2.2 化学平衡（第1课时 化学平衡状态 化学平衡常数）（解析版）

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第二章 第二节 化学平衡
第1课时 化学平衡状态 化学平衡常数
【学习目标】
1．通过溶解和结晶过程的分析，认识化学反应的可逆性。
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。
3．知道化学平衡常数的含义，会根据化学反应书写化学平衡常数表达式。
4．能够利用化学平衡常数进行简单的计算。如计算物质的平衡浓度、转化率等。
【素养目标】
1．可逆反应都有一定的限度，是可调控的，条件改变，限度被破坏， 达到新的平衡状态。能从多角度、动态地分析化学平衡状态的各种表现。认识温度是决定化学平衡常数的唯一物理量。培养学生“变化观念与平衡思想”学科素养。
2．能建立“逆、等、动、定、变”的认知模型，并利用模型解决化学平衡的实际问题。通过“三段式”分析推理方法，建立化学平衡常数的认知模型，并能根据模型理解本质和规律及进行简单计算。培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：化学平衡状态
1．化学平衡研究的对象——可逆反应
(1)定义
在同一条件下既可以向正反应方向进行，同时又可以向逆反应方向进行的化学反应。
(2)特点
双向性 指可逆反应分为方向相反的两个反应：正反应和逆反应
双同性 指正、逆反应是在同一条件下，同时进行
共存性 指反应物的转化率小于100%，反应物与生成物共存
【点拨】可逆反应不等同于可逆过程。可逆过程包括物理变化和化学变化，而可逆反应属于化学反应。
2．化学平衡状态
(1)概念
一定条件下的可逆反应，当反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度均保持不变，我们称为“化学平衡状态”，简称化学平衡。
(2)建立：以“N2＋3H22NH3”为例。
①正反应开始进行的c t图如图(a)
②逆反应开始进行的c t图如图(b)
③反应过程中v正、v逆变化(正反应开始)
以上过程可用v t图表示为
(3)特征
3．化学平衡状态的判定标志
【点拨】 理解平衡状态判定标志 （有正有逆 符合比例；变量不变即平衡）
(1)全部是气体参加的非等体积反应，体系的压强、平均相对分子质量不再随时间而变化。
(2)对同一物质而言，断裂的化学键的物质的量与形成的化学键的物质的量相等。
(3)对于有色物质参加或生成的可逆反应，体系的颜色不再随时间而变化。
(4)绝热体系的温度不变，说明反应处于平衡状态。
(5)全部是气体的非等体积反应，恒压条件下，密度不再变化；对于有固体参与或生成的气体平衡体系，密度不再变化。
总之，要抓住变化的量不变可作平衡的标志；如果该物理量始终是一个定值，就不能作为判断是否达平衡的标志。
举例 mA(g)+nB(g)pC(g) +qD(g) 状态
混合物体系中各成分的含量 各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定 平衡
各物质的质量或各物质的质量分数一定 平衡
各气体的体积或体积分数一定 平衡
总压强、总体积、总物质的量一定 不一定平衡
正、逆反应速率的关系 在单位时间内消耗了m mol A，同时生成m mol A，即v正=v逆 平衡
在单位时间内消耗了n mol B，同时生成p mol C 不一定平衡
vA∶vB∶vC∶vD=m∶n∶p∶q，v正不一定等于v逆? 不一定平衡
在单位时间内生成了n mol B，同时消耗了q mol D 不一定平衡
压强 m+n≠p+q时，总压强一定（其他条件一定） 平衡
m+n=p+q时，总压强一定（其他条件一定） 不一定平衡
混合气体的平均相对分子质量（） 一定，当m+n≠p+q时 平衡
一定，当m+n=p+q时 不一定平衡
温度 任何化学反应都伴随着能量的变化，在其他条件不变的情况下，体系温度一定 平衡
密度 密度一定 不一定平衡
颜色 含有有色物质的体系颜色不再变化 平衡
典例1．对于可逆反应2SO2＋O22SO3　ΔH<0，在混合气体中充入一定量的 18O2，经足够长的时间后，下列有关说法中正确的是(　　)
A．18O只存在于O2中
B．18O只存在于O2和SO3中
C．某个二氧化硫分子的相对分子质量可能为66
D．三氧化硫的相对分子质量均为82
【答案】C
【解析】由于2SO2＋O22SO3为可逆反应，故18O存在于O2、SO3、SO2中，故A、B项错误；SO2的相对分子质量可能为64或66或68，C项正确；SO3的相对分子质量可能为80或82或84，D项错误。
典例2．在一定温度下，恒容容器中发生：X(g)＋2Y(g) 3Z(g)。能说明反应达到平衡状态的是________(填序号)。
①Z的生成速率与Z的分解速率相等
②容器内的压强不再变化
③单位时间内消耗a mol X，同时生成3a mol Z
④混合气体总的物质的量不再变化
⑤混合气体的密度不再变化
⑥c(X)∶c(Y)∶c(Z)＝1∶2∶3
⑦c(Z)不再变化
【答案】①⑦
典例3．在一定条件下，向2 L密闭容器中通入2 mol N2和6 mol H2，发生反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)，以下选项能够说明反应已达到平衡状态的是(　　)
A．c(NH3)∶c(H2)∶c(N2)=2∶3∶1
B．单位时间内1个键断裂的同时，有6个N—H键形成
C．混合气体的平均相对分子质量不再改变
D．单位时间内有6个N—H键形成的同时，有3个H—H键断裂
【答案】C
【解析】c(NH3)∶c(H2)∶c(N2)=2∶3∶1，并不能说明浓度不变，所以不一定是平衡状态，A错误；单位时间内1个键断裂，同时有6个N—H键形成，均是向正反应方向进行，未体现正反应速率与逆反应速率相等的关系，B错误；该反应是反应前后气体分子数不同的反应，未达到平衡前混合气体的物质的量是变量，质量是定量，所以平均摩尔质量是变量，混合气体的平均相对分子质量也是变量，则混合气体的平均相对分子质量不再改变时能说明反应达到平衡，C正确；单位时间内有6个N—H键形成的同时，有3个H—H键断裂，均是向正反应方向进行，未体现正反应速率与逆反应速率相等的关系，D错误。
典例4．在1 L恒温恒容的密闭容器中投入一定量N2O5，发生反应：
反应1：N2O5(g)===N2O4(g)＋O2(g)ΔH＝＋28.4 kJ·mol－1
反应2：N2O4(g)2NO2(g)　ΔH＝－56.9 kJ·mol－1
现有下列情况：①混合气体的密度保持不变；②气体压强保持不变；③气体的平均摩尔质量保持不变；④保持不变；⑤O2的物质的量保持不变；⑥v正(N2O4)∶v逆(NO2)＝1∶2。能表明反应2一定达到平衡状态的是(　　)
A．①②③⑤ B．②③④⑥
C．①③⑤⑥ D．②③④⑤
【答案】B
【解析】①反应中各物质均为气体，混合气体的总质量不变，且反应在恒容条件下进行，则混合气体的密度始终不变，故不能判断是否达到平衡，错误；②反应2的平衡建立过程中，气体总物质的量不断变化，则气体压强不断变化，当气体压强保持不变时，反应2达到平衡状态，正确；③平衡建立过程中，混合气体的总质量不变，但其总物质的量不断变化，故当气体的平均摩尔质量保持不变时，反应2达到平衡状态，正确；④保持不变，则c(NO2)、c(N2O4)均保持不变，反应2达到平衡状态，正确；⑤反应1是不可逆反应，O2的物质的量始终保持不变，不能据此判断反应2是否达到平衡，错误；⑥v正(N2O4)∶v逆(NO2) ＝1∶2，正、逆反应速率相等，反应2达到平衡状态，正确。
4．极端假设法判断平衡时组分浓度及范围
极端假设法确定浓度范围的方法
【点拨】可逆反应的平衡物理量一定在最大值和最小值之间，但起始物理量可以为最大值或最小值。
典例5．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－1、0.3 mol·L－1、0.2 mol·L－1，在一定条件下，当反应达到平衡时，各物质的浓度可能是(　　)
A．Z为0.3 mol·L－1　　　 B．Y2为0.4 mol·L－1
C．X2为0.2 mol·L－1 D．Z为0.4 mol·L－1
【答案】A
【解析】若X2完全转化为Z，则X2、Y2、Z的浓度分别是0 mol·L－1、0.2 mol·L－1、0.4 mol·L－1；若Z完全转化为X2、Y2，则X2、Y2、Z的浓度分别是0.2 mol·L－1、0.4 mol·L－1、0 mol·L－1；反应为可逆反应，反应物不能完全转化，所以0典例6．一定条件下，对于可逆反应X(g)＋3Y(g)2Z(g)，若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零)，达到平衡时，X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.08 mol·L－1，则下列判断正确的是(　　)
A．c1∶c2＝3∶1
B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为2∶3
C．X、Y的转化率不相等
D．c1的取值范围为0【答案】D
【解析】由于X、Y的平衡浓度之比为1∶3，转化浓度亦为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，A、C不正确；Y生成表示逆反应，Z生成表示正反应，平衡时应vY(生成)∶vZ(生成)＝3∶2，B不正确；由可逆反应的特点可知0知识点二：化学平衡常数
1．化学平衡常数及表达式
(1)概念：在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，用符号K表示。
(2)表达式
①对于反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)的平衡常数K＝。
②固体或纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式
a．C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式K＝。
b．Fe3＋(aq)＋3H2O(l)Fe(OH)3(s)＋3H＋(aq)的平衡常数表达式K＝。
2．平衡常数的换算
化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，化学反应方向改变或化学计量数改变，化学平衡常数均发生改变。
(1)同一反应的正逆平衡常数互为倒数，即K正＝。
(2)反应的化学计量数变为原来的n倍，则平衡常数是原平衡常数的n次方，即K′＝Kn。
3．意义及影响因素
意义 K值越大 正反应进行的程度越大
反应物的转化率越大
影响因素 内因 反应物本身的性质
外因 温度升高 ΔH<0，K值减小
ΔH>0，K值增大
【点拨】　一般地，当K＞105时，反应基本完全了。
4．主要应用
(1)判断可逆反应的反应方向以及反应是否达到平衡
Q＝K 体系处于平衡状态
QQ>K 反应逆向进行
(2)判断可逆反应的反应热
升高温度 K值增大 正反应为吸热反应
K值减小 正反应为放热反应
降低温度 K值增大 正反应为放热反应
K值减小 正反应为吸热反应
【点拨】使用化学平衡常数应注意的问题
(1)化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。
(2)反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
①若反应方向改变，则平衡常数改变，二者互为倒数。
②若化学方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。
如N2＋3H22NH3，K＝a则有：2NH3N2＋3H2，K′＝1/a。
N2＋H2NH3，K″＝。
知识点三：化学平衡转化率
(1)表达式
对于反应：aA＋bBcC＋dD，反应物A的转化率可以表示为α(A)＝×100%＝×100%＝×100%。
(2)影响因素[以N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0为例]
①增大N2浓度，α(N2)减小，α(H2)增大。
②升高温度，α(N2)减小。
③增大压强，α(N2)增大。
典例7．对于反应C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)　ΔH>0，下列有关说法正确的是( )
A．平衡常数表达式为K＝
B．增大体系压强，平衡常数K不发生变化
C．升高体系温度，平衡常数K减小
D．增加C(s)的量，平衡正向移动
【答案】B
【解析】固态物质浓度为“常数”，视为“1”，不需写入平衡常数表达式，A项错误；K只与温度有关，因此增大体系压强，平衡常数K不发生变化，B项正确；升温该反应正向进行，K增大，C项错误；增加C(s)的量，平衡不移动，D项错误。
典例8．已知反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s)和反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g)，在相同的某温度下的平衡常数分别为K1和K2，该温度下反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)的平衡常数为K。则下列说法正确的是( )
A．反应①的平衡常数K1＝
B．反应③的平衡常数K＝
C．对于反应③，恒容时，温度升高，H2浓度减小，则该反应的焓变为正值
D．对于反应③，恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小
【答案】B
【解析】在书写平衡常数表达式时，纯固体不写，A错误；由于反应③＝反应①－反应②，因此平衡常数K＝，B正确；反应③中，温度升高，H2浓度减小，则平衡左移，即逆反应为吸热反应，正反应为放热反应，因此ΔH<0，C错误；对于反应③，在恒温恒容下，增大压强，如充入惰性气体，则平衡不移动，H2的浓度不变，D错误。
典例9．可逆反应：2SO2＋O22SO3达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2。下列说法正确的是(K为平衡常数，Q为浓度商)(　　)
A．Q不变，K变大，O2转化率增大
B．Q不变，K变大，SO2转化率减小
C．Q变小，K不变，O2转化率减小
D．Q增大，K不变，SO2转化率增大
【答案】C
【解析】当可逆反应2SO2＋O22SO3达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2，平衡向右进行，但O2转化率减小，浓度商Q变小，K不变。
典例10．反应H2(g)＋I2(g) 2HI(g)的平衡常数为K1；反应HI(g) H2(g)＋I2(g)的平衡常数为K2，则K1、K2的关系式为(平衡常数为同温度下的测定值)(　　)
A．K1＝2K2 B．K1＝K C．K1＝ D．K1＝K2
【答案】C
【解析】K1＝c2(HI)/[c(H2)·c(I2)]，K2＝[c(H2)·c(I2)]/c(HI)，K1＝
核心价值与学科素养
典例11．(1)氢是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，因此氢能被称为人类的终极能源。氢气是一种绿色能源，又是一种重要的化工原料。如何将水中的氢释放出来是目前氢能研究的重要课题。
以生物材质(以C计)与水蒸气反应制取H2是一种低耗能、高效率的制H2方法。该方法由气化炉制造H2和燃烧炉再生CaO两步构成。气化炉中涉及的反应为
Ⅰ．C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g)　K1；
Ⅱ．CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)　K2；
Ⅲ．CaO(s)＋CO2(g) CaCO3(s)　K3。
该工艺制H2总反应可表示为C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s) CaCO3(s)＋2H2(g)，用K1、K2、K3的代数式表示此反应的平衡常数K。 。
(2)在化学平衡体系中，各气体物质的分压(分压＝总压×该气体的体积分数或物质的量分数)代替浓度，计算的平衡常数叫做压强平衡常数。单位与表达式有关。
如反应aA(g)＋b(B)gcC(g)＋dD(g)，p(A)＝×p总，Kp＝。
对于在恒压容器中进行的反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，若起始投料为1 mol N2、3 mol H2，转化率为50%，压强平衡常数Kp是多少？(大气压为p0) 。
【解析】(1)已知：Ⅰ：C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g)　K1，
Ⅱ：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)　K2，
Ⅲ：CaO(s)＋CO2(g) CaCO3(s)　K3，
反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之和为反应
C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s) CaCO3(s)＋2H2(g)，则K＝K1·K2·K3。
(2)列出“三段式”如下：
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
起始　1 mol　　　3 mol　　　0
转化 0.5 mol 1.5 mol 1 mol
平衡 0.5 mol 1.5 mol 1 mol
则Kp＝＝＝。
【跟踪练习】 基础过关
1． 模型法是化学中把微观问题宏观化的最常见方法，对于2HBr(g) H2(g)＋Br2(g)反应，下列四个图中可以表示该反应在一定条件下为可逆反应的是( )
【答案】C
【解析】可逆反应的特点是反应物、生成物共存。
2． 在一定体积的密闭容器中进行反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。已知反应过程中某一时刻N2、H2、NH3的浓度分别为0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.2 mol/L。当反应达到平衡时，可能存在的数据是( )
A．N2为0.2 mol/L，H2为0.6 mol/L
B．N2为0.15 mol/L
C．N2、H2均为0.18 mol/L
D．NH3为0.4 mol/L
【答案】B
【解析】反应为可逆反应，反应体系中任何一种物质的转化率都小于100%，所以A、D错误；从题给量的关系知无论反应进行到什么程度，c(N2)∶c(H2)＝1∶3，因此两者不可能同时均为0.18 mol/L，故C错误。
3． 一定温度下，在恒容密闭容器中发生反应2HI(g)＋Cl2(g)2HCl(g)＋I2(s)。下列事实不能说明该反应达到平衡状态的是(　　)
A．容器内气体压强不再改变
B．容器内气体密度不再改变
C．容器内气体颜色不再改变
D．断裂1 mol Cl—Cl键的同时断裂1 mol H—Cl键
【答案】D
【解析】反应过程中压强为变量，压强不再改变说明反应达到平衡；反应过程中气体质量为变量，体积不变，所以气体密度是变量，容器内气体密度不再改变说明反应达到平衡；容器内气体颜色不再改变，说明氯气的浓度不变，反应一定达到平衡状态；平衡时断裂1 mol Cl—Cl键的同时断裂2 mol H—Cl键，因此D项不能说明该反应达到平衡状态。
4． 下列关于平衡常数K的说法中，正确的是( )
①平衡常数K只与反应本身及温度有关　②改变反应物浓度或生成物浓度都会改变平衡常数K　③加入催化剂不改变平衡常数K　④平衡常数K只与温度有关，与反应的本身及浓度、压强无关
A．①② B．②③ C．③④ D．①③
【答案】D
【解析】平衡常数K是一个温度常数，只与反应本身及温度有关，催化剂不能改变化学平衡，故加入催化剂不改变平衡常数K。
5． 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H2(g)＋SO2(g)O2(g)＋H2S(g)的平衡常数是( )
A．K1＋K2 B．K1－K2 C．K1×K2 D．
【答案】D
【解析】K1＝，K2＝，所求反应的平衡常数K3＝＝×＝K1×＝。
能力达成
6．一定条件下，反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)　ΔH>0，达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．压强：p1>p2
B．b、c两点对应的平衡常数：Kc>Kb
C．a点：2v正(NH3)＝3v逆(H2)
D．a点：NH3的转化率为
【答案】B
【解析】该反应为气体分子数增大的反应，恒温时，压强越大，N2的体积分数越小，则p1Kb，故B正确；反应速率之比等于化学计量数之比，3v正(NH3)＝2v逆(H2)，故C错误；对于反应2NH3??N2(g)＋3H2(g)，假设反应前氨的物质的量为1 mol，反应的氨的物质的量为x mol，则＝0.1，解得x＝，因此氨的转化率为，故D错误。
7． 一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g)CH2==CH2(g)＋4H2O(g)；已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图，下列说法不正确的是(　　)
A．该反应的逆反应为吸热反应
B．平衡常数：KM>KN
C．生成乙烯的速率：v(N)一定大于v(M)
【答案】C
【解析】升高温度CO2的平衡转化率降低，说明平衡逆向移动，则逆反应为吸热反应，A正确；该反应的正反应是放热反应，升温平衡常数减小，B正确；化学反应速率随温度的升高而加快，催化剂在250 ℃时催化活性最高，温度继续升高，其催化效率降低，所以v(N)有可能小于v(M)，C错误，D正确。
8． Ⅰ.氮的固定是几百年来科学家一直研究的课题。
(1)下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分化学平衡常数K的值。
反应 大气固氮N2(g)＋O2(g) ??2NO(g) 工业固氮N2(g)＋3H2(g) ??2NH3(g)
温度/ ℃ 27 2 000 25 400 450
平衡常数K 3.84×10－31 0.1 5×108 0.507 0.152
①分析数据可知：大气固氮反应属于_______(填“吸热”或“放热”)反应。
②分析数据可知：人类不适合大规模模拟大气固氮的原因：
_________________________________________________。
(2)工业固氮反应中，在其他条件相同时，分别测定N2的平衡转化率在不同压强(p1、p2)下随温度变化的曲线，如图所示的图示中，正确的是________(填“A”或“B”)；比较p1、p2的大小关系：____________________________。
Ⅱ.目前工业合成氨的原理是N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。
(3)在一定温度下，将1 mol N2和3 mol H2混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8 mol。
①达平衡时，H2的转化率α＝__________。
②已知平衡时，容器压强为8 MPa，则平衡常数Kp＝____________________(用平衡分压代替浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
【答案】(1)①吸热　②K值小，正向进行的程度小(或转化率低)，不适合大规模生产
(2)A　p2>p1　(3)①60%　②或0.255或0.26
【解析】(1)①由表中数据可知随温度从27 ℃升高到2 000 ℃，K值增大，说明平衡向正反应方向移动，说明正反应是吸热反应；②大气固氮的K值小，转化率低。(2)工业固氮，随温度升高，K值减小，平衡向逆反应方向移动，N2的转化率降低，所以A正确。取相同的温度，p1→p2，N2的转化率升高，说明平衡向正反应方向移动，正反应是气体体积减小的反应，说明压强增大，p2>p1。
(3)　　　　 N2　＋　3H2??2NH3
n(始)/mol 1 3 0
n(变)/mol a 3a 2a
n(平)/mol 1－a 3－3a 2a
有(1－a)＋(3－3a)＋2a＝2.8 mol，a＝0.6 mol，H2的转化率为60%，N2的平衡分压为×8 MPa，H2、NH3的平衡分压均为×8 MPa，Kp＝＝。
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