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第二章化学反应速率和化学平衡二

第二章化学反应速率与化学平衡(复习二)

二、化学平衡状态 化学平衡的移动

(一)化学平衡

1、化学平衡研究的对象——可逆反应

(1)概念:

在相同条件下既可以向正反应方向进行,同时又可以向逆反应方向进行的化学反应。

(2)特点:

三同一小(a.相同条件下;b.正逆反应同时进行;c.反应物与生成物同时存在;任一组分的转化率都小于100%。

(3)表示方法:

在化学方程式中用“⇋”表示。

2、化学平衡状态

(1)概念:

一定条件下的可逆反应,当反应进行到一定程度时,正反应速率和逆反应速率相等,反应物的浓度和生成物的浓度不再改变,我们称为“化学平衡状态”,简称化学平衡。

(2)建立过程:

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:

(3)特征:

动:

化学反应达到平衡状态时,反应并没有停止,是一种动态平衡;

等:

正逆反应速率相等(本质);

定:

定组成,平衡时各组分的浓度保持不变;

变:

任何化学平衡状态都是暂时的、相对的、有条件的,条件变平衡可能发生移动;

逆:

研究对象是可逆反应;

同:

对于同一个平衡体系,不管从哪个方向进行,平衡后都达到相同的状态。

3、化学平衡状态的判断

(1)从本质上判断“逆向相等”:

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正反应速率和逆反应速率相等。

以mA(g)+nB(g)⇋pC(g)+qD(g)为例

①在单位时间内消耗了mmolA,同时生成mmolA(或生成nmolB、消耗生成pmolC),即v(正)=v(逆);

②等价于同一物质的断键与成键速率相等;

③v(A)正∶v(B)逆=m∶n

注:

v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q,v(正)不一定等于v(逆)

(2)从特征上判断“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;一个随反应的进行保持不变的量,不能作为是否是平衡状态的判断依据。

①各组分的物质的量、质量、气体的体积不变——一定平衡

②各组分的质量分数、摩尔分数、体积分数不变——一定平衡

③混合气体的总质量不变——有非气态物质时平衡;全是气体时不一定平衡

④混合气体的总物质的量不变——m+n=p+q不一定平衡;m+n≠p+q一定平衡

⑤恒压条件下混合气体的总体积不变——m+n=p+q不一定平衡;m+n≠p+q一定平衡

⑥恒容条件下混合气体的总压强不变——m+n=p+q不一定平衡;m+n≠p+q一定平衡

⑦混合气体的密度不变——m总、V总都不变不一定平衡;m总、V总至少有一个变一定平衡

⑧混合气体的平均分子量不变——m总、n总都不变不一定平衡;m总、n总至少有一个变一定平衡

⑨温度不变(既不放热也不吸热)——一定平衡

⑩颜色不变——一定平衡

例1一定温度下在一容积不变的密闭容器中发生可逆反应2X(g)⇋Y(g)+Z(s),以下不能说明该反应达到化学平衡状态的是(  )

A.混合气体的密度不再变化B.反应容器中Y的质量分数不变

C.X的分解速率与Y的消耗速率相等D.单位时间内生成1molY的同时生成2molX

例2(2015·衡水模拟)在一个不传热的固定容积的密闭容器中,发生可逆反应mA(g)+nB(g)⇋pC(g)+qD(g),当m、n、p、q为任意整数时,反应达到平衡的标志是(  )

①体系的压强不再改变 ②体系的温度不再改变 ③各组分的浓度不再改变 ④各组分质量分数不再改变 ⑤反应速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q ⑥单位时间内mmolA断键反应,同时pmolC也断键反应 ⑦体系的密度不再变化

A.③④⑤⑥B.②③④⑥C.①③④⑤D.③④⑥⑦

4、“极值”思想在化学平衡计算中的应用

假设反应正向或逆向进行到底,求出各物质浓度的最大值和最小值,从而确定它们的浓度范围。

假设反应正向进行到底:

X2(g)+Y2(g)2Z(g)

起始浓度/(mol·L-1)0.10.30.2

改变浓度/(mol·L-1)0.10.10.2

终态浓度/(mol·L-1)00.20.4

假设反应逆向进行到底:

X2(g)+Y2(g)2Z(g)

起始浓度/(mol·L-1)0.10.30.2

改变浓度/(mol·L-1)0.10.10.2

终态浓度/(mol·L-1)0.20.40

平衡体系中各物质的浓度范围为X2∈(0,0.2),Y2∈(0.2,0.4),Z∈(0,0.4)。

例3一定条件下,对于可逆反应X(g)+3Y(g)⇋2Z(g),若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零),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,则下列判断正确的是(  )

A.c1∶c2=3∶1B.平衡时,Y和Z的生成速率之比为2∶3

C.X、Y的转化率不相等D.c1的取值范围为0mol·L-1

例4可逆反应N2+3H2⇋2NH3,在容积为10L的密闭容器中进行,开始时加入2molN2和3molH2,达平衡时,NH3的浓度不可能达到(  )

A.0.1mol/LB.0.2mol/LC.0.05mol/LD.0.15mol/L

(二)化学平衡移动

1、化学平衡移动过程

2、化学平衡移动方向与化学反应速率的关系

(1)v正>v逆:

平衡向正反应方向移动。

(2)v正=v逆:

反应达到平衡状态,平衡不移动。

(3)v正<v逆:

平衡向逆反应方向移动。

3、改变条件与化学平衡移动方向的关系

勒夏特列原理:

如果改变影响化学平衡的条件(浓度、压强、温度等)之一,平衡将向着减弱这种改变的方向移动。

(增谁减谁,减谁增谁,增者必争,减者必减)

注:

(1)改变固体或纯液体的量,对化学平衡没影响。

(2)“惰性气体”对化学平衡的影响。

①恒温、恒容条件:

原平衡体系

体系总压强增大―→体系中各组分的浓度不变―→平衡不移动。

②恒温、恒压条件:

(3)同等程度地改变反应混合物中各物质的浓度时,应视为压强的影响。

改变影响平衡的一个条件

化学平衡移动方向

速率变化曲线

浓度

增大反应物浓度

向正反应方向移动

减小反应物浓度

向逆反应方向移动

增大生成物浓度

向逆反应方向移动

减小生成物浓度

向正反应方向移动

压强

增大体系压强

向气体体积减小的反应方向移动

减小体系压强

向气体体积增大的反应方向移动

前后气体的化学计量数之和相等

温度

升高温度

向吸热反应方向移动

降低温度

向放热反应方向移动

使用催化剂,v正、v逆同等倍数增大,平衡不移动

例5对可逆反应2A(s)+3B(g)⇋C(g)+2D(g) ΔH<0,在一定条件下达到平衡。

下列有关叙述正确的是(  )①增加A的量,平衡向正反应方向移动 ②升高温度,平衡向逆反应方向移动,v(正)减小 ③压强增大一倍,平衡不移动,v(正)、v(逆)不变 ④增大B的浓度,v(正)>v(逆) ⑤加入催化剂,B的转化率提高

A.①②B.④C.③D.④⑤

例6(2012·大纲卷)合成氨所需的氢气可用煤和水作原料经多步反应制得,其中的一步反应为:

CO(g)+H2O(g)⇋CO2(g)+H2(g) ΔH<0反应达到平衡后,为提高CO的转化率,下列措施中正确的是(  )

A.增加压强B.降低温度C.增大CO的浓度D.更换催化剂

例7(2012·重庆高考)在一个不导热的密闭反应器中,只发生两个反应:

a(g)+b(g)⇋2c(g);ΔH1<0

x(g)+3y(g)⇋2z(g);ΔH2>0

进行相关操作且达到平衡后(忽略体积改变所做的功),下列叙述错误的是(  )

A.等压时,通入惰性气体,c的物质的量不变B.等压时,通入z气体,反应器中温度升高

C.等容时,通入惰性气体,各反应速率不变D.等容时,通入z气体,y的物质的量浓度增大

例8在100℃时,将0.40molNO2气体充入2L密闭容器中,每隔一段时间对该容器的物质进行测量,得到的数据如下表:

时间(s)

0

20

40

60

80

n(NO2)(mol)

0.40

n1

0.26

n3

n4

n(N2O4)(mol)

0.00

0.05

n2

0.08

0.08

下列说法中正确的是(  )

A.反应开始20s内NO2的平均反应速率是0.001mol·L-1·s-1

B.80s时混合气体的颜色与60s时颜色相同,比40s时的颜色深

C.80s时向容器内加0.32molHe,同时将容器扩大为4L,则平衡不移动

D.若起始投料为0.20molN2O4,相同条件下达到平衡,则各组分的含量与原平衡相同

4、转化率与平衡移动的关系

(1)温度或压强改变引起平衡向正反应方向移动时,反应物的转化率必然增大。

(2)反应物用量的改变

①若反应物只有一种时,如aA(g)

bB(g)+cc(g),增加A的量,平衡向正反应方向移动,但反应物A的转化率与气体物质的化学计量数有关:

②若反应物不止一种时,如aA(g)+bB(g)

cC(g)+dD(g):

a.若只增加A的量,平衡向正反应方向移动,而A的转化率减小,B的转化率增大。

b.若按原比例同倍数的增加反应物A和B的量,则平衡向正反应方向移动,而反应物的转化率与气体物质的计量数有关:

c.若不同倍增加A、B的量,相当于增加了一种物质,同a。

(3)催化剂不改变转化率。

(4)反应物起始的物质的量之比等于化学计量数之比时,各反应物转化率相等。

5、等效平衡思想在计算中的应用

由于化学平衡状态与条件有关,而与建立平衡的途径无关因而,同一可逆反应,从不同状态开始,只要达到平衡时条件(温度,浓度,压强等)完全相同,则可形成等效平衡。

(1)恒温恒容下,对于反应前后气体体积发生变化的反应来说(即△V≠0的体系),改变起始加入物质的物质的量,等价转化后,如通过可逆反应的化学计量数换算成同一半边的物质的物质的量与原平衡相等,即对应各物质起始投料的物质的量与原平衡起始态相同,则达平衡后与原平衡等效;

(2)恒温恒容下,对于反应前后气体体积没有变化的反应来说(即△V=0的体系),改变起始加入物质的物质的量,等价转化,只要按化学计量数,换算成同一半边的物质的量之比与原平衡起始态相同,则达平衡后与原平衡等效;

(3)恒温恒压下,改变起始加入物质的物质的量,只要按化学计量数,换算成同一半边的物质的物质的量之比与原平衡相同,则达平衡后与原平衡等效。

6、化学平衡图像

(1)速率-压强(或温度)图像

例如:

N2(g)+3H2(g)⇋2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1(如下图)

曲线的意义是外界条件(如温度、压强等)对正、逆反应速率影响的变化趋势及变化幅度。

图中交点是平衡状态,温度增大后逆反应速率增大得快,平衡向逆向移动;压强增大后正反应速率增大得快,平衡向正向移动。

例9(2015·江西新余质检)可逆反应mA(g)⇋nB(g)+pC(s)

ΔH=Q,温度和压强的变化对正、逆反应速率的影响分别符合下图中的两个图像,以下叙述正确的是(  )

A.m>n,Q>0B.m>n+p,Q>0C.m>n,Q<0D.m

例10下列各图是温度(或压强)对反应:

2A(s)+2B(g)⇋2C(g)+D(g)(正反应为吸热反应)的正、逆反应速率的影响,曲线交点表示建立平衡时的温度或压强,其中正确的是(  )

(2)百分含量(或转化率)-时间-温度(压强)图像

已知不同温度或压强下,反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线,推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。

[以A(g)+B(g)⇋C(g)中反应物的转化率αA为例说明]

解答这类图像题时应注意以下两点:

“先拐先平,数值大”原则:

分析反应由开始(起始物质相同时)达到平衡所用时间的长短可推知反应条件的变化。

①若为温度变化引起,温度较高时,反应达平衡所需时间短。

如甲中T2>T1。

②若为压强变化引起,压强较大时,反应达平衡所需时间短。

如乙中p1>p2。

③若为是否使用催化剂,使用适宜催化剂时,反应达平衡所需时间短。

如图丙中a使用催化剂。

正确掌握图像中反应规律的判断方法:

①图甲中,T2>T1,升高温度,αA降低,平衡逆移,正反应为放热反应。

②图乙中,p1>p2,增大压强,αA升高,平衡正移,则正反应为气体体积缩小的反应。

③若纵坐标表示A的百分含量,则甲中正反应为吸热反应,乙中正反应为气体体积增大的反应。

例11已知可逆反应:

4NH3(g)+5O2(g)⇋4NO(g)+6H2O(g)

ΔH=-1025kJ/mol,若反应物的起始物质的量相同,下列关于该反应的示意图不正确的是(  )

例12一定条件下,下列反应中水蒸气含量随反应时间的变化趋势符合如图的是(  )

A.CO2(g)+2NH3(g)⇋CO(NH2)2(s)+H2O(g)ΔH<0

B.CO2(g)+H2(g)⇋CO(g)+H2O(g) ΔH>0

C.CH3CH2OH(g)⇋CH2===CH2(g)+H2O(g) ΔH>0

D.2C6H5CH2CH3(g)+O2(g)⇋2C6H5CH===CH2(g)+2H2O(g) ΔH<0

(3)恒温线(或恒压线)图像

已知不同温度下的转化率-压强图像或不同压强下的转化率-温度图像,推断反应的热效应或反应前后气体物质间化学计量数的关系。

[以反应A(g)+B(g)⇋C(g)中反应物的转化率αA为例说明]

解答这类图像题时应注意以下两点:

①“定一议二”原则:

可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应方程式中反应物与产物气体物质间的化学计量数的大小关系。

如甲中任取一条温度曲线研究,压强增大,αA增大,平衡正移,正反应为气体体积减小的反应,乙中任取横坐标一点作横坐标垂直线,也能得出结论。

②通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应的热效应。

如利用上述分析方法,在甲中作垂直线,乙中任取一曲线,即能分析出正反应为放热反应。

例13(2015·武汉模拟)有一化学平衡mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),如图所示的是A的转化率与压强、温度的关系。

下列叙述正确的是(  )

A.正反应是放热反应;m+n>p+qB.正反应是吸热反应;m+n

C.正反应是放热反应;m+np+q

例14如图是温度和压强对反应X+Y⇋2Z影响的示意图。

图中纵坐标表示平衡混合气体中Z的体积分数。

下列叙述正确的是(  )

A.X、Y、Z均为气态

B.恒容时,混合气体的密度可作为此反应是否达到化学平衡状态的判断依据

C.升高温度时v正增大,v逆减小,平衡向右移动

D.使用催化剂Z的产率提高

(4)几种特殊图像

①对于化学反应mA(g)+nB(g)⇋pC(g)+qD(g),M点前,表示化学反应从反应物开始,则v正>v逆;M点为刚达到的平衡点。

M点后为平衡受温度的影响情况,即升温,A%增大(C%减小),平衡左移,ΔH<0。

②对于化学反应mA(g)+nB(g)⇋pC(g)+qD(g),L线上所有的点都是平衡点。

左上方(E点),A%大于此压强时平衡体系中的A%,E点必须朝正反应方向移动才能达到平衡状态,所以,E点v正>v逆;则右下方(F点)v正

例15如图所示是表示其他条件一定时,2NO(g)+O2(g)⇋2NO2(g) ΔH<0反应中NO的转化率与温度的关系曲线,图中标有a、b、c、d四点,其中表示未达到平衡状态,且v正>v逆的点是(  )

A.a点B.b点C.c点D.d点

例16向绝热恒容密闭容器中通入SO2和NO2,一定条件下使反应SO2(g)+NO2(g)⇋SO3(g)+NO(g)达到平衡,正反应速率随时间变化的示意图如图所示。

由图可得出的正确结论是(  )

A.反应在c点达到平衡状态B.反应物浓度:

a点小于b点

C.反应物的总能量低于生成物的总能量D.Δt1=Δt2时,SO2的转化率:

a~b段小于b~c段

1.下列关于化学平衡的说法中正确的是(  )

A.一个可逆反应达到的平衡状态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,正反应速率和逆反应速率相等都等于0

C.平衡状态是一种静止的状态,因为反应物和生成物的浓度已经不再改变

D.化学平衡不可以通过改变条件而改变

2.(2015·福州模拟)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

3.将NO2装入带有活塞的密闭容器中,当反应2NO2(g)⇋N2O4(g)达到平衡后,改变某个条件,下列叙述正确的是(  )

A.升高温度,气体颜色加深,则此反应为吸热反应

B.慢慢压缩气体体积,平衡向正反应方向移动,混合气体的颜色变浅

C.慢慢压缩气体体积,若体积减小一半,压强增大,但小于原来的两倍

D.恒温恒容时,充入惰性气体,压强增大,平衡向正反应方向移动,混合气体的颜色变浅

4.在恒容密闭容器中通入A、B两种气体,在一定条件下发生反应:

2A(g)+B(g)⇋2C(g) ΔH>0。

达到平衡后,改变一个条件(x),下列量(y)一定符合图中曲线的是(  )

选项

x

y

A

通入A气体

B的转化率

B

加入催化剂

A的体积分数

C

增大压强

混合气体的总物质的量

D

升高温度

混合气体的总物质的量

5.(2015·芜湖质检)在一体积可变的密闭容器中,加入一定量的X、Y,发生反应mX(g)⇋nY(g) ΔH=QkJ/mol。

反应达到平衡时,Y的物质的量浓度与温度、气体体积的关系如表所示:

气体体积/L

c(Y)/(mol/L)

温度/℃

1

2

4

100

1.00

0.75

0.53

200

1.20

0.90

0.63

300

1.30

1.00

0.70

下列说法正确的是(  )

A.m>nB.Q<0

C.温度不变,压强增大,Y的质量分数减少D.体积不变,温度升高,平衡向逆反应方向移动

6.密闭容器中一定的混合气体发生反应:

xA(g)+yB(g)⇋zC(g),平衡时,测得A的浓度为0.50mol/L,在温度不变时,把容器容积扩大到原来的2倍,使其重新达到平衡,A的浓度为0.30mol/L,有关叙述不正确的是(  )

A.平衡向逆反应方向移动B.B的转化率降低C.x+y>zD.C的体积分数升高

7.在相同温度下,将H2和N2两种气体按不同比例通入相同的恒容密闭容器中,发生反应:

3H2+N2⇋2NH3。

表示起始时H2和N2的物质的量之比,且起始时H2和N2的物质的量之和相等。

下列图像正确的是(  )

8.一定量的混合气体在密闭容器中发生反应:

mA(g)+nB(g)⇋pC(g)达到平衡时,维持温度不变,将气体体积缩小到原来的1/2,当达到新的平衡时,气体C的浓度变为原平衡时的1.9倍,则下列说法正确的是(  )

A.m+n>pB.m+n<pC.平衡向正反应方向移动D.C的质量分数增加

9.可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(s) ΔH=QkJ·mol-1,反应过程中,当其他条件不变时,C在混合物中的含量与温度(T)的关系如图Ⅰ所示,反应速率(v)与压强(p)的关系如图Ⅱ所示。

据图分析,以下说法正确的是(  )

A.T10B.增大压强,B的转化率减小

C.当反应达到平衡时,混合气体的密度不再变化D.a+b>c+d

10.已知反应:

2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g) ΔH<0。

某温度下,将2molSO2和1molO2置于10L密闭容器中,反应达平衡后,SO2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图甲所示。

则下列说法正确的是(  )

A.由图甲知,A点SO2的平衡浓度为0.4mol·L-1

B.由图甲知,B点SO2、O2、SO3的平衡浓度之比为2∶1∶2

C.达平衡后,缩小容器容积,则反应速率变化图像可以用图乙表示

D.压强为0.50MPa时不同温度下SO2转化率与温度关系如丙图,则T2>T1

11.(2015·济南质检)固定和利用CO2,能有效地利用资源,并减少空气中的温室气体。

工业上正在研究利用CO2来生产甲醇燃料的方法,该方法的化学方程式是:

CO2(g)+3H2(g)⇋CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-49.0kJ/mol

某科学实验将6molCO2和8molH2充入一容积为2L的密闭容器中,测得H2的物质的量随时间变化如下图中实线所示(图中字母后数对表示对应的坐标):

回答下列问题:

(1)由图分析,在下列时间段内反应速率最快的时间段是________(填序号)。

a.0~1min        B.1~3min

c.3~8mind.8~11min

(2)仅改变某一条件再进行实验,测得H2的物质的量随时间变化如图中虚线所示。

与实线相比,曲线Ⅰ改变的条件可能是________________,曲线Ⅱ改变的条件可能是________________。

(3)下列表述能表示该反应已达平衡的是________(填序号)。

a.容器内压强不再改变b.容器内气体的密度不再改变

c.容器内气体的平均摩尔质量不再改变d.容器内各物质的物质的量相等

12.一定条件下,体积为1L的密闭容器中发生如下反应:

SiF4(g)+2H2O(g)⇋SiO2(s)+4HF(g)ΔH=+148.9kJ·mol-1。

(1)下列各项中能说明该反应已达化学平衡状态的是________(填字母序号)。

a.v消耗(SiF4)=4v生成(HF)b.容器内气体压强不再变化

c.容器内气体的总质量不再变化d.HF的体积分数不再变化

(2)反应过程中测定的部分数据如下表(表中t2>t1)所示。

反应时间/min

n(SiF4)/mol

n(H2O)/mol

0

1.20

2.40

t1

0.80

a

t2

b

1.60

通过a或b的值及化学平衡原理说明t1时反应是否达到化学平衡状态:

________。

(3)若只改变一个条件使上述反应的化学平衡常数变大,该反应________(填序号)。

a.一定向正反应方向移动b.一定向逆反应方向移动

c.一定是减小压强造成的d.一定是升高温度造成的e.SiF4的平衡转化率一定增大

13.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

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