化学反应速率与化学平衡

选择性必修 1 · 化学反应原理 第二章 平衡常数与平衡移动　从定性走向定量：用活化能和有效碰撞解释影响速率的因素，用平衡常数度量反应的限度、判断平衡移动的方向，再综合速率与平衡选择合成氨的生产条件。　必修阶段只定性地认识反应的快慢与限度，本章用活化能解释速率的变化，用平衡常数度量反应的限度并判断平衡移动的方向，再综合速率与平衡选择工业生产的条件。

第一节 化学反应速率　化学反应速率：v = Δc/Δt，严格地说是平均速率。　速率与化学计量数：各物质的速率之比等于计量数之比。　速率的测定：利用与浓度有关的可观测量。　温度对速率的影响：升高 10 ℃，速率通常增大为 2～4 倍。　基元反应：多数反应经过多个基元反应才能实现。　活化分子：能够发生有效碰撞的分子。　活化能：活化分子与反应物分子平均能量之差。　浓度与有效碰撞：单位体积内活化分子数增多。　温度与有效碰撞：活化分子的百分数增大。　催化剂与活化能：改变反应历程，降低活化能。

第二节 化学平衡　化学平衡状态：正、逆反应速率相等，组成不再改变。　动态平衡：平衡时正、逆反应仍在进行。　平衡常数：一定温度下是常数，通常只受温度影响。　平衡常数表达式：固体或液体纯物质一般不列入。　K 的大小：K 越大，反应进行得越完全。　浓度商：Q < K 时平衡向正反应方向移动。　平衡的计算：列出起始、变化、平衡三组浓度。　化学平衡的移动：由原有的平衡状态达到新的平衡状态。　浓度的影响：增大反应物浓度，平衡正向移动。　增大廉价原料的浓度：提高价格较高的原料的转化率。　压强的影响：加压使平衡向气体体积缩小的方向移动。　温度的影响：升温使平衡向吸热反应的方向移动。　催化剂与平衡：同等程度地改变正、逆反应速率。　勒夏特列原理：平衡向能够减弱这种改变的方向移动。

第三节 化学反应的方向　自发过程：水总是自发地从高处流向低处。　放热反应与方向：大多数放热反应可以自发进行。　自发的吸热反应：有些吸热反应也能自发进行。　熵：度量混乱的程度，符号为 S。　同一物质的熵：气态最大，液态次之，固态最小。　熵增的反应：许多自发反应是熵增的过程。　熵减的反应：有些熵减的过程也能自发进行。　焓变与熵变：判断方向要综合考虑焓变和熵变。　自由能的变化：ΔG < 0 时反应能自发进行。

第四节 化学反应的调控　合成氨反应的特点：可逆、放热、气体体积缩小。　速率与平衡的要求：升温加快反应，却使氨的含量降低。　压强的选择：一般采用 10 MPa～30 MPa。　温度的选择：一般采用 400～500 ℃。　铁触媒：在 500 ℃ 左右时活性最大。　分离与循环：液化分离出氨，原料气循环使用。　综合考虑：兼顾设备、安全、成本与环保。

实验 探究影响化学平衡移动的因素　FeCl₃ 与 KSCN 的反应：加入 Fe³⁺ 或 SCN⁻，红色加深。　加入铁粉：铁粉消耗 Fe³⁺，溶液颜色变浅。　K₂Cr₂O₇ 溶液：加碱变为黄色，再加酸变回橙色。　CuCl₂ 溶液：加热时平衡向正反应方向移动。　对照与变量控制：保留一份作对照，每次只改变一个条件。

常见题型 在 2 L 的密闭容器中通入 N₂ 和 H₂，发生反应 N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃，10 s 内用 H₂ 的浓度变化表示的反应速率为 0.12 mol/(L·s)。　用 N₂ 的浓度变化表示的反应速率为 ______ mol/(L·s)。　用 NH₃ 的浓度变化表示的反应速率为 ______ mol/(L·s)。　10 s 内 N₂ 的浓度减小了 ______ mol/L。　10 s 内消耗 N₂ 的物质的量为 ______ mol。

常见题型 对于一定条件下的某化学反应，用活化能和简单碰撞理论分析下列变化。（填「增多」「增大」「不变」或「降低」）　增大反应物浓度，单位体积内活化分子的数目 ______。　增大反应物浓度，反应物分子中活化分子的百分数 ______。　升高温度，反应物分子中活化分子的百分数 ______。　加入适宜的催化剂，反应的活化能 ______。

常见题型 某反应过程的能量变化如图所示。　反应过程 ______（填「a」或「b」）有催化剂参与。　该反应为 ______（填「放热」或「吸热」）反应。　该反应的反应热 ΔH = ______（用 E₁、E₂ 表示）。　催化剂 ______（填「能」或「不能」）改变该反应的反应热。

常见题型 在一定温度下，反应 A(g) + 3B(g) ⇌ 2C(g) 达到平衡，平衡时各物质的浓度分别为 c(A) = 2.0 mol/L、c(B) = 2.0 mol/L、c(C) = 1.0 mol/L。　该反应的平衡常数表达式为 K = ______。　该温度下，K = ______。　若升高温度时 K 增大，则该反应的正反应为 ______（填「放热」或「吸热」）反应。　该温度下某时刻 c(A)、c(B)、c(C) 都是 1.0 mol/L，此时 Q = ______，反应向 ______ 反应方向进行。

常见题型 在密闭容器中存在平衡 2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g)　ΔH = −56.9 kJ/mol（NO₂ 红棕色，N₂O₄ 无色）。　把盛有混合气体的烧瓶浸泡在热水中，红棕色 ______（填「加深」或「变浅」）。　升高温度，平衡向 ______（填「正」或「逆」）反应方向移动。　推动注射器的活塞使容积减小，平衡向 ______（填「正」或「逆」）反应方向移动。　加入催化剂，平衡 ______（填「移动」或「不移动」）。

常见题型 工业合成氨的反应为 N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)　ΔH = −92.4 kJ/mol。　工业上一般采用的温度为 ______ ℃，这时铁触媒的活性较大。　压强越大，平衡时氨的含量越高，但实际一般采用 10 MPa～30 MPa，原因是 ______。　把氨液化后及时分离出去，平衡向 ______（填「正」或「逆」）反应方向移动。　合成氨工业采用循环操作，主要是为了提高 ______ 的利用率。

拓展提高 CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) 在 830 ℃ 时的平衡常数是 1.0。如果反应开始时，一氧化碳和水蒸气的浓度都是 0.1 mol/L。　设 CO 的变化浓度为 x mol/L，平衡时 c(CO₂) = ______ mol/L。　由平衡常数列方程：x² = ______。　解得 x = ______。　一氧化碳的转化率为 ______。

拓展提高 在某温度下，将含有 H₂ 和 I₂ 各 0.10 mol 的气态混合物充入容积为 10 L 的密闭容器中，充分反应达到平衡后，测得 c(H₂) = 0.008 0 mol/L。　平衡时 c(HI) = ______ mol/L。　该温度下反应 H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) 的平衡常数 K = ______。　若起始时通入 H₂ 和 I₂(g) 各 0.20 mol，达到平衡时 c(H₂) = ______ mol/L。　后一种情况下，H₂ 的转化率为 ______。

拓展提高 在容积不变的密闭容器中，一定量的 SO₂ 与 O₂ 发生反应 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)。温度分别为 T₁ 和 T₂ 时，SO₃ 的体积分数随时间的变化如图所示。　T₁ ______ T₂（填「>」「<」或「=」）。　该反应的 ΔH ______ 0（填「>」「<」或「=」）。　若 T₁、T₂ 时的平衡常数分别为 K₁、K₂，则 K₁ ______ K₂。　为提高平衡时 SO₃ 的体积分数，可以 ______（填「升高」或「降低」）温度。

拓展提高 硫酸工业中，2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)　ΔH = −196.6 kJ/mol。图中表格列出了不同温度和压强下，反应达到平衡时 SO₂ 的转化率。　从理论上分析，为使 SO₂ 尽可能多地转化为 SO₃，应选择的条件是 ______。　实际生产中采用常压，原因是 ______。　实际生产中通入过量的空气，目的是 ______。　尾气中的 SO₂ 必须回收，原因是 ______。

拓展提高 判断下列过程的熵变与反应进行的方向。　冰熔化成水，体系的熵 ______（填「增大」或「减小」）。　HCl(g) + NH₃(g) = NH₄Cl(s) 的 ΔS ______ 0（填「>」或「<」）。　水凝结成冰的过程中，ΔH ______ 0，ΔS ______ 0（填「>」或「<」）。　某反应的 ΔH > 0、ΔS < 0，该反应 ______（填「能」或「不能」）自发进行。

选择性必修 1 · 化学反应原理 第三章 水溶液中的离子平衡　把化学平衡的观念用到水溶液：弱电解质的电离、水的电离、盐类的水解和难溶电解质的溶解都是可逆过程，可以用平衡常数定量描述，用平衡移动原理分析和调控。　第二章建立的平衡观念用到水溶液：弱电解质的电离、水的电离、盐类的水解和难溶电解质的溶解都是可逆过程，可以用平衡常数定量描述，用平衡移动原理分析和调控。

第一节 电离平衡　强电解质与弱电解质：能够全部电离的电解质是强电解质。　盐酸与醋酸的比较：浓度相同时，醋酸中的 c(H⁺) 小。　镁与盐酸、醋酸的反应：醋酸反应慢，最终压强基本相等。　电离平衡：电离与结合成分子的速率相等。　电离方程式：强电解质用等号，弱电解质用可逆号。　电离平衡的移动：氨水中加入 NH₄Cl，平衡向左移动。　电离常数：与温度有关，但随温度变化不大。　比较弱酸的强弱：电离常数越大，弱酸越易电离。　电离常数的计算：已电离的部分很少，可作近似处理。　多元弱酸：分步电离，Ka1 远大于 Ka2。　醋酸与碳酸的酸性：醋酸中滴加碳酸钠溶液，产生气泡。

第二节 水的电离和溶液的 pH　水的电离：水是一种极弱的电解质。　水的离子积：常温下 Kw 一般取 1×10⁻¹⁴。　温度与水的离子积：温度升高，水的离子积增大。　溶液的酸碱性：c(H⁺) 与 c(OH⁻) 的相对大小。　pH：pH 是 c(H⁺) 的负对数。　pH 试纸：广泛 pH 试纸可识别的差约为 1。　pH 计：又叫酸度计，可精密测量 pH。　土壤的 pH：不同作物适宜的土壤 pH 不同。　血液的 pH：正常范围是 7.35～7.45。　酸碱中和滴定：用已知浓度的酸测定碱的浓度。　滴定过程中 pH 的变化：接近终点时，pH 发生突变。　酸碱指示剂：在一定的 pH 范围内发生颜色变化。

第三节 盐类的水解　盐溶液的酸碱性：盐溶液不一定呈中性。　盐的类型：按生成盐的酸和碱的强弱分类。　盐类的水解：盐的离子与水电离出的离子结合。　NH₄Cl 溶液呈酸性：溶液中 c(H⁺) > c(OH⁻)。　CH₃COONa 溶液呈碱性：CH₃COO⁻ 与 H⁺ 结合成弱酸。　Na₂CO₃ 的水解：分两步进行，第二步程度很小。　电荷守恒：阳离子与阴离子所带电荷总数相等。　元素质量守恒：碳元素各种存在形式的浓度之和不变。　盐的性质：酸越弱，生成的盐水解程度越大。　温度的影响：水解吸热，加热促进水解。　浓度的影响：加水稀释，水解程度增大。　配制 FeCl₃ 溶液：先溶于较浓的盐酸，再加水稀释。　铝盐、铁盐净水：水解生成的胶体使悬浮颗粒沉降。　用 TiCl₄ 制备 TiO₂：加入大量水并加热，促使水解完全。

第四节 沉淀溶解平衡　难溶电解质：溶解度小于 0.01 g 的电解质。　沉淀溶解平衡：沉淀与溶解的速率相等。　沉淀完全：离子浓度小于 1×10⁻⁵ mol/L。　溶度积：与难溶电解质的性质和温度有关。　离子积与溶度积：Q > Ksp 时，溶液中有沉淀析出。　调节 pH 除去杂质：加氨水使 Fe³⁺ 转化为沉淀。　废水处理：用 Na₂S 除去 Cu²⁺、Hg²⁺。　沉淀的溶解：不断移去相应离子，沉淀溶解。　氢氧化镁溶于盐酸：Mg(OH)₂ 难溶于水，能溶于盐酸。　银盐沉淀的转化：AgCl 依次转化为 AgI、Ag₂S。　氢氧化镁转化为氢氧化铁：白色沉淀转化为红褐色沉淀。　沉淀转化的实质：溶解度小的转化为溶解度更小的。　锅炉水垢的处理：先转化为 CaCO₃，再用酸除去。　氟化物预防龋齿：氟磷灰石更难溶，更能抵抗酸。

实验 强酸与强碱的中和滴定　酸式滴定管与碱式滴定管：酸式滴定管不能盛装碱性溶液。　滴定前的准备：检漏、润洗、装液、调零。　赶出气泡：乳胶管向上弯曲，挤压玻璃球。　读数：视线与凹液面的最低处相平。　滴定终点：粉红色刚好变为无色，半分钟不变。　锥形瓶不用润洗：润洗会使待测液的量偏多。　绘制滴定曲线：以 NaOH 溶液的体积为横坐标。

实验 盐类水解的应用　FeCl₃ 晶体溶于水：溶液略显浑浊，加浓盐酸后变澄清。　铁盐、铝盐净水：加了铁盐、铝盐的浑水先变澄清。　制备氢氧化铁胶体：沸水中逐滴加入饱和 FeCl₃ 溶液。　热的纯碱溶液去油污：加热煮沸过的一支内壁更干净。

常见题型 在稀氨水中存在电离平衡 NH₃·H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻。　加入少量 NH₄Cl 固体，电离平衡向 ______（填「左」或「右」）移动。　通入少量 NH₃，电离平衡向 ______（填「左」或「右」）移动。　加入少量 NaOH 固体，溶液中 c(NH₄⁺) ______（填「增大」或「减小」）。　加水稀释，NH₃·H₂O 的电离程度 ______（填「增大」或「减小」）。

常见题型 已知 25 ℃ 时 CH₃COOH 的 Ka = 1.75×10⁻⁵，HCN 的 Ka = 6.2×10⁻¹⁰。　CH₃COOH 的电离方程式为 ______。　向醋酸中加入一定量盐酸，CH₃COOH 的电离常数 ______（填「增大」「减小」或「不变」）。　初始浓度为 0.010 mol/L 的醋酸达到电离平衡时，c(H⁺) ≈ ______ mol/L（保留两位有效数字）。　CH₃COOH 与 HCN 相比，酸性较强的是 ______。

常见题型 常温下，水的离子积 Kw = 1×10⁻¹⁴。　0.01 mol/L 盐酸的 pH = ______。　0.01 mol/L NaOH 溶液中 c(H⁺) = ______ mol/L。　pH = 3 的柠檬水中 c(OH⁻) = ______ mol/L。　100 ℃ 时纯水的 pH 约为 6，此时纯水呈 ______（填「酸」「碱」或「中」）性。

常见题型 判断下列盐溶液的酸碱性，并用盐类水解的原理解释。　NH₄Cl 溶液呈 ______（填「酸」「碱」或「中」）性。　KNO₃ 溶液呈 ______（填「酸」「碱」或「中」）性。　明矾溶液呈酸性，用离子方程式表示其原因：______。　用热的纯碱溶液清洗油污效果更好，因为升温使 CO₃²⁻ 的水解程度 ______（填「增大」或「减小」）。

常见题型 在一定温度下，向 AgCl 的悬浊液中滴入下列溶液（滴入溶液的体积忽略不计）。（填「增大」「减小」或「不变」）　滴入稀盐酸，c(Ag⁺) ______。　滴入 AgNO₃ 溶液，c(Cl⁻) ______。　滴入 Na₂S 溶液，AgCl 的质量 ______。　滴入稀盐酸后，AgCl 的 Ksp ______。

常见题型 用 0.103 2 mol/L HCl 溶液滴定 25.00 mL 未知浓度的 NaOH 溶液，以酚酞作指示剂，三次实验消耗 HCl 溶液的体积分别为 27.84 mL、27.83 mL、27.85 mL。　盛装 HCl 溶液应选用 ______（填「酸式」或「碱式」）滴定管。　三次消耗 HCl 溶液体积的平均值为 ______ mL。　待测 NaOH 溶液的浓度为 ______ mol/L。　到达滴定终点时，溶液由 ______ 色刚好变为无色，且半分钟内不变色。

拓展提高 一定温度下，冰醋酸加水稀释过程中溶液的导电能力变化如图所示。　加水前导电能力约为零，原因是 ______。　a、b、c 三点对应的溶液中，c(H⁺) 由小到大的顺序是 ______。　a、b、c 三点对应的溶液中，CH₃COOH 电离程度最大的是 ______ 点。　若使 b 点溶液中 c(CH₃COO⁻) 增大、c(H⁺) 减小，可加入 ______（填「NaOH 固体」或「浓硫酸」）。

拓展提高 常温下，取 pH = 3 的盐酸和醋酸各 1 mL。　两种溶液中的 c(H⁺)：盐酸 ______ 醋酸（填「>」「<」或「=」）。　溶质的物质的量浓度较大的是 ______。　各稀释至 100 mL，盐酸的 pH = ______。　稀释前的两种溶液分别与 NaOH 溶液恰好中和，消耗 NaOH 较多的是 ______。

拓展提高 在 0.1 mol/L Na₂CO₃ 溶液中：　CO₃²⁻ 第一步水解的离子方程式为 ______。　由电荷守恒，c(Na⁺) + c(H⁺) = ______。　由碳元素质量守恒，c(CO₃²⁻) + c(HCO₃⁻) + c(H₂CO₃) = ______ mol/L。　相同温度下，等浓度的 Na₂CO₃ 溶液的 pH ______（填「>」或「<」）NaHCO₃ 溶液的 pH。

拓展提高 已知 25 ℃ 时 Ksp(AgCl) = 1.8×10⁻¹⁰，Ksp(AgI) = 8.5×10⁻¹⁷，Ksp(Ag₂CrO₄) = 2.0×10⁻¹²。　向 AgCl 沉淀中滴加足量 KI 溶液，白色沉淀转化为 ______ 色沉淀。　该转化的离子方程式为 ______。　以 K₂CrO₄ 为指示剂用 AgNO₃ 溶液滴定 Cl⁻，Cl⁻ 恰好沉淀完全（浓度为 1.0×10⁻⁵ mol/L）时，c(Ag⁺) = ______ mol/L。　此时溶液中 c(CrO₄²⁻) = ______ mol/L。

拓展提高 用 0.100 0 mol/L NaOH 溶液滴定 20.00 mL 0.100 0 mol/L HCl 溶液，溶液的 pH 随 NaOH 溶液体积的变化如图所示。　恰好中和时消耗 NaOH 溶液的体积为 ______ mL。　NaOH 溶液的体积由 19.98 mL 变为 20.02 mL 时，pH 由 4.30 变为 9.70，这一变化叫做 pH 的 ______。　用酚酞作指示剂，到达终点时溶液由无色变为 ______ 色。　若碱式滴定管未用 NaOH 溶液润洗，测得 HCl 溶液的浓度偏 ______（填「高」或「低」）。

拓展提高 粗制 CuSO₄·5H₂O 晶体中常含有杂质 Fe²⁺。提纯时先加入少量 H₂O₂ 溶液，再调节溶液的 pH = 4。已知 25 ℃ 时 Ksp[Fe(OH)₃] = 2.8×10⁻³⁹，Ksp[Cu(OH)₂] = 2.2×10⁻²⁰，CuSO₄ 饱和溶液中 c(Cu²⁺) = 1.41 mol/L。　加入 H₂O₂ 溶液的目的是把 Fe²⁺ 氧化为 ______。　pH = 4 时，溶液中 c(OH⁻) = ______ mol/L。　此时溶液中 c(Fe³⁺) = ______ mol/L，Fe³⁺ 已沉淀完全。　此时 Q[Cu(OH)₂] ______ Ksp[Cu(OH)₂]（填「>」或「<」），Cu²⁺ 不会沉淀。