.005mol/（L·s），根据速率之比等于化学计量数之比，可知v（Y）＝v（X）＝0.005mol/（L·s），则4s内Δc（Y）＝0.005mol·L－1·s－1×4s＝0.02mol/L，Y的起始浓度为
＝0.4mol/L，故4s时c（Y）＝0.4mol/L－0.02mol/L＝0.38mol/L，A项错误；设平衡时A的浓度变化量为x，则：
X（g） ＋ Y（g）
R（g）＋Q（g）
开始（mol/L）:
0.10.400
变化（mol/L）:
xxxx
平衡（mol/L）:
0.1－x0.4－xxx
故
＝1.0，解得x＝0.08，所以平衡时X的转化率为
×100%＝80%，B项正确；由表格可知，温度升高，化学平衡常数减小，平衡逆向移动，C项错误；1200℃时反应X（g）＋Y（g）
R（g）＋Q（g）的平衡常数值为0.4，所以1200℃时反应R（g）＋Q（g）
X（g）＋Y（g）的平衡常数的值为
＝2.5，D项错误。
答案 B
6.利用I2O5可消除CO污染，反应为I2O5（s）＋5CO（g）
5CO2（g）＋I2（s）。
不同温度下，向装有足量的I2O5固体的2L恒容密闭容器中通入2molCO，测得CO2的体积分数φ（CO2）随时间t变化曲线如图，下列说法正确的是（ ）
A.b点时，CO的转化率为20%
B.容器内的压强保持恒定，表明反应达到平衡状态
C.b点和d点的化学平衡常数：
Kb>Kd
D.反应开始至a点的反应速率v（CO）＝0.3mol·L－1·min－1
解析 5CO（g）＋I2O5（s）
5CO2（g）＋I2（s）
起始量/mol20
转化量/molyy
b点量/mol2－yy
根据b点时CO2的体积分数φ（CO2）＝y÷2＝0.80，得y＝1.6mol，转化率＝（变化量÷起始量）×100%＝（1.6÷2）×100%＝80%，A项错误；两边计量数相等，所以压强始终不变，不能做平衡状态的标志，B项错误；b点比d点时生成物CO2体积分数大，说明进行的程度大，则化学平衡常数：
Kb＞Kd，C项正确；0到0.5min时：
5CO（g）＋I2O5（s）
5CO2（g）＋I2（s）
起始量/mol20
转化量/molxx
a点量/mol2－xx
根据a点时CO2的体积分数φ（CO2）＝x÷2＝0.30，得x＝0.6mol；则从反应开始至a点时的反应速率为v（CO）＝（0.6mol÷2L）÷0.5min＝0.6mol·L－1·min－1，D项错误。
答案 C
7.（2017·江苏徐州、宿迁、连云港、淮安四市11月模拟）80℃时，NO2（g）＋SO2（g）
SO3（g）＋NO（g）。
该温度下，在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中，投入NO2和SO2，起始浓度如下表所示，其中甲经2min达平衡时，NO2的转化率为50%，下列判断不正确的是（ ）
起始浓度
甲
乙
丙
c（NO2）/mol·L－1
0.10
0.20
0.20
c（SO2）/mol·L－1
0.10
0.10
0.20
A.平衡时，乙中SO2的转化率大于50%
B.当反应平衡时，丙中c（SO2）是甲中的2倍
C.温度升至90℃，上述反应平衡常数为25/16，则正反应为吸热反应
D.其他条件不变，若起始时向容器乙中充入0.10mol·L－1NO2和0.20mol·L－1SO2，达到平衡时c（NO）与原平衡不同
解析 乙可以看作是在甲基础上再加入0.1mol·L－1NO2，平衡向正反应方向移动，SO2的转化率增大，即大于50%，A项正确；因为反应前后气体系数之和相等，丙可以看作是在甲的基础增大压强，即甲和丙为等效平衡，丙中c（SO2）是甲中的2倍，B项正确；
NO2（g）＋SO2（g）
SO3（g）＋NO（g）
0.10.100
0.1×50%0.1×50%0.1×50%0.1×50%
0.050.050.050.05
根据化学平衡常数的定义，K＝（0.05×0.05）/（0.05×0.05）＝1，升高到90℃，化学平衡常数为25/16>1，说明升高温度，平衡向正反应方向移动，即正反应是吸热反应，C项正确；容器乙中充入0.1mol·L－1NO2、0.2mol·L－1SO2，与乙相当，即c（NO）与原平衡相同，D项错误。
答案 D
【方法技巧】
解答化学平衡计算题的“万能钥匙”——三段式法
1.步骤
（1）写出涉及的可逆反应的化学方程式。
（2）找出起始量、转化量和平衡量中哪些是已知量，哪些是未知量，按“三段式”列出。
（3）根据问题建立相应的关系式进行计算。
2.模板
对于反应：
mA（g）＋nB（g）
pC（g）＋qD（g），令A、B起始物质的量（mol）分别为a、b，达到平衡后，A的消耗量为mx，容器容积为VL。
建立等式求解：
（1）K＝
（2）c平（A）＝
（mol·L－1）。
（3）α（A）平＝
×100%，α（A）∶α（B）＝
∶
＝
。
（4）φ（A）＝
×100%。
（5）
＝
。
【知识网络回顾】
1.250℃和1.01×105Pa时，2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g） ΔH＝＋56.76kJ/mol能自发进行，其自发进行的原因是（ ）
A.是吸热反应B.是放热反应
C.是熵减少的反应D.熵增效应大于能量效应
解析 反应能自发进行，则有ΔH－TΔS＜0，因ΔH＞0，则ΔH＜TΔS，即熵增效应大于能量效应，D项正确。
答案 D
2.反应H2（g）＋I2（g）
2HI（g）的平衡常数为K1；反应HI（g）
H2（g）＋
I2（g）的平衡常数为K2，则K1、K2的关系式为（平衡常数为同温度下的测定值）（ ）
A.K1＝2K2B.K1＝K
C.K1＝
D.K1＝
K2
解析 K1＝c2（HI）/[c（H2）·c（I2）]，K2＝[c（H2）·c（I2）]
/c（HI），K1＝
。
答案 C
3.可逆反应：
2SO2＋O2
2SO3达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2。
下列说法正确的是（K为平衡常数，Qc为浓度商）（ ）
A.Qc不变，K变大，O2转化率增大
B.Qc不变，K变大，SO2转化率减小
C.Qc变小，K不变，O2转化率减小
D.Qc增大，K不变，SO2转化率增大
解析 当可逆反应2SO2＋O2
2SO3达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2，平衡向右进行，但O2转化率减小，浓度商Qc变小，K不变。
答案 C
4.在容积为1.00L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________0（填“大于”或“小于”）；100℃时，体系中各物质浓度随时间变化如上图所示。
反应的平衡常数K1为________。
（2）100℃时达平衡后，改变反应温度为T，c（N2O4）以0.0020mol·L－1·s－1的平均速率降低，经10s又达到平衡。
①T________100℃（填“大于”或“小于”），判断理由是_____________________________________________________________________。
②列式计算温度T时反应的平衡常数K2___________________________________________________________________。
解析
（1）升温，颜色变深，NO2增多，即平衡右移，所以正反应吸热，即ΔH＞0。
由题中图像可知平衡时NO2和N2O4的浓度，将数据代入平衡常数表达式计算即可。
（2）①由题意可知，改变温度使N2O4的浓度降低，即平衡正向移动，则应是升高温度，T大于100℃；②根据速率和时间，求出减少的N2O4的浓度为0.020mol·L－1，则平衡时N2O4的浓度为0.020mol·L－1，NO2的浓度为0.160mol·L－1，由平衡常数表达式可得K2的值。
答案
（1）大于 0.36
（2）①大于 正反应吸热，反应向吸热方向进行，故温度升高
②平衡时，c（NO2）＝0.0020mol·L－1·s－1×10s×2＋0.120mol·L－1＝0.160mol·L－1
c（N2O4）＝0.040mol·L－1－0.0020mol·L－1·s－1×10s＝0.020mol·L－1 K2＝
＝1.28
一、选择题
1.一定条件下，下列反应不可能自发进行的是（ ）
A.2O3（g）===3O2（g） ΔH＜0
B.CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g） ΔH＞0
C.N2（g）＋3H2（g）
2NH3（g） ΔH＜0
D.2CO（g）===2C（s）＋O2（g） ΔH＞0
解析 根据ΔG＝ΔH－TΔS，A项，反应属于熵增，即ΔS＞0，ΔH＜0，ΔG＜0，B项，反应能够自发进行，A项错误；B项，反应是熵增，即ΔS＞0，因为ΔH＞0，高温时能自发进行，B项错误；C项，反应是熵减，即ΔS＜0，因此ΔH<0，低温时能自发进行，C项错误；D项，反应是熵减，即ΔS＜0，因为ΔH＞0，因此任何条件下，都不能自发进行，D项正确。
答案 D
2.下列关于平衡常数的说法正确的是（ ）
A.在平衡常数表达式中，反应物浓度用起始浓度，生成物浓度用平衡浓度
B.在任何条件下，化学平衡常数都是一个恒定值
C.平衡常数的大小与温度、浓度、压强、催化剂等无关
D.从平衡常数的大小可以推断一个反应进行的程度
解析 在平衡常数表达式中，反应物及生成物浓度均为达到化学平衡时的浓度；在温度一定时，对一个确定化学计量数的可逆反应，化学平衡常数是一个恒定值，其大小只与温度有关，与其他外界条件无关，平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度。
答案 D
3.1000K时，反应C（s）＋2H2（g）
CH4（g）的K＝8.28×107，当各气体物质的量浓度分别为H20.7mol·L－1、CH40.2mol·L－1时，上述平衡（ ）
A.向正反应方向移动B.向逆反应方向移动
C.达到平衡D.无法判断移动方向
解析 当各气体物质的量浓度分别为H20.7mol·L－1、CH40.2mol·L－1时Qc＝
＝
≈0.4、K＝8.28×107；K>Qc向正反应方向移动，A项正确。
答案 A
4.放热反应CO（g）＋H2O（g）
CO2（g）＋H2（g）在温度t1时达到平衡，c1（CO）＝c1（H2O）＝1.0mol·L－1，其平衡常数为K
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