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一、化学反应速率
1、概念:化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。
化学反应速率可以用单位时间内化学反应特有的现象(如生成沉淀、气体、颜色变化等)出现的快慢来定性表示。
2、数学表达式:v=(其中Δc表示某物质浓度的变化量(为正值),若是反应物,表示其浓度的减少(取正值),若是生成物,表示其浓度的增加。常用单位:mol·L-1。Δt为时间的变化。常用单位:s、min、h。
3常用单位:化学反应速率的常用单位是:mol·(L·s)-1、mol·(L·min)-1等。
4、注意事项
⑴化学反应速率是平均速率,而不是瞬时速率。
⑵对于同一化学反应,用不同物质来表示化学反应速率时,数值可能不相同。但这些不同的数值表示的都是同一反应速率。因此,表示化学反应速率时,必须指明用哪种物质表示,在v的后面将该物质的化学式用小括号括起来。
⑶在化学反应中,用不同物质表示的化学反应速率比等于各物质化学计量数比,等于变化的物质的量比或物质的量浓度比。即:对于反应mA+nB=pC+qD有vA∶vB∶vC∶vD=m∶n∶p∶q
⑷一般不用纯液体或固体来表示化学反应速率
二、影响化学反应速率大小的因素
1、内因:反应物的性质是决定化学反应速率大小的主要因素。如在常温下,K、Na可以与水剧烈反应(反应速率大),而Mg与水反应缓慢。可见它们的反应速率的快慢是由K、Na、Mg的化学性质决定。
2、外因:对于同一个化学反应,当外界条件(如浓度、压强、温度、催化剂等)改变时,化学反应速率会随之变化。
⑴浓度对化学反应速率的影响
结论:当其它条件不变时,增大反应物的浓度,可以加快化学反应速率;减小反应物浓度,可以减慢化学反应速率。
注意:①对于固体物质或纯液体,一般认为其“浓度”为常数,它们的量的改变不会影响化学反应速率。
②固体之间的反应,化学反应速率往往反应物的颗粒大小有关。固体颗粒越小,其单位体积的表面积增大,反应物之间的接触面积增大(将固体粉碎),或增大扩散速率,(对反应物进行搅拌),都能加快化学反应速率。
⑵压强对化学反应速率的影响
结论:当其它条件不变时,对于有气体参加的化学反应,增大压强,化学反应速率加快;减小压强,化学反应速率减慢。
注意:①改变气体的压强,实际上是改变气体物质的量浓度,从而改变化学反应速率。因此在解决有关反应速率问题时,应转换思维,将压强变化转化成浓度的变化来考虑。对于气体反应体系,有以下几种情况:
a恒温时:增加压强体积缩小浓度增大反应速率加快。
B恒容时:Ⅰ充入气体反应物浓度增大反应速率加快
Ⅱ充入“惰性气体”总压强增大,但各物质浓度不变,反应速率不变。(“惰性气体”是指与该反应无关的性质稳定的气体,并不是专指稀有气体)。
②压强的变化对固体、液体或溶液的体积影响很小,可以认为改变压强对它们的化学反应速率无影响。
⑶温度对化学反应速率的影响
结论:当其它条件不变时,升高温度,反应物获得能量,反应活性增强,可以增大化学反应速率,反之降低温度,可以减慢化学反应速率。一般温度每升高10℃,化学反应速率通常增大2~4倍,上述结论对放热反应、吸热反应均适用。
⑷催化剂对化学反应速率的影响
结论:催化剂能够改变化学反应速率。能加快化学反应速率的催化剂叫正催化剂,能够减慢化学反应速率的催化剂叫负催化剂,一般情况下不特别说明都指正催化剂。
⑸其它:光、电磁波、超声波、反应物颗粒大小、溶剂等因素也能影响化学反应速率
三、化学平衡
1、可逆反应
⑴定义:在同一条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的反应叫做可逆反应。用“”代替“==”。
⑵可逆反应中所谓的正反应、逆反应是相对的,一般把向右进行的反应叫做正反应,向左进行的反应叫做逆反应。
⑶在不同条件下能向两个方向进行的反应不叫可逆反应。如:
2H2+O22H2O;2H2O2H2↑+O2↑
⑷可逆反应不能进行到底,在一定条件下只能进行到一定程度后达到平衡状态。
2、化学反应的限度
⑴化学反应的限度就是研究可逆反应在一定条件下所能达到的最大限度。
⑵反应的转化率
反应物的转化率:α=
3、化学平衡
⑴化学平衡状态:在一定条件下的可逆反应里,正反应速率和逆反应速率相等,反应物和生成物的浓度保持不变的状态,叫做化学平衡状态,简称化学平衡。
①化学平衡的微观标志(即本质):v正=v逆
②化学平衡的宏观标志:反应混合物中各组分的浓度和体积分数保持不变,即随时间的变化,保持不变。
③可逆反应无论从正反应开始,还是从逆反应开始,或正、逆反应同时开始,都能达到化学平衡。
⑵化学平衡的特征
①逆:化学平衡研究的对象是可逆反应。
②动:化学平衡是动态平衡,反应处于平衡态时,化学反应仍在进行,反应并没有停止。
③等:化学反应处于化学平衡状态时,正反应速率等于逆反应速率,且都不等于零。④定:化学反应处于化学平衡状态时,反应混合物中各组分的浓度保持一定,体积分数保持一定。对反应物,有一定的转化率,对生成物,有一定的产率。
⑤变:化学平衡是有条件的平衡,当外界条件变化,原有的化学平衡被破坏,在新的条件下,平衡发生移动,最终又会建立新的化学平衡。
四、判断可逆反应达到平衡的标志
以可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)为例
1、直接标志
⑴v正=v逆。
具体可以是:①A、B、C、D中任一种在单位时间内的生成个数等于反应掉的个数。②单位时间内生成mmolA(或nmolB),同时生成pmolC(或qmolD)。
⑵各物质的质量或物质的量不再改变。
⑶各物质的百分含量(物质的量分数、体积分数、质量分数)不再改变。
⑷各物质的浓度不再改变。
2、间接标志
⑴若某一反应物或生成物有颜色,颜色稳定不变。
⑵当m+n≠p+q时,恒容下总压强不再改变。(m+n=p+q时,总压强不能作为判断依据
五、有关化学平衡的计算
1、主要类型有:①求起始浓度、转化浓度、平衡浓度。
②求某反应物的转化率、平衡气体混合物中各成分的体积分数等。
2、化学平衡的计算模式—三段式法
设a(mol·L-1)、b(mol·L-1)分别为A、B两物质的起始浓度,mx(mol·L-1)为反应物A的转化浓度,nx(mol·L-1)为反应物B的转化浓度,则
mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
c始(mol·L-1)ab00
Δc(mol·L-1)mxnxpx qx
C平(mol·L-1)a-mxb-nxpxqx
物质浓度的变化关系
反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度
生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓度
以上三种浓度中,只有转化浓度之比等于化学方程式中计量数之比
化学平衡知识
一、化学平衡的移动
一定条件下,当可逆反应中v(正)_____v(逆)(填>、<、=或≠,下同)时,达到化学平衡状态。改变外界条件后,使v(正)_____v(逆),平衡就会发生移动,最终v(正)_____v(逆),达到新的化学平衡状态。若v(正)_____v(逆),平衡向正反应方向移动;若v(正)_____v(逆),平衡向逆反应方向移动。如果外界条件改变了v(正)、v(逆),但改变后v(正)_____v(逆),则平衡不移动。
【解答】=,≠,=,>,<,=。
要点解析:
可逆反应中,旧化学平衡被破坏,新化学平衡建立的过程叫做化学平衡的移动。化学平衡移动的实质是外界因素改变了反应速率,使正、逆反应速率不再相等,通过反应,在新的条件下达到正、逆反应速率相等。可用下图表示:
平衡移动的方向与v(正)、v(逆)的相对大小有关,化学平衡向着反应速率大的方向移动。
平衡移动的结果是建立新的平衡,新平衡中各物质的百分含量及反应速率与旧平衡不等。
二、影响化学平衡的条件
:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),(正反应为放热反应)。如果在其他条件不变时,分别改变下列条件,在改变条件的瞬间,正、逆反应速率如何变化?化学平衡将会受到怎样的影响?
①增大O2的浓度:v(正)_______,v(逆)_______,v(正)_______v(逆),平衡_______移动。
②减少SO3的浓度:v(正)_______,v(逆)_______,v(正)_______v(逆),平衡_______移动。
③增加压强:v(正)_______,v(逆)_______,v(正)_______v(逆),平衡_______移动。
④升高温度:v(正)_______,v(逆)_______,v(正)_______v(逆),平衡_______移动。
⑤使用催化剂:v(正)_______,v(逆)_______,v(正)_______v(逆),平衡_______移动。
-t图:
【解答】
1.①增大,不变,大于,正反应方向;
②不变,减小,大于,正反应方向;
③增大,增大,大于,正反应方向;
④增大,增大,小于,逆反应方向;
⑤增大,增大,等于,不。
2.
知识整理:化学平衡的移动是由化学反应速率变化引起的,所以影响化学平衡的因素就是影响化学反应速率的因素:
(1)浓度:在其它条件不变的情况下,增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,平衡向正反应方向移动;增大生成物的浓度或减小反应物的浓度,平衡向逆反应方向移动。
(2)压强:在其它条件不变的情况下,增大压强,会使化学平衡向着气体体积缩小的方向移动;减小压强,会使化学平衡向着气体体积增大的方向移动。
(3)温度:在其它条件不变的情况下,温度升高,会使化学平衡向着吸热反应方向移动;温度降低,会使化学平衡向着放热反应方向移动。
在分析外界条件对化学平衡的影响时要注意:
(1)固体及纯液体物质的浓度是一定值,反应速率不因其量的改变而改变,所以增加或减少固体及纯液体物质的量,不影响化学平衡。
(2)改变压强是通过改变容器体积,进而改变气态物质浓度,进而改变反应速率影响化学平衡的。所以,压强对化学平衡的影响实质是浓度对化学平衡的影响。下列情况改变压强平衡不移动:
①平衡体系中没有气体物质,改变压强不会改变浓度,平衡不移动。
②反应前后气体体积不变(即气态反应物和生成物的化学计量数之和相等)的可逆反应。如:
H2(g)+I2(g)2HI(g)
改变压强同等程度改变反应速率,平衡不移动。
③向固定容积的容器中充入不参加反应的气体(如希有气体He、Ar),压强虽然增大了,但气态物质的浓度不变,平衡不移动。
(3)只要是升高温度,平衡一定移动,且新平衡状态的速率一定大于原平衡状态的速率。
(4)催化剂能同等程度地改变正反应和逆反应的速率,改变后正、逆反应速率仍相等,所以它对化学平衡的移动没有影响。但它能改变达到平衡所需的时间。
三、勒夏特列原理
如果改变影响平衡的一个条件(如_____、_____或_____等)平衡将向着能够_____这种改变的方向移动。
浓度、压强、温度。
勒夏特列原理中“减弱这种改变”有两层涵义:
①表示平衡移动的方向。如升温时,平衡将向降温的方向移动,即向吸热反应方向移动。
②表示平衡移动的程度。即平衡的移动只能“减弱”不能“消除”外界条件的影响。
勒夏特列原理可以解释所有可逆过程的平衡移动问题,如化学平衡、溶解平衡等。但它不适用于不可逆反应及未达到平衡的可逆反应。
难点揭秘
1、化学平衡与化学反应速率的关系
+D在四种不同条件下进行,B、D起始浓度为零,反应物A的浓度(mol/L)随反应时间(min)的变化情况如下表:
根据上述数据,完成下列填空:
(1)在实验1,反应在10至20分钟时间内平均速率为______mol/(L·min)。
(2)在实验2,A的初始浓度C2=mol/L,反应经20分钟就达到平衡,可推测实验2中还隐含的条件是______。
(3)设实验3的反应速率为V3,实验1的反应速率为V1,则V3______V1(填“>”、“=”、“<”)(填“>”、“=”、“<”)
(4)比较实验4和实验1,可推测该反应是______反应(选填吸热、放热)。理由是______。
解析:根据表中数据可计算出实验1在10至20分钟间的平均反应速率。
分析表中数据发现,实验1和2在相同温度下达到相同的平衡(),所以A的起始浓度应与实验1相同。但实验2达到平衡所需的时间短,即实验2的反应速率大于实验1,显然使用了催化剂。
实验3与实验1相比,温度相同,但平衡时A的浓度较大,说明A的起始浓度大于实验1中A的起始浓度,反应速率也应大于实验1。实验4与实验1,A的起始浓度相同,实验4的温度高,达到平衡时A的浓度小,说明升高温度,平衡向正反应方向移动,故正反应是吸热反应。
【解答】(1);(2);催化剂;(3)>;>;(4)吸热;温度升高时,平衡向右移动。
难点解说:化学反应速率研究反应进行快慢的问题,化学平衡研究可逆反应的程度问题。这是两个不同的问题。但化学反应速率与化学平衡又有内在联系,因为化学平衡的根本特征是正、逆反应速率相等,而影响反应速率的因素(如浓度、压强、温度)也影响着化学平衡。
解题时弄清具体问题是化学反应速率问题,还是化学平衡问题是很重要的。一般地说,建立平衡所需时间的长短是反应速率问题,最终反应物的转化率的大小和生成物的多少是化学平衡问题。例如:对于反应N2+3H22NH3(正反应放热),升高温度,正、逆反应都增大,达到平衡所需的时间缩短,是反应速率问题;而N2、H2的转化率降低,平衡体系中NH3的体积分数减小,是化学平衡问题。
2、平衡移动与各种物理量的关系
,当条件改变使化学平衡向正反应方向移动时,下列叙述正确的是()
①生成物的质量分数一定增加②任一生成物总量一定增加③反应物的转化率一定增大④反应物的浓度一定降低⑤正反应速率一定大于逆反应速率⑥一定使用催化剂
A.①②③B.③④⑤C.②⑤D.④⑥
解析:引起平衡移动的原因有多种(如改变某一反应物或生成物的浓度、改变压强或温度等),平衡移动对各种物理量的影响也不是固定的。所以要具体问题具体分析。在不能确定平衡移动的原因时,可对各种可能性逐一分析。现以可逆反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)为例分析如下:
若增大O2浓度,平衡正向移动,SO2的转化率提高,而O2的转化率降低,故③不正确。
若分离出SO3,即降低浓度,虽然平衡正向移动,但新平衡中SO3的质量分数却降低了。当然,SO3的总量(分离出去的SO3和平衡体系中的SO3)一定增加。故②正确,①不正确。
若增大压强,缩小容器体积,体系中各物质的浓度都增大。平衡正向移动,SO2、O2的物质的量减少,但浓度仍比原平衡大。故④不正确。
无论什么原因引起平衡向正反应方向移动,正反应速率一定大于逆反应速率,这是平衡正向移动的根本原因,所以⑤正确。而催化剂不影响化学平衡,所以⑥不正确。答案选C。
当然作为选择题,只要确定⑤正确,对照选项,再分析②③④中的任一个,可得答案。
【答案】C
:3A(气)3B(?)+C(?)(正反应吸热),随着温度升高,气体平均相对分子质量有变小趋势,则下列判断正确的是()
,则B一定是气体
【思路点拨】由于正反应吸热,升高温度平衡向正反应方向移动。若B和C都不是气体,则反应体系中只有气体A,相对分子质量不变。
根据分别讨论:
若B、C都气体,根据质量守恒定律,气体总质量m(g)不变,而正反应使气体体积增大,即气体总物质的量n(g)增大,所以气体平均相对分子质量将减小。
若C为固体,B为气体,则反应前后气体物质的量n(g)不变,气体总质量m(g)因为生成固体C而减少,也将减小。所以C、D选项正确。
【答案】CD
【解法指要】掌握气体平均相对分子质量的计算公式并能熟练地讨论方能准确、快速地解题。
◆难点解说:可逆反应是各不相同的,引起平衡移动的原因又是多种多样的。所以在分析平衡移动对各种物理量的影响(或造成各种物理量变化的原因)时,一定要具体问题具体分析,全面分析各种可能性,不能以偏概全。在分析时,熟练掌握下列常见的物理量的相互关系是必须的:
①气体的气态方程PV=nRT
式中P、V、T、n分别代表气体的压强、体积、温度和物质的量,R为常数。由气态方程可知,在恒温、恒容时,P与n成正比;在恒温、恒压时,V与n成正比。
②质量、体积、物质的量分数分别等于各组分的质量、体积、物质的量除以总质量、总体积、总物质的量。也就是说,各种分数是某物质的量与总量的相对关系。
③反应物的转化率等于已反应的物质的量除以起始时反应物的物质的量。
④气体的密度
式中m(g)表示气体的总质量,V表示容器的体积。对于恒容装置,气体的密度只与m(g)成正比;对于反应物和生成物都是气体的反应体系,气体的密度只与V成反比。
⑤气体的平均相对分子质量式中m(g)表示气体的总质量,n(g)表示气体的总物质的量。对于反应前后气体体积不变的反应体系,气体的平均相对分子质量只与m(g)成正比;对于反应物和生成物都是气体的反应体系,气体的平均相对分子质量只与n(g)成反比。
3、压强对化学平衡的影响
,反应aA(g)bB(g)达平衡后,保持温度不变,将容器体积增加一倍,当达到新的平衡时,B的浓度是原来的60%,则()
>b
解析:平衡后将容器体积增加一倍,即压强减小到原来的一半,A、B的浓度都变为原来的50%,达到新平衡后,B的浓度是原来的60%,说明减压使平衡向正反应方向移动,B的质量、质量分数、物质的量、物质的量分数都增大了。正反应是气体体积增加的反应,所以b>a,应选A、C。
也可以通过比较两平衡中B的物质的量判断:设原平衡容器体积为V,则新平衡容器体积为2V,显然c(B)V<60%c(B)×2V,即平衡移动使B增大。
如果简单地根据减压后B的浓度比原平衡小进行分析,就会得出平衡向逆反应方向移动的错误结论。那为什么平衡向正反应方向移动,B的浓度却比原平衡小呢?因为B的浓度不仅受平衡移动的影响,它还受容器体积变化的影响。
【解答】AC
【解法指要】将压强对B的浓度的影响理解为两部分:①减压的一瞬间,体积变为原来的一倍,浓度变为原来的50%,这时不考虑平衡移动。
②平衡移动使B的浓度从原来的50%增加到原来的60%,并据此分析压强对平衡的影响。
,A容器有一个可移动的活塞能使容器内保持恒压,B容器保持恒容,起始时向这两只容器中分别充入等量的SO2与O2的混合气体,并使和容积相等(如图),在催化剂存在的条件下,保持4500C时使之发生如下反应:SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
(1)两容器中的反应速率大小关系,反应开始时;建立平衡过程中________。
(2)两容器中反应达到平衡后SO2的转化率大小关系是_______。
(3)达到平衡后,向两容器中通入少量且等量的氩气,A容器化学平衡____移动,B容器化学平衡_____移动(填向右、向左或不)。
(4)达到平衡后,若向两容器中通入等量的原反应气体,达到新平衡时A容器的SO3体积分数_______,B容器中的SO3体积分数_______(填增大、减小或不变)。
解析:首先应弄清甲、乙两容器的区别,甲容器是恒温、恒压装置,其压强始终不变,体积随容器内气体的物质的量变化;乙容器是恒温、恒容装置,其容积始终不变,压强随气体的物质的量变化。
(1)反应开始时,两容器的条件完全相同,反应速率相等。反应开始后,乙中压强因气体物质的量减少而减小,小于甲中压强,反应速率小于甲。
(2)同理,甲相当于乙平衡后加压,平衡右移,SO2的转化率增大。
(3)平衡后充入氩气,甲容器压强虽然不变,但容积增大了,各物质浓度都减小,相当于减压,平衡向左移动。乙容器压强虽然增大,但由于容积不变,各物质浓度也不变,所以平衡不移动。
(4)可进行如下等效设计:将等量的原反应气体分别放在甲、乙容器中建立与原平衡相同的平衡后,再与原平衡气体混合。对于甲容器来说,相当于将两份完全相同的平衡混合气体简单加和在一起,只是体积和各物质的量扩大一倍,平衡并不移动,SO3的百分含量不变;对于乙容器来说,相当于将两份完全相同的平衡混合气体压缩到一个容器中,各物质的浓度都增大一倍(等效于加压),平衡右移,SO3的百分含量增大。
【解答】(1)甲=乙,甲>乙(2)甲>乙
(3)向左,不(4)不变,增大。
【解法指要】恒温、恒压条件下与恒温、恒容条件下,充入“惰气”(即不参与反应的气体)或原反应气体对化学平衡的影响是不同的,所以,在解化学平衡题时对反应条件的分析至关重要。
◆难点解说:压强对化学平衡的影响是比较复杂的,这里特别强调两点:
①压强对化学平衡的影响实质是浓度对化学平衡的影响,关键在于压强变化是否导致了体积变化。
②在分析压强对平衡体系中物质浓度的影响或根据浓度变化判断压强对化学平衡的影响时,要综合分析容器体积变化和平衡移动的影响。
4、化学平衡的等效设计
,已知A装有SO2和O2各1g,B装有SO2和O2各2g,在相同温度下反应达到平衡时A中SO2的转化率为a%,B中SO2的转化率为b%,则A、B两容器中SO2转化率的关系正确的是()
%>b%%=b%%<b%%=b%
【思路点拨】要比较A、B两容器中SO2转化率,可以对B容器的反应过程进行如下等效设计:
即先将B容器中的体积扩大一倍,使状态Ⅱ与A容器达到等同平衡(状态Ⅱ相当于两个独立的容器A),两者SO2的转化率相等。再将状态Ⅱ体积压缩为原体积,根据勒夏特列原理,状态Ⅲ平衡时SO2转化率大于状态Ⅱ(也就是容器A)的转化率。而B容器先扩大体积再压缩回原状,转化率是相同的,所以仍为a%<B%。
【答案】C
【解法指要】设计一个与容器A达到等同平衡,与容器B有平衡移动关系的中间状态是解题的关键。
,进行同样的可逆反应:
2A(g)+B(g)3C(g)+2D(g)
起始时四个容器所盛A、B的量分别为:甲:2molA,1molB;乙:1molA,1molB;丙:2molA,2molB;丁:1molA,2molB。在相同温度下建立平衡时,A、B转化率大小关系正确的是()
:甲<丙<乙<丁
:甲<乙<丙<丁
:甲<乙=丙<丁
:甲>丙>乙>丁
【思路点拨】首先分析可逆反应的条件和特点:恒温、恒容条件下的气体体积增大的反应。再将题给数据逐一列出:
通过对比、分析,可以进行如下等效设计比较A、B的转化率:
①甲中A比乙中多1mol,为了便于比较,将甲的反应过程设计为先用1molA和1molB反应达到平衡,再加入1molA使平衡正向移动。如下图所示:
通过上述设计平衡甲相当于平衡乙回加入1mol后,向正反应方向移动的结果。由于增大某一反应物浓度提高另一反应物的转化率,而自身的转化率降低,所以A的转化率:甲<乙;B的转化率:甲>乙。同理,丙相当于甲平衡后加入1molB,又相当于丁平衡后加入1molA;丁相当于乙平衡后加入1molB。所以,A的转化率:甲<丙<丁,乙<丁;B的转化率:甲>丙>丁,乙>丁。
②再比较乙、丙:丙的投料是乙的一倍,平衡丙相当于平衡乙压强加大一倍,加压平衡向逆反应方向移动,A、B的转化率都降低,所以A的转化率:乙>丙;B的转化率:乙>丙。
综上所述,A的转化率:甲<丙<乙<丁;B的转化率:甲>乙>丙>丁。