高中化学 人教版选修4 第二章第三节第1课时 可逆反应与化学平衡状态 教学设计、教案、学案

第三节化学平衡
第1课时可逆反应与化学平衡状态
1．了解化学反应的可逆性，了解可逆反应的概念、特点。

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，判断反应是否达到化学平衡状态。

可逆反应与不可逆反应
1．可逆反应
(1)概念：在相同条件下，既能向正反应方向进行同时又能向逆反应方向进行的化学反应。

(2)表示方法：采用“”连接，把从左向右进行的反应称作正反应，把从右向左进行的反应称作逆反应。

(3)特点
①双向性：可逆反应具有方向相反的两个反应，即正反应和逆反应；
②双同性：正反应和逆反应在相同条件下同时进行；
③共存性：反应物的转化率小于100%，反应物与生成物共存。

2．不可逆反应：有些反应的逆反应进行程度太小因而忽略，把这类反应叫不可逆反应，用“===”连接。

1．正误判断：正确的打“√”，错误的打“×”，并阐释错因或列举反例。

语句描述正误阐释错因或列举反例
(1)Cl2与水的反应属于可逆反应
(2)NH3和HCl生成NH4Cl与NH4Cl分解生成NH3和
HCl互为可逆反应
(3)可逆反应中反应物的转化率不能达到100%
(2)×两反应发生的条件不相同
(3)√
2．为什么工业合成氨反应中，N2、H2和NH3同时存在？
答案：因为在N2与H2化合生成NH3的同时，NH3也在发生分解反应，生成N2和H2，
即该反应为可逆反应，故反应物和生成物同时存在。

1．下列反应不属于可逆反应的是()
A．SO2溶于水生成H2SO3；H2SO3分解
B．H2与I2化合成HI；HI分解
C．SO2与O2化合成SO3；SO3分解
D．电解水生成H2与O2；H2与O2点燃生成水
解析：选D。

A项，SO2＋H2O H2SO3；B项，H2＋I22HI；C项，2SO2＋O2催化剂
△
2SO3，上述三个反应，正、逆反应的反应条件相同，故都属于可逆反应。

D项，电解水生成H2与O2和H2与O2生成水的反应条件不同，故不属于可逆反应。

2．(2019·长沙高二质检)可逆反应N2＋3H22NH3，在容积为10 L的密闭容器中进行，开始时加入2 mol N2和3 mol H2，达平衡时，NH3的浓度不可能达到() A．0.1 mol/L B．0.2 mol/L
C．0.05 mol/L D．0.15 mol/L
解析：选B。

2 mol N2和3 mol H2反应，假设反应能够进行到底，则2 mol N2与3 mol H2反应最多生成2 mol NH3，此时NH3浓度为0.2 mol/L，但由于该反应是可逆反应，不能进行到底，所以NH3的浓度达不到0.2 mol/L。

化学平衡状态
1．化学平衡的建立
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N2＋3H22NH3。

根据要求填表：
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．化学平衡状态
在一定条件下的可逆反应中，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。

3．化学平衡的特征
正误判断：正确的打“√”，错误的打“×”，并阐释错因或列举反例。

语句描述正误阐释错因或列举反例(1)化学平衡状态是一定条件下可逆反应进行到最大限度
地结果
(2)反应达到化学平衡状态时，正、逆反应速率都为0
(3)反应达到化学平衡状态时，反应混合物中各组分的浓度
保持相等
(4)气体的压强不变时，反应一定处于平衡状态
(5)反应体系中气体的密度不变时，反应可能达到平衡状态
答案：(1)√
(2)×化学平衡是动态平衡，平衡状态时，正、逆反应速率相等但不为0
(3)×各组分的浓度保持不变，但不一定相等
(4)×不一定，如恒容密闭容器中发生H2(g)＋I2(g)2HI(g)的反应，反应过程中气体压强始终不变
(5)√
训练一化学平衡状态的建立及特征
1．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．反应混合物各成分的百分比不再变化
D．反应已经停止
解析：选C。

可逆反应达到平衡时，平衡体系中各组成成分的百分比保持不变。

2SO3(g)中，充入由18O组成的氧2．在已达到平衡的可逆反应2SO2(g)＋O2(g)催化剂
△
气一段时间后，18O存在于()
A．氧气中
B．氧气和三氧化硫中
C．氧气和二氧化硫中
D．二氧化硫、氧气和三氧化硫中
解析：选D。

化学平衡是动态平衡，加入的18O2会与SO2结合生成含18O的SO3，同时含有18O的SO3又会分解得到SO2和O2，使得SO2和O2中也含有18O，因此18O存在于SO2、O2、SO3这三种物质中。

训练二根据正、逆反应速率的关系判断化学平衡状态
3．下列各关系中能说明反应N2＋3H22NH3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)
解析：选C。

如果v正与v逆之比等于化学计量数之比，则该反应达到平衡状态；而v正∶v′正或v逆∶v′逆等于化学计量数之比，则不能判断该反应是否达到平衡状态。

4．(2019·厦门高二月考)一定条件下，可逆反应2A(g)B(g)＋3C(g)，在下列四种状态中处于平衡状态的是()
选项正反应速率逆反应速率
A v(A)＝2 mol/(L·min) v(B)＝2 mol/(L·min)
B v(A)＝2 mol/(L·min) v(C)＝2 mol/(L·min)
C v(A)＝1 mol/(L·min) v(B)＝2 mol/(L·min)
D v(A)＝1 mol/(L·min) v(C)＝1.5 mol/(L·min)
解析：选D。

v(A)∶v(B)∶v(C)＝2∶1∶3，根据平衡状态的判断依据v(正)＝v(逆)知，D项中的反应达到平衡状态。

利用反应速率关系判断化学平衡状态的“两角度”
(1)对于同一物质而言，该物质的生成速率等于它的消耗速率。

(2)对于不同物质而言，反应速率之比等于化学方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的反应速率。

训练三根据相关“量”判断化学平衡状态
5．恒温恒压下，对于反应X2(g)＋Y2(g)2XY(g)达到平衡状态的标志是()
A．v正(X2)＝2v逆(XY)
B．单位时间内生成2n mol XY的同时，生成n mol Y2
C．容器内气体密度不随时间变化而变化
D．X2、Y2、XY的浓度之比为2∶2∶1
解析：选B。

A.达到平衡状态时，不同物质表示的正、逆反应速率之比等于化学计量数之比，故应为2v正(X2)＝v逆(XY)，A错误；B.生成2n mol XY，表示正反应速率，生成n mol Y2，表示逆反应速率，且满足反应速率之比等于化学计量数之比，B正确；C.恒温恒压下，容器内气体密度始终保持不变，C错误；D.X2、Y2、XY的浓度之比为2∶2∶1，不能说明浓度不再随时间变化而变化，D错误。

6．在一定条件下，反应2NO＋O22NO2在恒容容器中发生，对该反应达到平衡的标志的描述中，错误的是()
A．混合气体的总分子数不再变化
B．混合气体的颜色不再变化
C．容器的总压强不再变化
D．混合气体的总质量不再变化
解析：选D。

该反应为反应前后气体物质的量改变的反应，在恒容容器中，建立平衡的过程会有压强、总分子数和颜色的改变，一旦这些可变量不变了，则证明反应达到平衡状态，而总质量在任何情况下都不发生变化。

判断反应是否达到化学平衡状态的“两标志”
(1)间接标志：指所表述内容间接反映“等”和“定”的意义。

①反应物的转化率保持不变。

②平衡体系的颜色保持不变。

③绝热的恒容反应体系中的温度保持不变。

(2)“特殊”标志：表述内容并不适用于所有反应，只适用于某些反应。

①体系中气体物质的总质量保持不变。

②体系中气体物质的总物质的量(或体积或分子个数)保持不变。

③体系中气体物质的平均相对分子质量保持不变。

④气体的总压强不再发生改变。

⑤体系中气体的密度不再发生改变。

以上五项中，对于Δn ≠0的可逆反应，除①外均能作为判断平衡的标志；但对于Δn ＝0的可逆反应，此五项均不能作为判断平衡的标志。

课后达标检测
一、选择题
1．在一定条件下，使SO 2和O 2在一密闭容器中进行反应，下列说法中不正确的是( ) A ．随着反应的进行，正反应速率逐渐减小，最后为零 B ．随着反应的进行，正反应速率逐渐减小，最后不变 C ．随着反应的进行，逆反应速率逐渐增大，最后不变 D ．反应开始时，正反应速率最大，逆反应速率为零
解析：选A 。

根据化学平衡的建立过程可知，反应从正反应方向开始，v 正最大，v 逆＝0，最后达到平衡时，v 正＝v 逆≠0。

2．下列关于化学平衡状态的理解正确的是( ) A ．所有反应都存在平衡状态 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
3．下列选项中的各组反应，互为可逆反应的是( ) A ．2KHCO 3=====△
K 2CO 3＋H 2O ＋CO 2↑ K 2CO 3＋H 2O ＋CO 2===2KHCO 3
B ．CO 2＋H 2O===H 2CO 3 H 2CO 3===CO 2＋H 2O
C ．NH 3＋HCl===NH 4Cl NH 4Cl=====△
NH 3＋HCl D ．2NaCl=====电解
2Na ＋Cl 2↑ 2Na ＋Cl 2=====点燃
2NaCl
解析：选B 。

可逆反应是指同一条件下进行的反应，而选项A 、C 、D 中的两反应的反应条件不同，均不属于可逆反应。

4．下列说法中可以证明反应N 2(g)＋3H 2(g)
2NH 3(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 ．1个N ≡N 键断裂的同时，有3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
解析：选A 。

N ≡N 键断裂、H —H 键断裂、N —H 键形成都代表正反应，B 、D 项不能判断反应是否达到平衡；N ≡N 键断裂代表正反应，N —H 键断裂、H —H 键形成都代表逆反应，而且正、逆反应速率之比等于化学计量数之比，A 项能证明该反应已达到平衡状态。

5．(2019·厦门高二月考)一定条件下，将NO 2与SO 2以体积比为1∶2置于密闭容器中，发生反应NO 2(g)＋SO 2(g)SO 3(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 ．SO 3和NO 的体积比保持不变
D ．每消耗1 mol SO 3的同时生成1 mol NO 2
解析：选B 。

由于该反应为反应前后气体分子数相等的反应，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的依据，A 错误；SO 3与NO 的体积比始终保持不变，C 错误；消耗SO 3和生成NO 2均为逆反应，D 错误。

6．(2019·黄山高二质检)在一定温度下的恒容密闭容器中，以下说法能表明反应A(s)＋2B(g)
C(g)＋D(g)已达平衡的是( )
A ．混合气体的压强不变
B ．混合气体的密度不变
C ．每消耗2 mol B ，同时生成1 mol C
D ．C 和D 的浓度比不变
解析：选B 。

A 项，该反应为反应前后气体物质的量不变的反应，容器内混合气体的压强不随反应的进行而变化，故压强不变不能作为平衡标志，错误；B 项，根据密度的定义式知，混合气体的密度随反应的进行而变化，当密度不变时已达平衡，正确；C 项，消耗2 mol B 和生成1 mol C 均为正反应，不能作为平衡标志，错误；D 项，随着反应的进行，C 和D 的浓度比始终不变，不能作为平衡标志，错误。

7．在一定条件下，向2 L 密闭容器中充入3 mol X(g)和1 mol Y(g)进行反应2X(g)＋
Y(g)3Z(g)＋2W(g)，某时刻测定产物的浓度，不可能的是( ) A ．c (Z)＝0.75 mol/L B ．c (Z)＝1 mol/L C ．c (W)＝1 mol/L
D ．c (Z)＝0.8 mol/L
解析：选C 。

X 的起始浓度为3 mol 2 L ＝1.5 mol/L ，Y 的起始浓度为1 mol
2 L ＝0.5 mol/L ，假
设Y 完全反应，则
2X(g)＋Y(g)3Z(g)＋2W(g)
初始浓度/（mol/L ）
1.5 0.5 0 0
Y 完全反应后浓度/（mol/L ）
0.5 0 1.5 1
由于可逆反应的反应物不能完全反应，则0.5 mol/L ＜c (X)＜1.5 mol/L ，0＜c (Y)＜0.5 mol/L ，0＜c (Z)＜1.5 mol/L ，0＜c (W)＜1 mol/L ，故c (W)＝1 mol/L 不可能。

8．将0.2 mol·L －
1 KI 溶液和0.05 mol·L －
1 Fe 2(SO 4)3溶液等体积混合后，取混合溶液分别完成下列实验，能说明溶液中存在化学平衡“2Fe 3＋
＋2I
－
2Fe 2＋
＋I 2”的是( )
实验编号 实验操作 实验现象 ① 滴入KSCN 溶液 溶液变红色 ② 滴入AgNO 3溶液 有黄色沉淀生成 ③ 滴入K 3[Fe(CN)6]溶液
有蓝色沉淀生成 ④
滴入淀粉溶液
溶液变蓝色
A.①和② B ．②和④ C ．③和④
D ．①和③
解析：选D 。

由浓度及反应关系可知I －
过量，所以要说明溶液中存在该化学平衡则只要证明溶液中同时含有Fe 3＋
和Fe 2＋
即可。

①溶液变红色，说明溶液中存在Fe 3＋
；②黄色沉淀是AgI ，说明溶液中含有I －
；③有蓝色沉淀生成，说明溶液中含有Fe 2＋
；④溶液变蓝色，说明溶液中含有I 2。

综上所述，D 项正确。

9．已知N 2O 4(g)
2NO 2(g) ΔH >0，现将1 mol N 2O 4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( )
解析：选B 。

B 项，对于一个特定反应，ΔH 固定不变，因此ΔH 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。

10．H 2NCOONH 4是工业由氨合成尿素的中间产物。

一定温度下，在体积不变的密闭容器中发生反应H 2NCOONH 4(s)
2NH 3(g)＋CO 2(g)，能说明该反应达到平衡状态的是( )
①每生成34 g NH 3的同时消耗44 g CO 2 ②混合气体的平均相对分子质量不变 ③NH 3的体积分数保持不变 ④混合气体的密度保持不变 ⑤c (NH 3)∶c (CO 2)＝2∶1 A ．①③⑤ B ．①③④ C ．②④
D ．①④
解析：选D 。

①每生成34 g NH 3的同时必然生成44 g CO 2，同时消耗44 g CO 2，说明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故①选；②因反应物H 2NCOONH 4为固体，则混合气体的平均相对分子质量为2×17＋443＝26恒不变，所以混合气体的平均相对分子质量
不变，不能说明反应达到平衡状态，故②不选；③由反应方程式可知，NH 3的体积分数为2
3×
100%恒不变，所以NH 3的体积分数保持不变，不能说明反应达到平衡状态，故③不选；④由于反应物H 2NCOONH 4是固体，没有达到平衡状态前，气体质量会变化，容器体积不变，则混合气体的密度也会发生变化，所以密度不变，说明反应达到了平衡状态，故④选；⑤因NH 3和CO 2均为生成物，所以c (NH 3)∶c (CO 2)恒等于2∶1，不能说明反应达到平衡状态，故⑤不选。

11．(2019·泉州高二质检)在一定条件下，容器内某一反应中参加反应的M 、N 的物质的量随反应时间变化的曲线如图所示，下列表述中正确的是( )
A ．反应的化学方程式为2M
N
B ．t 2时，正、逆反应速率相等，达到平衡
C ．t 3时，正反应速率大于逆反应速率
D ．t 1时，N 的浓度是M 的浓度的2倍
解析：选D 。

由图像知，O ～t 2时间内N 的物质的量的变化量是M 的物质的量的变化量的2倍，可得反应的化学方程式为2N
M ；t 2时刻体系并未达到平衡，故正反应速率
与逆反应速率不相等；t 3时刻反应已达到平衡，此时v 正＝v 逆，因此选项A 、B 、C 均错误。

t 1时，n (N)＝6 mol ，n (M)＝3 mol ，浓度之比等于物质的量之比，故t 1时，N 的浓度是M 的浓度的2倍，D 正确。

12．在4 L 密闭容器中充入6 mol A 气体和5 mol B 气体，在一定条件下发生反应3A(g)＋B(g)
2C(g)＋x D(g) ΔH ＜0，达到平衡时，生成了2 mol C ，经测定D 的浓度为0.5
mol/L ，下列判断不正确的是( )
A ．x ＝1
B ．平衡时B 的转化率为20%
C ．B 的转化率不变，该反应达到平衡状态
D ．容器内温度保持恒定，该反应达到平衡状态
解析：选A 。

平衡时c (C)＝c (D)＝0.5 mol/L ，可知x ＝2；B 的转化率为1 mol 5 mol ×100%＝
20%；B 的转化率不变、容器内温度保持恒定，都能说明各物质的量保持恒定，反应达到平衡状态。

二、非选择题
13．(2019·唐山高二月考)将2 mol SO 2和1 mol O 2充入体积为2 L 的密闭容器中，在一定条件下发生反应O 2(g)＋2SO 2(g)催化剂△
2SO 3(g)。

经过10 s 达到平衡状态，此时c (SO 3)
＝0.4 mol/L 。

(1)在达到平衡的过程中，v (SO 2)＝________。

(2)有同学认为平衡是在一定条件下成立的，改变条件时平衡会发生变化，所以可以通过改变条件(容器容积恒定)使SO 3的平衡浓度变为 1 mol/L ，你认为这种说法正确吗？______________(填“正确”或“不正确”)。

解析：(1)平衡时c (SO 3)＝0.4 mol/L ，则转化的c (SO 2)＝0.4 mol/L ，v (SO 2)＝0.4 mol/L 10 s
＝
0.04 mol/(L·s)。

(2)2SO2＋O2催化剂
2SO3是可逆反应，改变任何条件都不可能使之进行到
△
底，在容器容积恒定的情况下，SO3的平衡浓度不可能变为1 mol/L，所以该说法不正确。

答案：(1)0.04 mol/(L·s)(2)不正确
14．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)根据上图数据，反应开始至达到平衡时，v(CO)为________；反应达到平衡时，c(H2)＝________。

(2)判断该反应达到平衡的依据是________。

A．CO减少的速率和CO2减少的速率相等
B．CO、H2O、CO2、H2的浓度都相等
C．CO、H2O、CO2、H2的浓度都不再发生变化
D．正、逆反应速率都为零
解析：(1)由题图可知，10 min时反应达到平衡，v(CO)＝v(CO2)＝0.03 mol·L－1÷10 min ＝0.003 mol·L－1·min－1。

反应达到平衡时，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比不变，浓度不变，正、逆反应速率相等且不为零。

CO减少的速率是正反应速率，CO2减少的速率是逆反应速率。

所以A、C可作为判断反应达到平衡的依据。

答案：(1)0.003 mol·L－1·min－10.03 mol·L－1(2)AC
15．在2 L密闭容器内，800 ℃时发生反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)，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)如图表示NO2的浓度变化的曲线是____________。

用O2表示前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________。

A．v(NO2)＝2v(O2)B．容器内压强保持不变
C．v逆(NO)＝2v正(O2) D．容器内密度保持不变
解析：(1)该反应达平衡时，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。

前2 s内，v(O2)＝1
2
v(NO)＝
1
2×
（0.020－0.008） mol
2 L×2 s
＝1.5×10－3mol·L－1·s－1。

(2)A项中未标注是正反应速率还是逆反应速率；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。