高考一轮复习第二十二课第1节：化学平衡状态学案

第二十二课：化学反应限度及化学平衡

第1节：化学平衡状态

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

2．化学平衡状态的建立

在一定条件下的容积不变的密闭容器中，合成氨反应如下：N2＋3H22NH3

如图1所示，N2与H2随着反应的进行，其浓度逐渐减小，v正逐渐减小，而c(NH3)逐渐增大，v逆逐渐增大，t1时刻，它们的浓度不再改变，v正＝v逆，反应达到平衡。

如图2所示，随着NH3的分解，其浓度逐渐减小，v逆逐渐减小，而c(N2)、c(H2)逐渐增大，v正逐渐增大，t2时刻起，它们的浓度不再改变，v正＝v逆，反应达到平衡。

通过上述两例说明，平衡的建立与建立的途径无关。

3．化学平衡状态的概念

在一定条件下的可逆反应，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”，这时的状态我们称为化学平衡状态，简称化学平衡。

4．化学平衡状态的特征

二、化学平衡状态的判断方法

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、体积(气体)、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：

(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，如

三、探究讨论

1．可逆反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，充入由18O组成的氧气一段时间后，18O存在下列物质中的(　　)

A．多余的氧气中

B．生成的三氧化硫中

C．氧气和二氧化硫中

D．二氧化硫、氧气和三氧化硫中

答案　D

解析　 18O2的加入定会与SO2结合生成含18O的SO3，同时含有18O的SO3又会分解得到SO2和O2，使得SO2和O2中也含有18O，因此18O存在于SO2、O2、SO3这三种物质中。

2．可逆反应在一定条件下达到化学平衡时，下列说法正确的是(　　)

A．正反应速率等于逆反应速率，且都为零

B．反应物和生成物浓度相等

C．反应体系中混合物的组成保持不变

D．反应物断开化学键吸收的能量等于生成物形成化学键所放出的能量

答案　C

解析　可逆反应达到平衡时，属于动态平衡，正、逆反应速率相等，但是都不为零，故A错误；可逆反应达到平衡时，反应物和生成物的浓度不再发生变化，各组分浓度不变，但是各组分浓度不一定相等，故B错误；当反应体系中各混合物的组成保持不变时，达到平衡状态，故C正确；化学反应一定伴随能量变化，反应物断开化学键吸收的能量不等于生成物形成化学键所放出的能量，故D错误。

3．一定条件下，向2 L恒容密闭容器中充入1 mol COCl2(g)，发生反应COCl2(g)Cl2(g)＋CO(g)，反应过程中测得的有关数据如下表所示，下列说法不正确的是(　　)

A.6 s之后反应到达平衡状态，容器内的压强不再随时间的延续而改变

B．达到6 s时，反应停止，不再进行

C．8 s时，反应容器中各物质的浓度不再发生变化

D．生成Cl2的平均反应速率：v(0～2 s)>v(2～4 s)

答案　B

解析　6 s之后氯气的物质的量不再改变，化学反应到达平衡状态，容器内气体总物质的量保持不变，因而压强不变，故A正确；6 s时达到平衡状态，反应不会停止，仍在进行，故B错误；在8 s时是平衡状态，反应容器中各物质的浓度不再发生变化，故C正确；0～2 s生成氯气0.30 mol,2～4 s生成氯气0.09 mol，可知0～2 s内反应生成Cl2的平均反应速率大，故D正确。

四、好题精做

1．下列理解不正确的是

A．化学平衡是一个动态平衡

B．化学平衡研究的对象主要是可逆反应

C．化学反应速率是研究化学反应进行的快慢问题，化学平衡是研究化学反应进行的问题

D．化学反应达到平衡时，正反应和逆反应速率相等，是对反应中不同物质而言

2．在一定条件下的恒温恒容容器中，当下列物理量不再发生变化时，反应：A(g)+3B(g)2C(g)+D(g)不能表明已达平衡状态的是

A．混合气体的压强      B．混合气体的密度

C．B的物质的量浓度      D．气体总物质的量

3．14CO2与碳在高温条件下发生反应：14CO2＋C2CO，达到化学平衡后，平衡混合物中含14C的粒子有

A．14CO2   B．14CO2、14CO

C．14CO2、14CO、14C   D．14CO

4．工业上常用煤和水作原料经过多步反应制得氢气，其中一步反应的原理为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，下列选项的条件中可判断该反应达到平衡状态的是

A．单位时间内消耗2 mol的CO同时生成2 mol的CO2

B．两个H—O键断裂的同时有一个H—H键断裂

C．反应容器内的压强不再发生变化

D．混合气体的相对分子质量不发生变化

5．在一恒温、恒容的密闭容器中发生反应A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)，当下列物理量不再变化时，能够表明该反应已达平衡状态的是

A．混合气体的压强

B．混合气体的平均相对分子质量

C．A的物质的量浓度

D．气体的总物质的量

1．【答案】D

【解析】化学反应达到平衡时，对同种物质而言，其生成速率和消耗速率相等，D错。

2．【答案】B

【解析】A．反应前后气体的体积不等，故混合气体的压强不再发生变化说明已达平衡状态，故A不选；B．密度=，总质量不变，体积不变，故混合气体的密度不再发生变化不能作为判断是否达到平衡状态的依据，故B选；C．B的物质的量浓度不再发生变化说明已达平衡状态，故C不选；D．反应前后气体的化学计量数之和不等，故气体总物质的量不再发生变化说明已达平衡状态，故D不选；

3．【答案】C

【解析】14CO2与C反应生成14CO(正反应)的同时，逆反应14CO的分解(生成14CO2和14C)也在进行，故平衡混合物中含14C的粒子有：14CO2、14CO、14C。]

4．【答案】B

【解析】A项描述的反应速率都是v正，无法判断是否达到平衡；B项说明H2O的分解速率(v正)与H2的消耗速率(v逆)相等，即v正(H2O)＝v逆(H2O)，能判断反应达到平衡；C项，由于该反应前后气体的物质的量不变，故压强始终不变，不能说明可逆反应达到平衡；D项，混合气体的质量不变，物质的量不变，反应前后混合气体的相对分子质量不变，故不能说明反应达到平衡状态。

5．【答案】B

【解析】因反应前后气体分子数不变，故无论反应是否平衡，混合气体的压强和气体的总物质的量都不改变；A为固态，其物质的量浓度为常数；若反应正向移动，混合气体的质量增加，则混合气体的平均相对分子质量变大，反之变小，故混合气体的平均相对分子质量不变时说明反应达到平衡状态。

五、稳步提高练

1．下列关于化学平衡状态的理解正确的是(　　)

A．所有反应都存在平衡状态

B．反应物与生成物的浓度相等

C．正反应与逆反应停止进行

D．正反应和逆反应的速率相等

答案　D

2．可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的正、逆反应速率可用各反应物或生成物浓度的变化来表示。下列各关系中能说明反应已达到平衡状态的是(　　)

A．3v正(N2)＝v正(H2)   B．v正(N2)＝v逆(NH3)

C．2v正(H2)＝3v逆(NH3)   D．v正(N2)＝3v逆(H2)

答案　C

解析　可逆反应达到化学平衡状态的主要特征之一是v正＝v逆，而3v正(N2)＝v正(H2)并未反映出v正＝v逆的关系，即A项不正确。在N2与H2合成NH3的反应中，v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)＝1∶3∶2，分析时一要注意二者应分别代表正反应速率和逆反应速率，二要注意不同物质的速率之比等于化学计量数之比。

3．在固定容积的密闭容器中进行如下反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3浓度分别为0.2 mol·L－1、0.1 mol·L－1、0.2 mol·L－1，达到平衡时浓度可能是(　　)

A．SO2、O2分别为0.4 mol·L－1、0.2 mol·L－1

B．SO2为0.25 mol·L－1

C．SO2、SO3均为0.15 mol·L－1

D．SO2为0.24 mol·L－1，SO3为0.14 mol·L－1

答案　B

解析　本题可用极限法。可逆反应不可能进行到底，假设反应由正反应或逆反应开始建立。A项，0.2 mol·L－1 SO3全部转化时，SO2和O2浓度才是0.4 mol·L－1、0.2 mol·L－1；B项，SO2的浓度应在0～0.4 mol·L－1之间；根据S元素守恒，SO2和SO3浓度之和应为0.4 mol·L－1，C、D两项都不正确。

4．将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空恒容容器中(固体试样体积忽略不计)，在恒定温度下使其达到分解平衡：NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)。判断该分解反应已经达到化学平衡的是(　　)

A．2v(NH3)＝v(CO2)

B．密闭容器中c(NH3)∶c(CO2)＝2∶1

C．密闭容器中混合气体的密度不变

D．密闭容器中氨气的体积分数不变

答案　C

解析　该反应为有固体参与的非等体积反应，且容器体积不变，所以压强、密度均可作为化学反应是否达到平衡状态的标志，该题应特别注意D项，因为该反应为固体的分解反应，所以NH3、CO2的体积分数始终为定值，NH3为，CO2为。

5．恒温恒容条件下，将2 mol A气体和2 mol B气体通入体积为2 L 的密闭容器中发生如下反应：2A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(s)，2 min时反应达到平衡状态，此时剩余1.2 mol B，并测得C的浓度为1.2 mol·L－1。

(1)从开始反应至达到平衡状态，生成C的平均反应速率为________________________。

(2)x＝________。

(3)下列各项可作为该反应达到平衡状态的标志的是________(填字母)。

A．压强不再变化

B．气体密度不再变化

C．A的消耗速率与B的消耗速率之比为2∶1

D．A的百分含量保持不变

答案　(1)0.6 mol·L－1·min－1　(2)3　(3)BD

解析　(1)v(C)＝＝0.6 mol·L－1·min－1。

(2)2A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(s)

开始/mol·L－1  1  1  0

转化/mol·L－1  0.8  0.4  1.2

平衡/mol·L－1  0.2  0.6  1.2

由此可知，2∶1∶x＝0.8∶0.4∶1.2＝2∶1∶3，所以x＝3。

(3)A项，x＝3，该反应前后气体的物质的量不变，无论反应是否达到平衡，压强均不会变化；B项，气体的密度不再变化，而气体的体积不变，说明气体的质量不再发生变化，由于D为固体，故气体的质量不再发生变化时能说明反应已达到平衡状态；C项，A的消耗速率与B的消耗速率表示的反应方向一致，不能说明反应已达到平衡；D项，A的百分含量保持不变，说明反应已达到平衡。

6．在一定条件下，气体参与的某正反应方向ΔH＜0的可逆反应达到化学平衡时，下列说法不正确的是(　　)

A．反应物的浓度一定等于生成物的浓度

B．反应体系中压强恒定

C．反应体系中混合物的组成保持不变

D．反应体系中温度不变

答案　A

解析　对于放热的可逆反应，达到平衡时，反应物与生成物的浓度不一定相等，A项错误；可逆反应达到平衡时，正、逆反应速率相等，气体分子数保持不变，反应体系中压强恒定，混合物的组成保持不变，反应体系中温度不变，B、C、D项正确。

7.一定条件下，向密闭容器中充入1 mol NO和1 mol CO进行反应：NO(g)＋CO(g)N2(g)＋CO2(g)，测得化学反应速率随时间的变化关系如图所示，其中处于化学平衡状态的点是(　　)

A．d点  B．b点  C．c点  D．a点

答案　A

解析　由图可知，a、b、c点的正反应速率均大于逆反应速率，都未达到平衡状态；只有d点正、逆反应速率相等，由正、逆反应速率相等的状态为平衡状态可知，图中处于化学平衡状态的点是d点，选项A正确。

8．在一定温度下的恒容密闭容器中，以下说法能表明反应：A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)已达平衡的是(　　)

A．混合气体的压强不变

B．混合气体的密度不变

C．每消耗2 mol B，同时生成1 mol C

D．C和D的浓度比不变

答案　B

解析　该反应为反应前后气体物质的量不变的反应，容器内混合气体的压强不随反应的进行而变化，不能作为平衡标志，A项错误；根据密度的定义式知，混合气体的密度随反应的进行而变化，当密度不变时，反应已达平衡，B项正确；消耗2 mol B和生成1 mol C，均为正反应，不能作为平衡标志，C项错误；随着反应的进行，C和D的浓度比始终不变，不能作为平衡标志，D项错误。

9．一定条件下，将NO2与SO2以体积比为1∶2置于密闭容器中，发生反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)　ΔH＝－41.8 kJ·mol－1，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

答案　B

解析　由于该反应为反应前后气体体积相等的反应，体系的压强始终保持不变，故不能以压强不变作为判断反应是否达到平衡状态的标志，A错误；SO3与NO的体积比始终保持1∶1不变，C错误；消耗SO3和生成NO2为同一方向的反应，D错误。

10．工业上常用煤和水作原料经过多步反应制得氢气，其中一步反应的原理为CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)，下列选项的条件中可判断该反应达到平衡状态的是(　　)

A．单位时间内消耗1 mol H2O的同时生成1 mol的H2

B．两个H—O断裂的同时有两个C==O断裂

C．反应容器内的气体密度不再发生变化

D．混合气体的平均相对分子质量不发生变化

答案　B

解析　单位时间内消耗1 mol的H2O，表示的是正反应速率，生成1 mol的H2表示的也是正反应速率，无法说明反应达到平衡状态，A项错误；两个H—O断裂表示的是正反应速率，两个C==O断裂表示的是逆反应速率，且正、逆反应速率相等，说明反应达到平衡状态，B项正确；在恒容密闭容器中，混合气体的质量和体积始终不变，则混合气体的密度始终不变，所以反应容器内的气体密度不再发生变化不能说明反应达到平衡状态，C项错误；该反应是气体的总物质的量不变的可逆反应，根据M＝，混合气体的相对分子质量始终不发生变化，所以相对分子质量不变不能说明反应达到平衡状态，D项错误。