化学反应速率与平衡的与化学平衡

1、第四章化学反应的速率与化学平衡【知识导航】美国明尼苏达大学牵头的一个国际研究小组日前在催化剂制备方面取得突破，可明显提升化学反应速率，使汽油、塑料、药品等产业的生产成本显著下降。该新型催化剂采用高度 优化的超薄沸石纳米片制备，使用独特工艺将薄片呈 90角扩展，类似于用纸牌搭成的房子， 而成本与传统工艺相当甚至更低。研究人员将该新型催化剂比作高速公路，由于缝隙更加通畅，分子通过会更快捷且反应高效，而老式的催化剂则类似于小巷，容易将分子卡住从而反应缓慢。中国化工报【重难点】1.化学反应速率(1)速率的表示定义：单位时间内反应物浓度减少的量或生成物浓度增加的量。公式：单位：mol (L min)-1

2、, mol (L s)-1注意：同一反应中，不同反应物或生成物有不同的反应速率，各物质反应速率的比反应式中相应物质的系数比。公式得到的是某个时间段的平均速率，影响速率大小的主要因素是物质的本性。(2)影响速率的外界因素活化能(如图 4-1)AB+C产抽图 4-1 活化能(Ea 和 Ea示意图图 4-2 催化剂与活化能的关系影响速率的主要外界因素是：浓度、温度、压强、催化剂。因素影响原因影响方式CBCBf,uf都是加入哪种物质，其 CBf,则uf。质量作用定律。PPf,uf缘于Pf,VJ,CBf（体系中所有的物质）,则uf。TTf,uf活化Tf,活化分子数f（体系中所有的物质）,则uf。催化剂加

3、催化剂，u分子加催化剂,EaJ,活化分子数f（体系中所有的物质），则uf数的f。这里 EaJ是通过改变反应历程来实现的。在可逆反应增加中，正逆影响相等。与 T 对 EaJ的影响不同。（如图 4-2 ）2.化学反应平衡（1）概念定义：对可逆反应而言，当正反应的速率与逆反应的速率相等时的化学反应状态就是化 学平衡。特点：等，正反应速率和逆反应速率相等。定，平衡时整个体系各物质的浓度为定值。动，正反应和逆反应仍然继续发生着，是动态平衡。性质：暂时的，相对的，外界条件一旦改变，平衡也将被破坏；平衡时反应达到最大程 度。（2 ）平衡常数表达式设可逆反应： aA+bB -gG+hH，其浓度常数和压强常数表

4、达式如下:KGlgHhKPjgPnKAFBPKPP：P：此常数值与反应的温度、反应式的书写有关，与反应物浓度和压强无关。（3）平衡的移动概念：当外界条件改变时，也发生了改变，而；正和逆的改变不等，所以，原来平衡时 正逆变成 正逆，平衡破坏了，要重新建立新的平衡，这就是平衡的移动。平衡移动方向：外界因素对化学反应速度和化学平衡的影响外界条件对反应速率的影响对化学平衡的影响浓度反应物浓度增大，u增大反应物浓度增大，平衡右移【例题分析】1.汽车尾气里有 NO 气体，它是汽车内燃机燃烧的高温引起的氮气和氧气的反应：N2(g) + 02(g)2N0(g) Kc=0.10(2000C)在一个 2 升的容器

5、里进行实验，起始时，氮气和氧气的浓度分别为 0.81molL-1，求达到平衡时 NO 气体的浓度。解：求平衡浓度往往可以通过平衡常数关系列方程求解得到。的平衡浓度为 x, N2和 O2的平衡浓度为 0.81-1/2X ,反应物浓度减小，u减小基元反应 Aa+bBTDd+eE质量作用定律表达式为：* CA CB有气体物质参加反应时：压强增大，U增大压强压强减小，U减小升高温度，U增大降低温度，U减小温度温度影响速率常数 k加入正催化剂U增大催化剂催化剂影响速率常数 k反应物浓度减小，平衡左移生成物浓度增大，平衡左移生成物浓度减小，平衡右移有气体物质参加反应，且反应前后气体分子总数不相等时； 压强

6、增大， 平衡向气体分子总数减小 的方向移动；压强减小，平衡向气体分子总数增 大的方向移动升高温度，平衡向吸热反应方向移动降低温度， 平衡向放热反应方向移动。 温度影响 平衡常数 K催化剂可加快平衡到达的时间，不能使平衡移动即：设某一组分的平衡浓度为 x，根据反应关系式，得到其他组分的平衡表示式,代入常数方程求解。本题：设NO根据N2(g)0.81-1/2XKc+O2(g)0.81-1/2XNO22NO(g)Kc=0.10(2000C)=N2HO2(0.81 -1/2x)(0.81 -1/2x)解得 x 0.2561 平衡时 NO 的浓度为 0.2561mol L-1。2.下图是温度和压强对 X

7、+ Y 一 2Z反应影响的示意图。图中横坐标表示温度，纵坐标表 示平衡混合气体中 Z 的体积分数。下列叙述正确的是()A.上述可逆反应的正反应为放热反应B. X 、Y、Z均为气态C. X 和 Y 中只有一种是气态，Z 为气态D.上述反应的逆反应为吸热反应答案：C解析：根据题目中的图像，在压强不变的情况下，例如lOOOkPa,随着温度的升高，Z的体积分数增大，即随着温度的升高，平衡向正反应方向移动。所以，正反应为吸热反应， 逆反应为放热反应，故 A、D 项错误。同样，在温度不变的情况下，从1000 100T1OkPa,随着压强的减小，Z 的体积分数增大，即随着压强的减小，平衡向正反应方向移动，正

8、反应 为气体体积增大的反应，所以C 项正确。【知识拓展】、化学平衡常见图像及其分析1.图像分析(如图 4-3 )图 4-3 反应平衡图 1(1 )若 a、b 点重合，则平衡移动肯定是改变某一物质的浓度导致。(2) 若 a、b 点不重合，则平衡移动可能是由于以下原因所导致：同时不同程度地改变反 应物(或生成物)的浓度；改变反应体系的压强(考虑气体)；改变反应体系的温度。(3) 若平衡无移动，则可能是由于以下原因所导致：反应前后气体分子个数不变；使 用了催化剂。(4 )若u正在U逆的上方，即平衡向正反应方向移动；若U逆在U正的上方，即平衡向逆反工的体积分数应方向移动。2.图像分析（如图 4-4 ）

9、图 4-4 反应平衡图 2（1）由曲线的拐点作垂直于横轴（即 t 轴）的垂线，其交点即为该条件下达到平衡的时间。（2） 由达到平衡的时间长短，推断 R 与 P2、Ti与 T2的相对大小（图 4-4 中，Pi P2、TiVT2）,左图理解为压强增大，反应更快达到平衡（气体）；右图理解为温度升高，反应更快达到平衡。（3）y 轴代表的物理量不是 P,可以是产物的物质的量或产物的生成速度等。3.图像分析（如图 4-5 ）:图 4-5 反应平衡图 3（1 ）固定压强 P （或温度 T）,即作横坐标轴的垂线，观察分析图中所示各物理量随压强p（或温度 T）的变化结果。（2）y 可以是某物质的质量分数、转化率

10、、浓度、浓度比值、体积分数、物质的量分数等。（3） 左图如果 y 轴为反应物转化率且 Pi P2 P3,可以理解为当温度固定时，随着反应压强（气体）增大，反应物的转化率也增大，说明反应物体积大于生成物体积。右图同样理解。图像分析（如图 4-6 ）:图 4-6 反应平衡图 4（1）温度 T2（最高点）为化学平衡点，y 轴可以是产物的物质的量或产物的生成速度等。（2）0TT2温度段是随温度（T）升高，反应速率加快，产物的浓度增大或反应物的转 化率增大。（3）T2Ts温度段是随温度升高而 y 轴数值降低，如果 y 轴代表产物的物质的量，说明逆 反应为吸热反应。二、解答化学平衡图像问题的技巧1、 “先

11、拐先平，数值大”：在含量 -时间曲线中，先出现拐点的，则先达到化学平衡状态， 说明该曲线的温度较高或压强（气体）较大；2、 “定一议二”：如图像中有三个变量，先确定一个量不变，再讨论另外两个量的关系。【习题】一、选择题【A 型题】1 气体 A 与气体 B 发生反应，其它条件不变，若气体 A 的浓度增大 1 倍，则速率增大到 原来的 2 倍，若气体 B 的浓度增大 1 倍，则速率增大到原来的 4 倍，那么 A 与 B 的反应可 能是（）A 2A+B CB A+2B CC. A+B CD 4A+2B C2.关于速率常数 k 的叙述正确的是（ ）4 .下列平衡：3Fe（s） + 4H2O（g） 一

12、FesO4（s） + 4H2（g）该反应的平衡常数表达式正确的是A . Kc= FesO4H2/FeH2OB . Kc= FesO4H24/Fe3H2。44344C . Kc= Fe3O4H2 /Fe H2OD . Kc= H2 / H2O5.某温度下，在体积为1L 的密闭容器中，将5molSO2和 2.5molO2混合，得到 3molSO3,反应式为 2SO2+O2 -2SO3,则该条件下 SO2的转化率为（A . 40%B . 50%C . 60%A . k 与温度无关B.k 与浓度无关C. k 与催化剂无关D. k 适合于基元反应和多步反应3.关于活化能，下列说法正确的是（A .活化能越

13、大，反应速率越快C.活化能是反应物本身具有的）B . 一般说，活化能越小，反应速率越快D .正反应的活化能与逆反应的活化能相同)D . 70%6.对于反应；2H2（g）+ O2（g）_2H2OQ） +Q，理论上最有利于 H2O 生成的条件是（15.对放热反应，正、逆反应活化能的关系是)在某温度下，反应： A(s) + B2+(aq)- A2+(aq)+ B(s)的平衡常数 Kc= 1.0,在同温度下，B2+和 A2+的浓度分别为 0.50 mol L-1和 0.10 mol L-1则( )反应 2HBr(g) H2(g) + Br2(g) -Q 达到平衡时，要使混合气体颜色加深，可采取的方法1

14、3N2(g) + H2(g)NH3(g)的平衡常数为(22-1A .0.2 mol (L s)-1B. 0.4 mol ( s)-1C.0.6 mol ( s)-1D. 0.8 mol ( s)A .降低温度将对提高C(s)的转化率有利B .达到平衡时，反应物和生成物浓度相等C .减少 H20(g)的量，平衡将向正方向移动D .平衡时，各反应物和生成物的浓度不再改变B. 0. 5C. 2.0D. 0. 2510 .对于平衡体系 aA (g) + bB(s) dD(g) + eE(g), 少，则系数关系应是(增大压强(其它条件不变)，D 的含量减A.a+dveB.a+bvd+eC.d+eaD.d

15、+eva已知合成氨反应的浓度数据如下：N2+ 3H2-2NH3起始浓度/mol/L1.03.002 秒末浓度/mol/L0.61.80.8当用氨气浓度的增加来表示该化学反应速率时，其速率为()11.12.有可逆反应 C(s) +出 09 厂CO(g) + H2(g) -QF 列说法正确的是(A .高温高压B 低温低压C.低温高压D.高温低压7.A .正方向反应是自发的B .系统处于平衡状态C 逆方向反应是自发的D .先正方向后逆方向8.9.A .减小压强B .增大氢的浓度C 升高温度D .使用催化剂反应：2NH3(g) N2(g) + 3H2(g)，在某温度下的平衡常数为0.25，则在此温度下

16、反应13.下列说法正确的是(A .平衡常数随起始浓度不同而变化B .转化率相同的反应，平衡常数也相同C .反应物的转化率不随起始浓度变化而变化D .某反应物的转化率与它在总反应物中所占的比例不同而不同14.对于 2NO2(g) N2O4(g)平衡体系，迅速减小体积，体系的颜色变化是(A .加深B .变浅C.先浅后深D .先深后浅A . E正 E逆B . E正VE逆C. E正=丘逆D .先 E正 E逆16 .在 N2+3H2 - 2NH3的反应中，经过一段时间后，NH3的浓度增加了 0.6 mol L-1，在此时间内用 H2表示的平均反应速率为0.45 mol s)-1，反应所经过的时间是()1

17、7.在一个密闭容器中，下列反应已达到平衡：aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)+Q，如果升高温度或降低压强，则C(g)物质的量都增大，试判断下列各组结论正确的是()A . a+b c+d, Q c+d , Q 0C. a+b 0D. a+b = c+d , Q p+q 在平衡时，改变条件能使平衡右移的是()A . 加压、升温B .减压、降温C . 加压、增加反应物的浓度D .升温、减少生成物的浓度27 .对N2(g) + 3H2(g)-2NH3(g)达到平衡状态的标志是()A . Q= KcB .N2 = H2 = NH3C . N2NH3D.N2、H2、NH3都保持不变28 .降低

18、压强和升高温度，可使平衡向正方向移动的是()A . C(s) + H2O(g)-亠 CO (g) + H2(g) -QB . N2(g) + O2(g 广2NO (g) -QC . N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) + QD . 2H2O(g)2 出(g) + O2(g) -Q29 .对反应 2 + 3H2(g)2NH3(g) + Q,提高氢气转化率的方法是()A .升温B.降温30 .下列对正催化剂叙述正确的是(A .降低正反应的活化能C.改变了反应历程二、填空题2.影响速率常数的因素有 _ 、_ ;影响平衡常数的因素有 _C .增加压力D .增加 N2(g)的量)B .增加活化分

19、子的百分数D .增加有效碰撞次数1 .化学反应的活化能越高，活化分子数越;有效碰撞次数越 _;化学反应速率越3.书写平衡常数表示式除应标明反应温度，平衡常数表达式与化学反应式的书写一致之外，还应注明_ 、_4 压强只能使具有_和_ 条件的化学反应平衡发生移动。二、计算题1.在 300K 时，反应 2N0CI NO + Cl2的 NOCI 浓度和反应速度的数据如下:1NOCl 的初始浓度，mol L-初始速度，mol (L s)-10.30-93.60XO0.60-81.44X0求出反应速率常数并写出反应速率方程。2+2+2.已知 Pb + Sn=Pb + SnKc= 2.41若初始浓度Pb2+

20、 = O.lmol L -1，达到平衡时 Pb2+和 Sn2+的浓度各是多少？2+1 2+ 1若Pb = 0.1mol , Sn = 0.5mol ，反应将向何方向进行?(3)若平衡时Sn2+ = 0.1mol L-1，反应开始时Pb2+是多少？3. 在某温度下，密闭容器中进行下列反应：CO(g) + H2O(g)CO2(g) + H2(g)K 尸1求：(1)当 H2O 与 CO 物质的量之比为 1 时，CO 的转化率为多少？(2) 当 H2O 与 CO 物质的量之比为 3 时，CO 的转化率为多少？(3) 根据上述计算结果，能得出什么结论？四、问答题1. 影响化学反应速率的因素有哪些？怎样解

21、释这些影响？2. 压强增加，反应速率如何改变？平衡将怎样移动？【参考答案】一、选择题【A 型题】1.B2.B3.B4.D5.C6.C7.A8.C9.C 10.C11.B12.D13.D14.D15.B16.A17.B18.A19.B20.A21.B22.D23.B24.A25.A【X 型题】26. ACD 27. AD 28. AD 29. BCD 30. ABCD、填空题根据：Q= S n2+ Pb2+=0.5 0. 1=5 2.41故：平衡向逆方向移动2+(3)设平衡时Pb 为 x因为：2.41 = 0.1(得:x= 0.041则:2+反应开始时Pb = 0.1 + 0.041 = 0.1

22、413.解:(1)设平衡时 CO2物质的量为 x, CO 初始时物质的量为 1。CO(g) + H2O(g)- CO2(g) + H2(g)1-x1-xx2 21 = x (1-x)1 .少，低，慢。2.温度、催化剂温度3固体和纯液体部分浓度不写入平衡常数表达式中， 有水参加或水生成的反应水的浓度不 写入平衡常数表达式中。4.有气体参加，反应前后分子总数不等。二、计算题1.解:设速率：尸则:3.60 10-9= k0.30 x1.4410-8=k0.60 x(1) (2)得：0.25 = 0.5x解得:-9-8将 x 代入(1)式，解得速率常数为：k= 3.60 10(0.09 = 4 X10故速率方程为：尸 4X10-8NOCI22.解:2+(1)已知：Kc= 2.41Pb = 0.1则: 2.41 = S n2+ 0.1得:Sn2+ = 0.2410 5解得：x= 0.5 故：转化率 a=100%= 50%1(2)同理 1 = y2(1-y)(3-y)解得：y= 0.75 故：转化率 a=?5100%= 75%1(3)由此可得，要提高某一反应物的转化率， 可通过增加另一反应