高二化学化学平衡（1）人教实验版知识精讲

高二化学高二化学化学平衡（化学平衡（1 1）人教实验版人教实验版 【本讲教育信息本讲教育信息】 一. 教学内容： 化学平衡（1） 1. 化学平衡状态 2. 化学平衡常数和化学平衡简单计算 二. 重点、难点 1. 理解化学平衡的概念，掌握化学平衡的特征。 2. 了解化学平衡常数的意义，能进行有关起始浓度、平衡浓度等的简单计算。 三. 教学过程 （一）化学平衡状态 1、化学平衡的研究对象可逆反应可逆反应 （1）可逆反应的定义：在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方 向进行的反应，叫做可逆反应。 （2）可逆反应的特征：正反应和逆反应同时进行，不能向一个方向完全进行到底，反 应物的转化率不能达到 100%。 2、化学平衡的建立 对于可逆反应 CO+H2O（g） CO2+H2。在一定条件下，将 0.01 mol CO 和 0.01 mol H2O（g）通入 1 L 密闭容器中，开始反应。 （1）反应刚开始时：反应物的浓度最大 ，正反应速率最大 。生成物的浓度为零 ， 逆反应速率为零 。 （2）反应进行中：反应物的浓度逐渐减小，正反应速率逐渐减小。生成物的浓度逐渐 增大，逆反应速率逐渐增大。 （3）肯定最终有一时刻，正反应速率与逆反应速率相等，此时，反应物的浓度不再变 化，生成物的浓度也不再变化。正反应速率和逆反应速率随时间的变化关系如图所示： 3、化学平衡状态 （1）定义：指在一定条件下的可逆反应，正反应和逆反应速率相等，反应混合物中各 组分的浓度保持不变的状态。 （2）特征： 逆：逆：是指可逆反应可逆反应，是化学平衡研究的对象，只有可逆反应，才有可能有平衡状态。 动：动：是指反应达到化学平衡状态时，v正=v逆0，反应仍在进行，是个动态平衡动态平衡。 定：定：是指反应达到平衡时，各组成成分的物质的量浓度、百分含量等不再发生改变， 是一个定值。 变：变：是指化学平衡状态是有条件的，条件改变，平衡可能会破坏，然后在新的条件下 建立起新的平衡，即化学平衡是可以改变的。 （3）特点：对于同一个可逆反应，在相同的条件下（恒温恒容或恒温恒压） ，不管是 从正反应开始，还是从逆反应开始，或从正反应和逆反应同时开始，都可以建立同一平衡 状态。即化学平衡状态与条件有关，而与建立平衡的途径无关。 （4）标志： 可逆反应达到平衡时，V正=V逆，即单位时间内任一物质生成多少，就消耗多少。表现 在外部的特点是：各物质的物质的量不变，总物质的量也不变，每一种物质的物质的量的 百分含量也不变，混合气体的平均相对分子质量也不变，每种物质的浓度也不变，如温度、 体积固定，反应容器内的总压，也不随时间的变化而变化。 （但对反应前后气体物质分子数 相等的可逆反应，就不能用总压、平均分子质量是否随时间变化来判断是否达到了平衡。 ） （1）直接（特征）标志： V正=V逆：指反应体系中的用同一种物质来表示的正反应速率和逆反应速率相等，但 对不同物质而言，速率不一定相等。 现以 N2（g）3H2（g）2NH3（g）为例，在单位时间、单位体积内： I、若有 1molN2消耗消耗（代表 V正） ，同时有 1molN2生成生成（代表 V逆） 。同种物质只需考虑 量是否相同，所以有 1molN2消耗必然同时有 1molN2生成，即 V正（N2）=V逆（N2） 。 II、若有 1molN2消耗消耗（代表 V正） ，同时有 3molH2生成生成（代表 V逆） 。不同种物质要考 虑化学计量数，由化学方程式知 N2和 H2化学计量数之比为 1：3，所以有 1molN2消耗必然 同时有 3mol H2生成，即 V逆（H2）3V正（N2） ，由此可见两者数值不相等。 III、同理可得以下关系：若有 1molN2消耗消耗（代表 V正） ，同时有 2mol NH3消耗消耗（代表 V逆） ；若有 nmolN2消耗（代表 V正） ，同时有 2nmol NH3消耗（代表 V逆） IV、同时还可以推出：若有 1molNN 键断裂，则有 6molNH 键断裂。 各物质的百分含量保持不变。 （2）间接（等价）标志： 混合气体的总压强、总体积、总物质的量不随时间的改变而改变。 （注：m+np）对 于反应前后的气体物质的分子总数不相等的可逆反应（如 2SO2+O2 2SO3）来说，可利用 混合气体的总压、总体积、总物质的量是否随着时间的改变而改变来判断是否达到平衡。 对于反应前后气体物质的分子数相等的可逆反应：（如 H2+I2（g） 2HI） ，不能用此标 志判断平衡是否到达，因为在此反应过程中，气体的总压、总体积、总物质的量都不随时 间的改变而改变。 各物质的浓度不随时间的改变而改变。 各物质的物质的量不随时间的改变而改变。 各气体的体积、各气体的分压不随时间的改变而改变。 小结：小结：判断可逆反应达到平衡状态的方法和依据 例举反应mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g） （1）各物质的物质的量或各物质的物质 的量的分数一定 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 混合物体系 中各成分的 浓度 （4）总体积、总压力、总物质的量一定。 （如反应前后气体体积不变的反应） 不一定平衡 （1）单位时间内消耗了 mmolA 同时生成 mmolA，则 v正=v逆（对于同一物质而言）平衡 （2）在单位时间内消耗了 nmolB 同时消 耗了 pmolC，则 v正=v逆 平衡 （3）v（A）：v（B）：v（C）：v（D） =m：n：p：q（v正不一定等于 v逆） 不一定平衡 正逆反应速 率的关系 （4）在单位时间内生成了 n molB，同时 消耗了 q molD（因均指 v逆） 不一定平衡 （1）若 m+np+q 时，总压力一定（其 它条件一定） 平衡 压强 （2）若 m+n=p+q 时，总压力一定（其它 条件一定） 不一定平衡 （1）当 m+np+q 时 Mr=m（气）/n（总） 平衡 混合气体的 平均相对分 子质量 （Mr） （2）Mr 一定时，但 m+n=p+q 时不一定平衡 温度 任何化学反应都伴随着能量变化，当体 系温度一定时（其他不变） 平衡 体系的密度 （） 密度一定（固定容积不变） m 气 V 不一定平衡 其他如体系颜色不再变化时等平衡 （二）化学平衡常数和化学平衡简单计算 1、化学平衡常数 （1）定义：在一定温度下，可逆反应达到平衡后，各生成物浓度化学计量数方次的乘 积与各反应物浓度化学计量数方次的乘积的比值，为一常数，该值就称为这个反应的平衡 常数，用 K 表示。 K 值表达式中各物质的浓度A、B、C、D是指平衡浓度平衡浓度，不是起始浓度，也 不是物质的量。 生成物浓度的乘积写在表达式的分子上，反应物浓度的乘积写在分母上。 表达式中所用的浓度是指气体或溶液的平衡浓度。对于固体物质的浓度是没有意义 的，也就是表达式中不写固体或纯液体的浓度。 平衡常数随温度的改变而改变，与浓度、压强、催化剂变化无关。 （3）意义：平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度。 K 值越大，说明平衡体系中生成物所占的比例越大，它的正向反应进行的程度越大， 即该反应进行得越完全，反应物转化率越大；反之，就越不完全，转化率就越小。 一般地说，K105时，该反应进行得基本完全了；K 在 105左右，则认为反应很难 进行。 （4）应用： 令 Q= 其中 c（C）、c（D）、c（A）、c（B）为某时 刻浓度。则： 当 QK 时，可逆反应已达平衡状态； 当 QK 时，v正v逆，可逆反应向逆反应方向进行（或平衡向逆反应方向移动） ； 当 QK 时，v正v逆，可逆反应向正反应方向进行（或平衡向正反应方向移动） 。 2、化学平衡的计算 （1）四个量起始量、变化量、平衡量、差量 反应物的平衡量=起始量转化量 生成物的平衡量=起始量转化量 各物质转化浓度之比=它们在化学方程式中化学计量数之比。变化浓度是联系化学方 程式、平衡浓度、起始浓度、转化率、化学反应速率的桥梁。因此，抓变化浓度是解题的 关键。 化学平衡前后，同种元素原子的物质的量相等。 （2）三个百分数： 反应物的转化率：可逆反应达到平衡状态时，某一指定反应物转化的物质的量（或 浓度）与起始物质的量（或起始浓度）的比值。转化率的大小，可以说明该反应所进行的 程度，即原料利用率的大小。但转化率随着反应物起始浓度的不同而不同，这一点区别于 平衡常数 K。可见，平衡常数 K 更能反映出反应的本质。 转化率=n转化/n起始100%=c转化/c起始100% 生成物的产率：实际产量（指生成物）占理论产量的百分数。一般来讲，转化率越 大，原料利用率越高，则产率也越大。 产率=产物实际产量/理论产量100% 混合物组分的百分含量 平衡总量 平衡量 （3）三个常用公式 、相同时，或 混合气体的相对分子质量（运用质量守恒定律计算混合气体的质量 ，运用方程式的计量数计算混合气体的总物质的量） 混合气体的密度（运用质量守恒定律计算混合气体的质量，注意恒容 和恒压对体积的影响） 【典型例题典型例题】 例 1. H2（g）+ I2（g） 2HI（g）已经达到平衡状态的标志是 。 c（H2）=c（I2）=c（HI）时 c（H2）：c（I2）：c（HI）=1：1：2 时 c（H2） 、c（I2） 、c（HI）不再随时间而改变 单位时间内生成 nmolH2的同时生成 2nmolHI 单位时间内生成 nmolH2的同时生成 nmolI2 反应速率v（H2）=v（I2）=v（HI） 2 1 一个 HH 键断裂的同时有两个 HI 键断裂 温度和体积一定时，容器内压强不再变化 温度和体积一定时，混合气体的颜色不再变化 温度和压强一定时，混合气体的密度不再变化 分析：分析：浓度相等，不能说明已达到平衡状态； 浓度之比与平衡状态无必然联系； 浓度不变，说明已达平衡。注意不要把浓度不变与、两种情况混淆； “生成 nmolH2”指逆反应， “生成 2nmolHI”指正反应，且v正=v逆，正确； “生成 nmolH2” 、 “生成 nmolI2”都指逆反应，不能判断； 无论是v正、v逆，用不同物质表示时，一定和化学计量数成正比，与是否达到平衡 状态无关。 从微观角度表示 v正=v逆，正确； 由于 V（g）= 0，压强始终不改变； 颜色不变，说明 I2（g）浓度不变，可以判断； 由于 V（g）= 0，体积始终不变，且反应混合物总质量始终不变，密度不变，不 能判断是否达到平衡。 答案：答案： 例 2. 在一定温度下，可逆反应 X（g）3Y（g）2Z（g）达到平衡的标志是（ ） A. Z 的生成速率与 Z 的分解速率相等 B. 单位时间生成a mol X，同时生成 3a mol Y C. X、Y、Z 的浓度不再变化 D. X、Y、Z 的分子数比为 132 分析：分析：由化学平衡状态的定义可知达到平衡状态的根本标志有两个：一是v正=v逆， 二是各组分的浓度不再变化。故 A、C 是正确的。而 B 只表示出了逆反应速率。因条件改变， 平衡要移动，三种分子数之比保持方程式中的化学计量数比的可能性很小。答案为 AC。 例 3. 在某温度下，在一容积不变的容器中，反应 2A（g）B（g）2C（g）达到平衡 时，A、B 和 C 的物质的量分别为 4mol、2mol 和 4mol，保持温度和体积不变，对平衡混合 物中三者的物质的量做如下调整，试用平衡常数分析平衡移动的方向： A. 均减半B. 均加倍C. 均增加 1molD. 均减少 1mol 分析：分析：温度不变，平衡常数为定值。设容器体积为 V，则： K（4/V）2（4/V）22/VV/2 对于 A. Q（2/V）2（2/V）21/VVV/2，QK，平衡向逆反应方向移动；对 于 B. Q（8/V）2（8/V）24/VV/4V/2，QK，平衡向正反应方向移动；对于 C. Q（5/V）2（5/V）23/VV/3V/2，QK，平衡向正反应方向移动；对于 D. Q（3/V）2（3/V）21/VVV/2，QK，平衡向逆反应方向移动。答案选 C。 例 4. 在一定温度、压强和有催化剂存在条件下，将 N2和 H2按 1：3 的体积比混合，当 反应达平衡时，混合气中含有m mol 的 NH3，且 NH3的体积分数为 a%，求起始时 N2、H2的 物质的量。 分析：分析：设起始状态 N2为xmol，则 H2为 3xmol。 N2 + 3H2 2NH3 起始物质的量（mol） x 3x 0 转化物质的量（mol） m/2 3m/2 m 答案：答案：N2的物质的量为H2的物质的量为 3（）。 例 5. 将等物质的量的 A，B 混合于 2L 的密闭容器中，发生反应 3A（气）B（气） x C（气）2D（气）经 5min 后达到平衡时，测知 D 的浓度为 0.5mol/L，A：B =3：5，C 的平均反应速率为 0.1mol/Lmin。试求（1）A 的平衡浓度是多少？（2）B 的平 均反应速率？（3）x？ 分析：分析：设 A 的起始浓度为 xmol/L；B 的平均反应速率为 VB。 3A（气）B（气） x C（气）2D（气） 起始浓度（mol/L） x x 0 0 转化浓度（mol/L） 0.75 0.25 0.5 平衡浓度（mol/L） 0.15 0.5 （1）由（x0.75）：（x0.25）=3：5，得 x=1.5（mol/L） ； A 的平衡浓度为 1.50.75=0.75mol/L 根据化学反应速率与反应方程式系数成比例的规律，不难得到： （2）vB=vD/2=0.05mol/（Lmin） （3）vC=vD，x=2 答案：答案：（1）A 的平衡浓度是=0.75mol/L；（2）B 的平均反应速率是 0.05mol/（Lmin） ；（3）x2。 例 6. 1 体积 SO2和 3 体积空气混合后在 450以上通过 V2O5催化剂发生反应。若同温同 压下测得反应前后混合气体的密度比为 0.9：1，求 SO2的转化率。 分析：分析：体积与密度为反比关系，反应前后气体的密度比为 0.9：1，则前后体积比为 1：0.9，即气体总体积减少了 10%，反应前后混合气体的体积差量=10%4=0.4 体积。这样 就将已知的密度比转换成了气体体积差量，利用差量法进行计算： 2SO2+O22SO3 V 2 1 转化体积 x 0.4 x=0.8 SO2的转化率=0.8/1=80% 答案：答案：SO2的转化率为 80%。 例 7. 在某温度下，将 H2和 I2各 0.10mol 的气态混合物充入 10L 密闭容器中，充分反应， 达到平衡后，测得。L/mol0080 . 0 )H( c 2 （1）求该反应的平衡常数。 （2）在上述温度下，该容器中若通入 H2和 I2蒸气各 0.20mol，试求达到化学平衡状 态时各物质的浓度。 分析：分析：（1）依题意可知，平衡时L/mol0080 . 0 )H( c 2 消耗，生成L/mol0020 . 0 )H( c 2 L/mol0040 . 0 )HI( c 2HI 22 IH 起始时各物质浓度/molL1 0.010 0.010 0 平衡时各物质浓度/molL1 0.0080 0.0080 0.0040 25 . 0 )0080 . 0 ( )0040 . 0 ( )I ( c)H( c )HI( c K 2 2 22 2 答：答：平衡常数为 0.25。 （2）依题意可知：L/mol020 . 0 )H( c 2 L/mol020 . 0 )I ( c 2 设 H2的消耗浓度为 x，则： 2HI 22 IH 平衡时物质浓度/molL10.020x 0.020x 2x 因为 K 不随浓度发生变化 25 . 0 )x020 . 0 ( )x2( )I ( c)H( c )HI( c K 2 2 22 2 解得L/mol0040 . 0 x 平衡时L/mol016 . 0 )I ( c)H( c 22 L/mol0080 . 0 )HI( c 答：答：，。L/mol016 . 0 )I ( c)H( c 22 L/mol0080 . 0 )HI( c 答案：答案：（1）反应的平衡常数为 0.25；（2）化学平衡状态时各物质的浓度分别为： 。L/mol0080 . 0 )HI( cL/mol016 . 0 )I ( c)H( c 22 ， 例 8. 在密闭容器中，将 2.0molCO 与 10mol H2O 混合加热到 800，达到下列平衡： CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）K=1.0 求 CO 转化为 CO2的转化率。 分析：分析：设 x 为达到平衡时 CO 转化为 CO2的物质的量，V 为容器容积。 66 . 1 12 20 x xx1220 x )x10)(x0 . 2(x 22 2 CO 转化为 CO2的转化率为：%83%100 0 . 2 66 . 1 答：CO 转化为 CO2的转化率为 83%。 【模拟试题模拟试题】 1、下列方法中可以证明 A（s） + 2B2（g） 2C2（g） +D2（g） 已经达到平衡状 态的是 单位时间内生成了 2molC2的同时也生成了 1molA 一个 B B 键断裂的同时有一个 C C 键生成 反应速率（B2）=（C2）=1/2 （D2） C（B2）：C（C2）：C（D2） = 2：2：1 温度、体积一定时，B2、C2、D2物质的量浓度不再变化 温度、体积一定时，容器内的压强不再变化 条件一定时，混合气体的平均相对分子质量不再变化 温度、体积一定时，混合气体的密度不再变化 百分组成 B2% = C2% = D2% 2、下列哪种说法可以证明反应：N2+3H22NH3已达到平衡状态 A、1 个 NN 键断裂的同时，有 3 个 HH 键形成 B、1 个 NN 键断裂的同时，有 3 个 HH 键断裂 C、1 个 NN 键断裂的同时，有 6 个 NH 键断裂 D、1 个 NN 键断裂的同时，有 6 个 NH 键形成 3、在一定温度下，可逆反应 A（g）+3B2C（g）达到平衡状态的标志是 A、C 生成的速率与 C 分解的速率相等 B、A、B、C 的浓度不再变化 C、单位时间内，生成 n mol A，同时生成 3n mol B D、A、B、C 的分子数之比为 1：3：2 4、可逆反应达到平衡的重要特征是 A、反应停止了 B、正逆反应的速率均为零 C、正逆反应都还在继续进行 D、正逆反应的速率相等 5、把 HI 气体充入密闭容器中，在一定条件下发生反应：2HI（g）H2（g）+I2（g） H0，在反应趋向平衡状态的过程中，下列说法正确的是 A、HI 的生成速率等于其分解速率 B、HI 的生成速率小于其分解速率 C、HI 的生成速率大于其分解速率 D、无法判断 HI 的生成速率和分解速率的相对大小 6、在一定条件下，反应 A2（g）+B2（g）2AB（g）达到平衡状态的标志是 A、单位时间内生成n mol A2的同时，生成2n mol 的 AB B、容器内的总压强不随时间而变化 C、单位时间内生成2n mol AB 的同时，生成n mol 的 B2 D、单位时间内，生成n mol A2的同时，生成n mol 的 B2 7、在一定温度下，将 2mol SO2和 1mol O2充入一定容积的密闭容器中，在催化剂作用下 发生如下反应：2SO2（g）+O2（g）2SO3（g） ，H=197kJmol1。当达到化学平衡 时，下列说法中正确的是 A、生成 SO3 2mol B、放出 197kJ 热量 C、SO2和 SO3共 2mol D、含氧元素 8mol 8、对于一定条件下，在密闭容器中已达到平衡状态的可逆反应：NO2+CONO+CO2下列 说法中不正确的是 A、平衡体系中气体总的物质的量等于开始反应时体系中气体总的物质的量 B、从开始反应至达到平衡状态，容器内压强始终保持不变 C、达到平衡时，NO2、CO2、NO、CO 的物质的量均相等 D、达到平衡时，NO 和 CO2的物质的量之和等于 NO2和 CO 的物质的量之和 9、2NO+O22NO2在密闭容器中反应，达到平衡状态的标志是 单位时间内生成 n mol O2的同时，生成 2n mol NO2； 单位时间内生成 n mol O2的同时，生成 2n mol NO； 用 NO2、NO、O2的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为 2：2：1； 混合气体的颜色不再发生改变的状态； 混合气体的密度不再改变的状态； 混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态 A、 B、 C、 D、 10、下列数据是一些反应的平衡常数，试判断，表示反应进行得最接近完全的平衡常数 是（ ） A、K=1B、K=101C、K=1010D、K=1010 11、在温度和压强不变时，1LNO2高温分解（）达到平衡时体积变 为 1.3L，这时 NO2的转化率为（ ） A、40%B、20%C、60%D、5% 12、有一可逆反应 2A（g）+3B（g） 4C（g）+D（g） ，已知起始浓度A =2mol/L，B=3mol/L，C=D=0，反应开始 20min 后达到平衡状态，此时 D 的平衡浓度 为 0.5mol/L，则下列说法不正确的是（ ） A、前 20min 的平均反应速率 min)/(1 . 0LmolVC B、A 的转化率为 50% C、C 的平衡浓度C=4mol/L D、B 的平衡浓度B=1.5mol/L 13、在体积为 a L 的密闭容器中，放入 2 LA 气体和 1 LB 气体，在一定条件下发生反应： 3A（气）+B（气）nC（气）+2D（气） ，反应达平衡后，A 的浓度减少到原来的 1/2， 混合气体的平均相对分子质量增大了 1/8，则反应式中的 n 值为（ ）