第七章第二讲化学平衡状态.docx

第七章第二讲化学平衡状态.docx

《第七章第二讲化学平衡状态.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章第二讲化学平衡状态.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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）v（正），正、逆反应速率与原平衡时的速率不是连续的，平衡向逆反应方向移动，只能是升高温度。

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