資源簡介

第二節　化學平衡
第1課時　化學平衡狀態　化學平衡常數
課后·訓練提升
基礎鞏固
1.在一定條件下,某密閉容器中發生可逆反應2X(g)+2Y(g)3Z(g)+2W(g),X、Y的初始濃度分別為
2.5 mol·L-1和2.0 mol·L-1,達到平衡后,下列各生成物的濃度數據中肯定錯誤的是 (　　)。
A.c(Z)=1.5 mol·L-1
B.c(Z)=2.4 mol·L-1
C.c(W)=1.6 mol·L-1
D.c(W)=2.0 mol·L-1
答案:D
解析:可逆反應中,反應物不可能完全轉化。因為反應中X、Y按物質的量之比1∶1反應,所以X過量,若Y完全反應,則c(Z)=3.0 mol·L-1,c(W)=2.0 mol·L-1。但Y不可能完全反應,所以02.對可逆反應4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g),下列敘述正確的是(　　)。
A.達到化學平衡時,4v正(O2)=5v逆(NO)
B.若單位時間內生成x mol NO的同時消耗x mol NH3,則反應達到平衡狀態
C.達到化學平衡時,若增大容器容積,則正反應速率減小,逆反應速率增大
D.化學反應速率的關系是2v正(NH3)=3v正(H2O)
答案:A
解析:根據用不同物質表示同一反應速率時的關系可知,v逆(O2)∶v逆(NO)=5∶4,v逆(NO)=v逆(O2),代入A項中表達式知v正(O2)=v逆(O2),A項正確;NO的生成與NH3的消耗同時表示正反應速率,B項不正確;達到平衡時,增大容器容積,反應物、生成物濃度同時減小,正、逆反應速率同時減小,C項不正確;在反應的任意狀態總有v正(NH3)∶v正(H2O)=4∶6,即3v正(NH3)=2v正(H2O),D項不正確。
3.工業上常用煤和水作原料經過多步反應制得氫氣,其中一步反應的原理為CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),下列能說明反應達到平衡狀態的是(　　)。
A.恒溫恒容條件下,混合氣體的壓強不再發生變化
B.兩個H—O斷裂的同時有兩個CO斷裂
C.在恒容密閉容器中,氣體密度不再發生變化
D.混合氣體的平均摩爾質量不再發生變化
答案:B
解析:該反應是一個反應前后氣體物質的量不變的反應,恒溫恒容條件下,混合氣體的壓強不變,無法說明反應達到平衡狀態,A項錯誤;兩個H—O斷裂表示的是正反應速率,兩個CO斷裂表示的是逆反應速率,正、逆反應速率相等,說明反應達到平衡狀態,B項正確;在恒容密閉容器中,混合氣體的質量和體積始終不變,則混合氣體的密度始終不變,所以反應容器內的氣體密度不再發生變化不能說明反應達到平衡狀態,C項錯誤;該反應是反應前后氣體的物質的量不變的可逆反應,根據可知,混合氣體的平均摩爾質量始終不發生變化,所以混合氣體的平均摩爾質量不變不能說明反應達到平衡狀態,D項錯誤。
4.生產硫酸的工藝流程中,反應之一是2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-190 kJ·mol-1。下列描述中能說明上述反應已達到平衡狀態的是(　　)。
A.v正(O2)=2v逆(SO3)
B.容器中氣體的平均摩爾質量不隨時間而變化
C.如果容器容積是固定的,那么混合氣體的密度不隨時間而變化
D.單位時間內生成n mol SO3的同時生成n mol O2
答案:B
解析:達到化學平衡狀態的標志:正反應速率等于逆反應速率。v正(O2)=2v逆(SO3)時,正、逆反應速率不相等,A項錯誤;容器中氣體的平均摩爾質量不隨時間而變化,說明平衡混合物中各組分含量不變,反應達到平衡狀態,B項正確;氣體的密度=,根據質量守恒定律,反應過程中氣體的總質量不變,容器容積不變,氣體的密度不會發生變化,故容器中氣體的密度不隨時間而變化,不能說明反應達到平衡,C項錯誤;生成n mol SO3的同時生成n mol O2,正、逆反應速率不相等,反應沒有達到平衡狀態,D項錯誤。
5.在一定溫度下,反應H2(g)+X2(g)HX(g)的平衡常數為10。若將1.0 mol的HX(g)通入容積為1.0 L的密閉容器中,在該溫度時HX(g)的最大分解率接近于(　　)。
A.5% B.17%
C.25% D.33%
答案:B
解析:相同溫度下,反應H2(g)+X2(g)HX(g)的平衡常數為10,則HX(g)H2(g)+X2(g)的平衡常數為。設達到平衡時氫氣的濃度為x mol·L-1。
　　　　　　 HX(g) H2(g)+ X2(g)
c始/(mol·L-1) 1 0 0
c變/(mol·L-1) 2x x x
c平/(mol·L-1) 1-2x x x
,x=,
得出HX的分解率為≈17%。
6.已知下列反應的平衡常數:
H2(g)+S(s)H2S(g)　K1
S(s)+O2(g)SO2(g)　K2
則反應H2(g)+SO2(g)O2(g)+H2S(g)的平衡常數為(　　)。
A.K1+K2 B.K1-K2
C.K1K2 D.
答案:D
解析:由平衡常數的定義可知:K1=,K2=,反應H2+SO2O2+H2S的平衡常數K=,可知K=。
7.某溫度下,反應SO2(g)+O2(g)SO3(g)的平衡常數K1=50,在同一溫度下,反應2SO3(g)2SO2(g)+O2(g)的平衡常數K2的值為(　　)。
A.2 500 B.100
C.4×10-4 D.2×10-2
答案:C
解析:K2===4×10-4。
8.在一個絕熱的恒容密閉容器中通入CO(g)和H2O(g),一定條件下使反應CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)達到平衡狀態,正反應速率隨時間變化的示意圖如圖所示。由圖可得出的結論正確的有(　　)。
①反應物濃度:A點小于C點
②反應物的總能量高于生成物的總能量
③反應過程中壓強始終不變
④Δt1=Δt2時,H2的產率:AB段小于BC段
⑤C點時反應進行的程度最大
A.1項 B.2項
C.3項 D.4項
答案:B
解析:A點到C點正反應速率增大,反應物濃度隨時間不斷減小,所以反應物濃度:A點大于C點,故①錯誤;A點到C點正反應速率增大,之后正反應速率減小,說明反應剛開始時溫度升高對正反應速率的影響大于濃度減小對正反應速率的影響,說明該反應為放熱反應,反應物的總能量高于生成物的總能量,故②正確;該反應為氣體體積不變的反應,該容器為絕熱容器,溫度升高,壓強增大,故③錯誤;隨著反應的進行,正反應速率增大,氫氣的產率也逐漸增大,Δt1=Δt2時,H2的產率:AB段小于BC段,故④正確;化學平衡狀態的標志是各物質的濃度不再改變,其實質是正反應速率等于逆反應速率,C點對應的正反應速率顯然還在改變,反應一定未達平衡,故⑤錯誤。
9.一定溫度下,在容積為y L的密閉容器中進行反應:aN(g)bM(g),M、N的物質的量隨時間的變化曲線如圖所示:
(1)此反應的化學方程式中=　　　　　　　。
(2)t1到t2時刻,以M的濃度變化表示的平均反應速率為　 。
(3)下列敘述中能說明上述反應已達到平衡狀態的是　　　　。
A.反應中M與N的物質的量之比為1∶1
B.混合氣體的總質量不隨時間的變化而變化
C.混合氣體的總物質的量不隨時間的變化而變化
D.單位時間內每消耗a mol N,同時生成b mol M
答案:(1)2　(2) mol·L-1·min-1　(3)C
解析:(1)=2。
(2)v(M)== mol·L-1·min-1。
(3)該反應反應前后氣體體積發生改變,因此混合氣體的總物質的量會發生改變,當混合氣體的總物質的量不變時反應達到平衡狀態。
10.現有反應PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g),523 K時,將10 mol PCl5注入容積為2 L的密閉容器中,平衡時壓強為原來的1.5倍。
(1)該溫度下該反應的平衡常數K為　　　　;
(2)PCl5的平衡轉化率為　　　　。
答案:(1)2.5　(2)50%
解析:設達到平衡時PCl5的轉化濃度為x mol·L-1,則
　　　　　　　 PCl5(g) PCl3(g)+ Cl2(g)
起始濃度/(mol·L-1) 5 0 0
變化濃度/(mol·L-1) x x x
平衡濃度/(mol·L-1) 5-x x x
由題意可知,=1.5,解得x=2.5。K==2.5;
PCl5的平衡轉化率為×100%=50%。
能力提升
1.將固體NH4I置于密閉容器中,在一定溫度下發生下列反應:
①NH4I(s)NH3(g)+HI(g)
②2HI(g)H2(g)+I2(g)
達到平衡時,c(H2)=0.5 mol·L-1,c(HI)=4 mol·L-1,則此溫度下,反應①的平衡常數為(　　)。
A.9 B.16
C.20 D.25
答案:C
解析:平衡時,c(H2)=0.5 mol·L-1,則②中HI的變化濃度為1 mol·L-1,而此時c(HI)=4 mol·L-1,所以①反應生成了c(HI)=(1+4)mol·L-1=5 mol·L-1,且生成的NH3和HI的濃度相等,故反應①的平衡常數為c(NH3)·c(HI)=5×4=20。
2.已知某化學反應的平衡常數表達式為K=,在不同的溫度下該反應的平衡常數如表所示:
t/℃ 700 800 830 1 000 1 200
K 1.67 1.11 1.00 0.60 0.38
下列有關敘述不正確的是(　　)。
A.該反應的化學方程式是CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
B.溫度越高,反應進行的程度越小
C.若在1 L的密閉容器中通入CO2和H2各1 mol,5 min后溫度升高到830 ℃,此時測得CO為0.4 mol,則該反應達到平衡狀態
D.若平衡濃度符合下列關系式:,則此時的溫度為1 000 ℃
答案:C
解析:平衡常數的表達式中,分子中的物質是生成物,分母中的物質是反應物,A項正確;由表中數據可知該反應的平衡常數隨著溫度的升高而減小,B項正確;利用化學方程式確定各種物質的物質的量,代入平衡常數表達式可知該反應沒有達到平衡,C項不正確;將所給關系式進行變形,可知該條件下平衡常數為0.60,D項正確。
3.在恒溫條件下,向盛有食鹽的2 L恒容密閉容器中加入0.2 mol NO2、0.2 mol NO和0.1 mol Cl2,發生兩個反應:
①2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+NOCl(g)　ΔH1<0　K1　②2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g)　ΔH2<0　K2　10 min時反應達到平衡,測得容器內體系的壓強減少20%,10 min內用NOCl(g)表示的平均反應速率v(NOCl)=7.5×10-3 mol·L-1·min-1。下列說法不正確的是(　　)。
A.反應4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)的平衡常數為
B.平衡后c(Cl2)=2.5×10-2 mol·L-1
C.其他條件保持不變,反應在恒壓條件下進行,則平衡常數K2增大
D.平衡時NO2的轉化率為50%
答案:C
解析:4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)可由反應①×2-②得到,根據平衡常數計算規律可得此反應平衡常數為,A項正確;10 min 時反應達到平衡,測得容器內體系的壓強減少20%,則平衡時混合氣體總物質的量為(0.2+0.2+0.1) mol×(1-20%)=0.4 mol,10 min內用NOCl(g)表示的平均反應速率v(NOCl)=7.5×10-3 mol·L-1·min-1,則平衡時n(NOCl)=7.5×10-3 mol·L-1·min-1×10 min×2 L=0.15 mol,設達到平衡時反應①中消耗的NO2為x mol,反應②中消耗的Cl2為y mol,根據方程式①和②可得,反應①中生成的NOCl(g)為0.5x mol,反應②中消耗的NO(g)為2y mol,生成的NOCl(g)為2y mol。根據已知信息可列方程
解得x=0.1,y=0.05,
故平衡后c(Cl2)==2.5×10-2 mol·L-1,B項正確;平衡常數只受溫度影響,其他條件保持不變,反應在恒壓條件下進行,平衡常數K2不變,C項錯誤;平衡時NO2轉化0.1 mol,故轉化率為50%,D項正確。
4.(1)活性炭還原NO2的反應為2NO2(g)+2C(s)N2(g)+2CO2(g),在恒溫條件下,1 mol NO2和足量活性炭發生該反應,測得平衡時NO2和CO2的物質的量濃度與平衡總壓的關系如圖所示:
①A、B、C三點中NO2的轉化率最高的是　　　　　(填“A”“B”或“C”)點。
②計算C點時該反應的壓強平衡常數Kp=　　　　　　(Kp是用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓×物質的量分數)。
(2)以CO作還原劑與磷石膏反應,不同反應溫度下可得到不同的產物。向盛有CaSO4的真空恒容密閉容器中充入CO,反應體系起始總壓強為0.1a MPa,不同溫度下反應后所得固體成分的物質的量如圖所示。在低于800 ℃時主要反應的化學方程式為　　　　　　　　　　　　　;1 150 ℃下,反應CaSO4+COCaO+CO2+SO2達到平衡時,c平衡(SO2)=8.0×10-5mol·L-1,CO的轉化率為80%,則
c初始(CO)=　　mol·L-1,該反應的壓強平衡常數Kp=　　　　　　(用含a的代數式表示;用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓×物質的量分數;忽略副反應)。
答案:(1)①A　②4　(2)CaSO4+4COCaS+4CO2　1.0×10-4　0.32a
解析:(1)①增大壓強,平衡左移,NO2的轉化率減小,所以A點NO2的轉化率最高。
②設C點時NO2的濃度為x mol·L-1,則CO2的濃度也為x mol·L-1
2NO2(g)+2C(s)N2(g)　　　+　2CO2(g)
x mol·L-1　　　 x mol·L-1　　 x mol·L-1
p(NO2)=20 MPa×=8 MPa,
p(N2)=20 MPa×=4 MPa,
p(CO2)=20 MPa×=8 MPa,
Kp==4。
(2)在低于800 ℃時,固體產物為CaS,
所以此時反應的化學方程式為CaSO4+4COCaS+4CO2
c初始(CO)==1.0×10-4 mol·L-1
　 CaSO4+　CO　　CaO　+CO2　+SO2
平衡(mol·L-1)　 2.0×10-5　　　 8.0×10-5　8.0×10-5
平衡時總壓強:0.1a MPa×=0.18a MPa
p(CO2)=p(SO2)=0.18a MPa×=0.08a MPa
p(CO)=0.18a MPa×=0.02a MPa
Kp==0.32a。
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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。
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)在已達到平衡的可逆反應:2SO2+O2 2SO3中,充入18O2一段時間后,18O只存在于SO2和SO3中。(　　)
×
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。(　　)
√
×
一、化學平衡狀態判斷的依據
問題探究
將一定量純凈的碳酸銨固體置于特制的密閉真空容器中(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:(NH4)2CO3 2NH3↑+CO2↑+H2O。
1.密閉容器中總壓強不變,能說明該反應達到平衡狀態嗎
提示:能。反應正向進行則壓強增大,總壓強不變時,說明反應達到平衡狀態。
2.密閉容器中混合氣體的密度不變,能說明反應達到平衡狀態嗎
提示:能。恒容條件下,混合氣體的密度ρ=m (氣)/V (容器),反應正向進行時,m (氣)增大, V (容器)不變,氣體的密度增大。因此密度不變,說明 m (氣)不變,反應達到平衡狀態。
3.容器內NH3、CO2 和H2O分子數之比為2∶1∶1 ,能說明反應達到化學平衡狀態嗎
提示:不能。NH3、CO2 和H2O的分子數之比始終為2∶1∶1 。
4.混合氣體的平均相對分子質量不變能說明反應達到平衡嗎
提示:不能。因為混合氣體中NH3、CO2 和H2O的體積比始終為 2∶1∶1,故混合氣體的平均相對分子質量始終不變。
歸納總結
1.直接依據(正、逆相等)。
v正=v逆。
2.間接依據(變量不變)。
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m mol A,同時生成了m mol A 是
在單位時間內消耗了n mol B,同時消耗了p mol C 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n mol B,同時消耗了q mol D 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
典例剖析
【例1】 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n mol O2的同時生成2n mol NO2。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: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。
學以致用
1.用Cl2生產某些含氯有機物時會生成副產物HCl,利用下列反應可實現氯的循環利用:
4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)　ΔH=-115.65 kJ·mol-1。在恒溫恒容的密閉容器中,充入一定量的反應物發生上述反應,能充分說明該反應達到化學平衡狀態的是(　　)。
A.氣體的質量不再改變
B.n(HCl)∶n(O2)∶n(Cl2)∶n(H2O)=4∶1∶2∶2
C.斷開4 mol H—Cl的同時生成4 mol H—O
D.氣體的平均摩爾質量不再改變
答案:D
解析:該反應中各物質均為氣態,氣體的質量一直不變,A項錯誤;各物質的物質的量滿足反應方程式中化學計量數之比,不能說明反應達到化學平衡狀態,B項錯誤;斷開4 mol H—Cl的同時生成4 mol H—O,都表示的是正反應速率,不能說明反應達到化學平衡狀態,C項錯誤;氣體的質量不變,但該反應前后氣體分子數不相等,氣體的平均摩爾質量隨反應的進行而改變,不再改變則達到平衡狀態,D項正確。
2.已知:N2O4(g) 2NO2(g)　ΔH>0,現將1 mol N2O4充入一恒壓密閉容器中,下列示意圖不能說明反應達到平衡狀態的是(　　)。
答案:B
解析:B項,對于一個特定反應,ΔH固定不變,不能作為判斷反應是否達到平衡狀態的依據;C項,在t1時刻,2v正(N2O4)=v逆(NO2),反應達到平衡狀態。
二、化學平衡常數
問題探究
汽車尾氣中的主要污染物有CxHy、NOx、CO、SO2及固體顆粒物等。研究汽車尾氣的成分及其發生的反應,可以為更好地治理汽車尾氣提供技術支持。
1.利用反應6NO2(g)+8NH3(g) 7N2(g)+12H2O(g)可處理NO2。已知該反應平衡常數(K)與溫度(T)的關系如圖所示。寫出該反應的平衡常數表達式,并判斷此反應ΔH的符號。
提示:根據反應的化學方程式可寫出該反應的化學平衡常數K= ;由圖示知升高溫度平衡常數減小,因此該反應為放熱反應,ΔH<0。
2.汽車排氣裝置中的三元催化裝置,可以利用反應2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g)實現氣體的無害化排放。T ℃時,在恒容的密閉容器中通入一定量的CO和NO,能自發進行上述反應,測得不同時間的CO和NO的濃度如表:
計算該溫度下反應的平衡常數K。
提示:據表中數據,平衡時,c(NO)=0.1×10-3 mol·L-1,
c(CO)=2.70×10-3 mol·L-1,
歸納總結
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。
典例剖析
【例2】 在830 K時,在密閉容器中發生可逆反應:
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)　ΔH<0。試回答下列問題:
(1)若起始時c(CO)=2 mol·L-1,c(H2O)=3 mol·L-1,4 s后達到平衡,此時CO的轉化率為60%,則在該溫度下,該反應的平衡常數K=　　　　　,H2O的轉化率為　　　　　。
(2)若起始時c(CO)=3 mol·L-1,c(H2O)=3 mol·L-1,則在該溫度下達到平衡后,CO的轉化率為　　　,H2O的轉化率為　　　。
答案:(1)1　40%　(2)50%　50%
解析:(1)　　　CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
c始/(mol·L-1) 2　 3　　 0　 0
c變/(mol·L-1) 1.2　　 1.2　 1.2 1.2
c平/(mol·L-1) 0.8　 1.8　 1.2　 1.2
(2)設c變(CO)=x mol·L-1,則
　　　　 CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
c始/(mol·L-1)　 3　　 3　　 0　　 0
c變/(mol·L-1)　 x　　 x　 x　 x
c平/(mol·L-1)　 3-x　 3-x　 x　 　 x
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,達到平衡狀態后,A的消耗量為mx mol·L-1。
學以致用
3.下列有關平衡常數的說法中正確的是(　　)。
A.改變條件,反應物的轉化率增大,平衡常數一定增大
B.反應:2NO2(g) N2O4(g)　ΔH<0,增大c(N2O4),該反應的平衡常數增大
C.對于給定的可逆反應,溫度一定時,其正、逆反應的平衡常數相等
答案:D
解析:改變條件,反應物的轉化率增大,若溫度不變,則平衡常數不變,A項錯誤;
增大c(N2O4),溫度不變,K不變,B項錯誤;
對于給定的可逆反應,溫度一定時,其正、逆反應的平衡常數互為倒數,C項錯誤;
4.工業合成氨的反應為N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。設在容積為2.0 L的密閉容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g),反應在一定條件下達到平衡狀態時,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 。請完成下列計算。
(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
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0
B.隨著反應的進行,正反應速率逐漸減小,最后減小為0
C.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。
2.一定條件下,向2 L恒容密閉容器中充入1 mol COCl2(g),發生反應COCl2(g) Cl2(g)+CO(g),反應過程中測得的有關數據如表所示,下列說法不正確的是(　　)。
t/s 0 2 4 6 8
n(Cl2)/mol 0 0.30 0.39 0.40 0.40
A.6 s之后反應達到平衡狀態,容器內的壓強不再隨時間而改變
B.6 s時,反應停止,不再進行
C.8 s時,反應容器中各物質的濃度不再發生變化
D.生成Cl2的平均反應速率:v(0~2 s)>v(2~4 s)
B
解析:6 s之后氯氣的物質的量不再改變,化學反應達到平衡狀態,容器內氣體的總物質的量保持不變,因而壓強不再變化,A項正確;6 s時達到平衡狀態,反應不會停止,仍在進行,B項錯誤;8 s時反應處于平衡狀態,反應容器中各物質的濃度不再發生變化,C項正確;0~2 s生成氯氣0.30 mol,2~4 s生成氯氣0.09 mol,可知0~2 s內生成Cl2的平均反應速率大,D項正確。
3.用氮化硅(Si3N4)陶瓷代替金屬制造發動機的耐熱部件,能大幅度提高發動機的熱效率。工業上用化學氣相沉積法制備氮化硅,其反應為3SiCl4(g)+ 2N2(g)+6H2(g) Si3N4(s)+12HCl(g)。一定條件下,在恒容密閉容器中,能表示上述反應達到化學平衡狀態的是( 　)。
A.3v(N2)=v(H2)
B.v正(HCl)=4v正(SiCl4)
C.混合氣體的密度保持不變D.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6
C
解析:根據化學反應速率之比等于化學方程式中各物質的化學計量數之比,可以確定v正(H2)=3v逆(N2),說明反應達到平衡狀態,A項中沒有指明是正反應速率還是逆反應速率,A項描述錯誤;B項中都表示正反應速率,不能說明反應達到平衡狀態,B項描述錯誤;在恒容密閉容器中,混合氣體的密度保持不變說明混合氣體的總質量不變,因反應有固體產物生成,可以說明反應達到平衡狀態,C項描述正確;平衡時濃度關系與起始濃度、轉化率有關,不能說明反應達到平衡狀態,D項描述錯誤。
4.在一個絕熱的、容積固定的密閉容器中,發生可逆反應mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)(m、n、p、q為任意正整數)。下列能說明該可逆反應達到平衡狀態的是(　　)。
①混合氣體的密度不再發生變化　②體系的溫度不再發生變化　③A的轉化率不再改變　④各組分的百分含量不再改變　⑤反應速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q　⑥qv正(A) =mv逆(D)
A.②③④⑥ B.①③⑥ C.①③④⑥ D.①②④⑤
A
解析:根據化學平衡狀態的特征解答,當反應達到平衡狀態時,正、逆反應速率相等,各物質的濃度、百分含量不變,以及由此衍生的一些量也不發生變化。①混合氣體的密度一直不變,故①不符合題意;②體系的溫度不再改變,說明正、逆反應速率相等,反應達到平衡狀態,故②符合題意;③A的轉化率不再改變,說明A的消耗速率與生成速率相等,反應達到平衡狀態,故③符合題意;④各組分的百分含量不再改變,說明正、逆反應速率相等,反應達到平衡狀態,故④符合題意;
⑤只要反應發生,反應速率就滿足v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)= m∶n∶p∶q,故⑤不符合題意;⑥平衡時正反應速率和逆反應速率之比等于化學計量數之比,故qv正(A)=mv逆(D)可以證明反應達到平衡,故⑥符合題意。
6.硫酸生產中,SO2催化氧化生成SO3:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0。回答下列問題。
(1)反應達到平衡時,平衡常數表達式K=　　　　　,升高溫度, K　　　　　(填“改變”或“不變”)。
(2)①某溫度下,將2.0 mol SO2和1.0 mol O2置于10 L密閉容器中,SO2的平衡轉化率(α)與體系總壓強(p)的關系如圖所示。反應達到平衡后,體系總壓強為0.10 MPa。該反應的平衡常數為　　　　　　。
②平衡狀態由A變到B時,平衡常數K(A)　　　　(填“>”“<”或“=”)K(B)。
解析:(1)對于題述反應,升高溫度,K值改變。
(2)①由圖可知,0.10 MPa時,
c(SO2)=2.0 mol×(1-0.80)÷10 L=0.04 mol·L-1,

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