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专题十四 化学反应速率与化学平衡


2014-2015 扶沟高中高三化学复习学案

化学反应速率与化学平衡学案
编审:梁凌艳 龚潇楠 时间:2014/11/9

【考纲定位】
1、化学反应速率的定义及影响化学反应速率的因素。 2、化学平衡状态的建立,影响化学平衡移动的因素。 3、勒夏特列原理及化学平衡的应用。 4、化学平衡常数的表达式,运用化学平衡常数解释

反应进行程度及平衡移动方向。 5、化学反应进行的方向及判断。

主干知识梳理
一、化学反应速率 1、定义:单位时间内反应物浓度的 或生成物浓度的 2、表达式:υ(B)= = 3、单位:_________________ 4、注意:①浓度变化只适应于气体和溶液中的溶质,不适用于 和 ②化学反应速率是某段时间内的 反应速率,而不是 ,且计算时取正值。 ③同一反应用不同的物质表示反应速率时,数值可能不同,但意义相同 , 不同物质表示的反应 速率之比等于 之比。 ④化学反应速率是指净速率,即正逆反应速率之差。 二、影响化学反应速率的因素 1、内因(主要因素) :参加反应物质的________________ 2、外因(次要因素) : ① 浓度对反应速率的影响: 其他条件不变时,增大反应物的浓度一般可 _______ 反应速率,改变固体或纯液体的量对反 应速率______。对于可逆反应,增加反应物的浓度,υ (正)急剧_____,υ (逆)逐渐_____。 ② 压强对化学反应速率的影响: 对于有 参加的化学反应,若其他条件不变,增大压强,反应速率 ;减小压强, 反应速率 。 a.恒容时:充入气体反应物→ 反应速率 ; 充入“无关气体” (如惰性气体或不参加反 应的气体等)→反应速率 。 b.恒压时:充入“无关气体” (如惰性气体或不参加反应的气体等)→ 反应速率 。 ③ 温度对化学反应速率的影响: 无论是放热反应还是吸热反应,升温,υ (正)_______υ (逆)_______。 ④ 催化剂对化学反应速率的影响: a.催化剂是能______反应速率而在反应前后本身的________和____________不变的物质。 b.催化剂的催化机理: ,催化剂能_____程度 的改变正逆反应速率,但不能改变 ,不能提高反应物的 。 ⑤ 其他因素:光、电磁波、超声波、颗粒 、溶剂的 等。
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三、化学平衡状态及影响因素 1.化学平衡状态及特征 (1) 化学平衡状态是指在一定条件下的 ________ 反应,当反应物和生成物中各组分的百分含量 _____________的状态。 (2)特征 逆:研究对象是________反应。 动:动态平衡,反应仍在进行。 定:平衡后,各组分的浓度__________。 变:条件改变,平衡________。 等:υ(正)____υ(逆)____0(化学平衡的实质)。 2、化学平衡的影响因素 ①浓度 在其他条件不变的情况下,增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,都可以使平衡向着 ________方向移动;增大生成物的浓度或减小反应物的浓度,都可以使平衡向着 ________方 向移动。 注意:增加固体或纯液体的量,由于浓度不变,化学平衡不移动。 ②压强 对于有气体参加的可逆反应:其他条件不变时,缩小反应容器容积、增大压强,会使平衡向着 气体体积________的方向移动; 增大反应容器容积、 减小压强, 会使平衡向着气体体积________ 的方向移动。 ③温度 在其他条件不变的情况下,温度升高会使化学平衡向着________反应的方向移动,温度降低会 使化学平衡向着________反应的方向移动。 ④催化剂 由于催化剂对正、逆反应速率的影响程度是________的,始终保持____________________,所 以化学平衡____ 移动,但能________反应达到平衡状态所需的时间。 3.平衡移动原理(勒夏特列原理) (1)内容 如果________影响平衡的一个条件,平衡就向着能够________这种改变的方向移动。 (2)注意点 ① 影响平衡的因素,只讨论______、______、______三种。 ② 平衡移动的结果只能________,不可能________外界条件的变化。 四、化学平衡常数 1、概念 在________下,一个可逆反应达到______________时,生成物__________与反应物__________ 的比值是一个常数,用符号______表示。 2、表达式 对于一般的可逆反应 mA(g) + nB(g) pC(g) + qD(g) ,在一定温度下达到平衡时, K = ________________________。 3、意义及应用
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(1)K 值越大,正反应进行的程度________,反应物的转化率________。 K 值越小,正反应进行的程度________,反应物的转化率________。 (2)化学平衡常数是指某一具体反应方程式的平衡常数。 ① 若反应方向改变,则平衡常数改变。 ② 若方程式中各物质的计量数改变,则平衡常数 。 在使用平衡常数时要注意以下两点:(1)化学平衡常数只与 有关,与反应物生成物的浓 度无关。(2)反应物或生成物中有固体或纯液体存在时,由于其浓度是一个常数不代入公式。 五、化学反应进行的方向 1.自发过程 (1)含义 在一定条件下,不需要借助外力作用就能自动进行的过程。 (2)特点 ① 体系趋向于从_________状态转变为_________状态(体系对外部________或________热量)。 ② 在密闭条件下,体系有从________转变为________的倾向性(无序体系更加稳定)。 2.化学反应方向的判据 (1)焓判据 放热过程中体系能量________,ΔH____0,具有自发进行的倾向,但有些吸热反应也可以自 发进行,故只用焓变判断反应方向不全面。 (2)熵判据 ① 熵:量度体系________程度的物理量,符号为______。 ② 熵的大小:同种物质,三种状态下,熵值由大到小的顺序为__________________。 ③ 熵判据:体系的混乱度________,ΔS____0,反应有自发进行的倾向。但有些熵减的过程也 能自发进行,故只用熵变来判断反应方向也不全面。 3.焓变、熵变与反应方向 在温度、压强一定的条件下,化学反应方向是反应的________和________共同影响的结果,反 应方向的判据为________________。 当其值 即在温度、压强一定的条件下,反应总是向 ΔH-T?ΔS<0 的方向进行,直至达到平衡状态。

【活动探究】
1、工业上合成氨化学方程式的特点是什么?从化学平衡的角度出发其适宜条件是什么?

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2、根据下表中第一行的格式,完成待填内容并绘出②~⑧情况中 t1 后 υ′正和 υ′逆的变化趋势。 平 衡 平衡体系 条件变化 速率变化 速率变化曲线 变 化 正 υ(正)、υ(逆)均增大,且 υ 向 ①增大反应物的浓度 (正)>υ(逆) 移 动

②减小反应物的浓度 任一平衡体 系 ③增大生成物的浓度

④减小生成物的浓度

⑤增大压强或升高温度 正反应方向 为气体体积 增大的放热 反应

⑥减小压强或降低温度

任意平衡或 反应前后气 体化学计量 数和相等的 平衡

⑦正催化剂或增大压强

⑧负催化剂或减小压强

υ(正) 、υ(逆)同等倍数减小

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3、请填写下列表格 例举反应 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 是否平 衡状态

混合物体系中各成分的量

正反应速率与逆反应速率的关系

压强

①各物质的物质的量或各物质的物质的量分 数一定 ②各物质的质量或各物质的质量分数一定 ③各气体的体积或体积分数一定 ④总体积、总压强、总物质的量、总浓度一 定 ①在单位时间内消耗了 m mol A,同时生成 m mol A,即 υ(正)=υ(逆) ②在单位时间内消耗了 n mol B,同时消耗了 p mol C,则 υ(正)=υ(逆) ③υA∶υB∶υC∶υD=m∶n∶p∶q,υ(正) 不一定等于 υ(逆) ④在单位时间内生成 n mol B,同时消耗 q mol D,均指 υ(逆) ,υ 正不一定等于 υ(逆) ①若 m+n≠p+q,总压强一定(其他条件不 变) ②若 m+n=p+q,总压强一定(其他条件不 变) ① M 一定,m+n≠p+q ② M 一定,m+n=p+q 任何化学反应都伴随着能量变化,当体系温 度一定(其他条件不变) 密度一定 反应体系内有色物质的颜色不变,就是有色 物质的浓度不变 )

混合气体相对平均分子质量( M ) 温度 体系的密度(ρ) 颜色 【例 1】2NO2(g)

2NO(g)+O2(g),在容积固定的密闭容器中,达到平衡状态的标志是 (

① 单位时间内生成 n mol O2 的同时生成 2n mol NO2 ② 单位时间内生成 n mol O2 的同时生成 2n mol NO ③ 用 NO2、NO、O2 表示的反应速率的比为 2∶ 2∶ 1 的状态 ④ 混合气体的颜色不再改变的状态 ⑤ 混合气体的密度不再改变的状态 ⑥ 混合气体的压强不再改变的状态 ⑦ 混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
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A.① ④ ⑥ ⑦

B.② ③ ⑤ ⑦

C.① ③ ④ ⑤

D.全部

化学反应速率与平衡规律总结
一、化学平衡的移动 1.分析化学平衡移动的一般思路

2.化学平衡移动与化学反应速率的关系 (1)υ(正)>υ(逆) :平衡向正反应方向移动。 (2)υ(正)=υ(逆) :反应达到平衡状态。 (3)υ(正)<υ(逆) :平衡向逆反应方向移动。 3.特殊情况 (1)当反应混合物中存在与其他物质不相混溶的固体或液体物质时,由于其“浓度”是恒定的,不 随其量的增减而变化,故改变这些固体或液体的量,对平衡没影响。 (2)对于反应前后气态物质的化学计量数相等的反应,压强的变化对正、逆反应速率的影响程度 是等同的,故平衡不移动。 (3)“惰性气体”对化学平衡的影响。 ① 恒温、恒容条件 充入惰性气体 原平衡体系 ――→ 体系总压强增大―→体系中各组分的浓度不变―→平衡不移动。 ② 恒温、恒压条件 原平衡体系 倍数减小。 充入惰性气体 ――→ 容器容积增大,各反应气体的分压减小―→体系中各组分的浓度同

?体积不变反应 ――→ 平衡不移动 ——? ?体积可变反应 ? ――→ 平衡向气体体积增大的方向移动
(4)同等程度地改变反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。 4.注意点 移动的结果只是减弱了外界条件的变化, 而不能完全抵消外界条件的变化, 新平衡时此物理量更 靠近于改变的方向。如增大反应物 A 的浓度,平衡右移,A 的浓度在增大的基础上减小,但达
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到新平衡时,A 的浓度一定比原平衡大;同理,若改变的是温度、压强等,其变化也相似。 5、有关化学平衡的基本计算 (1)物质浓度的变化关系 反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度 生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓度 其中,各物质的转化浓度之比等于它们在化学方程式中物质的计量数之比。
反应物转化的物质的量(或质量、浓度) (2)反应的转化率(α ):α = 反应物起始的物质的量(或质量、浓度) ×100%

(3)在密闭容器中有气体参加的可逆反应,在计算时经常用到阿伏加德罗定律的两个推论: 恒温、恒容时: (4)计算模式( “三段式” ) 浓度(或物质的量) aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g) 0 dx dx ;恒温、恒压时:n1/n2=Υ 1/Υ2

起始 m n 0 转化 ax bx cx 平衡 m-ax n-bx cx A 的转化率:α (A)=(ax/m)×100% C 的物质的量分数:ω (C)= 【例 2】反应 2A(g)

×100%

B(g)+zC(g),在一定条件下达到新的平衡,密闭容器内压强增大 p%, ( D.4 pC(g) + qD(g) )

测得 A 的转化率为 p%,则 z 的值为 A.1 B.2 C.3 二、化学平衡常数

(1)平衡常数 K 的表达式:对于一般的可逆反应:mA(g) + nB(g) 当在一定温度下达到化学平衡时,该反应的平衡常数为:

K?

[c(C )] p ? [c( D)] q [c( A)] m ? [c( B )] n

注意:a. 在平衡常数表达式中, 反应物 A、 B 和生成物 C、 D 的状态全是气态, c(A)、c(B)、c(C)、 c(D)均为平衡时的浓度.b.当反应混合物中有固体或纯液体时,他们的浓度是一个常数,不写 入平衡常数的表达式中. 例如,反应在高温下 Fe3O4(s) + 4H2
K? [c( H 2 O)] 4 [c( H 2 )] 4
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3Fe(s) + 4H2O(g)

的平衡常数表达式为:

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c.平衡常数 K 的表达式与化学方程式的书写方式有关。 (2)平衡常数 K 值的特征: ①K 值的大小与浓度、压强和是否使用催化剂无关.即对于一个给定的反应,在一定温度下, 不论起始浓度(或压强)和平衡浓度(或压强)如何,也不论是否使用催化剂,达平衡时,平衡 常数均相同。 ②K 值随温度的变化而变化.对于一个给定的可逆反应,温度不变时,K 值不变(而不论反应 体系的浓度或压强如何变化);温度不同时,K 值不同.因此,在使用平衡常数 K 值时,必 须指明反应温度. (3)平衡常数表达式 K 值的意义: ①判断可逆反应进行的方向. 将某一时刻时的生成物的浓度用化学方程式中相应的化学计量数 为指数的乘积, 与某一时刻时的反应物的浓度用化学方程式中相应的化学计量数为指数的乘 积之比值,叫做浓度商,用 Q 表示.即:
[c(C )] p ? [c( D)] q ?Q [c( A)] m ? [c( B)] n

当 Q=K 时,体系达平衡状态;当 Q<K,为使 Q 等于 K,则分子(生成物浓度的乘积)应增 大,分母(反应物浓度的乘积 )应减小,因此反应自左向右(正反应方向)进行,直至到达平衡 状态;同理,当 Q>K 时,则反应自右向左(逆反应方向)进行,直至到达平衡状态. ②表示可逆反应进行的程度. K 值越大,正反应进行的程度越大,反应物的转化率越高;K 值越小,正反应进行的程度越 小,逆反应进行的程度越大,反应物的转化率越低. 三、反应物用量对平衡转化率的影响 (1)若反应物只有一种,如 aA(g) bB(g) + cC(g),则增加 A 的量,平衡向正反应方向移动, 但 A 的平衡转化率究竟如何变化,要具体分析反应前后气体体积的相对大小.如:①若 a= b+c,则 A 的转化率不变;②若 a>b+c,则 A 的转化率增大;③若 a<b+c,则 A 的转化率 减小. (2)若反应物不只一种,如 aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g).则: ①若只增加反应物 A 的量,平衡向正反应方向移动,则反应物 B 的转化率增大 A 的转化率减 小。 ②若按原比例同倍数地增加反应物 A 与 B 的量,A、B 的转化率的变化有以下三种情况: a.当 a+b=c+d 时,A、B 的转化率都不变; b.当 a+b>c+d 时,A、B 的转化率都增大; c.当 a+b<c+d 时,A、B 的转化率都减小. 四、等效平衡 等效平衡有两种类型:mA(g)+ nB(g) pC(g)+ qD(g) : Ⅰ类恒温恒容:①若 m + n ? p + q,只要“极限转换”后,与原起始物质的物质的量(或浓度)相 等,就可以达到相同平衡状态。②若 m + n = p + q,只要“极限转换”后,对应物质的物质的量 之比相等,就可达到相同的平衡状态。 Ⅱ类恒温恒压:只要“极限转换”后,对应物质的物质的量之比相等,可达到相同的平衡状态。
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【例 3】在一恒定的容器中充入 2molA 和 1molB 发生反应:2A(g) + B(g)

xC(g) ,达到

平衡后,C 的体积分数为ω %;若维持容器的容积和温度不变,按起始物质的量 A:0.6mol、 B:0.3mol、C:1.4mol 充入容器,达到平衡后,C 的体积分数仍为ω %,则 x 值为( )

A、只能为 2 B、只能为 3 C、可能是 2,也可能是 3 D、无法确定 五、 化学平衡的图像 解题策略: (1)首先要看清楚横轴和纵轴意义(特别是纵轴。表示转化率和表示反应物的百分含量情况就完全 相反)以及曲线本身属等温线还是等压线。(当有多余曲线及两个以上条件时,要注意“定一议 二”) (2)找出曲线上的特殊点,并理解其含义。(如“先拐先平数值大”) (3)根据纵轴随横轴的变化情况,判定曲线正确走势,以淘汰错误的选项。 1、速率—时间图 此类图象定性地揭示了 υ(正) 、υ(逆)随时间(含条件改变对速率的影响)而变化的规律, 体现了平衡的“动、等、定、变”的基本特征,以及平衡移动的方向. 【例 4】对达到平衡状态的可逆反应 X+Y Z+W,在其他条件不变 的情况下,增大压强,反应速率变化图象如图 1 所示,则图象中 关于 X、Y、Z、W 四种物质的聚集状态为( ) A.Z、W 均为气体,X、Y 中有一种是气体 B.Z、W 中有一种是气体,X、Y 皆非气体 C.X、Y、Z、W 皆非气体 D.X、Y 均为气体,Z、W 中有一种为气体 2、浓度(或物质的量)—时间图 此类图象能说明各平衡体系组分(或某一成分)在反应过程中的变化情况.解题时要注意各物 质曲线的折点(达平衡时刻) ,各物质浓度变化的内在联系及比例符合化学方程式中化学计量数 关系等情况. 【例 5】500℃、20Mpa 时,将 H2 和 N2 置于一容积为 2L 的密闭容器中发生反应。 反应过程中 H2、N2 和 NH3 物质的量变化如图所示,下列说法正确的是 ( ) A.反应开始到第一次平衡时,N2 的平均反应速率为 0.005mol/(L·min) B.从曲线变化可以看出,反应进行至 25min 时,分离出 0.2mol 的氨气 C.从曲线变化可以看出,反应进行到 10min 至 20min 时可能是使用了 催化剂 D. 在 25min 时平衡正向移动但达到新平衡后 NH3 的体积分数比原平衡小 3、含量—时间—压强(温度)图 这类图象反映了反应物或生成物的量在不同温度 (压强) 下对时间的关系,
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解题时要注意一定条件下物质含量不再改变时,应是化学反应达到平衡的特征. 4、恒压(温)线 该类图象的纵坐标为物质的平衡浓度或反应物的转化率,横坐标为温度或压强. 5.速率—温度(压强)图 【例 6 】在容积不同的密闭容器内,分别充入同量的 N2 和 H2 ,在不同温度下,任其发生反应 N2+3H2 2NH3,并分别在 t 秒时测定其中 NH3 的体积分数, 绘图如右: (1)A,B,C,D,E 五点中,尚未达到化学平衡状态的点是_______。 (2)此可逆反应的正反应是______反应。 (放热、吸热) (3)AC 段的曲线是增函数,CE 段曲线是减函数,试从反应速率和平 衡角度说明理由。__________________________________ 【例 7】某化学科研小组研究在其他条件不变时,改变某一条件对 A2(g) +3B2(g) 2AB3(g)化学平衡状态的影响,得到如右图所

示的变化规律(图中 T 表示温度,n 表示物质的量),根据右图可 得出的判断结论正确的是 A.反应速率 a>b>c ( )

B.达到平衡时 A2 的转化率大小为:a>b>c D.b 点时,平衡体系中 A、B 原子数之比接近 1∶3

C.若 T2>T1,则正反应一定是放热反应

【例 8】臭氧是理想的烟气脱硝试剂,其脱硝反应为 2NO2(g)+O3(g) N2O5(g)+O2(g),若反应 在恒容密闭容器中进行,下列由该反应相关图像作出的判断正确的是 ( ) A B

升高温度,平衡常数减小 C

0~3 s 内,反应速率为υ (NO2)=0.2 mol· L D

-1

t1 时仅加入催化剂,平衡正向移动

达平衡时,仅改变 x,则 x 为 c(O2)

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【例 9】可逆反应:A2(?)+B2(?) 的变化如下图,下列叙述正确的 A.A2、B2 及 AB 均为气体,Q>0

2AB(?);Δ H=-Q kJ/mol,当温度和压强改变时 n(AB) ( )

B.AB 为气体,A2、B2 至少有一种为非气体,Q>0 C.AB 为气体,A2、B2 有一种为非气体,Q<0 D.AB 为固体,A2、B2 有一种为非气体,Q>0

化学反应速率与化学平衡学案答案
【主干知识梳理】
一、化学反应速率 -1 1、减少、增加 2、△c/△t 或△n/V△t 3、mol/(L?s)或 mol? (L?min) 4、固体、纯液体,平 均、瞬时速率,化学计量系数 二、影响化学反应速率的因素 1、本身性质 2、①增大、无影响、增大、增大②气体、增大、减小,增大、不变、减小; ③增大、增大 ④加快、质量、化学性质;催化剂通过参与反应,改变反应历程降低反应的活 化能来提高反应速率;同等、化学反应的平衡常数、转化率 ⑤大小、性质。 三、化学平衡状态及影响因素 1、可逆、保持不变,可逆、保持不变、移动、=、≠ 2、①正反应、逆反应②缩小、增大③吸热、放热④等同、υ (正)=υ (逆) 、不、缩短 3、(1)改变、减弱(2)浓度、压强、温度,减弱、抵消 四、化学平衡常数 1.一定温度 化学平衡状态 浓度幂之积 浓度幂之积 K

[c(C )]p ? [c( D)]q 2. [c( A)]m ? [c( B)]n
3.越大、 越大、 越小、 越小、改变、温度 五、化学反应进行的方向 1.高能量 低能量 做功 放出 有序 无序 2.(1)降低 < (2)混乱 S S(g)>S(l)>S(s) 增大 3.焓变 熵变 Δ H-TΔ S 能够 平衡 不能



【活动探究】
1、特点:反应物、生成物均为气体且正反应是气体体积减小、放热的可逆反应. 适宜条件:①温度为 500℃左右;②压强为 20Mpa~50MPa; ③使用以铁为主体的多成分催化剂(称为铁触媒).
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2、②υ

(正)、υ (逆)均减小,且 υ (逆)>υ (正)

逆向移动 逆向移动 正向移动

③υ (正)、υ (逆)均增大,且 υ (逆)>υ (正) ④υ (正)、υ (逆)均减小,且 υ (正)>υ (逆) ⑤υ (正)、υ (逆)均增大,且 υ (逆)>υ (正) ⑥υ (正)、υ (逆)均减小,且 υ (正)>υ (逆) ⑦υ (正)、υ (逆)同等倍数增大 ⑧平衡不移动 平衡不移动

逆向移动 正向移动

3、平衡、平衡、平衡、不一定平衡、平衡、平衡、不一定平衡、不一定平衡、平衡、不一定平衡、
平衡、不一定平衡、平衡、不一定平衡、平衡

【例题答案】
1、A 2、C 3、C 4、A 5、C 6、(1)A、B (2)放热 (3)AC:反应开始 υ(正)>υ(逆),反应向右进行生成 NH3。CE:已达平 衡,升温使平衡左移,NH3%变小 7、D 8、A 9、B

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