学 海 无 涯 学案学案 42 化学反应的方向和限度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 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 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 S 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 如果反应的 则该反应一定能自发进行 如果反应的 则 该 反 应 一 定 不 能 自 发 进 行 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 2H2O2H2 O2 是否为可逆反应 通电 点燃 学 海 无 涯 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 0 3 mol CO 和 0 2 mol H2O g 通入 2 L 密闭容器中 进行反应 CO g H2O g CO2 g H2 g 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 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 依据以上叙述画出反应的 v t 图象 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 学 海 无 涯 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 各物质的物质的量或各物质的物质的 量分数一定 各物质的质量或各物质的质量分数一 定 各气体的体积或体积分数一定 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 在单位时间内消耗了 m mol A 同时 生成 m mol A 即 v正 v逆 在单位时间内消耗了 n mol B 同时消 耗了 p mol C 则 v正 v逆 vA vB vC vD m n p q v正 不一定等于 v逆 在单位时间内生成 n mol B 同时消耗 q mol D 均指 v逆 v正不一定等于 v逆 压强 若 m n p q 总压强一定 其他条 件不变 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 M M 一定 m n p q 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 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 单位时间内生成 n mol H2的同时 生成 n mol HI 一个 H H 键断裂的同时有两个 H I 键 断 裂 百 分 含 量 w HI w I2 反 应 速 率 v H2 v I2 1 2 v HI c HI c H2 c I2 2 1 1 温度和体积一定时 某一生成物浓度不再变化 温度 和体积一定时 容器内压强不再变化 条件一定 混合气体的平均相对分子质量不再变化 温度和体积一定时 混合气体颜色不再变化 温度和压强一定时 混合气体的密度不再 变化 讨 论 在 上 述 的 说 法 中 能 说 明 2NO2 g 2O4 g 达 到 平 衡 状 态 的 是 学 海 无 涯 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 n 0 n 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 1 mol 1 mol 0 mol 2 mol 2 mol 1 mol a mol b mol c mol 1 试判断 和 是否是等效平衡 2 和 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 和 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 学 海 无 涯 1 2011 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 8NH37N2 12H2O 也可处理 NO2 当转移 1 2 mol 电子时 消 耗的 NO2在标准状况下是 L 2 已知 2SO2 g O2 g 2SO3 g H 196 6 kJ mol 1 2NO g O2 g 2NO2 g H 113 0 kJ mol 1 则反应 NO2 g SO2 g SO3 g NO g 的 H 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 1 mol SO3的同时生成 1 mol NO2 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 H 0 填 或 或 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 计算 25 0 时 0 6 min 氨基甲酸铵水解反应的平均速率 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 2011 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 1 km 压强增大约 25 000 30 000 kPa 在地壳内 SiO2和 HF 存在以下平衡 SiO2 s 4HF g SiF4 g 2H2O g 148 9 kJ 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 0 L 反应时间为 8 0 min 容器内气体的密度增大了 0 12 g L 学 海 无 涯 1 在这段时间内 HF 的平均反应速率为 4 2010 北京理综 12 某温度下 H2 g CO2 g H2O g CO g 的平衡常数 K 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 0 010 0 020 0 020 c CO2 mol L 1 0 010 0 010 0 020 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 0 012 mol L 1 D 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 2011 长春质检 有 A B C D 4 个反应 反应 A B C D H kJ mol 1 10 5 1 80 126 11 7 S J mol 1 K 1 30 0 113 0 84 0 105 0 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 反应容器中压强不随时间变化而变化 A 气体和 B气体的生成速率相等 混合气 体的平均摩尔质量不随时间变化而变化 反应混合气体的密度不随时间变化而变化 A B C D 4 2011 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