高考化學 熱點題型和提分秘籍 專題7_3 化學平衡常數(shù) 化學反應進行的方向(含解析)
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專題7.3 化學平衡常數(shù) 化學反應進行的方向 1.了解化學平衡常數(shù)的含義,能夠利用化學平衡常數(shù)進行簡單的計算。 2.了解化學反應速率和化學平衡的調控在生活、生產(chǎn)和科學研究中的重要作用。 熱點題型一 化學平衡常數(shù)及其應用 例1、(2015天津卷)某溫度下,在2 L的密閉容器中,加入 1 mol X(g)和2 mol Y(g)發(fā)生反應:X(g)+mY(g) 3Z(g)。平衡時,X、Y、Z的體積分數(shù)分別為30%、60%、10%。在此平衡體系中加入1 mol Z(g),再次達到平衡后,X、Y、Z的體積分數(shù)不變。下列敘述不正確的是( ) A.m=2 B.兩次平衡的平衡常數(shù)相同 C.X與Y的平衡轉化率之比為1∶1 D.第二次平衡時,Z的濃度為0.4 molL-1 【答案】D 【提分秘籍】 1.化學平衡常數(shù)的理解 (1)化學平衡常數(shù)只與溫度有關,與濃度、壓強和催化劑等均無關。 (2)在平衡常數(shù)表達式中:水(l)的濃度、固體物質的濃度均不寫,但是水蒸氣的濃度要寫。 (3)平衡常數(shù)表達式中各物質的濃度為平衡時的濃度,其書寫形式與化學方程式的書寫有關。 N2+3H22NH3,K=a,則有2NH3N2+3H2, K′=1/a;N2+H2NH3,K″=。 2.化學平衡常數(shù)的應用 (1)判斷、比較可逆反應進行的程度。 一般來說,一定溫度下的一個具體的可逆反應: K值 正反應進行 的程度 平衡時生成 物濃度 平衡時反 應物濃度 反應物 轉化率 越大 越大 越大 越小 越高 越小 越小 越小 越大 越低 一般地說,當K>105時,就認為反應基本進行完全了,當K<10-5時,認為反應很難進行。 (2)判斷反應反應進行的方向。 對于化學反應aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)的任意狀態(tài),濃度商:Q=,有: (3)計算反應物的轉化率。 ①表達式 對于化學反應:aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g),反應物A的轉化率為:α(A)=100%。 ②規(guī)律 A.同一反應的不同反應物,其轉化率可能不同;當按照化學計量數(shù)之比投入反應物時,反應物轉化率相同。 B.相同條件下,增大某一反應物的濃度,可增大另一反應物的轉化率,而增大濃度的反應物的轉化率會減小。 【舉一反三】 已知:反應①Fe(s)+CO2(g) FeO(s)+CO(g)的平衡常數(shù)為K1,反應②Fe(s)+H2O(g) FeO(s)+H2(g)的平衡常數(shù)為K2,不同溫度下K1、K2的值如下表所示: 溫度 K1 K2 973 K 1.47 2.38 1 173 K 2.15 1.67 (1)從表中數(shù)據(jù)可以推斷:反應①是________(填“吸”或“放”)熱反應。 (2)現(xiàn)有反應③CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g),寫出該反應的平衡常數(shù)K3的表達式:________________。 (3)根據(jù)反應①與②,可推導出K1、K2與K3之間的關系式。據(jù)此關系式及表中數(shù)據(jù),也能推斷出反應③是________(填“吸熱”或“放熱”)反應。欲使反應③在一定條件下建立的平衡向正反應方向移動,可采用的措施有________(填序號)。 A.縮小反應容器容積 B.擴大反應容器容積 C.降低溫度 D.升高溫度 E.使用合適的催化劑 F.減少CO的量 熱點題型二 化學平衡的計算方法——“三段式法” 例2、在一體積為1 L的密閉容器中,通入一定量的CO和H2O(g),在850 ℃發(fā)生反應:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0。CO和H2O(g)濃度變化如圖: (1)0~4 min的平均反應速率v(CO)=________mol/(Lmin)。 (2)850 ℃時,平衡常數(shù)K=________。 (3)850 ℃時,若向該容器中充入1.0 mol CO、3.0 mol H2O,則CO的平衡轉化率為______________。 【提分秘籍】 “三段式法”是有效解答化學平衡計算題的“萬能鑰匙”。解題時,要注意清楚條理地列出起始量、轉化量、平衡量,按題目要求進行計算,同時還要注意單位的統(tǒng)一。 1.計算步驟 (1)寫出有關化學平衡的反應方程式。 (2)確定各物質的起始量、變化量和平衡量。 (2)根據(jù)問題建立相應的關系式進行解答。 2.計算模式(“三段式法”) 具體可按下列模式進行計算:如mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),令A、B起始物質的量濃度分別為a molL-1、b molL-1,達到平衡后消耗A的物質的量濃度為mx molL-1。 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 起始(molL-1) a b 0 0 變化(molL-1) mx nx px qx 平衡(molL-1) a-mx b-nx px qx 相關計算: ① 平衡常數(shù):K=。 ②A的平衡轉化率:α(A)平=100%。 ③A的物質的量分數(shù): w(A)=100%。 ④混合氣體的平均密度:混=。 ⑤混合氣體的平均相對分子質量:=。 3.有關化學平衡計算的三點注意事項 (1)注意反應物和生成物的濃度關系:反應物:c(平)=c(始)-c(變);生成物:c(平)=c(始)+c(變)。 (2)利用④混=和⑤=計算時要注意m總應為氣體的質量, V應為反應容器的體積,n總應為氣體的物質的量。 (3)起始濃度、平衡濃度不一定呈現(xiàn)化學計量數(shù)比,但物質之間是按化學計量數(shù)反應和生成的,故各物質的濃度變化之比一定等于化學計量數(shù)比,這是計算的關鍵。 【舉一反三】 已知可逆反應:M(g)+N(g) P(g)+Q(g) ΔH>0,請回答下列問題: (1)在某溫度下,反應物的起始濃度分別為:c(M)=1 molL-1,c(N)=2.4 molL-1;達到平衡后,M的轉化率為60%,此時N的轉化率為________; (2)若反應溫度升高,M的轉化率________(填“增大”、“減小”或“不變”); (3)若反應溫度不變,反應物的起始濃度分別為:c(M)=4 molL-1,c(N)=a molL-1;達到平衡后,c(P)=2 molL-1,a=________; (4)若反應溫度不變,反應物的起始濃度為:c(M)=c(N)=b molL-1,達到平衡后,M的轉化率為________。 【解析】(1)M(g) + N(g) P(g)+Q(g) 始態(tài) 1 mol/L 2.4 mol/L 0 0 變化量 1 mol/L60% 1 mol/L60% 因此N的轉化率為:100%=25% (2)由于該反應的ΔH>0,即該反應為吸熱反應,因此升高溫度,平衡右移,M的轉化率增大。 (3)根據(jù)(1)可求出各平衡濃度:c(M)=0.4 mol/L c(M)=1.8 mol/L c(P)=0.6 mol/L c(Q)=0.6 mol/L 因此化學平衡常數(shù)K=== 熱點題型三 等效平衡 例3.在一固定容積的密閉容器中,保持一定溫度,在一定條件下進行反應A(g)+2B(g) 3C(g),已知加入1 mol A和3 mol B,且達到平衡后,生成a mol C。 (1)達到平衡時,C在混合氣體中的體積分數(shù)是________(用字母a表示)。 (2)在相同的實驗條件下,若加入2 mol A和6 mol B,達到平衡后,C的物質的量為________mol(用字母a表示),此時C在反應混合氣體中的質量分數(shù)________(填“增大”、“減小”或“不變”)。 (3)在相同實驗條件下,若改為加入2 mol A和8 mol B,若要求平衡后C在反應混合氣體中質量分數(shù)不變,則還應加入C________mol。 【提分秘籍】 1.等效平衡的含義 在一定條件下(恒溫恒容或恒溫恒壓),對同一可逆反應體系,起始時加入物質的物質的量不同,而達到化學平衡時,同種物質的百分含量相同。其實質是平衡的建立與反應途徑無關。 2.等效平衡原理 同一可逆反應,當外界條件一定時,反應無論從正反應開始,還是從逆反應開始,最后都能達到平衡狀態(tài)。其中平衡混合物中各物質的含量相同。 由于化學平衡狀態(tài)與條件有關,而與建立平衡的途徑無關。因而,同一可逆反應,從不同的狀態(tài)開始,只要達到平衡時條件(溫度、濃度、壓強等)完全相同,則可形成等效平衡。 3.分類及方法指導 (1)在等溫等容條件下,可逆反應:2A(g)+B(g) 3C(g)+D(g)起始物質的量如下表所示: A B C D 等效說明 ① 2 mol 1 mol 0 0 ①③⑤互為等效平衡。表現(xiàn)在達到平衡后各物質的物質的量、質量、體積、物質的量濃度、組分百分含量(物質的量分數(shù)、質量分數(shù)、體積分數(shù))相同 方法指導:等溫、等容條件下,對于左右氣相物質的化學計量數(shù)不等的可逆反應,改變起始時加入物質的物質的量,若按可逆反應化學計量數(shù)之比換算成同一半邊物質(一邊倒),其物質的量對應相同,則它們互為等效平衡(等量加料)。 (2)在等溫等容條件下,可逆反應:2A(g)+B(g) 3C(g)+D(s)起始物質的量如下表所示: A B C D 等效說明 ① 2 mol 1 mol 0 0 ①②③⑤互為等效平衡。表現(xiàn)在達到平衡后組分百分含量(物質的量分數(shù)、質量分數(shù)、體積分數(shù))相同 ② 4 mol 2 mol 0 0 ③ 1 mol 0.5 mol 1.5 mol 0.5 mol ④ 0 1 mol 3 mol 1 mol ⑤ 0 0 3 mol 1 mol 方法指導:等溫、等容條件下,對于左右氣相物質的化學計量數(shù)相等的可逆反應,改變起始時加入物質的物質的量,若按可逆反應計量數(shù)之比換算成同一半邊物質(一邊倒),其物質的量對應成比例,則它們互為等效平衡(等比加料)。 (3)在等溫等壓條件下,可逆反應2A(g)+B(g) 3C(g)+D(g)起始物質的量如下表所示: A B C D 等效說明 ① 2 mol 1 mol 0 0 ①②③⑤互為等效平衡。表現(xiàn)在達到平衡后各物質的物質的量濃度、組分百分含量(物質的量分數(shù)、質量分數(shù)、體積分數(shù))相同 ② 4 mol 2 mol 0 0 ③ 1 mol 0.5 mol 1.5 mol 0.5 mol ④ 0 1 mol 3 mol 1 mol ⑤ 0 0 3 mol 1 mol 方法指導:等溫、等壓條件下,對于任何有氣相物質參加的可逆反應,改變起始時加入物質的物質的量,若按可逆反應化學計量數(shù)之比換算成同一半邊物質(一邊倒),其物質的量對應成比例,則它們互為等效平衡(等比加料)。 4.等效平衡判斷“四步曲” 第二步,看,觀察可逆反應特點(物質狀態(tài)、氣體分子數(shù)),判斷反應是反應前后等氣體分子數(shù)的可逆反應還是反應前后不等氣體分子數(shù)的可逆反應;第二步,挖,挖掘題目條件,區(qū)分恒溫恒容和恒溫恒壓,注意密閉容器不等于恒容容器;第三步,倒,采用一邊倒法,將起始物質轉化成一邊的物質;第四步,聯(lián),聯(lián)系等效平衡判斷依據(jù),結合題目條件判斷是否達到等效平衡。 【舉一反三】 在恒溫恒容的密閉容器中,發(fā)生反應:3A(g)+B(g) xC(g)。Ⅰ.將3 mol A和2 mol B在一定條件下反應,達平衡時C的體積分數(shù)為a;Ⅱ.若起始時A、B、C投入的物質的量分別為n(A)、n(B)、n(C),平衡時C的體積分數(shù)也為a。下列說法正確的是( ) A.若Ⅰ達平衡時,A、B、C各增加1 mol,則B的轉化率將一定增大 B.若向Ⅰ平衡體系中再加入3 mol A和2 mol B,C的體積分數(shù)若大于a,可斷定x>4 C.若x=2,則Ⅱ體系起始物質的量應滿足3n(B)>n(A)+3 D.若Ⅱ體系起始物質的量滿足3n(C)+8n(A)=12n(B),則可判斷x=4 【答案】D 1.【2016年高考新課標Ⅰ卷】 (15分) 元素鉻(Cr)在溶液中主要以Cr3+(藍紫色)、Cr(OH)4?(綠色)、Cr2O72?(橙紅色)、CrO42?(黃色)等形式存在,Cr(OH)3為難溶于水的灰藍色固體,回答下列問題: (2)CrO42?和Cr2O72?在溶液中可相互轉化。室溫下,初始濃度為1.0 molL?1的Na2CrO4溶液中c(Cr2O72?)隨c(H+)的變化如圖所示。 ①離子方程式表示Na2CrO4溶液中的轉化反應____________。 ②由圖可知,溶液酸性增大,CrO42?的平衡轉化率__________(填“增大“減小”或“不變”)。根據(jù)A點數(shù)據(jù),計算出該轉化反應的平衡常數(shù)為__________。 ③升高溫度,溶液中CrO42?的平衡轉化率減小,則該反應的ΔH_________(填“大于”“小于”或“等于”)。 【答案】 (2)①2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O; ② 增大;1.01014 ;③小于; 2.【2016年高考浙江卷】(15分)催化還原CO2是解決溫室效應及能源問題的重要手段之一。研究表明,在Cu/ZnO催化劑存在下,CO2和H2可發(fā)生兩個平衡反應,分別生成CH3OH和CO。反應的熱化學方程式如下: CO2(g)+3 H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=-53.7kJmol-1 I CO2(g)+ H2(g) CO(g)+H2O(g)ΔH2 II 某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1:2.2,經(jīng)過相同反應時間測得如下實驗數(shù)據(jù): 【備注】Cat.1:Cu/ZnO納米棒;Cat.2:Cu/ZnO納米片;甲醇選擇性:轉化的CO2中生成甲醛的百分比 已知:①CO和H2的標準燃燒熱分別為-283.0kJmol-1和-285.8kJmol-1 ②H2O(l) H2O(g) ΔH3=44.0kJmol-1 請回答(不考慮溫度對ΔH的影響): (1)反應I的平衡常數(shù)表達式K= ;反應II的ΔH2= kJmol-1。 (2)有利于提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有 。 A.使用催化劑Cat.1 B.使用催化劑Cat.2 C.降低反應溫度 D.投料比不變,增加反應物的濃度 E.增大CO2和H2的初始投料比 (3)表中實驗數(shù)據(jù)表明,在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉化成CH3OH的選擇性有顯著的影響,其原因是 。 【答案】(1) +41.2 (2)CD (3)表中數(shù)據(jù)表明此時反應未達到平衡,不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同,因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響。 【解析】(1)根據(jù)平衡常數(shù)的公式,生成物的濃度冪之積與反應物濃度的冪之積的比值,書寫平衡常數(shù)為。已知熱化學方程式:a:CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H= -283.0kJmol-1 b:H2(g)+O2(g)=H2O (l)△H=-285.8kJmol-1 c: H2O(l)= H2O(g) ΔH3=44.0kJmol-1根據(jù)蓋斯定律分析,b-a+c即可得熱化學方程式為:CO2(g)+ H2(g) CO(g)+H2O(g)ΔH2=-285.8+283.0+44=+41.2 kJmol-1。(2)反應Ⅰ中A、使用催化劑,平衡不移動,不能提高轉化率,錯誤;B、使用催化劑,平衡不移動,不能提高轉化率,錯誤;C、降低反應溫度,平衡正向移動,提高二氧化碳的轉化率,正確;D、投料比不變,增加反應的濃度,平衡正向移動,提高二氧化碳的轉化率,正確;E、增大二氧化碳和氫氣的初始投料比,能提高氫氣的轉化率,二氧化碳的會降低,故錯誤。故選CD。(3)從表格數(shù)據(jù)分析,在相同的溫度下,不同的催化劑,相同的反應時間內,其二氧化碳的轉化率也不同,說明不同的催化劑的催化能力不同;相同催化劑不同的溫度,二氧化碳的轉化率不同,且溫度高的轉化率大,因為正反應為放熱反應,說明表中數(shù)據(jù)是未到平衡數(shù)據(jù)。所以答案為:表中數(shù)據(jù)表明此時反應未達到平衡,不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同,因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響。 1.(2015重慶理綜,7)羰基硫(COS)可作為一種糧食熏蒸劑,能防止某些昆蟲、線蟲和真菌的危害。在恒容密閉容器中,將CO和H2S混合加熱并達到下列平衡: CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g) K=0.1 反應前CO物質的量為10mol,平衡后CO物質的量為8mol。下列說法正確的是( ) A.升高溫度,H2S濃度增加,表明該反應是吸熱反應 B.通入CO后,正反應速率逐漸增大 C.反應前H2S物質的量為7mol D.CO的平衡轉化率為80% 【答案】C 2.氨是合成硝酸、銨鹽和氮肥的基本原料?;卮鹣铝袉栴}: 硝酸銨加熱分解可得到N2O和H2O。250℃時,硝酸銨在密閉容器中分解達到平衡,該分解反應的化學方程式為___________________________________________, 平衡常數(shù)表達式為________________________________; 若有1mol硝酸銨完全分解,轉移的電子數(shù)為________mol。 【答案】NH4NO3N2O↑+2H2O↑ K=c(N2O)c2(H2O) 4 解析 根據(jù)題意可寫出化學方程式,但應注意該反應為可逆反應;根據(jù)平衡常數(shù)定義,可得出K的表達式,注意硝酸銨為固體,不應列入平衡常數(shù)表達式中;NH4NO3的分解反應中,NO中氮元素的化合價從+5價降低至+1價,NH中氮元素的化合價從-3價升高至+1價,轉移4個電子,故有1molNH4NO3完全分解時轉移4mol電子。 3.乙苯催化脫氫制苯乙烯反應: (2)維持體系總壓p恒定,在溫度T時,物質的量為n、體積為V的乙苯蒸氣發(fā)生催化脫氫反應。已知乙苯的平衡轉化率為α,則在該溫度下反應的平衡常數(shù)K=________(用α等符號表示)。 (3)工業(yè)上,通常在乙苯蒸氣中摻混水蒸氣(原料氣中乙苯和水蒸氣的物質的量之比為1∶9),控制反應溫度600℃,并保持體系總壓為常壓的條件下進行反應。在不同反應溫度下,乙苯的平衡轉化率和某催化劑作用下苯乙烯的選擇性(指除了H2以外的產(chǎn)物中苯乙烯的物質的量分數(shù))示意圖如下: ①摻入水蒸氣能提高乙苯的平衡轉化率,解釋說明該事實______________。 ②控制反應溫度為600℃的理由是________。 (4)某研究機構用CO2代替水蒸氣開發(fā)了綠色化學合成工藝——乙苯二氧化碳耦合催化脫氫制苯乙烯。保持常壓和原料氣比例不變,與摻水蒸氣工藝相比,在相同的生產(chǎn)效率下,可降低操作溫度;該工藝中還能夠發(fā)生反應:CO2+H2===CO+H2O,CO2+C===2CO。新工藝的特點有________(填編號)。 ①CO2與H2反應,使乙苯脫氫反應的化學平衡右移 ②不用高溫水蒸氣,可降低能量消耗 ③有利于減少積炭 ④有利于CO2資源利用 【答案】(2)p或 (3)①正反應方向氣體分子數(shù)增加,加入水蒸氣稀釋,相當于起減壓的效果 ②600℃,乙苯的轉化率和苯乙烯的選擇性均較高。溫度過低,反應速率慢,轉化率低;溫度過高,選擇性下降。高溫還可能使催化劑失活,且能耗大 (4)①②③④ 【解析】(2)根據(jù)反應: 起始物質的量 n 0 0 改變物質的量 nαnαnα 平衡物質的量 (1-α)nnαnα 平衡時體積為(1+α)V 平衡常數(shù)K== 另外利用分壓也可以計算出:Kp=p (3)①正反應方向氣體分子數(shù)增加,摻入水蒸氣作稀釋劑,相當于降低反應體系的分壓,平衡正向移動,可以提高平衡轉化率;②由圖可知,溫度為600℃時,乙苯的平衡轉化率較大,苯乙烯的選擇性較高。 (4)①CO2與H2反應,H2濃度減小,使乙苯脫氫反應的化學平衡右移,正確;②不用高溫水蒸氣,可降低能量消耗,正確;③CO2能與碳反應,生成CO,減少積炭,正確;④充分利用CO2資源,正確。故選①②③④。 4.Bodensteins研究了下列反應: 2HI(g) H2(g)+I2(g) 在716K時,氣體混合物中碘化氫的物質的量分數(shù)x(HI)與反應時間t的關系如下表: t/min 0 20 40 60 80 120 x(HI) 1 0.91 0.85 0.815 0.795 0.784 x(HI) 0 0.60 0.73 0.773 0.780 0.784 ①根據(jù)上述實驗結果,該反應的平衡常數(shù)K的計算式為 _____________________________________________。 ②上述反應中,正反應速率為v正=k正x2(HI),逆反應速率為v逆=k逆x(H2)x(I2),其中k正、k逆為速率常數(shù),則k逆為________(以K和k正表示)。若k正=0.0027min-1,在t=40min時,v正=________min-1。 ③由上述實驗數(shù)據(jù)計算得到v正~x(HI)和v逆~x(H2)的關系可用下圖表示。當升高到某一溫度時,反應重新達到平衡,相應的點分別為______________(填字母)。 【答案】①?、趉正/K 1.9510-3?、跘點、E點 5.(2015全國卷Ⅱ,27)甲醇既是重要的化工原料,又可作為燃料,利用合成氣(主要成分為CO、CO2和H2)在催化劑作用下合成甲醇,發(fā)生的主要反應如下: ①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH1 ②CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2 ③CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH3 回答下列問題: (1)已知反應①中相關的化學鍵鍵能數(shù)據(jù)如下: 化學鍵 H—H C—O C≡O H—O C—H E/kJmol-1 436 343 1076 465 413 由此計算ΔH1=________kJmol-1;已知ΔH2=-58kJmol-1,則ΔH3=________kJmol-1。 (2)反應①的化學平衡常數(shù)K表達式為________;圖1中能正確反映平衡常數(shù)K隨溫度變化關系的曲線為______(填曲線標記字母),其判斷理由是______________________________________________。 圖1 圖2 (3)合成氣組成n(H2)/n(CO+CO2)=2.60時,體系中的CO平衡轉化率(α)與溫度和壓強的關系如圖2所示。α(CO)值隨溫度升高而________(填“增大”或“減小”),其原因是_________________________________; 圖2中的壓強由大到小為________,其判斷理由是________________。 【答案】(1)-99?。?1 (2)K= a 反應①為放熱反應,平衡常數(shù)數(shù)值應隨溫度升高變小 (3)減小 升高溫度時,反應①為放熱反應,平衡向左移動,使得體系中CO的量增大;反應③為吸熱反應,平衡向右移動,又使產(chǎn)生CO的量增大;總結果,隨溫度升高,使CO的轉化率降低 p3>p2>p1 相同溫度下,由于反應①為氣體分數(shù)減小的反應,加壓有利于提高CO的轉化率;而反應③為氣體分子數(shù)不變的反應,產(chǎn)生CO的量不受壓強影響。故增大壓強時,有利于CO的轉化率升高 反應①的正反應為氣體總分子數(shù)減小的反應,溫度一定時,增大壓強,平衡正向移動,CO的平衡轉化率增大,而反應③為氣體總分子數(shù)不變的反應,產(chǎn)生CO的量不受壓強的影響,因此增大壓強時,CO的轉化率提高,故壓強p1、p2、p3的關系為p1- 配套講稿:
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