内容正文:
第2节 化学反应的限度
学习目标 重点难点
1.能描述化学平衡状态,理解化学平衡状态的含义。
2.知道化学平衡常数的含义,会书写化学平衡常数表达式。
3.知道平衡转化率的含义,能进行平衡常数、平衡浓度、平衡转化率的计算。会分析温度、浓度、压强变化对化学平衡移动的影响。 重点 1.化学平衡状态的判断
2.平衡常数、平衡转化率的计算
难点 平衡常数的应用
化学平衡常数
第一课时
3
目
录
01
02
新知探究(一)——化学平衡状态及其判断
新知探究(二)——化学平衡常数
03
课时跟踪检测
01
新知探究(一)——化学平衡状态及
其判断
(一)化学平衡状态
1.含义
在一定条件下可逆反应进行到一定程度时,反应物和反应产物的浓度不再随时间的延长而发生变化,正反应速率和逆反应速率相等。这种状态称为化学平衡状态。
[微点拨] 化学平衡的建立与反应途径无关,不管是从正反应开始,还是从逆反应开始,或者正、逆反应同时投料,都可以建立平衡。
2.建立过程
3.化学平衡状态的特征
可逆反应
=
≠
一定
[微思考] 可逆反应达到化学平衡时,各物质的浓度相等吗?与化学计量数成比例吗?
提示:不一定,达到平衡后各物质的浓度保持不变。达到平衡后各物质的浓度与化学计量数之间没有必然联系。
(二)化学平衡状态的判断
1.化学平衡的判断依据,即化学平衡的两个主要特征
本质特征 v(正)=v(逆)
表观特征 反应混合物中各组分含量保持不变
2.判断方法
(1)直接判断法
速率 同一物质 消耗速率与生成速率相等
不同物质 v(正)∶v(逆)=系数比
浓度 各组分的浓度保持不变
(2)间接判断法
①各组分的百分含量保持不变(各物质的物质的量分数一定、各物质的质量分数一定、各气体的体积分数一定);
②各组分的物质的量不随时间的改变而改变;
③各气体的体积不随时间的改变而改变。
1.若反应中一个N≡N键断裂的同时,有6个N—H 键断裂,能否说明已经达到化学平衡状态?
提示:能。一个NH3中有三个N—H键。由方程式可知“一个 N≡N”对应“6个 N—H 键”, N—H 键断裂表示逆反应速率,N≡N 键断裂表示正反应速率。且两个反应速率相等。
2.若反应中c(NH3)=2c(N2),能否说明已经达到化学平衡状态?
提示:不能。因为浓度不变并不是说浓度比等于反应化学计量数比,该关系不能说明浓度不再变化。
3.若容器内密度不再变化,能否说明已经达到化学平衡状态?
提示:不能。反应容器体积不变,容器内气体总质量不变(遵循质量守恒),所以达到平衡之前容器内的密度也是定值。不能说明已达到化学平衡状态。
[题点多维训练]
1.下列关于化学平衡状态的叙述错误的是( )
A.化学平衡是所有可逆反应都存在的一种状态
B.在给定条件下,达到平衡时可逆反应完成程度达到最大
C.达到平衡时,正、逆反应速率均为零
D.达到平衡时,反应物和生成物的浓度不再发生变化
解析:化学平衡是动态平衡,正、逆反应速率相等但不为零。
√
√
2.对于可逆反应M+N Q达到平衡时,下列说法正确的是 ( )
A.M、N、Q三种物质的浓度一定相等
B.M、N全部变成了Q
C.反应物和生成物的浓度都保持不变
D.正、逆反应速率均为0
解析:一个可逆反应达到平衡状态时,正、逆反应仍在不断进行,同时各组分的浓度保持不变,但不一定相等。
√
解析:由于反应物和生成物均为气态,且反应前后气体的物质的量不变,故气体的压强和密度在反应过程中始终保持不变,A、B不能作为反应达到平衡的标志。C(g)、D(g)均为生成物,反应的任何时刻,C(g)、D(g)的物质的量总是相等,D项错误。
当c(A)不变时,说明单位时间内生成的A与消耗的A的量相等,即反应处于平衡状态。
⑤混合气体的总压强不再变化;
⑥混合气体的物质的量不再变化;
⑦单位时间内消耗a mol A,同时生成3a mol B;
⑧A、B、C的分子数之比为1∶3∶2。
A.②⑧ B.①⑥ C.②④ D.③⑧
解析:该反应是一个物质的总量改变的反应,气体总体积也在改变,总压强也在改变,所以这些量不再改变也是判断平衡的标志之一。
√
思维建模|“两步法”突破化学平衡状态标志的判断
第一步 审题干条件,是恒温恒容还是恒温恒压;审反应特点:①全部是气体参与的等体积反应还是非等体积反应;②有固体参与的等体积反应还是非等体积反应
第二步 看“变量”, 所用标志必须随着反应的进行在改变,当“变量”不变了,也就是变量一定了,说明达到了平衡
02
新知探究(二)——化学平衡常数
1.基本概念及影响因素
系数次幂之积
续表
意义 平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度;平衡常数的数值越大,说明反应可以进行得越完全
影响因素 内因 反应物的本身性质
外因 只与反应体系的温度有关
[微点拨] 化学平衡常数表达式中各物质的浓度必须是平衡时的浓度,且纯固体、纯液体不列入平衡常数表达式中。
2.应用
(1)判断反应可能进行的程度
K值 <10-5(或<10-6) 10-5~105(或10-6~106) >105(或>106)
反应程度 很难进行 反应可逆 进行较完全
√
解析:化学平衡常数随温度的改变而改变,故A错误;
平衡常数K只与温度有关,与反应物浓度、压强无关,故B正确;
从平衡常数K的大小可以推断一个反应进行的程度,平衡常数越大,反应进行得越彻底,故C错误;
√
试判断:平衡时各反应的正反应进行的程度由大到小的顺序是( )
A.①②③④ B.④②③①
C.①④③② D.无法确定
解析:K值越大,表示反应正向进行的程度越大。由题意可知,上述反应进行的程度由大到小的顺序是①>②>③>④。
A.曲线①表示的是正反应的vt关系
B.t2时刻体系处于平衡状态
C.反应进行到t1时,Q>K(Q为浓度商)
D.催化剂存在时,v1、v2都增大
√
解析:反应为乙苯制备苯乙烯的过程,开始反应物浓度最大,生成物浓度为0,所以曲线①表示的是正反应的vt关系,曲线②表示的是逆反应的vt关系,故A正确;
t2时,正逆反应速率相等,体系处于平衡状态,故B正确;
反应进行到t1时,反应正向进行,故Q<K,故C错误;
催化剂能降低反应的活化能,使反应的v1、v2都增大,故D正确。
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)该反应的化学平衡常数表达式为K=________________________。
(2)某温度下,平衡浓度符合下式c平(CO2)·c平(H2)=c平(CO)·c平(H2O),试判断此时的温度为________℃。
(3)在800 ℃时,发生上述反应,某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)=2 mol·L-1,c(H2)=1.5 mol·L-1,c(CO)=1 mol·L-1,c(H2O)=3 mol·L-1,则反应______________(填“正向”或“逆向”)进行。
03
课时跟踪检测
1.在一定条件下,气体参与的某正反应方向ΔH<0的可逆反应达到化学平衡时,下列说法不正确的是( )
A.反应物的浓度一定等于反应产物的浓度
B.反应体系中压强恒定
C.反应体系中混合物的组成保持不变
D.反应体系中温度不变
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解析:对于放热的可逆反应,达到平衡时,反应物与反应产物的浓度不一定相等,A项错误;
可逆反应达到平衡时,正、逆反应速率相等,气体分子数保持不变,反应体系中压强恒定,混合物的组成保持不变,反应体系中温度不变,B、C、D项正确。
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2.下列关于化学平衡常数的说法正确的是( )
A.在任何条件下,同一个反应的化学平衡常数是相同的
B.当改变反应物的浓度时,化学平衡常数会发生改变
C.化学平衡常数随反应体系压强的变化而变化
D.对于一个给定的化学方程式,化学平衡常数的大小只与温度有关,与反应物的浓度无关
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解析:平衡常数与温度有关,同一个反应的化学平衡常数随温度改变而改变,故A错误;平衡常数只与温度有关,与反应物浓度、体系压强均无关,故B、C错误,D正确。
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解析:在同一个反应中,化学平衡常数只与温度有关,与压强、表面积、催化剂无关。
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解析:可逆反应达到化学平衡状态的主要特征之一是v正=v逆,而3v正(N2)=v正(H2)并未反映出v正=v逆的关系,即A项不正确;
在N2与H2合成NH3的反应中,v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=1∶3∶2,分析时一要注意二者应分别代表正反应速率和逆反应速率,二要注意不同物质的速率之比等于化学计量数之比。
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解析:平衡常数的值越大,说明反应正向进行得越彻底,题中反应①K值很小,进行的程度很小;反应②K值很大,进行的程度很大。
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6.下列反应的平衡常数表达式错误的是( )
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解析:当水蒸气和氢气浓度相等时,Q=1,K=0.059,Q>K,反应逆向进行。
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④混合气体的颜色不再改变的状态
⑤混合气体的密度不再改变的状态
⑥混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
⑦混合气体的压强不再改变的状态
⑧2v正(NO2)=v正(O2)
A.①④⑥⑦ B.②③⑤⑦
C.①③④⑤ D.③④⑤⑥
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解析:生成氧气,反应向正反应方向进行,生成NO2,反应向逆反应方向进行,且两者比值等于化学计量数之比,故①能表示达到平衡状态的标志;
单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO都表示向正反应方向进行,故②不能表示达到平衡状态的标志;
任何时刻三者速率之比等于2∶2∶1,不能说明反应达到平衡,故③不能表示达到平衡状态的标志;
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NO2为红棕色气体,其余为无色气体,因此当气体颜色不再改变,说明反应达到平衡,故④能表示达到平衡状态的标志;
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2v正(NO2)=v正(O2),均表示正反应速率,故⑧不能作为达到平衡的标志;综上所述,能作为反应达到平衡状态的标志是①④⑥⑦。
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(1)图中表示NO2的浓度变化的曲线是________,用O2表示0~2 s内该反应的平均反应速率v(O2)=________________________。
(2)能说明该反应已达到平衡状态的是__________(填字母)。
A.v(NO2)=2v(O2)
B.容器内气体总的物质的量保持不变
C.v逆(NO)=2v正(O2)
D.容器内气体的密度保持不变
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(2)A项中未指明正、逆反应速率,故无法说明该反应是否达到平衡状态,而D项中容器的体积及气体的总质量都不变,气体的密度也始终不变。
答案:(1)b 1.5×10-3 mol·L-1·s-1 (2)BC
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试回答下列问题:
(1)该反应的化学平衡常数表达式为K=________________________。
(2)在830 ℃时发生上述反应,按下表中的物质的量将各物质投入恒容反应器中,其中向正反应方向进行的反应有________(填字母)。
选项 A B C D
n(CO2)/mol 3 1 0 1
n(H2)/mol 2 1 0 1
n(CO)/mol 1 2 3 0.5
n(H2O)/mol 5 2 3 2
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A.T ℃时,该反应的平衡常数的数值为4
B.c点反应没有达到化学平衡,此时反应逆向进行
C.若c点为化学平衡点,则此时容器内的温度高于T ℃
D.T ℃时,直线cd上的点均达到平衡状态
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如果c点反应达到平衡,此时的平衡常数小于T ℃时的平衡常数,又因该反应为放热反应,则说明此时容器内的温度高于T ℃,故C正确;
平衡常数只受温度的影响,与浓度、压强无关,因此T ℃时,只有曲线ab上的点均达到平衡状态,故D错误。
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应用化学
氨是重要的无机化工产品之一,在国民经济中占有重要地位。合成氨过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题,将氨气从合成反应后的气体中分离出来,未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。
某实验小组模拟工厂中合成氨的反应,反应在容积不变的密闭容器中,发生合成氨反应:N2+3H22NH3。
3.恒容密闭容器中进行反应A(g)+B(g)C(g)+D(g),判断反应是否达到平衡的依据为 ( )
A.压强不随时间改变
B.气体的密度不随时间改变
C.c(A)不随时间改变
D.单位时间里生成C(g)和D(g)的物质的量相等
4.在一定温度下,下列叙述不是可逆反应A(g)+3B(g)2C(g)达平衡时的特征的是( )
①C的生成速率与C的分解速率相等;
②单位时间内生成a mol A,同时生成3a mol B;
③A、B、C的浓度不再变化;
④A、B、C的压强不再变化;
概念
在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡状态时,生成物平衡浓度的______________与反应物平衡浓度的系数次方的幂之积的比值
表达式
已知反应:aA+bBcC+dD,其K=______________
(2)判断反应是否达到平衡状态
对化学反应aA+bBcC+dD的任意状态有浓度商:Q=
[题点多维训练]
1.下列关于平衡常数K的说法中,正确的是( )
A.在任何条件下,化学平衡常数K都是一个恒定值
B.平衡常数K只与温度有关,与反应物浓度、压强无关
C.从平衡常数K的大小不能推断一个反应进行的程度
D.对于可逆反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)在一定温度下达到平衡时,其平衡常数表达式为K=
对于可逆反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)在一定温度下达到平衡时,其平衡常数表达式为K=,故D错误。
2.在一定条件下,有下列气体分子数相同的可逆反应,其平衡常数K分别是:
①H2+F22HF K=6.5×1095
②H2+Cl22HCl K=2.57×1033
③H2+Br22HBr K=1.91×1019
④H2+I22HI K=8.67×102
3.(2023·海南卷改编)工业上苯乙烯的生产主要采用乙苯脱氢工艺:C6H5CH2CH3(g)C6H5CH===CH2(g)+H2(g)。某条件下无催化剂存在时,该反应的正、逆反应速率v随时间t的变化关系如图所示。下列说法不正确的是( )
4.在一定体积的密闭容器中进行化学反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数和温度的关系如下表所示:
解析:(2)当c平(CO2)·c平(H2)=c平(CO)·c平(H2O)时,即K=1,对应表中温度为830 ℃。
答案:(1)
(2)830 (3)逆向
(3)Q===1>0.9,Q>K,反应逆向进行。
3.对于可逆反应:C(s)+CO2(g)2CO(g),在一定温度下,其平衡常数为K,下列条件的变化中,能使K发生变化的是( )
A.将C(s)的表面积增大 B.增大体系的压强
C.升高体系的温度 D.使用合适的催化剂
4.可逆反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的正、逆反应速率可用各反应物或反应产物浓度的变化来表示。下列各关系中能说明反应已达到平衡状态的是( )
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)
5.在相同的温度下,
已知反应:①N2(g)+O2(g)2NO(g)的平衡常数K=3.84×10-31;
②2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)的平衡常数K=3.10×1026。
则在该温度下,两个化学反应的反应程度之间的关系为( )
A.①>② B.①<②
C.①=② D.不能确定
选项
化学方程式
平衡常数表达式
A
2NO2N2O4
K=
B
NO2N2O4
K=
C
2Fe3++Fe3Fe2+
K=
D
Br2+H2OH++Br-+HBrO
K=
解析:平衡常数=生成物平衡浓度系数次方的乘积与反应物浓度系数次方的乘积之比。2NO2N2O4平衡常数表达式K=,故A错误;
NO2N2O4平衡常数表达式K=,故B正确;
2Fe3++Fe3Fe2+中Fe是固体,固体不计入平衡常数表达式,平衡常数表达式K=,故C正确;
Br2+H2OH++Br-+HBrO中H2O是纯液体,纯液体不计入平衡常数表达式,平衡常数表达式K=,故D正确。
7.某温度下,反应2A(g)+B(g)2C(g)的平衡常数K1=50,在同一温度下,反应2C(g)2A(g)+B(g)的平衡常数K2为( )
A.2500 B.50
C.0.02 D.0.002
解析:对反应2A(g)+B(g)2C(g)的平衡常数K1=,而同一温度下,反应2C(g)2A(g)+B(g)的平衡常数K2===0.02。
8.在1 000 K时,已知反应Ni(s)+H2O(g)NiO(s)+H2(g)的平衡常数K=0.059,当水蒸气和氢气的物质的量浓度相等时,此反应( )
A.已达到平衡状态
B.未达到平衡状态,反应正向进行
C.未达到平衡状态,反应逆向进行
D.无法确定
9.已知下列反应的平衡常数:
①H2(g)+S(s)H2S(g) K1;
②S(s)+O2(g)SO2(g) K2;
则反应③H2(g)+SO2(g)O2(g)+H2S(g)的平衡常数是( )
A.K1+K2 B.K1-K2 C.K1×K2 D.
解析:反应①的平衡常数K1=,反应②的平衡常数K2=,反应③的平衡常数K==。
10.(2024·广州第二中学校考期中)可逆反应:2NO2(g)2NO(g)+O2(g)在一恒温恒容的密闭容器中反应,达到平衡状态的标志是( )
①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2
②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO
③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的状态
根据ρ=,各组分都是气体,则气体质量不变,是恒容容器,气体体积不变,因此密度任何时刻都相等,即密度不变,故⑤不能作为达到平衡的标志;
根据M=,各组分都是气体,气体质量不变,向正反应方向进行,气体物质的量增大,因此当气体平均摩尔质量不变时,说明反应达到平衡,故⑥能表示达到平衡状态的标志;
因为反应前后气体系数之和不相等,反应达到平衡前,压强不断变化,因此当压强不再改变,说明反应达到平衡,故⑦能表示达到平衡状态的标志;
11.某温度下,向容积为2 L的密闭容器中充入0.10 mol SO3,当容器中的气体压强不再变化时测得SO3的转化率为20%,则该温度下反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)的平衡常数为( )
A.3.2×103 B.1.6×103
C.8.0×102 D.4.0×102
解析: 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
c(始)/(mol·L-1) 0 0 0.05
c(变)/(mol·L-1) 0.01 0.005 0.01
c(平)/(mol·L-1) 0.01 0.005 0.04
K==3.2×103。
12.在2 L密闭容器内,800 ℃时反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)体系中,n(NO)随时间的变化如下表:
时间/s
0
1
2
3
4
5
n(NO)/mol
0.020
0.010
0.008
0.007
0.007
0.007
解析:(1)该反应达到平衡时,n(NO)=0.007 mol,此时n(NO2)=0.013 mol,其浓度变化量为0.006 5 mol·L-1,所以表示NO2浓度变化的曲线是b。v(NO)==0.003 mol·L-1·s-1,v(O2)=v(NO)=0.001 5 mol·L-1·s-1。
13.煤化工中常需研究不同温度下的平衡常数、产率及不同投料比对反应方向的影响等问题。已知反应CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)的平衡常数随温度的变化如表所示:
温度/℃
400
500
830
1 000
平衡常数K
10
9
1
0.6
解析:(1)K=。
(2)830 ℃时,K=1。A项,Q==1.2>1,反应逆向进行;B项,Q==<1,反应正向进行;C项,Q==0<1,反应正向进行;D项,Q==1=K,反应处于平衡状态。
答案:(1) (2)BC
14.在恒容密闭容器中,进行反应:2X(g)+Y(s)Z(g)+W(g) ΔH=a kJ·mol-1,其化学平衡常数K和温度T的关系如表。下列叙述不正确的是( )
T/℃
700
800
900
1 000
1 200
K
0.6
1.0
1.3
1.8
2.7
A.该反应的化学平衡常数表达式为K=
B.若某平衡状态时c平(X)=1.0 mol·L-1,c平(Z)=c平(W)=1.1 mol·L-1,则反应温度介于800~900 ℃之间
C.若4 L容器中X和Y各1 mol,在800 ℃下进行反应,某时刻测得X的物质的量为 mol,说明该反应已达到平衡
D.在1 000 ℃时,反应Z(g)+W(g)2X(g)+Y(s)的平衡常数为1.8
解析:固体物质不能列入平衡常数的表达式,则该反应的化学平衡常数表达式为K=,故A正确;
将c平(X)=1.0 mol·L-1,c平(Z)=c平(W)=1.1 mol·L-1代入平衡常数表达式K=,得K=1.21,介于1.0~1.3之间,所以反应温度介于800~900 ℃之间,故B正确;
4 L容器中X和Y各1 mol,在800 ℃下进行反应,某时刻测得X的物质的量为 mol,可列出三段式:
2X(g)+Y(s)Z(g)+W(g)
起始量/mol 1 0 0
转化量/mol
某时刻量/mol
则Q==1=K,说明该反应已达到平衡,故C正确;在1 000 ℃时,反应2X(g)+Y(s)Z(g)+W(g)的平衡常数为1.8,其逆反应Z(g)+W(g)2X(g)+Y(s)的平衡常数应为原反应平衡常数的倒数,为,故D错误。
15.(2024·六安期中)T ℃时,在一固定容积的密闭容器中发生反应:A(g)+B(g)C(s) ΔH<0,按照不同配比向容器中充入A、B气体,达到平衡时,容器中A、B的浓度变化如图中曲线所示,下列判断正确的是( )
解析:根据平衡常数的表达式并结合题图可知,T ℃时,K==,故A错误;
c点时,浓度商Q<K,反应正向进行,故B错误;
$$