新优化高考化学一轮全国通用版精致讲义化学平衡状态.docx
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新优化高考化学一轮全国通用版精致讲义化学平衡状态
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。
可逆反应 化学平衡状态
[知识梳理]
一、理清两个概念
1.可逆反应
2.化学平衡状态
一定条件下的可逆反应,当反应进行到一定程度时,正反应速率和逆反应速率相等,反应物的浓度和生成物的浓度不变的状态,称为“化学平衡状态”,简称化学平衡。
二、掌握化学平衡状态的建立与特点
1.化学平衡的建立
(1)建立过程
在一定条件下,把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。
反应过程如下:
(2)建立过程可用下图表示
2.化学平衡的特点
[自我检测]
1.(教材改编题)一定温度下,对可逆反应A(g)+2B(g)3C(g)的下列叙述中,能说明反应已达到平衡的是( )
A.单位时间内消耗amolA,同时生成3amolC
B.容器内B的浓度不再变化
C.混合气体的物质的量不再变化
D.A的消耗速率等于C的生成速率的
倍
解析:
选B。
A项,只有正反应速率,无逆反应速率,v正与v逆不一定相等;C项,该反应为反应前后分子数相等的反应,混合气体的总物质的量始终不变,所以不一定达到平衡;D项,v正不等于v逆,没有达到平衡。
2.下列依据能判断可逆反应A(g)+B(g)C(g)+D(g)已达到平衡的是________。
①压强不随时间改变
②气体的密度不随时间改变
③c(A)不随时间改变
④单位时间里生成C和D的物质的量相等
解析:
①反应前后气体分子数相等,所以压强始终不变,不一定达到平衡;②气体的总质量不变,总体积不变,所以密度始终不变,不一定达到平衡;④相同时间内生成C和D的量始终相等,不一定达到平衡。
答案:
③
(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。
(2018·合肥模拟)在一定温度下的定容密闭容器中,发生反应:
2NO2(g)N2O4(g)。
当下列所给有关量不再变化时,不能表明该反应已达到平衡状态的是( )
A.混合气体的压强
B.混合气体的密度
C.混合气体的平均相对分子质量
D.
[解析] 恒温恒容密闭容器中NO2和N2O4的可逆反应,压强、平均相对分子质量、浓度商不发生改变时说明可逆反应达到平衡;由于气体的质量不变,容器的体积不变,因此在任何时刻气体的密度不变,故不能根据密度不变判断反应是否处于平衡状态。
[答案] B
若在上述例题中添加以下选项,能否说明达到平衡呢?
①反应体系的温度
②混合气体的颜色
③混合气体中NO2的物质的量
答案:
①②③不再变化时均可说明反应已达平衡。
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
颜色
体系温度一定(其他条件一定)
平衡
反应体系内有色物质的颜色不再改变
平衡
题组一 可逆反应
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。
2.一定条件下,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,X、Y的转化率相等,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 极端假设法确定各物质浓度范围 可逆反应各物质浓度范围可根据极端假设法判断,假设反应正向或逆向进行到底,求出各物质浓度的最大值和最小值,从而确定它们的浓度范围。 例如: 可逆反应X2(g)+Y2(g)2Z(g),各物质的起始浓度分别为c(X2)=0.1mol·L-1,c(Y2)=0.3mol·L-1,c(Z)=0.2mol·L-1。 假设反应正向进行到底: X2(g)+Y2(g)2Z(g) 起始浓度(mol·L-1)0.10.30.2 改变浓度(mol·L-1)0.10.10.2 终态浓度(mol·L-1)00.20.4 假设反应逆向进行到底: X2(g)+Y2(g)2Z(g) 起始浓度(mol·L-1)0.10.30.2 改变浓度(mol·L-1)0.10.10.2 终态浓度(mol·L-1)0.20.40 平衡体系中各物质的浓度范围为X2∈(0,0.2),Y2∈(0.2,0.4),Z∈(0,0.4)。 题组二 化学平衡状态的判断 3.可逆反应: 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表示的反应速率之比为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.只有①④⑥⑦ B.只有②③⑤⑦ C.只有①③④⑤D.全部 解析: 选A。 ①中单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2,能说明反应达到平衡状态。 ②单位时间内生成nmolO2必生成2nmolNO,不能说明反应达到平衡状态。 ③中无论达到平衡与否,用各物质表示的化学反应速率之比都等于化学计量数之比。 ④有色气体的颜色不变,则表示物质的浓度不再变化,说明反应已达到平衡状态。 ⑤气体体积固定、质量反应前后守恒,密度始终不变。 ⑥反应前后Δνg≠0,压强不变,意味着各物质的含量不再变化。 ⑦由于气体的质量不变,气体的平均相对分子质量不变时,说明气体中各物质的物质的量不变,反应达到平衡状态。 4.[2017·高考全国卷Ⅲ,28(4)]298K时,将20mL3xmol·L-1Na3AsO3、20mL3xmol·L-1I2和20mLNaOH溶液混合,发生反应: AsO (aq)+I2(aq)+2OH-(aq)AsO (aq)+2I-(aq)+H2O(l)。 溶液中c(AsO )与反应时间(t)的关系如图所示。 (1)下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。 a.溶液的pH不再变化 b.v(I-)=2v(AsO ) c.c(AsO )/c(AsO )不再变化 d.c(I-)=ymol·L-1 (2)tm时,v正________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。 (3)tm时v逆________tn时v逆(填“大于”“小于”或“等于”),理由是________________。 解析: (1)溶液的pH不再变化,即OH-的浓度不再变化,所以平衡体系中各组分的浓度均不再变化,说明反应达到平衡状态,a项正确;当v正(I-)=2v逆(AsO )或v逆(I-)=2v正(AsO )时反应达到平衡状态,选项中的速率未指明是正反应速率还是逆反应速率,b项错误;反应达到平衡之前,c(AsO )逐渐减小而c(AsO )逐渐增大,故c(AsO )/c(AsO )逐渐增大,当c(AsO )/c(AsO )不变时反应达到平衡状态,c项正确;根据离子方程式可知反应体系中恒有c(I-)=2c(AsO ),观察图像可知反应达到平衡时c(AsO )=ymol·L-1,此时c(I-)=2ymol·L-1,d项错误。 (2)tm时反应未达到平衡状态,所以v正大于v逆。 (3)从tm到tn,反应逐渐趋于平衡状态,反应物浓度逐渐减小而生成物浓度逐渐增大,所以正反应速率逐渐减小,逆反应速率逐渐增大,故tm时v逆小于tn时v逆。 答案: (1)ac (2)大于 (3)小于 tm时生成物浓度较低 不能作为可逆反应达到化学平衡状态的标志 (1)某一时刻,各物质的浓度(或物质的量或分子数)之比等于化学计量数之比的状态。 (2)恒温、恒容条件下气体体积不变的反应,混合气体的压强或气体的总物质的量不随时间而变化,如2HI(g)I2(g)+H2(g)。 (3)全部是气体参加的体积不变的反应,体系的平均相对分子质量不随时间而变化,如2HI(g)I2(g)+H2(g)。 (4)全部是气体参加的反应,恒容条件下体系的密度保持不变。 化学平衡的移动 [知识梳理] 1.化学平衡移动的过程 2.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。 3.影响化学平衡的外界因素 (1)影响化学平衡的因素 条件的改变(其他条件不变) 化学平衡的移动 浓度 增大反应物浓度或减小生成物浓度 向正反应方向移动 减小反应物浓度或增大生成物浓度 向逆反应方向移动 压强(对有气体参与的反应) 反应前后气体分子数改变 增大压强 向气体体积减小的方向移动 减小压强 向气体体积增大的方向移动 反应前后气体分子数不变 改变压强 平衡不移动 温度 升高温度 向吸热反应方向移动 降低温度 向放热反应方向移动 催化剂 使用催化剂 平衡不移动 (2)几种特殊情况说明 ①改变固体或纯液体的量,对化学平衡没影响。 ②“惰性气体”对化学平衡的影响 a.恒温、恒容条件 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。 b.恒温、恒压条件 原平衡体系 ―→ ③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.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。 该原理适用于任何平衡体系: 化学平衡、电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡。 [自我检测] 1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)升高温度,化学平衡会向着吸热反应的方向移动,此时放热反应方向的反应速率会减小。 ( ) (2)增加反应物的量平衡一定会正向移动。 ( ) (3)平衡正向移动时反应物的百分含量一定减小,生成物的百分含量一定增大。 ( ) (4)增大压强平衡正向移动,反应物的浓度会减小,生成物的浓度会增大。 ( ) (5)若改变条件正反应速率增大,则平衡可能会逆向移动。 ( ) (6)气体反应物的量越多该反应的反应物的转化率一定越小。 ( ) (7)对于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,升高温度可以加快化学反应速率,有利于平衡向正反应方向移动。 ( ) 答案: (1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)× 2.下列事实不能用勒夏特列原理解释的是( ) A.新制的氯水放置一段时间,溶液的pH减小 B.在配制硫酸亚铁溶液时往往要加入少量铁粉 C.反应CO(g)+NO2(g)CO2(g)+NO(g) ΔH<0达平衡后,升高温度,气体颜色变深 D.增大压强,有利于SO2与O2反应生成SO3 解析: 选B。 在FeSO4溶液中加入铁粉是为了防止Fe2+被氧化,无平衡移动,故不能用勒夏特列原理解释。 (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、逆反应速率均增大,但是增大后的速率仍然相等,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。 (2017·高考全国卷Ⅱ,27,14分)丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。 回答下列问题: (1)正丁烷(C4H10)脱氢制1丁烯(C4H8)的热化学方程式如下: ①C4H10(g)===C4H8(g)+H2(g) ΔH1 已知: ②C4H10(g)+ O2(g)===C4H8(g)+H2O(g) ΔH2=-119kJ·mol-1 ③H2(g)+ O2(g)===H2O(g) ΔH3=-242kJ·mol-1 反应①的ΔH1为________kJ·mol-1。 图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图,x________0.1(填“大于”或“小于”);欲使丁烯的平衡产率提高,应采取的措施是________(填标号)。 A.升高温度 B.降低温度 C.增大压强D.降低压强 (2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。 图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。 图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是____________________。 (3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。 丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是__________________、____________;590℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是___________________。 [解析] (1)根据盖斯定律,可得①=②-③,则ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119kJ·mol-1+242kJ·mol-1=+123kJ·mol-1。 反应①为气体总体积增大的反应,在温度相同时降低压强有利于提高平衡转化率,故x<0.1。 反应①为吸热反应,升高温度有利于平衡正向移动,A项正确;降低压强平衡向气体总体积增大的方向移动,D项正确。 (2)结合图(b)可看出随着n(氢气)/n(丁烷)增大,丁烯产率先升高后降低,这是因为氢气是生成物,当n(氢气)/n(丁烷)逐渐增大时,逆反应速率加快,故丁烯的产率逐渐降低。 (3)在590℃之前随温度升高丁烯产率逐渐增大,这是因为温度升高不仅能加快反应速率,还能促使平衡正向移动;但温度高于590℃时,丁烯高温裂解生成短链烃类,导致丁烯产率快速降低。 [答案] (1)+123 小于 AD (2)氢气是产物之一,随着n(氢气)/n(丁烷)增大,逆反应速率增大 (3)升高温度有利于反应向吸热方向进行 温度升高反应速率加快 丁烯高温裂解生成短链烃类 (2018·宜春模拟)在一密闭容器中一定量A、B的混合气体发生反应: aA(g)+bB(g)cC(s)+dD(g),平衡时测得A的浓度为0.60mol·L-1,保持温度不变,将容器的容积扩大到原来的3倍,再达到平衡时,测得A的浓度降为0.20mol·L-1。 下列有关判断一定正确的是( ) A.平衡向正反应方向移动 B.A的转化率增大 C.D(g)的体积分数增大 D.a+b 解析: 选D。 平衡时测得A的浓度为0.60mol·L-1,保持温度不变,将容器的容积扩大到原来的3倍,测得A的浓度降为0.20mol·L-1,则平衡不移动,说明降低压强平衡不移动,则A的转化率和D的体积分数均不变,故A、B、C均错;因平衡不移动,则a+b=d,故可知a+b 判断化学平衡移动方向的思维模型 题组一 化学平衡移动方向的判断 1.将NO2装入带活塞的密闭容器中,当反应2NO2(g)N2O4(g)达到平衡后,改变下列一个条件,其中叙述正确的是( ) A.升高温度,气体颜色加深,则此反应为吸热反应 B.慢慢压缩气体体积,平衡向右移动,混合气体颜色变浅 C.慢慢压缩气体体积,若体积减小一半,压强增大,但小于原来的两倍 D.恒温恒容时,充入惰性气体,压强增大,平衡向右移动,混合气体的颜色变浅 解析: 选C。 A项,颜色加深说明平衡向左移动,所以正反应为放热反应,错误;B项,首先假设压缩气体平衡不移动,加压颜色加深,但平衡向右移动,使混合气体颜色在加深后的基础上变浅,但一定比原平衡的颜色深,错误;同理C项,首先假设平衡不移动,若体积减小一半,压强为原来的两倍,但平衡向右移动,使压强在原平衡两倍的基础上减小,正确;D项,体积不变,反应物及生成物浓度不变,所以正、逆反应速率均不变,平衡不移动,颜色无变化,错误。 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(填“不”“向逆反应方向”或“向正反应方向”,下同)。 (2)升高温度对反应速率影响的图像是__________,平衡________移动。 (3)增大反应容器体积对反应速率影响的图像是________________,平衡________移动。 (4)增大O2的浓度对反应速率影响的图像是__________________,平衡________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 向逆反应方向 (3)D 向逆反应方向 (4)B 向正反应方向 题组二 条件改变时对化学平衡移动结果的判断 3.(2015·高考浙江卷)乙苯催化脱氢制苯乙烯反应: CH2CH3(g) CH===CH2(g)+H2(g) 工业上,通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1∶9),控制反应温度600℃,并保持体系总压为常压的条件下进行反应。 在不同反应温度下,乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图如下: (1)掺入水蒸气能提高乙苯的平衡转化率,解释说明该事实: ____________________ ________________________________________________________________________。 (2)控制反应温度为600℃的理由是_________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析: (1)因为该容器内保持恒压,掺入水蒸气,相当于增大了容器的体积,而该反应的正反应是气体分子数增大的反应,化学平衡向右移动,提高了乙苯的平衡转化率。 (2)从图像可知,600℃时,乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。 如果温度过低,反应速率慢且转化率低;如果温度过高,选择性下降,且高温还可能使催化剂失去活性,同时还会消耗更多的能量。 答案: (1)正反应方向气体分子数增加,加入水蒸气稀释,相当于起减压的效果 (2)600℃,乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。 温度过低,反应速率慢,转化率低;温度过高,选择性下降。 高温还可能使催化剂失活,且能耗大 4.[2017·高考全国卷Ⅰ,28(3)]H2S与CO2在高温下发生反应: H2S(g)+CO2(g)COS(g)+H2O(g)。 在610K时,将0.10molCO2与0.40molH2S充入2.5L的空钢瓶中,反应平衡后水的物质的量分数为0.02。 (1)H2S的平衡转化率α1=________%,反应平衡常数K=____________。 (2)在620K重复实验,平衡后水的物质的量分数为0.03,H2S的转
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