2.2.1　化学平衡状态　化学平衡常数 课件(共57张PPT) 2023-2024学年高二化学人教版选择性必修1

(共57张PPT)
第二章
第二节　第1课时　化学平衡状态　化学平衡常数
素养 目标
1.能描述化学平衡状态,判断化学反应是否达到平衡,培养变化观念与平衡思想的化学核心素养。
2.认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量,知道化学平衡常数的含义,能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算。了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目录索引
基础落实·必备知识全过关
一、化学平衡状态
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反应。
(2)特征
相同
同时
小于
2.化学平衡的建立
在一定条件下,把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中,如反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),开始在密闭容器中加入N2和H2。反应过程如下:
零
减小
减小
增大
增大
以上过程可用下图表示:
3.化学平衡状态
(1)化学平衡状态的定义
在一定条件下的可逆反应体系中,正、逆反应速率　　　　时,反应物和生成物的浓度保持不变,即体系的组成不随时间而改变,这表明该反应中物质的转化达到了“限度”,这时的状态我们称为化学平衡状态,简称化学平衡。
相等
(2)化学平衡状态的特征
可逆
=
动态
二、化学平衡常数
1.平衡常数表达式
固体或液体纯物质不列入Q和K
对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),在任意时刻的浓度商
Q=　　　　　　　　;该反应在一定温度下达到化学平衡时,存在平衡常数K=　　　　　　　　。
2.影响因素
(1)内因:反应物的　　　　　　。
(2)外因:反应的温度。
确定反应中,温度一定,K不变
本身性质
3.意义:K的大小反映了反应进行的程度
通常,K越　　　,说明平衡体系中生成物所占的比例越大,正反应进行的程度越大,即反应进行得越完全,平衡时反应物的转化率越大;反之,K越小,该反应进行得越不完全,平衡时反应物的转化率越小。一般来说,当K>_____　　　　时,该反应就进行得基本完全了。
大
105
4.应用
(1)判断反应可能进行的程度
K值 <10-5(或<10-6) 10-5~105 >105
反应程度 很难进行 反应可逆 进行较完全
(2)判断反应是否达到平衡状态
对化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)的任意状态有浓度商Q与平衡常数K的关系:
逆向
<
平衡状态
=
正向
>
(3)化学平衡常数和平衡转化率的计算
①方法——三段式法
②物质浓度的变化关系
反应物:平衡浓度=起始浓度-变化浓度;
生成物:平衡浓度=起始浓度+变化浓度;
变化浓度之比等于化学计量数之比。
微思考1
阅读教材图2-5。思考:合成氨反应,未达到化学平衡前,在相同时间段内,N2、H2、NH3的浓度变化量之比是多少
提示 1∶3∶2。
深化理解
化学平衡时量的关系
(1)达到化学平衡时,若用同一种物质表示v(正)、v(逆)时,则数值相等;若用不同物质表示v(正)、v(逆)时,则按照化学计量数对应成比例。如合成氨反
(2)达到化学平衡时,反应混合物中各组分的物质的量浓度、百分含量恒定,但不一定相等,同时,反应体系的压强恒定,反应混合气体的平均相对分子质量恒定。
易错辨析1
(1)合成氨反应中,如果N2过量,则可以使H2完全消耗。(　　)
(2)化学平衡状态是一定条件下可逆反应进行到最大限度的结果。(　　)
(3)对于反应NO2(g)+SO2(g) SO3(g)+NO(g),当消耗1 mol SO2的同时生成1 mol NO2时,说明反应达到平衡状态。(　　)
(4)在2 L密闭容器内,800 ℃时2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)反应体系中,当该容器内颜色保持不变时能说明该反应已达到平衡状态。(　　)
提示 合成氨反应为可逆反应,H2不可能完全反应。
×
√
√
√
易错辨析2
(1)温度一定时,改变反应物浓度或生成物浓度都不会改变平衡常数K。
(　　)
(2)从平衡常数K的大小可以推断一个反应进行的程度。(　　)
√
√
×
(5)在一定容积的密闭容器中进行如下化学反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g),平衡时各物质的浓度:c(CO2)为0.25 mol·L-1、c(H2)为0.08 mol·L-1、c(CO)为0.1 mol·L-1、c(H2O)为0.2 mol·L-1,则K=1。(　　)
×
√
(6)某温度下,PCl5(g) PCl3(g)+Cl2(g)的平衡常数K=1,则容器中c(PCl5)=c(PCl3)=c(Cl2)时,反应达到化学平衡。(　　)
×
提示 设容器中c(PCl5)=c(PCl3)=c(Cl2)=x mol·L-1,则Q= =x,Q不一定等于K,无法确定反应是否达到化学平衡。
重难探究·能力素养全提升
探究一　化学平衡状态
情境探究
一定温度下,将1 mol N2O4充入一恒容密闭容器中,发生反应N2O4(g) 2NO2(g)　ΔH>0。
(1)混合气体的颜色不再发生变化,能否说明建立化学平衡状态
提示 能。N2O4为无色气体,NO2为红棕色气体,混合气体的颜色不再发生变化说明NO2气体的浓度不再发生变化,可说明建立化学平衡。
(2)混合气体的密度不变或平均摩尔质量不变,能否说明建立化学平衡状态
提示 混合气体的密度不变不能说明建立化学平衡。根据公式ρ= ,反应过程中气体质量m不变,气体体积V不变,则密度ρ一直是一定值,因此密度不能作为化学平衡的标志。
混合气体的平均摩尔质量不变能说明建立化学平衡。根据公式M= ,反应过程中气体质量m不变,N2O4分解生成NO2,则气体的物质的量n增加,平均摩尔质量不再改变,说明气体的物质的量n不再发生变化,可说明建立化学平衡。
(3)若反应过程中,N2O4和NO2的浓度变化如图所示,则A、B、C三点中达到化学平衡的有哪些 并分析这三点v(正)和v(逆)的大小关系。
提示 B、C两点达到化学平衡,这两点v(正)=v(逆);A点未达到化学平衡,v(正)>v(逆)。
方法突破
化学平衡状态的两种标志
名师点拨　解答化学平衡类题目时,要做到“三看”:
一看反应条件是“恒温恒容”还是“恒温恒压”,部分题目还可能是“绝热状态”。像反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),在恒温恒容下气体的密度不变不能说明反应达到化学平衡状态,但恒温恒压下气体的密度不变则可以说明反应达到化学平衡状态。
二看物质的状态,反应体系中只有气体和有固体或纯液体参与,往往会有不同的规律。如恒温恒容条件下,反应X(s)+2Y(g) 2Z(g),容器内气体的密度不变、平均相对分子质量不变均可说明反应达到化学平衡,若X也是气体,则容器内气体的密度不变不能说明反应达到化学平衡。
三看气体的化学计量数,确定反应是气体物质的量改变的可逆反应还是不变的可逆反应。如反应2NO2(g) N2O4(g)和H2(g)+I2(g) 2HI(g),混合气体的平均相对分子质量不变,前者可说明反应达到化学平衡,后者不能说明反应达到化学平衡。
应用体验
视角1可逆反应的理解
1.一定条件下,起始浓度依次为0.4 mol·L-1、0.6 mol·L-1、0.9 mol·L-1的SO2、O2、SO3,发生反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),反应达到平衡时下列数据合理的是(　　)
A.c(SO3)=1.3 mol·L-1
B.c(O2)=1.1 mol·L-1
C.c(SO2)+c(SO3)=1.2 mol·L-1
D.c(O2)+c(SO2)+c(SO3)=1.9 mol·L-1
D
解析 假设反应正向进行,设O2的转化浓度为a mol·L-1,三段式为
　　　　　　 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)
起始量/(mol·L-1) 0.4 0.6 0.9
转化量/(mol·L-1) 2a a 2a
平衡量/(mol·L-1) 0.4-2a 0.6-a 0.9+2a
其中0.4-2a>0,0.9+2a>0,即-0.45c(SO3)=(0.9+2a) mol·L-1<1.3 mol·L-1,A错误;c(O2)=(0.6-a) mol·L-1<1.05 mol·L-1,B错误;根据硫原子守恒,c(SO2)+c(SO3)=1.3 mol·L-1,C错误;若加入起始浓度一定的各种物质之后刚好达到平衡状态,则c(O2)+c(SO2)+c(SO3)=1.9 mol·L-1,D正确。
归纳总结　可逆反应中判断物质浓度范围的方法
由于可逆反应中存在反应的限度,在判断反应物或生成物浓度(或物质的量)范围时,常用极端假设的方法,即“一边倒”,假设全部转化为反应物,可以确定反应物浓度的最大值、生成物浓度的最小值;假设全部转化为生成物,可以确定反应物浓度的最小值、生成物浓度的最大值,从而确定反应物或生成物浓度的取值范围。
视角2化学平衡状态的判断
2.[根据反应速率判断]一定条件下的密闭容器中,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(　　)
速率 A B C D
v(正)/(mol·L-1·min-1) v(A)=2 v(A)=1 v(A)=2 v(A)=2
v(逆)/(mol·L-1·min-1) v(B)=2 v(B)=1.5 v(C)=1.5 v(A)=2
D
解析 根据v正(A)=2 mol·L-1·min-1,可得v正(B)=1 mol·L-1·min-1,而v逆(B)=2 mol·L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故A错误;根据v正(A)=1 mol·L-1·min-1,可得v正(B)=0.5 mol·L-1·min-1,而v逆(B)=1.5
mol·L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故B错误;根据v正(A)=2 mol·L-1·min-1,可得v正(C)=3 mol·L-1·min-1,而v逆(C)=1.5
mol·L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故C错误;
v正(A)=2 mol·L-1·min-1,v逆(A)=2 mol·L-1·min-1,正、逆反应速率相等,故处于平衡状态,故D正确。
3.[根据反应中的变化量判断]下列标志可表明对应反应达到平衡状态的是
(　　)
选项 反应条件 可逆反应 标志
A 恒温恒容 H2(g)+I2(g) 2HI(g) 混合气体的密度不变
B 恒温恒容 2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) 混合气体颜色不变
C 恒温恒压 NH2COONH4(s) 2NH3(g)+CO2(g) NH3在混合气体中的百分含量不变
D 恒温恒压 2NO2(g) N2O4(g) c(NO2)=2c(N2O4)
B
解析 反应前后混合气体的质量和容器容积均是不变的,混合气体的密度一直不变,所以不一定是平衡状态,A错误。NO2为红棕色气体,容器内混合气体的颜色不变,则NO2浓度不变,化学反应达到平衡状态,B正确。反应中生成的NH3和CO2物质的量之比始终为2∶1,故NH3在混合气体中的百分含量始终保持不变,无法判断反应是否达到平衡状态,C错误。c(NO2)=2c(N2O4),无法判断正、逆反应速率相等,故无法判断化学反应是否达到平衡状态,D错误。
易错提醒　对于一般的可逆反应aA(g)+bB(g) dD(g)+eE(g),若反应前后气体的物质的量改变,则气体的平均相对分子质量不变、某气体的物质的量分数不变均可作为平衡的标志,但是反应NH2COONH4(s) 2NH3(g)+CO2(g)中,开始加入NH2COONH4(s)建立平衡,气体的平均相对分子质量不变、NH3或CO2的物质的量分数不变均不能作为平衡的标志。因为该反应中NH2COONH4(s)分解生成的NH3和CO2物质的量之比一直是
4.[根据图像变化判断]汽车尾气净化的主要原理为2NO(g)+2CO(g) 2CO2(g)+N2(g)　ΔH<0。若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行,下列示意图正确且能说明反应在进行到t1时刻达到平衡状态的是(　　)
C
解析 A中t1时刻v(正)最大,之后随反应进行速率发生变化,未达到平衡,A错误;B中t1时刻,NO的质量分数在改变,说明t1时刻反应未达到平衡状态,B错误;该反应是放热反应,在绝热容器中进行,随着反应进行,容器温度上升,C中t1时刻之后随反应进行温度不再发生变化,说明反应达到平衡状态,C正确;焓变是定值,不随时间的变化而变化,不能说明反应达到平衡状态,D错误。
探究二　化学平衡常数
情境探究
又已知不同温度下,K1、K2值如下:
温度/℃ K1 K2
500 1.00 3.15
700 1.47 2.26
900 2.50 2.00
(1)试写出反应①化学平衡常数K1的表示式。
(2)用ΔH1、ΔH2表示ΔH3,用K1、K2表示K3,并计算900 ℃时的K3。
(3)在900 ℃时,在一密闭容器中加入H2(g)、CO2(g)、CO(g)、H2O(g)各1 mol发生反应③,则反应正向还是逆向进行
方法突破
1.化学平衡常数的理解和应用
2.化学平衡常数及转化率的计算
(1)计算方法:三段式法
mA(g) + nB(g) pC(g) + qD(g)
相关计算:
(2)平衡常数与转化率的关系规律
①温度一定时,对于一确定可逆反应,K为定值;但不同反应物的平衡转化率可能不同。
②K和平衡转化率都能定量表示化学反应的限度。K只与温度有关,而平衡转化率的影响因素有温度、浓度、压强等,反应物浓度、压强改变,平衡转化率可能改变,但K不变。
③温度一定,不同反应K越大,平衡转化率不一定越大。
应用体验
视角1平衡常数表达式的书写
C
解析 平衡常数等于生成物浓度的幂次方乘积除以反应物浓度的幂次方乘积;注意固体和纯液体不写在计算式中,则该反应的化学平衡常数K= ,答案选C 。
视角2平衡常数与反应的关系
A
视角3平衡常数的应用
3.[判断反应进行的程度]化学平衡常数K的数值大小是衡量化学反应进行程度的标志,在常温下,下列反应的平衡常数的数值如下:
以下说法正确的是(　　)
A.常温下,NO分解产生O2的反应的平衡常数表达式为K1=c(N2)·c(O2)
B.常温下,2H2O(g) === 2H2(g)+O2(g),此时平衡常数的数值约为5×10-82
C.常温下,NO、H2O、CO2三种物质分解放出O2的倾向由大到小的顺序为H2O>NO>CO2
D.常温下,NO分解产生O2的反应进行的程度很大,因此NO不会造成大气污染
B
常数越大,放出O2的倾向越大,常温下,NO、H2O、CO2三种物质分解放出O2的倾向由大到小的顺序为NO>H2O>CO2,故C错误;常温下,NO分解产生O2的反应进行的程度很大,但反应分解的速率很慢,因此氮的氧化物会长时间存在于大气中,会产生大气污染,故D错误。
4.[判断吸热或放热、判断反应进行的方向]已知某化学反应的平衡常数表
温度/℃ 700 800 830 1 000 1 200
K 1.67 1.11 1.00 0.60 0.38
下列说法错误的是(　　)
A.该反应的化学方程式为CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
B.该反应为吸热反应
C.如果在一定容积的密闭容器中加入CO2和H2各1 mol,5 min后,温度升高到830 ℃,此时测得CO2的物质的量为0.4 mol,则该反应正向进行
B
解析 根据平衡常数表达式为K= ,可以确定反应的化学方程式是CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g),选项A正确;该反应温度升高,K减小,说明平衡逆向移动,则逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,选项B错误;
　　　 CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
起始量(mol) 0 0 1 1
变化量(mol) 0.6 0.6 0.6 0.6
5 min后(mol) 0.6 0.6 0.4 0.4
视角4平衡常数及转化率的计算
5.[单一反应的计算](1)反应SO2(g)+NO2(g) SO3(g)+NO(g),若在一定温度下,将物质的量浓度均为2 mol·L-1的SO2(g)和NO2(g)注入一密闭容器中,当达到平衡状态时,测得容器中SO2(g)的转化率为50%,试求在该温度下,此反应的平衡常数为　 。
(2)在(1)中温度下,若SO2(g)的初始浓度增大到3 mol·L-1,NO2(g)的初始浓度仍为2 mol·L-1,试求达到化学平衡时各物质的浓度:
　。
c(SO3)=c(NO)=1.2 mol·L-1,c(SO2)=1.8 mol·L-1,c(NO2)=0.8 mol·L-1
1
解析 (1)设平衡时SO2的浓度为x mol·L-1
　 SO2(g) + NO2(g) SO3(g) + NO(g)
(2)设达平衡时NO的浓度为y mol·L-1,
　 SO2(g) + NO2(g) SO3(g) + NO(g)
平衡浓度:c(SO2)=3 mol·L-1-1.2 mol·L-1=1.8 mol·L-1,c(NO2)=2 mol·L-1-1.2 mol·L-1=0.8 mol·L-1,c(SO3)=c(NO)=1.2 mol·L-1。
【变式设问】
1.(1)中SO2、NO2的转化率有怎样的关系 你能得出什么结论
(1)中SO2、NO2的转化率相等。若两种反应物按照反应的化学计量数之比加入,则两种反应物的转化率相等;反之,若两种反应物的转化率相等,说明这两种物质是按照反应的化学计量数之比加入的。
2.比较(1)中和(2)中SO2、NO2的转化率,你能得出什么结论
结论:两种反应物参加反应时,提高一种反应物的浓度,可以提高另一种反应物的转化率,而该反应物的转化率会降低。
6.[多重平衡的计算][2020山东卷节选]探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素,有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.5 kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH2=-90.4 kJ·mol-1
Ⅲ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH3
回答下列问题:
(1)ΔH3=　　　　　　　　　 kJ·mol-1。
(2)一定条件下,向容积为V L的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为a mol,CO为b mol,此时
H2O(g)的浓度为　　　 mol·L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为　　　　　　　。
+40.9
解析 (1)根据反应Ⅰ-Ⅱ=Ⅲ,则ΔH3=ΔH1-ΔH2=-49.5 kJ·mol-1-(-90.4 kJ·mol-1)
=+40.9 kJ·mol-1。
(2)开始时,n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol;
平衡时,混合气体含有CH3OH、CO、CO2、H2、H2O五种气体,其中n(CH3OH)=a mol,n(CO)=b mol。
根据碳原子守恒,可以确定n(CO2)=(1-a-b)mol;
根据氧原子守恒,可以确定n(H2O)=[2-a-b-2(1-a-b)] mol=(a+b) mol;
解题技巧　多重平衡的计算技巧
对于多重平衡的计算,一般不用三段式的方法进行计算,因为运用三段式计算过程繁琐,计算量大,浪费时间。该类题目一般可用守恒法进行计算,根据开始加入的物质和平衡后的已知信息,结合元素守恒或某些物质之间的守恒关系,列出关系式进行计算,计算方法简捷,节约时间,且不易出错。
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