6.2 化学平衡-讲义-2021-2022学年上海市高中化学沪科版(2020)必修第二册.docx
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1、第6章 化学反应速率和化学平衡6.2化学平衡一、可逆反应1可逆反应的定义:在同一条件下,正反应方向和逆反应方向均能同时进行的化学反应称为可逆反应【要点诠释】不管反应方程式如何书写,向右方向进行的反应叫正反应,向左方向进行的反应叫逆反应。一个可逆反应是2个反应组成的体系,含有2个反应速率:v(正)和v(逆)来表示各相应反应的快慢程度,v(正)与v(逆)既相互联系又各自独立。2可逆反应的特点:(1)反应不能进行到底(2)在一定条件下反应物与生成物同时存在(3)由正反应和逆反应2个反应组成,正、逆反应方向同时进行,分别用v(正)和v(逆)来衡量各自反应进行的快慢。(4)若条件保持一定,最终都会建立一
2、个化学平衡状态。3可逆反应的表示方法:可逆反应的化学方程式中,用“”号代替“=”号二、化学平衡1化学平衡的建立(1)浓度对速率的影响的角度对于可逆反应2SO2O22SO3,在一定温度下,将 2 mol SO2(g)和1 mol O2(g)通入一定体积的密闭容器中浓度速率变化v正、v逆关系反应开始反应物浓度最大v正最大v正v逆生成物浓度为0v逆为0反应进行中反应物浓度逐渐减小v正逐渐减小v正v逆生成物浓度逐渐增大v逆增大反应一段时间(t1)后反应物浓度不再改变v正不变v正v逆0生成物浓度不再改变v逆不变(2)利用速率时间(vt)图像分析2化学平衡状态的概念:在一定条件下,当反应进行到一定程度时,
3、正反应速率与逆反应速率相等,反应物的浓度和生成物的浓度都不再改变,达到一种表面静止的状态,称之为化学平衡状态,简称化学平衡【要点诠释】化学平衡状态是可逆反应在一定条件下所能达到的或完成的最大限度,即该反应进行的限度。化学反应的限度决定了反应物在该条件下转化为生成物的最大转化率 对于可逆反应来说,当处于化学平衡状态时,转化率、产率达到了最大限度3化学平衡状态的特征(1)逆:化学平衡状态研究的对象是可逆反应 (2)等:平衡时,同一物质的正、逆反应速率相等,即:v正v逆0(实质) (3)动:平衡时,反应仍在不断进行,是一种动态平衡 (4)定:平衡时,各物质的转化率()、百分含量(w%)、物质的量(n
4、)、物质的质量(m)、物质的量浓度(c)、混合气体的平均摩尔质量()、混合气体的密度()、压强(P)等所有物理量全部恒定(5)变:外界条件改变时,平衡可能被破坏,并在新的条件下建立新的化学平衡,即发生化学平衡移动三、化学平衡状态的判断1任何情况下均可作为标志的是:(1)v(正)=v(逆) 【要点诠释】v(正)=v(逆)在一个反应中,其含义是指对某一物质而言v(生)=v(消),必须包含两个方向的速率(即正反应速率和逆反应速率);同一物质,速率相等,不同物质,速率之比等于化学计量数之比。(2)各组分浓度(百分含量、物质的量、质量)不随时间变化2在一定条件下可作为标志的是:(1)对于有色物质参加或生
5、成的可逆反应体系,颜色不再变化。(2)对于反应前后气体体积变化的反应来说,气体的总的物质的量、平均相对分子质量保持不变,以及恒压下体积不再改变,恒容下压强不再改变,都可以成为判断平衡状态的标志。3不能作为判断标志的是:(1)各物质的物质的量或浓度变化或反应速率之比=化学计量数之比。(2)有气态物质参加或生成的反应,若反应前后气体的体积变化为0,则混合气体平均相对分子质量M和反应总压P不变(恒温恒容)(3)对于均为气体参加或生成的体系,恒容时密度不发生变化。4反应类型分析(如下表所示)对于密闭容器中的反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),根据对化学平衡状态概念的理解,判断下列各情况是
6、否达到平衡。可能的情况举例是否已达平衡混合物体系中各成分的含量各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定平衡各物质的质量或各物质的质量分数一定平衡各气体的体积或体积分数一定平衡总压强、总体积、总物质的量一定不一定平衡正、逆反应速率的关系在单位时间内消耗了mmolA,同时生成mmolA,即v(正)=v(逆)平衡在单位时间内消耗了nmolB,同时生成pmolC不一定平衡v(A):v(B):v(C):v(D)=m:n:p:q不一定平衡在单位时间内生成了nmolB,同时消耗qmolD不一定平衡压强压强不再变化,当m+np+q平衡压强不再变化,当m+n=p+q不一定平衡混合气体的平均相对分子质量()一定
7、,当m+np+q平衡一定,当m+n=p+q不一定平衡温度任何化学反应都伴随着能量变化,在其他条件不变的情况下,体系温度一定平衡气体的密度密度一定不一定平衡颜色反应体系内有色物质的颜色不变,即有色物质的浓度不变平衡四、“三段式”突破平衡转化率和物质百分含量的计算mA(g)nB(g)pC(g)qD(g)起始/mol a b 0 0转化/mol mx nx px qx平衡/mol amx bnx px qx转化率:(A)100%,(B)100%气体体积分数(物质的量分数):(A)100% (D)100%五、化学平衡的移动:1概念:可逆反应达到平衡状态后,反应条件(如浓度、压强、温度)改变,使v正和v
8、逆不再相等,原平衡被破坏,一段时间后,在新的条件下,正、逆反应速率又重新相等,即v正=v逆,此时达到了新的平衡状态,称为化学平衡的移动。应注意此时v正v正,v逆v逆。2平衡发生移动的根本原因:V正、V逆发生改变,导致V正V逆。3平衡发生移动的标志:新平衡与原平衡各物质的百分含量发生了变化。【要点诠释】 新平衡时:V正=V逆,但与原平衡速率不等。 新平衡时:各成分的百分含量不变,但与原平衡不同。 通过比较速率,可判断平衡移动方向: 当V正V逆时,平衡向正反应方向移动;当V正V逆时,平衡向逆反应方向移动;当V正V逆时,平衡不发生移动。4化学平衡移动原理(勒夏特列原理):(1)内容:如果改变影响平衡
9、的条件之一(如:温度、浓度、压强),平衡就将向着能够“减弱”这种改变的方向移动。【要点诠释】原理的适用范围是只有一个条件变化的情况(温度或压强或一种物质的浓度),当多个条件同时发生变化时,情况比较复杂。注意理解“减弱”的含义:定性的角度,平衡移动的方向就是能够减弱外界条件改变的方向。平衡移动的结果能减弱外界条件的变化,如升高温度时,平衡向着吸热反应方向移动;增加反应物,平衡向反应物减少的方向移动;增大压强,平衡向体积减少的方向移动等。定量的角度,平衡结果只是减弱了外界条件的变化而不能完全抵消外界条件的变化量。这种“减弱”并不能抵消外界条件的变化,更不会“超越”这种变化。如:原平衡体系的压强为p
10、,若其他条件不变,将体系压强增大到2p,平衡将向气体体积减小的方向移动,达到新平衡时的体系压强将介于p2p之间。又如:若某化学平衡体系原温度为50,现升温到100(其他条件不变),则平衡向吸热方向移动,达到新平衡时体系温度变为50100。(2)适用范围:已达平衡状态的可逆反应(3)推广:该原理适用于很多平衡体系:如化学平衡、溶解平衡、电离平衡、水解平衡、络合平衡等。5影响化学平衡的外界条件:(1)浓度:其它条件不变时,增大反应物浓度或减小生成物浓度,平衡向正反应方向移动;增大生成物浓度或减小反应物浓度,平衡向逆反应方向移动。【要点诠释】由于纯固体或纯液体的浓度为常数,所以改变纯固体或纯液体的量
11、,不影响化学反应速率,因此平衡不发生移动。所以浓度改变仅适用于溶液或气体物质。(2)压强:其它条件不变时,对于有气体参加的可逆反应:【要点诠释】若反应前、后气体的物质的量(或气体体积数)之和不相等:达到平衡后,增大压强,平衡向气体体积数减小的方向移动;减小压强,平衡向气体体积数增大的方向移动;若反应前、后气体的物质的量(或气体体积数)相等:达到平衡后,改变压强,平衡不移动。(3)温度:其它条件不变时,升高温度,平衡向吸热反应方向移动;降低温度,平衡向放热反应方向移动。【要点诠释】对于可逆反应,催化剂同等程度地改变正、逆反应速率,所以使用催化剂化学平衡不移动。【小结】:外界条件对化学平衡的影响结
12、果外界条件对化学平衡的影响“仅”改变影响平衡的一个条件化学平衡的移动方向化学平衡移动的结果增大反应物浓度向正反应方向移动反应物浓度减小,但比原来大减小反应物浓度向逆反应方向移动反应物浓度增大,但比原来小增大生成物浓度向逆反应方向移动生成物浓度减小,但比原来大减小生成物浓度向正反应方向移动生成物浓度增大,但比原来小增大体系压强向气体体积减小的方向移动体系压强减小,但比原来大减小体系压强向气体体积增大的方向移动体积压强增大,但比原来小升高温度向吸热方向移动体系温度降低,但比原来高降低温度向放热方向移动体系温度升高,但比原来低六、外因对反应速率和化学平衡的影响的比较:1对于可逆反应N23H22NH3
13、正反应为放热反应, 一定条件下达到平衡,分析如下:V正V逆二者关系移动方向N2 转化率缩小容积(即加压)V正V逆升温V正V逆定V充入N2(N2浓度增大)V正V逆定V充入惰性气体(浓度均不变)V正=V逆定压充入惰性气体(相当于扩大容积减压)V正V逆分离出NH3(降低NH3浓度)V正V逆使用(正)催化剂V正=V逆注:“”表示增大,“”表示降低,“”表示不变2对于可逆反应H2(g) I2(g)2H I(g) 正反应为放热反应,一定条件下达到平衡,分析:V正V逆二者关系移动方向H2 转化率缩小容积(即加压)V正=V逆升温V正V逆定V充入H2(H2浓度增大)V正V逆定V充入惰性气体(浓度均不变)V正=V
14、逆定压充入惰性气体(相当于扩大容积减压)V正=V逆分离出H I(g)(降低H I浓度)V正V逆注:“”表示增大,“”表示降低,“”表示不变【要点诠释】上表对相关知识进行了对比分析,但在解题时还须灵活应用。如观察上表,还可以得出以下规律:改变一个影响因素,v正、v逆的变化不可能是一个增大,另一个减小的,二者的变化趋势是相同的,只是变化大小不一样(催化剂情况除外);平衡向正反应方向移动并非v正增大,v逆减小。七、分析化学平衡移动问题的一般思路【要点诠释】(1)不要把v正增大与平衡向正反应方向移动等同;(2)不要把平衡向正反应方向移动与原料转化率的提高等同。(3)“惰性气体”对化学平衡的影响恒温、恒
15、容条件:原平衡体系充入惰性气体 体系总压强增大 体系中各反应成分的浓度不变 平衡不移动恒温、恒压条件:体积不变的反应平衡不移动。体积改变的反应平衡向气体体积增大的方向移动。原平衡体系充入惰性气体 容器容积增大,体系的分压减小 各组分的浓度同等倍数减小【典型例题】类型一:可逆反应例1当可逆反应:2SO2O22SO3达到平衡后,通入18O2,再次达到平衡时,18O存在于( )ASO3和O2中 BSO2和SO3中CSO2、O2和SO3中 DSO2和O2中例2下列不属于可逆反应的是( )AN23H22NH3 BCO2H2OH2CO3C2NO2N2O4 DPbPbO22H2SO4充电 放电 2PbSO4
16、2H2O例3对于可逆反应2A(g)+3B(g)3C(g),在一定条件下,使一定量A和B气体反应,达到平衡状态时,具有的关系是( )A各物质浓度之比为A:B:C=2:3:3B平衡混合物体积是反应开始前的3/5C平衡混合物中各物质的浓度相等D单位时间内,若消耗了a mol A物质,则时也消耗了1.5a mol C物质例4对可逆反应4NH3(g)5O2(g)4NO(g)6H2O(g),下列叙述正确的是( )A达到化学平衡时,4v正(O2)5v逆(NO)B若单位时间内生成x molNO的同时,消耗x mol NH3,则反应达到平衡状态C达到化学平衡时,若增加容器体积,则正反应速率减小,逆反应速率增大D
17、化学反应速率关系是:2v正(NH3)3v正(H2O)类型二:化学平衡的建立例5对于可逆反应达到平衡时,下列说法不正确的是( )A反应物与生成物的浓度不再改变 B正反应速率与逆反应速率均为零C各物质的组成之比不再改变 D该条件下的反应物的转化率最大例6下列说法中不正确的是( )A当一个可逆反应达到平衡状态时,就是这个反应在该条件下所能达到的限度B当一个可逆反应达到平衡状态时,这个反应的正反应速率和逆反应速率相等C可以通过控制反应条件,使2 mol SO2与1 mol O2反应生成2 mol SO3D化学反应的限度可以通过改变条件来改变类型三:化学平衡状态的判断方法例7(双选)在一定温度下,可逆反
18、应A(g)+3B(g)2C(g)达到平衡的标志是( )AC的生成速率与C分解的速率相等 B单位时间内生成n molA,同时生3n molBCA、B、C的浓度不再变化 DA、B、C的分子数比为1:3:2例8(双选)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,表明反应:A(s)+3B(g) 2C(g)+D(g)已达平衡状态的是( )A混合气体的压强 B混合气体的密度 CB的物质的量浓度 D气体的总物质的量例9一定条件下,反应N2+3H22NH3达到平衡的标志是( )A一个NN键断裂的同时,有三个HH键形成 B一个NN键断裂的同时,有三个HH键断裂C一个NN键断裂的同时,有六个NH键断裂D
19、一个NN键断裂的同时,有六个NH键形成 例10可逆反应N2+3H22NH3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( )A3v正(N2)v正(H2) Bv正(N2)v逆(NH3)C2v正(H2)3v逆(NH3) Dv正(N2)3v逆(H2)例11(双选)将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空容器中(假设容器体积不变,固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:H2NCOONH4(s)2NH3(g)+CO2(g),可以判断该分解反应已经达到化学平衡的是( )A2v(NH3)=v(CO2) B密闭容器中总压强不变C密闭容器中混合气体的密
20、度不变 D密闲容器中氨气的体积分数不变例12在两个恒容的密闭容器中进行下列两个可逆反应: (甲)2NO2(g)2NO(g)O2(g) (乙)H2(g)I2(g)2HI(g)现有下列状态:(1)反应物的消耗速率与生成物的生成速率之比等于系数之比(2)反应物的消耗速率与生成物的消耗速率之比等于系数之比(3)速率之比等于系数之比的状态 (4)浓度之比等于系数之比的状态(5)百分含量之比等于系数之比的状态 (6)混合气体的颜色不再改变的状态(7)混合气体的密度不再改变的状态(8)混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态(9)体系温度不再改变的状态 (10)压强不再改变的状态(11)反应物的浓度不再改变
21、的状态 (12)反应物或生成物的百分含量不再改变的状态其中能表明(甲)达到化学平衡状态的是_;能表明(乙)达到化学平衡状态的是_;能表明(甲)、(乙)都达到化学平衡状态的是_类型四:化学平衡的计算例13恒温下,将a molN2和b mol H2的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中,发生如下反应:N2(g)3H2(g) 2NH3(g)(1)若反应进行到某时刻t时,n1(N2)13mol,n1(NH3)6mol,计算a的值。(2)反应达到平衡时,混合气体的体积为716.8L(标况下),其中NH3的含量(体积分数)为25%。计算平衡时NH3的物质的量。(3)原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比
22、(写出最简整数比,下同),n(始)n(平)。(4)原混合气体中,ab。(5)达到平衡时,N2和H2的转化率之比,(N2)(H2)。(6)平衡混合气体中,n(N2)n(H2)n(NH3)。例14在10 L密闭容器中,1 mol A和3 mol B在一定条件下反应:A(g)xB(g) 2C(g),2 min后反应达到平衡时,测得混合气体共3.4 mol,生成0.4 mol C,则下列计算结果正确的是( )A平衡时,物质的量之比n(A)n(B)n(C)2114 Bx值等于3CA的转化率为20%DB的平均反应速率为0.4 molL1min1例15在容积可变的密闭容器中,2 mol N2和8 mol H
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