学年人教版选修4 第2章第3节 化学平衡等效平衡 教案.docx
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学年人教版选修4第2章第3节化学平衡等效平衡教案
第3节化学平衡——等效平衡
教学目标
1.构建等效平衡的模型,掌握等效平衡在解题中的应用
2.通过对化学反应进行方向及其应用的学习,提高运用比较、归纳的能力,培养学生学习化学思维能力,以及应用理论解决实际问题能力
3.建立化学平衡的观点,并通过分析化学平衡的建立,增强学生的归纳和形象思维能力
教学重点等效平衡
教学难点等效平衡
教学过程
一、导入
水往低处流,而不会自发的向上流;一般在室温下,冰块会融化,铁器在潮湿空气中会生锈,甲烷与氧气的混合气体遇明火就燃烧,这些过程都是自发的。
这些不用借助于外力就可以自动进行的自发过程的共同特点是,体系会对外部做功或释放热量,即体系趋向于从高能状态转变为低能状态。
那是否就意味着放热反应自发进行,吸热反应就是非自发进行呢?
二、知识讲解
等效平衡对于一些学生理解起来不是特别容易,希望老师在讲解此内容的时候多一些耐心,重点讲典型例题和习题。
考点1等效平衡含义及原理
1.含义
在一定条件下(等温等容或等温等压),对同一可逆反应体系,起始时加入物质的物质的量不同,而达到化学平衡时,同种物质的百分含量相同。
2.原理
同一可逆反应,当外界条件一定时,反应无论从正反应开始,还是从逆反应开始,最后都能达到平衡状态。
其中平衡混合物中各物质的含量相同。
由于化学平衡状态与条件有关,而与建立平衡的途径无关。
因而同一可逆反应,从不同的状态开始,只要达到平衡时条件(温度、浓度、压强等)完全相同,则可形成等效平衡。
考点2等效平衡规律
对于可逆反应aA(g)+bB(g)
cC(g)+dD(g)
反应特点
a+b≠c+d
a+b=c+d
条件
恒温、恒容
恒温、恒压
恒温、恒容
恒温、恒压
起始投料
换算为化学方程式同一边物质,其“量”相同,简称“一边倒量相等”
换算为化学方程式同一边物质,其“量”成比例。
简称“一边倒比例同”
换算为化学方程式同一边物质,其“量”成比例,简称“一边倒比例同”
平衡特点
物质的量(n)
相同
成比例
成比例
成比例
百分含量(w%)
相同
相同
相同
相同
浓度
相同
相同
成比例
相同
三、例题精析
使用建议说明:
此处内容主要用于教师课堂的精讲,每个题目结合试题本身、答案和解析部分,教师有的放矢的进行讲授或与学生互动练习。
例题1一定温度下,在3个体积均为1.0L的恒容密闭容器中反应2H2(g)+CO(g)
CH3OH(g)达到平衡。
下列说法正确的是
A.该反应的正反应放热
B.达到平衡时,容器Ⅰ中反应物转化率比容器Ⅱ中的大
C.达到平衡时,容器Ⅱ中c(H2)大于容器Ⅲ中c(H2)的两倍
D.达到平衡时,容器Ⅲ中的正反应速率比容器Ⅰ中的大
【答案】AD
【解析】A项,根据Ⅰ、Ⅲ中数据可知反应开始时Ⅰ中加入的H2、CO与Ⅲ中加入甲醇的物质的量相当,平衡时甲醇的浓度:
Ⅰ>Ⅲ,温度:
Ⅰ<Ⅲ,即升高温度平衡逆向移动,该反应正向为放热反应,所以A项正确。
B项,Ⅱ相当于将容器Ⅰ的体积缩小二分之一,该反应正向为气体物质的量减小的反应,增大压强平衡正向移动,达到平衡时,容器Ⅰ中反应物转化率比容器Ⅱ中的小,所以B项错误。
C项Ⅰ和Ⅱ对比,Ⅱ相当于将容器Ⅰ的体积缩小二分之一,该反应正向为气体物质的量减小的反应,增大压强平衡正向移动,则Ⅱ中氢气的浓度小于Ⅰ中氢气浓度的饿倍,Ⅲ和Ⅰ对比,平衡逆向移动,氢气浓度增大,故达到平衡时,容器Ⅱ中c(H2)小于容器Ⅲ中c(H2)的两倍,所以C项错误。
D项温度:
Ⅲ>Ⅰ,当其他条件不变时,升高温度反应速率加快,故达到平衡时,容器Ⅲ中的反应速率比容器Ⅰ中的大,所以D项正确。
例题2(双选)一定温度下,在三个体积均为1.0L的恒容密闭容器中发生反应:
2CH3OH(g)
CH3OCH3(g)+H2O(g)
容器
编号
温度
(℃)
起始物质的量(mol)
平衡物质的量(mol)
CH3OH(g)
CH3OCH3(g)
H2O(g)
Ⅰ
387
0.20
0.080
0.080
Ⅱ
387
0.40
Ⅲ
207
0.20
0.090
0.090
下列说法正确的是( )
A.该反应的正反应为放热反应
B.达到平衡时,容器Ⅰ中的CH3OH体积分数比容器Ⅱ中的小
C.容器Ⅰ中反应到达平衡所需时间比容器Ⅲ中的长
D.若起始时向容器Ⅰ中充入CH3OH0.15mol、CH3OCH30.15mol和H2O0.10mol,则反应将向正反应方向进行
【答案】AD
【解析】由Ⅰ、Ⅲ数据分析可知,降温,CH3OH的转化率增大,平衡向正反应方向移动,正反应为放热反应,A项正确;B项,Ⅰ和Ⅱ对比,CH3OH(g)的起始浓度增大一倍,容器体积不变,相当于增大压强,而此反应为反应前后气体分子数不变的反应,增大压强平衡不移动,CH3OH体积分数不变,B项错误;Ⅲ比Ⅰ温度低,反应更慢,到达平衡所需时间更长,C项错误;D项,容器Ⅰ温度为387℃,平衡常数K=
=
=4,而此时浓度商Qc=
=
<4,反应向正反应方向进行,D项正确。
例题3一定条件下存在反应:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g),其正反应放热。
现有三个相同的2L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,在Ⅰ中充入1molCO和1molH2O,在Ⅱ中充入1molCO2和1molH2,在Ⅲ中充入2molCO和2molH2O,700℃条件下开始反应。
达到平衡时,下列说法正确的是( )
A.容器Ⅰ、Ⅱ中正反应速率相同
B.容器Ⅰ、Ⅲ中反应的平衡常数相同
C.容器Ⅰ中CO的物质的量比容器Ⅱ中的多
D.容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和小于1
【答案】C、D
【解析】选C、D 因为容器绝热,给定反应的正反应为放热反应,容器Ⅰ的温度升高,容器Ⅱ的温度降低,故反应速率Ⅰ中快,A错误;由于容器Ⅲ中加入的反应物多,放出的热量多,容器内温度高,故平衡常数不同,B错误;因容器Ⅰ的温度高,故相当于平衡逆向移动,CO的转化率降低,C正确;如果容器Ⅰ和容器Ⅱ在温度相同的情况下达到平衡,CO、CO2转化率之和等于1,但容器Ⅰ的温度升高,平衡逆向移动,CO的转化率降低,容器Ⅱ温度降低,CO2的转化率也降低,D正确。
例题4温度为T1时,在三个容积均为1L的恒容密闭容器中仅发生反应:
2NO2(g)
2NO(g)+O2(g)(正反应吸热)。
实验测得:
v正=v(NO2)消耗=k正c2(NO2),v逆=v(NO)消耗=2v(O2)消耗=k逆c2(NO)·c(O2),k正、k逆为速率常数,受温度影响。
下列说法正确的是
A.达平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为4∶5
B.达平衡时,容器Ⅱ中
比容器Ⅰ中的大
C.达平衡时,容器Ⅲ中NO的体积分数小于50%
D.当温度改变为T2时,若k正=k逆,则T2>T1
【答案】CD
【解析】由容器I中反应2NO2
2NO+O2
起始量(mol/L)0.600
变化量(mol/L)0.40.40.2
平衡量(mol/L)0.20.40.2
可以求出平衡常数K=
,平衡时气体的总物质的量为0.8mol,其中NO占0.4mol,所以NO的体积分数为50%,
。
在平衡状态下,v正=v(NO2)消耗=v逆=v(NO)消耗,所以k正c2(NO2)=k逆c2(NO)•c(O2),进一步求出
。
A.显然容器II的起始投料与容器I的平衡量相比,增大了反应物浓度,平衡将向逆反应方向移动,所以容器II在平衡时气体的总物质的量一定小于1mol,故两容器的压强之比一定大于4:
5,A错误;B.若容器II在某时刻,
,
由反应2NO2
2NO+O2
起始量(mol/L)0.30.50.2
变化量(mol/L)2x2xx
平衡量(mol/L)0.3−2x0.5+2x0.2+x
因为,
,解之得x=
,求出此时浓度商Qc=
>K,所以容器II达平衡时,
一定小于1,B错误;C.若容器III在某时刻,NO的体积分数为50%,
例题5如图所示,在一定温度下,把2体积N2和6体积H2通入一个带有活塞的容积可变的容器中,活塞的一端与大气相通,容器中发生以下反应:
N2+3H2
2NH3(正反应放热),若反应达到平衡后,测得混合气体的体积为7体积。
据此回答下列问题:
(1)保持上述反应温度不变,设a、b、c分别代表初始加入的N2、H2和NH3的体积,如果反应达到平衡后混合气体中各气体的体积分数仍与上述平衡相同,那么:
①若a=1,c=2,则b=_________。
在此情况下,反应起始时将向_________(填“正”或“逆”)反应方向进行。
②若需规定起始时反应向逆反应方向进行,则c的取值范围是_________。
(2)在上述装置中,若需控制平衡后混合气体为6.5体积,则可采取的措施是_________,原因是_________。
【答案】
(1)①3逆②
(2)降温由6.5<7可知,上述平衡应向体积缩小的方向移动,亦即向放热方向移动,所以采取降温措施
【解析】
(1)①化学反应:
N2+3H2
2NH3在定温、定压下进行,要使平衡状态与原平衡状态等效,只要起始时
就可以达到。
已知起始时各物质的体积分别为1体积N2、b体积H2和2体积NH3。
根据“等价转换”法,将2体积NH3通过反应的化学计量数之比换算成N2和H2的体积,则相当于起始时有(1+1)体积N2和(b+3)体积H2,它们的比值为
,解得b=3。
因反应前混合气体为8体积,反应后混合气体为7体积,体积差为1体积,由差量法可解出平衡时NH3为1体积;而在起始时,NH3的体积为c=2体积,比平衡状态时大,为达到同一平衡状态,NH3的体积必须减小,所以平衡逆向移动。
②若需让反应逆向进行,由上述①所求出的平衡时NH3的体积为1可知,NH3的体积必须大于1,最大值则为2体积N2和6体积H2完全反应时产生的NH3的体积,即为4体积,则
。
(2)由6.5<7可知,上述平衡应向体积缩小的方向移动,亦即向放热方向移动,所以采取降温措施。
例题6已知2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) ΔH=-197kJ/mol,向同温、同体积的三个密闭容器中分别充入气体:
(甲)2molSO2和1molO2;(乙)1molSO2和0.5molO2;(丙)2molSO3。
恒温、恒容下反应达平衡时,下列关系一定正确的是( )
A.容器内压强p:
P甲=P丙>2P乙B.SO3的质量m:
m甲=m丙>2m乙
C.c(SO2)与c(O2)之比K:
K甲=K丙>K乙D.反应放出或吸收热量的数值Q:
Q甲=Q丙>2Q乙
【答案】B
【解析】根据题意可知甲和丙容器是等效的,乙容器相当于扩大容器为原来的一半,所以乙容器在减小压强的过程中平衡逆向移动,压强比原来的一半大,所以P甲=P丙<2P乙,SO3的质量比原来的一半小,所以m甲=m丙>2m乙,C(SO2)与C(O2)之比K不变,所以K甲=K丙=K乙,放出的热量比原来的一半小,所以Q甲>2Q乙,Q甲+Q丙=197,所以正确的是B。
答案选B。
例题7温度、容积相同的3个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时的有关数据如下[已知N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH=-92.4kJ/mol]:
容器
甲
乙
丙
反应物投入量
1molN2、3molH2
2molNH3
4molNH3
NH3的浓度(mol/L)
c1
c2
c3
反应的能量变化
放出akJ
吸收bkJ
吸收ckJ
体系压强(Pa)
p1
p2
p3
反应物转化率
α1
α2
α3
下列说法正确的是( )
A.2c1>c3B.a+b=92.4C.2p2<p3D.α1+α3<1
【答案】B、D
【解析】甲投入1molN2、3molH2,乙容器投入量2molNH3,恒温恒容条件下,甲容器与乙容器是等效平衡,各组分的物质的量、含量、转化率等完全相等;而甲容器投入1molN2、3molH2,丙容器加入4molNH3,采用极限转化法丙相当于加入2molN2、6molH2,丙中加入量是甲中的二倍,如果恒温且丙容器容积是甲容器2倍,则甲容器与丙容器为等效平衡,所以丙所到达的平衡,可以看作在恒温且容积是甲容器两倍条件下,到达平衡后,再压缩体积为与甲容器体积相等所到达的平衡,由于该反应是体积减小的反应,缩小容器体积,增大了压强,平衡向着正向移动,所以丙中氮气、氢气转化率大于甲和乙的,A.丙容器反应物投入量4molNH3,采用极限转化法转化为反应物为2molN2、6molH2,是甲中的二倍,若平衡不移动,c3=2c1;丙相当于增大压强,平衡向着正向移动,所以丙中氨气的浓度大于乙中氨气浓度的二倍,即c3>2c1,故A错误;B.甲投入1molN2、3molH2,乙中投入2molNH3,则甲与乙是完全等效的,根据盖斯定律可知,甲与乙的反应的能量变化之和为92.4kJ,故a+b=92.4,故B正确;C.丙容器反应物投入量4molNH3,是乙的二倍,若平衡不移动,丙中压强为乙的二倍;由于丙中相当于增大压强,平衡向着向着正向移动,所以丙中压强减小,小于乙的2倍,即2p2>p3,故C错误;
D.丙容器反应物投入量4molNH3,是乙的二倍,若平衡不移动,转化率α1+α3=1;由于丙中相当于增大压强,平衡向着向着正向移动,氨气的转化率减小,所以转化率α1+α3<1,故D正确;
故选B、D.
四、课堂运用
使用建议说明:
在对课堂知识讲解完,把握了重点突破了难点以及练习精讲了之后,再用练习马上进行课堂检测,根据学生情况建议分3个难度层次:
易,中,难。
基础题
1、一定条件下存在反应:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g),其正反应放热。
现有三个相同的2L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器
、
、
,在
中充入1molCO和1molH2O,在
中充入1molCO2和1molH2,在
中充入2molCO和2molH2O,700℃条件下开始反应。
达到平衡时,下列说法正确的是()
A.容器
、
中正反应速率相同
B.容器
、
中反应的平衡常数相同
C.容器
中CO的物质的量比容器
中的少
D.容器
中CO的转化率与容器
中CO2的转化率之和小于1
2、向某密闭容器中充入1molCO和2molH2O(g),发生反应:
CO+H2O(g)
CO2+H2。
当反应达到平衡时,CO的体积分数为x。
若维持容器的体积和温度不变,起始物质按下列四种配比充入该容器中,达到平衡时CO的体积分数大于x的是( )
A.0.5molCO+2molH2O(g)+1molCO2+1molH2
B.1molCO+1molH2O(g)+1molCO2+1molH2
C.0.5molCO+1.5molH2O(g)+0.4molCO2+0.4molH2
D.0.5molCO+1.5molH2O(g)+0.5molCO2+0.5molH2
3、在一个固定体积的密闭容器中,放入2molX和3molY,在一定条件下反应:
4X(气)+3Y(气)
2Q(气)+nR(气)达到平衡后,容器内温度不变,容器内压强比原来增加5%,X的浓度减小1/3,则反应方程中的n值为()
A、5B、3C、6D、2
【答案】
1、D2、B3、C
【解析】
1、解析:
属于恒容不恒温,△Vg=0,容易错误地套用上述常规分类进行分析错答为AB。
不过仍然可以用建立“等效平衡参照系”的方法进行综合分析。
700℃,2L:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)ΔH<0
I(mol/L)0.50.500
II(mol/L)000.50.5
III(mol/L)1100
先分析I和II。
设I在温度不变时达到的平衡状态为参照系,达到平衡时温度高于700℃。
容器
从逆向即吸热方向开始反应,达到的平衡状态容器
温度小于700℃,最终为不等效平衡,v正(I)≠v正(II)。
相对参照系,容器
平衡逆向移动,容器
平衡正向移动,容器
中CO的物质的量比容器
中的多,α(CO)、α(CO2)均相应减小。
若温度恒定,容器
、
等效,α(CO)+α(CO2)=1,温度可变则小于1。
A、C错D正确。
容器
可看成两个容器
叠加并压缩为一半,各物质浓度增加一倍,若温度恒定,则平衡不移动;恒容绝热下,容器
中温度比容器
高,平衡逆向移动,故K(
)<K(I)。
B错。
2、解析:
本题考查了等效平衡的问题。
对于反应CO+H2O(g)
CO2+H2,是一个反应前后气体的体积不变的反应,因此在恒温和恒容条件下是等效平衡的条件是CO和H2O(g)的物质的量之比与起始时加入的CO和H2O(g)的物质的量之比相等即可。
因此只要将各选项中的投料转化为CO和H2O(g)的物质的量,并与原平衡进行对比即可。
对于A选项中的配料相当于CO有1.5mol、H2O(g)有3mol,即二者之比为1∶2,所以此情况下的平衡与原平衡等效,即CO的体积分数仍为x;对于B选项中的配料相当于CO有2mol、H2O(g)有2mol,相对于原平衡可以认为是在原平衡的基础上又加入了1molCO,根据平衡移动原理,平衡相当于向右移动,但是CO的体积分数增大,即大于x;对于C选项中的配料相当于CO有0.9mol、H2O(g)有1.9mol,此投料相当于在0.9molCO和1.8mol
H2O(g)的平衡体系中再加入0.1molH2O(g),而0.9molCO和1.8molH2O(g)的平衡与原平衡是等效平衡,再加入0.1molH2O(g)时平衡向右移动,CO的体积分数减小,即小于x;对于D选项中的配料相当于CO有1mol、H2O(g)有2mol,此平衡与原平衡相同,所以CO的体积分数也为x。
因此达到平衡时CO的体积分数大于x的只有B选项。
3、解析:
由题意可知反应向右进行,并且气体物质的量增大,则右边气体系数大,故2+n>4+3,n>5,大于5的只有6,故选C
巩固题
4、恒温、恒压下,在一个可变容积的容器中发生如下发应:
A(g)+B(g)
C(g)
(1)若开始时放入1molA和1molB,到达平衡后,生成amolC,这时A的物质的量为_________mol。
(2)若开始时放入3molA和3molB,到达平衡后,生成C的物质的量为_________mol。
(3)若开始时放入xmolA,2molB和1molC,到达平衡后,A和C的物质的量分别是ymol和3amol,则x=_________mol,y=_________mol。
平衡时,B的物质的量_________(选填一个编号)
(甲)大于2mol(乙)等于2mol
(丙)小于2mol(丁)可能大于、等于或小于2mol
作出此判断的理由是______________________________________________。
(4)若在(3)的平衡混合物中再加入3molC,待再次到达平衡后,C的物质的量分数是______________________________________________。
II.若维持温度不变,在一个与
(1)反应前起始体积相同、且容积固定的容器中发生上述反应。
(5)开始时放入1molA和1molB到达平衡后生成bmolC。
将b与
(1)小题中的a进行比较_______(选填一个编号)。
(甲)a<b(乙)a>b(丙)a=b(丁)不能比较a和b的大小
作出此判断的理由是______________________________________________。
5、在一定温度下的密闭容器中加入CO和H2O(气)各1mol当反应CO+H2O(气)
CO2+H2达到平衡时生成0.5mol的CO2,若其它条件不变,再充入8molH2O(气)重新达到平衡时CO2的物质的量为()
A、0.5molB、0.93molC、1molD、1.5mol
6、将1molA、2molB的混合物132g在密闭容器中反应:
A(气)+2B(气)
2C(气)+2D(气)达到平衡后,测得A的转化率为30%,则平衡时混合气体的平均分子量为()
A、44B、48C、40D、52
【答案】
4、
(1)1—a
(2)3a(3)23—3aD
a的范围为:
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