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第七章第二讲化学平衡状态
第二讲 化学平衡状态
1.了解化学反应的可逆性及化学平衡的建立。
2.掌握化学平衡的特征。
3.能正确计算化学反应的转化率(α)。
4.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学平衡的影响,能用相关理论解释其一般规律。
5.了解化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
2016,卷甲27T
(1)
(2);
2016,卷乙27T
(2);
2016,卷丙27T
(2)(4);
2015,卷Ⅰ28T(4);
2015,卷Ⅱ27T(3);
2014,卷Ⅰ28T(3);
2014,卷Ⅱ26T
(2)(3)
可逆反应 化学平衡状态
[知识梳理]
一、可逆反应
1.定义:
在同一条件下既可以向正反应方向进行,同时又可以向逆反应方向进行的化学反应。
2.特点:
(1)二同:
①相同条件下;②正、逆反应同时进行。
(2)一小:
反应物与生成物同时存在,任一组分的转化率都小于100%。
3.表示:
在方程式中反应符号用“”表示。
二、化学平衡状态
1.概念:
一定条件下的可逆反应中,正反应速率与逆反应速率相等,反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持不变的状态。
2.特点
[自我检测]
1.向含有2molSO2的容器中通入过量氧气发生反应:
2SO2+O2
2SO3,充分反应后生成SO3的物质的量________2mol(填“<”“>”或“=”,下同),SO2的物质的量________0mol,转化率________100%。
答案:
< > <
2.(教材改编题)在一恒温、恒容的密闭容器中发生反应A(s)+2B(g)C(g)+D(g),当下列物理量不再变化时,能够表明该反应已达到平衡状态的是( )
A.混合气体的压强 B.混合气体的平均相对分子质量
C.A的物质的量浓度D.气体的总物质的量
解析:
选B。
因反应前后气体分子总数不变,故无论反应是否达到平衡状态,混合气体的压强和气体的总物质的量都不改变;A为固体,不能用来判断是否达到平衡状态;若反应正向移动,混合气体的质量增加,则混合气体的平均相对分子质量变大,反之变小,故混合气体的平均相对分子质量不变时说明反应达到平衡状态。
(1)可逆反应不等同于可逆过程。
可逆过程包括物理变化和化学变化,而可逆反应属于化学变化。
(2)化学反应的平衡状态可以从正反应方向建立,也可以从逆反应方向建立。
(3)化学反应达到化学平衡状态的正、逆反应速率相等,是指同一物质的消耗速率和生成速率相等,若用不同物质表示时,反应速率不一定相等。
(4)化学反应达到平衡状态时,各组分的浓度、百分含量保持不变,但不一定相等。
(2017·成都模拟)在一个密闭容器中用等物质的量的A和B发生反应:
A(g)+3B(g)2C(g),该反应达到平衡时,平衡混合气中A的体积分数为( )
A.50% B.60%
C.70%D.无法计算
[解析] 设起始和转化的A的物质的量分别为amol和bmol
A(g)+3B(g)2C(g)
起始(mol):
a a
反应(mol):
b 3b 2b
平衡(mol):
a-b a-3b 2b
混合气中A的体积分数为(a-b)÷(2a-2b)×100%=50%。
[答案] A
(1)如果将方程式中C的化学计量数改为1,则答案选什么?
(2)如果将A的体积分数改为A的转化率,则答案选什么?
答案:
(1)如果C的化学计量数改为1,则
A(g)+3B(g)C(g)
起始量(mol)a a 0
转化量(mol)b 3b b
平衡量(mol)a-ba-3b b
平衡混合气中A的体积分数为[(a-b)/(2a-3b)]×100%,无法计算,选D。
(2)A的转化率为
×100%,因此无法计算其转化率,选D。
从定性、定量两个角度考查可逆反应的特点
1.在已达到平衡的可逆反应2SO2+O2
2SO3中,充入由18O组成的氧气一段时间后,18O存在于下列物质中的( )
A.多余的氧气中
B.生成的三氧化硫中
C.氧气和二氧化硫中
D.二氧化硫、氧气和三氧化硫中
解析:
选D。
化学平衡是动态平衡,18O2的加入一定会与SO2结合生成含18O的SO3,同时含18O的SO3又会分解得到SO2和O2,使SO2中也含有18O,因此18O存在于SO2、O2、SO3这三种物质中。
2.在一定条件下发生反应:
3A(g)+2B(g)xC(g)+2D(g),在2L密闭容器中,把4molA和2molB混合,2min后达到平衡时生成1.6molC,又测得反应速率vB=0.2mol·L-1·min-1,则下列说法中正确的是( )
A.x=3
B.B的转化率为20%
C.平衡时气体压强是原来的0.94倍
D.达到平衡时A的浓度为1.4mol·L-1
解析:
选D。
反应的B的物质的量为0.2mol·L-1·min-1×2L×2min=0.8mol。
3A(g)+2B(g)xC(g)+2D(g)
起始4mol2mol00
反应1.2mol0.8mol1.6mol0.8mol
平衡2.8mol1.2mol1.6mol0.8mol
所以可以计算出:
x=4,B的转化率为40%,平衡时气体压强是原来的1.07倍,达到平衡时A的浓度为1.4mol·L-1。
化学平衡状态的判定
3.反应2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g)在恒温恒容密闭容器中进行,下列可作为判断其达到平衡状态的标志的是( )
①SO2和SO3的浓度相等
②SO2的质量分数保持不变
③容器中气体的压强保持不变
④SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等
⑤容器中混合气体的密度保持不变
⑥容器中气体的平均摩尔质量保持不变
⑦2v正(SO2)=v逆(O2)
⑧单位时间内生成nmolO2的同时消耗2nmolSO3
A.①②④⑤ B.②③⑦⑧
C.②③⑤⑥D.②③⑥
解析:
选D。
判断一个化学反应达到平衡状态依据的原则是“变量不变达平衡”。
①反应物和生成物的浓度不变时达到平衡状态,而不是浓度相等,错误;②SO2的质量分数是变量,不变时达到平衡状态,正确;③反应在恒容密闭容器中进行,且该反应是反应前后气体分子数发生变化的反应,故容器中气体的压强是变量,当压强不变时达到平衡状态,正确;④SO3的生成速率与SO2的消耗速率是同一个反应方向,一定相等,错误;⑤容器的容积固定,气体的质量固定,混合气体的密度是定量,错误;⑥反应前后气体的物质的量发生变化,而气体总质量不变,因此当容器内气体的平均摩尔质量保持不变时,一定达到平衡状态,正确;⑦正确的关系式为v正(SO2)=2v逆(O2),错误;⑧单位时间内生成nmolO2的同时消耗2nmolSO3,这个关系一直存在,与是否达到平衡无关,错误。
4.(2017·洛阳高三统考)在一定温度下,可逆反应A(g)+3B(g)2C(g)达到平衡的标志是( )
A.A、B、C的分子数之比为1∶3∶2
B.C的生成速率与A的生成速率相等
C.单位时间内生成nmolA同时生成3nmolB
D.A、B、C的浓度不再变化
解析:
选D。
当A、B、C的分子数之比为1∶3∶2时,反应不一定达到平衡状态,A项不符合题意;当C的生成速率是A的生成速率的2倍时,反应达到平衡状态,B项不符合题意;C项指的是同一反应方向,无论反应是否达到平衡状态,单位时间内生成nmolA,同时会生成3nmolB,C项不符合题意;当反应体系中各物质的浓度不再变化时,反应达到平衡状态,D项符合题意。
1.化学平衡状态的判断思路
(1)“逆向相等”
反应速率必须一个是正反应的速率,一个是逆反应的速率,且经过换算后同一种物质的消耗速率和生成速率相等。
(2)“变量不变”
如果一个量是随反应进行而改变的,当其不变时反应达到平衡状态;一个随反应进行保持不变的量,不能作为是否达到平衡状态的判断依据。
2.化学平衡状态的判断方法
以mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)为例:
类型
判断依据
平衡状态
混合物体系中各成分的含量
①各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定
平衡
②各物质的质量或各物质的质量分数一定
平衡
③各气体的体积或体积分数一定
平衡
正、逆反应速率的关系
①在单位时间内消耗了mmolA,同时生成mmolA
平衡
②在单位时间内消耗了nmolB,同时生成pmolC
不一定
③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q
不一定
④在单位时间内生成nmolB,同时消耗qmolD
不一定
压强
①m+n≠p+q时,总压强一定(其他条件一定)
平衡
②m+n=p+q时,总压强一定(其他条件一定)
不一定
平均相对分子质量(Mr)
①m+n≠p+q时,Mr一定
平衡
②m+n=p+q时,Mr一定
不一定
气体密度
①m+n≠p+q,恒温恒压时,密度保持不变
平衡
②m+n=p+q时,密度保持不变
不一定
③恒温恒容时,密度保持不变
不一定
温度
体系温度一定(其他条件一定)
平衡
颜色
反应体系内有色物质的颜色不再改变
平衡
极值思想在化学平衡状态中的应用
5.一定条件下,对于可逆反应X(g)+3Y(g)2Z(g),若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零),达到平衡时,X、Y、Z的浓度分别为0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.08mol·L-1,则下列判断正确的是( )
A.c1∶c2=3∶1
B.平衡时,Y和Z的生成速率之比为2∶3
C.X、Y的转化率不相等
D.c1的取值范围为0 解析: 选D。 X、Y平衡浓度之比为1∶3,转化浓度之比亦为1∶3,故c1∶c2=1∶3,A、C不正确;平衡时Y生成表示逆反应,Z生成表示正反应,且vY(生成)∶vZ(生成)应为3∶2,B不正确;由可逆反应的特点可知0 6.在密闭容器中进行反应: X2(g)+Y2(g)2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.2mol·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度可能是( ) A.Z为0.3mol·L-1 B.Y2为0.4mol·L-1 C.X2为0.2mol·L-1 D.Z为0.4mol·L-1 解析: 选A。 可设X2的转化量为x,然后根据三段式,将题中各选项中各物质的物质的量代入,计算出x的值是否合理,如果合理则就有可能,若不合理就不可能。 极端假设法确定可逆反应中各物质的浓度范围 采用极端假设法确定可逆反应中各物质的浓度范围,即假设反应正向或者逆向能够进行到底,从而求出各种物质浓度的最大值和最小值,从而确定各物质的浓度范围。 以第6题为例: 假设反应正向进行到底: X2(g)+Y2(g)2Z(g) 起始浓度/mol·L-1 0.1 0.3 0.2 改变浓度/mol·L-1 0.1 0.1 0.2 平衡浓度/mol·L-1 0 0.2 0.4 假设反应逆向进行到底: X2(g)+Y2(g)2Z(g) 起始浓度/mol·L-1 0.1 0.3 0.2 改变浓度/mol·L-1 0.1 0.1 0.2 平衡浓度/mol·L-1 0.2 0.4 0 平衡体系中各物质的浓度范围为0 该思想常用于等效平衡的“一边倒”计算。 化学平衡的移动 [知识梳理] 1.化学平衡移动的概念 可逆反应达到平衡状态以后,若反应条件(如温度、压强、浓度等)发生了变化,平衡混合物中各组分的浓度也会随之改变,从而在一段时间后达到新的平衡状态。 这种由原平衡状态向新平衡状态的变化过程,叫做化学平衡的移动。 2.化学平衡移动的过程 3.化学平衡移动与化学反应速率的关系 (1)v正>v逆: 平衡向正反应方向移动。 (2)v正=v逆: 反应达到平衡状态,平衡不移动。 (3)v正 平衡向逆反应方向移动。 4.借助图像,分析影响化学平衡的因素 若其他条件不变,改变下列条件对化学平衡的影响如下: 因素 任何反应 可逆反应 平衡移动方向 浓度 增大c(反应物),v加快;减少c(反应物),v减慢。 说明: (1)是c(反应物)而不是c(生成物); (2)纯固体、纯液体的浓度视为定值 增大c(反应物),v正立即增大,随后减小,v逆瞬时不变,随后增大,直至v正=v逆;增大c(生成物),v逆立即增大,随后减小,v正瞬时不变,随后增大,直至v正=v逆 压强 对有气体参与的反应,缩小容器体积,压强增大,v加快;扩大容器体积,压强减小,v减慢。 说明: (1)压强对v的影响,本质是对c(反应物)的影响,即p变化⇒c(反应物)变化⇒v变化。 (2)无气体参与的反应,压强变化对它们的浓度几乎无影响,可以认为v不变 对于有气体参加的可逆反应,增大压强,v正、v逆均增大;减小压强,v正、v逆均减小。 说明: 压缩体积,压强增大,所有气体浓度均增大,v正、v逆均增大,一般气体体积大的一方增大得快;同理,扩大体积,压强减小,v正、v逆均减小,气体体积大的一方减小得快 mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g) 温度 升高温度,v加快,降低温度,v减慢。 说明: 温度升高10℃,速率加快2~4倍 升高温度,v正、v逆均增大,吸热方向变化大;降低温度,v正、v逆均减小,吸热方向变化大 催化剂 正催化剂加快反应速率;负催化剂减缓反应速率 催化剂同等程度地改变可逆反应的正、逆反应速率 5.勒夏特列原理 如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。 [自我检测] 1.在密闭容器中进行下列反应CO2(g)+C(s)2CO(g) ΔH>0,达到平衡后,改变下列条件,则指定物质的浓度及平衡如何变化: (1)增加C,平衡________,c(CO)________。 (2)减小密闭容器体积,保持温度不变,则平衡__________________,c(CO2)________。 (3)通入N2,保持密闭容器体积和温度不变,则平衡______________,c(CO2)________。 (4)保持密闭容器体积不变,升高温度,则平衡__________________,c(CO)________。 答案: (1)不移动 不变 (2)向逆反应方向移动 增大 (3)不移动 不变 (4)向正反应方向移动 增大 2.已知一定条件下合成氨反应: N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4kJ·mol-1,在反应过程中,反应速率的变化如图所示,请根据速率的变化回答采取的措施。 t1____________________;t2____________________; t3____________________;t4____________________。 答案: 增大c(N2)或c(H2) 加入催化剂 降低温度 增大压强 3.对于任何一个化学平衡体系,采取以下措施,一定会使平衡发生移动的是( ) A.加入一种反应物 B.升高温度 C.增大平衡体系的压强 D.使用催化剂 解析: 选B。 因为所有化学反应都会伴随着能量变化,所以升高温度,化学平衡一定会移动。 (1)化学平衡发生移动的实质是正、逆反应速率不相等。 但正、逆反应速率发生变化,平衡不一定移动。 例如: 使用催化剂,正、逆反应速率均增加,但是增加后的速率仍然相等,所以平衡不发生移动。 (2)不要把v(正)增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有v(正)>v(逆)时,平衡才向正反应方向移动。 (3)不要把平衡向正反应方向移动与原料转化率的提高等同起来,当反应物总量不变时,平衡向正反应方向移动,反应物转化率提高;当增大一种反应物的浓度,使平衡向正反应方向移动时,只会使其他反应物的转化率提高。 对可逆反应2A(s)+3B(g)C(g)+2D(g) ΔH<0,在一定条件下达到平衡。 下列有关叙述正确的是( ) ①增加A的量,平衡向正反应方向移动 ②升高温度,平衡向逆反应方向移动,v(正)减小 ③压强增大一倍,平衡不移动,v(正)、v(逆)不变 ④增大B的浓度,v(正)>v(逆) ⑤加入催化剂,B的转化率提高 A.①② B.④ C.③D.④⑤ [解析] A是固体,其量的变化对平衡无影响;而增大B的浓度,正反应速率增大,平衡向正反应方向移动,v(正)>v(逆);升高温度,v(正)、v(逆)均增大,但v(逆)增大的程度大,平衡向逆反应方向移动;增大压强,平衡不移动,但v(正)、v(逆)都增大;催化剂不能使化学平衡发生移动,B的转化率不变。 [答案] B 对于某可逆反应2A(g)+B(g)C(g)+3D(? ),平衡时B物质的浓度为0.2mol/L,保持温度不变,将容器扩大到原体积的2倍,重新达到平衡时B物质的浓度为0.14mol/L,则D物质是气态还是非气态? 答案: 扩容至2倍,各物质浓度均减半,重新达到平衡时B物质的浓度为0.14mol/L,说明B的浓度比扩容时增大,则表示平衡向逆方向移动;压强减小,平衡将向气体体积增大的方向移动,说明化学方程式中气态物质化学计量数之和左边大于右边,则D物质为非气态。 判断化学平衡移动方向的思维模型 化学平衡移动方向的判断 1.(教材改编题)一定量的混合气体在密闭容器中发生反应: mA(g)+nB(g)pC(g),达到平衡时,维持温度不变,将气体体积缩小到原来的 ,当达到新的平衡时,气体C的浓度变为原平衡时的1.9倍,则下列说法正确的是( ) A.m+n>p B.m+n C.平衡向正反应方向移动 D.C的质量分数增加 解析: 选B。 当气体体积缩小到原来的 时,假设平衡未发生移动,则C的浓度为原平衡时的2倍,而事实上平衡发生了移动,平衡移动的结果是C的浓度变为原平衡时的1.9倍,则可认为由虚拟中间状态向逆反应方向发生了移动。 2.某温度下,在密闭容器中SO2、O2、SO3三种气态物质建立化学平衡后,改变条件对反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0的正、逆反应速率的影响如图所示: (1)加催化剂对反应速率影响的图像是________(填序号,下同),平衡________移动。 (2)升高温度对反应速率影响的图像是__________,平衡向________方向移动。 (3)增大反应容器体积对反应速率影响的图像是________________,平衡向________方向移动。 (4)增大O2的浓度对反应速率影响的图像是__________________,平衡向________方向移动。 解析: (1)加入催化剂,正、逆反应速率均增大,图像上应该出现“断点”,且应在原平衡的反应速率之上;催化剂使正、逆反应速率增大的倍数相同,则改变条件后的速率线应该平行于横坐标轴,图像为C。 (2)升高温度,正、逆反应速率均增大,图像上应该出现“断点”且应在原平衡的反应速率之上。 因题给反应的正反应放热,升温平衡逆向移动,所以v′正 (3)增大反应容器体积即减小压强,正、逆反应速率均减小,图像上应该出现“断点”且应在原平衡的反应速率之下。 因减小压强平衡逆向移动,所以v′正 (4)增大O2的浓度,正反应速率会“突然增大”,图像上出现“断点”且应在原平衡的反应速率之上,但逆反应速率应该在原来的基础上逐渐增大,图像为B。 答案: (1)C 不 (2)A 逆反应 (3)D 逆反应 (4)B 正反应 控制化学平衡移动方向措施的选择 3.(教材改编题)COCl2(g)CO(g)+Cl2(g) ΔH>0,当反应达到平衡时,下列措施: ①升温 ②恒容通入惰性气体 ③增加CO浓度 ④减压 ⑤加催化剂 ⑥恒压通入惰性气体,能提高COCl2转化率的是( ) A.①②④ B.①④⑥ C.②③⑤D.③⑤⑥ 解析: 选B。 该反应为气体体积增大的吸热反应,所以升温和减压均可以促使反应正向进行。 恒压通入惰性气体,相当于减压。 恒容通入惰性气体与加催化剂均对平衡无影响。 增加CO的浓度,将导致平衡逆向移动。 4.合成氨所需的氢气可用煤和水作原料经多步反应制得,其中的一步反应为CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0。 反应达到平衡后,为提高CO的转化率,下列措施中正确的是( ) A.增大压强B.降低温度 C.增大CO的浓度D.更换催化剂 解析: 选B。 A项,该反应为反应前后气体体积相等的反应,压强不影响平衡移动。 B项,正反应放热,降温平衡右移,CO的转化率增大。 C项,增大CO的浓度,CO的转化率减小。 D项,催化剂不影响平衡移动。 5.可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)是工业上合成氨的重要反应。 (1)根据图1请写出合成氨的热化学方程式: __________________________________________________________(热量用E1、E2或E3表示)。 (2)图1中虚线部分改变的化学反应中的条件是________________,该条件的改变与图2中________时刻条件的改变相同(用“t1~t6”表示)。 (3)图2中t3时刻改变的条件是____________,t5时刻改变的条件是________________。 解析: (1)根据图1可知,N2和H2反应生成1molNH3过程中放出的热量为(E3-E1)kJ,所以N2与H2反应生成NH3的热化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=2(E1-E3)kJ·mol-1。 (2)图1中虚线部分表示由反应物到达过渡态的过程中,所需能量减少,说明使用了催化剂,降低了活化能。 因为反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)为反应前后气体体积不相等的反应,在图2中,t2时刻改变条件,正、逆反应速率的改变程度相同,说明改变的外界条件只能是使用了催化剂。 (3)t3时刻改变条件,v(正)、v(逆)同时减小,且v(正) 答案: (1)N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=2(E1-E3)kJ·mol-1 (2)加催化剂 t2 (3)减小压强 升高温度 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
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