化学反应速率与化学平衡概念探讨

■北京市十一学校 北京亦庄实验中学 赵玉双(博士)

化学反应速率与化学平衡概念探讨

■北京市十一学校 北京亦庄实验中学 赵玉双(博士)

编者注：“经典题突破方法”栏目里例题选自名校模拟题或高考真题,推出本栏目的主要目的是让同学们更好地领悟解题思想方法。学会解题反思,无疑是同学们学习的一条捷径,愿同学们不断在反思中进步,在反思中收获!

化学反应是认识化学世界的一个重要研究对象,认识一个化学反应有三个方面的问题：方向、速率和限度(化学平衡)。其中化学反应速率与化学平衡是高中化学基本理论中的重中之重,也是近几年高考的热点,题型涉及选择题和非选择题。下面从化学反应速率与化学平衡概念的理解,化学反应速率和化学平衡综合应用角度,结合高考考查形式分析该考点经典命题方向及解题策略。

一、化学反应速率与化学平衡概念的理解

例1常压下羰基化法精炼镍的原理为：Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g)。230℃时,该反应的平衡常数K=2×10-5。已知Ni(CO)4的沸点为42.2℃,固体杂质不参与反应。第一阶段,将粗镍与CO反应转化成气态Ni(CO)4;第二阶段,将第一阶段反应后的气体分离出来,加热至230℃制得高纯镍。下列判断正确的是( )。

A.增加c(CO),平衡向正向移动,反应的平衡常数增大

B.第一阶段,在30℃和50℃两者之间选择反应温度,选50℃

C.第二阶段,Ni(CO)4分解率较低

D.该反应达到平衡时,v生成[Ni(CO)4]=4v生成(CO)

答案：B

解析：本题为经典的化学平衡原理实际应用问题：羰基化法精炼镍。A项,考查化学平衡常数的概念理解,对于一定条件下的反应,方程式确定后反应的化学平衡常数只与温度有关。而对于化学平衡来说增加反应物浓度即增大c(CO),根据勒夏特列原理,平衡向正向移动,但是由于反应温度不变,则反应的平衡常数不变,故A项错误。B项,根据题意,第一阶段,将粗镍与CO反应转化成气态Ni(CO)4,提取信息“Ni(CO)4的沸点为42.2℃”,因此分析反应温度应大于沸点,以便于分离出气态Ni(CO)4,故一阶段,在30℃和50℃两者之间选择反应温度,选50℃,即B项正确。C项,由题目信息知加热至230℃制得高纯镍,可得出第二阶段主要是Ni(CO)4的分解,此时Ni(CO)4的分解率较大,故C项错误。此步骤利用可逆反应在不同条件下反应进行的程度不同,借助反应条件的不同可以分离物质,此方法是利用化学反应实现物质分离的重要手段之一。D项,在化学反应达到平衡的过程中,可以用不同的反应物质表示该反应的化学反应速率,数值不同但表示意义相同,且用不同物质表示的反应速率数值之比等于反应方程式的化学计量系数之比,因此对于本反应达到平衡时4v生成[Ni(CO)4]=v生成(CO),故D项错误。

考点定位：化学平衡常数的理解,化学平衡的影响因素,平衡移动方向的判断,化学反应速率概念的理解与相关计算。

名师点睛：化学平衡问题常用的解决思路：首先明确化学反应平衡表达式,关注反应温度、压强、体积等条件,厘清恒温、恒压或恒容条件下的不同之处。确定反应方程式后,关注化学平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数K不变。掌握影响化学平衡的内、外因,内因即物质本身性质的影响因素,不同物质间的反应平衡,可以根据物质本身的性质来参考反应进行的程度以及反应速率。而外因需要考虑多方因素,勒夏特列原理判定平衡移动的方向,此类题目可结合题目中已有信息或者推测信息进行分析。温度的影响因素判定过程首要考虑反应的吸、放热情况,对压强注意反应物质的状态,浓度常有的考点是在物质的量上做文章,忽略体积的变化。化学反应速率概念中针对不同的物质表示形式相同,数值可能不同。

易错点分析：本题考查内容中,化学平衡的影响因素为高频考点,把握K与温度的关系、温度对平衡移动的影响为解答的关键,化学反应速率表达式的理解与应用是本题侧重分析与应用能力的考查,注意题中的信息,选项C为解答的难点,题目难度不大。

二、化学反应速率和化学平衡综合

例2TiCl4是由钛精矿(主要成分为TiO2)制备钛(T i)的重要中间产物,制备纯TiCl4的流程如下。

TiCl4及所含杂质氯化物的性质见表1。

表1

氯化过程：TiO2与Cl2,难以直接反应,加碳生成CO和CO2,可使反应得以进行。

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)沸腾炉中加碳氯化生成TiCl4(g)和CO(g)的热化学方程式为。

(2)氯化过程中CO和CO2可以相互转化,根据图1判断：CO2生成CO反应的(填“＞”“＜”或“=”),判断依据：____。

图1

解析：由制备纯TiCl4的流程示意图初步了解制备过程,但流程图不能直接得到与答题相关的信息。题目中对氯化过程的解释：钛精矿与氯气、C发生氯化过程,反应为。结合表格中数据可知,蒸馏得到纯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

结合盖斯定律可知,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,即热化学方程式为：TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)══TiCl4(g)+2CO(g) ΔH=-45.5kJ·mol-1。

(2)图像综合问题,随温度越高,CO的物质的量越多而CO2的物质的量少,说明此过程CO2转化生成CO的反应是吸热反应,所以ΔH＞0。

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

(2)＞ 温度越高,CO的物质的量越多,而CO2的物质的量少,说明CO2生成CO的反应是吸热反应

考点定位：盖斯定律与热化学方程式的书写,氯及其化合物,铁及其化合物,制备实验方案的设计。

名师点睛：本题在物质的制备实验中穿插对热化学反应方程式的书写以及化学平衡影响因素的考查,反应原理与实验结合的考查形式为高频考点,题目难度不大。解题关键是抽离反应原理的关键信息,脱离题目体系寻找与反应原理考查相关的内容即可。热化学方程式的书写注意事项：反应方程式的书写,反应物的状态,反应热的数值以及正、负号书写,单位,完成后逐一核查。

易错点分析：盖斯定律应用的关键是核查物质状态之间是否可以直接加碱,物质状态相同时可以借助方程式的思想进行加和。确定化学平衡的影响因素需要牢牢掌握平衡移动的本质是达到稳定状态,对于平衡首要分析改变平衡的因素,由因素推及导致平衡改变的本质原因,平衡移动的方向,再来分析导致的实验结果。

(责任编辑 谢启刚)

赵玉双,毕业于北京师范大学,理学博士,曾辅导学生获得青少年科技创新项目一等奖、北京市科技创新大赛二等奖;曾以第一作者于英国皇家学会期刊发表专业论文5篇,已获得授权发明专利两项。