資源簡介

2.2 第2課時　化學平衡狀態
【學習目標】
1.了解可逆反應的含義及其特點。
2.了解化學平衡的建立過程,掌握化學平衡狀態的特征。
3.學會平衡狀態的判斷方法,建立化學平衡狀態判斷的思維模型。
【合作探究】
任務1　化學平衡狀態
【學習情境】
硫酸是一種重要的化工產品,工業上制取硫酸過程中非常重要的一步就是將SO2氧化成SO3。無論混合氣體反應多長時間,SO2和O2都會有剩余。即使O2過量,SO2也不能全部轉化為SO3,為什么呢 SO2和O2的反應是一個可逆反應,在一定條件下,反應達到平衡狀態。怎樣判斷一個化學反應已達到平衡狀態呢
【新知生成】
1.可逆反應
2.化學平衡狀態
(1)概念
一定條件下的可逆反應,當正反應速率　　　　逆反應速率時,反應物和生成物的濃度　　　　隨時間而發生變化,反應達到化學平衡狀態。
(2)建立過程
在一定條件下,把某一可逆反應的反應物加入固定容積的密閉容器中。反應過程如下:
(3)特征
【答案】1.相同　小于　2.(1)等于　不再　(2)逐漸減小　逐漸增大　=　保持不變　(3)=　保持不變
【核心突破】
典例1　下列反應屬于可逆反應的是(　　)
A.Na溶于水的反應
B.NH3溶于水的反應
C.可充電電池的反應,如H2O+Zn+Ag2OZn(OH)2+2Ag
D.電解水生成H2和O2,點燃H2和O2的混合物生成水
【解析】可逆反應是指在同一條件下,既能向生成物方向進行,同時又能向反應物方向進行的反應。A項,Na溶于水會與水反應,2Na+2H2O2NaOH+H2↑,不屬于可逆反應;B項,氨氣溶于水,NH3+H2ONH3·H2ON+OH-,屬于可逆反應;C項,可充電電池的反應中向兩個方向進行的反應條件不同,不屬于可逆反應;D項,水電解生成H2和O2,條件是通電電解,H2在O2中燃燒生成水的反應條件為點燃,兩者反應條件不一樣,不屬于可逆反應。
【答案】B
典例2　在一密閉容器中進行反應2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),已知反應過程中某一時刻SO2、O2、SO3的濃度分別為0.2 mol·L-1、0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1,當反應達到平衡時,可能存在的數據是(　　)
A.SO2為0.4 mol·L-1,O2為0.2 mol·L-1
B.SO2為0.25 mol·L-1
C.SO2、SO3均為0.15 mol·L-1
D.SO3為0.4 mol·L-1
【解析】利用極端假設法進行分析,即假設反應正向、逆向完全反應,得出各物質濃度的范圍,從而進行判斷。
　　 　　　　　　　　　　　2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
某時刻濃度/(mol·L-1) 　　0.2 0.1 0.2
正向反應完全濃度/(mol·L-1) 　　0 0 0.4
逆向反應完全濃度/(mol·L-1) 　　0.4 0.2 0
故0【答案】B
歸納總結：(1)化學平衡狀態既可以從正反應方向建立,也可以從逆反應方向建立,或者同時從正、逆反應兩方向建立。
(2)極端假設法確定各物質濃度范圍
①完全轉化到“”的右側,求出生成物的最大值,反應物的最小值,此時反應物可能為0,也可能不為0。
②完全轉化到“”的左側,求出反應物的最大值,生成物的最小值。
③據①②得出各物質的濃度的取值范圍進行討論。
訓練1　在1273K、100.0kPa條件下,乙烷生成乙烯的反應C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)達到平衡后(　　)
A.C2H6的濃度保持不變
B.C2H6仍在不斷分解,其濃度不斷減小
C.C2H6的分解速率大于生成速率
D.C2H4仍在不斷生成,其濃度不斷增加
【答案】A
訓練2　在一個密閉容器中發生反應N2O3(g)+O2(g)N2O5(g),反應過程中某一時刻,N2O3、O2、N2O5的濃度分別為0.2 mol·L-1、0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1,當反應達到平衡時可能的數據是(　　)
A.c(N2O5)=0.3 mol·L-1
B.c(N2O3)=c(N2O5)=0.25 mol·L-1
C.c(O2)=0.3 mol·L-1
D.c(N2O3)+c(N2O5)=0.4 mol·L-1
【解析】若N2O3和O2完全反應,N2O5的濃度為0.3 mol·L-1,而該反應為可逆反應,不可能完全轉化,c(N2O5)應小于0.3 mol·L-1,A項不符合;反應物和生成物的濃度不可能同時增大,B項不符合;N2O5 完全分解時,c(O2)=0.3 mol·L-1,可逆反應不可能完全轉化,C項不符合;N2O3、N2O5的濃度分別為0.2 mol·L-1、0.2 mol·L-1,根據N原子守恒得c(N2O3)+c(N2O5)=0.4 mol·L-1,D項符合。
【答案】D
任務2　化學平衡狀態的判斷
【新知生成】
化學平衡狀態的判斷
(1)看v正與v逆是否　　　　。
(2)看體系中各物質的濃度是否　　　　。
【答案】(1)相等　(2)保持恒定
【核心突破】
典例3　在一定條件下,某可逆反應的正反應速率和逆反應速率隨時間變化的曲線如圖所示。下列有關說法正確的是(　　)
A.t1時刻,反應逆向進行
B.t2時刻,正反應速率大于逆反應速率
C.t3時刻,達到反應進行的限度
D.t4時刻,反應處于平衡狀態,反應停止
【解析】t1時刻,v(正)>v(逆),反應正向進行,A項錯誤;t2時刻,v(正)>v(逆),B項正確;t3時刻,v(正)>v(逆),反應沒有達到最大限度,即沒達到平衡狀態,C項錯誤;t4時刻,v(正)=v(逆),反應達到平衡狀態,但}=v(逆)≠0,反應沒有停止,D項錯誤。
【答案】B
歸納總結：化學平衡狀態的判斷
(1)用本質特征判斷
判斷依據:正反應速率與逆反應速率相等,即v正=v逆。
①同一種物質:該物質的生成速率等于它的消耗速率。
②不同的物質:速率之比等于化學方程式中各物質的化學計量數之比,但必須是不同方向的速率。
(2)用宏觀特征判斷
判斷依據:反應混合物中各組成成分的濃度、含量保持不變。
①各組成成分的質量、物質的量、分子數、物質的量濃度均保持不變。
②各組成成分的質量分數、物質的量分數、氣體的體積分數均保持不變。
③反應物的轉化率、產物的產率保持不變。
(3)用“總壓強、混合氣體的密度、平均摩爾質量”判斷平衡狀態時的注意事項
①恒溫恒容條件下,用“總壓強、平均摩爾質量”判斷平衡狀態時,要特別關注反應前后氣體分子總數的變化,如:
mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 是否平衡
壓強 當m+n≠p+q時,總壓強一定(其他條件一定) 是
當m+n=p+q時,總壓強一定(其他條件一定) 不一定
混合氣 體的 當m+n≠p+q時,一定 是
當m+n=p+q時,一定 不一定
②恒溫恒容條件下,用“混合氣體的密度”判斷平衡狀態時,要特別關注反應前后是否有非氣態物質參與反應,例如:
關注各物質的狀態 是否平衡
密度 ρ C(s)+CO2(g)2CO(g)(ρ一定) 是
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(ρ一定) 不一定
H2(g)+I2(g)2HI(g)(ρ一定) 不一定
訓練3　在一定溫度下的恒容密閉容器中發生反應:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),下列證據能說明反應一定達到化學平衡狀態的是(　　)
A.容器內的壓強不再改變
B.c(SO2)∶c(O2)∶c(SO3)=2∶1∶2
C.混合氣體的密度不再改變
D.SO2的生成速率與SO3的消耗速率相等
【解析】該反應為氣體體積縮小的反應,壓強為變量,當容器內的壓強不再改變,說明反應達到平衡狀態,A項正確;c(SO2)∶c(O2)∶c(SO3)=2∶1∶2,無法判斷各組分濃度是否繼續變化,則無法判斷是否達到平衡狀態,B項錯誤;該反應中混合氣體的密度為定值,不能根據密度判斷是否達到平衡狀態,C項錯誤;SO2的生成速率與SO3的消耗速率相等,都是逆反應速率,無法判斷是否達到平衡狀態,D項錯誤。
【答案】A
訓練4　在兩個恒容容器中各發生如下反應,下列特征可以作為化學平衡狀態判斷依據的打“√”,不可以的打“×”:
特征 反應一 反應二
N2(g)+3H2(g)2NH3(g) H2(g)+I2(g)2HI(g)
①氣體的總物質 的量不變
②氣體的總質量不變
③氣體的總壓強不變
④氣體的密度不變
⑤氣體的平均相對 分子質量不變
⑥混合氣體的 顏色不變
⑦體系的溫度不變 (絕熱體系)
　　【答案】反應一①√?、凇痢、邸獭、堋痢、荨獭、蕖痢、摺獭》磻佟痢、凇痢、邸痢、堋痢、荨痢、蕖獭、摺?br/>課堂小結
【隨堂檢測】
1.在地殼中SiO2和HF存在以下平衡:SiO2(s)+4HF(g)SiF4(g)+2H2O(g)　ΔH=+148.9 kJ·mol-1。如果上述反應在體積不變的密閉容器中發生,當反應達到平衡時,下列說法正確的是(　　)
A.2v正(HF)=v逆(H2O)
B.2v(H2O)=v(SiF4)
C.SiO2的質量保持不變
D.反應物不再轉化為生成物
【解析】A項,反應達到平衡狀態時,正逆反應速率之比等于其化學計量數之比,故有v正(HF)=2v逆(H2O),錯誤;B項,反應速率之比等于其化學計量數之比,錯誤;C項,反應達到平衡狀態時,各反應物的量保持不變,故SiO2的質量保持不變,正確;D項,化學平衡是動態平衡,反應仍在進行,錯誤。
【答案】C
2.在密閉容器中進行反應X2(g)+Y2(g)2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始濃度分別為0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.2 mol·L-1,在一定條件下,當反應達到平衡時,各物質的濃度有可能是(　　)
A.Z為0.3 mol·L-1 B.Y2為0.4 mol·L-1
C.X2為0.2 mol·L-1 D.Z為0.4 mol·L-1
解析
平衡體系中各物質的濃度范圍為X2:0~0.2 mol·L-1,Y2:0.2~0.4 mol·L-1,Z:0~0.4 mol·L-1。
【答案】A
3.汽車尾氣凈化的主要原理為2NO+2CON2+2CO2　ΔH<0。在一定溫度下,向體積固定的密閉容器中充入一定量的NO和CO模擬上述反應,在t1時刻達到平衡狀態。下列能判斷該反應達到平衡狀態的標志是(　　)
A.2v正(CO)=v逆(N2)
B.混合氣體的密度不再改變
C.混合氣體的平均相對分子質量不再改變
D.相同時間內,形成CO2分子中CO鍵的數目是斷開N≡N鍵的數目的2倍
【解析】該反應達到平衡時,應有v正(CO)=2v逆(N2),A項錯誤;體積固定的密閉容器中,混合氣體的密度一直不變,B項錯誤;混合氣體的平均相對分子質量不再改變,說明氣體的總物質的量不變,反應達到平衡狀態,C項正確;達到平衡時,相同時間內,形成CO2分子中CO鍵的數目是斷開N≡N鍵的數目的4倍,D項錯誤。
【答案】C
4.(2016·10月浙江選考,12)在一定條件下,可逆反應X(g)+2Y(g)2Z(g)　ΔH=-a kJ·mol-1,達到化學平衡時,下列說法一定正確的是(　　)。
A.反應放出a kJ熱量
B.反應物和生成物的濃度都不再發生變化
C.X和Y的物質的量之比為1∶2
D.X的正反應速率等于Z的逆反應速率
【解析】當1 mol X(g)和 2 mol Y(g)完全反應生成2 mol Z(g)時才能放熱a kJ,A項錯誤;達到化學平衡時,反應物和生成物的濃度都不再隨時間發生變化,B項正確;起始時X和Y的物質的量未知,反應消耗的X和Y的物質的量之比為1∶2,故平衡時X和Y的物質的量之比不一定為1∶2,C項錯誤;達到化學平衡時,正、逆反應速率相等,X的正反應速率與Z的逆反應速率之比應等于化學計量數之比1∶2,D項錯誤。
【答案】B
5.下列說法可以證明H2(g)+I2(g)2HI(g)已達到平衡狀態的是　　　　(填序號)。
①單位時間內生成n mol H2的同時,生成n mol HI?、谝粋€H—H鍵斷裂的同時有兩個H—I鍵斷裂　③百分含量w(HI)=w(I2)　④反應速率v(H2)=v(I2)=v(HI)?、輈(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1?、逌囟群腕w積一定時,HI濃度不再變化　⑦溫度和體積一定時,容器內壓強不再變化　⑧條件一定,混合氣體的平均相對分子質量不再變化?、釡囟群腕w積一定時,混合氣體的顏色不再變化?、鉁囟群蛪簭娨欢〞r,混合氣體的密度不再變化
【答案】②⑥⑨
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