2014届高三化学一轮(精品)教案难点突破之泛等效平衡与能量变化结合的考题全析

2014届高三化学一轮（精品）教案：难点突破之泛等效平衡与能量变化结合的考题全析一、考情分析普通高中课程标准提出，化学要有利于学生形成严谨求实的科学态度；选修4《化学反应原理》要求学生探索化学反应的规律及其应用，描述化学平衡建立的过程，探究并解释温度、浓度和压强对化学平衡的影响，认识化学反应中能量转化的基本规律。在大学、中学教材并没有“等效平衡”的概念，但是称之为中学化学界的“化学思维的塔尖”却不为过。不少教师不惜额外花上3，4节课，只为让基础相对扎实的学生在解答化学平衡问题时“一览众山小”。这种独立的分析方法在爱创新的高考题中遇到了挑战，“化学平衡与能量变化”的综合考题渐成气候，如2013年高考的四川6题、山东12题、上海20题、江苏15题等。下面就教学实践谈谈“泛等效平衡与能量变化”结合的问题的解析模型和方法。二、等效平衡相关内涵剖析1、等效平衡定义：对同一可逆反应，在一定条件下（常见的为恒温恒容或恒温恒压），起始投料方式不同（从正、逆或中间等方向开始），若达到的化学平衡同种物质的百分含量均相同，这样的平衡状态互称为等效平衡。2、等效平衡的常见分类和状态：以如下反应为例：mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)（1）如果m+n≠p+q①恒温恒容：使用极限转化分析法，一边倒后相同起始物质的物质的量相等。达到平衡后各物质浓度相等，百分含量相等，体积没变化，压强没有变化，达到平衡后正逆反应速率相同。唯一不同的是根据投料方式的不同会导致反应热不同。②恒温恒压：一边倒后相同起始物质的物质的量之比相等。达到平衡后各物质浓度相等，百分含量相等，体积可有变化，压强没有变化，达到平衡后正逆反应速率相同。根据投料的量和方式的不同会导致反应热不同。（2）如果m+n=p+q③一边倒后相同起始物质的物质的量之比相等。恒温恒压的话，达到平衡后体积未必相等；恒温恒容的话，除了体积相等，达到平衡后各物质浓度、压强、正逆反应速率都可能不同。两种情况下反应热根据投料的量和方式的不同而不同。比较见下表1.表1反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)的等效平衡状态分析表ks5u等效平衡效果等效平衡分类反应分类反应条件（恒温）投料方式（一边倒后，相同物质）和原平衡相比形成不等效平衡的单一条件浓度压强正逆反应速率体积反应热同种物质的百分含量相同“一模一样”（1）①，②m+n≠p+q①恒容必须物质的量相等相等相等根据投料方式的不同而不同T变化，平衡移动。P和C变化，则看Q/K=1与否，不等则平衡发生移动“比例相同”②恒压物质的量之比相等即可未必相等根据投料的量和方式的不同而不同（2）③m+n=p+q恒容未必相等可同等程度变化相等3、等效平衡解题建模过程对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，按照①、②、③的投料方式进行反应，（1）恒温恒容下，则所能达到等效平衡的状态为：①=②≠③。③为①或②、④进行加压后的情况，对于这种△vg0的情况,压强增大,平衡向正方向移动,N2转化率升高。（2）恒温恒压下，则所能达到等效平衡的状态为：①=②=③。对于反应H2(g)+I2(g)2HI(g)按照⑤、⑥、⑦、⑧的投料方式进行反应，（3）恒温恒容下、恒温恒压下，则所能达到等效平衡的状态为：⑤=⑥=⑦=⑧。基于上面几种类型的建模过程，对照表1可进行分析能量变化等情况，再应用于解题。三、典例阐释1、建立等效平衡参照系，解答泛等效平衡题【例1（母题）】（人教版选修4P32.8）2.0molPCl3和1.0molCl2充入体积不变的密闭容器中，在一定条件下发生下述反应PCl3(g)+Cl2(g)PCl5(g)，达到平衡时,PCl5为0.4mol，如果此时移走1.0molPCl3和0.5molCl2,在相同温度下再达到平衡，PCl5的物质的量为（）。A.0.4molB.0.2molC.小于0.2molD.大于0.2mol，小于0.4mol④1molN23molH21molN23molH22molNH3②2molN26molH2③1molN23molH2①2molH22molI2⑥4molHI⑦1molH21molI2⑤2molHI⑧解析：此题属于恒温恒容，△Vg﹤0。移走后，相当于一开始就是1.0molPCl3和0.5molCl2在反应。若平衡不移动，PCl5为0.2mol。若用虚拟隔板将体积压缩为一半，则移走前后互为等效平衡。实际情况是要把隔板抽掉，压强变小，平衡左移，选C。解答过程的参照系是怎么选出来的呢？移走后投料物质一边倒，各物质成比例但只有原来的一半，达到的为不等效平衡。温度相同，两个平衡的K相等，列三行式分析，解方程可得PCl5的具体物质的量。当投料减半，且平衡不移动，则此时的平衡状态与初始的互为等效平衡，这个假设的“等效平衡”状态正是参照系，此情况下体积压缩为一半，实际情况是移走后体积没有被压缩，与移走前平衡相比压强变小。【例1（子题）】（2012·江苏化学卷14）温度为T时，向2.0L恒容密闭容器中充入1.0molPCl5，反应PCl5(g)PCl3(g)＋Cl2(g)经一段时间后达到平衡。反应过程中测定的部分数据见下表：t/s050150250350n(PCl3)/mol00.160.190.200.20下列说法正确的是C.相同温度下，起始时向容器中充入1.0molPCl5、0.20molPCl3和0.20molCl2，达到平衡前v(正)＞v(逆)D.相同温度下，起始时向容器中充入2.0molPCl3、2.0molCl2，达到平衡时，PCl3的转化率小于80%解析：选C。此反应初始平衡状态用三行式分析如下：PCl5(g)PCl3(g)＋Cl2(g)C0（mol/L）0.500C变（mol/L）0.10.10.1C平（mol/L）0.40.10.1C.先求得平衡常数K=（0.1）2/0.4=0.025，再求相同温度下，更换投料方式后的浓度商Qc=（0.1）2/0.5=0.02,Qc﹤K,相当于在原来的平衡基础上增大了反应物的浓度（原平衡状态即为参照系），正逆反应速率均增大，要达到新的平衡分子应减小，分母应增大，平衡向正反应方向移动，达到平衡前v(正)＞v(逆)。D.本题原平衡中PCl5的转化率为20%，采用一边倒的极限转化分析，若投料方式从逆向开始，则转化率为80%。先建立原容器体积的两倍的模型，可得等效平衡的参照系，再把容器压缩为原容器，则平衡向逆反应方向移动，PCl3的转化率应大于80%。2、化学平衡与能量变化结合的过渡问题例析【例2．1（母题）】向体积不变的密闭容器中充入2molN2和6molH2，一定条件下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，平衡时混合气体共7mol。令a、b、c分别代表N2、H2、NH3起始加入的物质的量，维持温度不变，使达到平衡时各成分的百分含量不变。则：(1)若a＝0，b＝0，则c＝；(2)若a＝0.7，b＝2.1，则：①c＝②这时反应向进行；③若要维持反应开始时即向该反应方向进行，c的取值范围是；(3)欲使起始反应维持向正方向进行，则b的取值范围是。解析：根据题意，可以列三行式求得达到平衡时平衡时各成分的物质的量，设平衡时N2转化了xmol，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)n0（mol）260n变（mol）x3x2xn平（mol）2－x6－3x2x依题意：(2－x)＋(6－3x)＋2x＝7，x＝0.5。该题属于恒温恒容，△Vg≠0，一边倒后跟起始投料量完全一致时才能够达到等效平衡。可利用极限转化（极转）的思维进行分析。N2＋3H22NH3n（原始投料/mol）260n（其他投料/mol）abcn（等效平衡投料/mol）a+c/2=2b+3c/2=60n（平衡投料/mol）1.54.51n（逆向投料/mol）004解得（1）c＝4；(2)①c＝2.6，②起始量5.4mol(0.7mol＋2.1mol＋2.6mol)﹤7mol，向生成气体更多物质的量的逆向进行。③为了维持反应开始向逆向进行，c：1c≤4。（3）b：4.5b≤6。【例2.2】题干除体积可变外，同例2.1（母题）：(1)若a＝0，b＝0，则c＝；若a＝0.7，b＝2.1，c＝；（2）若初始投入量为a＝1，b＝4，能否达到跟上述平衡的等效平衡状态？解析：此题为恒温恒压，由于体积可变，只需要起始投入量一边倒后等比例即可达到等效平衡。这两个平衡状态各种物质的浓度相等，容器的体积和原平衡的体积成倍数关系。（1）c均为任意值。（2）不能。【例2.1(子题)】结合能量变化考虑,设例2.1母题（恒温恒容）中反应的焓变为△H，设完全反应放热Q。根据题意用三行式求得转化率，N2和3H2均为25%，所以放热25%Q。结合反应速率考虑,设两分钟达到平衡，若投料比为（1）1.5molN2、4.5molH2和1mol的NH3，则反应热为0，达到平衡需要的时间为0，v正=v逆（选填＝、＜或＞）。（2）0molN2、0molH2和4mol的NH3，则反应热为吸热75%Q,达到平衡需要的时间为两分钟，达到平衡后v正（N2）为与起始投料方式达到的平衡相比，相等。3、泛等效平衡与能量变化结合的问题例析【例3】（2012·天津6）已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)；ΔH＝－197kJ·mol－1。向同温、同体积的三个密闭容器中分别充入气体：(甲)2molSO2和1molO2；(乙)1molSO2和0.5molO2；(丙)2molSO3。恒温、恒容下反应达平衡时，下列关系一定正确的是（）A．容器内压强P：P甲＝P丙2P乙B．SO3的质量m：m甲＝m丙2m乙C．c(SO2)与c(O2)之比k：k甲＝k丙k乙D．反应放出或吸收热量的数值Q：Q甲＝Q丙2Q乙解析：此题选B。恒温恒容，△Vg≠0，投料要一边倒后相等才是等效平衡，甲、丙属于此类，只是能量变化完全相反。隐含的关系为lQ甲l+lQ丙l=197，转化率不一定为50%，所以Q甲不一定等于Q丙，D错，而平衡时m甲＝m丙是正确的。把甲装置用虚拟隔板均分两部分，其中一部分可作为参照系，之与乙的投料方式互为等效平衡，可见乙容器的真实状态是体积增大，压强变小，平衡向生成更多的气体即逆向移动。如果平衡不移动则SO3的质量：m甲=2m乙，实际m甲2m乙，B对；若不移动压强：P甲=2P乙，实际P甲＜2P乙，A错；c(SO2)与c(O2)之比k：因为投料比和变化都正好成比例，所以不管什么反应状态下，都有k甲＝k丙=k乙，C错。【练1】有甲、乙两个完全相同的容器，发生反应A(g)+2B(g)=2C(g)，向甲容器中加入1molA(g)和4molB(g)，在一定条件下达到平衡时的热效应（吸热或放热）为Q，在相同条件下向乙容器中加入2molC(g)和2molB(g)，达到平衡时的热效应（放热或吸热）为4Q。则甲容器中B的转化率为。解析：恒温恒容，两个等效平衡状态。A(g)+2B(g)=2C(g)△Hn甲（mol）140IQIn乙（mol）022I4QIn乙（极转）（mol）140对比例2.1(子题)和例3的D，可见此题隐含的关系式为，1molA和2molB完全反应的热量变化为I5QI，所以甲中α（B）=α（A）╳（1/2）=（Q/5Q）╳100%╳（1/2）=10%。【例4】（2013·江苏·15）一定条件下存在反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，其正反应放热。现有三个相同的2L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器I、II、III，在I中充入1molCO和1molH2O，在II中充入1molCO2和1molH2，在III中充入2molCO和2molH2O，700℃条件下开始反应。达到平衡时，下列说法正确的是A.容器I、II中正反应速率相同B.容器I、III中反应的平衡常数相同C.容器I中CO的物质的量比容器II中的多D.容器I中CO的转化率与容器II中CO2的转化率之和小于1解析：此题选CD。属于恒容不恒温，△Vg=0，容易错误地套用上述常规分类进行分析错答为AB。不过仍然可以用建立“等效平衡参照系