資源簡介

第二節 化學平衡
第1課時 化學平衡狀態
教學目標
1.了解化學反應的可逆性，了解可逆反應的概念。　
2.知道可逆反應建立化學平衡的過程及化學平衡狀態的特征、判斷。
教學重難點
化學平衡狀態的特征、判斷。
教學過程
【新課導入】
在19世紀后期，人們發現煉鐵高爐排出的高爐氣中含有相當量的CO。有人認為是CO與鐵礦石的接觸時間不長所造成的。英國人耗巨資建成一個高大的煉鐵高爐，以增加CO和鐵礦石的接觸時間，結果發現CO的含量仍然沒有減少，你知道這是為什么嗎？
【回答】對于煉鐵高爐中的反應為可逆反應：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2，CO不能完全轉化，反應是有限度的。
可逆反應有什么特征呢，這節課我們研究一下可逆反應與化學平衡。
【新知講解】
【閱讀理解】閱讀教材p30、31，化學平衡狀態內容。
【過渡】我們已經學過許多化學反應，有的能進行到底，有的不能進行到底。請同學們思考并舉例說明
【回答】學生舉例說明化學反應存在的限度
【講述】 化學反應速率討論的是化學反應快慢的問題，但是在化學研究和化工生產中，只考慮化學反應進行的快慢是不夠的，因為我們既希望反應物盡可能快地轉化為生成物，同時又希望反應物盡可能多地轉化為生成物。例如在合成氨工業中，除了需要考慮如何使N2和H2盡快地轉變成NH3外，還需要考慮怎樣才能使更多的N2和H2轉變為NH3，后者所說的就是化學反應進行的程度問題——化學平衡。
【講述】如果對于一個能順利進行的、徹底的化學反應來說，由于反應物已全部轉化為生成物，如強酸與強堿的中和反應就不存在什么反應限度的問題了，所以，化學平衡主要研究的是可逆反應的規律。
可逆反應
1.概念：在相同條件下，既能向正反應方向進行又能向逆反應方向進行的化學反應。
2.特征：（1）可逆反應分為方向相反的兩個反應：正反應和逆反應。
（2）正、逆反應在相同條件下是同時進行的。
（3）反應物和生成物共存于同一體系中，反應物的轉化率小于100%。
（4）能量轉化類型相反：若正反應放熱，則逆反應吸熱。
【課堂練習】
1．對于可逆反應2SO2＋O22SO3，在混合氣體中充入一定量的18O2，足夠長的時間后，18O原子(　D　)
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
【解析】因為此反應是可逆反應，在一定條件下可同時向正、逆反應方向進行，向正反應方向進行時使SO3中含18O，向逆反應方向(含有18O的SO3分解)就可能使SO2中含有18O，所以D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，各物質的濃度可能是(　A　)
A．c(Z)＝0.3 mol·L－1
B．c(X2)＝0.2 mol·L－1
C．c(Y2)＝0.4 mol·L－1
D．c(X2)＋c(Y2)＋c(Z)＝0.55 mol·L－1
【解析】假設反應由正反應方向開始進行，由于Y2(g)過量，則完全轉化時，Z(g)的濃度為0.4 mol·L－1；假設反應由逆反應方向開始進行，則完全轉化時，X2(g)、Y2(g)的濃度分別為0.2 mol·L－1、0.4 mol·L－1。由題意知，該反應為可逆反應，反應物不可能完全轉化為生成物，生成物也不可能完全轉化為反應物，故A項正確，B、C項錯誤；又該反應是總體積不變的反應，反應達到平衡時，不論X2、Y2、Z怎么變化，總物質的量不會改變，物質的總濃度也不會改變，即c(X2)＋c(Y2)＋c(Z)＝0.6 mol·L－1，D項錯誤。
【過渡】在一定條件下的可逆反應中，反應物和生成物是同時存在的，物質的濃度以及反應速率是怎樣的？下面我們來研究一下。
【交流討論】
在一定條件下體積不變的密閉容器中充入2mol/LN2 和6mol/LH2 進行合成氨的反應，反應物和生成物的濃度隨時間的變化以及反應速率如圖所示
圖1 圖2
觀察圖片，交流討論以下問題：
（1）隨著反應的進行，反應物和生成物的濃度如何變化？正逆反應速率如何變化？
（2））當反應進行足夠長時間后，反應物和生成物的濃度是否發生變化？正逆反應速率是否發生變化？
（3）當反應進行足夠長時間后，是否意味著反應就停止了？
在相同條件下，向容器中充入4mol/L的NH3，發生反應2NH3 N2 +3H2 ，反應物和生成物的濃度隨時間的變化如圖所示
觀察圖片，交流討論以下問題
圖中最終狀態和圖1是否相同？
正逆反應速率如何變化，最終是否與圖2相等？
【講解】
觀察圖1可知，隨著反應的進行，NH3濃度逐漸增大，N2和H2的濃度逐漸減小，20min時各物質的濃度不再改變。開始時，反應物濃度最大，正反應速率也最大，生成物濃度為0，逆反應速率最小。隨著反應的進行，反應物濃度不斷被消耗，正反應速率隨著反應物濃度的下降而減小；逆反應速率隨著生成物濃度的上升而不斷增大。最終，正反應速率等于逆反應速率，達到化學平衡狀態，此時正、逆反應都沒有停止，反應物和生成物濃度不再隨時間而發生變化。
觀察圖3可知，NH3發生分解反應，隨著反應的進行，NH3濃度逐漸減小，正反應速率逐漸減小，N2和H2的濃度逐漸增大，逆反應速率逐漸增大，20min時各物質的濃度不再改變，正逆反應速率相等并且不再改變。圖1和圖3的平衡狀態是相同的，圖3達到平衡狀態時濃度與圖1相同，所以正逆反應速率也相同。
【結論】在以上圖像中我們可以得到以下結論：在可逆反應體系中，當正、逆反應速率相等時，反應物和生成物濃度均保持不變，即體系的組成不隨時間而改變，反應物的轉化達到了“限度”這時的狀態，稱為化學平衡狀態，簡稱化學平衡。
二、化學平衡狀態：
1.定義：一定條件下的可逆反應，正反應和逆反應速率相等，反應混合物中各組分濃度保持不變的狀態。
2.特征：逆—研究對象必須是可逆反應; 等—正反應速率和逆反應速率相等，即同一物質的消耗速率和生成速相等；動—化學平衡是動態平衡，即當反應達到平衡時，正反應和逆反應都仍在繼續進行；定—在平衡體系中，各組成成分的含量保持不變；變—改變影響平衡的條件，平衡會發生移動，達到新的平衡。
【交流討論】從化學平衡的特征中你能找到判斷可逆反應是否達到化學平衡的標志嗎？
達到化學平衡的標志：
正逆反應速率相等和反應混合物各組分濃度保持不變是判斷平衡的兩大主要標志
【方法總結】判斷化學平衡的標志
1.直接標志：
（1）速率關系：正逆反應速率相等。即 V正＝V逆
【講解】對于同一物質而言，該物質的生成速率等于它的消耗速率；對于不同物質而言，速率之比等于化學方程式中的化學計量數之比，但必須是不同方向的速率。
【課堂練習】
3、一定條件下，反應A2(g)+B2(g) 2AB(g)達到平衡的標志是（BD）
A、單位時間內生成n mol A2同時生成n molAB
B、單位時間內生成2n mol AB 同時生成n mol B2
C、單位時間內生成n mol A2 同時生成n mol B2
D、單位時間內生成n mol A2 同時消耗n mol B2
【解析】根據反應速率之比等于化學計量系數之比可知vA:vB：vC=1:1:2，BD選項是不同方向速率相等，AB是同一方向。
4、一定條件下，反應N2+3H2 2NH3達到平衡的標志是 （AC ）
A、一個N≡N鍵斷裂的同時，有三個H－H鍵形成
B、一個N≡N鍵斷裂的同時，有三個H－H鍵斷裂
C、一個N≡N鍵斷裂的同時，有六個N－H鍵斷裂
D、一個N≡N鍵斷裂的同時，有六個N－H鍵形成
【解析】AC是不同方向，BD是相同方向。
（2）含量關系：反應混合物各組分的濃度、質量分數、物質的量、物質的量分數、體積分數、分子數之比保持不變。
2.間接標志：
以反應mA(g)+nB (g) pC(g)為例
①混合氣體的總壓強、總體積、總物質的量、平均相對分子質量不隨時間改變而改變，（適用于m+n≠p的反應）
②混合氣體的密度不隨時間改變而改變
（適用于恒溫恒壓m+n≠p的反應）
（3）特殊標志：
①對于有色物質參加反應，如果體系顏色不變，反應達到平衡
②對于吸熱或放熱反應，如果體系溫度不變，反應達到平衡
【課堂練習】
5．在一定溫度下的恒容密閉容器中，表明反應A(s)+2B(g) C(g)+D(g)已達平衡的是（B）
A．混合氣體的壓強不變 B．混合氣體的密度不變
C．反應物的相對分子質量不變 D．氣體的總物質的量不變
【解析】A．該反應是反應前后氣體體積沒有變化的反應，容器中的壓強始終不發生變化，所以不能證明達到了平衡狀態，故A不能說明反應達到平衡狀態；
B．該容器的體積保持不變，根據質量守恒定律知，反應前后混合氣體的質量會變，所以容器內氣體的密度會變，當容器中氣體的密度不再發生變化時，能表明達到化學平衡狀態，故B能說明反應達到平衡狀態；
C．相對分子質量是物質的本身性質，不隨反應變化而變化，反應物的相對分子質量始終保持不變，所以不能證明達到了平衡狀態，故C不能說明反應達到平衡狀態；
D．反應前后氣體的總物質的量相等，始終保持不變，所以不能證明達到了平衡狀態，故D不能說明反應達到平衡狀態；
【課堂小結】
【課堂檢測】
1.下列關于化學反應限度的說法中正確的是(　A　)
A．一個可逆反應達到的平衡狀態就是這個反應在該條件下所能達到的限度
B．當一個可逆反應達到平衡狀態時，正反應速率和逆反應速率相等且等于零
C．平衡狀態時，各物質的濃度保持相等
D．化學反應的限度不可以通過改變條件而改變
【解析】平衡狀態就是一個可逆反應在該條件下所能達到的最大限度，A正確；反應達到平衡時，v正＝v逆≠0，各物質的濃度保持不變但不一定相等，且當外界條件發生改變時，這種狀態也會發生改變。
2.在一定量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0.1 mol·L－1,0.3 mol·L－1,0.2 mol·L－1。當反應達到平衡時，可能存在的數據是(　B　)
A．N2為0.2 mol·L－1，H2為0.6 mol·L－1
B．N2為0.15 mol·L－1
C．N2、H2均為0.18 mol·L－1
D．NH3為0.4 mol·L－1
【解析】解答時，應注意兩點：(1)可逆反應既可向正反應方向進行，同時又可向逆反應方向進行；(2)可逆反應不能進行到底，只能反應到一定程度達到平衡狀態，平衡時各物質的物質的量都大于零。對于本題，若反應從題給某一時刻開始向正反應方向進行并達到平衡，此時NH3的濃度應小于0.4 mol·L－1；若反應從題給某一時刻開始向逆反應方向進行并達到平衡，此時N2的濃度應小于0.2 mol·L－1，H2的濃度應小于0.6 mol·L－1；從題給量的關系易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。
3.可逆反應N2＋3H2 2NH3的正、逆反應速率可用各反應物和生成物濃度的變化來表示。下列各關系中能說明反應已達到平衡狀態的是(　C　)
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)
【解析】如用N2、H2、NH3分別表示同一正反應速率時，應有如下關系，v正(N2)︰v正(H2)︰v正(NH3)＝1︰3︰2。達到平衡時：v正(H2)︰v逆(NH3)＝3︰2，v正(N2)︰v逆(NH3)＝1︰2，v正(N2)︰v逆(H2)＝1︰3，選項A只表示一個方向，選項B、D不符合計量數關系，選項C符合要求。
4．一定溫度下，反應N2（g）+3H2(g) 2NH3(g)達到化學平衡狀態的標志是（ B ）
A．c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)＝1∶3∶2
B．N2、H2和NH3的物質的量分數不再改變
C．N2與H2的物質的量之和是NH3的物質的量2倍
D．單位時間里每增加1molN2，同時增加3molH2
【解析】N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)；A．平衡時各物質的分子數之比取決于物質的起始物質的量和轉化率，故c(N2)﹕c(H2)﹕c(NH3)=1﹕3﹕2不能作為判斷是否達到平衡狀態的依據，故A錯誤；B．N2，H2和NH3的質量分數不再改變，說明達到平衡狀態，故B正確；C．平衡時反應物與生成物的物質的量關系取決于反應起始物質的量以及轉化的程度，不能用來判斷是否達到平衡狀態，故C錯誤；D．單位時間內每增加1 mol N2，同時增加3 mol H2都是向逆反應方向，故不能說明達到平衡狀態，故D錯誤；故答案為B。
5.在一定溫度下的定容容器中，發生反應：2A(g)＋B(s) C(g)＋D(g)，下列描述中能表明反應已達到平衡狀態的是(　C　)
①混合氣體的壓強不變　②混合氣體的密度不變　③C(g)的物質的量濃度不變　④容器內A、C、D三種氣體的濃度之比為2︰1︰1　⑤單位時間內生成n mol C，同時生成n mol D　⑥單位時間內生成n mol D，同時生成2n mol A
A．①②⑤　　　　 B．②③④
C．②③⑥ D．①③⑥
【解析】在恒容條件，此反應為前后氣體體積相等的反應，在達到平衡狀態前后體系的壓強不變，①不能作為平衡狀態的判斷標志；容積固定，因為此反應有固體參與，氣體密度不變說明氣體總質量不變，說明此反應達到平衡狀態，②可作為平衡狀態的判斷標志；C(g)的濃度不變說明生成C(g)和消耗C(g)的量相等，說明反應達到平衡狀態，③能作為平衡狀態的判斷標志；反應達到平衡狀態，A、C、D三種氣體濃度不變，并非等于化學計量數之比，④不能作為平衡狀態的判斷標志；單位時間內生成C，同時生成D都是正反應方向，故⑤不能作為平衡狀態的判斷標志；單位時間內生成n mol D，同時生成2n mol A，說明反應同時向正、逆反應方向進行，生成D和A又符合化學計量數之比，⑥能作為平衡狀態的判斷標志。由以上分析知C項正確。
6．可逆反應：2NO2 2NO＋O2在恒容的密閉容器中進行，達到平衡狀態的標志是(　A　)
①單位時間內生成n mol O2的同時生成2n mol NO2
②單位時間內生成n mol O2的同時生成2n mol NO
③用NO2、NO、O2表示的反應速率的比為2︰2︰1的狀態
④混合氣體的顏色不再改變的狀態
⑤混合氣體的密度不再改變的狀態
⑥混合氣體的壓強不再改變的狀態
⑦混合氣體的平均相對分子質量不再改變的狀態
A．①④⑥⑦　　　　 B．②③⑤⑦
C．①③④⑤ D．全部
【解析】①單位時間內生成n mol O2的同時必消耗2n mol NO2，①能說明反應已達平衡；②描述均是正方向，無法判斷；③無論反應是否達平衡，均有此關系；④NO2為有顏色的氣體(紅棕色)，顏色不變能說明NO2濃度一定，已達到平衡；⑤因ρ＝，反應前后，m、V均不變，ρ也不變，不能說明反應達到平衡； 這是一個不等積反應，⑥⑦均能說明反應已達平衡。

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