第四讲 化学反应速率与化学平衡.docx

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第四讲化学反应速率与化学平衡

高考总复习——化学4

化学反应速率与化学平衡

热点一、用实验手段研究外界条件对化学反应速率的影响

外界条件的变化会对化学反应速率产生影响，在高中阶段，我们主要利用“有效碰撞理论”来研究条件对反应速率的影响，“活化分子”之间在取向适合的条件下发生的碰撞会引发反应，称之为“有效碰撞”，外界条件改变后，如果对“单位时间内有效碰撞次数”产生影响，就会使反应速率发生改变。

条件

原理

温度

改变反应物中活化分子（具备发生变化所需的最低能量）的比例

浓度

改变单位体积内活化分子的物质的量

固体表面积

改变分子发生接触的面积

催化剂

改变反应途径，从改变反应的活化能，进而改变活化分子的比例

在进行分析时，有几点知识需要我们注意：

（1）压强并不是对所有化学反应的速率都会产生影响，因为“只有当压强的改变最终引起了反应物的浓度的变化”，才能对反应速率产生影响。

正像许多老师总结的那样，“对于在容积可变的容器中，有气体参加的反应，压强可以影响反应速率”。

（2）我们使用的催化剂本身参与了化学反应，催化剂的参与使反应途径发生了变化。

（3）反应一般在催化剂表面发生，因此固体催化剂的表面积大小会影响催化的效果。

例1（08高考）等质量的铁与过量的盐酸在不同的实验条件下进行反应，测定在不同时间t产生气体体积V的数据，根据数据绘制得到图1，则曲线a、b、c、d所对应的实验组别可能是（）

组别

c（HCl）（mol/L）

温度（℃）

状态

1

2.0

25

块状

2

2.5

30

块状

3

2.5

50

块状

4

2.5

30

粉末状

A．4－3－2－1B．1－2－3－4C．3－4－2－1D．1－2－4－3

解析：

化学反应速率与温度、浓度和固体物质的表面积的大小有关，实验1的盐酸的浓度最小，反应的温度最低，所以化学反应速率最慢；由于实验3的反应温度比实验2的反应温度高，所以反应速率实验3大于实验2；而实验4和实验3虽然浓度相同，但反应的温度不同，物质的状态也不相同，所以不能比较。

答案：

AC

例2（09高考）

某探究小组利用丙酮的溴代反应（CH3COCH3+Br2

CH3COCH2Br+HBr）来研究反应物浓度与反应速率的关系。

反应速率v（Br2）通过测定溴的颜色消失所需的时间来确定。

在一定温度下，获得如下实验数据：

实验序号

初始浓度c/mol·L—1

溴颜色消失所需时间t/s

CH3COCH3

HCl

Br2

①

0.80

0.20

0.0010

290

②

1.60

0.20

0.0010

145

③

0.80

0.40

0.0010

145

④

0.80

0.20

0.0020

580

分析实验数据所得出的结论不正确的是（）

A．增大c（CH3COCH3），v（Br2）增大B．实验②和③的v（Br2）相等

C．增大c（HCl），v（Br2）增大D．增大c（Br2），v（Br2）增大

答案：

D

例3（07高考）下表是稀硫酸与某金属反应的实验数据：

实验序号

金属质量/g

金属状态

c（H2SO4）

/mol·L-1

V（H2SO4）

/mL

溶液温度/℃

金属消失的时间/s

反应前

反应后

1

0.10

丝

0.5

50

20

34

500

2

0.10

粉末

0.5

50

20

35

50

3

0.10

丝

0.7

50

20

36

250

4

0.10

丝

0.8

50

20

35

200

5

0.10

粉末

0.8

50

20

36

25

6

0.10

丝

1.0

50

20

35

125

7

0.10

丝

1.0

50

35

50

50

8

0.10

丝

1.1

50

20

34

100

9

0.10

丝

1.1

50

20

44

40

分析上述数据，回答下列问题：

（1）实验4和5表明，对反应速率有影响，反应速率越快，能表明同一规律的实验还有（填实验序号）；

（2）仅表明反应物浓度对反应速率产生影响的实验有（填实验序号）；

（3）本实验中影响反应速率的其他因素还有，其实验序号是。

（4）实验中的所有反应，反应前后溶液的温度变化值（约15℃）相近，推测其原因：

。

答案：

（1）固体反应物的表面积表面积越大1和2

（2）3和4

（3）开始反应温度6和7

（4）一定量的金属跟足量的硫酸反应放出的热量相同。

例4（08高考）．某探究小组用HNO3与大理石反应过程中质量减小的方法，研究影响反应速率的因素。

所用HNO3浓度为1.00mol·L-1、2.00mol·L-1，大理石有细颗粒与粗颗粒两种规格，实验温度为298K、308K，每次实验HNO3的用量为25.0mL、大理石用量为10.00g。

1．请完成以下实验设计表，并在实验目的一栏中填出对应的实验编号：

实验编号

T/K

大理石规格

HNO3浓度/mol·L-1

实验目的

①

298

粗颗粒

2.00

（Ⅰ）实验①和②探究HNO3浓度对该反应速率的影响；

（Ⅱ）实验①和探究温度对该反应速率的影响；

（Ⅲ）实验①和探究大理石规格（粗、细）对该反应速率的影响；）

②

③

④

2．实验①中CO2质量随时间变化的关系见下图：

依据反应方程式

CaCO3+HNO3=

Ca（NO3）2+

CO2↑+

H2O，计算实验①在70-90s范围内HNO3的平均反应速率（忽略溶液体积变化，写出计算过程）。

3．请在答题卡的框图中，画出实验②、③和④中CO2质量随时间变化关系的预期结果示意图。

解析：

1．

实验编号

T/K

大理石规格

HNO3浓度/mol·L-1

实验目的

①

298

粗颗粒

2.00

⑴实验①和②探究HNO3浓度对该反应速率的影响；

⑵实验①和③探究温度对该反应速率的影响。

⑶实验①和④探究大理石规格（粗、细）对该反应的影响。

②

298

粗颗粒

1.00

③

308

粗颗粒

2.00

④

298

细颗粒

2.00

2．

（1）70至90sCO2生成的质量为：

m（CO2）0.95－0.85=0.1g

（2）根据方程式比例，可知消耗HNO3的物质的量为：

n（HNO3）=0.1/22=1/220mol

（3）溶液体积为25mL=0.025L，所以HNO3减少的浓度Δc（HNO3）=2/11mol/·L－1

（4）反应的时间t=90-70=20s

（5）所以HNO3在70-90s范围内的平均反应速率为：

v（HNO3）=Δc（HNO3）/t=1/110mol·L－1·s－1

3．作图略

作图要点：

因为实验①HNO3与大理石恰好完全反应；

实验②中，HNO3不足量，纵坐标对应的每一个值均为原来的1/2；

实验③④的图象类似，恰好完全反应，但反应条件改变，升高温度与大理石细颗粒增大表面积可加快反应速率。

所以图象曲线斜率变大，平衡位置纵坐标与实验①相同。

例5（09高考）．超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。

科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2，化学方程式如下：

2NO+2CO

2CO2+N2

为了测定在某种催化剂作用下的反应速率，在某温度下用气体传感器测得不同时间的NO和CO浓度如表：

时间/s

0

1

2

3

4

5

c（NO）/mol·L—1

1.00×10－3

4.50×10－4

2.50×10－4

1.50×10－4

1.00×10－4

1.00×10－4

c（CO）/mol·L—1

3.60×10－3

3.05×10－3

2.85×10－3

2.75×10－3

2.70×10－3

2.70×10－3

请回答下列问题（均不考虑温度变化对催化剂催化效率的影响）：

（1）在上述条件下反应能够自发进行，则反应的ΔH0（填写“>”、“<”、“=”）。

（2）前2s内的平均反应速率v（N2）=。

（3）在该温度下，反应的平衡常数K=。

（4）假设在密闭容器中发生上述反应，达到平衡时下列措施能提高NO转化率的是。

A．选用更有效的催化剂B．升高反应体系的温度

C．降低反应体系的温度D．缩小容器的体积

（5）研究表明：

在使用等质量催化剂时，增大催化剂比表面积可提高化学反应速率。

为了分别验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计表中。

实验编号

T/℃

NO初始浓度

/mol·L—1

CO初始浓度

/mol·L—1

催化剂的比表面积

/m2·g—1

I

280

1.20×10－3

5.80×10－3

82

II

124

III

350

124

①请在上表格中填入剩余的实验条件数据。

②请在给出的坐标图中，画出上表中的三个实验条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线图，并标明各条曲线是实验编号。

答案：

（1）＜；

（2）1.88×10－4

；

（3）5000；（4）C、D；

（5）①280；1.20×10－3；5.80×10－3；1.20×10－3；5.80×10－3；

②如图：

解析：

该题综合考察反应速率、反应方向，化学平衡等知识，并考察了实验化学的设计思路。

体现了新课程变化。

（1）该反应气体减少，△S＜0非自发，所以一定是放热才有可能自发；

（2）υ（NO）＝

；υ（N2）＝

υ（NO）＝

（3）利用三段式计算出c（CO2）＝9×10－4；c（N2）＝4.50×10－4。

（4）加压、降温使该反应平衡正移。

（5）①I、II比表面积不同，应控制温度相同，验证催化剂比表面积对速率的影响；

I、III比表面积不同，温度不同；验证反应温度对速率的影响；所有浓度应控制相同。

②Ⅰ、Ⅱ温度相同，平衡不移动，但Ⅱ的速率大；

Ⅲ的温度高，速率最大且平衡逆移，c（NO）增大。

热点二、外界条件对化学平衡的影响

平衡状态是封闭体系中的可逆变化过程在一定条件下达到的动态平衡状态，是在该条件下可逆过程所能达到的最大限度，达成平衡状态的原因是变化的两个方向的速率相等。

当外界条件发生变化时，如果两个方向的速率不再相等，平衡状态就被破坏，经过一段时间后会达到一个新的平衡状态，这就是我们所说的“平衡移动”，外界条件的改变是平衡发生移动的必要条件。

“如何让平衡向我们希望的方向移动”是实验和实际生产活动中重点研究的课题之一，也是高中化学中重点学习的内容。

如果简单概括高考对平衡移动的要求，可以归纳成这样一句话：

“三个量知二求一”。

这里所说的三个量指的是：

化学反应的特征

外界条件是如何改变的

平衡移动的方向

反应的焓变

反应前后物质的状态

气体在反应中的化学计量数

温度

气体或溶液的物质的量浓度

压强

向正方向移动

向逆方向移动

平衡不移动

需要我们注意的有以下几点：

（1）当外界条件不同时，物质的状态会发生改变。

例如：

三氧化硫在标准状况下是无色的晶体，但是在工业生产条件下（500℃）是气态；随着压强的增大，气态物质可能会变为液态，例如工业生产中氨气、空气的液化就是在降温的同时增大压强实现的。

在解题过程中，从题目中获得物质状态方面的信息、或是判断物质的状态是基础步骤。

（2）压强对平衡的影响这类题目是高考中出现频率最高的考点，因为“只有当压强的改变最终引起了反应物的浓度的变化”，才能对反应速率产生影响，才有可能使平衡状态发生移动。

在解题过程中，尤其要重视容器的类别，分清到底是“容积不变的容器”（恒容容器），还是“压强不变的容器”（恒压容器，或称为活塞式容器）。

在恒容容器中加入少量与反应无关的气体，因为不会改变其它物质的浓度，对平衡没有影响。

在恒压容器中加入少量与反应无关的气体，会使得容器体积增大，容器中所有气体物质的浓度均降低，其效果相当于降低压强。

（3）外界条件的变化引起了反应速率的变化，不仅有可能导致平衡状态发生改变，还能够改变反应达到平衡所需要的时间。

尤其在工业生产中，追求的不是转化率尽可能高，而是单位时间内的产值最大化，因此涉及到实际生产时，必须将平衡的移动和时间成本综合进行考虑，才能够获得最佳的条件组合。

例6（08高考）．将H2（g）和Br2（g）充入恒容密闭容器，恒温下发生反应：

H2（g）+Br2（g）

2HBr（g）；ΔH＜0。

平衡时Br2（g）的转化率为a；若初始条件相同，绝热下进行上述反应，平衡时Br2（g）的转化率为b。

a与b的关系是（）

A．a＞bB．a=bC．a＜bD．无法确定

解析：

正反应为放热反应，前者恒温，后者相对前者，达到平衡状态时温度更高。

使平衡向左移动，从而使Br2的转化率降低。

所以b

答案：

A

例7（08高考）．碘钨灯比白炽灯使用寿命长。

灯管内封存的少量碘与使用过程中沉积在管壁上的钨可以发生反应：

W（s）+I2（g）

WI2（g）；ΔH＜0（温度T1＜T2）。

下列说法正确的是（）

A．灯管工作时，扩散到灯丝附近高温区的WI2（g）会分解出钨，重新沉积到灯丝上

B．灯丝附近温度越高，WI2（g）的转化率越低

C．该反应的平衡常数表达式是

D．利用该反应原理可以提纯钨

解析：

该反应的正反应为放热反应，温度升高，化学平衡向左移动。

所以灯丝附近温度越高，WI2的转化率越高，B错。

平衡常数，应为生成物浓度的幂之积除以反应物浓度的幂之积，即

，C错。

利用该反应，可往钨矿石中，加入I2单质，使其反应生成WI2富集，再通过高温加热WI2生成钨，从而提纯钨，D正确。

答案：

AD

例8（08高考）．工业上制备纯硅反应的热化学方程式如下：

SiCl4（g）＋2H2（g）===Si（s）＋4HCl（g）；△H＝＋QkJ·mol－1（Q＞0）

某温度、压强下，将一定量的反应物通入密闭容器进行以上的反应（此条件下为可逆反应），下列叙述正确的是（）

A．反应过程中，若增大压强能提高SiCl4的转化率

B．若反应开始时SiCl4为1mol，则达到平衡时，吸收热量为QkJ

C．反应至4min时，若HCl的浓度为0.12mol·L－1，则H2的反应速率为0.03mol/（L·min）

D．当反应吸收热量为0.025QkJ时，生成的HCl通入100mL1mol·L－1的NaOH恰好反应

解析：

该反应为体积增大的反应，增大压强平衡左移，减小SiCl4转化率，A错；该反应为可逆反应，不能实现完全转化，吸收的热量一定小于QkJ，B错；反应至4min时，HCl的浓度为0.12mol/L，表示的反应速率为：

v（HCl）=0.03mol/L·min，换算为v（H2）=0.015mol/L·min，C错；当放热0.025QkJ时，说明反应的SiCl4为0.025mol，生成HCl0.1mol，其与100mL1mol/L的NaOH恰好反应，D正确。

答案：

D

【高考考点】化学平衡的移动、反应热、反应速率知识

【易错提醒】不能正确理解反应热的意义，造成错误解答。

【备考提示】对于反应热的知识，关键要理解化学反应过程中热量变化的原因是反应物总能量和生成物总能量不相等。

特别是在可逆反应中，反应热仍然是指物质完全反应时的数值。

例9（08高考）．对平衡CO2（g）

CO2（aq）；△H=－19.75kJ/mol，为增大二氧化碳气体在水中的溶解度，应采用的方法是（）

A．升温增压B．降温减压C．升温减压D．降温增压

解析：

在封闭体系中，二氧化碳的溶解是一个可逆过程，同样可以用勒夏特列原理进行分析，气体在水中的溶解度随着温度的升高而降低，所以要使CO2在水中的溶解度增大，可以降低温度，同时还可增大压强。

答案：

D

例10（08高考）．高温下，某反应达平衡，平衡常数K=

。

恒容时，温度升高，H2浓度减小。

下列说法正确的是（）

A．该反应的焓变为正值

B．恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小

C．升高温度，逆反应速率减小

D．该反应化学方程式为CO+H2O=CO2+H2

答案：

A

例11（09高考）．2SO2（g）+O2（g）

2SO3（g）是制备硫酸的重要反应。

下列叙述正确的是（）

A．催化剂V2O5不改变该反应的逆反应速率

B．增大反应体系的压强，反应速率一定增大

C．该反应是放热反应，降低温度将缩短反应达到平衡的时间

D．在t1、t2时刻，SO3（g）的浓度分别是c1、c2，则时间间隔t1～t2内，SO3（g）生成的平均速率为

答案：

D

热点三、从图形和图表中获得信息

在高考中，化学反应速率与化学平衡的解题的关键是从题目中获得足够的信息。

如今的高考题中，题目已知条件的呈现方式越来越多样化，在化学反应速率和化学平衡试题中，大量地使用图形、图表来提供有关速率和平衡移动方面的信息。

这就要求考生能够通过对实验现象的观察，获取有关的感性知识和印象，准确地提取实质性内容（三量知二），并且用正确的化学术语及文字进行表达，做出解释，尤其要求考生自己也能够利用图表、图形进行解答。

有关化学反应速率图象试题涉及知识面广，灵活性大。

题目大多注重对知识综合应用能力和分析判断能力的考查，是考查考生能力的常见题，近几年逐渐成为考试命题的重要内容。

解答这类试题时要注意从图象中获得下列信息：

一看面：

认清坐标系，搞清纵、横坐标所代表的意义，并与有关的原理挂钩（知道要考什么）。

二看线：

看好线的走向，抓住变化趋势，分清正、逆反应。

三看点：

看两条线的交点及拐点，在速率—时间图上，要注意看清曲线是连续的还是跳跃的，分清渐变和突变，判断是哪个条件发生了变化。

四作辅助线：

当一张图中同时包含多个因素的影响时，要及时作出等温线、等压线。

五看定量：

例如在浓度-时间图上，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相应的计算、推理和判断。

例12（08高考）．在密闭的容器中进行如下的反应：

H2（g）＋I2（g）

2HI（g），在温度T1和T2时，产物的量或时间的关系如下图所示，符合图象的正确的判断是（）

A．T1＞T2，△H＞0B．T1＞T2，△H＜0

C．T1＜T2，△H＞0D．T1＜T2，△H＜0

解析：

从图可以看出，反应时的温度T2＞T1，且温度越高，HI的量越少，说明升高温度，平衡向逆反应方向移动，即该反应的正反应属于放热反应，△H＜0。

答案：

D。

例13（08高考）．已知：

4NH3（g）+5O2（g）

4NO（g）+6H2（g）；△H=-1025kJ/mol。

该反应是一个可逆反应。

若反应物起始物质的量相同，下列关于该反应的示意图不正确的是（）

解析：

此题结合化学平衡图像考查外界条件对化学平衡的影响。

根据“先拐先平数值大”的原则，选项A、B正确；根据升高温度，平衡向吸热反应方向移动（即逆反应方向移动），可确定A、B正确；根据使用催化剂只能改变化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但对化学平衡的移动无影响，所以选项D正确。

答案：

C。

例14（09高考）．下图表示反应：

X（g）

4Y（g）+Z（g）；ΔH＜0。

在某温度时X的浓度随时间变化的曲线：

下列有关该反应的描述正确的是（）

A．第6

后，反应就终止了

B．X的平衡转化率为85%

C．若升高温度，X的平衡转化率将大于85%

D．若降低温度，v（正）和v（逆）将以同样倍数减少

答案B

解析：

A项，6min时反应达平衡，但未停止，故错；B项，X的变化量为1－0.15=0.85mol，转化率为0.85÷1=85%，正确。

ΔH＜0，正反应放热，故升高温度，平衡将逆向移动，则X的转化率减小，C项错；D项，降温，正、逆反应速率同时减小，但是降温平衡正向移动，故v（正）>v（逆），即逆反应减少更多，错误。

例15（09高考）I2在KI溶液中存在下列平衡：

I2（aq）+I—（aq）

I3—（aq）。

某I2、KI混合溶液中，I3—的物质的量浓度c（I3—）与温度T的关系如图所示（曲线上任何一点都表示平衡状态）。

下列说法正确的是（）

A．反应I2（aq）+I—（aq）

I3—（aq）的△H＞0

B．若温度为T1、T2，反应的平衡常数分别为K1、K2，则K1＞K2

C．若反应进行到状态D时，一定有v（正）>v（逆）

D．状态A与状态B相比，状态A的c（I2）大

答案：

BC

例16（04高考）．在一定条件下，二氧化硫和氧气发生如下反应2SO2（g）+O2（g）

2SO3（g）；ΔH＜0。

（1）降低温度，二氧化硫转化率，化学反应速率（以上均填增大、减小或不变）。

（2）600℃时，在一密闭容器中，将二氧化硫和氧气混合，反应过程中SO2、O2、SO3物质的量变化如图，反应处于平衡状态的时间是

（3）据图判断，反应进行至20min时，曲线发生变化的原因是（用文字表达）10min到15min的曲线变化的原因可能是（填写编号）。

a．加了催化剂b．缩小容器体积

c．降低温度d．增加SO3的物质的量

答案：

（1）增大减小

（2）15~20min和25~30min

（3）增加了O2的量ab

例17（09高考）．甲酸甲酯水解反应方程式为：

HCOOCH3（l）+H2O（l）

HCOOH（l）+CH3OH（l）；△H＞0

某小组通过实验研究该反应（反应过程中体积变化忽略不计）。

反应体系中各组分的起始量如下表：

组分

HCOOCH3

H2O

HCOOH

CH3OH

物质的量/mol

1.00

1.99

0.01

0.52

甲酸甲酯转化率在温度T1下随反应时间（t）的变化如下图：

（1）根据上述条件，计算不同时间范围内甲酸甲酯的平均反应速率，结果见下表：

反应时间/min

0~5

10~15

20~25

30~35

40~45

50~55

60~65

平均反应速率/（10-3mol·min-1）

1.9

7.4

7.8

4.4

1.6

0.8

0.0

请计算15～20min范围内甲酸甲酯的减少量为mol，甲酸甲酯的平均反应速率为mol·min-1（不要求写出计算过程）。

（2）依据以上数据，写出该反应的反应速率在不同阶段的变化规律及其原因：

。

（3）上述反应的平衡常数表达式为：

，则该反应在温度T1下的K值为。

（4）其他条件不变，仅改变温度为T2（T2大于T1），在答题卡框图中画出温度T2下甲酸甲酯转化率随反应时间变化的预期结果示意图。

答案：

（1）0.0459.0×10－3

（2）先增大后减小。

随着反应进行，生成HCOOH的量增多，使溶液酸性增强，对水解促进作用增大，反应速