第2章 第2节 第1课时 化学平衡状态 化学平衡常数（讲义word）-【勤径学升】2024-2025学年高中化学选择性必修1同步练测（人教版2019）

第二节　化学平衡 第1课时　化学平衡状态　化学平衡常数 学习目标 核心素养 1．了解化学反应的可逆性，了解可逆反应的概念。 2．通过化学平衡状态的建立过程，知道化学平衡是一种动态平衡。 3．能根据化学平衡状态的特征，判断化学平衡状态的标志。 4．理解化学平衡常数的概念及意义。 5．能够利用化学平衡常数进行简单的计算。 6．理解化学平衡常数对化学反应进行的程度判断。 1．变化观念：能认识物质是运动和变化的，理解化学反应达到平衡状态时正逆反应依然进行。 2．平衡思想：认识化学变化有一定限度，是可调控的。能多角度、动态地分析可逆反应达到平衡状态时的各种表现。 3．模型认知：通过三段式分析推理的方法，建立平衡常数表达式的认知模型，并能根据模型解释本质和规律。 [对应学生用书第22页] 一、化学平衡状态 1．可逆反应的特点 2．化学平衡的建立 (1)利用浓度变化理解化学平衡建立过程中速率的变化。 在一定条件下，把1 mol N2和3 mol H2充入一密闭容器中： N2＋3H22NH3 反应物浓度 v正 生成物浓度 v逆 开始时 c(N2)最大 c(H2)最大 最大 0 0 进行中 c(N2)减小 c(H2)减小 减小 增大 增大 平衡时 c(N2)不变 c(H2)不变 不变 不变 不变 (2)利用浓度—时间(c­t)图像理解化学平衡建立的过程。 (3)利用速率—时间(v­t)图像理解化学平衡建立的过程。 3．化学平衡状态 (1)定义：化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应，正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。 (2)化学平衡的特征： 1．(安徽亳州高二月考)如图是可逆反应X＋32Z在反应过程中的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线，下列叙述正确的是(　　) A．t2～t3时，各物质的浓度不再发生变化 B．t2时，反应未达到限度 C．t2～t3时，反应已停止进行 D．t1时，反应只向正反应方向进行 解析　t2～t3时，正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，各物质的浓度不再发生变化，A正确；t2时，正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，即反应达到限度，B错误；t2～t3时，正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，但反应速率不为0，反应没有停止，C错误；t1时，正、逆反应速率均不为0，反应向正反应方向进行的同时也向逆反应方向进行，D错误。 答案　A 二、化学平衡常数 1．浓度商 对于mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在任意时刻各物质浓度间存在浓度商Q＝。 2．化学平衡常数 当mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)达到平衡时，各物质浓度之间存在化学平衡常数K＝。 3．特点 K值只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。 4．意义 K值越大→平衡体系中生成物所占的比例越大→正向反应进行的程度越大→反应进行越完全→反应物的转化率越大；反之，就越不完全，转化率就越小。当K>105时，该反应进行得就基本完全了。 2．下列能使反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的平衡常数改变的是(　　) A．升高温度　　　　　　 B．加催化剂 C．增大氮气的浓度 D．增大压强 答案　A [对应学生用书第23页] 要点一　化学平衡状态判断的依据 1．在一定温度下，发生可逆反应：A(g)＋3B(g)2C(g)，下列说法中能说明该反应达到平衡状态的有哪些？ ①单位时间内生成n mol A，同时生成3n mol B ②C的生成速率与C的分解速率相等 ③3v正(A)＝v逆(B) ④单位时间内生成n mol A，同时生成2n mol C 提示：②③④ 2．在一定温度下，容积恒定的密闭容器中进行如下反应：A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)。当下列物理量不发生变化时，能表明该反应已达到平衡状态的有哪些？ ①混合气体的总物质的量 ②B的物质的量浓度 ③容器内气体的压强 ④混合气体的密度 提示：②④ 1．直接依据 (1)v正＝v逆。 (2)各组分的含量保持不变。 2．具体分析[mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)] 可能的情况举例 是否已 达平衡 混合体系中各成分的含量 各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定 是 各物质的质量或各物质的质量分数一定 是 各气体的体积或体积分数一定 是 总体积、总压强或总物质的量一定 不一定 正、逆反应速率的关系 在单位时间内消耗了m mol A，同时生成m mol A 是 在单位时间内消耗了n mol B，同时消耗了p mol C 是 v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q 不一定 在单位时间内生成了n mol B，同时消耗了q mol D 不一定 压强 m＋n≠p＋q时，总压强不变(其他条件一定) 是 m＋n＝p＋q时，总压强不变(其他条件一定) 不一定 混合气体的 平均相对 分子质量 当m＋n≠p＋q时，r不变 是 当m＋n＝p＋q时，r不变 不一定 气体密度 密度不变 不一定 颜色 反应体系内有色物质的 颜色保持不变 是 温度 绝热体系中温度不变 是 [特别警示]　绝热体系的温度不变，说明反应处于平衡状态。 [例1]　(河池八校高二联考)在一定温度一定体积的某密闭容器中，发生反应：A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)　ΔH＜0，下列表明反应达到化学平衡状态的是(　　) ①混合气体的密度不变 ②混合气体的总物质的量不变 ③混合气体的压强不变 ④反应2 mol B同时生成1 mol C ⑤B和C的物质的量比值不变 ⑥反应放出的热量不变 A．④⑤　　　　　　 B．①⑤⑥ C．④⑤⑥ D．①③⑤⑥ 解析　①混合气体的密度不变，可以说明反应达到平衡，正确；②混合气体的总物质的量一直保持不变，不能说明反应达到平衡，错误；③混合气体的压强一直保持不变，不能说明反应达到平衡，错误；④反应2 mol B同时生成1 mol C，均为正向反应，不能说明反应达到平衡，错误；⑤B和C的物质的量比值不变，说明正、逆反应速率相等，正确；⑥该反应是放热反应，反应放出的热量不变，可以说明反应达到平衡，正确。因此只有①⑤⑥正确。 答案　B 1．(邯郸大名一中高二月考)可逆反应：2NO2(g)2NO(g)＋O2(g)，在容积不变的密闭容器中进行，下列能说明该反应达到平衡状态的有(　　) ①单位时间内生成 n mol O2的同时生成2n mol NO ②容器内总压强不再变化 ③NO2、NO、O2的物质的量浓度之比为2∶2∶1 ④混合气体的密度不再改变 ⑤混合气体的颜色不再改变 ⑥混合气体的平均相对分子质量不再改变 A．①②⑤　　　　 B．②⑤⑥ C．③⑥ D．②③⑥ 解析　①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO，都代表正反应速率，不能判断反应是否达到平衡状态，错误；②该反应的反应前后有气体体积差，反应过程中，混合气体的物质的量发生变化，故容器内总压强不再变化能说明反应达到化学平衡状态，正确；③NO2、NO、O2的物质的量浓度之比为2∶2∶1时不一定是平衡状态，错误；④无论反应是否达到平衡状态，混合气体的质量都不变，容器的容积不变，混合气体的密度始终不变，故密度不变不能说明反应达到平衡状态，错误；⑤混合气体的颜色不再改变，说明NO2气体的浓度不变，能说明反应达到平衡状态，正确；⑥该反应反应前后有气体体积差，反应过程中，混合气体的物质的量一直变化，混合气体质量不变，所以混合气体的平均相对分子质量一直在变，当其不再变化时，说明反应达到平衡状态，正确。 答案　B 要点二　化学平衡常数及计算 1．写出平衡常数表达式：①H2(g)＋I2(g)2HI(g)　K1；②H2(g)＋I2(g)HI(g) K2。K1与K2之间有什么关系？据此得出什么结论？ 提示：K1＝；K2＝；K1＝K；平衡常数表达式与化学计量数有关，化学计量数扩大2倍，平衡常数变为原来的平方。 2．已知：在容积为2 L的密闭容器中，充入2.0 mol CO和4.0 mol H2O(g)混合加热到830 ℃，达到下列平衡：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，测得平衡时c(CO2)＝0.4 mol/L，求达到平衡时CO的转化率及平衡常数K。 提示：利用“三段式法”进行计算： CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) 起始浓度/(mol/L)　1．0　　2.0　　　　0　　　　0 转化浓度/(mol/L)　0.4　　0.4　　　　0.4　　　0.4 平衡浓度/(mol/L)　0.6　　1．6　　　　0.4　　　0.4 达到平衡时CO的转化率为 α(CO)＝×100%＝40%， 该温度下的平衡常数 K＝＝＝。 1．使用化学平衡常数应注意的问题 (1)化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。 (2)反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。 (3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。 ①若反应方向改变，则平衡常数改变； ②若化学方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。 如N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，K＝a，则有： 2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)，K′＝1/a； N2(g)＋H2(g)NH3(g)，K″＝。 2．化学平衡常数的应用 (1)判断反应进行的程度 化学平衡常数能够表示可逆反应进行的完全程度。一个反应的K值越大，表明平衡时生成物的浓度越大，反应物的浓度越小，反应物的转化率也越大。 (2)判断反应所处的状态 ①当Q＝K时，反应处于平衡状态； ②当Q<K时，反应向正反应方向进行； ③当Q>K时，反应向逆反应方向进行。 3．利用“三段式法”计算平衡常数(K) (1)思维模板 先确定各物质的起始浓度、转化浓度和平衡浓度，再代入平衡常数表达式进行计算。 ①反应物：平衡浓度＝起始浓度－转化浓度； ②生成物：平衡浓度＝起始浓度＋转化浓度。 (2)应用示例 以反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)为例，T ℃下，假设A、B起始物质的量浓度分别为a mol/L、b mol/L，达到平衡时A的转化浓度为mx mol/L，则有 mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g) 则T ℃下该反应的化学平衡常数为 K＝。 4．平衡转化率(α) 对于反应：aA＋bBcC＋dD，反应物A的转化率可以表示为： α(A)＝×100% [例2]　在一个恒容密闭容器中发生反应CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)，其平衡常数K和温度(T)的关系如表所示： T/℃ 700 800 830 1 000 1 200 K 0.6 0.9 1．0 1．7 2.6 回答下列问题： (1)该反应的平衡常数表达式为K＝________________。 (2)在830 ℃时，向容器中充入1 mol CO、5 mol H2O，保持温度不变，反应达到平衡后，其平衡常数________(选填“大于”“等于”或“小于”)1．0。 (3)在1 200 ℃时，在某时刻反应混合物中CO2、H2、CO、H2O的浓度分别为2 mol·L－1、2 mol·L－1、4 mol·L－1、4 mol·L－1，则此时反应____________________(选填“向正反应方向进行”“向逆反应方向进行”或“达到平衡”)。 解析　(1)平衡常数是指在一定温度下，一个可逆反应达到化学平衡状态时生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值，故该反应的平衡常数表达式为K＝。(2)化学平衡常数仅仅是温度的函数，在830 ℃时，向容器中充入1 mol CO、5 mol H2O，保持温度不变，反应达到平衡后，其平衡常数等于1．0。(3)在1 200 ℃时，某时刻反应混合物中CO2、H2、CO、H2O的浓度分别为2 mol·L－1、2 mol·L－1、4 mol·L－1、4 mol·L－1，此时Q＝＝＝4＞K＝2.6，则此时反应向逆反应方向进行。 答案　(1)　(2)等于　(3)向逆反应方向进行 [思维建模]　解答有关化学平衡常数问题的思维流程 2．在密闭容器中，给A和B的气体混合物加热，在催化剂存在下发生反应：A(g)＋B(g) C(g)＋D(g)。在500 ℃时，平衡常数K＝9。若反应开始时，A和B的浓度都是0.02 mol·L－1，则在此条件下A的转化率为(　　) A．25% B．50% C．75% D．80% 解析　依据化学平衡，设A消耗的浓度为x mol·L－1，分析三段式列式计算： A(g)　＋　B(g) C(g)＋D(g) 起始量/(moL·L－1) 0.02　　　0.02　　　0　　 0 变化量/(mol·L－1) x x x x 平衡量/(mol·L－1) 0.02－x 0.02－x x x 平衡常数K＝＝＝9， 解得：x＝0.015； A的转化率＝×100%＝75%。 答案　C [对应学生用书第26页] 1．对于反应3Fe(s)＋4H2O(g)Fe3O4(s)＋4H2(g)的平衡常数，下列说法正确的是(　　) A．K＝ B．K＝ C．增大c(H2O)或减小c(H2)，会使该反应平衡常数减小 D．改变反应的温度，平衡常数不一定变化 解析　固体反应物或生成物，其浓度可视为常数，在平衡常数表达式中不写，故A错误，B正确；化学平衡常数只与温度有关，而与反应物、生成物的浓度变化无关，故增大c(H2O)或减小c(H2)，该反应的平衡常数不变，但温度改变，平衡常数一定改变，故C、D错误。 答案　B 2．(枣庄三中高二月考)在恒温、体积为2 L的密闭容器中加入1 mol CO2和3 mol H2，发生反应：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＜0。下列可认定该可逆反应已达到化学平衡状态的是(　　) A．v正(CO2)===3v逆(H2) B．容器内混合气体平均相对分子质量保持不变 C．容器中CO2、H2、CH3OH、H2O的物质的量之比为1∶3∶1∶1 D．反应中每形成2 mol H—O键，同时断裂3 mol H—H键 解析　v正(CO2)===3v逆(H2)，反应方向相反，但是不满足反应中化学计量数关系，说明没有达到平衡状态，A错误；CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)反应中，反应前后气体体积不相等，气体总质量不变，若混合气体的相对分子质量保持不变，说明各组分的浓度不再变化，该反应达到平衡状态，B正确；容器中CO2、H2、CH3OH、H2O的物质的量之比为1∶3∶1∶1，无法判断各组分的浓度是否还会发生变化，则无法判断是否达到平衡状态，C错误；反应中每形成2 mol H—O键，同时断裂3 mol H—H键，均表示正反应速率，D错误。 答案　B 3．某温度下，将3 mol A和2 mol B充入2 L一密闭容器中，发生反应：A(g)＋B(g)C(g)＋D(g)，5 min后达到平衡。已知该温度下其平衡常数K＝1，下列选项正确的是(　　) A．C的平衡浓度为1．2 mol/L B．速率v(B)＝0.08 mol/(L·min) C．A的转化率为40% D．B的转化率为40% 解析　设A的变化量为x mol/L，则 A(g)＋B(g) C(g)＋D(g) 起始量/(mol/L)　 1．5　　1　　　 0　 　0 变化量/(mol/L) x x x x 平衡量/(mol/L)1．5－x 1－x x x 则有＝1，解得x＝0.6。C的平衡浓度为0.6 mol/L，速率v(B)＝＝0.12 mol/(L·min)，A的转化率为×100%＝40%，B的转化率为×100%＝60%。 答案　C 4.在某一容积为5 L的密闭容器内，加入0.2 mol的CO和0.2 mol的H2O，在催化剂存在的条件下加热至高温，发生如下反应：CO(g) ＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)　ΔH>0。反应中CO2的浓度随时间变化情况如图。 (1)根据图中数据，反应开始至达到平衡时，CO的化学反应速率为________；反应达到平衡时，c(H2)＝________。 (2)判断该反应达到平衡的依据是__________。 ①CO减少的化学反应速率和CO2减少的化学反应速率相等 ②CO、H2O、CO2、H2的浓度都相等 ③CO、H2O、CO2、H2的浓度都不再发生变化 ④正、逆反应速率都为零 (3)此温度下，该反应的平衡常数的值为________。 解析　(1)由题图可知10 min时达到平衡，v(CO)＝v(CO2)＝＝＝ 0.003 mol·L－1·min－1。由化学方程式得c(H2)＝c(CO2)＝0.03 mol·L－1。 (2)达到平衡的标志是各物质的百分含量不变，浓度不变，正、逆反应速率相等且不为零，CO减少的化学反应速率是正反应速率，CO2减少的化学反应速率是逆反应速率，所以①③可作为判断反应达到平衡的依据。 (3) CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) 起始量/(mol/L) 0.04　 0.04　　 　　0　 　　0 变化量/(mol/L) 0.03 0.03 0.03 0.03 平衡量/(mol/L) 0.01 0.01 0.03 0.03 该反应的平衡常数K＝＝9。 答案　(1)0.003 mol·L－1·min－1　0.03 mol·L－1 (2)①③　(3)9 学科网（北京）股份有限公司 $$