学案42化学反应的方向和限度

学案42化学反应的方向和限度[考纲要求]1.了解化学反应的方向与化学反应的焓变和熵变之间的关系。2.掌握化学反应在一定条件下能否自发进行的判断依据。3.能够利用化学反应的焓变和熵变判断化学反应的方向。4.了解可逆反应的定义。5.理解化学平衡的定义。6.理解影响化学平衡的因素。7.理解化学平衡常数的定义并能进行简单计算。知识点一化学反应进行的方向及判断依据1．自发反应在一定条件下______________________就能自发进行的反应称为自发反应。2．判断化学反应方向的依据(1)焓变与反应方向研究表明，对于化学反应而言，绝大多数____________都能自发进行，且反应放出的热量________，体系能量________得也________，反应越________。可见，__________是制约化学反应能否自发进行的因素之一。(2)熵变与反应方向①研究表明，除了热效应外，决定化学反应能否自发进行的另一个因素是体系的________。大多数自发反应有趋向于体系________增大的倾向。②熵和熵变的含义a．熵的含义熵是衡量一个体系________的物理量。用符号________表示。同一条件下，不同物质有不同的熵值，同一物质在不同状态下熵值也不同，一般规律是：S(g)>S(l)>S(s)。b．熵变的含义熵变是反应前后体系__________，用________表示，化学反应的ΔS越大，越有利于反应____________。(3)综合判断反应方向的依据要正确判断一个化学反应是否能自发进行，必须综合考虑反应的________与________。在恒温、恒压时，①如果反应的__________，则该反应一定能自发进行；②如果反应的____________，则该反应一定不能自发进行；③如果反应的________________或____________，反应是否能自发进行与反应的________有关。问题思考1．能自发进行的反应一定能实际发生吗？2．为什么有时可用能量判据或熵判据判断反应进行的方向？知识点二可逆反应和化学平衡1．可逆反应________条件下，既能向________方向进行，又能向________方向进行的化学反应。问题思考3．反应2H2O通电点燃2H2↑＋O2↑通电点燃2．化学平衡状态(1)概念一定条件下的可逆反应中，正反应速率与逆反应速率________，反应体系中所有参加反应的物质的________保持不变的状态。(2)建立过程在一定条件下，将molCO和molH2O(g)通入2L密闭容器中，进行反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g①反应刚开始时，________浓度最大，正反应速率最大；________浓度为0，____反应速率为0。②随着反应的进行，反应物浓度逐渐________，正反应速率逐渐________；生成物浓度逐渐________，逆反应速率逐渐________，最终正、逆反应速率________，达到平衡状态，此时反应体系中各物质的浓度均____________。③依据以上叙述画出反应的v－t图象：④由v－t图象________看出化学平衡是动态平衡，因为______________，即反应仍在进行着。(3)平衡特点问题思考4．化学平衡概念中，正反应速率和逆反应速率相等的含义是什么？知识点三化学平衡常数1．概念在一定温度下，当一个可逆反应达到____________时，生成物______________________与反应物______________________的比值是一个常数，用符号________表示。2．表达式对于反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，K＝________________(固体和纯液体的浓度为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。3．意义(1)K值越大，反应物的转化率________，正反应进行的程度________。(2)K只受________影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。若反应方向改变，则平衡常数改变。若方程式中各物质的系数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。一、化学平衡状态的判断1．化学平衡状态的标志(1)v正＝v逆——反应体系中____________的消耗速率和生成速率相等(2)平衡混合物中各组成成分的含量保持不变——各组分的______________、________、____________、____________(有气体参加的可逆反应)、________________等保持不变。2．实例分析例举反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)是否平衡状态混合物体系中各成分的量①各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定②各物质的质量或各物质的质量分数一定③各气体的体积或体积分数一定④总体积、总压强、总物质的量、总浓度一定正反应速率与逆反应速率的关系①在单位时间内消耗了mmolA，同时生成mmolA，即v正＝v逆②在单位时间内消耗了nmolB，同时消耗了pmolC，则v正＝v逆③vA∶vB∶vC∶vD＝m∶n∶p∶q，v正不一定等于v逆④在单位时间内生成nmolB，同时消耗qmolD，均指v逆，v正不一定等于v逆压强①若m＋n≠p＋q，总压强一定(其他条件不变)②若m＋n＝p＋q，总压强一定(其他条件不变)混合气体相对平均分子质量(eq\x\to(M))①eq\x\to(M)一定，m＋n≠p＋q②eq\x\to(M)一定，m＋n＝p＋q温度任何化学反应都伴随着能量变化，当体系温度一定（其他条件不变）体系的密度(ρ)密度一定典例导悟1下列方法可以证明H2(g)＋I2(g)2HI(g)，已达平衡状态的是____________(填序号)。①单位时间内生成nmolH2的同时，生成nmolHI②一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂③百分含量w(HI)＝w(I2)④反应速率v(H2)＝v(I2)＝eq\f(1,2)v(HI)⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)＝2∶1∶1⑥温度和体积一定时，某一生成物浓度不再变化⑦温度和体积一定时，容器内压强不再变化⑧条件一定，混合气体的平均相对分子质量不再变化⑨温度和体积一定时，混合气体颜色不再变化⑩温度和压强一定时，混合气体的密度不再变化讨论：在上述⑥～⑩的说法中能说明2NO2(g)2O4(g)达到平衡状态的是______________(填序号)。二、等效平衡1．含义在一定条件下(恒温恒容或恒温恒压)，对同一可逆反应体系，________时加入物质的物质的量不同，而达到化学平衡时，同种物质的百分含量________。2．原理同一可逆反应，当外界条件一定时，反应无论从正反应开始，还是从逆反应开始，最后都能达到平衡状态。其中平衡混合物中各物质的含量________。由于化学平衡状态与________有关，而与建立平衡的________无关。因而，同一可逆反应，从不同的状态开始，只要达到平衡时条件(温度、浓度、压强等)完全相同，则可形成等效平衡。3．分析方法按照化学方程式的化学计量数关系，把起始物转化为方程式__________的物质，通过对比两种情况下对应组分的起始量是相等，还是等比，来判断化学平衡是否等效(即“一边倒”)。4．分类及判断方法等效平衡有两类反应(即Δn＝0、Δn≠0的反应)、两种状态(即恒温恒容、恒温恒压)(1)恒温恒容条件下的体积可变反应判断方法：____________即等效(2)恒温恒压条件下的体积可变反应判断方法：____________即等效(3)恒温条件下体积不变的反应判断方法：无论是恒温恒容，还是恒温恒压，只要____________即等效，因为压强改变对该类反应的化学平衡__________。典例导悟2在一定温度下进行反应H2＋I22HI，有以下3种不同的起始投料方式(初始容器容积相同)：H2(g)＋I2(g)2HI(g)①1mol1mol0mol②2mol2mol1mol③amolbmolcmol(1)试判断②和①是否是等效平衡？(2)①和②均达平衡时，H2的物质的量是否相同？物质的量浓度是否相同？(3)若使③和①成为等效平衡，则a、b、c应满足什么关系？题组一化学平衡状态的判断及平衡特征1．(2022·山东理综，28)研究NO2、SO2、CO等大气污染气体的处理具有重要意义。(1)NO2可用水吸收，相应的化学反应方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。利用反应6NO2＋8NH3催化剂△7N2＋12H2O也可处理NO2。当转移mol电子时，消耗的NO2在标准状况下是________L催化剂△(2)已知：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH＝－kJ·mol－12NO(g)＋O2(g)2NO2(g)ΔH＝－kJ·mol－1则反应NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。一定条件下，将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生上述反应，下列能说明反应达到平衡状态的是________。a．体系压强保持不变b．混合气体颜色保持不变c．SO3和NO的体积比保持不变d．每消耗1molSO3的同时生成1molNO2测得上述反应平衡时NO2与SO2体积比为1∶6，则平衡常数K＝________。(3)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如右图所示。该反应ΔH________0(填“>”或“<”)。实际生产条件控制在250℃、×104kPa左右________________________________________________________________________________________________________________________________________________。2．(2022·浙江理综，27)某研究小组在实验室探究氨基甲酸铵(NH2COONH4)分解反应平衡常数和水解反应速率的测定。(1)将一定量纯净的氨基甲酸铵固体置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计)，在恒定温度下使其达到分解平衡：NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)实验测得不同温度下的平衡数据列于下表：温度/℃平衡总压强/kPa平衡气体总浓度/mol·L－1×10－3×10－3×10－3×10－3×10－3①可以判断该分解反应已经达到平衡的是________。A．2v(NH3)＝v(CO2)B．密闭容器中总压强不变C．密闭容器中混合气体的密度不变D．密闭容器中氨气的体积分数不变②根据表中数据，列式计算25.0℃________________________________________________________________________________________________________________________________________________。③取一定量的氨基甲酸铵固体放在一个带活塞的密闭真空容器中，在25.0℃下达到分解平衡。若在恒温下压缩容器体积，氨基甲酸铵固体的质量将________(填“增加”、“减少”或“不变④氨基甲酸铵分解反应的焓变ΔH____0(填“>”、“＝”或“<”)，熵变ΔS____0(填“>”、“＝”或“<”)。(2)已知：NH2COONH4＋2H2ONH4HCO3＋NH3·H2O，该研究小组分别用三份不同初始浓度的氨基甲酸铵溶液测定水解反应速率，得到c(NH2COO－)随时间的变化趋势如下图所示。⑤计算25.0℃时，0～6min氨基甲酸铵水解反应的平均速率：⑥根据图中信息，如何说明该水解反应速率随温度升高而增大：________________________________________________________________________。题组二化学平衡常数及应用3．(2022·上海，25)自然界的矿物、岩石的成因和变化受到许多条件的影响。地壳内每加深1km，压强增大约25000～30000kPa。在地壳内SiO2和HF存在以下平衡：SiO2(s)＋4HF(g)SiF4(g)＋2H2O(g)＋根据题意完成下列填空：(1)在地壳深处容易有________气体逸出，在地壳浅处容易有__________沉积。(2)如果上述反应的平衡常数K值变大，该反应________(选填编号)。a．一定向正反应方向移动b．在平衡移动时正反应速率先增大后减小c．一定向逆反应方向移动d．在平衡移动时逆反应速率先减小后增大(3)如果上述反应在体积不变的密闭容器中发生，当反应达到平衡时，________(选填编号)。a．2v正(HF)＝v逆(H2O)b．v(H2O)＝2v(SiF4)c．SiO2的质量保持不变d．反应物不再转化为生成物(4)若反应的容器容积为2.0L，反应时间为min，容器内气体的密度增大了0.12g·L4．(2022·北京理综，12)某温度下，H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)的平衡常数K＝eq\f(9,4)。该温度下在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中，投入H2(g)和CO2(g)，其起始浓度如下表所示。起始浓度甲乙丙c(H2)/(mol·L－1)c(CO2)/(mol·L－1)下列判断不正确的是()A．平衡时，乙中CO2的转化率大于60%B．平衡时，甲中和丙中H2的转化率均是60%C．平衡时，丙中c(CO2)是甲中的2倍，是mol·L－1D．反应开始时，丙中的反应速率最快，甲中的反应速率最慢题组一化学反应进行的方向1．下列说法错误的是()A．NH4NO3溶于水是自发过程B．同一种物质气态时熵值最大，液态时次之，而固态时最小C．借助于外力能自发进行的过程，其体系的能量趋向于从高能状态转变为低能状态D．由能量判据(以焓变为基础)和熵判据组合而成的复合判据，更适合于所有的过程2．(2022·长春质检)有A、B、C、D4个反应：反应ABCDΔH/kJ·mol－1－126－ΔS/J·mol－1·K－1－－则在任何温度都能自发进行的反应是__________；任何温度都不能自发进行的反应是__________；另两个反应中，在温度高于__________时可自发进行的反应是________________________________________________________________________，在温度低于____________时可自发进行的反应是________________________________________________________________________。题组二化学平衡状态及其判断3．对于固定体积的密闭容器中进行的气体反应A(g)＋B(g)C(s)＋2D(g)，可以说明在恒温下已达到平衡状态的是()①反应容器中压强不随时间变化而变化②A气体和B气体的生成速率相等③混合气体的平均摩尔质量不随时间变化而变化④反应混合气体的密度不随时间变化而变化A．③④ B．②③ C．①③ D．①④4．(2022·盐城中学模拟)在容积不同的密闭容器内，分别充入等量的N2和H2，在不同温度下，任其发生反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，并分别在t秒时测定其中NH3的体积分数，绘图如右图所示：(1)A，B，C，D，E五点中，尚未达到化学平衡状态的点是______________。(2)此可逆反应的正反应是________反应(填“放热”或“吸热”)。(3)AC段的曲线是增函数，CE段曲线是减函数，试从反应速率和平衡角度说明理由：________________________________________________________________________。题组三化学平衡常数及其计算5．设反应①Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)ΔH＝Q1的平衡常数为K1，反应②Fe(s)＋H2O(g)FeO(s)＋H2(g)ΔH＝Q2的平衡常数为K2，在不同温度下，K1、K2的值如下：T/KK1K9731173Ⅰ.从上表可推断，反应①是________(填“放”或“吸”)热反应；Ⅱ.现有反应③H2(g)＋CO2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH＝Q3，平衡常数为K3。(1)根据反应①与②推导出K1、K2、K3的关系式K3＝________；可推断反应③是________(填“放”或“吸”)热反应。要使反应③在一定条件下建立的平衡右移，可采取的措施有________(填字母序号)。A．缩小容器体积 B．降低温度C．使用合适的催化剂 D．设法减少CO的量E．升高温度(2)根据反应①、②、③推导出Q1、Q2、Q3的关系式：____________________。(3)现在恒容密闭容器中通入一定量CO2，再慢慢通入H2，使发生上述反应③，在其他条件不变时，若改变H2的起始量，容器中CO的体积分数也随之改变，在右图中画出CO的体积分数随n(H2)变化的示意图。学案42化学反应的方向和限度【课前准备区】知识点一1．无需外界帮助2．(1)放热反应越多降低越多完全反应的焓变(2)①混乱度混乱度②a.混乱度Sb．熵的变化ΔS自发进行(3)焓变熵变ΔH<0，ΔS>0ΔH>0，ΔS<0ΔH<0，ΔS<0ΔH>0，ΔS>0温度知识点二1．相同正反应逆反应2．(1)相等质量或浓度(2)①反应物生成物逆②减小减小增大增大相等保持不变③④可以v正＝v逆≠0(3)正反应速率＝逆反应速率质量(或浓度)知识点三1．化学平衡浓度计量数次方的乘积浓度计量数次方的乘积K\f(cpC·cqD,cmA·cnB)3．(1)越大越大(2)温度问题思考1．不一定，化学反应方向的判据指出的仅仅是在一定条件下化学反应自发进行的趋势，并不能说明在该条件下反应一定能实际发生，还要考虑化学反应的快慢问题。2．当能量判据与熵判据的差别较大时，可用能量判据或熵判据判断反应的方向。3．不是可逆反应，因为条件不同。4．这里的v正与v逆相等是对同一种物质而言的，不同的两种物质则必须是一个为正反应速率，另一个为逆反应速率且二者之比等于化学计量数之比。【课堂活动区】一、1.(1)同一物质(2)物质的量浓度质量分数物质的量分数体积分数反应物的转化率2．①是②是③是④不一定①是②是③不一定④不一定①是②不一定①是②不一定是不一定二、1.起始相同2．相同条件途径3．同一半边4．(1)极值等量(2)极值等比(3)极值等比无影响典例导悟1．②⑥⑨⑥⑦⑧⑨⑩解析(1)对于反应前后气体分子总数不等的可逆反应，可从化学反应速率、化学键断裂、物质的量、物质的量浓度、转化率、颜色、温度、相对原子质量、压强、密度等来判断。(2)对于反应前后气体分子总数相等的可逆反应，可从化学反应速率、化学键断裂、物质的量、物质的量浓度、转化率、颜色、温度等来判断(此时相对分子质量、压强、密度不能作为判断依据)。2．(1)将②中HI转化到左半边反应物中，则n(H2)∶n(I2)＝(2＋mol∶(2＋mol＝1∶1，与①中比值相同，故二者是等效平衡。(2)①和②都达平衡状态时，②中H2的物质的量应是①中的倍。物质的量浓度亦是①的倍。(3)若使①③等效，③a、b、c三者关系应满足：(eq\f(c,2)×1＋a)∶(eq\f(c,2)×1＋b)＝1∶1或a∶b＝1∶1，c≥0。【课后练习区】高考集训1．(1)3NO2＋H2O=2HNO3＋NO(2)－b或eq\f(8,3)(3)<在×104kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失解析(1)根据题给化学方程式可知当6molNO2全部参加反应时，转移电子6mol×(4－0)＝24mol，故转移mol电子时，消耗NO2mol，即6.72(2)设所给的两个反应方程式分别标注为2SO2(g)＋O2(g)SO3(g)ΔH1＝－kJ·mol－1、2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)ΔH2＝－kJ·mol－1，所求总反应方程式的ΔH为ΔH3，ΔH3＝eq\f(ΔH1－ΔH2,2)＝eq\f(－kJ·mol－1＋kJ·mol－1,2)＝－kJ·mol－1。第2问，由于该反应为前后气体体积相等的反应，故体系的压强始终保持不变，故不能以压强不变作为判断标志，故a错误；SO3与NO的体积比始终保持1∶1，故c错；根据“异方向，量相当”的原理可知d错。设NO2和SO2的起始加入量分别为1mol和2mol，容器体积为V。则有：(设NO的转化量为x)NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)起始量(mol)1 2 0 0转化量(mol)x x x x平衡量(mol)1－x2－x x x据题意有eq\f(1－x,2－x)＝eq\f(1,6)则x＝mol平衡常数K＝eq\f(\f,V)·\f,V),\f,V)·\f,V))＝eq\f(8,3)或。(3)从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH<0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在题给压强下，CO的转化率已经很大，不必再增大压强。2．(1)①BC②K＝c2(NH3)·c(CO2)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,3)c))2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3)c))＝eq\f(4,27)××10－3mol·L－1)3≈×10－8(mol·L－1)3③增加④>>(2)⑤mol·L－1·min－1⑥25℃时反应物的起始浓度较小，但0～6min的平均反应速率(曲线的斜率)仍比解析(1)①根据化学平衡状态判断标志是v正＝v逆，各组分浓度不再发生变化，由NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)可见该反应为不等体积变化(即反应物和生成物气体分子数不相同)，可以得恒容状态下压强不变或混合气体密度不变时，反应即达到平衡状态，但上述反应中反应物无气体参加，因此生成物中各组分气体体积分数恒定不变。②根据K＝c2(NH3)·c(CO2)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×\f×10－3mol·L－1,3)))2·eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f×10－3mol·L－1,3)))≈×10－8(mol·L－1)3。③由NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)正反应气体分子数增加，增大压强平衡向逆反应方向移动。④由表中数据可以得出温度升高，压强增大，即随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，因此正反应是吸热反应，所以ΔH>0；根据NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)，正反应是生成物气体分子数增多的反应，所以ΔS>0。(2)⑤根据v＝eq\f(Δc,Δt)得到v＝eq\fmol·L－1－mol·L－1,6min)＝mol·L－1·min－1。⑥由图像数据可以得出，用不同初始浓度，不同温度下的平均反应速率的大小来说明：如25℃时反应物的起始浓度较小，但0～6m