新高考化学一轮复习精品学案 第8章 第46讲　化学平衡状态与平衡常数（含解析）

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考点一 可逆反应、化学平衡状态
1．可逆反应
(1)概念
在同一条件下，既可以向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的化学反应。
(2)特点
2.化学平衡状态
(1)概念
在一定条件下的可逆反应体系中，当正、逆反应速率相等时，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，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，简称化学平衡。
(2)化学平衡的建立
绘制“反应速率－时间”图像，表示从正反应开始建立化学平衡状态的过程。
(3)平衡特征
(4)化学平衡状态的判断方法
①v正＝v逆eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(同种物质，消耗速率等于生成速率,不同种物质，速率之比等于化学计,量数之比，但必须同时有正、逆反应))
②宏观组成标志
各组分的浓度保持不变，或各组分的质量、物质的量、百分含量、质量分数等保持不变的状态是平衡状态。
③间接标志
a．有气体参加的不等体反应，气体的总压强、总体积、总物质的量不变时，达到平衡状态。
b．如果平衡体系中的物质有颜色，则平衡体系的颜色不变时，达到平衡状态。
c．气体的密度、气体的平均相对分子质量不变时，要具体分析各表达式中的分子或分母变化情况，判断是否平衡(若体系中各组分均为气体，气体质量守恒；若体系中不全是气体，要注意气体质量变化)。
1．反应2NaHCO3eq \(=====,\s\up7(△))Na2CO3＋CO2↑＋H2O、Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3互为可逆反应( )
2．化学反应达到平衡后，反应物和生成物的浓度或百分含量相等( )
3．在一定条件下，向密闭容器中充入1 ml N2和3 ml H2充分反应，生成2 ml NH3( )
答案 1.× 2.× 3.×
一、可逆反应的特征
1．在一密闭容器中进行反应：2X(g)＋Y(g)2Z(g)。已知反应过程中某一时刻X、Y、Z的浓度分别为0.3 ml·L－1、0.1 ml·L－1、0.4 ml·L－1，当反应达到平衡时，不可能存在的是( )
A．c(X)＝0.5 ml·L－1
B．c(Y)＋c(X)＝0.5 ml·L－1
C．c(Y)＋c(Z)＝1.05 ml·L－1
D．c(X)＋c(Y)＋c(Z)＝0.75 ml·L－1
答案 C
解析 不确定下一时刻反应进行的方向，因此需要考虑反应进行的方向并结合极限思想解答。若该时刻后反应正向进行且Y全部转化为Z，则
2X(g)＋Y(g)2Z(g)
某时刻/(ml·L－1) 0.3 0.1 0.4
转化/(ml·L－1) 0.2 0.1 0.2
平衡/(ml·L－1) 0.1 0 0.6
若反应逆向进行，且Z全部转化为X和Y，则
2X(g)＋Y(g)2Z(g)
某时刻/(ml·L－1) 0.3 0.1 0.4
转化/(ml·L－1) 0.4 0.2 0.4
平衡/(ml·L－1) 0.7 0.3 0
平衡时0.1 ml·L－1＜c(X)＜0.7 ml·L－1，可能等于0.5 ml·L－1，故A不选；平衡时0.1 ml·L－1＜c(Y)＋c(X)＜1.0 ml·L－1，c(Y)＋c(X)可能等于0.5 ml·L－1，故B不选；平衡时0.3 ml·L－1＜c(Y)＋c(Z)＜0.6 ml·L－1，不可能等于1.05 ml·L－1，故C选；平衡时0.7 ml·L－1＜c(X)＋c(Y)＋c(Z)＜1.0 ml·L－1,0.75 ml·L－1介于0.7 ml·L－1和1.0 ml·L－1之间，故D不选。
二、平衡状态的标志
2．在一定温度下的恒容容器中，当下列物理量不再发生变化时：①混合气体的压强；②混合气体的密度；③混合气体的总物质的量；④混合气体的平均相对分子质量；⑤混合气体的颜色；⑥各反应物或生成物的浓度之比等于化学计量数之比；⑦某种气体的百分含量。
(1)能说明2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)达到平衡状态的是______________(填序号，下同)。
(2)能说明I2(g)＋H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是______________。
(3)能说明2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的是________________________。
(4)能说明C(s)＋CO2(g)2CO(g)达到平衡状态的是______________。
(5)能说明NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)达到平衡状态的是______________。
(6)能说明5CO(g)＋I2O5(s)5CO2(g)＋I2(s)达到平衡状态的是______________。
答案 (1)①③④⑦ (2)⑤⑦ (3)①③④⑤⑦
(4)①②③④⑦ (5)①②③ (6)②④⑦
3．若上述题目中的(1)～(4)改成一定温度下的恒压密闭容器，结果又如何？
(1)__________________。(2)__________________。
(3)__________________。(4)__________________。
答案 (1)②③④⑦ (2)⑤⑦ (3)②③④⑤⑦
(4)②③④⑦
不能作为化学平衡状态“标志”的四种情况：
(1)反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比。
(2)恒温恒容下的体积不变的反应，体系的压强或总物质的量不再随时间而变化，如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。
(3)全是气体参加的体积不变的反应，体系的平均相对分子质量不再随时间而变化，如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。
(4)全是气体参加的反应，恒容条件下体系的密度保持不变。
考点二 化学平衡常数
1．概念
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，即化学平衡常数，用符号K表示。
2．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，K＝eq \f(cpC·cqD,cmA·cnB)(固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入化学平衡常数表达式中)。
3．影响因素
K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关，与压强变化、是否使用催化剂无关。
4．平衡常数的意义及应用
(1)判断可逆反应进行的程度
(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＝eq \f(ccC·cdD,caA·cbB)。
Q＜K，反应向正反应方向进行；
Q＝K，反应处于平衡状态；
Q＞K，反应向逆反应方向进行。
(3)判断可逆反应的热效应
1．C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式为K＝eq \f(cCO·cH2,cC·cH2O)( )
2．平衡常数发生变化，化学平衡一定发生移动( )
3．化学平衡发生移动，平衡常数一定发生变化( )
4．平衡常数K越大，表示反应进行得越快( )
5．温度不变，增大反应物浓度，平衡正向移动，平衡常数增大( )
6．反应A(g)＋B(g)C(g)达到平衡后，温度不变，增大压强，平衡正向移动，平衡常数增大( )
答案 1.× 2.√ 3.× 4.× 5.× 6.×
一、化学平衡常数与化学方程式的关系
1．请写出下列反应的平衡常数，并找出K1和K2、K3的关系。
(1)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) K1
(2)eq \f(1,2)N2(g)＋eq \f(3,2)H2(g)NH3(g) K2
(3)2NH3(g)N2(g)＋3H2(g) K3
答案 K1＝eq \f(c2NH3,cN2·c3H2)，K2＝ SKIPIF 1 < 0 ，K3＝eq \f(cN2·c3H2,c2NH3)。K2＝ SKIPIF 1 < 0 ，K3＝eq \f(1,K1)。
2．已知下列反应的平衡常数：
①H2(g)＋S(s)H2S(g) K1；
②S(s)＋O2(g)SO2(g) K2；
则反应H2(g)＋SO2(g)O2(g)＋H2S(g)的平衡常数K＝________(用K1和K2表示)。
答案 eq \f(K1,K2)
(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n倍或eq \f(1,n)倍，则化学平衡常数变为原来的n次幂或eq \f(1,n)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。
二、化学平衡常数的应用
3．研究发现，液态苯是优质储氢材料：C6H6(l)＋3H2(g)C6H12(l)。一定温度下，在密闭容器中充入一定量液态苯(足量)和适量氢气，经反应达到平衡后，测得c(H2)＝2 ml·L－1。保持温度不变，将体积压缩至原来的一半，达到新平衡时c(H2)为( )
A．1 ml·L－1 B．2 ml·L－1
C．3 ml·L－1 D．4 ml·L－1
答案 B
解析 K＝eq \f(1,c3H2)，温度不变，K不变，则c(H2)不变，故c(H2)＝2 ml·L－1。
4．在300 mL的密闭容器中，放入镍粉并充入一定量的CO气体，一定条件下发生反应：Ni(s)＋4CO(g)Ni(CO)4(g)，已知该反应平衡常数与温度的关系如下表所示。下列说法不正确的是( )
A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应
B．25 ℃时，反应Ni(CO)4(g)Ni(s)＋4CO(g)的平衡常数为2×10－5
C．80 ℃时，测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 ml·L－1，则此时v正>v逆
D．80 ℃达到平衡时，测得n(CO)＝0.3 ml，则Ni(CO)4的平衡浓度为2 ml·L－1
答案 C
解析 温度升高，平衡常数减小，故正反应为放热反应，A项正确；25 ℃时，逆反应的平衡常数K′＝eq \f(1,K)＝eq \f(1,5×104)＝2×10－5，B项正确；80 ℃时，若Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 ml·L－1，则Q＝eq \f(c[NiCO4],c4CO)＝eq \f(0.5,0.54)＝8>K，v正＜v逆，C项错误；80 ℃达到平衡时，若n(CO)＝0.3 ml，c(CO)＝1 ml·L－1，故c[Ni(CO)4]＝K·c4(CO)＝2×14 ml·L－1＝2 ml·L－1，D项正确。
5．已知反应：FeO(s)＋CO(g)Fe(s)＋CO2(g) ΔH>0。
(1)此反应的平衡常数表达式为K＝________。
(2)温度降低，则K________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)已知1 100 ℃时，K＝0.263。若1 100 ℃时测得c(CO2)＝0.025 ml·L－1，c(CO)＝0.01 ml·L－1，此时该反应________(填“处于”或“不处于”)化学平衡状态，化学反应速率：正反应速率______(填“>”“v(Z)，正确；C项，若Z点为平衡点，此时c(TOME)＝0.02a ml·L－1，c(MTP)＝ 0.98a ml·L－1，但因移出甲醇，甲醇浓度不为0.98a ml·L－1，错误；D项，0～150 min时间内，Δc(MTP)＝0.67a ml·L－1，正确。
12．(1) 工业上，裂解正丁烷可以获得乙烯、丙烯等化工原料。
反应1：C4H10(g，正丁烷)CH4(g)＋C3H6(g) ΔH1
反应2：C4H10(g，正丁烷)C2H6(g)＋C2H4(g) ΔH2
某温度下，向2 L恒容密闭容器中投入2 ml正丁烷，假设控制反应条件，只发生反应1，达到平衡时测得CH4的体积分数为eq \f(1,3)。下列情况表明上述反应达到平衡的是________(填字母，下同)。
A．混合气体的密度保持不变
B．甲烷、丙烯的生成速率相等
C．混合气体压强保持不变
D．丙烯的体积分数保持不变
(2)深入研究碳、氮元素的物质转化有着重要的实际意义，合成尿素的反应为2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(s)＋H2O(l) ΔH＝－87.0 kJ·ml－1
若向某恒温且恒容的密闭容器中加入等物质的量的NH3和CO2，发生上述反应。下列叙述不能说明反应已经达到平衡状态的是________。
A．断裂6 ml N—H的同时断裂2 ml O—H
B．压强不再变化
C．混合气体的密度不再变化
D．CO2的体积分数不再变化
(3)反应：4NO2(g)＋2NaCl(s)2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)，恒温恒容情况下，下列说法能判断此反应达到平衡的是________。
A．气体物质中氮元素与氧元素的质量比不变
B．容器内气体密度不变
C．容器内气体颜色不变
D．容器内NaNO3的浓度保持不变
答案 (1)CD (2)A (3)ABC
解析 (1)气体密度等于气体质量除以容器体积，反应1的反应物和生成物都是气体，气体质量不变，容器体积不变，因此在恒温恒容条件下气体密度始终不变，因此密度不变不能作为判断平衡的标志，故A不符合题意；甲烷、丙烯均属于生成物，两者的化学计量数相同，无论是否达到平衡，它们的生成速率始终相等，故B不符合题意；在恒容恒温下，气体分子数逐渐增多，气体压强逐渐增大，当压强不变时反应达到平衡，故C符合题意；丙烯体积分数由0逐渐增大，丙烯体积分数不变时表明反应达到平衡，故D符合题意。
(2)根据方程式可知：每2分子NH3反应产生1分子CO(NH2)2，会断裂2个N—H，即1个NH3分子断裂1个N—H。现在断裂6 ml N—H, 就是6 ml NH3反应，要生成3 ml H2O，形成6 ml O—H；断裂2 ml O—H，就是1 ml水发生反应，生成水的物质的量大于消耗水的物质的量，正、逆反应速率不相等，没有达到平衡，A符合题意；该反应在恒温恒容条件下进行，反应前后气体的物质的量发生改变，当气体压强不再变化时，气体的物质的量不变，则反应达到了平衡状态，B不符合题意；反应前后气体的质量发生变化，而反应在恒温恒容条件下进行，气体的体积不变，则混合气体的密度不再变化，说明反应达到了平衡状态，C不符合题意；若CO2的体积分数不再变化，说明混合气体中各气体的物质的量不变，反应达到了平衡状态，D不符合题意。
(3)反应物NO2中氮元素与氧元素的质量比为7∶16，生成物NO中氮元素和氧元素的质量比为7∶8，所以未平衡前气体物质中氮元素和氧元素的质量比是变量，当气体物质中氮元素与氧元素的质量比不变时，反应达到了平衡，故A选；随着反应的进行，气体物质的质量在减小，而容器体积不变，所以混合气体的密度在减小，当容器内气体密度不变时，反应达到了平衡，故B选；NO2是红棕色气体，Cl2是黄绿色气体，未平衡前混合气体的颜色在改变，当容器内气体颜色不变时，说明NO2和Cl2的浓度均不再改变，反应达到了平衡，故C选；NaNO3是固体，不能用固体浓度不变衡量反应是否达到平衡，故D不选。
13．已知：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH
(1)经测定不同温度下该反应的平衡常数如下：
该反应为________(填“放热”或“吸热”)反应。
(2)250 ℃时，某时刻测得该反应的反应物与生成物浓度为c(CO)＝0.4 ml·L－1、c(H2)＝
0.4 ml·L－1、c(CH3OH)＝0.8 ml·L－1，则此时v正______(填“>”“＝”或“