高中化学选修4学案专题二第三单元第1课时外界条件对化学平衡的影响

第三单元化学平衡的移动用N2和H2为原料实现合成氨的工业化生产曾是一个很艰巨的课题。从第一次实验室研制到工业化生产，经历了从18世纪末到20世纪初一百多年的时间。由于化学反应的快慢和限度、催化剂等基础理论的发展，高温、高压等工业技术条件的改善，以及许多研究工作者的反复试验，德国化学家哈伯科学地创造适宜的条件调控合成氨的反应，终于在1913年实现了合成氨的工业化生产，满足了20世纪世界人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是用空气制造面包的圣人。根据合成氨反应原理：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，分析外界条件对合成氨反应平衡的影响。第1课时外界条件对化学平衡的影响一、化学平衡的移动1．含义：在一定条件下，可逆反应达到化学平衡状态，如果改变影响平衡的条件，如浓度、温度、压强等，化学平衡状态被破坏，即v(正)不等于v(逆)，直至v(正)、v(逆)再次相等，在新的条件下达到新的化学平衡状态。2．图示表示二、外界条件对化学平衡的影响以N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0为例：探究点一影响化学平衡的因素一、外界条件影响化学平衡的规律1．浓度变化对化学平衡的影响规律2.温度变化对化学平衡的影响规律3.压强变化对化学平衡的影响规律二、注意事项1．对平衡体系中的固体和纯液体，其浓度可看作常数，增大或减小固体或纯液体的量并不影响v正、v逆的大小，所以化学平衡不移动。2．只要是增大浓度，不论是增大反应物的浓度，还是生成物的浓度，新平衡状态下的反应速率一定大于原平衡状态的反应速率；减小浓度，新平衡状态下的反应速率一定小于原平衡状态的反应速率。3．反应物有两种或两种以上时，增加一种反应物的浓度，可提高另一种反应物的转化率，但是该物质本身的转化率降低。4．FeCl3与KSCN在溶液里的反应，实质是Fe3＋与SCN－的离子反应，K＋和Cl－并未参加反应。因此，要使可逆反应FeCl3＋3KSCNFe(SCN)3＋3KCl的化学平衡发生移动，不宜采用改变c(K＋)或c(Cl－)的方法。5．任意的化学反应都伴随着能量的变化(放热或吸热)。在可逆反应里，正反应为放(吸)热反应，逆反应必为吸(放)热反应。6．任意可逆反应的化学平衡状态，都能受温度的影响而发生移动。7．无气体参与的化学平衡，由于改变压强不能改变化学反应速率，所以改变压强不能使无气体物质存在的化学平衡发生移动。8．压强改变与化学反应速率、化学平衡移动间的关系9．“惰性气体”对化学平衡的影响(1)恒温、恒容条件平衡体系eq\o(→,\s\up17(充入“惰性气体”))体系总压强增大→体系中各成分的浓度不变→平衡不移动(2)恒温、恒压条件平衡体系eq\o(→,\s\up17(充入“惰性气体”))总体积增大，成分的分压减小→各组分的浓度同等倍数减小eq\o(→,\s\up17(相当于减小压强))平衡向气体体积增大的方向移动1．在溶液中进行的反应，如果稀释溶液，化学平衡向哪个方向移动？提示：如果稀释溶液，反应物的浓度减小，生成物的浓度也减小，v正、v逆都减小，但减小的程度不一样，总的结果是化学平衡向化学方程式中化学计量数增大的方向移动。2．对于反应H2O(g)＋CO(g)H2(g)＋CO2(g)，如果增大压强，反应速率是否改变，化学平衡是否移动？提示：增大压强，正、逆反应速率均增大，且增大的倍数相同，v正＝v逆，平衡不移动。对于反应前后气体体积相等的可逆反应，改变压强只能改变化学反应速率，而对化学平衡无影响。3．催化剂对化学平衡有影响吗？提示：无影响。由于催化剂能够同等程度地改变正、逆反应速率，因此它对化学平衡的移动无影响，但是使用催化剂，能改变反应达到化学平衡所需的时间。使用催化剂时，反应速率的改变和平衡移动间的关系如图所示。【例1】可逆反应mA(g)＋nB(？)pC(g)＋qD(？)(其中A和C都是无色气体)，当达到化学平衡时，下列叙述正确的是()A．增大压强，平衡不移动，说明(m＋n)一定等于(p＋q)B．升高温度，A的转化率减小，说明正反应是吸热反应C．若增加B的量，平衡体系颜色加深，说明B必是气体D．若B是气体，增加A的量，A、B的转化率都一定增大【思路分析】分析化学平衡移动的一般思路：【解析】改变压强，平衡不移动，只能说明该反应为反应前后气体体积相等的反应，而B、D的状态不清楚，A项错误；根据平衡移动原理，升高温度，A的转化率减小，说明平衡向逆反应方向移动，说明正反应是放热反应，B项错误；由于A、C为无色气体，而增加B的量，体系的颜色加深，不管该颜色是来自于B，还是来自于D，均是因为增加气体B所致，C项正确；若增加A的量，A的转化率减小，D项错误。【答案】C将等物质的量的X、Y气体充入某密闭容器中，在一定条件下，发生如下反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)ΔH<0，并达到平衡。当改变某个条件并维持新条件直至达到新的平衡时，下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是(A)选项改变条件新平衡与原平衡比较A升高温度X的转化率减小B增大压强(减小体积)X的浓度变小C充入一定量YY的转化率增大D使用适当催化剂X的体积分数减小解析：升高温度，平衡向吸热反应方向移动，即逆向移动，X的转化率将减小，A项正确；增大压强(减小体积)，各物质的浓度均增大，平衡正向移动，由于平衡只减弱浓度增大的趋势，而不能改变浓度增大的事实，故X的浓度应增大，B项错误；增大一种反应物的浓度，能够提高另一种反应物的转化率，而其本身的转化率将降低，C项错误；催化剂只能改变反应速率，不影响平衡状态，故各物质的体积分数不变，D项错误。探究点二勒夏特列原理1．如果改变影响平衡的条件之一(如温度、浓度、压强等)，平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。简单记忆：“改变”→“减弱这种改变”。2．勒夏特列原理是对改变条件对化学平衡影响的一个总述，特别要注意对“减弱这种改变”的正确理解，其中的“减弱”不等于“消除”更不是“扭转”，具体理解如下：改变影响平衡的一个条件化学平衡移动方向化学平衡移动结果增大反应物浓度向正反应方向移动反应物浓度减小，但比原来的大减小反应物浓度向逆反应方向移动反应物浓度增大，但比原来的小增大生成物浓度向逆反应方向移动生成物浓度减小，但比原来的大减小生成物浓度向正反应方向移动生成物浓度增大，但比原来的小增大体系压强向气体体积减小的反应方向移动体系压强减小，但比原来的大减小体系压强向气体体积增大的反应方向移动体系压强增大，但比原来的小升高温度向吸热反应方向移动体系温度降低，但比原来的高降低温度向放热反应方向移动体系温度升高，但比原来的低3.勒夏特列原理只适用于判断“改变影响平衡的一个条件”时平衡移动的方向。若同时改变影响平衡移动的几个条件，不能简单地根据勒夏特列原理来判断平衡移动的方向，只有在改变的条件对平衡移动的方向影响一致时，才能根据勒夏特列原理来判断平衡移动的方向。如A(g)＋3B(g)2C(g)ΔH<0，同时加压、升温，平衡移动的方向无法确定。若加压又同时降温，则平衡向正反应方向移动。4．勒夏特列原理不仅适用于化学平衡，也适用于其他平衡体系如溶解平衡、电离平衡、水解平衡等。但不适用于未达到平衡的体系，也不能解决反应速率进行的快慢、催化剂的催化作用等问题。工业合成氨的化学方程式为N2(g)＋3H2(g)eq\o(,\s\up17(催化剂),\s\do15(高温、高压))2NH3(g)，该反应在“高温、高压、催化剂”的条件下进行。如何用勒夏特列原理解释？不能用勒夏特列原理解释的反应条件是什么？为什么？提示：该反应的正反应为放热反应，升高温度，化学平衡向减弱放热的方向，即向吸热方向移动(逆反应方向)；该反应为反应后气体体积减小的反应，增大压强化学平衡向减弱压强的方向，即体积减小的方向(正反应方向)移动。催化剂只能改变化学反应速率，不能用勒夏特列原理解释。【例2】下列事实，不能用平衡移动原理来解释的是()A．反应CO＋NO2CO2＋NOΔH<0，升高温度可使平衡向逆反应方向移动B．合成NH3的反应，为提高NH3的产率，理论上应采取相对较低温度的措施C．溴水中存在平衡：Br2＋H2OHBr＋HBrO，当加入AgNO3溶液后，溶液颜色变浅D．对2HI(g)H2(g)＋I2(g)，增大平衡体系的压强(压缩体积)可使体系颜色变深【解析】A项，该正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动；B项，合成氨的反应是放热反应，理论上采取低温条件有利于反应向正反应方向进行，但需同时考虑温度对反应速率的影响，温度太低，反应速率也会太小；C项，加入Ag＋后，Ag＋与Br－反应，使c(Br－)减小，平衡向正反应方向移动，溶液颜色变浅；D项，因2HI(g)H2(g)＋I2(g)，方程式两边气体分子数相等，压缩体系的体积，增大压强，体积减小，各组分的浓度增大，颜色变深，但不是由平衡移动引起的，因此不能用勒夏特列原理解释。【答案】D对于密闭容器中的可逆反应：mX(g)＋nY(s)pZ(g)ΔH<0，达到化学平衡后，改变条件，下列叙述不正确的是(C)A．其他条件不变，增大压强(缩小容积)，化学平衡不一定发生移动B．其他条件不变，通入氦气，化学平衡不移动C．其他条件不变，增加X或Y的量，化学平衡一定发生移动D．其他条件不变，升高温度，化学平衡常数一定减小解析：对于反应前后气体分子数不变的反应，增大压强，化学平衡不移动，A项正确；恒容条件下通入氦气，X、Z气体的浓度不变，化学平衡不移动，B项正确；Y是固体，增加Y的量，平衡不移动，C项错误；该反应是放热反应，其他条件不变，升高温度，平衡逆向移动，化学平衡常数一定减小，D项正确。探究点三平衡转化率1．平衡转化率平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的量与转化前该反应物的量之比，用来表示反应限度。对于反应：aA＋bBcC＋dD，反应物A的转化率可以表示为：α(A)＝eq\f(A的初始浓度－A的平衡浓度,A的初始浓度)×100%＝eq\f(c0A－cA,c0A)×100%(1)可逆反应达到平衡后各物质浓度的变化关系。①反应物：平衡浓度＝起始浓度－转化浓度。②生成物：平衡浓度＝起始浓度＋转化浓度。③各物质的转化浓度之比等于它们在化学方程式中相应的化学计量数之比。(2)反应物的转化率(α)。转化率(α)＝eq\f(反应物转化的物质的量或浓度、体积,反应物起始的物质的量或浓度、体积)×100%。(3)产品的产率。产率＝eq\f(实际生成产物的物质的量或质量、气体体积、浓度,理论上可得到产物的物质的量或质量、气体体积、浓度)×100%。2．平衡移动方向与反应物转化率的关系①压强和温度的影响温度或压强改变后，若能使化学平衡向正反应方向移动，则反应物的转化率一定增大。②反应物用量的影响若反应物只有一种，如aA(g)bB(g)＋cC(g)，增加A的量，平衡正向移动，A的转化率的变化为：a．若在恒温恒压条件，A的转化率不变；b．若在恒温恒容条件，相当于(等效于)加压，A的转化率与气态物质的化学计量数有关：a＝b＋c，A的转化率不变；a>b＋c，A的转化率增大；a<b＋c，A的转化率减小。若反应物不止一种，如aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)a．若只增加A的量，平衡向正反应方向移动，则A的转化率减小，B的转化率增大。b．若在恒温恒压条件下，同等倍数地增加A、B的物质的量，平衡向正反应方向移动，但A、B的转化率不变。c．若在恒温恒容条件下，同等倍数地增加A、B的物质的量，平衡向正反应方向移动，A、B的转化率与气态物质的化学计量数有关：a＋b＝c＋d，A、B转化率不变；a＋b>c＋d，A、B转化率增大；a＋b<c＋d，A、B转化率减小。【例3】已知反应：PCl5(g)PCl3(g)＋Cl2(g)①2HI(g)H2(g)＋I2(g)②2NO2(g)N2O4(g)③在一定条件下，达到化学平衡时，反应物的转化率均是a%。若保持各反应的温度和容器的体积都不改变，分别再加入一定量的各自的反应物，则转化率()A．均不变B．均增大C．①增大，②不变，③减小D．①减小，②不变，③增大【解析】对于反应物只有一种的反应来说，体积不变的条件下，增大反应物的量相当于增大压强，转化率的大小要结合平衡的实际移动情况。【答案】D体积相同的甲、乙两个容器中，分别充有等物质的量的SO2和O2，在相同温度下发生反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)并达到平衡。在这个过程中，甲容器保持体积不变，乙容器保持压强不变，若甲容器中SO2的转化率为p%，则乙容器中SO2的转化率(B)A．等于p% B．大于p%C．小于p% D．无法判断解析：先假定甲、乙容器的体积都不变，达到平衡后再保持乙容器的压强不变，此反应是气体体积减小的反应，因此甲、乙容器等体积达到平衡后，欲保持乙容器的压强不变，就需要缩小容器体积，缩小体积时，乙容器的压强增大，平衡正向移动，若甲容器中SO2的转化率为p%，则乙容器中SO2的转化率大于甲容器中SO2的转化率，即大于p%，B项正确。1．如图所示是恒温条件下某化学反应的反应速率随反应时间变化的示意图，下列叙述与示意图不相符合的是(C)A．反应达到平衡时，正反应速率和逆反应速率相等B．该反应达到平衡态Ⅰ后，增大反应物浓度，平衡发生移动，达到平衡态ⅡC．该反应达到平衡态Ⅰ后，减小反应物浓度，平衡发生移动，达到平衡态ⅡD．同一种反应物在平衡态Ⅰ和平衡态Ⅱ时浓度不相等解析：由题给图像可以看出，由平衡态Ⅰ到平衡态Ⅱ的转化过程中，逆反应速率未改变，正反应速率突然增大，可知是增大反应物的浓度，B项正确，C项不正确；由于平衡向正反应方向移动，可知两平衡态下同一种反应物的浓度不相等，D项正确；反应达到平衡时，正反应速率和逆反应速率相等，A项正确。2．下列能说明化学平衡一定向正反应方向移动的是(B)A．反应N2O4(g)2NO2(g)已达到平衡状态，改变某一条件后，气体颜色加深B．反应H2(g)＋I2(g)2HI(g)已达到平衡状态，改变某一条件后单位时间内消耗H2和HI的物质的量之比大于12C．反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)已达到平衡状态，改变某一条件后，NH3的浓度增大D．反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)已达到平衡状态，恒温恒压条件下，充入He解析：A项，若增大压强，平衡向体积减小的方向移动，即向逆反应方向移动，平衡时NO2的浓度比原平衡时大，气体颜色加深；若恒容条件下加入N2O4，平衡向正反应方向移动，NO2的浓度增大，气体颜色加深，所以气体颜色加深不能说明平衡一定向正反应方向移动，A项错误。B项，单位时间内消耗H2和HI的物质的量之比等于12时，反应处于平衡状态，大于12时说明氢气的消耗速率大于其生成速率，反应向正反应方向进行，B项正确。C项，若增大压强，平衡向体积减小的方向移动，即向正反应方向移动，NH3的浓度增大；若增大氨气的浓度，平衡向逆反应方向移动，移动的结果是降低氨气浓度增大的趋势，但平衡时氨气的浓度仍比原平衡时高，所以氨气的浓度增大不能说明平衡一定向正反应方向移动，C项错误。恒温恒压下充入He，容器的体积增大，相当于减小压强，平衡逆向移动，D项错误。3．某温度下，在固定容积的密闭容器中，可逆反应A(g)＋3B(g)2C(g)达到平衡时，各物质的物质的量之比为n(A)n(B)n(C)＝221。保持温度不变，以221的物质的量之比再充入A、B、C，则(C)A．平衡不移动B．再达平衡时，n(A)n(B)n(C)仍为221C．再达平衡时，C的体积分数增大D．再达平衡时，正反应速率增大，逆反应速率减小解析：题述操作相当于增大压强，平衡向气体分子数减小的方向移动，即向正反应方向移动，A项错误；平衡后C的物质的量分数增大，B项错误；平衡后C的体积分数增大，C项正确；增大压强，再达平衡时正、逆反应速率都增大，D项错误。4．下列事实不能用勒夏特列原理解释的是(B)A．氯水中存在平衡：Cl2＋H2OHCl＋HClO，当加入AgNO3溶液后，溶液颜色变浅B．对于反应CO(g)＋NO2(g)CO2(g)＋NO(g)，平衡体系增大压强可使颜色变深C．对于反应2NO2(g)N2O4(g)ΔH<0，平衡体系升高温度颜色变深D．SO2催化氧化成SO3的反应，加入过量的空气解析：氯水中存在平衡：Cl2＋H2OHCl＋HClO，当加入AgNO3溶液后，生成AgCl沉淀，c(Cl－)降低，平衡正向移动，能用勒夏特列原理解释，故A不符合题意；该反应前后气体体积不变，增大压强，平衡不移动，不能用勒夏特列原理解释，故B符合题意；ΔH<0，升高温度，平衡向逆方向移动，体系颜色变深，符合勒夏特列原理，故C不符合题意；加入过量的空气，氧气的浓度增大，平衡向正反应方向移动，能用勒夏特列原理解释，故D不符合题意。5．有一处于平衡状态的反应A(g)＋3B(g)2C(g)ΔH<0，为了使平衡向生成C的方向移动，应选择的操作是(C)①升高温度②降低温度③增大压强④减小压强⑤加入催化剂⑥分离出CA．①③⑤B．②③⑤C．②③⑥D．②④⑥解析：对于反应A(g)＋3B(g)2C(g)ΔH<0，正反应是气体分子数减小的放热反应，升高温度，平衡逆向移动，①错误；降低温度，平衡正向移动，②正确；增大压强，平衡正向移动，③正确；减小压强，平衡逆向移动，④错误；加入催化剂能缩短达到平衡的时间，不会引起化学平衡的移动，⑤错误；分离出C，即减小生成物的浓度，平衡正向移动，⑥正确。6．一定条件下的反应：PCl5(g)PCl3(g)＋Cl2(g)ΔH>0达到平衡后，下列情况使PCl5分解率降低的是(C)A．温度、体积不变，充入氩气 B．体积不变，对体系加热C．温度、体积不变，充入氯气 D．温度不变，增大容器体积解析：PCl5分解率降低说明平衡向逆反应方向移动。A项，温度、体积不变，充入氩气，对平衡无影响，平衡不发生移动；B项，体积不变，升高温度，平衡向吸热反应方向移动，即向正反应方向移动；C项，生成物Cl2浓度增大，平衡向逆反应方向移动；D项，增大容器体积，平衡向气体分子数增大的方向移动，即平衡向正反应方向移动。所以本题选C。7．反应：mA＋nBpC在某温度下达到平衡时：(1)若A、B、C都是气体，减压后，正反应速率小于逆反应速率，则m、n、p的关系为m＋n>p。(2)若只有C为气体，且m＋n＝p，在加压时，化学平衡发生移动，则平衡必定是向逆反应方向发生移动。(3)如果在体系中增加或减少B的量，平衡均不移动，则B是液态或固态。(4)若升高温度，A的转化率减小，则此反应的逆反应是吸热反应。解析：(1)若A、B、C都是气体，减压后，正反应速率小于逆反应速率，则平衡逆向移动，