第16講 化學(xué)平衡 考綱導(dǎo)視 基礎(chǔ)反饋 1 判斷正誤 正確的畫 錯誤的畫 1 2H2O 2H2 O2 為可逆反應(yīng) 2 二次電池的充 放電為可逆反應(yīng) 3 可逆反應(yīng)不等同于可逆過程 可逆過程包括物理變化和 化學(xué)變化 而可逆反應(yīng)屬于化學(xué)變化 4 化學(xué)反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)的正逆反應(yīng)速率相等 是指同一物質(zhì)的消耗速率和生成速率相等 若用不同物質(zhì)表示時 反應(yīng)速率不一定相等 5 一個可逆反應(yīng)達到的平衡狀態(tài)就是這個反應(yīng)在該條件 下所能達到的限度 6 化學(xué)反應(yīng)的限度可以通過改變反應(yīng)條件而改變 7 化學(xué)平衡發(fā)生移動 化學(xué)反應(yīng)速率一定改變 化學(xué)反應(yīng) 速率改變 化學(xué)平衡也一定發(fā)生移動 8 升高溫度 平衡向吸熱反應(yīng)方向移動 此時v放減小 v吸 增大 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 H QkJ mol 1 Q 0 充分反應(yīng) 2 向含有2mol的SO2容器中通入過量氧氣發(fā)生2SO2 g O2 g 2SO3 g 后生成SO3的物質(zhì)的量 2mol 填 或 下同 SO2的物質(zhì)的量 0mol 轉(zhuǎn)化率 100 反應(yīng)放出的熱量 QkJ 答案 考點一 化學(xué)平衡狀態(tài) 知識梳理 一 化學(xué)反應(yīng)的方向 1 自發(fā)反應(yīng) 無需外界幫助 在一定條件下 就能自發(fā)進行的反應(yīng)稱為自發(fā)反應(yīng) 2 判斷化學(xué)反應(yīng)方向的依據(jù) 焓變 熵變 溫度 要正確判斷一個化學(xué)反應(yīng)是否能自發(fā)進行 必須綜合考慮反應(yīng)的 以及 3 可逆反應(yīng) 在同一條件下既能向正反應(yīng)方向進行又能向逆反應(yīng)方向進 表 行的反應(yīng)叫可逆反應(yīng) 可逆反應(yīng)不能進行到底 用 示 二 化學(xué)平衡狀態(tài)1 化學(xué)平衡狀態(tài)的定義 在一定條件下的可逆反應(yīng)里 當(dāng) 反應(yīng)混合物中 的狀態(tài)是化學(xué)平衡狀態(tài) 簡稱化學(xué)平衡 化學(xué)平衡狀態(tài)是該條件下的該 反應(yīng)進行的最大限度 等 v正 v逆 0 各組分的濃度保持不變 正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相 2 化學(xué)平衡狀態(tài)的特征 1 逆 研究對象必須是 2 等 化學(xué)平衡狀態(tài)建立的條件是正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等 即 3 動 動態(tài)平衡 即正反應(yīng) 逆反應(yīng)仍在進行 只是速率 相等 濃度 4 定 在平衡體系中 混合物中各組分的 保持一定 5 變 化學(xué)平衡是有條件的 當(dāng)外界條件改變時 化學(xué)平衡就會發(fā)生移動 可逆反應(yīng) v 正 v 逆 0 考點集訓(xùn) 例1 制取SO3反應(yīng)的化學(xué)方程式為2SO2 g O2 g 2SO3 g 能夠說明在恒溫恒容條件下 上述反應(yīng)已經(jīng)達到化學(xué) 平衡狀態(tài)的是 A 每生成1molSO3的同時生成0 5molO2B 容器中混合氣體的密度不變C SO2 O2 SO3的物質(zhì)的量之比為2 1 2D 容器中氣體總質(zhì)量不變 解析 生成1molSO3代表正反應(yīng)方向 生成0 5molO2代表逆反應(yīng)方向 且物質(zhì)的量之比等于化學(xué)計量數(shù)之比 A項正確 該反應(yīng)質(zhì)量m守恒 體積V不變 密度始終不變 B項和D項錯誤 反應(yīng)物 生成物物質(zhì)的量之比等于化學(xué)計量數(shù)比 是反應(yīng)某一瞬間的數(shù)據(jù)巧合 不代表濃度不再改變 C項錯誤 答案 A 歸納總結(jié) 判斷化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志 續(xù)表 續(xù)表 續(xù)表 例2 在1100 一定容積的密閉容器中發(fā)生反應(yīng) X s Y g Q s P g H akJ mol 1 a 0 該溫度下K 0 203 下列有關(guān)該反應(yīng)的說法正確的是 A 若生成1molP g 則放出的熱量等于akJB 若容器內(nèi)壓強不隨時間變化 則可以判斷該反應(yīng)已達到化學(xué)平衡狀態(tài)C 若升高溫度 正反應(yīng)速率加快 逆反應(yīng)速率減慢 化學(xué)平衡正向移動 解析 生成1molP需吸收akJ的熱量 A項錯誤 該反應(yīng)是等體積反應(yīng) 壓強始終不變 B項錯誤 升高溫度 正逆反應(yīng)速率均增大 平衡正向移動 C項錯誤 將c Y 代入K值 計算 K c P c Y 0 203 D項正確 答案 D 思路指導(dǎo) 化學(xué)平衡狀態(tài)的根本標(biāo)志是 v 正 v 逆 各組分百分含量不變 氣體的顏色 密度 壓強 平均相對分子質(zhì)量的變化往往也與濃度變化有關(guān) 試題往往連同反應(yīng)速率 平衡移動方向等知識綜合考查 判斷時切勿急于求成 例3 298K時 在2L固定體積的密閉容器中 發(fā)生可逆 反應(yīng) 2NO2 g N2O4 g H akJ mol 1 a 0 N2O4的 物質(zhì)的量濃度隨時間變化曲線如下圖 達平衡時 N2O4的濃度為NO2的2倍 回答下列問題 A 混合氣體的密度保持不變B 混合氣體的顏色不再變化C 氣壓恒定時 3 若反應(yīng)在298K進行 某時刻測得n NO2 0 6mol n N2O4 1 2mol 則此時v正 v逆 填 或 2 A項由于反應(yīng)是在恒容的密閉容器內(nèi)進行的 所以在任何時刻都存在混合氣體的密度保持不變 一般不能判斷反應(yīng)達到平衡狀態(tài) B項由于容器的容積不變 若混合氣體的顏色不再變化 說明物質(zhì)的濃度不變 反應(yīng)達到平衡狀態(tài) C項該反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng) 若未達到平衡狀態(tài) 則氣體的壓強就會發(fā)生變化 因此氣壓恒定時 則反應(yīng)處于平衡狀態(tài) 故選項A符合題意 3 若反應(yīng)在298K進行 某時刻測得n NO2 0 6mol n N2O4 1 2mol 則由于物質(zhì)的濃度不變 但是該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng) 根據(jù)平衡移動原理 升高溫度 平衡向吸熱反 應(yīng)方向移動 即平衡逆向移動 所以v正 v逆 答案 1 6 67 2 A 3 考點二 化學(xué)平衡常數(shù) 知識梳理 1 定義 在一定溫度下 當(dāng)一個可逆反應(yīng)達到平衡時 生成物平衡濃度冪之積與反應(yīng)物平衡濃度冪之積的比值是一個常數(shù) 叫化學(xué)平衡常數(shù) 簡稱平衡常數(shù) 用K表示 2 對于反應(yīng) mA g nB g pC g qD g 在一定溫 度下達平衡 平衡常數(shù)表達式為K 固體和純液 體 其濃度看作常數(shù) 1 不寫入表達式 3 意義 越大 越大 溫度 K值越大 反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 正反應(yīng)進行的程度 K只受 影響 與反應(yīng)物或生成物的濃度變化無關(guān) 注意 化學(xué)平衡常數(shù)是指某溫度下某一具體反應(yīng)的平衡常數(shù) 若反應(yīng)方向改變 則平衡常數(shù)改變 若方程式中各物質(zhì)的系數(shù)等倍擴大或縮小 盡管是同一反應(yīng) 平衡常數(shù)也會改變 考點集訓(xùn) 例4 2015年陜西銅川模擬 已知反應(yīng) CO g CuO s CO2 g Cu s 和反應(yīng) H2 g CuO s Cu s H2O g 在相同的溫度下的平衡常數(shù)分別為K1和K2 該溫度下反應(yīng) CO g H2O g CO2 g H2 g 的平衡常數(shù)為K 則下列說法 正確的是 C 對于反應(yīng) 恒容時 溫度升高 H2的濃度減小 則該反應(yīng)的焓變?yōu)檎礑 對于反應(yīng) 恒溫恒容下 增大壓強 H2的濃度一定減小 答案 B 解析 溫度升高 K值變小 代表平衡逆向移動 即正反應(yīng)放熱 A項正確 由反應(yīng)式知K表達式正確 B項正確 K值只受溫度影響 C項錯誤 升高溫度 平衡逆向移動 CO轉(zhuǎn)化率減小 D項正確 答案 C 易錯警示 1 平衡常數(shù)只受溫度影響 與濃度變化無關(guān) 若溫度變化 能導(dǎo)致平衡正向移動 則K變大 反之變小 2 化學(xué)平衡常數(shù)是指某溫度下某一具體反應(yīng)的平衡常數(shù) 若反應(yīng)方向改變 則平衡常數(shù)改變 若方程式中各物質(zhì)的系數(shù)等倍擴大或縮小 盡管是同一反應(yīng) 平衡常數(shù)也會改變 3 平衡常數(shù)的表達式中 只包括氣體和溶液中各溶質(zhì)的濃度 而不包括固體或純液體 一般而言 固體或純液體濃度不變或變化很小 可以看作一個常數(shù) 不在表達式中出現(xiàn) 例6 2015年山東卷節(jié)選 合金貯氫材料具有優(yōu)異的吸收氫 性能 在配合氫能的開發(fā)中起著重要作用 1 一定溫度下 某貯氫合金 M 的貯氫過程如圖所示 縱軸為平衡時氫氣的壓強 p 橫軸表示固相中氫原子與金屬原子的個數(shù)比 H M 在OA段 氫溶解于M中形成固溶體MHx 隨著氫氣壓強的增大 H M逐慚增大 在AB段 MHx與氫氣發(fā)生氫化反應(yīng)生成氫化物MHy 氫化反應(yīng)方程式為zMHx s H2 g zMHy s H1 在B點 氫化反應(yīng)結(jié)束 進一步增大氫氣壓強 H M幾乎不變 反應(yīng) 中z 用含x和y的代數(shù)式表示 溫度為T1時 2g某合金4min內(nèi)吸收氫氣240mL 吸氫速率 v mL g 1 min 1 反應(yīng) 的焓變 H1 0 填 或 2 表示單位質(zhì)量貯氫合金在氫化反應(yīng)階段的最大吸氫量占其總吸氫量的比例 則溫度為T1 T2時 T1 T2 填 或 當(dāng)反應(yīng) 處于圖中a點時 保持溫度不變 向恒容體系中通入少量氫氣 達到平衡后反應(yīng) 可能處于圖中的 點 填 b c 或 d 該貯氫合金可通過 或 的方式釋放氫氣 答案 1 2y x 30 2 c 加熱 減壓 例7 在體積為1L的密閉容器中 進行如下化學(xué)反應(yīng) CO2 g H2 g CO g H2O g 化學(xué)平衡常數(shù)K與溫度T 的關(guān)系如下表 回答下列問題 1 升高溫度 化學(xué)平衡向 填 正反應(yīng) 或 逆反應(yīng) 方向移動 2 能判斷該反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)是 A c CO2 c CO C 容器中的壓強不變 B K不變D v正 H2 v正 CO2 E c H2 保持不變 3 若某溫度下 平衡濃度符合下列關(guān)系 c CO2 c H2 c CO c H2O 此時的溫度為 在此溫度下 若該容器中含有1molCO2 1 2molH2 0 75molCO 1 5molH2O 則此時反應(yīng)所處的狀態(tài)為 填 向正反應(yīng)方向進行中 向逆反應(yīng)方向進行中 或 平衡狀態(tài) 答案 1 正反應(yīng) 2 E 3 850 向正反應(yīng)方向進行中 考點三 化學(xué)平衡移動 知識梳理 1 概念 達到平衡狀態(tài)的反應(yīng)在條件改變后 平衡狀態(tài)被破壞的過程 2 過程 3 平衡移動方向與反應(yīng)速率的關(guān)系 1 v正 v逆 平衡向正反應(yīng)方向移動 2 v正 v逆 平衡不移動 3 v正 v逆 平衡向逆反應(yīng)方向移動 4 影響化學(xué)平衡的因素 1 外界條件 在一定條件下 aA g bB g mC g H 達到了平 衡狀態(tài) 若其他條件不變 改變下列條件對平衡的影響如下 2 勒夏特列原理 也叫化學(xué)平衡移動原理 如果改變影響平衡的條件之一 如 平衡將向著能夠 這種改變的方向移動 簡單講 改變條件 平衡移動方向是能削弱這種改變的方向 勒夏特列原理也適用于溶解平衡 電離平衡 水解 平衡等 溫度 壓強以及濃度 減弱 考點集訓(xùn) 例8 甲醇是一種優(yōu)質(zhì)的液體燃料 目前工業(yè)上CO和CO2均可用于合成甲醇 在容積為2L的密閉容器中進行反應(yīng) CO g 2H2 g CH3OH g H 0 若要提高甲醇的產(chǎn)率 可采取的措施有 A 縮小容器體積B 減小壓強C 升高溫度D 使用合適的催化劑 思路指導(dǎo) 跟反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率類似 能使反應(yīng)平衡正向移 動的措施 往往能使生成物的產(chǎn)率增大 答案 A 例9 已知可逆反應(yīng)CO g H2O g CO2 g H2 g H 0 反應(yīng)達到平衡狀態(tài)后 欲提高CO的轉(zhuǎn)化率 可以采 取的措施為 A 增大壓強C 增大CO的濃度 B 升高溫度D 分離出CO2 解析 增大壓強對等體積反應(yīng)的平衡移動無影響 A項錯誤 升溫使放熱反應(yīng)逆向移動 B項錯誤 增大CO濃度雖然使平衡正向移動 但轉(zhuǎn)化率變小 C項錯誤 分離CO2 使平衡正向移動 CO轉(zhuǎn)化率增大 D項正確 答案 D 易錯警示 在A g B g C g D g 反應(yīng)中 增大某反應(yīng)物 如A 的濃度 雖然平衡正向移動 但其轉(zhuǎn)化率往往變小 而B的轉(zhuǎn)化率增大 例10 2015年四川卷 一定量的CO2與足量的碳在體積可變 的恒壓密閉容器中反應(yīng) C s CO2 g 2CO g 平衡時 體 系中氣體體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系如圖所示 已知氣體分壓 p分 氣體總壓 p總 體積分?jǐn)?shù) 下列說法正確的是 A 550 時 若充入惰性氣體 v正 v逆均減小 平衡不移 動 B 650 時 反應(yīng)達平衡后CO2的轉(zhuǎn)化率為25 0 C T 時 若充入等體積的CO2和CO 平衡向逆反應(yīng)方向 移動 D 925 時 用平衡分壓代替平衡濃度表示的化學(xué)平衡常數(shù) Kp 24 0p總 答案 B 歸納總結(jié) 例11 不同溫度下 向裝有足量I2O5固體的2L恒容密閉容器中通入2molCO 測得CO2的體積分?jǐn)?shù) CO2 隨時間t變化曲線如下圖 請回答 1 從反應(yīng)開始至a點時的反應(yīng)速率為v CO b 點時化學(xué)平衡常數(shù)Kb 2 d點時 溫度不變 若將容器體積壓縮至原來的一半 請在圖中補充畫出CO2體積分?jǐn)?shù)的變化曲線 3 下列說法正確的是 填字母序號 A 容器內(nèi)氣體密度不變 表明反應(yīng)達到平衡狀態(tài) B 兩種溫度下 c點時體系中混合氣體的平均相對分子質(zhì) 量相等 C 增加I2O5的投料量有利于提高CO的轉(zhuǎn)化率D b點和d點的化學(xué)平衡常數(shù) Kb Kd 1024或45 答案 1 0 6mol L 1 min 1 2 如下圖所示 3 AB 規(guī)律方法 化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用 1 判斷 比較可逆反應(yīng)進行程度的大小 K值越大 正反應(yīng)進行的程度越大 反之則越小 2 判斷可逆反應(yīng)是否達到化學(xué)平衡狀態(tài) 對于可逆反應(yīng) aA g bB g cC g dD g 在一定溫 度下的任意時刻 反應(yīng)物與生成物濃度有如下關(guān)系 3 利用K可判斷反應(yīng)的熱效應(yīng) 1 若升高溫度 K值增大 則正反應(yīng)為吸熱反應(yīng) 2 若升高溫度 K值減小 則正反應(yīng)為放熱反應(yīng) 典例1 美國Bay等工廠使用石油熱裂解的副產(chǎn)物甲烷來制 取氫氣 其生產(chǎn)流程如下圖 解析 1 在830 時 K 1 故利用K可求出平衡時CO轉(zhuǎn)化了0 5mol 即CO的轉(zhuǎn)化率為50 2 將表中數(shù)據(jù)帶入K的表達式 只有B組數(shù)據(jù)Q 1 830 K 1 故起始時反應(yīng)正向進行的只有B組 應(yīng)用1 T 時 在容積為0 5L的密閉容器中發(fā)生如下反 應(yīng) mA g nB g pC g qD s H 0 m n p q為最 簡整數(shù)比 A B C D的物質(zhì)的量變化如圖所示 1 前3min v C 2 當(dāng)下列物理量不再發(fā)生變化時 表明該反應(yīng)已達到平衡 狀態(tài)的是 填選項字母 A 混合氣體的壓強B 混合氣體的密度 C 混合氣體的平均相對分子質(zhì)量D B的物質(zhì)的量 E 混合氣體的總物質(zhì)的量 3 T 時 該反應(yīng)的平衡常數(shù)K 4 反應(yīng)達到平衡后 下列措施對A的轉(zhuǎn)化率無影響的是 填選項字母 A 保持體積不變 再通入2molA和1molBB 移走一部分D C 把容器的體積縮小一倍D 升高溫度 5 T 時 容積為1L的密閉容器中 起始時充入0 2molA 0 4molB 0 3molC 0 5molD 此時v 正 v 逆 填 或 判斷的依據(jù)是 解析 根據(jù)反應(yīng)圖象可知 前3min A B C D的物質(zhì)的量的變化量分別為0 4mol 0 2mol 0 6mol 0 2mol 根據(jù)反應(yīng)中物質(zhì)的量的變化量與化學(xué)計量數(shù)成正比知 則m 2 n 1 p 3 q 1 思維模型 原理題中的化學(xué)平衡計算 常見類型 考卷中對化學(xué)平衡計算的考查 主要是圍繞平衡常數(shù) 轉(zhuǎn)化率 體積分?jǐn)?shù)等內(nèi)容而展開 1 步驟 1 寫出有關(guān)化學(xué)平衡的化學(xué)方程式 2 確定各物質(zhì)的起始濃度 轉(zhuǎn)化濃度 平衡濃度 3 根據(jù)已知條件建立等式進行解答 3 其他關(guān)系式 1 反應(yīng)物 c 平 c 始 c 變 生成物 c 平 c 始 c 變 2 各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化濃度之比等于化學(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計 量數(shù)之比 反應(yīng)物的起始濃度 反應(yīng)物的平衡濃度 反應(yīng)物的起始濃度 3 轉(zhuǎn)化率 100 4 類型 平衡常數(shù)K與轉(zhuǎn)化率的計算 典例2 2015年新課標(biāo)卷 碘及其化合物在合成殺菌劑 藥物等方面具有廣泛用途 回答下列問題 1 大量的碘富集在海藻中 用水浸取后濃縮 再向濃縮液中加MnO2和H2SO4 即可得到I2 該反應(yīng)的還原產(chǎn)物為 3 已知反應(yīng)2HI g H2 g I2 g 的 H 11kJ mol 1 1molH2 g 1molI2 g 分子中化學(xué)鍵斷裂時分別需要吸收436kJ 151kJ的能量 則1molHI g 分子中化學(xué)鍵斷裂時需吸收的能量為 kJ 4 Bodensteins研究了下列反應(yīng) 2HI g H2 g I2 g 在716K時 氣體混合物中碘化氫的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x HI 與反應(yīng)時間t的關(guān)系如下表 根據(jù)上述實驗結(jié)果 該反應(yīng)的平衡常數(shù)K的計算式為 上述反應(yīng)中 正反應(yīng)速率為v正 k正 x2 HI 逆反應(yīng)速率為v逆 k逆 x H2 x I2 其中k正 k逆為速率常數(shù) 則k逆為 以K和k正表示 若k正 0 0027min 1 在t 40min時 v正 min 1 由上述實驗數(shù)據(jù)計算得到v正 x HI 和v逆 x H2 的關(guān)系可 用下圖表示 當(dāng)升高到某一溫度時 反應(yīng)重新達到平衡 相應(yīng)的點分別為 填字母 應(yīng)用2 利用 化學(xué)蒸氣轉(zhuǎn)移法 制備二硫化鉭 TaS2 晶 體 發(fā)生如下反應(yīng) TaS2 s 2I2 g TaI4 g S2 g H 0 若該反應(yīng)的平衡常數(shù)K 1 向某恒容容器中加入1molI2 g 和足量TaS2 s I2 g 的平衡轉(zhuǎn)化率為 答案 66 7 讀取圖表信息 計算平衡常數(shù)K或轉(zhuǎn)化率 典例3 通過研究不同溫度下平衡常數(shù)可以解決某些實際問題 已知等體積的一氧化碳和水蒸氣進行反應(yīng)時 會發(fā)生如 下反應(yīng) CO g H2O g H2 g CO2 g 該反應(yīng)平衡常數(shù) 隨溫度的變化如下表所示 1 則該反應(yīng)的正反應(yīng)方向是 反應(yīng) 填 吸熱 或 放熱 2 在500 時 若設(shè)起始時CO和H2O的起始濃度均為0 020mol L 1 則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為 答案 放熱 75 應(yīng)用3 甲醇可作為燃料電池的原料 以CH4和H2O為原 料 通過下列反應(yīng)來制備甲醇 CH4 g H2O g CO g 3H2 g H 206 0kJ mol 1 將1 0molCH4和2 0molH2O g 通入容積為100L的反應(yīng)室中 在一定條件下發(fā)生反應(yīng) 測得在一定的壓強下CH4的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如下圖 1 假設(shè)100 時達到平衡所需的時間為5min 則用H2表示該反應(yīng)從開始到達到平衡時的反應(yīng)速率為 2 100 時反應(yīng)的平衡常數(shù)為 答案 1 0 003mol L 1 min 1 2 2 25 10 4 體積分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)化率的互相換算 典例4 將燃煤廢氣中的CO2轉(zhuǎn)化為甲醚的反應(yīng)原理為 2CO2 g 6H2 g CH3OCH3 g 3H2O g 解析 與 1 的典例類似的解題思路 設(shè)CO2的濃度變化為x 將CO2和H2的起始濃度代入建立三段式 CH3OCH3的體積分?jǐn)?shù)等價于CH3OCH3的平衡濃度與各組分平衡濃度總和的比值 解出x 然后利用轉(zhuǎn)化率的定義可得答案 應(yīng)用4 2015年河南鄭州質(zhì)檢 壓縮天然氣 CNG 汽車的優(yōu)點之一是利用催化技術(shù)能夠?qū)Ox轉(zhuǎn)變成無毒的CO2和N2 已 知 CH4 g 2NO2 g N2 g CO2 g 2H2O g 400K 時 將投料比為1的NO2和CH4的混合氣體共4mol 充入一裝有催化劑的容器中 充分反應(yīng)達到平衡 此時NO2的平衡轉(zhuǎn)化率為60 求平衡時NO2的體積分?jǐn)?shù) 結(jié)果保留三位有效數(shù)字