化学同步人教选修4第二章 化学反应速率和化学平衡第三节 化学平衡第1课时 可逆反应与化学平衡状态.docx

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化学同步人教选修4第二章化学反应速率和化学平衡第三节化学平衡第1课时可逆反应与化学平衡状态

第1课时　可逆反应与化学平衡状态

1．通过溶解和结晶过程的分析，了解化学反应的可逆性。

2．通过化学平衡状态的建立过程，知道化学平衡是一种动态平衡，理解并会判断化学平衡状态的标志。

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）表示方法：

采用“

”连接，把从左向右进行的反应称为正反应，把由右向左进行的反应称为逆反应。

2．化学平衡状态

（1）概念：

在相同条件下，当正、逆两个方向的反应速率相等时，反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度可以保持恒定，这种状态称为化学平衡状态。

（2）特点：

①反应物和生成物处于同一反应体系中，反应条件（如温度、压强等）保持不变。

②达到平衡状态时，体系中所有反应物和生成物的质量或浓度保持不变，体系中的反应并没有停止，只是正、逆反应的速率相等。

[新知探究]

1．2H2＋O2

2H2O和2H2O

2H2↑＋O2↑是不是可逆反应？

为什么？

提示：

不是，因为反应条件不相同。

2．以前学过的可逆反应有哪些？

举出4个例子。

（1）________________________________________________________________________。

（2）________________________________________________________________________。

（3）________________________________________________________________________。

（4）________________________________________________________________________。

提示：

（1）SO2＋H2O

H2SO3　

（2）N2＋3H2

2NH3　

（3）2SO2＋O2

2SO3　（4）Cl2＋H2O

HCl＋HClO

[名师点拨]

　可逆反应的特点

[对点演练]

1．下列各组两个反应互为可逆反应的是（　　）

①H2＋Cl2

2HCl与2HCl

H2↑＋Cl2↑

②H2SO4（浓）＋2HBr===2H2O＋Br2＋SO2↑与Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4

③2NO2===N2O4与N2O4===2NO2

④2SO2＋O2

2SO3与2SO3

2SO2＋O2

A．①②　　　　　　　　　B．②③

C．③④D．②④

[解析]　可逆反应必须是在相同条件下同时向正、逆两个方向都能进行的反应。

③、④为可逆反应。

[答案]　C

[新知探究]

1．化学平衡的建立

在一定条件下，把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。

反应过程如下：

以上过程可用如图表示：

[问题讨论]

在密闭容器中先通入2mol的SO2和1mol的O2，回答下列问题。

（1）反应开始时，v正和v逆哪个最大？

哪个为零？

（2）反应结束能否生成2mol的SO3?

（3）反应达到平衡时，v正和v逆什么关系？

SO2、O2、SO3的分子数之比是不是2∶1∶2?

答案：

（1）v正最大　v逆为零　

（2）不能　（3）v正＝v逆　不是

2．化学平衡状态

一定条件下，可逆反应中，正反应速率与逆反应速率相等，反应混合物中各物质的浓度或质量保持不变的状态。

3．化学平衡状态的特征

[名师点拨]

判断平衡状态的标志

对于可逆反应mA（g）＋nB（g）

pC（g）＋qD（g）。

（1）根本标志：

v正＝v逆≠0

常见形式主要有：

①同一种物质的生成速率等于消耗速率。

如：

v生成（A）＝v消耗（A）。

②在化学方程式同一边的不同物质生成速率与消耗速率之比等于化学计量数之比。

如：

v生成（A）∶v消耗（B）＝m∶n。

③化学方程式两边的不同物质生成（或消耗）速率之比等于化学计量数之比。

如：

v生成（A）∶v生成（D）＝m∶q。

（2）特征标志：

①各组分的浓度不随时间的改变而改变。

②各组分的质量分数、物质的量分数、体积分数不随时间的改变而改变。

③某种反应物的转化率不随时间的变化而变化。

④当m＋n≠p＋q时，体系的压强或平均相对分子质量不随时间的改变而改变。

[对点演练]

2．有下列两个可逆反应。

反应1：

在体积固定的密闭容器中进行可逆反应：

2NO2（g）

2NO（g）＋O2（g）。

其中NO2是红棕色气体。

反应2：

在体积固定的密闭容器中进行可逆反应：

H2（g）＋I2（g）

2HI（g）。

其中I2（气体）是紫色的。

以上两个反应过程中，有下列情况：

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，⑥对于反应1，单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2，⑦对于反应2，用H2、I2和HI表示的反应速率之比为1∶1∶2。

（1）上述情况中能作为反应1达到平衡状态标志的是________。

（2）上述情况中能作为反应2达到平衡状态标志的是________。

（3）若在标准状况下发生反应2（此时碘单质为固体），情况⑤________（填“能”或“不能”）作为反应2达到平衡状态的标志。

[解析]　

（1）对于反应2NO2（g）

2NO（g）＋O2（g），当同一物质的正、逆反应速率相等，v（正）＝v（逆），反应处于平衡状态，①正确。

混合气体的颜色不再改变时，说明c（NO2）一定，故反应处于平衡状态，②正确；气体的密度ρ＝

，其中气体的质量和容器的容积是定值，故气体的密度不变不能作为达到平衡状态的标志，③错误；由于该反应为反应前后气体体积变化的反应，故密闭容器中的压强不变，表明反应处于平衡状态，④正确；混合气体的相对分子质量

＝

，该反应中气体的质量始终保持不变，而气体的物质的量为变量，故平均相对分子质量（

）为变量，当变量保持不变时，表明反应处于平衡状态，⑤正确；单位时间内生成O2和生成NO2的反应方向相反，且二者的物质的量之比为1∶2，故反应处于平衡状态，⑥正确。

（2）对于反应：

H2（g）＋I2（g）

2HI（g），当同一物质的正、逆反应速率相等时，反应处于平衡状态，①正确；混合气体的颜色（I2蒸气）不再改变时，说明c（I2）一定，反应处于平衡状态，②正确；由于气体的质量和气体的容积是定值，故气体的密度不变不能作为平衡状态的标志，③错误；由于该反应为反应前后气体体积不变的反应，容器中气体的物质的量保持不变，则容器中的压强不变，反应不一定处于平衡状态，④错误；由于该反应气体的质量、气体的物质的量是定值，故气体的平均相对分子质量不变时，不能判断反应是否处于平衡状态，⑤错误。

反应的任何时刻，用H2、I2和HI表示的反应速率之比均为1∶1∶2，⑦错误。

（3）反应2中，若I2为固体时，混合气体的平均相对分子质量为变量，当变量保持不变时，表明反应处于平衡状态。

[答案]　

（1）①②④⑤⑥　

（2）①②　（3）能

【归纳总结】

涉及利用气体密度或平均相对分子质量判断可逆反应是否达到平衡状态时，要注意从定义式ρ＝

，M＝

出发进行分析，特别注意V、n（总）、m（气）是否改变。

（1）对于完全为气体且体积不变的反应：

V、n（总）、m（气）均保持不变，因此体系的压强、密度和平均相对分子质量不随时间的变化而变化，不能作为化学平衡状态的标志。

（2）对于完全为气体且体积可变的反应：

体系的密度不随时间改变，可以作为化学平衡状态的标志。

1．下列各组两个反应互为可逆反应的是（　　）

①2H2＋O2

2H2O与2H2O

2H2↑＋O2↑

②H2SO4（浓）＋2HBr===2H2O＋Br2＋SO2↑与Br2＋SO2＋2H2O===2HBr＋H2SO4

③2NO2===N2O4与N2O4===2NO2

④2SO2＋O2

2SO3与2SO3

2SO2＋O2

A．①②　　　　　　　B．②③

C．③④D．②④

解析：

选C　可逆反应必须是在同一条件下同时向两个方向进行的反应，故C项符合题意。

2．反应N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）在密闭容器中进行一段时间后，达到平衡状态。

则下列说法中正确的是（　　）

A．N2、H2不再化合

B．N2、H2、NH3的浓度不再变化

C．N2、H2、NH3的质量相等

D．改变条件，N2、H2、NH3的浓度也不再变化

解析：

选B　达到平衡时，正、逆反应仍在进行，只是正、逆反应速率相等，A项不正确；达到平衡时，各组分的质量或浓度不再发生变化，但它们的质量或浓度不一定相等，B项正确，C项不正确；化学平衡是动态平衡，若条件改变引起平衡移动时，N2、H2、NH3的浓度会随之改变，D项不正确。

3．下列各关系中能说明反应N2＋3H2

2NH3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）

解析：

选C　如果v（正）与v（逆）的比等于化学计量数之比，则该反应达到平衡状态；而v（正）∶v′（正）或v（逆）∶v′（逆）等于化学计量数之比，则不能判断该反应是否达到平衡状态。

4．在容器中进行如下反应：

X2（g）＋Y2（g）

2Z（g），已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1mol·L－1、0.3mol·L－1、0.2mol·L－1，在一定条件下，当反应达到平衡时，各物质的浓度有可能是（　　）

A．Z为0.3mol·L－1B．Y2为0.4mol·L－1

C．X2为0.2mol·L－1D．Z为0.4mol·L－1

解析：

选A　本题可用“一边倒”法来判断：

　　　　　　　X2　＋　Y2

2Z

①全部为反应物0.20.40

②最多的生成物00.20.4

即可得各物质浓度的取值范围：

0

5．在某一容积为5L的密闭容器内，加入0.2mol的CO和0.2mol的H2O，在催化剂存在的条件下加热至高温，发生如下反应：

CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）　ΔH＞0。

反应中CO2的浓度随时间变化情况如图：

（1）根据图中数据，反应开始至达到平衡时，CO的化学反应速率为________；反应达到平衡时，c（H2）＝________。

（2）判断该反应达到平衡的依据是________。

①CO减少的化学反应速率和CO2减少的化学反应速率相等

②CO、H2O、CO2、H2的浓度都相等

③CO、H2O、CO2、H2的浓度都不再发生变化

④正、逆反应速率都为零

解析：

（1）由图可知10min时达到平衡，v（CO）＝v（CO2）＝

＝

＝0.003mol·L－1·min－1。

由化学方程式得c（H2）＝c（CO2）＝0.03mol·L－1。

（2）达到平衡的标志是各物质的百分组成不变，浓度不变，正、逆反应速率相等且不为零。

CO减少的化学反应速率是正反应速率，CO2减少的化学反应速率是逆反应速率。

所以①③可作为判断反应达到平衡的依据。

答案：

（1）0.003mol·L－1·min－1　0.03mol·L－1

（2）①③

一、选择题

1．在已达到平衡的可逆反应2SO2＋O2

2SO3中，充入由18O组成的氧气一段时间后，18O存在于下列物质中的（　　）

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．三种物质中

解析：

选D　充入18O2后，正向移动生成含18O的SO3，由于反应的可逆性，SO3又分解生成SO2、O2，各物质中均含18O。

2．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

解析：

选A　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，最后达平衡时，v正＝v逆≠0。

3．一定条件下，在密闭容器中，能表示反应X（g）＋2Y（g）

2Z（g）一定达到化学平衡状态的是（　　）

①X、Y、Z的物质的量之比为1∶2∶2

②X、Y、Z的浓度不再发生变化

③容器中的压强不再发生变化

④单位时间内生成nmolZ，同时生成2nmolY

A．①②B．①④

C．②③D．③④

解析：

选C　在一定条件下，可逆反应X（g）＋2Y（g）

2Z（g）达到平衡状态时，正反应速率等于逆反应速率，单位时间内X、Y、Z各自生成的物质的量等于其消耗的物质的量，X、Y、Z的浓度不再发生变化，容器中的压强不再发生变化，但X、Y、Z的物质的量之比不一定等于化学计量数之比。

4.

如图是可逆反应X2＋3Y2

2Z在反应过程中的反应速率（v）与时间（t）的关系曲线，下列叙述正确的是（　　）

A．t1时，只有正方向反应

B．0～t1，c（Z）在减小

C．t2～t3，反应不再进行

D．t2～t3，各物质的浓度不再发生变化

解析：

选D　根据vt图像，对于该可逆反应，t1时刻正、逆反应都在进行，0～t1时段v正>v逆，c（Z）在增大；t2时刻v正＝v逆，说明反应达到化学平衡状态，t2～t3时段，反应仍在进行，但由于v正＝v逆，所以各物质的浓度不再发生变化。

5．在一定条件下，容器内某一反应M、N的物质的量随反应时间变化的曲线如图所示，下列表述中正确的是（　　）

A．反应的化学方程式为2M

N

B．t2时，正、逆反应速率相等，达到平衡

C．t3时，正反应速率大于逆反应速率

D．t1时，N的浓度是M的浓度的2倍

解析：

选D　由图像知，O～t2时间内N的浓度的变化量是M浓度的变化量的2倍，可得反应的方程式为2N

M；t2时刻体系并未达到平衡，故正反应速率与逆反应速率不相等；t3时刻反应已达到平衡，此时v正＝v逆，因此选项A、B、C的说法都是错误的。

6．下列说法可以证明反应N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）已达到平衡状态的是（　　）

A．1个N≡N键断裂的同时，有3个H—H键形成

B．1个N≡N键断裂的同时，有3个H—H键断裂

C．N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2

D．1个N≡N键断裂的同时，有6个H—N键形成

解析：

选A　A中表示的反应方向相反，正确；B、D中表示的反应方向相同，故B、D错误；C中N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2时未必达到平衡。

7．工业上常用煤和水作原料经过多步反应制得氢气，其中一步反应原理为CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g），下面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1mol的H2O同时生成1mol的H2

B．两个H—O键断裂的同时有两个C==O键断裂

C．反应容器内的气体密度不再发生变化

D．混合气体的相对分子质量不再发生变化

解析：

选B　单位时间内消耗1mol的H2O，表示的是正反应速率，生成1mol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键断裂表示的是正反应速率，两个C==O键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。

8．在一定温度下的定容密闭容器中，当物质的下列物理量不再变化时，表明反应：

A（s）＋2B（g）

C（g）＋D（g）已达到平衡的是（　　）

A．混合气体的压强　　　　　B．混合气体的密度

C．A的物质的量浓度D．气体的总物质的量

解析：

选B　因为化学方程式两边气体体积相等，故混合气体的压强和总物质的量均始终保持不变，不能用它们作为判断反应是否达到平衡的标志，故A、D不合题意；由于物质A是固体，没有物质的量浓度，C错误；反应中有固体参与使得ρ（气）是一个变化量，故当ρ（气）不再变化时，说明反应达到平衡，B正确。

9．某反应进行过程中，各物质物质的量的变化情况如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．C、D是生成物

B．反应的方程式：

2A＋B

2C

C．2min后各物质的物质的量不再变化

D．该反应不是可逆反应

解析：

选C　D在反应前后物质的量不变，在反应中起催化剂的作用，反应中，A、B的物质的量减少，C的物质的量增多，故A、B是反应物，C为生成物。

其中Δn（A）∶Δn（B）∶Δn（C）＝2∶1∶2，反应进行到2分钟时，A、B、C的物质的量恒定，表明反应处于平衡状态，故该反应为可逆反应。

即反应方程式为：

2A＋B

2C。

10．在4L密闭容器中充入6molA气体和5molB气体，在一定条件下发生反应：

3A（g）＋B（g）

2C（g）＋xD（g）　ΔH＜0，达到平衡时，生成了2molC，经测定D的浓度为0.5mol·L－1，下列判断不正确的是（　　）

A．x＝1

B．平衡时B的转化率为20%

C．B的转化率不变，该反应达到平衡状态

D．容器内温度保持恒定，该反应达到平衡状态

解析：

选A　平衡时c（C）＝c（D）＝0.5mol·L－1，可知x＝2；B的转化率为

×100%＝20%；B的转化率不变，容器内温度保持恒定说明各物质的量保持恒定，反应达到平衡状态。

11．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xmolNO的同时，消耗xmolNH3，则反应达到平衡状态

C．达到化学平衡时，若增大容器体积，则正反应速率减小，逆反应速率增大

D．化学反应速率的关系是2v正（NH3）＝3v正（H2O）

解析：

选A　根据不同物质表示同一反应速率时的关系可知，v逆（O2）∶v逆（NO）＝5∶4，v逆（NO）＝

v逆（O2），代入A中表达式知v正（O2）＝v逆（O2），A正确；NO的生成与NH3的消耗同时表示正反应速率，故B不正确；达到平衡时，增大容器体积，反应物、生成物浓度同时减小，正逆反应速率同时减小，C不正确；在反应的任意状态总有v正（NH3）∶v正（H2O）＝4∶6，即3v正（NH3）＝2v正（H2O），D不正确。

12．一定条件下，可逆反应：

X（g）＋3Y（g）

2Z（g），若X、Y、Z的起始浓度分别为c1mol·L－1、c2mol·L－1、c3mol·L－1（均不为零），反应达到平衡时，X、Y、Z的浓度分别为0.1mol·L－1、0.3mol·L－1、0.08mol·L－1。

则下列判断不正确的是（　　）

A．c1∶c2＝1∶3

B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为3∶2

C．X、Y的转化率不相等

D．c1的取值范围为0

解析：

选C　根据题给数据和反应方程式分析，X和Y的平衡浓度之比为1∶3，反应中浓度变化量之比为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，A正确；平衡时，Y和Z的生成速率之比等于化学方程式中化学计量数之比，等于3∶2，B正确；X、Y的变化量之比和起始量之比相同，所以二者转化率相等，C错误；利用极限法分析，c1的取值范围为0

二、非选择题

13．下列说法中能说明2HI（g）

H2（g）＋I2（g）已达平衡状态的是__________。

（1）单位时间内生成nmolH2的同时生成nmolHI；

（2）一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂；

（3）c（HI）＝c（I2）；

（4）反应速率：

v（H2）＝v（I2）＝

v（HI）；

（5）c（HI）∶c（I2）∶c（H2）＝2∶1∶1；

（6）温度和体积一定时，某一生成物浓度不再变化；

（7）温度和体积一定时，容器内压强不再变化；

（8）条件一定，混合气体的平均相对分子质量不再变化；

（9）温度和体积一定时，混合气体的颜色不再发生变化；

（10）温度和压强一定时，混合气体的密度不再发生变化。

解析：

（1）生成nmolH2的同时生成nmolHI说明正反应速率大于逆反应速率。

（2）一个H—H键断裂（逆反应方向）两个H—I键断裂（正反应方向），即v正＝v逆。

（3）平衡状态时c（HI）、c（I2）浓度不变，但不一定相等。

（4）无论是否达到平衡状态都有这样的关系，未表示出正、逆反应速率。

（5）平衡状态时不一定有这样的浓度关系。

（6）生成物浓度不变，达到平衡状态。

（7）无论是否达到平衡容器内的压强都不变。

（8）气体的总质量不变，气体的物质的量也不变，故无论是否达到平衡状态其平均相对分子质量都不变化。

（9）反应体系中颜色不变即说明c（I2）不变化，达到平衡。

（10）都是气体且体积不变，密度始终不发生变化。

答案：

（2）（6）（9）

14．在200℃时，将amolH2（g）和bmolI2（g）充入体积为VL的密闭容器中，发生反应：

I2（g）＋H2（g）

2HI（g）。

（1）反应刚开始时，由于c（H2）＝________________，c（I2）＝________，而c（HI）＝________，所以化学反应速率________（填“v正”或“v逆”，下同）最大，而________最小（为零）。

（2）随着反应的进行，反应混合物中各组分浓度的变化趋势为c（H2）______，（填“增大”“减小”或“不变”，下同）c（I2）______，而c（HI）________，从而化学反应速率v正________，而v逆________。

（3）当反应进行到v正与v逆________时，此可逆反应就达到了平衡，若保持外界条件不变时，反应混合物中各组分的物质的量、物质的量浓度、质量分数、体积分数、反应物的转化率和生成物的产率等都将________。

解析：

反应开始时，c（H2）＝

mol·L－1，c（I2）＝

mol·L－1，c（HI）＝0，此时v正最大，

v逆＝0；随着反应的进行，c（H2）减小，c（I2）减小，c（HI）增大，故v正减小，v逆增大；当反应进行至v正＝v逆时，各组分的浓度保持不变，即反应处于平衡状态。

答案：

（1）

mol·L－1　

mol·L－1　0　v正　v逆

（2）减小　减小　增大　减小　增大

（3）相等　不变

15．在2L密闭容器内，800℃时反应2NO（g）＋O2（g）

2NO2（g）体系中，n（NO）随时间的变化如表：

时间/s

0

1

2

3

4

5

n（NO）/mol

0.020

0.010

0.008

0.007

0.007

0.007

（1）如图表示NO2的浓度变化的曲线是________。

用O2表示从0～2s内该反应的平衡速率v＝__________。

（2）能说明该反应已达到平衡状态的是________。

A．v（NO2）＝2v（O2）

B．容器内压强保持不变

C．v逆（NO）＝2v