高2020届高2017级高三二轮复习选修4第二章 第三节 第1课时

第三节化学平衡
第1课时化学平衡状态
[学习目标定位] 1.通过溶解和结晶过程的分析,了解化学反应的可逆性。

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,理解并会判断化学平衡状态的标志。

一化学平衡状态的建立与特征
1.根据化学反应进行的程度,可分为可逆反应和不可逆反应。

判断下列反应,属于可逆反应的是①②⑤⑥⑦。

①二氧化硫的催化氧化②氮气和氢气的化合③水的电解④可燃物的燃烧⑤氨气溶于水⑥氯气溶于水
⑦二氧化硫和水的反应⑧三氧化硫和水的反应⑨铁置换硫酸铜溶液中的铜
2.在一定条件下,把1 mol N2和3 mol H2充入一密闭容器中,在一定条件下发生反应。

根据要求填表:
N2＋3H22NH3
3.
]。

1.化学平衡状态的概念
在一定条件下的可逆反应里,当正、逆两个方向的反应速率相等时,反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持恒定的状态,称为化学平衡状态,简称化学平衡。

2.化学平衡的特征
化学平衡的特征可以概括为逆、等、动、定、变,即:
(1)逆:研究的对象是可逆反应。

(2)等:化学平衡的条件是v正和v逆相等。

(3)动:化学平衡是一种动态平衡,此时反应并未停止。

(4)定:当可逆反应达到平衡时,各组分的质量(或浓度)为一定值。

(5)变:若外界条件改变,平衡可能发生改变,并在新条件下建立新的平衡。

1.在200 ℃时,将1 mol H2(g)和2 mol I2(g)充入到体积为V L 的密闭容器中,发生反应:
I2(g)＋H2(g)2HI(g)ΔH＝－c kJ·mol－1
(1)反应刚开始时,由于c(H2)＝____________,c(I2)＝____________,而c(HI)＝__________,所以化学反应速率______________最大,而__________最小(为零)。

(2)随着反应的进行,反应混合物中各组分浓度的变化趋势为c(H2)________,c(I2)________,而c(HI)________,从而化学反应速率v正________,而v逆________。

(以上均填“增大”“减小”或“不变”)
(3)当反应进行到v正与v逆________时,此可逆反应就达到了平衡。

若保持外界条件不变时,反应混合物的总物质的量为__________mol。

此时放出的热量Q______(填“＝”“>”或“<”)c kJ。

答案(1)1
V mol·L
－1
2
V mol·L
－10v
正v逆
(2)减小减小增大减小增大(3)相等3<
解析(1)根据c＝n
V即可求出各自的浓度。

(3)该反应为等体积反应,反应前后物质的量不变,所以混合物总物质的量仍为3 mol。

因为该反应为可逆反应,不可能进行完全,所以放出的热量小于c kJ。

二化学平衡状态的判断依据与方法
1.可逆反应达到化学平衡状态时的特征之一是v正＝v逆≠0。

在一定温度下,可逆反应A(g)＋3B(g)2C(g)达到平衡的标志是②③④。

①单位时间内生成n mol A,同时生成3n mol B
②生成C的速率与C分解的速率相等
③3v正(A)＝v逆(B)
④单位时间内生成n mol A,同时生成2n mol C
2.可逆反应达到化学平衡状态时的另一特征是反应混合物中各组分的百分含量保持不变。

一定温度下,在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是②④。

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
化学平衡状态的判断依据
(1)正反应速率与逆反应速率相等,v正＝v逆。

①对同一物质,该物质的生成速率等于它的消耗速率；
②对不同物质,速率之比等于方程式中的化学计量数之比,但必须是不同方向的速率。

(2)反应混合物中各组分的百分含量保持不变。

1.一定条件下,将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应:NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)ΔH＝－41.8 kJ·mol,下列能说明反应达到平衡状态的是()
A.体系压强保持不变
B.混合气体颜色保持不变
C.SO3和NO的体积比保持不变
D.每消耗1 mol SO3的同时生成1 mol NO2
答案B
解析由于该反应为前后气体体积相等的反应,体系的压强始终保持不变,故不能以压强不变作为判断反应是否达到平衡状态的标志,A错误；SO3与NO的体积比始终保持1∶1,C错误；消耗SO3和生成NO2为同一方向的反应,D错误。

方法技巧判断可逆反应达到平衡状态的方法
(1)从化学反应速率的角度判断(即v正＝v逆≠0)
有两层含义:对于同一物质,该物质的生成速率等于其消耗速率；对于不同的物质,速率之比等于化学方程式中物质的化学计量数之比,但必须是不同方向的速率。

(2)利用“变量”与“不变量”判断
①确定反应中的“变量”,即随反应的进行而变化的量,当变量不再变化时,表明反应已达平衡状态。

而当“不变量”不变时,不能判断反应是否处于平衡状态。

②常见的变量有:气体的颜色；对于气体体积有变化的反应来说,恒压反应时的体积、恒容反应时的压强；对于反应体系中全部为气体,且气体物质的量有变化的反应来说,混合气体的平均相对分子质量；对于反应体系中不全部为气体的反应来说,恒容时混合气体的密度等。

应
当注意,在利用M、ρ、n(总)、p(总)判断时要注意反应特点和容器的体积变化问题。

2.一定温度下,在一容积不变的密闭容器中发生可逆反应2X(g)Y(g)＋Z(s),以下不能说明该反应达到化学平衡状态的是()
A.混合气体的密度不再变化
B.反应容器中Y的质量分数不变
C.X的分解速率与Y的消耗速率相等
D.单位时间内生成1 mol Y的同时生成2 mol X
答案C
解析X的分解速率与Y的消耗速率之比为2∶1时,才能说明反应达到平衡状态.故C项说明反应未达到平衡状态。

1.可逆反应达到化学平衡的条件是()
A.逆反应停止进行
B.反应物与生成物的浓度相等
C.正反应与逆反应停止进行
D.正反应和逆反应的速率相等
答案D
2.14CO2与碳在高温条件下发生反应:14CO2＋C2CO,达到化学平衡后,平衡混合物中含14C 的粒子有()
A.14CO2
B.14CO2、14CO
C.14CO2、14CO、14C
D.14CO
答案C
解析14CO2与C反应生成14CO(正反应)的同时,逆反应14CO的分解(生成14CO2和14C)也在进行,故平衡混合物中含14C的粒子有:14CO2、14CO、14C。

3.工业上常用煤和水作原料经过多步反应制得氢气,其中一步反应的原理为CO(g)＋H2O(g)催化剂CO2(g)＋H2(g),下列选项的条件中可判断该反应达到平衡状态的是()
A.单位时间内消耗2 mol的CO同时生成2 mol的CO2
B.两个H—O键断裂的同时有一个H—H键断裂
C.反应容器内的压强不再发生变化
D.混合气体的相对分子质量不发生变化
答案B
解析A项描述的反应速率都是v正,无法判断是否达到平衡；B项说明H2O的分解速率(v正)与H2的消耗速率(v逆)相等,即v正(H2O)＝v逆(H2O),能判断反应达到平衡；C项,由于该反应前后气体的物质的量不变,故压强始终不变,不能说明可逆反应达到平衡；D项,混合气体的质量不变,物质的量不变,反应前后混合气体的相对分子质量不变,故不能说明反应达到平衡状态。

4.在一恒温、恒容的密闭容器中发生反应A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g),当下列物理量不再变化时,能够表明该反应已达平衡状态的是()
A.混合气体的压强
B.混合气体的平均相对分子质量
C.A的物质的量浓度
D.气体的总物质的量
答案B
解析因反应前后气体分子数不变,故无论反应是否平衡,混合气体的压强和气体的总物质的量都不改变；A为固态,其物质的量浓度为常数；若反应正向移动,混合气体的质量增加,则混合气体的平均相对分子质量变大,反之变小,故混合气体的平均相对分子质量不变时说明反应达到平衡状态。

5.(1)在一定条件下,可逆反应达到平衡状态的本质特征是
________________________________________________________________________,
下列关系中能说明反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)已经达到平衡状态的是________(填字母序号)。

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)
(2)在一定温度下的恒容密闭容器中,可逆反应达到平衡状态时,一些宏观物理量恒定不变:a.各物质的浓度不变,b.平衡混合物中各组分的物质的量分数或质量分数不变,c.容器内气体压强不变,d.容器内气体密度不变,e.容器内气体颜色不变。

①能说明反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)达到平衡状态的有________；
②能说明反应H2(g)＋I2(g)2HI(g)达到平衡状态的有________；
③能说明反应2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的有________。

(3)已知N2O4(g)2NO2(g)ΔH＞0,现将1 mol N2O4充入一恒压密闭容器中,下列示意图不能说明反应达到平衡状态的是________。

答案 (1)正反应速率与逆反应速率相等 C (2)①abc ②abe ③abce (3)B
解析 (2)由于在恒容条件下发生反应,反应①②③在反应前后气体的质量不变,因此不能用气体的密度变化来判断反应是否处于化学平衡状态。

反应②是一个气体体积不变的反应,反应前后气体的压强保持不变,也不能用压强的变化来判断反应是否处于平衡状态。

①中无有色气体,因此不能用气体的颜色变化来判断反应是否处于平衡状态。

(3)B 项,对于一个特定反应,ΔH 固定不变,不能作为判断反应是否达到平衡状态的依据；C 项,在t 1时刻,2v 正(N 2O 4)＝v
逆
(NO 2),反应达到平衡状态。

[基础过关]
题组1 可逆反应、化学平衡状态的建立与特征 1.下列反应中,属于可逆反应的是( ) ①N 2＋3H 2=====催化剂
T 、p 2NH 3,2NH 3=====催化剂
T 、p
3H 2＋N 2 ②2NaHCO 3=====△Na 2CO 3＋H 2O ↑＋CO 2↑,Na 2CO 3＋H 2O ＋CO 2===2NaHCO 3 ③CH 3CH 2OH ――→浓硫酸170 ℃CH 2===CH 2↑＋H 2O, CH 2===CH 2＋H—OH ――→催化剂
T 、p
CH 3CH 2OH ④2Na ＋Cl 2=====点燃
2NaCl,2NaCl=====电解
2Na ＋Cl 2↑ A.只有① B.①②③ C.①②③④ D.①③④
答案 A
解析 可逆反应是指在同一条件下既向正反应方向进行,又向逆反应方向进行的反应,符合此条件的只有①。

2.在一定条件下,某容器中充入N 2和H 2合成NH 3,以下叙述错误的是( )
A.开始反应时,正反应速率最大,逆反应速率为零
B.随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后减小为零
C.随着反应的进行,逆反应速率逐渐增大,最后保持恒定
D.随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后与逆反应速率相等且都保持恒定
答案B
解析化学平衡建立过程中,反应物浓度逐渐减小,故正反应速率逐渐减小,生成物浓度逐渐增大,故逆反应速率逐渐增大,当二者相等时达平衡状态,但都不为零。

3.一定条件下,将A、B、C三种物质各1 mol通入一个密闭容器中发生反应:2A＋B2C,达到平衡时,B的物质的量可能是()
A.1.5 mol
B.1 mol
C.0.5 mol
D.0
答案B
解析可逆反应不能进行彻底,若反应正向进行彻底,则剩余B 0.5 mol；若反应逆向进行彻底,则剩余B 1.5 mol。

故平衡时,0.5 mol<n(B)<1.5 mol。

题组2化学平衡状态的标志
4.下列说法中,可以证明反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)已达到平衡状态的是()
A.1个N≡N键断裂的同时,有3个H—H键形成
B.1个N≡N键断裂的同时,有3个H—H键断裂
C.3个H—H键形成的同时,有6个N—H键断裂
D.1个N≡N键断裂的同时,有6个N—H键形成
答案A
解析B项,指的是正反应速率；C项,指的是逆反应速率；D项,指的是正反应速率。

5.可逆反应a A(g)＋b B(g)c C(g)的正、逆反应速率可用各反应物或生成物浓度的变化来表示。

下列各关系式中能说明反应已达到平衡状态的是()
A.a v正(A)＝b v正(B)
B.b v正(A)＝a v逆(B)
C.a v正(C)＝c v正(A)
D.a v正(A)＝b v逆(B)
答案B
解析当正反应速率等于逆反应速率时,可逆反应达到平衡状态。

正、逆反应速率相等有以下几种表现形式:①若用同一物质表示:v正＝v逆；②若用不同物质表示v逆∶v正＝化学方程式中的化学计量数之比。

根据化学方程式中A、B、C间的计量关系,可知上述四个选项中,只有b v正(A)＝a v逆(B)表示正、逆反应速率相等。

6.对可逆反应4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g),下列叙述正确的是()
A.达到化学平衡时,4v正(O2)＝5v逆(NO)
B.若单位时间内生成x mol NO的同时,消耗x mol NH3,则反应达到平衡状态
C.达到化学平衡时,若增大容器容积,则正反应速率减小,逆反应速率增大
D.化学反应速率关系:2v正(NH3)＝3v正(H2O)
答案A
解析A项,表明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态；B项,任何情况下消耗x mol NH3,必生成x mol NO；C项,减压时,正、逆反应速率均减小；D项,反应速率关系应为3v正(NH3)＝2v正(H2O)。

7.可逆反应:2NO22NO＋O2在恒容的密闭容器中进行,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表示的反应速率之比为2∶2∶1的状态
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混合气体的压强不再改变的状态
⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
A.①④⑥⑦
B.②③⑤⑦
C.①③④⑤
D.全部
答案A
解析依据v正＝v逆≠0判断:①单位时间内生成n mol O2的同时必消耗2n mol NO2,①能说明反应已达平衡；②描述均是正方向,无法判断；③无论反应是否达平衡,均有此关系；④NO2
为红棕色的气体,颜色不变能说明反应体系中NO2浓度一定,已达到平衡；⑤因ρ＝m
V,反应前
后,m、V均不变,ρ也不变,不能说明反应达到平衡；这是一个不等体反应,⑥⑦均能说明反应已达平衡状态。

8.在一个不传热的固定容积的密闭容器中,可逆反应m A(g)＋n B(g)p C(g)＋q Q(g)(m、n、p、q为任意整数)达到平衡时的标志是()
①体系的压强不再改变②体系的温度不再改变③各组分的浓度不再改变④各组分的质量分数不再改变⑤反应速率v A∶v B∶v C∶v Q＝m∶n∶p∶q⑥单位时间内m mol A断键的同时有p mol C也断键
A.③④⑤⑥
B.①③④⑤
C.②③④⑥
D.①③④⑥
答案C
解析由于m、n、p、q的关系未知,所以压强不变不能作为平衡的标志；在整个平衡建立过
程中,速率之比均等于化学计量数之比。

9.一定条件下,在恒容密闭容器中,能表示反应X(g)＋2Y(g)2Z(g)一定达到化学平衡状态
的是( )
①X 、Y 、Z 的物质的量之比为1∶2∶2 ②X 、Y 、Z 的浓度不再发生变化 ③容器中的压强不再发生变化 ④单位时间内生成n mol Z,同时生成2n mol Y A.①② B.①④ C.②③ D.③④ 答案 C
解析 ①X 、Y 、Z 的物质的量之比等于其化学计量数之比,不能说明反应已达到平衡状态；④中关系说明v 逆＞v 正,反应没有达到平衡。

10.在一定条件下,将3 mol A 和1 mol B 两种气体混合于固定容积为2 L 的密闭容器中,发生如下反应:3A(g)＋B(g)
x C(g)＋2D(g)。

2 min 末该反应达到平衡,生成0.8 mol D,并测得C
的浓度为0.2 mol·L －
1。

下列判断错误的是( ) A.x ＝1
B.2 min 内A 的反应速率为0.3 mol·L －
1·min －
1 C.B 的转化率为50%
D.若混合气体的平均相对分子质量不变,则表明该反应达到平衡状态 答案 C
解析 3A(g)＋B(g)
x C(g)＋2D(g)
起始(mol ) 3 1 0 0 转化(mol ) 3a a xa 2a 平衡(mol) 3－3a 1－a xa 2a 由题意得: 2a ＝0.8 mol,a ＝0.4 mol 。

xa 2 L ＝0.2 mol·L －1,x ＝1,A 正确；B 项,v (A)＝3a 2 L ×2 min ＝3×0.4 mol 2 L ×2 min ＝0.3 mol·L －1·min －
1；C 项,α(B)＝a 1 mol ×100%＝40%；D 项,由于气体的总物质的量只有在平衡时才保持不变,所以平
均相对分子质量不变能说明该反应达到平衡状态。

[能力提升]
11.在地壳中SiO 2和HF 存在以下平衡: SiO 2(s)＋4HF(g)
SiF 4(g)＋2H 2O(g)
ΔH ＝－148.9 kJ·mol －
1
(1)如果该反应在体积不变的密闭容器中发生,当反应达到平衡时________(填字母)。

a.2v 正(HF)＝v 逆(H 2O) b.v (H 2O)＝2v (SiF 4)
c.SiO 2的质量保持不变
d.反应物不再转化为生成物
(2)若反应容器容积为2.0 L,反应时间8.0 min,容器内气体的密度增大了0.12 g·L －
1,在这段时间内HF 的平均反应速率为____________________。

答案 (1)bc (2)0.001 0 mol·L －
1·min －
1
解析 (1)平衡时,a 项,v 正(HF)＝2v 逆(H 2O),错误；d 项,反应继续进行,只是转化的生成物与分解的生成物相等,并不是不再转化,错误。

(2)密度增大了0.12 g·L －
1,说明质量增加了0.24 g,根据差量法可知增加的质量相当于SiO 2的质量,即为0.24 g SiO 2,其物质的量为0.004 mol,则转化的HF 为0.016 mol,HF 的反应速率为0.016 mol 2.0 L ×8.0 min ＝0.001 0 mol·L －1·min －
1。

12.在2 L 密闭容器内,800 ℃时反应2NO(g)＋O 2(g)2NO 2(g) ΔH ＜0,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
(1)2用O 2表示从0～2 s 内该反应的平均速率v ＝______。

(2)能说明该反应已达到平衡状态的是________(填字母)。

A.v (NO 2)＝2v (O 2) B.容器内压强保持不变 C.v 逆(NO)＝2v 正(O 2) D.容器内密度保持不变
答案 (1)b 1.5×10－
3 mol·L －
1·s －
1 (2)BC
解析 (1)该反应达到平衡时,n (NO)＝0.007 mol,此时n (NO 2)＝0.013 mol,其浓度变化量为0.006 5 mol·L －
1,所以表示NO 2的变化曲线是b ；0～2 s 内v (NO)＝0.020 mol －0.008 mol 2 L ×2 s ＝
0.003 mol·L －1·s －1,则v (O 2)＝12v (NO)＝12×0.003 mol·L －1·s －1＝1.5×10－3 mol·L －1·s －
1。

(2)中A
表示的是同一方向的速率,在任何时候都成立,而D 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。

13.一定温度下,在10 L 密闭容器中加入 5 mol SO 2和 3 mol O 2,发生反应:2SO 2(g)＋O 2(g)
2SO 3(g),10 min 时,反应达到平衡状态,此时有3 mol SO 2发生了反应。

(1)反应生成了________ mol SO 3,v (SO 2)＝________。

(2)平衡时SO 3的浓度是________,SO 2的转化率是________。

(3)平衡时容器内气体的总物质的量为________ mol 。

(4)物质的浓度不再改变标志着该反应已达平衡,下列还可以说明该反应已达平衡的是________(填序号)。

①体系内压强不再改变
②容器内气体的密度不再改变
③混合气体的平均相对分子质量不再改变
④v 正(SO 3)＝2v 逆(O 2)
⑤n (SO 3)∶n (O 2)∶n (SO 2)＝2∶1∶2
答案 (1)3 0.03 mol·L －1·min －
1
(2)0.3 mol·L －1 60%
(3)6.5 (4)①③④
解析 n (SO 2)＝Δc (SO 2)Δt ＝3 mol
10 L 10 min
＝0.03 mol·L －1·min －1 2SO 2 ＋ O 2 2SO 3 开始: 5 mol 3 mol 0
变化: 3 mol 1.5 mol 3 mol
平衡: 2 mol 1.5 mol 3 mol
则平衡时SO 3的浓度为3 mol 10 L ＝0.3 mol·L －1,SO 2的转化率为3 mol 5 mol
×100%＝60%,平衡时混合气体的总物质的量为2 mol ＋1.5 mol ＋3 mol ＝6.5 mol 。

(4)根据反应方程式知:①中体系压强不变,说明反应已
达平衡状态；②中容器的体积不变,混合气体的质量不变,则反应过程中密度始终不变,密度不变不能说明反应已达平衡状态；③中混合气体的总质量不变,但反应过程中混合气体的总物质的量改变,若平均相对分子质量不变,说明反应已达平衡状态；④表示v 正＝v 逆,说明反应已达平衡状态；⑤中三者的物质的量之比等于化学计量数之比,不能说明反应已达平衡状态。

14.某研究性小组决定用实验探究的方法证明化学反应具有一定的限度,在一定条件下会达到“平衡状态”。

取5 mL 0.1 mol·L －1 KI 溶液于试管中,滴加0.1 mol·L －
1 FeCl 3溶液
2 mL,发生如下反应:2Fe 3＋＋2I －===2Fe 2＋＋I 2。

为证明该反应具有可逆性且具有限度,他们设计了如下实验:
①取少量反应液,滴加AgNO 3溶液,发现有少量黄色沉淀(AgI),证明反应物没有反应完全； ②再取少量反应液,加入少量CCl 4振荡,发现CCl 4层显浅紫色,证明萃取到了I 2,即有I 2生成。

综合①②的结论,他们得出该反应具有一定的可逆性,在一定条件下会达到反应限度。

(1)老师指出他们上述实验中①不合理,你认为他的理由是____________________
________________________________________________________________________；
改进的方法是____________________________________________。

(2)有人认为步骤②适合检验生成I2较多的情况,还有一种简便方法可以灵敏地检验是否生成了I2,这种方法是__________________________________________
________________________________________________________________________。

答案(1)若该反应中KI过量,故不能直接检验是否存在I－来证明反应具有一定的可逆性取少量反应后的溶液滴加KSCN溶液,若出现红色,则证明Fe3＋未完全反应
(2)取少量反应液,滴加淀粉溶液,若溶液变蓝,则说明生成了I2。