第1課時化學平衡狀態化學平衡常數目標素養1.能描述化學平衡的建立過程及化學平衡狀態的特征。2.知道化學平衡常數的含義;能書寫平衡常數表達式,能進行平衡常數、轉化率的簡單計算,能利用平衡常數和濃度商的關系判斷化學反應是否達到平衡及反應進行的方向。3.能認知平衡圖像及應用。4.能運用濃度、壓強、溫度對化學平衡的影響規律,推測平衡移動方向及濃度、轉化率等相關物理量的變化,能討論化學反應條件的選擇和優化。知識概覽一、化學平衡狀態1.建立過程。很多化學反應是可逆的。一定條件下,對于可逆反應,可以從

正反應

方向開始建立化學平衡狀態,可以從

逆反應

方向開始建立化學平衡狀態,也可以從正、逆反應雙向建立化學平衡狀態。

2.定義。在一定條件下的可逆反應體系中,當正、逆反應的速率

相等

時,反應物和生成物的

濃度

均保持不變,即體系的組成不隨時間而改變,反應中物質的轉化達到了

“限度”

。3.五大特征。

提示:不是。兩個反應的條件不同。2.當可逆反應在一定條件下達到平衡后,正、逆反應是否都停止了?提示:不是。化學平衡是一種動態平衡,可逆反應達平衡后,正、逆反應仍在進行。微判斷1(1)一定條件下,可逆反應正向進行才能達到平衡狀態。(

)(2)可逆反應達到平衡狀態時,反應體系中各組分的濃度相等。(

)(3)合成氨反應在一定條件下進行,當v正(N2)=v逆(H2)時反應達到平衡狀態。(

)(4)在一定溫度下進行反應2NO2(g,紅棕色)N2O4(g,無色),當顏色不變時說明反應達到平衡狀態。(

)×××√(5)平衡時體系內各物質濃度保持不變,由v=知用各反應物表示的反應速率均為0,反應處于靜止狀態。(

)(6)在已達到平衡的可逆反應:2SO2+O22SO3中,充入18O2一段時間后,18O只存在于SO2和SO3中。(

)××微訓練11.下列對可逆反應的認識正確的是(

)。A.SO2+Br2+2H2O══H2SO4+2HBr與2HBr+H2SO4(濃)══Br2+SO2↑+2H2O屬于可逆反應B.既能向正反應方向進行,又能向逆反應方向進行的反應叫可逆反應C.H2與I2在加熱時,生成HI,同時HI又分解出H2和I2,屬于可逆反應答案:C解析:可逆反應是在相同條件下同時向正、逆兩個方向進行的反應,A、D項的兩個方向進行的反應條件不同;B項未指明“是相同條件”,因此,只有C項正確。2.在密閉容器中進行反應:X2(g)+Y2(g)2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始濃度分別為0.1

mol·L-1、0.3

mol·L-1、0.2

mol·L-1,在一定條件下,當反應達到平衡時,各物質的濃度有可能是(

)。A.Z為0.3

mol·L-1B.Y2為0.4

mol·L-1C.X2為0.2

mol·L-1D.Z為0.4

mol·L-1答案:A解析:可利用極端假設法判斷,假設反應正向或逆向進行到底,求出各物質濃度的最大值和最小值,從而確定它們的濃度范圍。假設反應正向進行到底:X2(g)+Y2(g)2Z(g)起始濃度/(mol·L-1)

0.1

0.3

0.2變化濃度/(mol·L-1)

0.1

0.1

0.2終態濃度/(mol·L-1)

0

0.2

0.4假設反應逆向進行到底:X2(g)+Y2(g)2Z(g)起始濃度/(mol·L-1)

0.1

0.3

0.2變化濃度/(mol·L-1)

0.1

0.1

0.2終態濃度/(mol·L-1)

0.2

0.4

0平衡體系中各物質的濃度范圍為0<c(X2)<0.2

mol·L-1,0.2

mol·L-1<c(Y2)<0.4

mol·L-1,0<c(Z)<0.4

mol·L-1。二、化學平衡常數1.對于可逆反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),在任意時刻的

稱為濃度商,符號為

Q

;在一定溫度下達到平衡時刻的

稱為化學平衡常數,符號為

K

。

2.化學平衡常數是表明化學反應

限度

的一個特征值,通常只受

溫度

影響。當

Q=K

時,可逆反應達到限度,即達到

化學平衡狀態

。

3.通常,K越大,說明平衡體系中生成物所占的比例

越大

,正反應進行的程度

越大

,即該反應進行得越

完全

,平衡時反應物的轉化率越

大

;反之,K越小,該反應進行得越不完全,平衡時反應物的轉化率越

小

。一般來說,當

K>105

時,該反應就進行得基本完全了。

提示:K1·K2=1。

微判斷2(1)對于一個可逆反應,平衡正向移動時,平衡常數增大。(

)(2)平衡常數的大小只與溫度有關,而與濃度、壓強、催化劑等無關。(

)(4)增大生成物濃度,平衡常數增大;增大反應物濃度,平衡常數減小。(

)×√××(5)通常情況下,K越大,說明反應正向進行的程度越大,反應進行得越完全。(

)√×微訓練21.關于化學平衡常數的敘述正確的是(

)。A.化學平衡常數與溫度無關B.兩種物質反應,不管怎樣書寫化學方程式,平衡常數不變C.化學平衡常數等于某時刻生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值D.溫度一定,對于給定的化學反應,正、逆反應的平衡常數互為倒數答案:D解析:A項,通常情況下,化學平衡常數只受溫度影響;B項,平衡常數與化學方程式的書寫形式有關;C項,K表達式中各物質的濃度均為平衡濃度;D項,根據K的表達式,推知正、逆反應的平衡常數互為倒數。2.T

℃時,在容積為2

L的恒容密閉容器中投入N2和H2進行合成氨反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g),10

s后達到化學平衡狀態。(1)反應過程中:0~10

s內N2的物質的量由6

mol變為4

mol,則H2的物質的量由14

mol變為

mol,v(H2)=

。(2)能說明該反應已經達到平衡狀態的是

。

A.c(N2)=c(H2)=c(NH3) B.容器內壓強保持不變C.v正(N2)=3v逆(H2) D.容器內氣體的密度保持不變(3)T

℃時,該反應的平衡常數K=

。

80.3mol·L-1·s-1B一、化學平衡狀態判斷的依據重難歸納1.直接依據。v正=v逆。2.間接依據。以反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)為例進行說明。比較項目可能的情況舉例是否已達平衡混合體系中各成分的含量各物質的物質的量(或物質的量分數)一定是各物質的質量(或質量分數)一定是各氣體的體積(或體積分數)一定是總體積、總壓強或總物質的量一定不一定比較項目可能的情況舉例是否已達平衡正、逆反應速率的關系在單位時間內消耗了mmolA,同時生成了mmolA是在單位時間內消耗了nmolB,同時消耗了pmolC是v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q不一定在單位時間內生成了nmolB,同時消耗了qmolD不一定壓強m+n≠p+q時,總壓強不變(其他條件一定)是m+n=p+q時,總壓強不變(其他條件一定)不一定比較項目可能的情況舉例是否已達平衡混合氣體的平均相對分子質量當m+n≠p+q時,不變是當m+n=p+q時,不變不一定氣體的密度密度不變不一定顏色反應體系內存在有色物質時,體系顏色保持不變是溫度絕熱體系中溫度不變是對于任一可逆反應,在一定條件下,只加入反應物或只加入生成物或同時加入反應物和生成物,都可發生反應。進行到某一時刻時,各組分的濃度將不再變化,達到化學平衡狀態。1.各組分的濃度不再變化,是否反應停止了?提示:此時正、逆反應仍在進行,只是其速率相等,所以濃度不再變化。2.若反應體系的總壓強不變,該可逆反應一定達到平衡了嗎?為什么?提示:不一定。若反應在恒溫恒容條件下進行,如果反應前后氣體體積可變,則壓強不變可作為該反應達到化學平衡的判斷依據;如果反應前后氣體體積不變,則壓強不變不可以作為該反應達到化學平衡的判斷依據。典例剖析有下列兩個可逆反應。反應1:在容積固定的密閉容器中進行可逆反應2NO2(g)2NO(g)+O2(g),其中NO2是紅棕色氣體。反應2:在容積固定的密閉容器中進行可逆反應H2(g)+I2(g)

2HI(g),其中I2(g)是紫色氣體。以上兩個反應過程中,有下列情況:①同一物質正反應速率等于逆反應速率。②混合氣體的顏色不再改變。③混合氣體的密度不再改變。④混合氣體的壓強不再改變。⑤混合氣體的平均相對分子質量不再改變。⑥對于反應1,單位時間內生成nmolO2的同時生成2nmolNO2。⑦對于反應2,用H2、I2和HI表示的反應速率之比為1∶1∶2。(1)上述情況中能作為反應1達到平衡狀態標志的是

。

(2)上述情況中能作為反應2達到平衡狀態標志的是

。答案:(1)①②④⑤⑥

(2)①②

解析:(1)對于反應2NO2(g)2NO(g)+O2(g),當同一物質的正、逆反應速率相等,即v正=v逆時,反應處于平衡狀態,①正確;混合氣體的顏色不再改變時,說明c(NO2)一定,故反應處于平衡狀態,②正確;氣體的密度

,其中氣體的質量和容器的容積是定值,故氣體的密度不變不能作為達到平衡狀態的標志,③錯誤;由于該反應為反應前后氣體體積變化的反應,故密閉容器中的壓強不變,表明反應處于平衡狀態,④正確;混合氣體的相對分子質量可借助

來計算,該反應中氣體的質量始終保持不變,而氣體的物質的量為變量,故平均相對分子質量為變量,當變量保持不變時,表明反應處于平衡狀態,⑤正確;單位時間內生成O2和生成NO2的反應方向相反,且兩者的物質的量變化之比為1∶2,故反應處于平衡狀態,⑥正確。(2)對于反應H2(g)+I2(g)2HI(g),當同一物質的正、逆反應速率相等時,反應處于平衡狀態,①正確;混合氣體的顏色不再改變時,說明c(I2)一定,反應處于平衡狀態,②正確;由于氣體的質量和容器的容積是定值,故氣體的密度不變不能作為反應達到平衡狀態的標志,③錯誤;由于該反應為反應前后氣體體積不變的反應,容器中氣體的物質的量保持不變,則容器中的壓強不變,反應不一定處于平衡狀態,④錯誤;由于該反應氣體的質量、氣體的物質的量是定值,故氣體的平均相對分子質量不變時,不能判斷反應是否處于平衡狀態,⑤錯誤;反應的任何時刻,用H2、I2和HI表示的反應速率之比均為1∶1∶2,⑦錯誤。【拓展延伸】根據上題。(1)對于反應1,當v正(NO2)=v逆(O2)時,反應是否達到平衡狀態?(2)對于反應2,當I2(g)為I2(s),平均相對分子質量不改變時,反應是否達到平衡狀態?答案:(1)否(2)是方法歸納平衡思想:理解平衡狀態的判定標志。

判斷化學反應是否達到化學平衡狀態,關鍵是看給定條件下題中提供的物理量是“變量”還是“恒量”,當“變量”達到不變時,表明反應達到平衡狀態,而“恒量”不變不能說明反應是否達到平衡狀態。以下均可表明反應達到平衡狀態。

(1)全部是氣體參加的非等體積反應,體系的壓強、平均相對分子質量不再隨時間而變化。

(2)對同一物質而言,斷裂的化學鍵的物質的量與形成的化學鍵的物質的量相等。(3)對于有色物質參加或生成的可逆反應,體系的顏色不再隨時間而變化。

(4)絕熱體系的溫度不變。

(5)全部是氣體的非等體積反應,恒壓條件下,密度不再變化;對于有固體參與或生成的氣體平衡體系,恒容條件下,氣體的密度不再變化。學以致用1.一定條件下,可逆反應2A(g)B(g)+3C(g),在下列四種狀態中處于平衡狀態的是(

)。選項正反應速率逆反應速率Av(A)=2mol·L-1·min-1v(B)=2mol·L-1·min-1Bv(A)=2mol·L-1·min-1v(C)=2mol·L-1·min-1Cv(A)=1mol·L-1·min-1v(B)=2mol·L-1·min-1Dv(A)=1mol·L-1·min-1v(C)=1.5mol·L-1·min-1D解析:根據平衡狀態的判斷依據v正=v逆,將分別用B、C表示的逆反應速率轉化為用A表示的逆反應速率,只有D項中的反應達到平衡狀態。2.將一定量純凈的氨基甲酸銨置于真空密閉容器中(假設容器容積不變,固體試樣體積忽略不計),在恒定溫度下使其達到分解平衡H2NCOONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)。以下能判斷該反應已經達到化學平衡狀態的是(

)。①2v(NH3)=v(CO2)

②密閉容器中總壓強不變③密閉容器中混合氣體的密度不變④密閉容器中氨氣的體積分數不變⑤密閉容器中c(NH3)不變A.②③⑤ B.②③④C.①④⑤ D.①②③④⑤A解析:①沒說明正反應速率和逆反應速率,故不能作為判斷反應達到平衡狀態的依據;②密閉容器中總壓強與氣體物質的量成正比,壓強不變說明平衡時n(氣)不變,故壓強不變可以作為判斷反應達到平衡狀態的依據;③

,m(氣)可變,故密度不變可以作為判斷反應達到平衡狀態的依據;④n(NH3)∶n(CO2)=2∶1,故氨氣的體積分數為恒值,不能作為判斷反應達到平衡狀態的依據;⑤根據定義,c(NH3)不變可以作為判斷反應達到平衡狀態的依據。二、化學平衡常數重難歸納使用化學平衡常數應注意的問題。(1)通常情況下,化學平衡常數只與溫度有關,使用化學平衡常數數值時,必須注明對應的溫度。(2)化學平衡常數表達式中各物質的濃度必須是平衡狀態下的濃度。(3)化學平衡常數不表示反應的快慢,即化學反應速率大,K值不一定大。(4)K的單位一般不作要求。(5)書寫平衡常數表達式時,固體、純液體(如水、乙醇等)的濃度視為常數,不寫入表達式。(6)化學平衡常數是指某一具體反應的平衡常數。①若反應方向改變,則平衡常數改變,改變前后兩個反應的平衡常數互為倒數。②若化學方程式中各物質的化學計量數成比例擴大或縮小,盡管是同一反應,平衡常數也會改變。(7)利用平衡常數計算反應物的轉化率等。依據可逆反應方程式和平衡常數,利用三段式可以計算體系中各組分的平衡濃度、起始濃度或變化濃度,從而計算反應物的轉化率、從反應開始到平衡時的化學反應速率等。很多化學反應具有可逆性,但是不同的可逆反應在一定條件下其限度不同。表征可逆反應限度的一個特征值就是化學平衡常數。1.制約化學平衡常數的因素是什么?提示:平衡常數的決定因素是可逆反應本身,同一個可逆反應,其書寫形式不同,K的表達形式不同,數值可能不同;通常情況下,平衡常數只受溫度的影響,同一個可逆反應,不同溫度下的平衡常數不同。2.一定條件下化學反應達到平衡狀態時,反應物的轉化率是否達到最大值?提示:是。典例剖析工業合成氨的反應為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。設在容積為2.0L的密閉容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g),反應在一定條件下達到平衡時,NH3的物質的量分數(NH3的物質的量與反應體系中氣體的總物質的量之比)為

。試計算:(1)該條件下N2的轉化率為

。

(2)該條件下,H2的轉化率為

,H2的物質的量分數為

。

(3)該條件下反應2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常數為

。

答案:(1)66.7%(2)75%

(或0.286)

(3)0.005解析:(1)設N2轉化的物質的量濃度為x

mol·L-1。

N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始濃度/(mol·L-1)0.30

0.80

0轉化濃度/(mol·L-1)x

3x

2x平衡濃度/(mol·L-1)0.30-x

0.80-3x

2x方法歸納平衡常數和平衡轉化率的相關計算方法:三段式法。

達到化學平衡狀態時各反應物、生成物物質的量(濃度)與起始量、變化量的關系如下。

反應物:n(平)=n(始)-n(變)

生成物:n(平)=n(始)+n(變)

對于可逆反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物質的量濃度分別為a

mol·L-1、b

mol·L-1,達到平衡后,A的消耗量為mx

mol·L-1。則有:

學以致用在容積不變的密閉容器中進行如下化學反應:CO2(g)+H2(g)

CO(g)+H2O(g),其化學平衡常數(K)與溫度的關系如下表所示:溫度/℃7008008301

0001

200K0.60.91.01.72.6回答下列問題:(1)該反應的化學平衡常數表達式為K=

。

(2)能判斷該反應達到化學平衡狀態的依據是

。

A.容器中壓強不變B.混合氣體中c(CO)不變C.v正(H2)=v逆(H2O)D.c(CO2)=c(CO)(3)某溫度下,平衡濃度符合下式:c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O),試判斷此時的溫度為

℃。

(2)BC(3)830解析:(3)當c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O)時,K=1.0,此時由表中數據可知溫度為830

℃。1.在一定條件下,向某容器中充入N2和H2合成NH3,以下敘述錯誤的是(

)。A.開始反應時,正反應速率最大,逆反應速率為0B.隨著反應的進行,正反應速率逐漸減小,最后減小為0C.隨著反應的進行,逆反應速率逐漸增大,最后保持恒定D.隨著反應的進行,正反應速率逐漸減小,最后與逆反應速率相等且都保持恒定答案:B解析:隨著反應的進行,反應物濃度逐漸減小,正反應速率逐漸減小,最后保持恒定,但不為0,B項錯誤。2.在一定容積的密閉容器中進行反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。已知反應過程中某一時刻N2、H2、NH3的濃度分別為0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.2mol·L-1。當反應達到平衡時,可能存在的數據是(

)。A.N2為0.2mol·L-1,H2為0.6mol·L-1B.N2為0.15mol·L-1C.N2、H2均為0.18mol·L-1D.NH3為0.4mol·L-1答案:B解析:反應為可逆反應,反應體系中任何一種物質的轉化率都小于100%,所以A、D兩項錯誤;從題給量的關系知無論反應進行到什么程度,c(N2)∶c(H2)=1∶3,因此兩者不可能同時均為0.18

mol·L-1,C項錯誤。3.在一定溫度下,向aL密閉容器中加入1molX氣體和2molY氣體,發生如下反應:X(g)+2Y(g)