化学选择性必修1化学平衡第三课时学案及答案

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一、知识目标
1.理解温度、催化剂对化学平衡的影响，掌握温度改变时正、逆反应速率的变化情况，明确催化剂对化学平衡移动和反应时间的影响。
2.归纳总结浓度、压强、温度、催化剂等因素对化学平衡的影响规律，理解勒夏特列原理并能运用其解释相关化学现象。
3.掌握化学平衡图像的类型和解题方法，学会从图像中获取信息，分析外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响。
二、核心素养目标
1.宏观辨识与微观探析：通过实验观察温度对NO2和N2O4混合气体颜色的影响，从宏观现象认识温度对化学平衡的影响，从微观角度理解反应速率的变化。
2.证据推理与模型认知：通过分析化学平衡图像，建立图像与化学平衡移动之间的联系，培养证据推理能力和模型认知能力。
3.科学探究与创新意识：通过设计实验探究温度对化学平衡的影响，培养科学探究能力和创新意识。
一、学习重点
1.温度、催化剂对化学平衡的影响，勒夏特列原理，化学平衡图像的分析与应用。
二、学习难点
1.温度改变时正、逆反应速率变化的图像分析，化学平衡图像中信息的提取和应用，勒夏特列原理的理解和运用。
一、温度、催化剂对化学平衡的影响
1．温度对化学平衡的影响
（1）实验探究温度对化学平衡的影响
按表中实验步骤要求完成实验，观察实验现象，填写下表：
（2）温度对化学平衡的影响规律
当其他条件不变时，升高温度，会使化学平衡向吸热反应的方向移动；降低温度，会使化学平衡向放热反应的方向移动。
注意：任何化学反应都伴随着能量的变化(放热或吸热)，所以任意可逆反应的化学平衡状态都受温度的影响。
（3）用v－t图像分析温度对化学平衡的影响
已知反应：mA(g)＋nB(g) ⇌ pC(g) ΔH＜0，当反应达到平衡后，若改变温度，其反应速率的变化曲线分别如图所示。
2．催化剂对化学平衡的影响
（1）催化剂对化学平衡的影响规律
当其他条件不变时，催化剂不能改变达到化学平衡状态时反应混合物的组成，但是使用催化剂能改变反应达到化学平衡所需的时间。
（2）用v－t图像分析催化剂对化学平衡的影响
二、勒夏特列原理
1．勒夏特列原理
如果改变影响平衡的一个因素(如温度、压强及参加反应的物质的浓度)，平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。
2．适用范围及应用
（1）勒夏特列原理适用于已达到平衡的反应体系，不可逆过程或未达到平衡的可逆过程均不能使用该原理。
（2）勒夏特列原理中的“减弱”不等于“消除”，更不是“扭转”，即平衡移动不能将外界影响完全消除，而只能减弱。
对于以下体系，增大压强
2NO2(g) ⇌N2O4(g) ΔH＝－56.9 kJ·ml－1
红棕色无色
混合气体颜色先加深，后变浅。但比原平衡时颜色深。
（一）课堂导入
问题思考
1.工业合成氨是一个典型的可逆反应，且为放热反应，为什么降低温度就能提高氨的产率呢？
答案：降低温度，化学平衡向放热反应方向移动，而合成氨反应的正反应是放热反应，所以降低温度平衡正向移动，氨的产率提高，这背后涉及化学平衡移动的知识。
2.除了温度，还有哪些因素会影响化学平衡呢？
答案：浓度、压强、催化剂等因素也会影响化学平衡。
3.回顾平衡常数和浓度商的相关知识，平衡常数和浓度商分别与什么有关？改变温度和浓度会有什么影响？
答案：平衡常数只与温度有关，表达式为lnK=−ΔHRT+C；浓度商只与浓度有关，表达式为Q=[产物浓度幂之积][反应物浓度幂之积]。改变温度会使K发生改变，改变浓度会使Q发生改变。对于放热或吸热的可逆反应，当反应达到平衡后，改变温度也会使化学平衡发生移动。
（二）影响化学平衡的因素（温度、催化剂）
活动一：温度对化学平衡的影响
问题探究
1.请设计一个实验来研究温度对化学平衡的影响。
答案：可以把红棕色的NO2和无色的N2O4混合气体通入两只连通的烧瓶，然后用弹簧夹夹住乳胶管；把一只烧瓶浸泡在热水中，另一只浸泡在冰水中，观察混合气体颜色的变化。
问题思考
2.进行上述实验后，浸泡在热水中的烧瓶内气体颜色加深，浸泡在冰水中的烧瓶内气体颜色变浅，这说明了什么？
答案：说明对于反应2NO2(g)⇌N2O4(g)（正反应为放热反应），其他条件不变时，升高温度，化学平衡向逆反应（吸热反应）方向移动；降低温度，化学平衡向正反应（放热反应）方向移动。
3.当温度变化时，正、逆反应速率如何变化呢？以正反应放热为例进行分析。
答案：以正反应放热为例，升高温度，v正、v逆均增大，且v逆>v正；降低温度，v正、v逆均减小，且v正>v逆。正反应吸热时，升高温度，v正、v逆均增大，且v正>v逆；降低温度，v正、v逆均减小，且v逆>v正。
对应训练
1.对于可逆反应2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g) ΔHv正
答案：C
解析：该反应正反应为放热反应。升高温度，正、逆反应速率都增大，化学平衡向逆反应方向移动，A、B错误；降低温度，正、逆反应速率都减小，化学平衡向正反应方向移动，即v正>v逆，C正确，D错误。
2.在一定条件下，可逆反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)达到平衡。当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（ ）
A. 加催化剂，v正、v逆都发生变化，且变化的倍数相等
B. 加压，v正、v逆都增大，且v正>v逆
C. 降温，v正、v逆都减小，且v正>v逆
D. 增大c(N2)，v正增大，v逆减小，平衡向正反应方向移动
答案：D
解析：催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率，A正确；该反应正反应是气体体积减小的反应，加压，正、逆反应速率都增大，平衡向正反应方向移动，即v正>v逆，B正确；降温，正、逆反应速率都减小，平衡向正反应方向移动，即v正>v逆，C正确；增大c(N2)，v正增大，v逆也增大，平衡向正反应方向移动，D错误。
活动二：催化剂对化学平衡的影响
问题思考
1.催化剂可以改变化学反应速率，那么催化剂对化学平衡是否有影响呢？
答案：催化剂可以同等程度地改变正、逆反应速率，因此对化学平衡的移动没有影响，但可以改变反应达到平衡所需的时间。催化剂既不影响K值大小，也不能使Q变化，对于已达平衡状态的可逆反应始终保持Q=K，故平衡不移动。
对应训练
下列关于催化剂的说法正确的是（ ）
A. 催化剂能使不起反应的物质发生反应
B. 催化剂在化学反应前后，化学性质和质量都不变
C. 催化剂能改变化学反应速率
D. 任何化学反应都需要催化剂
答案：BC
解析：催化剂只能改变化学反应速率，不能使不起反应的物质发生反应，A错误；催化剂在化学反应前后，化学性质和质量都不变，B正确；催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率，从而改变化学反应速率，C正确；不是任何化学反应都需要催化剂，D错误。
（三）化学平衡的图像
活动一：化学平衡图像的解题方法
问题思考
1.如何分析化学平衡的图像呢？
方法一：看图像；
一看面：纵坐标与横坐标的意义。二看线：线的走向和变化趋势。三看点：起点、折点、交点、终点。四看辅助线：等温线、等压线、平衡线等。五看量的变化：浓度变化、温度变化等。
方法二：找规律；联想外界条件的改变对化学反应速率和化学平衡的影响规律。
方法三：作判断；根据图像中表现的关系与所学规律，作出符合题目要求的判断。
对应训练
在一定温度下，向一个容积为2L的密闭容器中通入2mlSO2和1mlO2，发生反应2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)，2min后达到平衡，各物质的浓度变化如图所示。下列说法正确的是（ ）
A. 该反应的平衡常数表达式为K=[SO3]2[SO2]2[O2]
B. 0−2min内v(SO2)=0.2ml⋅L−1⋅min−1
C. 平衡时SO2的转化率为50%
D. 升高温度，若平衡向正反应方向移动，则正反应为放热反应
答案：A
解析：由于固体不列入平衡常数表达式，所以该反应的平衡常数表达式为K=[SO3]2[SO2]2[O2]，A正确；0−2min内v(SO2)=Δc(SO2)Δt=0.4ml⋅L−12min=0.2ml⋅L−1⋅min−1，B错误；平衡时SO2的转化率为0.4ml⋅L−1×2L2ml×100%=40%，C错误；升高温度，平衡向正反应方向移动，则正反应为吸热反应，D错误。
活动二：不同类型化学平衡图像的分析
问题思考
1.对于速率 - 时间图像，如何分析不同条件改变时正、逆反应速率的变化情况及平衡移动方向？
答案：根据外界条件对反应速率的影响规律，如升高温度、增大压强、增大反应物浓度等都会使反应速率增大。若v正>v逆，平衡正向移动；若v正0
答案：D
解析：图a中，温度升高，C的含量降低，说明平衡向逆反应方向移动，正反应为放热反应，A正确；催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率，缩短达到平衡的时间，但不影响平衡状态，图b中虚线可表示使用了催化剂，B正确；若正反应的ΔH>0，升高温度，平衡向正反应方向移动，C的物质的量增大，A、B的物质的量减小，图c符合，C正确；图d中，温度升高，混合气体的平均相对分子质量减小，说明平衡向逆反应方向移动，正反应为放热反应，ΔH 0
C. 若B、C点的平衡常数分别为K B、K C，则K B = K C
D. 恒温恒压下向平衡体系中通入氦气，平衡向左移动
【答案】D
【解析】A选项，D点时SO₃的质量分数小于该温度下的平衡质量分数，反应要向生成SO₃的方向进行，即v正 > v逆，A错误；B选项，由图可知，温度升高，SO₃的质量分数减小，说明平衡逆向移动，正反应为放热反应，ΔH < 0，B错误；C选项，平衡常数只与温度有关，B、C点温度不同，平衡常数不同，C错误；D选项，恒温恒压下通入氦气，容器体积增大，相当于减小压强，平衡向气体分子数增多的方向移动，即向左移动，D正确。
3.已知反应：2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g)，把NO₂、N₂O₄的混合气体盛装在两个连通的烧瓶里，然后用弹簧夹夹住橡皮管，把A烧瓶放入热水里，把B烧瓶放入冰水里，如图所示(省略夹持装置)。与常温时烧瓶内气体的颜色进行对比，发现A烧瓶内气体颜色变深，B烧瓶内气体颜色变浅。下列说法错误的是（ ）
A. 把A烧瓶放入热水中，A烧瓶内正、逆反应速率均加快
B. 上述过程中，B烧瓶内c(NO₂)减小，c(N₂O₄)增大
C. 上述过程中，A、B烧瓶内气体密度均保持不变
D. 2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g)的逆反应为放热反应
【答案】D
【解析】A选项，升高温度，正、逆反应速率均加快，A正确；B选项，B烧瓶放入冰水中，温度降低，平衡向正反应方向移动，c(NO₂)减小，c(N₂O₄)增大，B正确；C选项，容器体积不变，气体质量不变，根据(=)，密度不变，C正确；D选项，A烧瓶放入热水中颜色变深，说明平衡逆向移动，即逆反应为吸热反应，D错误。
4.下列叙述中，不能用勒夏特列原理解释的是（ ）
A. 红棕色的NO₂，加压后颜色先变深后变浅
B. 2SO₂(g)+O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)，高压比常压有利于合成SO₃
C. 工业制取金属钾：Na(l)+KCl(l) ⇌ NaCl(l)+K(g)，选取适宜的温度，使K变成蒸气从反应混合物中分离出来
D. 加入催化剂有利于氨的合成
【答案】D
【解析】A选项，加压后体积减小，NO₂浓度增大，颜色变深，随后平衡向生成N₂O₄的方向移动，颜色变浅，能用勒夏特列原理解释，A不符合题意；B选项，该反应是气体分子数减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，有利于合成SO₃，能用勒夏特列原理解释，B不符合题意；C选项，使K变成蒸气从反应混合物中分离出来，减小了生成物浓度，平衡向正反应方向移动，能用勒夏特列原理解释，C不符合题意；D选项，催化剂同等程度改变正、逆反应速率，平衡不移动，不能用勒夏特列原理解释，D符合题意。
5.丙烷氧化脱氢法制备丙烯的主要反应如下：C₃H₈(g)+1/2O₂(g) ⇌C₃H₆(g)+H₂O(g) ΔH = - 118 kJ·ml⁻¹。在催化剂作用下，丙烷氧化脱氢除生成丙烯外，还生成CO、CO₂等物质。丙烷的转化率和丙烯的产率随温度变化关系如图所示。
（1）图中丙烷的转化率随温度升高而增大的原因可能是 。
（2）575°C时，丙烯的选择性为 。（丙烯的选择性 = 丙烯的物质的量/反应的丙烷的物质的量×100%）
（3）基于本研究结果，能提高丙烯选择性的措施是 。
【答案】（1）温度升高，反应速率加快(或催化剂的活性增强)；（2）51.5%；（3）选择相对较低的温度
【解析】（1）温度升高，反应速率加快，同时可能催化剂的活性增强，所以丙烷的转化率随温度升高而增大。（2）由图可知，575°C时，丙烷转化率为80%，丙烯产率为41.2%，设起始丙烷物质的量为1ml，则反应的丙烷为(1ml×80% = 0.8ml)，生成丙烯的物质的量为(1ml×41.2% = 0.412ml)，丙烯的选择性(=×100% = 51.5%)。（3）由图可知，温度较低时，丙烯选择性较高，所以能提高丙烯选择性的措施是选择相对较低的温度。
一、温度、催化剂对化学平衡的影响
1．温度对化学平衡的影响
（1）温度对化学平衡的影响规律
①任何化学反应都伴随着能量的变化(放热或吸热)，所以任意可逆反应的化学平衡状态都受温度的影响。
②当其他条件不变时：温度升高，平衡向吸热反应的方向移动；温度降低，平衡向放热反应的方向移动。
（2）用v—t图像分析温度对化学平衡的影响
已知反应：mA(g)＋nB(g) ⇌pC(g) ΔH＜0，当反应达平衡后，若温度改变，其反应速率的变化曲线分别如下图所示。
t1时刻，升高温度，v′正、v′逆均增大，但吸热反应方向的v′逆增大幅度大，则v′逆＞v′正，平衡向逆反应方向移动。
t1时刻，降低温度，v′正、v′逆均减小，但吸热反应方向的v′逆减小幅度大。则v′正＞v′逆，平衡向正反应方向移动。
2．催化剂对化学平衡的影响
（1）催化剂对化学平衡的影响规律
当其他条件不变时：
催化剂不能改变达到化学平衡状态时反应混合物的组成，但是使用催化剂能改变反应达到化学平衡所需的时间。
（2）用v—t图像分析催化剂对化学平衡的影响
t1时刻，加入催化剂，v′正、v′逆同等倍数增大，则v′正＝v′逆，平衡不移动。
注意
①一般说的催化剂都是指的正催化剂，即可以加快反应速率。特殊情况下，也使用负催化剂，减慢反应速率。
②用速率分析化学平衡移动的一般思路
3.化学平衡常数的应用
（1）判断反应进行的程度
K值越大，该反应进行得越完全，反应物的转化率越大；反之，就越不完全，转化率越小。
（2）判断反应的热效应
①升高温度：K值增大→正反应为吸热反应；K值减小→正反应为放热反应。
②降低温度：K值增大→正反应为放热反应；K值减小→正反应为吸热反应。
（3）判断反应是否达到平衡或反应进行的方向
当Q＝K时，反应处于平衡状态；
当Q＜K时，反应向正反应方向进行；
当Q＞K时，反应向逆反应方向进行。
二、勒夏特列原理
1．定义
如果改变影响平衡的一个因素(如温度、压强及参加反应的物质的浓度)，平衡就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．适用范围
（1）勒夏特列原理仅适用于已达到平衡的反应体系，不可逆过程或未达到平衡的可逆过程均不能使用该原理。此外，勒夏特列原理对所有的动态平衡(如溶解平衡、电离平衡和水解平衡等)都适用。
（2）勒夏特列原理只适用于判断“改变影响平衡的一个因素”时平衡移动的方向。若同时改变影响平衡移动的几个因素，则不能简单地根据勒夏特列原理来判断平衡移动的方向，只有在改变的因素对平衡移动的方向影响一致时，才能根据勒夏特列原理进行判断。
3.勒夏特列原理只能解决与平衡移动有关的问题。不涉及平衡移动的问题都不能用勒夏特列原理解释，常见的有：
（1）使用催化剂不能使化学平衡发生移动；
（2）反应前后气体体积不变的可逆反应，改变压强可以改变化学反应速率，但不能使化学平衡发生移动；
（3）发生的化学反应本身不是可逆反应；
（4）外界条件的改变对平衡移动的影响与生产要求不完全一致的反应。
考点一 温度对化学平衡的影响
1．反应2A(g) ⇌2B(g)＋C(g) ΔH>0，达平衡时要使v正降低，c(A)增大，应采取的措施是( )
A．加压 B．减压
C．加催化剂 D．降温
答案 D
2．将H2(g)和Br2(g)充入恒容密闭容器，恒温下发生反应：H2(g)＋Br2(g) ⇌2HBr(g) ΔHb B．a＝bC．ab。
3．已知反应：2NO2(g) ⇌N2O4(g)，把NO2、N2O4的混合气体盛装在两个连通的烧瓶里，然后用弹簧夹夹住橡皮管，把烧瓶A放入热水里，把烧瓶B放入冰水里，如图所示。与常温时烧瓶内气体的颜色进行对比发现，A烧瓶内气体颜色变深，B烧瓶内气体颜色变浅。下列说法错误的是( )
A．上述过程中，A烧瓶内正、逆反应速率均加快
B．上述过程中，B烧瓶内c(NO2)减小，c(N2O4)增大
C．上述过程中，A、B烧瓶内气体密度均保持不变
D．反应2NO2(g) ⇌N2O4(g)的逆反应为放热反应
答案 D
解析 升高温度，正、逆反应速率都增大，A项正确；B烧瓶内气体颜色变浅，说明平衡向生成N2O4的方向移动，B烧瓶内c(NO2)减小，c(N2O4)增大，B项正确；容器的容积不变，混合气体的质量不变，A、B烧瓶内气体密度都不变，C项正确；放在热水中的A烧瓶内气体颜色变深，放在冰水中的B烧瓶内气体颜色变浅，说明升高温度平衡向生成NO2的方向移动，降低温度平衡向生成N2O4的方向移动，故反应2NO2(g) ⇌N2O4(g)的正反应为放热反应，D项错误。
4．在一密闭容器中，发生可逆反应：3A(g) ⇌3B＋C(正反应为吸热反应)，平衡时，升高温度，气体的平均相对分子质量有变小的趋势，则下列判断中正确的是( )
A．B和C可能都是固体B．B和C一定都是气体
C．若C为固体，则B一定是气体D．B和C不可能都是气体
答案 C
解析 正反应吸热，升温，平衡右移。若B、C都为固体，则气体的相对分子质量不变，故A错误；若C为固体，B为气体，平衡右移，气体的总质量减小，总物质的量不变，气体的平均相对分子质量减小，故B错误、C正确；若B、C都是气体，平衡右移，气体的总质量不变，总物质的量增加，则平均相对分子质量减小，故D错误。
考点二 多因素对化学平衡影响的分析
1.如图是可逆反应A＋2B⇌2C＋3D的化学反应速率与化学平衡随外界条件改变(先降温后加压)而变化的情况。由此可推断下列说法正确的是( )
A．正反应是放热反应B．D可能是气体
C．逆反应是放热反应D．A、B、C、D均为气体
答案 A
2．对可逆反应2A(s)＋3B(g) ⇌2C(g)＋2D(g) ΔHv逆
⑤加入催化剂，平衡向正反应方向移动
A．①② B．④ C．③ D．④⑤
答案 B
解析 ①A是固体，增大A的量对平衡无影响，错误；②升高温度，v正、v逆均应增大，但
v逆增大的程度大，平衡向逆反应方向移动，错误；③压强增大平衡逆向移动，但v正、v逆都增大，错误；④增大B的浓度，平衡向正反应方向移动，v正>v逆，正确；⑤加入催化剂，平衡不移动，错误。
3．已知反应：COCl2(g) ⇌CO(g)＋Cl2(g) ΔH>0，当反应达到平衡时，下列措施：①升温 ②恒容通入惰性气体 ③增加CO浓度 ④减压 ⑤加催化剂 ⑥恒压通入惰性气体，其中能提高COCl2转化率的是( )
A．①②④ B．①④⑥ C．②③⑤ D．③⑤⑥
答案 B
解析 ②恒容通入惰性气体，平衡不移动；③增加CO浓度，平衡左移，COCl2转化率降低；⑤加入催化剂，平衡不移动。
4.已知反应：3A(g)＋B(g) ⇌2C(g)＋2D(g) ΔH0
B．加入一定量Z，达新平衡后m(Y)减小
C．加入等物质的量的Y和Z，达新平衡后c(Z)增大
D．加入一定量氩气，平衡不移动
答案 C
解析 根据勒夏特列原理可知，升高温度，化学平衡向着吸热反应的方向移动，而c(Z)增大，说明平衡正向移动，故ΔH>0，A正确；加入一定量Z，Z的浓度增大，平衡逆向移动，故达新平衡后m(Y)减小，B正确；加入等物质的量的Y和Z，Z的浓度增大，平衡逆向移动，由于X、Y均为固体，故K＝c(Z)，达新平衡后c(Z)不变，C错误；加入一定量氩气，Z的浓度保持不变，故正、逆反应速率不变，平衡不移动，D正确。
3．反应X(g)＋Y(g) ⇌3Z(g) ΔH0。温度为T ℃时，该反应的平衡常数为K。下列说法正确的是( )
A．K越大，说明反应速率、CO2的平衡转化率越大
B．增大压强，平衡向逆反应方向移动，K减小
C．升高温度，反应速率和平衡常数K都增大
D．加入催化剂，能提高合成气的平衡产率
答案 C
解析 K越大，说明反应越完全，CO2的平衡转化率越大，但反应速率不一定越大，A错误；K只受温度影响，温度不变，则K不变，B错误；升高温度，活化分子百分数增大，反应速率增大，该反应ΔH>0为吸热反应，则升温平衡常数K增大，C正确；加入催化剂，只能改变反应速率，平衡不移动，则不能提高合成气的平衡产率，D错误。
实验原理
2NO2(g) ⇌N2O4(g) ΔH＝－56.9 kJ·ml－1
红棕色无色
实验步骤
实验现象
热水中混合气体颜色加深；冰水中混合气体颜色变浅
实验结论
混合气体受热时颜色加深，说明NO2浓度增大，即平衡向逆反应方向移动；混合气体被冷却时颜色变浅，说明NO2浓度减小，即平衡向正反应方向移动
①t1时刻，升高温度，v正′、v逆′均增大，但吸热反应方向的v逆′增大幅度大，则v逆′＞v正′，平衡向逆反应方向移动。
②t1时刻，降低温度，v正′、v逆′均减小，但吸热反应方向的v逆′减小幅度大，则v正′＞v逆′，平衡向正反应方向移动。
t1时刻，加入催化剂，v正′、v逆′同等倍数增大，则v正′＝v逆′，平衡不移动。
注意：一般说的催化剂都是指的正催化剂，即可以加快反应速率。特殊情况下，也可使用负催化剂，减慢反应速率。