内容正文:
第八章 化学反应速率和化学平衡
第36讲 化学平衡状态及平衡移动
课标引领 1.通过实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。
2.能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化,能讨论化学反应条件的选择和优化。
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第八章 化学反应速率和化学平衡
栏目索引
考点一 化学平衡状态及平衡移动
考点二 影响化学平衡的因素
1.可逆反应
考点一
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2.化学平衡状态
(1)概念
一定条件下的可逆反应中,当正反应速率与逆反应速率_______时,反应物和生成物的浓度均保持_______,即体系的组成不随时间而改变的状态。
相等
不变
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(2)建立过程
相同条件下,无论可逆反应从正向开始,还是从逆向开始,均可建立相同的平衡状态:
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(3)平衡特征
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3.判断化学平衡状态的方法
(1)动态标志:v(正)=v(逆)≠0
①同种物质:同一物质的生成速率_______消耗速率。
②不同物质:必须标明是“异向”的反应速率关系,且速率之比等于其化学计量数之比。例如,aA(g)+bB(g)⥫⥬cC(g)+dD(g),若v正(A)∶v逆(B)=_______时,该反应达到平衡状态。
等于
a∶b
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(2)静态标志:各种“物理量”不变,如质量、物质的量(或浓度)、百分含量(物质的量分数、质量分数等)等。
总之,若物理量由变量变成不变量,则表明该可逆反应达到平衡状态;若物理量为“不变量”,则不能作为平衡标志。
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考向一 可逆反应的理解及应用
[例1] 在密闭容器中进行反应:X2(g)+Y2(g)⥫⥬2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.2 mol/L,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度有可能是( )
A.Z为0.3 mol/L B.Y2为0.4 mol/L
C.X2为0.2 mol/L D.Z为0.4 mol/L
A
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第八章 化学反应速率和化学平衡
解析:
利用“极端转化法”确定各物质的最大浓度和最小浓度范围:①假设反应正向进行到底,此时c(X2)=0,c(Y2)=0.2 mol/L,c(Z)=0.4 mol/L;②假设反应逆向进行到底,此时c(Z)=0,c(X2)=0.2 mol/L,c(Y2)=0.4 mol/L,从而推知c(X2)介于0~0.2 mol/L之间,c(Y2)介于0.2~0.4 mol/L之间,c(Z)介于0~0.4 mol/L之间,不包括两个极值点,A正确。
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[练1] (2025·河南项城五校联考)在一密闭容器中进行反应:2X(g)+Y(g)⥫⥬2Z(g)。已知反应过程中某一时刻X、Y、Z的浓度分别为0.3 mol/L、0.1 mol/L、0.4 mol/L,当反应达到平衡时,可能存在的是( )
A.c(Z)=0.7 mol/L
B.c(Y)+c(X)=1.0 mol/L
C.c(Y)+c(Z)=1.05 mol/L
D.c(X)+c(Y)+c(Z)=0.75 mol/L
D
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解析:
利用“极端转化法”进行分析,确定Z的浓度范围,c(Z)介于0~0.6 mol/L之间,A错误;反应逆向进行到底,c(X)、c(Y)达最大值,分别为0.7 mol/L、0.3 mol/L,由于反应不能逆向进行到底,故c(X)+c(Y)<1.0 mol/L,B错误;同理,0.3 mol/L<c(Y)+c(Z)<0.6 mol/L,C错误;0.7 mol/L<c(X)+c(Y)+c(Z)<1.0 mol/L,D正确。
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考向二 化学平衡状态的判断
[例2] (2025·河北邯郸六校联考)将一定量纯净的氨基甲酸铵固体置于密闭真空容器中(容器体积不变,固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:H2NCOONH4(s)⥫⥬2NH3(g)+CO2(g)。下列各项:①2v(NH3)=v(CO2);②密闭容器中压强不变;③密闭容器中混合气体的密度不变;④密闭容器中氨的体积分数不变;⑤密闭容器中c(NH3)不变。能判断该反应已经达到化学平衡状态的是( )
A.②③⑤ B.②③④
C.①④ D.全部
A
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解析:
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[练2](双选)(2025·北京清华附中统考)甲烷消除NO2污染的原理为CH4(g)+2NO2(g)⥫⥬N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)。在一定温度下,向恒容密闭容器中充入一定量的CH4和NO2进行上述反应。下列表述能用来判断该反应达到化学平衡状态的是( )
A.2 v正(CH4)=v逆(NO2)
B.容器中混合气体的平均密度不再变化
C.容器中混合气体总压强不再发生变化
D.单位时间内,消耗1 mol CH4同时生成1 mol CO2
AC
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解析:
v正(CH4)、v逆(NO2)分别代表正、逆反应速率,达到平衡时2v正(CH4)=v逆(NO2),A正确; 容器容积不变,混合气体总质量不变,则密度始终不变,则当容器中混合气体的平均密度不再变化,不能判断该反应达到化学平衡状态,B错误;容器容积不变,随反应进行,气体物质的量逐渐增大,压强会增大,则压强是一个变化的量,则当容器中混合气体总压强不再发生变化,能判断该反应达到化学平衡状态,C正确;无论反应是否达到平衡,单位时间内,消耗1 mol CH4,同时生成1 mol CO2,故不能判断该反应达到化学平衡状态,D错误。
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考点二
1.化学平衡的移动
(1)在一定条件下,当可逆反应达到平衡状态后,若反应条件(如温度、浓度、压强等)发生变化,平衡混合物中各组分的浓度也会随之改变,从而在一段时间后达到新的平衡状态,这种由___________状态达到_________状态的过程,叫做化学平衡的移动。
原有的平衡
新的平衡
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(2)化学平衡移动的过程
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[微点拨1]①化学反应条件改变,使正、逆反应速率不再相等,化学平衡才会发生移动。
②化学平衡发生移动,化学反应速率一定改变。
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2.判断化学平衡移动的方向
(1)根据正、逆反应速率判断
正、逆反应速率的关系 化学平衡移动的方向
若v(正)>v(逆) 平衡向_______方向移动
若v(正)=v(逆) 平衡_______
若v(正)<v(逆) 平衡向_______方向移动
正反应
不移动
逆反应
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(2)根据浓度商(Q)和平衡常数(K)判断
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[微点拨2]温度一定时,化学平衡常数(K)是定值,浓度商(Q)是变量,平衡发生移动,Q发生变化,最终达到Q=K的平衡状态。
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3.影响化学平衡的外界因素
其他条件保持不变,改变温度、浓度、压强等因素,对化学平衡的影响如下表所示:
改变的条件(其他条件不变) 化学平衡移动的方向
浓度 增大反应物浓度或减小生成物浓度 向_______方向移动
减小反应物浓度或增大生成物浓度 向_______方向移动
正反应
逆反应
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压强(有气体参加的可逆反应) 反应前后气
体体积改变 增大压强 向气体分子总体积_______的方向移动
减小压强 向气体分子总体积_______的方向移动
反应前后气
体体积不变 改变压强 平衡____移动
温度 升高温度 向_______反应方向移动
降低温度 向_______反应方向移动
催化剂 同等程度改变v正、v逆,平衡不移动
减小
增大
不
吸热
放热
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5.勒夏特列原理(化学平衡移动原理)
如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够_______这种影响的方向移动。
减少
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考向一 化学平衡移动的方向及结果分析
[例1] (2022·海南卷)某温度下,反应CH2===CH2(g)+H2O(g)⥫⥬CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡,下列说法正确的是( )
A.增大压强,v正>v逆,平衡常数增大
B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大
C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动
D.恒容下,充入一定量的CH2===CH2(g),CH2===CH2(g)的平衡转化率增大
C
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解析:
增大压强,平衡正向移动,则有v正>v逆,由于温度不变,则平衡常数不变,A错误;加入催化剂,平衡不移动,CH3CH2OH(g)的浓度不变,B错误;恒容下,充入一定量的H2O(g),反应物的浓度增大,平衡向正反应方向移动,C正确;恒容下,充入一定量的CH2===CH2(g),平衡正向移动,H2O(g)的平衡转化率增大,但CH2===CH2(g)的平衡转化率反而减小,D错误。
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分析化学平衡移动及结果的思维流程
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D
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解析:
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解析:
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a.温度越高,反应速率越大
b.α=0.88的曲线代表平衡转化率
c.α越大,反应速率最大值对应温度越低
d.可根据不同α下的最大速率,选择最佳生产温度
答案:cd
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解析:
该反应为放热反应。从图像看,随着温度升高,反应速率先增大后减小,a错误;随着温度升高,反应的转化率应逐渐减小,图像中曲线为不同温度下的等转化率下的反应速率曲线,b错误;由题图可知,转化率越高对应的反应速率最高的温度越低,c正确;结合图像的转化率与速率最高的温度可选取最佳生产温度,d正确。
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平衡移动方向与转化率的关系
以反应aA(g)+bB(g)⥫⥬cC(g)+dD(g)为例进行分析:
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(3)若按原起始投料比同倍数增加(或减小)A、B的浓度,等效于压缩(或扩大)容器体积,气体反应物的转化率与化学计量数有关:
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[练2](双选)(2025·山东聊城期初统考)在容积固定的密闭容器中,发生反应N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH<0,改变条件,下列说法正确的是( )
A.增大压强,平衡正向移动,平衡常数不变
B.将部分NH3分离出来,氮气转化率和v(正)均增大
C.增加氮气的物质的量,平衡正向移动,氮气的转化率降低
D.使用高效催化剂,可以提高氢气的平衡转化率
AC
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解析:
平衡常数只与温度有关,改变压强,温度不变,K不变,A正确;将部分NH3分离出来,平衡正向移动,但反应物浓度也减小,v(正)相应也减小,B错误;增加氮气的物质的量,平衡正向移动,但氮气的转化率降低,C正确;催化剂只能增大反应速率,不能提高平衡转化率,D错误。
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1.(2025·湖北省名校联盟联考)对于可逆反应2NO2(g)⥫⥬N2O4(g),下列说法错误的是( )
A.当2v正(N2O4)=v逆(NO2)时,该反应达到平衡状态
B.该反应在一定条件下能自发进行,则ΔH<0
C.恒温恒容条件下,若混合气体的颜色保持不变,则该反应达到平衡状态
D.恒温恒容条件下,达平衡状态后,再充入一定量的NO2,NO2转化率将减小
D
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解析:
v正(N2O4)代表正反应速率,v逆(NO2)代表逆反应速率,当2v正(N2O4)=v逆(NO2)时,正、逆反应速率之比等于其化学计量数之比,该反应达到平衡状态,A正确;该反应的ΔS<0,在一定条件下能自发进行,应满足ΔH-TΔS<0,推知ΔH<0,B正确;恒温恒容条件下,若混合气体的颜色保持不变,说明c(NO2)不变,则该反应达到平衡状态,C正确;恒温恒容条件下,达平衡状态后,再充入一定量的NO2,相当于增大压强,而增大压强,平衡正向移动,NO2的转化率增大,D错误。
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2.可逆反应:2NO2(g)⥫⥬2NO(g)+O2(g)在密闭容器中反应,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
③NO2、NO、O2的物质的量浓度均保持不变
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
A.①③④⑥ B.②③⑤ C.①③④ D.①②③④⑤⑥
A
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解析:
单位时间内生成n mol O2,必然消耗2n mol NO2,若同时生成2n mol NO2,则达到平衡状态,①正确;O2和NO都是生成物,单位时间内生成n mol O2,必然生成2n mol NO,不能判断反应是否达到平衡状态,②错误;达到平衡时,各物质的浓度均不变,③正确;只有NO2是红棕色气体,混合气体的颜色不变,说明c(NO2)不变,达到平衡状态,④正确;各物质均是气体,密闭容器中混合气体的密度始终不变,⑤错误;混合气体的总质量不变,若平均相对分子质量不再改变,则气体总物质的量不变,达到平衡状态,⑥正确。
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3.(2025·辽宁沈阳二中月考)某温度下,在恒容密闭容器中加入一定量X,发生反应2X(s)⥫⥬Y (s)+Z(g),一段时间后达到平衡。下列说法错误的是( )
A.升高温度,若c(Z)增大,则ΔH>0
B.加入一定量Z,达新平衡后m(Y)减小
C.加入等物质的量的Y和Z,达新平衡后c(Z)增大
D.加入一定量氩气,平衡不移动
C
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解析:
升高温度,若c(Z)增大,说明升高温度,平衡正向移动,则正反应为吸热反应,即ΔH>0,A正确;加入一定量Z,生成物浓度增大,平衡逆向移动,则m(Y)减小,B正确;达到新平衡时,加入等物质的量的Y和Z,由于K=c(Z)不变,故达新平衡后c(Z)不变,C错误;体积不变,加入一定量氩气,Z的浓度不变,则平衡不移动,D正确。
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BC
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解析:
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5.(2024·浙江6月选考卷)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ.C2H6(g)+CO2(g)―→C2H4(g)+CO(g)+H2O(g) ΔH1>0
Ⅱ.C2H6(g)+2CO2(g)―→4CO(g)+3H2(g) ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据见下表,下列说法不正确的是( )
D
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温度/℃ 400 500 600
乙烷转化率/% 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性/% 92.6 80.0 61.8
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A.反应活化能:Ⅰ<Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)=2.88×10-3 mol·
L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
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解析:
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B
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A.x1<x2
B.反应速率:vb正<vc正
C.点a、b、c对应的平衡常数:Ka<Kb=Kc
D.反应温度为T1,当容器内压强不变时,反应达到平衡状态
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课时作业(36)
谢谢观看!
2v(NH3)=v(CO2),没有说明是正反应速率还是逆反应速率,也不符合化学计量数的比例关系,①错误;该反应是气体体积增大的反应,密闭容器中压强不再增大时,说明反应达到平衡状态,②正确;根据ρ(气体)=,气体质量是变量,容器体积不变,则气体密度是变量,混合气体的密度不再变化时说明反应达到平衡状态,③正确;反应生成的NH3(g)、CO2(g)的物质的量之比始终是2∶1,因此密闭容器中氨的体积分数不变,不能说明反应达到平衡状态,④错误;密闭容器中c(NH3)增大,当c(NH3)不再变化时,能说明反应达到平衡状态,⑤正确。
不能作为判断化学平衡状态“标志”的四种情况
(1)全是气体参加的反应,恒容条件下混合气体的密度不变。
(2)反应组分的物质的量(或浓度)之比等于化学方程式中其化学计量数之比。
(3)恒温恒容下的体积不变的反应,体系的压强(或总物质的量)不再随时间而变化,如2HI(g)⥫⥬H2(g)+I2(g)。
(4)全是气体参加的体积不变的反应,混合气体的平均相对分子质量不再随时间而变化,如H2(g)+I2(g)⥫⥬2HI(g)。
4.充入惰性气体(非反应气体)与平衡移动的关系
(1)恒温恒容:原平衡体系体系总压强增大→反应体系中各组分的浓度不变→平衡不移动。
(2)恒温恒压:原平衡体系容器容积增大→各反应气体的分压减小→体系中各组分的浓度均减小
[练1] (2022·浙江6月选考卷)关于反应Cl2(g)+H2O(l)⥫⥬HClO(aq)+H+(aq)+Cl-(aq) ΔH<0,达到平衡后,下列说法不正确的是( )
A.升高温度,氯水中的c(HClO)减小
B.氯水中加入少量醋酸钠固体,上述平衡正向移动,c(HClO)增大
C.取氯水稀释,增大
D.取两份氯水,分别滴加AgNO3溶液和淀粉KI溶液,若前者有白色沉淀,后者溶液变蓝色,可以证明上述反应存在限度
该反应的正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,c(HClO)减小,A正确;向氯水中加入少量醋酸钠固体,CH3COO-和H+结合生成CH3COOH,c(H+)减小,平衡正向移动,c(HClO)增大,B正确;氯水稀释,平衡正向移动,而c(HClO)和c(Cl-)均减小,但HClO本身也存在电离平衡HClO⥫⥬
H++ClO-,稀释促进了HClO的电离,使c(HClO)减少更多,故增大,C正确;
向氯水中加AgNO3溶液产生白色沉淀,证明溶液中有Cl-,向氯水中加淀粉KI溶液,溶液变蓝,证明生成了碘单质,溶液中有强氧化性的物质,而氯气和次氯酸都有强氧化性,不能证明反应物和生成物共存,即不能证明上述反应存在限度,D错误。
考向二 平衡移动方向与转化率的判断
[例2] (2023·辽宁卷,节选)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化:SO2(g)+O2(g)⥫⥬SO3(g) ΔH=-98.9 kJ/mol。
为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度,绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如下图所示,下列说法正确的是________。
(1)若起始时投料比=,即投料比等于其化学计量数之比,达到平衡时,A、B的转化率相等。
(2)若只增加A(g)的量,平衡正向移动,B的转化率增大,但A的转化率减小。
4.(双选)(2025·湖南衡阳三校联考)在恒容密闭容器中,进行反应2CO(g)+SO2(g)⥫⥬2CO2(g)+S(s) ΔH<0,下列说法不正确的是( )
A.若起始投料比=2,则CO和SO2的平衡转化率相等
B.平衡时,充入少量CO(g),CO、SO2的转化率均增大
C.平衡时,再充入一定量的CO2,平衡常数K增大
D.使用高效催化剂,v(正)、v(逆)均增大,但反应物的平衡转化率不变
起始投料比=2,与CO和SO2的化学计量数之比相等,反应过程按2∶1比例消耗CO、SO2,则平衡时CO和SO2的平衡转化率相等,A正确;平衡时,充入少量CO(g),平衡正向移动,SO2的转化率增大,但CO的转化率减小,B错误;平衡时,再充入一定量的CO2,平衡逆向移动,由于温度不变,则平衡常数K不变,C错误;使用高效催化剂,降低活化能,v(正)、v(逆)均增大,由于平衡不移动,故反应物的平衡转化率不变,D正确。
注:乙烯选择性=×100%
由表可知,相同温度下,乙烷在发生转化时,反应Ⅰ更易发生,则反应活化能:Ⅰ<Ⅱ,A正确;由表可知,500 ℃时,乙烷的转化率为9.0%,可得转化的乙烷的物质的量为2 mol×9.0%=0.18 mol,而此温度下乙烯的选择性为80%,则转化为乙烯的乙烷的物质的量为0.18 mol×80%=0.144 mol,根据方程式可得,生成乙烯的物质的量为0.144 mol,则0~5 min反应Ⅰ的平均
速率为:v(C2H4)==2.88×10-3mol·L-1·min-1,B正确;其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),反应Ⅰ正向进行,可提高乙烯的产率,C正确;其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后CO2转化率提高,C2H6转化率降低,D错误。
6.(2023·湖南卷)向一恒容密闭容器中加入1 mol CH4和一定量的H2O,发生反应:CH4(g)+H2O(g)⥫⥬CO(g)+3H2(g)。CH4的平衡转化率按不同投料比x[x=]随温度的变化曲线如图所示。下列说法错误的是( )
加入1 mol CH4和一定量的H2O发生反应,增大n(H2O)时,x=减小,但CH4的平衡转化率增大,结合图像知x1<x2,A正确;b、c两点温度相同,但体系中H2O(g)的浓度b点大于c点,则vb正>vc正,B错误;依据相同投料比时CH4转化率随温度变化曲线知,正反应为吸热反应,则温度升高,K值变大,故Ka<Kb=Kc,C正确;该反应为气体分子数改变的可逆反应,恒温恒容时,容器内压强不变,说明反应达到平衡状态,D正确。
$$