步步高学年高中化学 专题2 第二单元 第2课时 化学平衡状态学案 苏教版选修4.docx
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步步高学年高中化学专题2第二单元第2课时化学平衡状态学案苏教版选修4
第2课时 化学平衡状态
[学习目标定位] 1.了解化学反应的可逆性。
2.通过化学平衡状态的建立过程,知道化学平衡是一种动态平衡,理解并会判断化学平衡状态的标志。
1.在一定条件下的饱和溶液中,溶液中的固体溶质溶解和溶液中的溶质分子回到固体溶质表面的结晶过程一直进行,而且两种过程的速率相等,于是饱和溶液中的浓度和固体溶质的质量都保持不变,由此可知,固体物质的溶解过程是可逆过程。
可表示为
固体溶质溶解结晶溶液中的溶质。
2.对于大多数化学反应来说,在同一条件下既能发生反应物转变为生成物的正向反应,又能发生生成物转变为反
应物的逆向反应,这类反应属于可逆反应,而有些反应如H2在O2中燃烧生成H2O,而水在相同条件下则不能转变为H2和O2,这类反应称为不可逆反应。
判断下列反应,属于可逆反应的是①②⑤⑥⑦,属于不可逆反应的是③④⑧⑨。
①二氧化硫的催化氧化 ②氮气和氢气的化合
③水的电解 ④可燃物的燃烧 ⑤氨气溶于水
⑥氯气溶于水 ⑦二氧化硫和水的反应
⑧三氧化硫和水的反应 ⑨铁置换硫酸铜溶液中的铜
探究点一 化学平衡状态的建立与特征
下图是某可逆反应的反应物和生成物的浓度随时间的变化曲线和该可逆反应的正、逆反应速率随时间的变化曲线。
结合两图反映的信息,分析该可逆反应过程。
从图中可以看出:
反应开始前反应物的浓度为最大值,正反应速率也为最大值。
在反应物转化为生成物的一瞬间,逆反应也开始进行,随着反应的进行,正反应速率随着反应物浓度的下降而逐渐变小;逆反应速率随着生成物浓度的上升而逐渐变大。
当正反应速率与逆反应速率相等时,反应物的浓度和生成物的浓度不再改变,此时正、逆反应仍在进行,只要外界条件不变,反应物和生成物的浓度不再随时间而改变,这种状态称为化学平衡状态。
[归纳总结]
(1)化学平衡状态
在一定条件下的可逆反应里,当正、逆两个方向的反应速率相等时,反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持恒定的状态。
也就是在给定条件下,反应达到了最大“限度”,这种状态称为化学平衡状态,简称为化学平衡。
(2)化学平衡的特征
化学平衡的特征可以概括为逆、等、动、定、变,即:
①研究的对象是可逆反应。
②化学平衡的条件是v正和v逆相等。
③化学平衡是一种动态平衡,此时反应并未停止。
④当可逆反应达到平衡时,各组分的质量(或浓度)为一定值。
⑤若外界条件改变,平衡可能发生改变,并在新条件下建立新的平衡。
[活学活用]
1.在200℃时,将1molH2(g)和2molI2(g)充入到体积为VL的密闭容器中,发生反应:
I2(g)+H2(g)2HI(g) ΔH=-ckJ·mol-1
(1)反应刚开始时,由于c(H2)=________,c(I2)=____________,而c(HI)=__________,所以化学反应速率______________最大,而__________最小(为零)。
(2)随着反应的进行,反应混合物中各组分浓度的变化趋势为c(H2)__________,c(I2)________,而c(HI)__________,从而化学反应速率v正____________,而v逆____________。
(以上填“增大”、“减小”或“不变”)
(3)当反应进行到v正与v逆________时,此可逆反应就达到了平衡。
若保持外界条件不变时,反应混合物的总物质的量为__________mol。
此时放出的热量Q________ckJ(填“=”、“>”或“<”)。
答案
(1)
mol·L-1
mol·L-1 0 v正 v逆
(2)减小 减小 增大 减小 增大 (3)相等 3 <
解析
(1)根据c=
即可求出各自的浓度。
(3)该反应为等体积反应,反应前后物质的量不变,所以混合物总物质的量仍为3mol。
因为该反应为可逆反应,不可能进行完全,所以放出的热量小于ckJ。
探究点二 化学平衡状态的判断依据与方法
1.可逆反应达到平衡的重要特征(平衡的实质)是v正=v逆≠0。
在一定温度下,可逆反应A(g)+3B(g)2C(g)达到平衡的标志是②③④。
①单位时间内生成nmolA,同时生成3nmolB
②生成C的速率与C分解的速率相等
③A、B、C的浓度不再变化
④单位时间内生成nmolA,同时生成2nmolC
2.可逆反应达到平衡后,其平衡结果的标志是反应混合物中各组分的含量保持不变。
在一定温度下在容积恒定的密闭容器中,进行如下可逆反应:
A(s)+2B(g)C(g)+D(g)。
当下列物理量不发生变化时,能表明该反应已达到平衡状态的是②④。
①混合气体的总物质的量 ②B的物质的量浓度
③容器内气体的压强 ④混合气体的密度
[归纳总结]
化学平衡状态的判断
(1)判断依据
①正反应与逆反应速率相等
v正=v逆
a.对同一物质,该物质的生成速率等于它的消耗速率。
b.对不同物质,速率之比等于方程式中的化学计量数之比,但必须是不同方向的速率。
②反应混合物中各组分的百分含量保持不变。
可逆反应具备这两个依据之一(同时另一条件肯定也满足),则就达到了化学平衡状态,否则就没达到。
(2)判断方法
①对于m+n≠p+q的纯气体反应,恒温恒容下气体的总物质的量不变、总压强不变、平均相对分子质量不变和恒温恒压下气体的密度不变都可以说明反应达到了平衡状态。
②对于m+n=p+q的纯气体反应,不管是否达到平衡状态,气体总体积、总压强、总物质的量始终保持不变,从而平均摩尔质量(相对分子质量)、气体密度总保持不变(
r=m/n,ρ=m/V),因此这五项都不能作为判断反应是否达到平衡状态的依据。
③对于有固体或液体物质参与的反应,如aA(s)+bB(g)cC(g)+dD(g):
a.气体质量不变,达到平衡状态;
b.若b≠c+d,则n气、
气、p总、ρ不变均说明已达到平衡状态;
c.若b=c+d,则n气、p总不变不能判断是否达到平衡状态,
气、ρ不变能说明已达到平衡。
[活学活用]
2.可逆反应:
2NO22NO+O2在恒容的密闭容器中进行,达到平衡状态的标志是( )
①单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2
②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO
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
A.①④⑥⑦B.②③⑤⑦
C.①③④⑤D.全部
答案 A
解析 依据v正=v逆≠0判断:
①单位时间内生成nmolO2的同时必消耗2nmolNO2,①能说明反应已达平衡;②描述均是正方向,无法判断;③无论反应是否达平衡,均有此关系。
依据组成一定判断:
④NO2为有颜色的气体(红棕色),颜色不变能说明反应体系中NO2浓度一定,已达到平衡;⑤因ρ=
,反应前后,m、V均不变,ρ也不变,不能说明反应达到平衡;这是一个不等体反应,⑥⑦均能说明反应已达平衡。
3.一定温度下,在固定容积的密闭容器中,可逆反应:
mA(s)+nB(g)pC(g)+qD(g),当m、n、p、q为任意正整数时,下列状态:
①体系的压强不再发生变化,②体系的密度不再发生变化,③各组分的物质的量浓度不再改变,④各组分的质量分数不再改变,⑤反应速率vB∶vC∶vD=n∶p∶q,其中,能说明反应已达到平衡的是( )
A.③④B.②③④
C.①②③④D.①②③④⑤
答案 B
解析 若n=p+q,压强不变时,不能说明反应已达到平衡;根据ρ=
,随着反应的进行,m(气)变而V不变,故ρ是变量,当ρ不变时,反应已达到平衡。
1.模型法是化学中把微观问题宏观化的最常见方法,对于2HBr(g)H2(g)+Br2(g)反应,下列四个图中可以表示该反应在一定条件下为可逆反应的是( )
答案 C
解析 只有C项说明三种物质共存,是可逆反应。
2.在一密闭容器中进行反应:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)。
已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2mol·L-1、0.1mol·L-1、0.2mol·L-1。
当反应达到平衡时可能存在的数据是( )
A.SO2为0.4mol·L-1,O2为0.2mol·L-1
B.SO3为0.25mol·L-1
C.SO2、SO3均为0.15mol·L-1
D.SO3为0.4mol·L-1
答案 B
解析 A项数据表明,题中0.2mol·L-1的SO3完全转化成了SO2和O2,即平衡时,c(SO3)=0,这是不可能的;B项说明在题给浓度的基础上又有0.05mol·L-1SO2和0.025mol·L-1O2反应生成0.05mol·L-1SO3,这是可能的;C项数据表明SO2、SO3的浓度都在原浓度基础上减少了0.05mol·L-1,这也是不可能的;D项数据说明SO2完全转化成了SO3,即平衡时c(SO2)=0,c(O2)=0,这也是不可能的。
3.恒温恒容条件下,发生化学反应H2(g)+I2(g)2HI(g),下列选项中不能作为达到平衡的标志的是( )
A.混合气体颜色不再变化
B.单位时间内生成nmol氢气的同时生成nmol碘蒸气
C.若该反应在隔热密闭体积恒定的容器中进行反应,体系的温度不再变化
D.2v正(H2)=v逆(HI)
答案 B
解析 单位时间内生成nmolH2是逆反应,生成nmolI2(g)也是逆反应,故无法判断反应是否达平衡。
4.对于恒容密闭容器中发生的可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,能说明反应达到化学平衡状态的为( )
A.断开一个N≡N键的同时有6个N—H键生成
B.混合气体的密度不变
C.混合气体的平均相对分子质量不变
D.N2、H2、NH3分子数比为1∶3∶2的状态
答案 C
解析 断开N≡N键与生成N—H键是同一个反应方向,A不对;平均相对分子质量
r=
,反应过程中m始终不变,若
r不变,则n不变,说明反应已达平衡;密闭容器混合气体密度始终不变。
5.550℃时,有如下反应:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0
(1)把2molSO2和1molO2放入恒容的密闭容器中,判断该反应达到平衡状态的标志是__________(填字母)。
a.SO2和SO3浓度相等
b.SO2百分含量保持不变
c.容器中气体的压强不变
d.SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等
e.容器中混合气体的密度保持不变
(2)
(1)中所述反应到达平衡后,再向混合气体中充入一定量的18O2,足够长的时间后,18O原子________(填字母)。
a.只存在于O2中
b.只存在于O2和SO3中
c.只存在于O2和SO2中
d.存在于O2、SO2和SO3中
答案
(1)bc
(2)d
解析
(1)到达平衡时,各组分百分含量不变,所以b正确;这是一个不等体反应,压强不变,说明反应已达平衡,c正确。
(2)可逆反应表现为正、逆反应均在进行,随着正反应的进行,18O会存在于SO3中,随着逆反应的进行,18O又会存在于SO2中。
[基础过关]
一、化学平衡状态的建立与特征
1.在一定条件下,使NO和O2在一密闭容器中进行反应,下列说法中不正确的是( )
A.反应开始时,正反应速率最大,逆反应速率为零
B.随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后为零
C.随着反应的进行,逆反应速率逐渐增大,最后不变
D.随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后不变
答案 B
解析 化学平衡建立过程中,反应物浓度减小,故正反应速率减小,生成物浓度增大,故逆反应速率增大,当二者相等时达平衡状态,但不为零。
2.哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。
现向一密闭容器中充入1molN2和3molH2,在一定条件下使该反应发生:
N2+3H2
2NH3,下列有关说法正确的是( )
A.达到化学平衡时,N2将完全转化为氨
B.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等
C.达到化学平衡时,N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化
D.达到化学平衡时,正、逆反应速率都为零
答案 C
解析 当可逆反应达到化学平衡状态时,v正=v逆≠0,各组分的浓度(或质量)保持不变,但不一定相等。
3.14CO2与碳在高温条件下发生反应:
14CO2+C2CO,达到平衡后,平衡混合物中含14C的粒子有( )
A.14CO2B.14CO2、14CO
C.14CO2、14CO、14CD.14CO
答案 C
解析 当可逆反应达到平衡状态时,反应并没停止,是一种动态平衡,所以14C在三种物质中都含有。
4.已知298K时,合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.0kJ·mol-1,将此温度下的1molN2和3molH2放在一密闭容器中,在催化剂存在时进行反应,测得反应放出的热量为(忽略能量损失)( )
A.一定大于92.0kJB.一定等于92.0kJ
C.一定小于92.0kJD.不能确定
答案 C
解析 N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.0kJ·mol-1,该热化学反应方程式的意义是指在1个大气压、25℃时,1molN2和3molH2完全反应生成2molNH3所放出的热量为92.0kJ。
由于该反应是可逆反应,不能进行彻底,所以放出的热量一定小于92.0kJ。
5.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、0.2mol·L-1、0.2mol·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度有可能是( )
A.Z为0.2mol·L-1B.Y2为0.35mol·L-1
C.X2为0.3mol·L-1D.Z为0.4mol·L-1
答案 A
解析 对于一定条件下已建立的平衡状态,其起始状态可以是从正反应方向开始,也可以是从逆反应方向开始。
X2(g) + Y2(g) 2Z(g)
起始浓度(mol·L-1)0.10.20.2
0.20.30
00.10.4
所以0 二、化学平衡状态的判断 6.在一定温度下,向aL密闭容器中加入1molO2和2molNO,发生如下反应: O2(g)+2NO(g)2NO2(g),此反应不一定达平衡的是( ) A.容器内压强不随时间变化 B.容器内各物质的浓度不随时间变化 C.容器内O2、NO、NO2的浓度之比为1∶2∶2 D.单位时间内生成1molO===O,同时生成2molNO2 答案 C 解析 A项,该反应气体数目有变化,当容器内压强不随时间变化时,必达平衡;B项必达平衡;C项中,其比例是反应方程式中的系数比,此时,不能反映量已固定,所以,不一定是平衡状态;D项,O===O的生成是逆向反应,生成NO2是正向反应,比例1∶2与化学方程式系数相符,必是平衡状态。 7.可逆反应N2+3H22NH3的正、逆反应速率可用各反应物或生成物浓度的变化来表示。 下列各关系中能说明反应已达到平衡状态的是( ) A.3v正(N2)=v正(H2) B.v正(N2)=v逆(NH3) C.2v正(H2)=3v逆(NH3) D.v正(N2)=3v逆(H2) 答案 C 解析 解析平衡状态,正、逆反应速率相等,各组成成分的含量不变。 正、逆反应速率相等是指用同一种物质来表示的反应速率。 可逆反应中用各种物质表示的反应速率与化学计量数成正比,需将其转换为同一物质表示速率进行比较。 8.一定条件下,在体积为1L的密闭容器中,1molX和1molY进行反应: 2X(g)+Y(g)Z(g),下列叙述能证明该反应已达到化学平衡状态的是( ) A.X的百分含量不再发生变化 B.c(X)∶c(Y)∶c(Z)=2∶1∶1 C.容器内原子总数不再发生变化 D.同一时间内消耗2nmolX的同时生成nmolZ 答案 A 解析 反应过程中原子个数守恒,所以C不合题意;消耗2nmolX与生成nmolZ是同一反应方向,也不能说明反应已达平衡;浓度之比为2∶1∶1,不能说明浓度保持不变。 9.恒温恒容的情况下,反应A2(g)+B2(g)2AB(g)达到平衡状态的标志是( ) A.容器内气体的密度不随时间而变化 B.容器内的总压强不随时间而变化 C.单位时间内生成2nmolAB的同时,生成nmol的B2 D.A2、B2、AB的反应速率比为1∶1∶2的状态 答案 C 解析 ρ= ,m、V始终不变,则ρ始终不变;该反应是等体反应,所以总压强始终不变;单位时间内生成2nmolAB(正向反应速率),同时生成nmolB2(逆向反应速率),二者反应速率相等,说明反应已达平衡;无论是否达到化学平衡,三者反应速率之比始终为1∶1∶2。 10.一定温度下,下列叙述不能作为可逆反应A(g)+3B(g)2C(g)达到平衡状态标志的是( ) ①C的生成速率与C的消耗速率相等 ②单位时间内生成amolA,同时生成3amolB ③A、B、C的浓度不再变化 ④C的物质的量不再变化 ⑤混合气体的总压强不再变化 ⑥混合气体的总物质的量不再变化 ⑦单位时间消耗amolA,同时生成3amolB ⑧A、B、C的分子数之比为1∶3∶2 A.②⑧B.④⑦ C.①③D.⑤⑥ 答案 A 解析 关于平衡状态的判断,一定要根据实际反应分析选项,判断是否达到平衡状态,只有在平衡状态下具备的性质才能作为“标志”。 本题中的反应是一个反应前后气体物质的量不等的可逆反应。 ②在反应过程中的任意时刻都符合。 ⑧可能是平衡状态,也可能不是平衡状态。 [能力提升] 11.下列说法中,可以证明反应N2+3H22NH3已达到平衡状态的是( ) ①1个N≡N键断裂的同时有3个H—H键形成 ②N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2 ③1个N≡N键断裂的同时有6个N—H键形成 ④N2、H2、NH3的浓度不再变化 A.①④B.②③C.①③D.②④ 答案 A 解析 ①中有一个N≡N键断裂时,也应有3个H—H键断裂,即与3个H—H键形成是相反方向的,v正=v逆,故能说明反应达到平衡状态;②平衡时,N2、H2、NH3的分子数之比不一定为1∶3∶2;③中一个N≡N键断裂的同时形成6个N—H键是反应的一般规律,也不能说明反应达到平衡;④中各物质浓度不变,是化学平衡状态的重要标志之一,反应达到平衡。 12.在两个恒容的密闭容器中进行下列两个可逆反应: 甲: C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g); 乙: CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) 现有下列状态: ①混合气体平均相对分子质量不再改变 ②恒温时,气体压强不再改变 ③各气体组成浓度相等 ④反应体系中温度保持不变 ⑤断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍 ⑥混合气体密度不变 ⑦单位时间内,消耗水蒸气质量与生成氢气质量比为9∶1 其中能表明甲、乙容器中反应都达到平衡状态的是( ) A.①②⑤B.③④⑥C.⑥⑦D.④⑤ 答案 D 解析 甲容器中,碳为固态,该可逆反应属于气体体积不相等的反应;乙容器中,反应属于等气体分子数反应,气体相对分子质量、密度、压强都始终不变,①②⑥错误;各组分浓度相等,不能判断反应达到平衡状态,③错误;对于任何一个可逆反应,随着反应进行,体系温度会发生变化,当温度不改变时,说明反应达到平衡状态,④正确;生成氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍,经转化,水中氢氧键断裂速率等于生成氢氧键速率,达到平衡状态,⑤正确;消耗水蒸气与生成氢气是同一方向,不能判断达到平衡状态,⑦错误。 13.一定温度下,在2L的恒容密闭容器内发生的反应中M、N的物质的量随反应时间变化的曲线如图所示。 请回答下列问题: (1)该反应的化学方程式为 ________________________________________________________________________。 (2)在t2时刻存在的等量关系是____________,此时反应是否达到化学平衡状态? ________(填“是”或“否”)。 (3)在t3时刻v正________(填“>”、“<”或“=”)v逆,理由是______________________。 答案 (1)2NM (2)n(M)=n(N) 否 (3)= M和N的物质的量不再发生变化,所以反应已达到平衡状态,故v正=v逆 解析 (1)当N减少4mol时,M增加2mol,所以化学方程式为2NM。 (2)t2时刻,n(M)=n(N)=4mol,t2时刻后,N物质的量继续减小,M物质的量继续增加,故仍未达到平衡。 (3)t3时刻时,M和N的物质的量均不再发生变化,所以反应已达到平衡状态。 [拓展探究] 14.698K时,向某VL的密闭容器中充入2molH2(g)和2molI2(g),发生反应: H2(g)+I2(g)2HI(g) ΔH=-26.5kJ·mol-1,测得各物质的物质的量浓度与时间变化的关系如图所示。 请回答下列问题: (1)V=__________。 (2)该反应达到最大限度的时间是________,该时间内平均反应速率v(HI)=________。 (3)该反应达到平衡状态时,________(填“吸收”或“放出”)的热量为__________。 答案 (1)2 (2)5s 0.316mol·L-1·s-1 (3)放出 41.87kJ 解析 (1)由图知初始反应时,c(H2)=c(I2)=1mol·L-1,而加入的H2和I2的物质的量均为2mol,所以V=2。 (2)反应达到最大限度即达到化学平衡,所需时间为5s,v(HI)= =0.316mol·L-1·s-1。 (3)可逆反应从正反应建立,所以需放出热量。 由反应: H2(g)+I2(g)2HI(g) ΔH=-26.5kJ·mol-1,达到平衡时共生成n(HI)=1.58mol·L-1×2L=3.16mol,所以放出的热量为 ×3.16mol=41.87kJ。
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