高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二节 化学平衡第1课时学案
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第二节 化学平衡
第1课时 化学平衡状态 化学平衡常数
1.认识到化学反应是有一定限度的,并能多角度、动态地分析可逆反应达到平衡状态时的各种表现。
变化观念与平衡思想
2.能建立化学平衡“逆、等、动、定、变”的认知模型,并利用模型解决有关化学平衡的实际问题。
证据推理与模型认知
3.认识到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并能进行简单计算。
宏观辨识与微观探析
要点一 化学平衡
1.可逆反应
在同一条件下,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,叫作可逆反应。书写可逆反应的化学方程式时,不用“===”,用“”。
2.化学平衡的建立
(1)在一定条件下的容积不变的密闭容器中进行反应,根据图示填写表格:
反应方程式
N2+3H22NH3
物质浓度
变化图示
物理量
N2、H2浓度
v正
NH3浓度
v逆
开始时
最大
最大
0
0
进行中
减小
减小
增大
增大
平衡时
不变
不变
不变
不变
反应方程式
2NH3N2+3H2
物质浓度
变化图示
物理量
N2、H2浓度
v正
NH3浓度
v逆
开始时
0
0
最大
最大
进行中
增大
增大
减小
减小
平衡时
不变
不变
不变
不变
v-t图
(2)化学平衡状态
化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应,正、逆反应的速率相等,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,这表明反应中物质的转化达到了“限度”,这时状态被称为化学平衡状态,简称化学平衡。
(3)化学平衡的特征
要点二 化学平衡常数
1.浓度商和化学平衡常数
(1)浓度商
对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g) ,在任意时刻的称为浓度商,常用Q表示。
(2)化学平衡常数
①当反应在一定温度下达到化学平衡时,c(A)、c(B)、c(C)、c(D)之间有=K,其中K是常数,称为化学平衡常数,简称平衡常数。
②表明化学反应限度的一个特征值。当反应中有关物质的浓度商等于平衡常数时,表明反应达到限度,即达到化学平衡状态。
2.化学平衡常数的意义
通常,K越大,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,即该反应进行得越完全,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>105时,该反应就进行得基本完全了。
3.化学平衡常数的影响因素
通常情况下只受温度影响。
判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)既能向正方向进行又能向逆方向进行的反应均是可逆反应。( )
(2)在已达到平衡的可逆反应2SO2+O22SO3中,充入18O2一段时间后,18O只存在于SO2和SO3中。( )
(3)化学平衡常数只受温度的影响,与反应物或生成物的浓度无关。( )
(4)对于反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),其平衡常数的表达式K=。( )
(5)温度一定,对于给定的化学反应,正、逆反应的平衡常数互为倒数。( )
(6)N2+3H22NH3和N2+H2NH3的平衡常数表达式相同。( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)×
(1)可逆反应是指在相同条件下,正反应和逆反应同时进行的反应。
(2)达到化学平衡的反应,宏观物理量(颜色、浓度、总压强等)不再改变,但是反应仍然继续进行,只是v正=v逆≠0。
(3)固体或液体纯物质一般不列入浓度商和平衡常数的计算。
(4)平衡常数表达式与化学方程式的书写方式有关。若反应方向改变、化学计量数等倍扩大或缩小,化学平衡常数都会相应改变。
考点一 化学平衡状态及其判断
1.
反应条件和可逆反应
在体积固定的密闭容器中进行可逆反应
2NO2(g)2NO(g)+O2(g)
H2(g)+I2(g)2HI(g)
物理量
①同一物质正反应速率等于逆反应速率
②混合气体的颜色不再改变
③混合气体的密度不再改变
④混合气体的压强不再改变
⑤混合气体的平均相对分子质量不再改变
能够判断反应
处于化学平衡状态的标志
______
______
答案 ①②④⑤ ①②
1.可逆反应的特征——“二同一不能”
(1)正反应和逆反应在同一个条件下进行;否则,是非可逆反应。
(2)正、逆反应同时进行,即进行的时间、地点是相同的,反应物和生成物共存。
(3)无论一种反应物的投入量有多大,其他反应物都不能反应完全。即反应物不可能全部转化成生成物,即任何一种反应物的转化率均小于100%。
2.极端假设法确定可逆反应平衡时各物质浓度的范围
在密闭容器中进行反应,在一定条件下,反应达到平衡。可根据极端假设法判断,假设反应正向或逆向进行到底,求出各物质浓度的最大值和最小值,从而确定它们的浓度范围。
【例题1】 密闭容器中发生可逆反应:X2(g)+Y2(g) 2Z(g)。已知起始时X2、Y2、Z各物质的浓度分别为0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.2 mol·L-1,反应在一定条件下达到平衡时,各物质的物质的量浓度不可能是( )
A.c(Z)=0.3 mol·L-1 B.c(Y2)=0.35 mol·L-1
C.c(X2)=0.15 mol·L-1 D.c(Z)=0.4 mol·L-1
思维导引:
答案 D
解析 列“三段式”可得,若反应向右进行完全,则X2、Y2、Z三种物质的物质的量浓度依次是0 mol·L-1、0.2 mol·L-1、0.4 mol·L-1;若反应向左进行完全,则X2、Y2、Z三种物质浓度依次是0.2 mol·L-1、0.4 mol·L-1、 0 mol·L-1,平衡体系中各物质的浓度范围为0
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
答案 B
解析 A项数据表明,题中0.2 mol·L-1的SO3完全转化成了SO2和O2,即平衡时,c(SO3)=0,这是不可能的;C项数据表明SO2、SO3的浓度都在原浓度基础上减少了0.05 mol·L-1,这也是不可能的;D项数据表明SO2完全转化成了SO3,即平衡时,c(SO2)=0,c(O2)=0,这也是不可能的。故选B项。
3.判断平衡状态的方法——“逆向相等,变量不变”
(1)“逆向相等”:反应速率必须一个是正反应速率,一个是逆反应速率,且经过换算后,同一种物质的减少速率和生成速率相等。
(2)“变量不变”:如果一个量是随反应进行而改变的,当不变时为平衡状态;一个随反应的进行保持不变的量,不能作为是否是平衡状态的判断依据。以反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)为例:
条件
达到平衡的标志
v正=v逆
同一物质
生成速率等于消耗速率
不同物质
化学反应速率之比等于化学计量数之比,且表示不同方向(即“一正一逆”)
可变量达不变
各物质的物理量
各组成成分的质量、物质的量、分子数、物质的量浓度保持不变
各物质的含量
各组成成分的质量分数、物质的量分数、气体的体积分数保持不变
气体的总物质的量
m+n≠p+q时,气体的总物质的量一定
恒容条件下的压强
m+n≠p+q时,总压强一定
恒压条件下气体的密度
m+n≠p+q时,ρ=一定
混合气体的平均相对分子质量()
当m+n≠p+q时,=一定
有颜色变化的反应
气体的颜色不再变化
【例题2】 可逆反应2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)在恒容的密闭容器中进行,达到平衡状态的标志是( )
①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2
②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO
③用NO2、NO、O2表示的反应速率之比为2:2:1的状态
④混合气体的颜色不再改变的状态
⑤混合气体的密度不再改变的状态
⑥混合气体的压强不再改变的状态
⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
A.①④⑥⑦ B.②③⑤⑦
C.①③④⑤ D.全部
思维导引:
反应特点→恒容、反应前后气体系数和不等
⇓
等→分析①②③,①达平衡
⇓
定→分析④⑤⑥⑦,④⑥⑦达平衡
答案 A
解析 ①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2,能说明反应已达平衡;②描述的均是正方向,无法判断;③无论反应是否达平衡,均有此关系;④NO2为有颜色的气体(红棕色),颜色不变能说明NO2浓度一定,反应已达到平衡;⑤因ρ=,反应前后,m、V均不变,ρ也不变,密度不变不能说明反应达到平衡;这是一个气体体积改变的反应,⑥⑦均能说明反应已达平衡。
【变式2】 对可逆反应4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g),下列叙述中正确的是( )
A.达到化学平衡时,5v正(O2)=4v逆(NO)
B.若单位时间内生成n mol NO的同时,生成n mol NH3,则反应达到平衡状态
C.若N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2时,反应达到化学平衡状态
D.化学反应速率关系是2v正(NH3)=3v正(H2O)
答案 B
解析 A项,根据化学方程式可知,当4v正(O2)=5v逆(NO)时,表示v正=v逆,反应达到平衡状态,错误;B项,生成n mol NO表示正反应速率,生成n mol NH3表示逆反应速率,且v正=v逆,反应达到平衡状态,正确;C项,N2、H2、NH3分子数之比为1∶3∶2时,反应不一定达到平衡状态,错误;D项,化学反应速率之比等于化学计量数之比,则3v正(NH3)=2v正(H2O),错误。
考点二 化学平衡常数的理解与应用
2.可逆反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)的平衡常数表达式是什么?若保持其他条件不变,升高温度,K值增大,该反应是吸热反应还是放热反应?
答案 K=;吸热反应。
1.使用化学平衡常数应把握的技巧
(1)化学平衡常数只与温度有关,与反应物或生成物的浓度、压强均无关。
(2)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数,与反应方程式的计量系数大小有关。
例如:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),其平衡常数为
K==a;
2NH3(g)3H2(g)+N2(g),其平衡常数为
K′==;
N2(g)+H2(g)NH3(g),其平衡常数为
K″==a。
2.化学平衡常数的应用
(1)判断反应进行的程度
K值越大,反应进行得越完全,反应物转化率越大;反之,反应越不完全,转化率越小。
(2)判断反应的热效应
(3)计算转化率
依据起始浓度(或平衡浓度)和平衡常数可以计算平衡浓度(或起始浓度),从而计算反应物的转化率。
(4)判断平衡移动方向
利用平衡常数可从定量的角度解释恒温下浓度、压强对化学平衡移动的影响。
对于可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),在任意状态下,生成物的浓度和反应物的浓度之间的关系都可用Q=表示,则:
当Q=K时,反应处于平衡状态,v正=v逆;
当Q<K时,反应向正反应方向进行,v正>v逆;
当Q>K时,反应向逆反应方向进行,v正<v逆。
【例题3】 在一定体积的密闭容器中,进行如下化学反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)。其化学平衡常数K和温度T的关系如表所示:
T/℃
700
800
830
1 000
1 200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题:
(1)该反应的化学平衡常数表达式为K=__________________。
(2)该反应为____反应(填“吸热”或“放热”)。
(3)某温度下,平衡浓度符合等式c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O),试判断此时的温度为____℃。此温度下加入1 mol CO2(g)和1 mol H2(g),充分反应,达到平衡时,CO2的转化率为____。
(4)在800 ℃时,发生上述反应,某一时刻测得容器内各物质的浓度分别是c(CO2)为2 mol/L,c(H2)为1.5 mol/L,c(CO)为1 mol/L,c(H2O)为3 mol/L,则正、逆反应速率的比较为v正____v逆(填“>”“<”或“=”)。
思维导引:(1)化学平衡常数表达式中各物质的浓度必须是平衡状态下的浓度,不能用任一时刻的浓度。固体或纯液体不写入平衡常数表达式中。
(2)使用化学平衡常数数值时,必须注意对应的温度。
解析 (2)温度越高,K值越大,说明升温平衡向右移动,正反应为吸热反应。(3)由题意可得K=1,查表可知温度为830 ℃;设已反应的CO2为x mol,则消耗掉的H2为x mol,生成的CO和H2O均是x mol(假设容器体积为V L)。K=1=,整理得x=0.5,则CO2的转化率为50%。(4)Q===1>0.9,反应向逆反应方向进行,所以v正<v逆。
答案 (1) (2)吸热 (3)830 50% (4)<
【变式3】 研究NO2、SO2、CO等大气污染气体的处理具有重要意义。
(1)NO2可用水吸收,相应的化学反应方程式为___________________。
(2)已知:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH=-196.6 kJ·mol-1
2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) ΔH=-113.0 kJ·mol-1
则反应NO2(g)+SO2(g) SO3(g)+NO(g)的ΔH=____kJ·mol-1。
一定条件下,将NO2与SO2以体积比1:2置于密闭容器中发生上述反应,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.SO3和NO的体积比保持不变
d.每消耗1 mol SO3的同时生成1 mol NO2
测得上述反应平衡时NO2与SO2体积比为1:6,则平衡常数K=____。
(3)CO可用于合成甲醇,反应方程式为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。
CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。则该反应ΔH____0(填“>”或“<”)。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右,选择此压强的理由是____________________________________________。
解析 (2)根据盖斯定律可得ΔH==
=-41.8 kJ·mol-1。反应NO2(g)+SO2(g) SO3(g)+NO(g)是气体体积不变的放热反应,反应过程中体系压强始终不变,且生成SO3和NO的体积比始终为1:1;混合气体的颜色不变说明各物质的浓度不再发生变化,反应达到平衡。设起始时加入的NO2为1 mol,依据阿伏加德罗定律,运用“三段式”计算可得:
NO2(g) + SO2(g) SO3(g) + NO(g)
起始: 1 mol 2 mol 0 0
转化: x mol x mol x mol x mol
平衡: (1-x) mol (2-x) mol x mol x mol
依题意= ,解得x=0.8。所以K===。(3)分析题中图像可知,升高温度,CO的转化率降低,即平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,所以正反应的ΔH<0。
答案 (1)3NO2+H2O=== 2HNO3+NO (2)-41.8 b
2.67或 (3)< 在1.3×104 kPa下,CO转化率已较高,再增大压强,CO转化率提高不大,而生产成本增加,得不偿失
化学平衡常数的表达式与应用方法
→平衡常数表达式
⇓
→反应放热或吸热
⇓
→寻找对应的温度
⇓
→比较v正、v逆的大小
考点三 有关化学平衡常数的计算
3.一定温度下,在体积为1 L的恒容密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。平衡时反应放出热量a kJ。试计算:
(1)反应物N2的转化率;
(2)化学平衡常数的计算式。
答案 (1)1 mol N2完全反应时放出的热量为92.4 kJ,则放出a kJ热量时,反掉 mol的N2,反应物N2的转化率为a/92.4×100%
(2) N2 + 3H2 2NH3
初始(mol·L-1) 1 3 0
转化(mol·L-1) a/92.4 3a/92.4 2a/92.4
平衡(mol·L-1) 1-a/92.4 3-3a/92.4 2a/92.4
K==
1.计算模型——三段式法
aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)
c(初)(mol·L-1) n1 n2 0 0
Δc(mol·L-1) x x x x
c(平)(mol·L-1) n1-x n2-x x x
2.解答思路——三步骤
3.基本计算关系
(1)各物质的物质的量浓度变化之比=物质的量变化之比=化学计量数之比。
(2)反应物的转化率=×100%=×100%。
(3)生成物的产率=×100%。
(4)平衡时某气体组分的体积分数=该气体组分的物质的量分数=×100%。
【例题4】 在一定温度下的密闭容器中,加入1 mol CO和1 mol H2O发生反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),达到平衡时测得n(H2)为0.5 mol。求:
(1)该温度下的平衡常数;
(2)CO的转化率。
思维导引:平衡时n(H2)的物质的量→各种物质转化的物质的量→确定平衡时其他物质的物质的量→代入计算式进行计算。
解析 依题意可列三段式:
CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
起始/mol 1 1 0 0
转化/mol 0.5 0.5 0.5 0.5
平衡/mol 0.5 0.5 0.5 0.5
因体积相同,浓度比值等于物质的量的比值,由反应方程式及以上数据可得,K==1,CO的转化率为×100%=50%。
答案 (1)1 (2)50%
【变式4】 (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______________。
(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___________________。
解析 (1)设平衡时SO2的浓度为x mol·L-1,列三段式如下:
SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)
初始/mol·L-1 2 2 0 0
转化/mol·L-1 2-x 2-x 2-x 2-x
平衡/mol·L-1 x x 2-x 2-x
由题意可知×100%=50%,x=1,
K===1。
(2)设达平衡时NO的浓度为y mol·L-1,
SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)
初始/mol·L-1 3 2 0 0
转化/mol·L-1 y y y y
平衡/mol·L-1 3-y 2-y y y
因为温度不变,平衡常数不变,K=1=解得y=1.2。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。
答案 (1)1 (2)c(SO3)=c(NO)=1.2 mol·L-1,c(SO2)=1.8 mol·L-1,c(NO2)=0.8 mol·L-1
1.(化学平衡状态)在一定条件下,使SO2和O2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
答案 A
解析 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,达到平衡时,v正=v逆≠0,A项错误。
2.(极端假设法确定可逆反应平衡时各物质浓度的范围)在一定量密闭容器中进行如下反应: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-1、0.3 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.N2为0.2 mol·L-1,H2为0.6 mol·L-1
B.N2为0.15 mol·L-1
C.N2、H2均为0.18 mol·L-1
D.NH3为0.4 mol·L-1
答案 B
解析 假设反应从题给某一时刻开始向正反应方向进行到底,NH3的浓度为0.4 mol·L-1;若反应从题给某一时刻开始向逆反应方向进行到底,N2的浓度为0.2 mol·L-1,H2的浓度为0.6 mol·L-1,而实际上反应不可能进行到底,A、D项错误,B项正确。从题给量的关系易知无论反应进行到什么程度c(N2)∶c(H2)=1∶3恒存在,因此两者不可能同时均为0.18 mol·L-1,C项错误。
3.(化学平衡状态的判断)在一定温度下,体积一定的密闭容器中可逆反应3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)达到平衡的标志是( )
A.容器内混合气体的密度不再变化
B.断裂2 mol O—H的同时形成1 mol H—H
C.容器内混合气体的压强不再变化
D.消耗3 mol Fe的同时生成1 mol Fe3O4
答案 A
解析 反应3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)是气体质量减少的反应,反应过程中体积不变,则密度一直减小,当容器内混合气体的密度不再变化时,反应达到平衡,A项正确;断裂2 mol O—H的同时形成1 mol H—H都表示正反应速率,不能说明反应达到平衡,B项错误;反应3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)是气体体积不变的反应,反应过程中压强一直不变,容器内混合气体的压强不再变化时不能说明反应达到平衡,C项错误;消耗3 mol Fe的同时生成1 mol Fe3O4都表示正反应速率,不能说明反应达到平衡,D项错误。
4.(化学平衡状态的判断)一定温度下,在一容积不变的密闭容器中发生可逆反应2X(g)Y(g)+Z(s),以下不能说明该反应达到化学平衡状态的是( )
A.混合气体的密度不再变化
B.反应容器中Y的质量分数不变
C.体系压强不再变化
D.Z的浓度不再变化
答案 D
解析 ρ=,V不变,若ρ不变,则说明气体的质量不再变化,A项为平衡状态;容器内物质的总质量不变,若Y的质量分数不变,则m(Y)不变,B项为平衡状态;若体系的压强不变,则气体的总物质的量不变,C项为平衡状态;Z为固体,浓度为常数,D项不能说明反应达到化学平衡状态。
5.(化学平衡常数的有关计算)合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0。在某温度下达到平衡时,各物质的浓度是c(N2)=3 mol·L-1、c(H2)=9 mol·L-1、c(NH3)=4 mol·L-1,则:
(1)该温度时的平衡常数为______;起始浓度c(N2)=______________。
(2)H2的转化率为____________。
解析 (1)K==≈7.3×10-3。设起始时N2、H2的浓度分别为x mol·L-1、y mol·L-1,列三段式得:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
起始/(mol·L-1) x y 0
转化/(mol·L-1) x-3 y-9 4
平衡/(mol·L-1) 3 9 4
=,解得x=5;=,解得y=15。
(2)H2的转化率为×100%=40%。
答案 (1)7.3×10-3 5 mol·L-1 (2)40%
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