化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡概念探討

■北京市十一學(xué)校 北京亦莊實(shí)驗(yàn)中學(xué) 趙玉雙(博士)

化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡概念探討

■北京市十一學(xué)校 北京亦莊實(shí)驗(yàn)中學(xué) 趙玉雙(博士)

編者注：“經(jīng)典題突破方法”欄目里例題選自名校模擬題或高考真題,推出本欄目的主要目的是讓同學(xué)們更好地領(lǐng)悟解題思想方法。學(xué)會(huì)解題反思,無疑是同學(xué)們學(xué)習(xí)的一條捷徑,愿同學(xué)們不斷在反思中進(jìn)步,在反思中收獲!

化學(xué)反應(yīng)是認(rèn)識(shí)化學(xué)世界的一個(gè)重要研究對象,認(rèn)識(shí)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)有三個(gè)方面的問題：方向、速率和限度(化學(xué)平衡)。其中化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡是高中化學(xué)基本理論中的重中之重,也是近幾年高考的熱點(diǎn),題型涉及選擇題和非選擇題。下面從化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡概念的理解,化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡綜合應(yīng)用角度,結(jié)合高考考查形式分析該考點(diǎn)經(jīng)典命題方向及解題策略。

一、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡概念的理解

例1常壓下羰基化法精煉鎳的原理為：Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g)。230℃時(shí),該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2×10-5。已知Ni(CO)4的沸點(diǎn)為42.2℃,固體雜質(zhì)不參與反應(yīng)。第一階段,將粗鎳與CO反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)Ni(CO)4;第二階段,將第一階段反應(yīng)后的氣體分離出來,加熱至230℃制得高純鎳。下列判斷正確的是( )。

A.增加c(CO),平衡向正向移動(dòng),反應(yīng)的平衡常數(shù)增大

B.第一階段,在30℃和50℃兩者之間選擇反應(yīng)溫度,選50℃

C.第二階段,Ni(CO)4分解率較低

D.該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),v生成[Ni(CO)4]=4v生成(CO)

答案：B

解析：本題為經(jīng)典的化學(xué)平衡原理實(shí)際應(yīng)用問題：羰基化法精煉鎳。A項(xiàng),考查化學(xué)平衡常數(shù)的概念理解,對于一定條件下的反應(yīng),方程式確定后反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)。而對于化學(xué)平衡來說增加反應(yīng)物濃度即增大c(CO),根據(jù)勒夏特列原理,平衡向正向移動(dòng),但是由于反應(yīng)溫度不變,則反應(yīng)的平衡常數(shù)不變,故A項(xiàng)錯(cuò)誤。B項(xiàng),根據(jù)題意,第一階段,將粗鎳與CO反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)Ni(CO)4,提取信息“Ni(CO)4的沸點(diǎn)為42.2℃”,因此分析反應(yīng)溫度應(yīng)大于沸點(diǎn),以便于分離出氣態(tài)Ni(CO)4,故一階段,在30℃和50℃兩者之間選擇反應(yīng)溫度,選50℃,即B項(xiàng)正確。C項(xiàng),由題目信息知加熱至230℃制得高純鎳,可得出第二階段主要是Ni(CO)4的分解,此時(shí)Ni(CO)4的分解率較大,故C項(xiàng)錯(cuò)誤。此步驟利用可逆反應(yīng)在不同條件下反應(yīng)進(jìn)行的程度不同,借助反應(yīng)條件的不同可以分離物質(zhì),此方法是利用化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的重要手段之一。D項(xiàng),在化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡的過程中,可以用不同的反應(yīng)物質(zhì)表示該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率,數(shù)值不同但表示意義相同,且用不同物質(zhì)表示的反應(yīng)速率數(shù)值之比等于反應(yīng)方程式的化學(xué)計(jì)量系數(shù)之比,因此對于本反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)4v生成[Ni(CO)4]=v生成(CO),故D項(xiàng)錯(cuò)誤。

考點(diǎn)定位：化學(xué)平衡常數(shù)的理解,化學(xué)平衡的影響因素,平衡移動(dòng)方向的判斷,化學(xué)反應(yīng)速率概念的理解與相關(guān)計(jì)算。

名師點(diǎn)睛：化學(xué)平衡問題常用的解決思路：首先明確化學(xué)反應(yīng)平衡表達(dá)式,關(guān)注反應(yīng)溫度、壓強(qiáng)、體積等條件,厘清恒溫、恒壓或恒容條件下的不同之處。確定反應(yīng)方程式后,關(guān)注化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān),溫度不變,平衡常數(shù)K不變。掌握影響化學(xué)平衡的內(nèi)、外因,內(nèi)因即物質(zhì)本身性質(zhì)的影響因素,不同物質(zhì)間的反應(yīng)平衡,可以根據(jù)物質(zhì)本身的性質(zhì)來參考反應(yīng)進(jìn)行的程度以及反應(yīng)速率。而外因需要考慮多方因素,勒夏特列原理判定平衡移動(dòng)的方向,此類題目可結(jié)合題目中已有信息或者推測信息進(jìn)行分析。溫度的影響因素判定過程首要考慮反應(yīng)的吸、放熱情況,對壓強(qiáng)注意反應(yīng)物質(zhì)的狀態(tài),濃度常有的考點(diǎn)是在物質(zhì)的量上做文章,忽略體積的變化?；瘜W(xué)反應(yīng)速率概念中針對不同的物質(zhì)表示形式相同,數(shù)值可能不同。

易錯(cuò)點(diǎn)分析：本題考查內(nèi)容中,化學(xué)平衡的影響因素為高頻考點(diǎn),把握K與溫度的關(guān)系、溫度對平衡移動(dòng)的影響為解答的關(guān)鍵,化學(xué)反應(yīng)速率表達(dá)式的理解與應(yīng)用是本題側(cè)重分析與應(yīng)用能力的考查,注意題中的信息,選項(xiàng)C為解答的難點(diǎn),題目難度不大。

二、化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡綜合

例2TiCl4是由鈦精礦(主要成分為TiO2)制備鈦(T i)的重要中間產(chǎn)物,制備純TiCl4的流程如下。

TiCl4及所含雜質(zhì)氯化物的性質(zhì)見表1。

表1

氯化過程：TiO2與Cl2,難以直接反應(yīng),加碳生成CO和CO2,可使反應(yīng)得以進(jìn)行。

已知：TiO2(s)+2Cl2(g)══TiCl4(g)+O2(g) ΔH1=+175.4kJ·mol-1

2C(s)+O2(g)══2CO(g) ΔH2=-220.9kJ·mol-1

(1)沸騰爐中加碳氯化生成TiCl4(g)和CO(g)的熱化學(xué)方程式為。

(2)氯化過程中CO和CO2可以相互轉(zhuǎn)化,根據(jù)圖1判斷：CO2生成CO反應(yīng)的(填“＞”“＜”或“=”),判斷依據(jù)：____。

圖1

解析：由制備純TiCl4的流程示意圖初步了解制備過程,但流程圖不能直接得到與答題相關(guān)的信息。題目中對氯化過程的解釋：鈦精礦與氯氣、C發(fā)生氯化過程,反應(yīng)為。結(jié)合表格中數(shù)據(jù)可知,蒸餾得到純TiCl4。

(1)由①TiO2(s)+2Cl2(g)══TiCl4(g)+O2(g) ΔH1=+175.4kJ·mol-1

②2C(s)+O2(g)══2CO(g) ΔH2=-220.9kJ·mol-1

結(jié)合蓋斯定律可知,①+②得到TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)══TiCl4(g)+2CO(g),ΔH=(+175.4 kJ· mol-1)+(-220.9kJ·mol-1)=-45.5kJ·mol-1,即熱化學(xué)方程式為：TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)══TiCl4(g)+2CO(g) ΔH=-45.5kJ·mol-1。

(2)圖像綜合問題,隨溫度越高,CO的物質(zhì)的量越多而CO2的物質(zhì)的量少,說明此過程CO2轉(zhuǎn)化生成CO的反應(yīng)是吸熱反應(yīng),所以ΔH＞0。

答案：(1)TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)══TiCl4(g)+2CO(g) ΔH=-45.5kJ·mol-1

(2)＞ 溫度越高,CO的物質(zhì)的量越多,而CO2的物質(zhì)的量少,說明CO2生成CO的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)

考點(diǎn)定位：蓋斯定律與熱化學(xué)方程式的書寫,氯及其化合物,鐵及其化合物,制備實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

名師點(diǎn)睛：本題在物質(zhì)的制備實(shí)驗(yàn)中穿插對熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫以及化學(xué)平衡影響因素的考查,反應(yīng)原理與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的考查形式為高頻考點(diǎn),題目難度不大。解題關(guān)鍵是抽離反應(yīng)原理的關(guān)鍵信息,脫離題目體系尋找與反應(yīng)原理考查相關(guān)的內(nèi)容即可。熱化學(xué)方程式的書寫注意事項(xiàng)：反應(yīng)方程式的書寫,反應(yīng)物的狀態(tài),反應(yīng)熱的數(shù)值以及正、負(fù)號(hào)書寫,單位,完成后逐一核查。

易錯(cuò)點(diǎn)分析：蓋斯定律應(yīng)用的關(guān)鍵是核查物質(zhì)狀態(tài)之間是否可以直接加堿,物質(zhì)狀態(tài)相同時(shí)可以借助方程式的思想進(jìn)行加和。確定化學(xué)平衡的影響因素需要牢牢掌握平衡移動(dòng)的本質(zhì)是達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),對于平衡首要分析改變平衡的因素,由因素推及導(dǎo)致平衡改變的本質(zhì)原因,平衡移動(dòng)的方向,再來分析導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(責(zé)任編輯 謝啟剛)

趙玉雙,畢業(yè)于北京師范大學(xué),理學(xué)博士,曾輔導(dǎo)學(xué)生獲得青少年科技創(chuàng)新項(xiàng)目一等獎(jiǎng)、北京市科技創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng);曾以第一作者于英國皇家學(xué)會(huì)期刊發(fā)表專業(yè)論文5篇,已獲得授權(quán)發(fā)明專利兩項(xiàng)。