2.2 第2课时 化学平衡状态 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第一册

2.2 第2课时　化学平衡状态
【学习目标】
1.了解可逆反应的含义及其特点。
2.了解化学平衡的建立过程,掌握化学平衡状态的特征。
3.学会平衡状态的判断方法,建立化学平衡状态判断的思维模型。
【合作探究】
任务1　化学平衡状态
【学习情境】
硫酸是一种重要的化工产品,工业上制取硫酸过程中非常重要的一步就是将SO2氧化成SO3。无论混合气体反应多长时间,SO2和O2都会有剩余。即使O2过量,SO2也不能全部转化为SO3,为什么呢 SO2和O2的反应是一个可逆反应,在一定条件下,反应达到平衡状态。怎样判断一个化学反应已达到平衡状态呢
【新知生成】
1.可逆反应
2.化学平衡状态
(1)概念
一定条件下的可逆反应,当正反应速率　　　　逆反应速率时,反应物和生成物的浓度　　　　随时间而发生变化,反应达到化学平衡状态。
(2)建立过程
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。反应过程如下:
(3)特征
【答案】1.相同　小于　2.(1)等于　不再　(2)逐渐减小　逐渐增大　=　保持不变　(3)=　保持不变
【核心突破】
典例1　下列反应属于可逆反应的是(　　)
A.Na溶于水的反应
B.NH3溶于水的反应
C.可充电电池的反应,如H2O+Zn+Ag2OZn(OH)2+2Ag
D.电解水生成H2和O2,点燃H2和O2的混合物生成水
【解析】可逆反应是指在同一条件下,既能向生成物方向进行,同时又能向反应物方向进行的反应。A项,Na溶于水会与水反应,2Na+2H2O2NaOH+H2↑,不属于可逆反应;B项,氨气溶于水,NH3+H2ONH3·H2ON+OH-,属于可逆反应;C项,可充电电池的反应中向两个方向进行的反应条件不同,不属于可逆反应;D项,水电解生成H2和O2,条件是通电电解,H2在O2中燃烧生成水的反应条件为点燃,两者反应条件不一样,不属于可逆反应。
【答案】B
典例2　在一密闭容器中进行反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2 mol·L-1、0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1,当反应达到平衡时,可能存在的数据是(　　)
A.SO2为0.4 mol·L-1,O2为0.2 mol·L-1
B.SO2为0.25 mol·L-1
C.SO2、SO3均为0.15 mol·L-1
D.SO3为0.4 mol·L-1
【解析】利用极端假设法进行分析,即假设反应正向、逆向完全反应,得出各物质浓度的范围,从而进行判断。
　　 　　　　　　　　　　　2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
某时刻浓度/(mol·L-1) 　　0.2 0.1 0.2
正向反应完全浓度/(mol·L-1) 　　0 0 0.4
逆向反应完全浓度/(mol·L-1) 　　0.4 0.2 0
故0【答案】B
归纳总结：(1)化学平衡状态既可以从正反应方向建立,也可以从逆反应方向建立,或者同时从正、逆反应两方向建立。
(2)极端假设法确定各物质浓度范围
①完全转化到“”的右侧,求出生成物的最大值,反应物的最小值,此时反应物可能为0,也可能不为0。
②完全转化到“”的左侧,求出反应物的最大值,生成物的最小值。
③据①②得出各物质的浓度的取值范围进行讨论。
训练1　在1273K、100.0kPa条件下,乙烷生成乙烯的反应C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)达到平衡后(　　)
A.C2H6的浓度保持不变
B.C2H6仍在不断分解,其浓度不断减小
C.C2H6的分解速率大于生成速率
D.C2H4仍在不断生成,其浓度不断增加
【答案】A
训练2　在一个密闭容器中发生反应N2O3(g)+O2(g)N2O5(g),反应过程中某一时刻,N2O3、O2、N2O5的浓度分别为0.2 mol·L-1、0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1,当反应达到平衡时可能的数据是(　　)
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完全反应,N2O5的浓度为0.3 mol·L-1,而该反应为可逆反应,不可能完全转化,c(N2O5)应小于0.3 mol·L-1,A项不符合;反应物和生成物的浓度不可能同时增大,B项不符合;N2O5 完全分解时,c(O2)=0.3 mol·L-1,可逆反应不可能完全转化,C项不符合;N2O3、N2O5的浓度分别为0.2 mol·L-1、0.2 mol·L-1,根据N原子守恒得c(N2O3)+c(N2O5)=0.4 mol·L-1,D项符合。
【答案】D
任务2　化学平衡状态的判断
【新知生成】
化学平衡状态的判断
(1)看v正与v逆是否　　　　。
(2)看体系中各物质的浓度是否　　　　。
【答案】(1)相等　(2)保持恒定
【核心突破】
典例3　在一定条件下,某可逆反应的正反应速率和逆反应速率随时间变化的曲线如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.t1时刻,反应逆向进行
B.t2时刻,正反应速率大于逆反应速率
C.t3时刻,达到反应进行的限度
D.t4时刻,反应处于平衡状态,反应停止
【解析】t1时刻,v(正)>v(逆),反应正向进行,A项错误;t2时刻,v(正)>v(逆),B项正确;t3时刻,v(正)>v(逆),反应没有达到最大限度,即没达到平衡状态,C项错误;t4时刻,v(正)=v(逆),反应达到平衡状态,但}=v(逆)≠0,反应没有停止,D项错误。
【答案】B
归纳总结：化学平衡状态的判断
(1)用本质特征判断
判断依据:正反应速率与逆反应速率相等,即v正=v逆。
①同一种物质:该物质的生成速率等于它的消耗速率。
②不同的物质:速率之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比,但必须是不同方向的速率。
(2)用宏观特征判断
判断依据:反应混合物中各组成成分的浓度、含量保持不变。
①各组成成分的质量、物质的量、分子数、物质的量浓度均保持不变。
②各组成成分的质量分数、物质的量分数、气体的体积分数均保持不变。
③反应物的转化率、产物的产率保持不变。
(3)用“总压强、混合气体的密度、平均摩尔质量”判断平衡状态时的注意事项
①恒温恒容条件下,用“总压强、平均摩尔质量”判断平衡状态时,要特别关注反应前后气体分子总数的变化,如:
mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 是否平衡
压强 当m+n≠p+q时,总压强一定(其他条件一定) 是
当m+n=p+q时,总压强一定(其他条件一定) 不一定
混合气 体的 当m+n≠p+q时,一定 是
当m+n=p+q时,一定 不一定
②恒温恒容条件下,用“混合气体的密度”判断平衡状态时,要特别关注反应前后是否有非气态物质参与反应,例如:
关注各物质的状态 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
训练3　在一定温度下的恒容密闭容器中发生反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),下列证据能说明反应一定达到化学平衡状态的是(　　)
A.容器内的压强不再改变
B.c(SO2)∶c(O2)∶c(SO3)=2∶1∶2
C.混合气体的密度不再改变
D.SO2的生成速率与SO3的消耗速率相等
【解析】该反应为气体体积缩小的反应,压强为变量,当容器内的压强不再改变,说明反应达到平衡状态,A项正确;c(SO2)∶c(O2)∶c(SO3)=2∶1∶2,无法判断各组分浓度是否继续变化,则无法判断是否达到平衡状态,B项错误;该反应中混合气体的密度为定值,不能根据密度判断是否达到平衡状态,C项错误;SO2的生成速率与SO3的消耗速率相等,都是逆反应速率,无法判断是否达到平衡状态,D项错误。
【答案】A
训练4　在两个恒容容器中各发生如下反应,下列特征可以作为化学平衡状态判断依据的打“√”,不可以的打“×”:
特征 反应一 反应二
N2(g)+3H2(g)2NH3(g) H2(g)+I2(g)2HI(g)
①气体的总物质 的量不变
②气体的总质量不变
③气体的总压强不变
④气体的密度不变
⑤气体的平均相对 分子质量不变
⑥混合气体的 颜色不变
⑦体系的温度不变 (绝热体系)
　　【答案】反应一①√　②×　③√　④×　⑤√　⑥×　⑦√　反应二①×　②×　③×　④×　⑤×　⑥√　⑦√
课堂小结
【随堂检测】
1.在地壳中SiO2和HF存在以下平衡:SiO2(s)+4HF(g)SiF4(g)+2H2O(g)　ΔH=+148.9 kJ·mol-1。如果上述反应在体积不变的密闭容器中发生,当反应达到平衡时,下列说法正确的是(　　)
A.2v正(HF)=v逆(H2O)
B.2v(H2O)=v(SiF4)
C.SiO2的质量保持不变
D.反应物不再转化为生成物
【解析】A项,反应达到平衡状态时,正逆反应速率之比等于其化学计量数之比,故有v正(HF)=2v逆(H2O),错误;B项,反应速率之比等于其化学计量数之比,错误;C项,反应达到平衡状态时,各反应物的量保持不变,故SiO2的质量保持不变,正确;D项,化学平衡是动态平衡,反应仍在进行,错误。
【答案】C
2.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,各物质的浓度有可能是(　　)
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
解析
平衡体系中各物质的浓度范围为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.汽车尾气净化的主要原理为2NO+2CON2+2CO2　ΔH<0。在一定温度下,向体积固定的密闭容器中充入一定量的NO和CO模拟上述反应,在t1时刻达到平衡状态。下列能判断该反应达到平衡状态的标志是(　　)
A.2v正(CO)=v逆(N2)
B.混合气体的密度不再改变
C.混合气体的平均相对分子质量不再改变
D.相同时间内,形成CO2分子中CO键的数目是断开N≡N键的数目的2倍
【解析】该反应达到平衡时,应有v正(CO)=2v逆(N2),A项错误;体积固定的密闭容器中,混合气体的密度一直不变,B项错误;混合气体的平均相对分子质量不再改变,说明气体的总物质的量不变,反应达到平衡状态,C项正确;达到平衡时,相同时间内,形成CO2分子中CO键的数目是断开N≡N键的数目的4倍,D项错误。
【答案】C
4.(2016·10月浙江选考,12)在一定条件下,可逆反应X(g)+2Y(g)2Z(g)　ΔH=-a kJ·mol-1,达到化学平衡时,下列说法一定正确的是(　　)。
A.反应放出a kJ热量
B.反应物和生成物的浓度都不再发生变化
C.X和Y的物质的量之比为1∶2
D.X的正反应速率等于Z的逆反应速率
【解析】当1 mol X(g)和 2 mol Y(g)完全反应生成2 mol Z(g)时才能放热a kJ,A项错误;达到化学平衡时,反应物和生成物的浓度都不再随时间发生变化,B项正确;起始时X和Y的物质的量未知,反应消耗的X和Y的物质的量之比为1∶2,故平衡时X和Y的物质的量之比不一定为1∶2,C项错误;达到化学平衡时,正、逆反应速率相等,X的正反应速率与Z的逆反应速率之比应等于化学计量数之比1∶2,D项错误。
【答案】B
5.下列说法可以证明H2(g)+I2(g)2HI(g)已达到平衡状态的是　　　　(填序号)。
①单位时间内生成n mol H2的同时,生成n mol HI　②一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂　③百分含量w(HI)=w(I2)　④反应速率v(H2)=v(I2)=v(HI)　⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1　⑥温度和体积一定时,HI浓度不再变化　⑦温度和体积一定时,容器内压强不再变化　⑧条件一定,混合气体的平均相对分子质量不再变化　⑨温度和体积一定时,混合气体的颜色不再变化　⑩温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化
【答案】②⑥⑨
2