一、化學反應速率與平衡在聯招化學中的分值權重
全國聯招化學中,化學反應速率與化學平衡約12-16分。選擇題常考速率大小比較、平衡狀態判斷、圖像識別,計算題常考平衡常數、轉化率、平衡濃度的計算,是理論部分區分度最高的板塊。
化學平衡的核心是“動態平衡”觀念:正逆反應速率相等、各物質濃度不變,但反應仍在進行。勒夏特列原理概括了外界條件改變時平衡移動的方向,平衡常數則從定量角度刻畫平衡狀態。抓住“速率”“平衡移動”“常數計算”三條線,本專題的學習就有序可循。
二、化學反應速率的概念與計算
化學反應速率用單位時間內反應物或生成物濃度的變化量來表示,公式v=Δc/Δt,單位常用mol/(L·s)或mol/(L·min)。反應速率是平均速率,不是瞬時速率。
同一反應中用不同物質表示的速率數值可能不同,但速率之比等於化學計量數之比。例如反應aA+bB=cC,則v(A):v(B):v(C)=a:b:c。這是計算和比較速率的常用工具。
速率計算的典型套路:給出某物質的起始濃度和某一時刻的濃度,先算該物質的速率,再根據計量數關係求其他物質的速率。注意固體和純液體的濃度視爲常數,不用於表示速率。
比較速率大小時,不能直接比較不同物質表示的數值,要轉化爲同一物質再比較,或比較各物質速率除以各自計量數所得的數值。數值越大,反應越快。
三、影響反應速率的因素
影響反應速率的因素分內因和外因。內因是反應物本身的性質,外因包括濃度、壓強、溫度、催化劑和接觸面積。
濃度:增大反應物濃度,單位體積內活化分子數增多,有效碰撞次數增多,反應速率加快。注意增大固體或純液體的量不影響速率,因爲濃度不變。
壓強:對有氣體參加的反應,增大壓強相當於增大氣體濃度,速率加快。壓強的改變只對氣體有顯著影響,對液體和固體影響很小。充入與反應無關的惰性氣體時,若容器體積不變則各物質濃度不變,速率不變;若容器體積變大則濃度減小,速率減慢。
溫度:升高溫度,分子能量增加,活化分子百分數增大,有效碰撞次數增多,速率加快。溫度每升高10℃,反應速率通常增大到原來的2-4倍。升溫對吸熱反應和放熱反應的速率都加快,只是加快的程度不同。
催化劑:催化劑通過降低活化能,提高活化分子百分數,從而加快反應速率。催化劑能同等程度改變正逆反應速率,不能使平衡移動。工業合成氨使用鐵觸媒作爲催化劑,就是利用了這個原理。
其他因素:增大接觸面積(如粉碎固體)、攪拌、光照等也能加快反應速率。生活中把煤塊粉碎後燃燒更旺,就是增大接觸面積的體現。
四、化學平衡狀態的建立與判斷
化學平衡狀態是指在一定條件下,可逆反應中正反應速率與逆反應速率相等,各組分濃度不再隨時間改變的狀態。化學平衡是動態平衡。
平衡狀態的判斷標誌分兩類。第一類是根本標誌:v正=v逆。注意必須用同一物質表示速率,且方向相反。如果不同物質表示的速率之比等於化學計量數之比且方向相反,也可以判斷平衡。
第二類是衍生標誌:各組分濃度不再改變。由此延伸出混合氣體顏色不變、密度不變、平均摩爾質量不變等標誌,但要注意前提條件。
要特別注意“不一定”的情況:恆容條件下混合氣體密度不變不一定平衡,因爲體積不變且氣體總質量不變時密度始終不變;全爲氣體且計量數相等的反應,總壓強不變不一定平衡,因爲壓強始終不變。
判斷平衡的標誌總結:是變量就判斷平衡,不是變量就不能判斷。某物理量在反應過程中發生改變,當它不再改變時說明達到平衡;某物理量在反應過程中始終不變,則不能作爲平衡標誌。
五、勒夏特列原理與平衡移動
勒夏特列原理:如果改變影響平衡的一個條件,平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動。注意是“減弱”而不是“抵消”,更不是“消除”。
濃度的影響:增大反應物濃度或減小生成物濃度,平衡向正反應方向移動;減小反應物濃度或增大生成物濃度,平衡向逆反應方向移動。工業上不斷移除生成物可以提高原料轉化率。
壓強的影響:增大壓強,平衡向氣體分子數減小的方向移動;減小壓強,平衡向氣體分子數增大的方向移動。若反應前後氣體分子數相等,則壓強改變不影響平衡移動,但會影響達到平衡的時間。
溫度的影響:升高溫度,平衡向吸熱反應方向移動;降低溫度,平衡向放熱反應方向移動。改變溫度時平衡一定移動,因爲正逆反應的速率改變程度不同。
催化劑的影響:催化劑同等程度加快正逆反應速率,平衡不移動,只改變達到平衡所需的時間。
惰性氣體對平衡的影響:恆溫恆容下充入惰性氣體,總壓增大但各物質濃度不變,平衡不移動;恆溫恆壓下充入惰性氣體,容器體積增大,各物質濃度減小,平衡向氣體分子數增大的方向移動。
六、平衡常數、轉化率與圖像分析
平衡常數K是達到平衡時生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值。K只隨溫度變化,不隨濃度、壓強、催化劑改變。K越大表示反應進行越完全。書寫K表達式時注意固體和純液體不寫入。
轉化率的計算:轉化率=已轉化量/起始量×100%。計算時用“三段式”(起始、轉化、平衡)列出各物質的物質的量或濃度,是化學平衡計算的標準格式。
三段式解題步驟:寫出反應方程式,列出起始量、轉化量、平衡量,根據已知條件列方程求解未知量,最後計算K或轉化率。
平衡圖像的類型:速率-時間圖、濃度-時間圖、轉化率隨溫度或壓強變化圖、百分含量隨條件變化的圖像。看圖方法:先看橫縱座標含義,再看曲線的變化趨勢,三看拐點和平衡點。
圖像題的解題口訣:先拐先平數值大。溫度越高或壓強越大,反應速率越快,先達到平衡,因此先出現拐點的曲線對應較高溫度或較大壓強。根據平衡後曲線的高低判斷平衡移動方向。
常見失分點:速率與計量數之比搞錯、固體純液體濃度寫進K表達式、壓強改變對液體濃度的影響誤判、平衡狀態判斷標誌混淆、升溫時認爲放熱反應速率減慢、圖像曲線走向與平衡移動方向對應錯誤、三段式單位不統一。
訓練建議:每天做2道速率或平衡選擇題,每週精做2道K值與轉化率計算題。把平衡圖像按“速率時間”“濃度時間”“條件轉化率”三類整理在筆記本上。近五年聯招化學真題中,勒夏特列原理的應用和平衡常數計算是兩大高頻考點,圖像題多結合工業生產流程出現。
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