鲁科版 (2019)选择性必修1第2章 化学反应的方向、 限度与速率第2节 化学反应的限度第3课时学案及答案

第3课时　反应条件对化学平衡的影响

学习目标

通过实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡的影响。

学习任务1　化学平衡移动

一、化学平衡状态及其判断

1.化学平衡状态

当一个可逆反应进行到v正=v逆≠0的状态时,此时反应物和生成物浓度不再随时间改变而变化,这种状态称为化学平衡状态,简称化学平衡。

2.化学平衡状态的判断

(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aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),=时,反应达到平衡状态。

(2)静态标志:各种“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、质量分数等)不变。

③温度、压强(化学方程式两边气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。

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。

二、化学平衡移动

1.化学平衡移动的概念与实质

(1)概念:化学反应由一种平衡状态变为另一种平衡状态的过程称为化学平衡移动。

(2)实质:平衡遭到破坏导致v正≠v逆,致使平衡变为另一状态。

2.化学平衡移动的过程分析

微点拨:不平衡(v正≠v逆)→平衡(v正=v逆≠0),是平衡建立过程,不能称平衡移动。平衡(v正=v逆≠0)→破坏(v正≠v逆)→再平衡(v′正=v′逆≠0)才叫平衡移动。

3.化学平衡移动方向的判断

(1)反应速率角度。

条件改变

(2)浓度商角度。

条件改变

工业废气、汽车尾气排放出的氮氧化物是形成酸雨的主要物质,其综合治理是当前重要的研究课题。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)。

探究　充入惰性气体对化学平衡的影响

问题1:请写出此反应的浓度商表达式。

提示:Q=。

问题2:此反应在恒温、恒容容器内达到平衡后充入惰性气体(与平衡无关气体,比如氩气),平衡向哪个方向移动?

提示:恒温、恒容条件下充入惰性气体后,各组分物质的量不变,因为容器体积不变,所以各组分浓度不变,由于浓度不变,所以浓度商Q不变,即Q=K仍然成立,所以平衡不移动。

问题3:恒温、恒压条件下充入惰性气体,平衡向哪个方向移动?

提示:恒温、恒压条件下充入惰性气体后,各组分物质的量不变,但容器体积增大,根据Q=

==×V,由于V增大,所以导致Q>K,平衡逆向移动。

充入“惰性气体”对化学平衡的影响

(1)恒容时,通入惰性气体,压强增大,平衡不移动;恒压时,通入惰性气体,体积增大,平衡向气体体积增大的方向移动。

(2)在恒容容器中,改变其中一种物质的浓度时,必然同时引起压强的改变,但判断平衡移动的方向时,应以浓度的影响进行分析。

(3)对于反应前后气体体积相等的反应,如H2(g)+I2(g)2HI(g),当向平衡体系中充入惰性气体时,无论任何情况下平衡都不发生移动。

题点一　化学平衡状态判断

1.(2021·河南洛阳月考)在一定温度下,向a L密闭容器中加入1 mol X气体和2 mol Y气体,发生如下反应:X(g)+2Y(g)2Z(g)。此反应达到平衡的标志是(　A　)

A.容器内压强不随时间变化

B.容器内各物质的浓度相等

C.X、Y、Z的速率之比为1∶2∶2

D.单位时间消耗0.1 mol X同时生成0.2 mol Z

解析:反应正向进行时,气体体积减小,因此随着反应的正向进行,容器内压强减小,当容器内压强不随时间变化时,反应达到平衡,A正确;反应达到平衡的标志是各物质的浓度均不再改变,而非相等,B错误;因为化学方程式中X、Y、Z的系数之比为1∶2∶2,故同一个反应方向,X、Y、Z的速率之比为1∶2∶2恒成立,不能用于判定反应是否达到平衡,C错误;单位时间消耗0.1 mol X同时生成 0.2 mol Z恒成立,D错误。

2.(2021·安徽芜湖月考)在两个恒容的密闭容器中进行下列两个可逆反应:

甲:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)

乙:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)

现有下列状态:

①混合气体平均相对分子质量不再改变　②恒温时,气体压强不再改变　③各气体浓度相等　④绝热时,反应体系温度保持不变　⑤断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍　⑥混合气体密度不变

⑦单位时间内,消耗的水质量与生成氢气的质量之比为9∶1

其中能表明甲、乙的容器中反应都达到平衡状态的是(　D　)

A.①②⑤ B.③④⑥

C.⑥⑦ D.④⑤

解析:①乙反应前后气体的物质的量不变,则无论是否达到平衡状态,混合气体平均相对分子质量都不改变,不符合题意;②乙反应前后气体的物质的量不变,恒温时,无论是否达到平衡状态,气体压强都不改变,不符合题意;③平衡常数未知,各气体浓度相等,不一定达到平衡状态,不符合题意;④绝热时反应体系中温度保持不变,可说明达到平衡状态,符合题意;⑤断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍,可说明正、逆反应速率相等,达到平衡状态,符合题意;⑥乙反应中都是气体参加反应,无论是否达到平衡状态,混合气体密度都不变,不符合题意;⑦单位时间内,消耗水蒸气的质量与生成氢气的质量之比为9∶1,为正反应速率关系,不能说明达到平衡状态,不符合题意。综上分析可知,④⑤能够说明两反应均达到化学平衡,故选D。

题点二　化学平衡移动

3.(2021·湖北黄冈月考)密闭容器中发生反应2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)。测得在某温度下达到平衡时,四种物质的物质的量之比为2∶2∶1∶2。保持容器体积、温度不变,改变下列条件,平衡一定逆向移动的是(　B　)

A.四种物质的物质的量均变成2倍

B.四种物质的物质的量均变成

C.CO、CO2的物质的量均变成2倍

D.NO、N2的物质的量均增加1 mol

解析:平衡常数K=,保持温度不变则K不变,当条件改变时,若Q=K,则仍处于平衡状态;若Q<K,则平衡右移;若Q>K,则平衡左移。保持容器体积、温度不变,将四种物质的物质的量均变成2倍,则Q==K<K,则平衡右移,A不符合题意;保持容器体积、温度不变,将四种物质的物质的量均变成,则Q==2K>K,则平衡左移,B符合题意;保持容器体积、温度不变,若将CO、CO2的物质的量均变成2倍,则Q==K,则仍处于平衡状态,C不符合题意;保持容器体积、温度不变,若将NO、N2的物质的量均增加1 mol,则Q=,难以比较Q与K的相对大小,D不符合题意。

4.(2021·安徽合肥期中)煤化工通常通过研究不同温度下平衡常数以解决各种实际问题。现将物质的量均为0.04 mol的CO(g)和H2O(g)充入2 L密闭容器中,发生如下反应:CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)。下列说法正确的是(　B　)

A.该反应的正反应是吸热反应

B.若在500 ℃时进行,CO的平衡转化率为75%

C.保持800 ℃不变,向某一体积为1 L的密闭容器中加入该反应中四种物质各2 mol,则此时反应正向进行

D.将该反应置于恒容绝热条件下,更利于氢气产率的提高

解析:根据表中数据,随着温度升高,化学平衡常数减小,说明该反应的正反应放热,故A错误;设达到平衡时,消耗CO的物质的量为x mol,则此时消耗H2O的物质的量为x mol,生成H2和CO2的物质的量均为x mol,达到平衡时CO、H2O的物质的量为(0.04-x) mol,500 ℃时K==9,解得x=0.03,CO的平衡转化率为×100%=75%,故B正确;此时Q==1=K,平衡不移动,故C错误;恒容绝热容器中,随反应进行,温度升高,平衡向逆反应方向进行,氢气产率降低,故D错误。

(1)直接判据。

①v正=v逆≠0或Q=K。

②反应混合物中各组分质量或浓度或物质的量保持不变。

(2)间接判据。

①常用物理量:气体总的物质的量、压强、混合气体的平均密度(ρ=)、平均摩尔质量(=)。

②判断方法:“变量不变即为平”,即假设反应向正反应方向进行时,该物理量若发生变化,则某时刻该物理量不再改变时,即认为达到平衡状态;若该物理量为一直不变的量,则无法用于判断反应是否达到平衡状态。

学习任务2　反应条件对化学平衡的影响

1.温度对化学平衡移动的影响规律(在其他条件不变时)

(1)温度升高,平衡向吸热反应方向移动。

(2)温度降低,平衡向放热反应方向移动。

2.浓度对化学平衡移动的影响规律(在其他条件不变时)

(1)c(反应物)增大或c(生成物)减小,平衡向正反应方向移动。

(2)c(反应物)减小或c(生成物)增大,平衡向逆反应方向移动。

3.压强对化学平衡移动的影响规律(在其他条件不变时)

(1)增大压强,化学平衡向化学方程式中气态物质化学式前系数减小(Δvg<0)的方向移动。

(2)减小压强,化学平衡向化学方程式中气态物质化学式前系数增大(Δvg>0)的方向移动。

微点拨:压强之所以引发平衡移动,本质上是因为压强改变影响了浓度,所以压强是否能使化学平衡发生移动,要看压强改变是否使浓度发生改变,从而使v正≠v逆。Δvg=0的反应,压强改变不会引起平衡移动。

4.催化剂对化学平衡的影响规律(在其他条件不变时)

催化剂不能引起平衡移动,使用催化剂能改变反应达到化学平衡所需的时间。

微点拨:催化剂是“同等程度”改变正、逆反应速率,所以有无催化剂均不会“破坏”平衡,也就是不会导致v正≠v逆。因此催化剂不会引起平衡移动。

5.勒·夏特列原理

如果改变影响平衡的条件之一(如温度、浓度、压强等),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。简单记忆:改变→减弱这种改变。

微点拨:(1)勒·夏特列原理仅适用于已达到平衡的反应体系。(2)勒·夏特列原理对所有的动态平衡(如溶解平衡、电离平衡和水解平衡等)都适用。(3)勒·夏特列原理只适用于判断“改变影响平衡的一个条件”时平衡移动的方向。若同时改变影响平衡移动的几个条件,则不能简单地根据勒·夏特列原理来判断平衡移动的方向,只有在改变的条件对平衡移动的方向影响一致时,才能根据勒·夏特列原理进行判断。

某老师运用数字化实验器材带领学生探究化学平衡移动。以2NO2(g)N2O4(g)为研究对象,实验过程如下:事先将一定量NO2双聚平衡体系密封在注射器内,利用色度传感器测定其红色吸收率,NO2气体浓度越大,红棕色越深,吸收率越大,曲线上升,反之,吸收率降低,曲线下降。迅速推动注射器活塞,使压强迅速增大;迅速外拉注射器活塞,使压强迅速减小。测得如图结果,据此探究。

探究　影响化学平衡移动的因素

问题1:从图中看出实验者在t1时刻是向里推动活塞压缩体积,还是外拉活塞扩大体积?

提示:从图中绝对压力看出大约在t1时刻绝对压力减小,说明是“外拉活塞”。A点开始拉动,B点停止拉动。

问题2:从图中看出绝对压力到哪一个点时反应再次平衡?从中看出压强变化特点是什么?

提示:C点绝对压力不再改变,因此此时反应再次平衡。减小压强时平衡向着压强增大的方向移动,但再次平衡时压强比压强减小前要低。

问题3:从温度图像看同时刻,从减压引起平衡移动到再次平衡,温度如何改变?为什么?

提示:温度降低;因为减小压强平衡左移,此方向的反应属于吸热反应,造成温度下降。

问题4:从吸收率(反映的是浓度)看减小压强时NO2浓度如何改变?

提示:NO2浓度先减小后增大,再次平衡时比原来的小。

外界条件对化学平衡移动的影响

1.(2021·河南郑州月考)下列反应达到平衡后,升高温度和增大压强,平衡移动方向一致的是(　D　)

A.C(s)+CO2(g)2CO(g)　ΔH>0

B.O2(g)+2SO2(g)2SO3(g)　ΔH<0

C.H2(g)+I2(g)2HI(g)　ΔH<0

D.Cl2(g)+H2O(l)HCl(aq)+HClO(aq)　ΔH>0

解析:对于反应C(s)+CO2(g)2CO(g)　ΔH>0,升高温度,平衡正向移动,增大压强,平衡逆向移动,A不符合题意;对于反应O2(g)+2SO2(g)2SO3(g)　ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,增大压强,平衡正向移动,B不符合题意;对于反应H2(g)+I2(g)2HI(g)　ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,增大压强,平衡不发生移动,C不符合题意;对于反应Cl2(g)+H2O(l)HCl(aq)+HClO(aq)　ΔH>0,升高温度,平衡正向移动,增大压强,平衡正向移动,D符合题意。

2.(2021·浙江诸暨期中)采用以下措施一定会使一个平衡体系发生移动的是(　C　)

A.加入一种反应物 B.对平衡体系增加压强

C.改变温度 D.使用催化剂

解析:加入一种反应物,若该物质状态是固体,则加入该反应物时化学平衡不发生移动,A不符合题意;若可逆反应是在溶液中进行,或没有气体物质参加,则对平衡体系增加压强,化学平衡不发生移动,B不符合题意;化学反应过程中一定会伴随放热或吸热现象,因此改变反应温度,化学平衡一定会发生移动,C符合题意;使用催化剂可以使化学反应速率发生改变,但由于对正、逆反应速率的影响相同,因此使用催化剂,化学平衡不发生移动,D不符合题意。

3.(2021·河南安阳月考)下列现象不能用勒·夏特列原理解释的是(　B　)

A.红棕色NO2加压后颜色先变深后变浅

B.H2、I2、HI平衡加压后颜色变深

C.用排饱和食盐水的方法收集Cl2

D.打开啤酒瓶盖,瓶口冒出大量气泡

解析:红棕色NO2刚加压时,NO2的浓度增大,气体颜色变深,加压后,依据勒·夏特列原理,化学平衡向气体体积减小的方向移动,NO2的浓度有所减小,气体颜色又变浅,A不符合题意;H2、I2、HI平衡加压后,平衡没有发生移动,但由于气体体积减小,有色的I2的浓度增大,气体的颜色变深,所以不能用勒·夏特列原理解释,B符合题意;由于饱和食盐水中c(Cl-)大,必然对Cl2与水的反应起抑制作用,从而降低Cl2在水中的溶解度,所以可用排饱和食盐水的方法收集Cl2,能用勒·夏特列原理解释,C不符合题意;打开啤酒瓶盖,压强减小,CO2等气体的溶解度降低,瓶口冒出大量气泡,能用勒·夏特列原理解释,D不符合题意。

化学平衡移动方向判断的思维过程

【知识整合】

1.化学平衡状态的判断

(1)两方法——正逆相等、变量不变。

①“正逆相等”:两反应速率必须一个是正反应的速率,一个是逆反应的速率,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;一个随反应进行保持不变的量,不能作为反应是否达到平衡状态的判断依据。

(2)“三关注”。

①关注反应条件,是恒温恒容、恒温恒压还是绝热容器。

②关注反应特点,是等体积反应,还是非等体积反应。

③关注特殊情况,是否有固体参加或生成,或固体的分解反应。

2.化学平衡移动的判断方法

(1)依据勒·夏特列原理判断。

(2)通过比较平衡破坏瞬时的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。

①若外界条件改变,引起v正>v逆,则化学平衡向正反应方向(或向右)移动。

②若外界条件改变,引起v正<v逆,则化学平衡向逆反应方向(或向左)移动。

③若外界条件改变,虽能引起v正和v逆变化,但变化后新的v′正和v′逆仍保持相等,则化学平衡没有发生移动。

(3)依据浓度商(Q)规则判断。

通过比较浓度商(Q)与平衡常数(K)的大小来判断平衡移动的方向。

①若Q>K,平衡逆向移动。

②若Q=K,平衡不移动。

③若Q<K,平衡正向移动。

【易错提醒】

1.误认为反应速率改变时平衡一定发生移动。其实不然,如使用催化剂,正、逆反应速率同等程度地改变,平衡不移动。

2.误认为压强增大平衡一定向气体系数减小的方向移动。其实不然,恒温、恒容条件下,充入惰性气体会引起压强改变,但不会引起浓度商改变,平衡不移动。

3.误认为向平衡体系FeCl3+3KSCNFe(SCN)3+3KCl中加入适量KCl固体,平衡逆向移动,溶液的颜色变浅。其实FeCl3和KSCN反应的本质为Fe3++3SCN-Fe(SCN)3,KCl固体对于平衡体系FeCl3+3KSCNFe(SCN)3+3KCl无影响。

4.误认为对于H2(g)+I2(g)2HI(g)的平衡体系,压缩体积,平衡不移动,混合气体的颜色不变。其实气体颜色取决于气体浓度,而浓度不仅与物质的量有关,还与体积有关,虽然压缩体积,此平衡不移动,碘的物质的量不变,但由于体积减小,所以会造成碘浓度增大,颜色变深。