第二章 化学反应速率与化学平衡
第二节 化学平衡
第2课时 化学平衡常数
基础过关练
题组一 化学平衡常数的概念理解与表达式
1.列关于化学平衡常数的叙述正确的是 ( )
A.当反应中有关物质的浓度商等于平衡常数时,该反应达到化学平衡状态
B.平衡常数的大小与物质起始浓度有关
C.K值越大,反应物的平衡转化率越小
D.温度一定,对于给定的化学反应,正、逆反应的平衡常数互为相反数
2.一定条件下,某可逆反应的平衡常数表达式K=,则该反应的化学方程式为 ( )
A.M(g)+3N(g) 2Q(g)+R(g)
B.2Q(g)+R(g) M(g)+3N(g)
C.Q(g)+N(g)
D.R(g)
题组二 化学平衡常数的相关计算
3.已知:2CO2(g) 2CO(g)+O2(g) ΔH1=+566.0 kJ·mol-1;S(s)+O2(g) SO2(g) ΔH2=-296.0 kJ·mol-1。已知某反应的平衡常数K=,则该反应的焓变为 ( )
A.-540.0 kJ·mol-1 B.+540.0 kJ·mol-1
C.-270.0 kJ·mol-1 D.+270.0 kJ·mol-1
4.加热N2O5依次发生的分解反应为①N2O5(g) N2O3(g)+O2(g),②N2O3(g) N2O(g)+O2(g)。在容积为2 L的密闭容器中充入8 mol N2O5,加热到t ℃,达到平衡状态后O2为9 mol,N2O3为3.4 mol。则t ℃时反应①的平衡常数的值为 ( )
A.8.5 B.9.6 C.10.2 D.17.0
5.在800 ℃时,体积为1 L的密闭容器中,可逆反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)达到化学平衡状态。已知CO(g)和H2O(g)的起始浓度均为0.01 mol/L时,H2(g)的平衡浓度为0.005 mol/L。此时若再充入0.02 mol的H2O(g),重新达到新平衡时,H2(g)的平衡浓度为 ( )
A.0.006 0 mol/L B.0.007 5 mol/L
C.0.008 0 mol/L D.0.010 mol/L
6.一定温度下,在一个容积为1 L的密闭容器中,充入1 mol H2(g)和1 mol I2(g),发生反应H2(g)+I2(g) 2HI(g),经充分反应达到平衡后,生成的HI(g)占气体体积的50%;该温度下,在另一个容积为2 L的密闭容器中充入1 mol HI(g)发生反应HI(g)I2(g)。则下列判断正确的是 ( )
A.前一反应的平衡常数为1
B.后一反应的平衡常数为0.5
C.后一反应达到平衡时,H2的浓度为0.25 mol·L-1
D.后一反应达到平衡时,HI(g)的浓度为0.5 mol·L-1
能力提升练
题组一 化学平衡常数的应用
1.(经典题)在一定温度下,下列反应的化学平衡常数数值如下:
①2NO(g) N2(g)+O2(g) K1=1×1030
②2H2(g)+O2(g) 2H2O(g) K2=2×1081
③2CO2(g) 2CO(g)+O2(g) K3=4×10-92
以下说法正确的是 ( )
A.该温度下,反应①的平衡常数表达式为K1=c(N2)·c(O2)
B.该温度下,反应2H2O(g) 2H2(g)+O2(g)的平衡常数的数值为5×10-82
C.该温度下,反应①、反应②的逆反应、反应③产生等量O2的倾向由大到小的顺序为反应①>反应③>反应②的逆反应
D.该温度下,某时刻反应③中CO2(g)、CO(g)、O2(g)的浓度分别为2×10-5 mol/L、2×10-10 mol/L、1×10-10 mol/L,此时反应正向进行
2.某温度下,在①、②两个恒容密闭容器中发生反应H2(g)+CO2(g) H2O(g)+CO(g),K=2.25。物质的起始浓度如表所示,下列说法正确的是 ( )
容器编号 起始浓度/(mol·L-1)
H2 CO2 H2O(g) CO
① 0.1 0.1 0 0
② 0.2 0.1 0.2 0.1
A.反应开始时,②中反应逆向进行
B.平衡时,①中c(CO2)=0.04 mol·L-1
C.①中反应达平衡时,各组分浓度相同
D.①中H2的平衡转化率为40%
题组二 化学平衡常数与平衡转化率的综合考查
3.将CO2转化为甲醇的原理为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0。500 ℃时,在容积为1 L的恒容密闭容器中充入1 mol CO2、3 mol H2,测得CO2浓度与CH3OH浓度随时间的变化关系如图所示。下列结论错误的是 ( )
A.曲线X也可以表示H2O(g)的浓度变化
B.500 ℃时,该反应的平衡常数K=3
C.平衡时H2的转化率为75%
D.从反应开始到10 min时,H2的平均反应速率为0.225 mol·L-1·min-1
4.T ℃时,向某恒温恒容密闭容器中充入等物质的量的CH4(g)和CO2(g),发生反应:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g),测得体系中CH4(g)和CO(g)的物质的量浓度随时间变化如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.点B的坐标为(5,)
B.反应进行到5 min时,反应达到平衡
C.CO2(g)的平衡转化率约为33.3%
D.T ℃时,该反应的平衡常数为
5.已知可逆反应:M(g)+N(g) P(g)+Q(g) ΔH>0。在某温度下,反应物的起始浓度分别为c(M)=1 mol·L-1,c(N)=2.4 mol·L-1。达到平衡后,M的转化率为60%。请回答下列问题:
(1)此时N的转化率为 。
(2)若反应温度不变,反应物的起始浓度分别为c(M)=4 mol·L-1,c(N)=a mol·L-1;达到平衡后,c(P)=2 mol·L-1,a= 。
(3)若反应温度不变,反应物的起始浓度为c(M)=c(N)=b mol·L-1,达到平衡后,M的转化率为 (已知≈1.414)。
题组三 压强平衡常数
6.温度为T时,将NH4HS(s)置于抽成真空的容器中,当NH4HS(s) NH3(g)+H2S(g)达到平衡时,测得体系的总压强为6 kPa,则该反应的平衡常数Kp为 ( )
A.6 (kPa)2 B.9 (kPa)2
C.8 (kPa)2 D.36 (kPa)2
7.(经典题)T ℃时,向容积为2 L的刚性容器中充入1 mol CO2和一定量的H2发生反应:CO2(g)+2H2(g) HCHO(g)+H2O(g),达到平衡时,HCHO的分压(分压=总压×物质的量分数)与起始的关系如图所示。已知:初始加入2 mol H2时,容器内混合气体的总压强为1.2p kPa。下列说法正确的是 ( )
A.5 min时反应达到c点平衡状态,0~5 min内v(H2)=0.2 mol·L-1·min-1
B.随着增大,HCHO(g)的平衡分压的百分比不断增大
C.b点时反应的平衡常数Kp= kPa-1
D.由图像可得到:Kp(a)
8.甲醇催化加CO可以制取甲酸甲酯。回答下列问题:
(1)在容积恒为2 L的密闭容器中充入2 mol CH3OH(g)和2 mol CO(g),在一定温度下发生反应:CH3OH(g)+CO(g) HCOOCH3(g),测得容器内的压强随时间的变化如表所示。
t/min 0 2 4 6 8 10 12 14
p/kPa p0 — 0.8p0 — — 0.7p0 0.7p0 0.7p0
在此条件下,该反应的平衡常数Kp= kPa-1(以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(2)一定温度下,向恒容密闭容器中通入等物质的量的C2H6和H2,初始压强为100 kPa,发生反应C2H6(g) C2H4(g)+H2(g) ΔH>0,乙烷的平衡转化率为20%。平衡时体系的压强为 kPa,该反应的平衡常数Kp= kPa(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.A 2.C 3.C 4.A 5.B 6.B
1.A 当反应中有关物质的浓度商等于平衡常数时,该反应的正反应速率等于逆反应速率,反应达到化学平衡状态,A正确;对于一个确定的反应,平衡常数只与温度有关,与物质起始浓度无关,B错误;通常,K值越大,反应进行的程度越大,反应物的平衡转化率越大,C错误;对于给定的化学反应,温度一定时,正反应与逆反应的平衡常数互为倒数,D错误。
2.C 一定条件下,该可逆反应的平衡常数表达式为K==,M、N为生成物,Q、R为反应物,则化学方程式为Q(g)+R(g) M(g)+N(g)。
3.C 根据K=可知反应的热化学方程式为2CO(g)+SO2(g) 2CO2(g)+S(s) ΔH3,由盖斯定律可知,ΔH3=-(ΔH2+ΔH1)=-(-296.0 kJ·mol-1+566.0 kJ·mol-1)=-270.0 kJ·mol-1。
4.A
根据题目信息:达到平衡状态后O2为9 mol,N2O3为3.4 mol,则有:x+y=、x-y=,解得x=3.1,y=1.4。所以反应①的平衡常数K===8.5。
5.B 两次反应的温度相同,所以平衡常数不变,列三段式:
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
初始浓度/
(mol/L) 0.01 0.01 0 0
转化浓度/
(mol/L) 0.005 0.005 0.005 0.005
平衡浓度/
(mol/L) 0.005 0.005 0.005 0.005
此时,K==1。再充入0.02 mol H2O(g)后,设H2O(g)的转化浓度为x mol·L-1,列三段式:
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
初始浓度/
(mol/L) 0.005 0.025 0.005 0.005
转化浓度/
(mol/L) x x x x
平衡浓度/
(mol/L) 0.005-x 0.025-x 0.005+x 0.005+x
此时K===1,解得x=0.002 5,此时氢气的浓度为(0.005+0.002 5) mol·L-1=0.007 5 mol·L-1,B正确。
6.B 该反应前后气体的分子数不变,前一反应在1 L的密闭容器中,充入1 mol H2(g)和1 mol I2(g),生成的HI(g)占气体体积的50%,生成n(HI)=(1+1) mol×50%=1 mol,根据三段式分析:
H2(g)+I2(g) 2HI(g)
c始/(mol·L-1) 1 1 0
Δc/(mol·L-1) 0.5 0.5 1
c平/(mol·L-1) 0.5 0.5 1
则平衡常数K1===4,温度相同,平衡常数相同,后一反应的平衡常数K2===0.5,A错误,B正确;设后一反应达平衡时c(H2)=x mol·L-1,根据三段式分析:
HI(g) H2(g)+I2(g)
c始/(mol·L-1) 0.5 0 0
Δc/(mol·L-1) 2x x x
c平/(mol·L-1) 0.5-2x x x
则K2==0.5,解得x=0.125,故平衡时c(HI)=0.25 mol·L-1,C、D错误。
能力提升练
1.B 2.B 3.B 4.B 6.B 7.C
1.B 该温度下,反应①的平衡常数表达式为K1=,A错误;该温度下,反应2H2O(g) 2H2(g)+O2(g)的平衡常数的数值为==5×10-82,B正确;该温度下,反应①、反应②的逆反应、反应③的平衡常数分别为1×1030、5×10-82、4×10-92,产生等量O2的倾向由大到小的顺序为反应①>反应②的逆反应>反应③,C错误;该温度下,某时刻反应③的Q===1×10-20>4×10-92,反应逆向进行,D错误。
2.B ②中反应开始时,Q===13.B 由题图结合题给化学方程式,曲线X表示CH3OH(g)浓度的变化,曲线Y表示CO2(g)浓度的变化,化学方程式中CH3OH和H2O的化学计量数相同,故曲线X也可以表示H2O(g)浓度变化,A正确;由题图可知,反应在10 min时达到平衡状态,此时c(CO2)=0.25 mol·L-1,c(H2)=3 mol·L-1-3×(1-0.25) mol·L-1=0.75 mol·L-1,c(CH3OH)=c(H2O)=0.75 mol·L-1,平衡常数K=≈5.33,B错误;根据B项分析可知,平衡时c(H2)=0.75 mol·L-1,起始浓度为=3 mol·L-1,氢气的转化率为×100%=75%,C正确;10 min时氢气的浓度变化量为3 mol·L-1-0.75 mol·L-1=2.25 mol·L-1,平均反应速率为=0.225 mol·L-1·min-1,D正确。
4.B 在5 min时CH4(g)的浓度减小(1-) mol·L-1= mol·L-1,反应产生CO的浓度为 mol·L-1,B点的坐标为(5,),A正确;反应进行到5 min后,CH4(g)的浓度还在减小,说明反应正向进行,B错误;平衡时CH4(g)的浓度与CO2(g)的浓度相等,等于 mol·L-1,开始时CO2(g)的浓度为1.00 mol·L-1,故CO2(g)的平衡转化率为×100%≈33.3%,C正确;根据图像分析可知,T ℃时,达到平衡后c(CH4)=c(CO2)=c(CO)=c(H2)= mol·L-1,则根据平衡常数的定义可知K==,D正确。
5.答案 (1)25% (2)6 (3)41.4%
解析 (1)根据已知条件列出“三段式”:
M(g)+N(g) P(g)+Q(g)
起始/(mol·L-1) 1 2.4 0 0
转化/(mol·L-1) 0.6 0.6 0.6 0.6
平衡/(mol·L-1) 0.4 1.8 0.6 0.6
N的转化率为×100%=25%。
(2)温度不变,平衡常数不变,K===,解得a=6。
(3)温度不变,平衡常数不变,设M的转化率为x,则K==,则=,解得x≈41.4%。
6.B 平衡时总压强为6 kPa,所以p(NH3)=p(H2S)=3 kPa。Kp=3 kPa×3 kPa=9 (kPa)2。
7.C 设平衡时反应的CO2的物质的量为x mol,根据c点列出三段式:
CO2(g)+2H2(g) HCHO(g)+H2O(g)
起始/mol 1 2 0 0
转化/mol x 2x x x
平衡/mol 1-x 2-2x x x
平衡时气体的总压强为p平=×1.2p kPa,则平衡时HCHO的分压为×p平=××1.2p kPa=0.2p kPa,解得x=0.5,故p平=p kPa。5 min时达到c点平衡状态,则0~ 5 min内v(H2)==0.1 mol·L-1·min-1,A错误;0<<2时,随着增大,平衡正向移动,CO2的转化率增大,HCHO的平衡分压增大,HCHO的平衡分压的百分比增大,>2时,随着增大,H2的平衡分压会越来越大,HCHO的平衡分压增大,但其平衡分压百分比减小,B错误;b、c点温度相同,其Kp相同,由以上分析可知c点时p(CO2)=×p kPa=0.2p kPa,同理p(H2)=0.4p kPa,p(HCHO)=p(H2O)=0.2p kPa,即Kp== kPa-1= kPa-1,C正确;由于温度相同,故平衡常数不变,则Kp(a)=Kp(b)=Kp(c),D错误。
8.答案 (1) (2)110 15
解析 (1)设平衡时CH3OH反应了x mol,列出三段式:
CH3OH(g)+CO(g) HCOOCH3(g)
起始物质
的量/mol 2 2 0
转化物质
的量/mol x x x
平衡物质
的量/mol 2-x 2-x x
反应后总物质的量为(4-x) mol,T、V一定时,n和p成正比,所以=,解得x=1.2,则反应后总物质的量为2.8 mol,CH3OH、CO的物质的量分数相同,为==,HCOOCH3的物质的量分数为==,则Kp== kPa-1= kPa-1。
(2)假设C2H6、H2起始物质的量均为1 mol,乙烷的平衡转化率为20%,列出三段式:
C2H6(g) C2H4(g)+H2(g) n总
起始物质
的量/mol 1 0 1 2
转化物质
的量/mol 0.2 0.2 0.2
平衡物质
的量/mol 0.8 0.2 1.2 2.2
设平衡时总压强为x,根据T、V一定时,压强之比等于物质的量之比得到=,解得x=110 kPa;即平衡时体系的总压强为110 kPa,该反应的平衡常数Kp==15 kPa。
15(共34张PPT)
第二节 化学平衡
知识点 1 化学平衡状态
必备知识 清单破
1.化学平衡状态的建立
以合成氨反应(N2+3H2 2NH3)为例,分析化学平衡状态的建立过程。
从反应物开始建立(N2与H2的化合反应) 从生成物开始建立(NH3的分解反应)
从反应物开始建立(N2与H2的化合反应) 从生成物开始建立(NH3的分解反应)
特别提醒 化学平衡的建立与途径无关,即在相同条件下,若投料量相同,可逆反应不管从正
反应开始,还是从逆反应开始,不管是一次性投料,还是分多次投料,最终达到的化学平衡是相
同的。
2.化学平衡状态的概念
一定条件下的可逆反应体系中,当正、逆反应的速率相等时,反应物和生成物的浓度均
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
的状态称之为化学平衡状态。
3.化学平衡状态的特征
4.化学平衡状态的判断方法【详见定点1】
知识点 2 化学平衡常数
1.表达式
对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),当在一定温度下达到平衡时,平衡常数
K= (固体和纯液体的浓度被视为常数,通常不列入化学平衡常数表达式中)。
特别提醒 对于确定的化学反应,K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度无关。
2.化学平衡常数与化学方程式的关系
(1)正、逆反应的化学平衡常数互为倒数。
(2)若化学方程式中各物质的化学计量数都变成原来的n倍或原来的 ,则化学平衡常数变为
原来的n次幂或 次幂。
(3)两化学方程式相加得到新的化学方程式,其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积。
3.平衡常数的应用
(1)判断反应进行的程度
K <10-5 10-5~105 >105
反应程度 很难进行 反应可逆 反应接近完全
(2)判断反应是否达到平衡或进行的方向
对于化学反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商Q= 。
①Q②Q=K,可逆反应处于平衡状态;
③Q>K,可逆反应向逆反应方向进行。
(3)计算平衡转化率:利用物质的起始浓度和平衡常数可计算平衡时各物质的浓度,从而计算
反应物的平衡转化率。
4.平衡转化率
(1)概念:平衡时已转化的某反应物的量占转化前该反应物的量的百分比。常用α表示。
(2)表达式
对于可逆反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)来说:
α(A)= ×100%
α(A)= ×100%
特别提醒 ①平衡转化率能更直观地表示化学反应进行的程度。
②同一化学反应用不同的反应物表示的平衡转化率不一定相等。当各反应物的起始物质的
量之比等于化学方程式中各反应物的化学计量数之比时,各反应物的平衡转化率相等。
5.“三段式”法突破平衡常数(K )、转化率等的相关计算【详见定点2】
6.压强平衡常数(Kp)的计算【详见定点3】
知识点 3 影响化学平衡的因素
1.化学平衡的移动
2.影响化学平衡的因素
改变的外界条件(其他条件不变) 化学平衡移动的方向
浓度 增大反应物浓度或减小生成物浓度 向正反应方向移动
减小反应物浓度或增大生成物浓度 向逆反应方向移动
压强(对有 气体参加的 反应) 反应前后气 体体积改变 增大压强(减小容器的容积) 向气体分子总数减小的方向移动
减小压强(增大容器的容积) 向气体分子总数增大的方向移动
反应前后气 体体积不变 改变压强 平衡不移动
改变的外界条件(其他条件不变) 化学平衡移动的方向
温度 升高温度 向吸热反应方向移动
降低温度 向放热反应方向移动
催化剂 同等程度地改变v正、v逆,平衡不移动 特别提醒 (1)固体或纯液体的浓度被视为常数,故改变固体或纯液体的量,对化学平衡无影响。
(2)对同一可逆反应,若正反应为吸热反应,升高温度,v正、v逆都增大,但v正增大的程度更大,即v正'>
v逆',平衡向吸热反应方向移动;降低温度,v正、v逆都减小,但v正减小的程度更大,即v正'向放热反应方向移动。
(3)充入与反应无关的气体与平衡移动的关系
①恒温、恒容 p总增大 体系中参与反应的组分的浓度不变 平衡不移动。
②恒温、恒压 容器容积增大 体系中参与反应的组分的浓度减小(等效于减压)
。
3.勒夏特列原理
对于一个已经达到平衡的体系,如果改变影响化学平衡的一个条件(如参加反应的物质
的浓度、温度、压强),平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。
知识辨析
1.可逆反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)达到化学平衡状态时,c(SO2)∶c(O2)∶c(SO3)一定为2∶
1∶2,这种说法对吗
2.化学反应速率改变,化学平衡一定发生移动,这种说法对吗
3.对于一个平衡体系,改变条件后气体颜色加深,说明化学平衡一定发生移动,这种说法对吗
4.反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)在恒温恒容密闭容器中达平衡后,再充入一定量N2,平衡正移,
平衡常数变大,这种说法对吗
5.可逆反应的平衡常数(K)越大,反应物的转化率越大,其化学反应速率越快,这种说法对吗
6.反应A(g)+B(g) C(g)达到平衡后,增加A的量使平衡向正反应方向移动,则A、B的转化
率均增大,这种说法对吗
一语破的
1.不对。达到平衡状态时,各组分浓度保持不变,但其浓度之比不一定等于化学计量数之比。
2.不对。平衡移动的本质是v正≠v逆,所以化学平衡发生移动,化学反应速率一定改变;如果
正、逆反应速率变化的趋势和程度都相同,化学平衡不发生移动。
3.不对。如H2(g)+Br2(g) 2HBr(g),压缩容器体积使压强增大,混合气体颜色加深,但化学平
衡不移动。
4.不对。对于确定的反应,平衡常数只受温度影响,温度不变,平衡常数不变。
5.不对。化学反应的平衡常数越大,表示化学反应进行的程度越大,其反应物的平衡转化率越
大,但化学反应速率不一定快。
6.不对。A的转化率减小,B的转化率增大。
关键能力 定点破
定点 1 化学平衡状态的判断方法
原则:正逆相等、变量不变
1.动态标志:v正=v逆≠0
(1)同种物质:同一物质的生成速率等于消耗速率。
(2)不同物质:必须标明是“异向”的反应速率关系。如对于反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g), = 时,反应达到平衡状态。
2.静态标志:各种“变量”不变
(1)各物质的质量、物质的量或浓度不变。
(2)各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数等)不变。
(3)温度(绝热容器)、压强(恒温恒容,反应前后气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。
(4)反应前后气体的密度不变[恒温恒容,有固体(或液体)和气体参加的反应]。
总之,若物理量由“变量”变成了“不变量”,则表明该可逆反应达到平衡状态;若物理
量为“不变量”,则不能作为平衡标志。
典例 在一个绝热的、容积固定的密闭容器中,发生可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)
(m、n、p、q为任意正整数)。下列能说明该可逆反应达到平衡状态的是 ( )
①混合气体的密度不再发生变化
②体系的温度不再发生变化
③A的转化率不再改变
④各组分的百分含量不再改变
⑤反应速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q
⑥qv正(A)=mv逆(D)
A.②③④⑥ B.①③⑥ C.①③④⑥ D.①②③④⑤
思路点拨 明确可逆反应体系所处的条件(绝热、恒容)→分析各依据是否符合“正逆相
等、变量不变”→综合判断作答。
A
解析 混合气体的密度一直不变,不能判断是否达到平衡状态,①错误;绝热恒容,体系的温度
不再改变,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,②正确;A的转化率不再改变,说明A
的消耗速率与生成速率相等,反应达到平衡状态,③正确;各组分的百分含量不再改变,说明反
应达到平衡状态,④正确;只要反应发生,就满足v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q,不能判
断是否达到平衡状态,⑤错误;当qv正(A)=mv逆(D)时,正、逆反应速率相等,说明反应达到平衡
状态,⑥正确。结合上述分析可知,②③④⑥均能说明反应达到平衡状态。
特别提醒 (1)化学平衡状态判断“三关注”:
①关注反应条件,是恒温恒容、恒温恒压,还是绝热恒容;②关注反应特点,是反应前后气体等
体积反应,还是气体非等体积反应;③关注特殊情况,是否有固体(或纯液体)参与反应。
(2)不能作为平衡“标志”的三种情况:
①恒温恒容下的反应前后气体体积不变的反应,如2HI(g) H2(g)+I2(g),体系的压强或气体
总物质的量不随时间而变化。
②全是气体参加的反应前后气体体积不变的反应,如2HI(g) H2(g)+I2(g),混合气体的平均
摩尔质量不随时间而变化。
③全是气体参加的反应,恒容条件下混合气体的密度保持不变。
定点 2 “三段式”法突破平衡常数(K )、转化率等的相关计算
1.分析三个量(物质的量或浓度):起始量、变化量、平衡量。
2.明确三个关系
(1)对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量。
(2)对于同一生成物,起始量+变化量=平衡量。
(3)各物质变化量之比等于对应物质的化学计量数之比。
3.计算模式
对于反应:mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量分别为a mol、b mol,达
到平衡时,A的消耗量为mx mol,容器容积为V L。
mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)
起始/mol a b 0 0
变化/mol mx nx px qx
平衡/mol a-mx b-nx px qx
①K= 。②c平(A)= mol·L-1。③平衡时A的转化率= ×100%。④平衡
时C的物质的量分数= ×100%。⑤平衡时和开始时的压强之比: =
。⑥混合气体的密度:ρ= g·L-1。⑦平衡时混合气体的
平均摩尔质量: = g·mol-1。
定点 3 压强平衡常数(Kp)的计算
1.压强平衡常数(Kp)的含义
对于有气体参加的反应,用各气体的平衡分压代替平衡浓度计算的平衡常数。如反应
aA(g)+bB(g) cC(g) +dD(g),Kp= 。
2.四步骤计算压强平衡常数
典例 在恒容密闭容器中,加入足量的MoS2和O2,仅发生反应:2MoS2(s)+7O2(g) 2MoO3(s)+
4SO2(g) ΔH。测得氧气的平衡转化率与起始压强、温度的关系如图所示:
(1)p1、p2、p3的大小: 。
(2)恒温下若初始时通入7.0 mol O2,p2为7.0 kPa,则A点平衡常数Kp= (用气体平衡分压
代替气体平衡浓度计算,分压=总压×气体的物质的量分数,写出计算式即可)。
思路点拨 明确图像的含义→作等温线讨论压强对O2平衡转化率的影响→利用A点数据计
算分压和压强平衡常数。
解析 (1)该反应的正反应是一个反应前后气体体积减小的反应,增大压强平衡正向移动,氧
气转化率增大,所以p1>p2>p3。(2)若初始时通入7.0 mol O2,p2为7.0 kPa,A点氧气转化率为50%,
则A点n(O2)=3.5 mol,生成n(SO2)= ×4=2 mol,恒温恒容条件下气体压强之比等于
物质的量之比,所以A点压强为 ×7.0 kPa=5.5 kPa,p(O2)= ×5.5 kPa=3.5 kPa,p(SO2)
=(5.5-3.5) kPa=2 kPa,则A点平衡常数Kp= = (kPa)-3= (kPa)-3。
答案 (1)p1>p2>p3 (2) (kPa)-3
定点 4 化学平衡图像的类型与解题原则
1.速率—时间图像(v-t图像)
解题原则:分清正、逆反应速率及二者的相对大小,分清“突变”和“渐变”;正确判断
化学平衡的移动方向;熟记浓度、压强、温度、催化剂等对化学平衡移动的影响规律。
图Ⅰ v'正突变,v'逆渐变,且v'正>v'逆,说明是增大了反应物的浓度,使v'正突变,且平衡正向移动。
图Ⅱ v'正、v'逆都是突然减小的,且v'正>v'逆,说明平衡正向移动,该反应的正反应可能是放
热反应或气体总体积增大的反应。
图Ⅲ v'正、v'逆都是突然增大且增大程度相同,说明该化学平衡没有发生移动,可能是使
用了催化剂,也可能是反应前后气体总体积不发生变化的反应压缩体积(增大压强)所致。
2.百分含量(或转化率)—时间—温度(或压强)图像
解题原则——“先拐先平数值大”
在化学平衡图像中,先出现拐点的反应则先达到平衡,先出现拐点的曲线表示的温度较
高(如图Ⅰ中T2>T1)、压强较大(如图Ⅱ中p2>p1)或使用了催化剂(如图Ⅲ中a可能使用了催化剂)。
图Ⅰ 表示T2>T1,正反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动。
图Ⅱ 表示p2>p1,增大压强,反应物A的转化率减小,说明正反应是气体总体积增大的反
应,增大压强,平衡逆向移动。
图Ⅲ 生成物C的百分含量不变,说明平衡不发生移动,但反应速率a>b,故可能是a使用
了催化剂;也可能该反应是反应前后气体总体积不变的可逆反应,a增大了压强(减小容器的
容积)。
3.百分含量—压强—温度图像
解题原则——“定一议二”
化学平衡图像中,包括纵坐标、横坐标和曲线所表示的三个变量,分析方法是确定其中
一个变量,讨论另外两个变量之间的关系。如图Ⅰ中确定压强为105 Pa或107 Pa,则生成物C的
百分含量随温度T的升高而逐渐减小,说明正反应是放热反应;若确定温度T不变,作横坐标的
垂线,与两个压强曲线出现交点,分析生成物C的百分含量随压强p的变化可以发现,增大压强,
生成物C的百分含量增大,说明正反应是气体总体积减小的反应(同理,可分析图Ⅱ)。
1.等效平衡的含义
在一定条件(恒温恒容或恒温恒压)下,同一可逆反应体系,不管从正反应开始,还是从逆
反应开始,达到化学平衡状态时,同种物质的百分含量(质量分数、物质的量分数、体积分数)
相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。
定点 5 等效平衡
2.等效平衡的类型和规律
等效平衡类型 全等效平衡 相似等效平衡 条件 恒温、恒容 恒温、恒容 恒温、恒压
反应的特点 任何可逆反应 反应前后气体分子数相等 任何可逆反应
起始投料 换算为化学方程式同一边物质,其“量”相同 换算为化学方程式同一边物质,其“量”符合同一比例 换算为化学方程式同一边物质,其“量”符合同一比例
等效平衡类型 全等效平衡 相似等效平衡 质量分数 相同 相同 相同
浓度 相同 成比例 相同(气体)
物质的量 相同 成比例 成比例
思维建模 不同条件下等效平衡的思维模式
(1)构建恒温、恒容平衡思维模式
新平衡状态可看作两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成,相当于增大压强,如图所示:
(2)构建恒温、恒压平衡思维模式(以气体物质的量增加的反应为例)
新平衡状态可看作两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动,如图所示:第二章 化学反应速率与化学平衡
第二节 化学平衡
第3课时 影响化学平衡的因素
基础过关练
题组一 浓度对化学平衡的影响
1.取浓度均为0.01 mol/L的FeCl3溶液、KSCN溶液各1 mL混合于试管中,发生反应:FeCl3+3KSCN Fe(SCN)3+3KCl,将所得溶液分为四等份,进行如下实验。下列说法正确的是 ( )
A.第一份溶液中加入KCl固体,平衡左移,溶液颜色变浅
B.第二份溶液中加水,溶液颜色变浅,但平衡不移动
C.第三份溶液中加铁粉,平衡不移动,溶液颜色不变
D.第四份溶液中加入几滴0.1 mol/L的KSCN溶液,溶液颜色变深
2.将5 mL 0.1 mol/L KI溶液与1 mL 0.1 mol/L FeCl3溶液混合,发生反应:2FeCl3(aq)+2KI(aq) 2FeCl2(aq)+I2(aq)+2KCl(aq),达到平衡。下列说法不正确的是 ( )
A.加入苯,振荡,萃取碘单质,分液,使水溶液中c(I2)降低,平衡正向移动
B.加入FeSO4固体,使c(Fe2+)增大,平衡逆向移动
C.加入KCl固体,使c(KCl)增大,平衡逆向移动
D.经苯萃取分液,在水溶液中加入KSCN溶液,呈血红色,表明该化学反应存在限度
题组二 压强对化学平衡的影响
3.(教材习题改编)恒温下,在某密闭容器中发生反应xA(g)+yB(g)zC(g),平衡时测得A的浓度为0.30 mol·L-1。保持温度不变,将容器的容积扩大为原来的2倍,再次达到平衡时,测得A的浓度为0.16 mol·L-1。下列有关判断正确的是 ( )
A.x+yB.改变条件后,A的平衡转化率降低
C.改变条件后,反应的平衡常数变小
D.改变条件后,C的平衡体积分数增大
4.一定温度下,反应C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)在密闭容器中进行,一段时间后达到平衡。下列措施不能使平衡发生移动的是( )
①增加C的量
②保持容器容积不变,充入N2使体系压强增大
③将容器的容积缩小一半
④保持压强不变,充入N2使容器容积变大
A.①② B.②③ C.①④ D.③④
题组三 温度对化学平衡的影响
5.已知反应:2NO2(g) N2O4(g),把NO2、N2O4的混合气体盛装在两个连通的烧瓶里,然后用弹簧夹夹住橡皮管,把A烧瓶放入热水里,把B烧瓶放入冰水里,如图所示(省略夹持装置)。与常温时烧瓶内气体的颜色进行对比,发现A烧瓶内气体颜色变深,B烧瓶内气体颜色变浅。下列说法错误的是( )
A.把A烧瓶放入热水中,A烧瓶内正、逆反应速率均加快
B.上述过程中,B烧瓶内c(NO2)减小,c(N2O4)增大
C.上述过程中,A、B烧瓶内气体密度均保持不变
D.2NO2(g) N2O4(g)的逆反应为放热反应
6.(经典题)某化学小组同学研究温度、压强对反应速率和化学平衡的影响,测得化学反应mA(g)+nB(g)qC(g) ΔH中C的百分含量(C%)与时间(t)、温度(T)、压强(p)的关系如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.ΔH<0、m+n>q B.ΔH>0、m+n>q
C.ΔH<0、m+n0、m+n7.一定温度下,在某恒容密闭容器中加入一定量X( )发生反应:2X( ) 2Y(g)+Z(s),反应达到平衡后,仅降低温度,容器内气体的密度增大。下列叙述正确的是 ( )
A.若正反应是吸热反应,则X为非气态
B.若正反应是放热反应,则X为气态
C.若X为气态,则向平衡体系中加入少量X,X的平衡转化率不变
D.若X为非气态,则向平衡体系中加入少量X,反应的平衡常数增大
题组四 化学平衡影响因素的综合考查
8.已知植物光合作用发生反应:6CO2(g)+6H2O(l) C6H12O6(s)+6O2(g) ΔH=+669.62 kJ·mol-1,该反应达到化学平衡后,下列说法正确的是 ( )
A.取走一半C6H12O6,CO2转化率增大
B.适当升高温度,既提高了反应速率,又增大了CO2的转化率
C.加入催化剂,O2的体积分数增大
D.增大CO2的浓度,平衡正向移动,化学平衡常数增大
9.密闭容器中发生反应:4A(g)+5B(g) 4C(g)+6D(g),在不同时间下改变反应条件,各物质物质的量随时间的变化如图所示,已知在t2时刻是升高温度所引起的物质的量改变。下列说法错误的是 ( )
A.该反应的ΔH<0
B.在t4时刻改变的条件可能是减小压强
C.加入催化剂平衡正向移动
D.若使A的转化率增大,可以加入一定量的B物质
题组五 勒夏特列原理
10.下列不能用勒夏特列原理解释的是 ( )
A.打开碳酸饮料瓶时,有气泡冒出
B.可逆反应SO2(g)+NO2(g) SO3(g)+NO(g)平衡后,缩小容器容积,气体颜色加深
C.氯水宜在避光、低温条件下保存
D.用饱和食盐水除去氯气中的氯化氢杂质
11.下列事实能用勒夏特列原理解释的是 ( )
A.2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),高压比常压有利于合成SO3
B.密闭容器中发生反应H2(g)+I2(g) 2HI(g),平衡后增大压强(缩小容器容积),气体颜色变深
C.合成氨反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ/mol,工业上采用400~500 ℃的高温条件更有利于合成氨
D.汽车尾气中发生反应2NO(g)+2CO(g) 2CO2(g)+N2(g),常利用催化技术提升效果 能力提升练
题组一 借助图像分析化学平衡的移动
1.(教材深研拓展)汽车尾气中的NO(g)和CO(g)在一定温度和催化剂条件下可发生反应2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g) ΔH=-746.5 kJ·mol-1。将NO和CO以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应,相同时间内测量逸出气体中的NO含量,从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率),结果如图所示。下列说法错误的是( )
A.温度低于200 ℃,图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因是催化剂活性偏低
B.相同条件下,改变压强(缩小容器容积)对脱氮率没有影响
C.曲线Ⅰ催化剂的最适温度为250 ℃
D.温度高于450 ℃,曲线Ⅱ脱氮率下降的原因可能是反应已达到平衡,升高温度平衡逆向移动
2.已知HF分子在一定条件下会发生二聚反应:2HF(g)(HF)2(g)。经实验测得,不同压强下,体系的平均相对分子质量()随温度(T)的变化曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.该反应的ΔH>0
B.气体的压强:p(a)>p(b)=p(c)
C.平衡常数:K(a)=K(b)D.测定HF的相对分子质量要在低压、高温条件下
3.已知可逆反应:A(s)+B(g) C(g)+D(g)。下列图示与对应的叙述相符的是 ( )
图① 图②
图③ 图④
A.图①表示一定温度下,平衡时B的体积分数(B%)与压强的变化关系,反应速率:x>y
B.图②中t1时刻改变的条件可能是减小压强
C.图③表示C的百分含量(C%)与温度的变化关系,则升高温度,该反应的平衡常数增大
D.图④所示阴影部分面积的含义可能是反应物浓度的减小量
4.小组同学探究盐溶液对反应Fe3++SCN-[Fe(SCN)]2+(血红色)的影响。将2 mL 0.01 mol·L-1的FeCl3溶液与2 mL 0.02 mol·L-1的KSCN溶液混合,分别加入等量的试剂①~④,测得体系的透光率如图所示。
已知:ⅰ.溶液血红色越深,透光率越小,其他颜色对透光率的影响可忽略。
ⅱ.Fe3++4Cl-[FeCl4]-(黄色)。
ⅲ.NH4Cl溶液显酸性。
ⅳ.N对实验无影响。
下列说法不正确的是 ( )
A.注入试剂①后溶液透光率增大,证明Fe3++SCN-[Fe(SCN)]2+逆向移动
B.透光率③比②高,可能是阳离子种类或溶液pH导致的
C.透光率④比③高,可能发生了反应[Fe(SCN)]2++4Cl-[FeCl4]-+SCN-
D.若要证明试剂③中Cl-对平衡体系有影响,还应使用0.04 mol·L-1的KNO3溶液进行实验
5.二甲醚催化制备乙醇主要涉及以下两个反应:
反应Ⅰ:CO(g)+CH3OCH3(g) CH3COOCH3(g) ΔH1=a kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3COOCH3(g)+2H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g) ΔH2=b kJ·mol-1
反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数的对数lgK1、lgK2与温度的关系如图1所示;固定CO、CH3OCH3、H2的原料比、体系压强不变的条件下,同时发生反应Ⅰ、Ⅱ,平衡时各物质的物质的量分数随温度的变化如图2所示。下列说法正确的是 ( )
图1
图2
A.a>0
B.若测得X点CH3CH2OH的物质的量分数是10%,则X点反应Ⅱ有:v正C.由图2知,600 K后升高温度对反应Ⅰ的影响程度小于对反应Ⅱ的影响程度
D.曲线A表示H2的物质的量分数随温度的变化
题组二 等效平衡
6.温度、容积相同的3个密闭容器中,按不同方式充入气体,保持恒温、恒容条件,已知N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1,测得反应达到平衡时的有关数据如表:
容器1 容器2 容器3
气体充入量 1 mol N2、 3 mol H2 2 mol NH3 4 mol NH3
NH3的浓度/mol·L-1 c1 c2 c3
反应的能 量变化/kJ 放出a 吸收b 吸收c
体系的压强/Pa p1 p2 p3
反应物的转化率α α1 α2 α3
下列说法正确的是 ( )
A.a+b=92.4 B.2c1>c3
C.2p17.(经典题)(2023黑龙江七台河期中)一定条件下存在反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0。起始时容器甲、丙体积都是V,容器乙、丁体积都是;向甲、丙内都充入2a mol SO2和a mol O2并保持恒温;向乙、丁内都充入a mol SO2和0.5a mol O2并保持绝热(即与外界无热量交换),在一定温度下开始反应。
图1 恒压状态
图2 恒容状态
下列说法正确的是 ( )
A.图1达平衡时,c(SO2):甲=乙
B.图1达平衡时,平衡常数K:甲<乙
C.图2达平衡时,所需时间:丙<丁
D.图2达平衡时,SO3的体积分数:丙>丁
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.D 2.C 3.B 4.A 5.D 6.A 7.C 8.B
9.C 10.B 11.A
1.D FeCl3+3KSCN Fe(SCN)3+3KCl反应的本质为Fe3++3SCN- Fe(SCN)3(破题关键)。加入KCl固体对平衡无影响,溶液颜色不变,A错误;加水后,Fe3+、SCN-、Fe(SCN)3浓度均减小,溶液颜色变浅,平衡向着粒子数目增加的方向移动,即平衡逆向移动,B错误;加铁粉后,铁粉与Fe3+反应,导致Fe3+浓度减小,平衡逆向移动,溶液颜色变浅,C错误;加入几滴0.1 mol/L的KSCN溶液,SCN-浓度增大,平衡正向移动,溶液颜色变深,D正确。
2.C 加入苯并振荡,萃取碘单质,分液后水溶液中I2浓度降低,平衡正向移动,A正确;加入FeSO4固体,溶液中c(Fe2+)增大,平衡逆向移动,B正确;该反应的离子方程式为2Fe3++2I- 2Fe2++I2,K+、Cl-未参与反应,增大c(KCl),平衡不移动,C错误;KI过量,经苯萃取分液,水溶液中加入KSCN溶液呈血红色,说明溶液中含Fe3+,即反应不完全,表明该化学反应存在限度,D正确。
3.B 将容器的容积扩大为原来的2倍,假设平衡不移动,A浓度应为0.15 mol·L-1,而再次平衡时A为0.16 mol·L-1,说明减小压强,平衡逆向移动。减小压强,平衡向气体总体积增大的方向移动,即x+y>z,A错误;平衡逆向移动,A的平衡转化率降低,B正确;温度不变,反应的平衡常数不变,C错误;平衡逆向移动,C的平衡体积分数减小,D错误。
4.A ①C是固体,改变C的量平衡不移动;②保持容器容积不变,充入N2,由于c(H2O)(g)、c(CO)、c(H2)都不变,所以平衡不移动;③缩小容器容积,压强增大,平衡向左移动;④保持压强不变,充入N2,容器容积变大,平衡向右移动。
反思升华
充入不参与反应的气体对化学平衡的影响
(1)恒温、恒容时,向达到平衡的反应体系(有气体参与)中充入不参与反应的气体,总压强增大,但原平衡体系中各组分浓度不变,化学平衡不移动。(2)恒温、恒压时,向达到平衡的反应体系(反应前后气体体积不相等)中充入不参与反应的气体,容器的容积增大,原平衡体系中各组分浓度减小,化学平衡发生移动。
5.D 升高温度,正、逆反应速率都增大,A项正确;B烧瓶内气体颜色变浅,说明平衡向生成N2O4的方向移动,B烧瓶内c(NO2)减小,c(N2O4)增大,B项正确;容器的容积不变,混合气体的质量不变,A、B烧瓶内气体密度均保持不变,C项正确;放在热水中的A烧瓶内气体颜色变深,放在冰水中的B烧瓶内气体颜色变浅,说明升高温度平衡向生成NO2的方向移动,降低温度平衡向生成N2O4的方向移动,故2NO2(g) N2O4(g)的逆反应为吸热反应,D项错误。
6.A
7.C 根据题意可知,仅降低温度,容器内气体的密度增大,平衡移动使容器内气体总质量增大。若正反应是吸热反应,降低温度,平衡逆向移动使气体总质量增大,则X一定为气态,A错误;若正反应是放热反应,则降低温度,平衡正向移动,若X为气态,平衡后气体的总质量减少,故X一定为非气态,B错误;若X为气态,则反应前后气体的物质的量不变,向平衡体系中加入少量X,平衡正向移动,由于压强对该反应的平衡无影响,故再次平衡时X的平衡转化率不变,C正确;平衡常数只与反应本身及温度有关,由于温度不变,平衡常数不变,D错误。
8.B C6H12O6为固体,取走一半平衡不移动,所以CO2转化率不变,A错误;该反应为吸热反应,升温平衡正向移动,CO2的转化率增大,同时升温会加快反应速率,B正确;加入催化剂,只能加快反应速率,对平衡无影响,O2的体积分数不变,C错误;增大CO2的浓度,平衡正向移动,但化学平衡常数不变,D错误。
9.C 由题图可知,在t2时刻升高温度,平衡逆向移动,则ΔH<0,A正确;该反应反应前后气体体积增大,减小压强平衡正向移动,则在t4时刻改变的条件可能是减小压强,B正确;催化剂对平衡无影响,C错误;加入一定量的B物质,可以增大A物质的转化率,D正确。
10.B 碳酸饮料中H2CO3 H2O+CO2达到平衡状态,打开瓶盖时,压强减小,平衡向右移动,二氧化碳气体逸出,可以用勒夏特列原理来解释,A不符合题意;SO2(g)+NO2(g) SO3(g)+NO(g)反应前后无气体体积差,加压后气体颜色加深是因为体积减小导致浓度增大,不是平衡发生移动造成的,不能用勒夏特列原理解释,B符合题意;氯水中存在Cl2+H2O H++Cl-+HClO,光照HClO分解,c(HClO)降低,化学平衡正向移动,溶液中c(Cl2)减小,能用勒夏特列原理解释,C不符合题意;HCl在饱和食盐水中的溶解度很大,Cl2+H2O H++Cl-+HClO,增大c(Cl-)使平衡左移,用饱和食盐水洗气既除去氯气中的氯化氢又减少氯气溶解,能用勒夏特列原理解释,D不符合题意。
11.A 合成SO3的反应是气体分子数减小的反应,加压后可以使化学平衡向正反应方向移动,所以高压比常压有利于合成SO3,可用勒夏特列原理解释,A符合题意;H2(g)+I2(g) 2HI(g)反应前后气体分子数不变,增大压强平衡不移动,不能用勒夏特列原理解释,B不符合题意;反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,不利于氨气的生成,不能用勒夏特列原理解释,C不符合题意;加入催化剂平衡不移动,不能用勒夏特列原理解释,D不符合题意。
能力提升练
1.B 2.D 3.D 4.A 5.D 6.A 7.D
1.B 温度低于200 ℃,图中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因是催化剂活性偏低,反应速率较小,A正确;该反应的正反应为反应前后气体分子数减小的反应,增大压强,平衡向正反应方向移动,脱氮率增大,B错误;曲线Ⅰ催化剂在250 ℃时催化效率最高,所以最适温度为250 ℃,C正确;正反应放热,温度高于450 ℃,曲线Ⅱ脱氮率下降的原因可能是反应已达到平衡,升高温度平衡逆向移动,D正确。
2.D 压强不变时,温度升高减小,即气体的物质的量增大,平衡逆向移动,故正反应是放热反应,ΔH<0,A错误;b、c点的压强均为p1,温度不变时,增大压强,平衡正向移动,气体物质的量减小,增大,由图像可知p1>p2,故气体的压强:p(a)K(c)>K(b),C错误;测定HF的相对分子质量时,应使平衡逆向移动,在低压、高温条件下平衡逆向移动,D正确。
3.D 增大压强,化学反应速率增大,x点的压强比y点小,反应速率:xv正',反应逆向进行,该反应正反应为气体体积增大的反应,所以t1时刻改变的条件可能是增大压强,B错误;M点反应达到平衡状态,之后随着温度升高,C的百分含量减小,说明平衡逆向移动,平衡常数K减小,C错误;由v=可知,v正与t的乘积为反应物浓度的减小量,v逆与t的乘积为反应物浓度的增大量,图中阴影部分可能表示反应物在反应过程中浓度的减小量,D正确。
4.A 注入试剂①是稀释溶液的过程,[Fe(SCN)]2+浓度减小,溶液透光率增大,不能证明Fe3++SCN- [Fe(SCN)]2+平衡逆向移动,A错误;KCl溶液为含有钾离子、氯离子的中性溶液,NH4Cl溶液为含有铵根离子、氯离子的酸性溶液,透光率③比②高,可能是阳离子种类或溶液pH导致的,B正确;③为0.04 mol·L-1的KCl溶液,④为4 mol·L-1的KCl溶液,④的浓度大于③的浓度,透光率④比③高,说明KCl溶液的浓度越大,溶液的血红色越浅,可能发生了反应[Fe(SCN)]2++4Cl- [FeCl4]-+SCN-,C正确;若要证明试剂③中Cl-对平衡体系有影响,需排除钾离子的干扰,即K+浓度保持不变,已知N对实验无影响,故能使用0.04 mol·L-1的KNO3溶液进行实验,D正确。
5.D 由图1可知,升高温度时,lgK1、lgK2均减小,即K1、K2均减小,反应Ⅰ、Ⅱ均为放热反应,其焓变均小于0,则a<0,A错误;X点对应温度为400 K,由图2可知,X点乙醇物质的量分数小于平衡时乙醇的物质的量分数,说明该反应未达到平衡状态,反应应正向进行,即v正>v逆,B错误;升高温度,两个平衡均逆向移动,由图2可知,600 K后升高温度CH3COOCH3的物质的量分数的减小速率大于甲醇的物质的量分数的减小速率,故600 K后升高温度对反应Ⅰ的影响程度大于反应Ⅱ,C错误;由图2可知,温度低于550 K时,随温度升高,CH3COOCH3的物质的量分数增大,反应Ⅱ平衡左移的程度大于反应Ⅰ,H2的量增加,故H2的物质的量分数增大,所以曲线A表示H2的物质的量分数随温度的变化,D正确。
6.A 容器1充入1 mol N2和3 mol H2,容器2充入2 mol NH3,两个容器中的反应完全等效,a+b=92.4,A正确;容器1和容器2等效,所以c1=c2,容器3充入4 mol NH3,是容器2的2倍,相当于增大压强,平衡正向移动,所以容器3中的氨气的浓度大于容器2中氨气浓度的2倍,B错误;容器1和容器2等效,p1=p2,容器3充入4 mol NH3,是容器2的2倍,相当于增大压强,平衡正向移动,所以容器3中压强小于容器1中压强的2倍,C错误;容器1和容器2处于相同的平衡状态,则α1+α2=1,容器3充入4 mol NH3,是容器2的2倍,相当于增大压强,平衡正向移动,氨的转化率减小,所以α1+α3<1,D错误。
7.D 甲和乙若都是恒温恒压,则两者互为等效平衡,但乙为绝热恒压,该反应正反应为放热反应,则温度:甲<乙,温度升高平衡向逆反应方向移动,c(SO2):甲<乙,平衡常数K:甲>乙,A、B项错误;丙和丁若都是恒温恒容,则两者互为等效平衡,但丁为绝热恒容,则温度:丙<丁,温度越高,反应速率越大,达到平衡所需的时间越短,则达平衡所用的时间:丙>丁,C项错误;温度升高,该平衡向逆反应方向移动,则SO3的体积分数:丙>丁,D项正确。
17第二章 化学反应速率与化学平衡
第二节 化学平衡
第1课时 化学平衡状态
基础过关练
题组一 化学平衡状态的理解与应用
1.如图是可逆反应X(g)+3Y(g) 2Z(g)在反应过程中的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线,下列叙述正确的是 ( )
A.t2~t3时,各物质的浓度不再发生变化
B.t2时,反应未达到限度
C.t2~t3时,反应已停止进行
D.t1时,反应只向正反应方向进行
2.(经典题)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.X2为0.2 mol·L-1 B.Y2为0.2 mol·L-1
C.Z为0.3 mol·L-1 D.Z为0.45 mol·L-1
3.向容积为1 L的密闭容器中通入一定量N2O4和NO2的混合气体,发生反应N2O4(g) 2NO2(g) ΔH>0。体系中各物质浓度随时间的变化如图所示。
下列有关说法正确的是 ( )
A.64 s时,反应达到化学平衡状态
B.达到化学平衡前,混合气体的颜色逐渐变深
C.容器中气体的总物质的量浓度最多为2.6 mol·L-1
D.若该容器与外界无热传递,则反应达到平衡前,容器内气体的温度逐渐升高
题组二 化学平衡状态的判断
4.工业上用化学气相沉积法制备氮化硅,其反应为3SiCl4(g)+2N2(g)+6H2(g) Si3N4(s)+12HCl(g)。一定条件下,在恒容密闭容器中,能表示上述反应达到化学平衡状态的是 ( )
A.3v(N2)=v(H2)
B.v正(HCl)=4v正(SiCl4)
C.混合气体密度保持不变
D.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6
5.一定温度下,在恒容密闭容器中发生反应C2H4(g)+H2(g) C2H6(g) ΔH<0。下列叙述中不能表明反应达到平衡状态的是 ( )
A.混合气体的密度不再发生变化
B.混合气体总物质的量不再发生变化
C.单位时间内消耗H2与消耗C2H6的物质的量之比为1∶1
D.容器中各物质的物质的量分数不再发生变化
6.以下可逆反应,在给定的条件下一定达到了化学平衡状态的是( )
A.2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)(在恒容条件下,气体颜色不再改变)
B.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)(在恒容容器中,容器内压强不再改变)
C.2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)(在恒压条件下,总质量不再改变)
D.N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)(在混合气体中NH3的体积分数为33.3%)
能力提升练
题组一 化学平衡状态的综合判断
1.(经典题)将一定量纯净的NH4HS固体置于密闭真空容器中(假设容器容积不变,固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:NH4HS(s) NH3(g)+H2S(g)。能判断该反应已经达到化学平衡的是 ( )
①v正(NH3)=v逆(H2S)
②密闭容器中总压强不变
③密闭容器中混合气体的密度不变
④密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变
⑤密闭容器中混合气体的总物质的量不变
⑥密闭容器中NH3的体积分数不变
⑦混合气体总质量不变
A.①②③④⑤⑦
B.①③⑤⑥
C.①②③⑤⑦
D.全部
2.一定条件下,在恒容绝热容器中发生反应:2HI(g) H2(g)+I2(g) ΔH=+9.48 kJ·mol-1。下列有关说法正确的是 ( )
A.达到化学平衡状态时,2v正(HI)=v逆(H2)
B.容器内的压强不再变化,说明反应达到化学平衡状态
C.向容器中充入氮气,正反应速率增大
D.若起始加入1 mol I2(g)和1 mol H2(g),充分反应后放出热量9.48 kJ
3.(易错题)当反应容器内气体密度不随时间变化时,无法说明下列可逆反应一定达到平衡的是 ( )
A.在恒温、恒容容器中:A(s)+B(g) C(g)
B.在恒温、恒压容器中:A(g)+B(g) C(g)
C.在恒容、绝热容器中:A(g)+B(g) 2C(g)
D.在恒压、绝热容器中:A(g)+B(g) 2C(g)
题组二 化学平衡状态的相关计算
4.在4 L恒容密闭容器中充入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)+xD(g),已知达到平衡时生成了2 mol C,经测定D的浓度为0.5 mol·L-1。下列判断正确的是 ( )
A.x=3
B.A的转化率为50%
C.平衡时B的浓度为1.5 mol·L-1
D.达到平衡时,在相同温度下容器内混合气体的压强是反应前的95%
5.恒温下,将a mol N2与b mol H2的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中,发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。
(1)若反应进行到某时刻t时,nt(N2)=13 mol,nt(NH3)=6 mol,则a= 。
(2)反应达平衡时,混合气体的体积为716.8 L(标准状况下),其中NH3的含量(体积分数)为25%,平衡时NH3的物质的量为 。
(3)原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比n(始)∶n(平)= 。(写出最简整数比,下同)
(4)达到平衡时,N2和H2的转化率之比α(N2)∶α(H2)= ;平衡混合气体中,n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)= 。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.A 2.C 3.B 4.C 5.A 6.A
1.A 重点分析选项中涉及的反应阶段,联系化学平衡的相关知识进行解答。
2.C 若反应正向进行,假定X2(g)完全反应,则:
X2(g)+Y2(g) 2Z(g)
起始/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
变化/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
完全反应/(mol·L-1) 0 0.2 0.4
若反应逆向进行,假定Z(g)完全反应,则:
X2(g)+Y2(g) 2Z(g)
起始/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
变化/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
完全反应/(mol·L-1) 0.2 0.4 0
由于该反应为可逆反应,物质不能完全转化,所以平衡时浓度范围为03.B 由题图可知,64 s后NO2和N2O4的浓度依然发生改变,说明64 s时正、逆反应速率不相等,反应未达到化学平衡状态,A错误;NO2为红棕色气体,N2O4为无色气体,由题图可看出,随着反应的进行,NO2的浓度增大直至达到化学平衡状态,则达到化学平衡前,混合气体的颜色逐渐变深,B正确;可逆反应不能进行到底,根据题图信息,当达到平衡时,容器中气体的总物质的量浓度为1.8 mol·L-1,C错误;N2O4(g) 2NO2(g),该反应为吸热反应,若容器与外界无热传递,则反应达到平衡前容器内气体的温度逐渐降低,D错误。
4.C 未指明反应速率的方向,不能说明反应达到平衡状态,A错误;都表示正反应速率,不能说明反应达到平衡状态,B错误;该反应有固体生成,在恒容密闭容器中,混合气体的密度保持不变说明混合气体的总质量不变,可说明该反应达到平衡状态,C正确;起始浓度未知,当c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6时不能说明反应达到平衡状态,D错误。
5.A 反应在恒容密闭容器中进行,反应物和生成物均为气体,即气体的总质量不变,则混合气体的密度恒定,混合气体的密度不再改变不能说明反应达到平衡状态,A可选;反应前后气体的物质的量不相等,当混合气体总物质的量不再变化时,或各物质的物质的量分数不再发生变化时,均能说明反应达到平衡状态,B、D不选;单位时间内消耗H2与消耗C2H6的物质的量之比为1∶1,说明正、逆反应速率相等,该反应达到平衡状态,C不选。
6.A 在恒容条件下,混合气体的颜色不再改变,表明NO2的浓度保持不变,则反应达到平衡状态,A符合题意;对于反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g),反应前后无气体体积差,在恒容容器中,不管反应是否达到平衡,容器内压强始终不变,B不符合题意;对于反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),不管反应进行到何种程度,混合气体的总质量始终不变,则在恒压条件下,总质量不再改变时,反应不一定达到平衡状态,C不符合题意;对于反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),混合气体中NH3的体积分数为33.3%,可能是反应过程中的某个阶段,不一定是平衡状态,D不符合题意。
能力提升练
1.C 2.B 3.C 4.B
1.C ①v正(NH3)=v逆(H2S),说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态;②正反应反应前后气体体积增大,当密闭容器中总压强不变时,反应达到平衡状态;③反应过程中容器容积不变,但气体质量是变化的,当密闭容器中混合气体的密度不变时,反应达到平衡状态;④反应体系中只有两种气体,且NH3和H2S的体积之比满足1∶1,密闭容器中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;⑤正反应反应前后气体的分子数增大,当密闭容器中混合气体的总物质的量不变时,反应达到平衡状态;⑥体系中NH3和H2S的体积之比始终为1∶1,密闭容器中NH3的体积分数不变,不能说明反应达到平衡状态;⑦混合气体的质量是变量,当混合气体总质量不变时,反应达到平衡状态。结合分析可知C正确。
2.B 达到化学平衡状态时,正、逆反应速率相等,即v正(HI)=2v逆(H2),A错误;反应前后气体的物质的量不变,恒容绝热容器中,反应吸热导致温度降低,容器内压强减小,若容器内压强不再变化,说明反应体系温度不变,反应达到化学平衡状态,B正确;容器中充入N2,对混合物的浓度没有影响,正反应速率不变,C错误;该反应为可逆反应,不能完全进行,故放出的热量比9.48 kJ少,D错误。
3.C A(s)为固体,该反应为反应前后气体质量增加的反应,恒温、恒容时,根据ρ=,达到平衡之前密度一直增大,当气体密度不随时间变化时反应一定达到平衡状态,A不符合题意;A(g)+B(g) C(g)在反应前后气体总质量不变,反应容器为恒压,该反应为反应前后气体体积减小的反应,达到平衡之前密度一直增大,当气体密度不随时间变化时反应一定达到平衡状态,B不符合题意;A(g)+B(g) 2C(g)在反应前后质量不变,容器容积不变,当气体密度不随时间变化时反应不一定达到平衡状态,C符合题意;在恒压、绝热条件下,A(g)+B(g) 2C(g)在反应过程中能量变化会导致体积变化,密度也会发生变化,当反应达到平衡状态时,温度不变则体积不再变化,气体密度不再随时间变化,D不符合题意。
易错分析 恒温、恒容条件下,用“混合气体的密度”判断平衡状态时,要特别关注是否有非气态物质参与反应。
4.B 根据题中信息,列三段式如下:
3A(g)+B(g) 2C(g)+xD(g)
起始: 6 mol 5 mol 0 0
转化: 3 mol 1 mol 2 mol x mol
平衡: 3 mol 4 mol 2 mol x mol
D的浓度为0.5 mol·L-1,c===0.5 mol·L-1,解得x=2,A错误。A的转化率为×100%=50%,B正确;平衡时B的浓度为c===1 mol·L-1,C错误;该反应是反应前后气体总物质的量不变的反应,因此在恒温、恒容条件下压强始终不变,D错误。
5.答案 (1)16 (2)8 mol (3)5∶4 (4)1∶2
3∶3∶2
解析 (1)根据题意,列三段式如下:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol a b 0
变化/mol 3 9 6
t时刻/mol 13 b-9 6
所以a=13+3=16;(2)反应达平衡时,混合气体为=32 mol,其中NH3的物质的量为32 mol×25%=8 mol;(3)结合(1)(2)可知,平衡混合气的组成:N2为16 mol-4 mol=12 mol,NH3为8 mol,H2为32 mol-12 mol-8 mol=12 mol,则:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 16 b 0
变化/mol 4 12 8
平衡/mol 12 12 8
b=12+12=24,n(始)∶n(平)=(16+24)∶(12+12+8)=5∶4;(4)达到平衡时,N2和H2的转化率之比α(N2)∶α(H2)=(×100%)∶(×100%)=1∶2,平衡混合气体n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)=12∶12∶8=3∶3∶2。
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