高中化学化学反应速率和化学平衡第三节化学平衡第1课时化学平衡状态的建立及标志学案新人教版.docx

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高中化学化学反应速率和化学平衡第三节化学平衡第1课时化学平衡状态的建立及标志学案新人教版

第1课时　化学平衡状态的建立及标志

[目标导航]　1.了解化学反应的可逆性，了解可逆反应的概念。

2.了解化学平衡的建立，通过分析化学平衡的建立，培养归纳和形象思维能力。

3.理解化学平衡的特征，树立对立统一的辩证唯物主义观点。

一、可逆反应与不可逆反应

1．可逆反应

（1）概念：

在相同条件下，既能向正反应方向进行又能向逆反应方向进行的化学反应。

（2）表示方法：

用“”表示，把从左向右的反应称作正反应，从右向左的反应称作逆反应。

例如：

SO2与H2O反应可表示为SO2＋H2OH2SO3。

（3）特征：

①正、逆反应发生的条件相同；

②反应不能进行到底，反应体系中，与化学反应有关的各种物质共存。

2．可逆反应与不可逆反应的比较

可逆反应

不可逆反应

在同一条件下，既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向进行的反应称为可逆反应。

化学方程式中用“”表示，如N2＋3H2

2NH3、H2＋I2

2HI

正反应几乎能进行到底或逆反应进行的程度非常小，这样的反应通常称为不可逆反应，如NaOH＋HCl===NaCl＋H2O、H2＋Cl2

2HCl

【合作探究】

1．对于可逆反应：

2SO2＋O22SO3，在混合气体中充入一定量的18O2，足够时间后，18O原子将存在于哪些物质中？

为什么？

答案　存在于SO2、O2、SO3中，因为通入18O2后，SO2和18O2反应生成含有18O的三氧化硫，同时三氧化硫再分解生成含有18O的二氧化硫和氧气。

2．判断下列关于“可逆反应”的叙述是否正确。

（1）反应物和生成物能相互转化的反应都是可逆反应（　　）

（2）可逆反应不能进行到底，反应物和生成物并存（　　）

（3）可逆反应进行到一定程度时，反应就会停止（　　）

（4）可逆反应中反应物的转化率不能达到100%（　　）

（5）H2和O2的化合与H2O的分解是可逆反应（　　）

（6）乙酸和乙醇的酯化反应与乙酸乙酯在碱性条件下的水解反应是可逆反应（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）×　（6）×

二、化学平衡状态

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：

以上过程可用下图表示：

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，反应混合物中各种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

化学平衡状态具有“逆”“等”“动”“定”“变”的特征。

（1）逆：

化学平衡研究的对象是可逆反应。

（2）等：

正反应速率和逆反应速率相等。

（3）动：

化学平衡从表面上或宏观上看好像停止了，但从本质上看反应并未停止，只不过正反应速率与逆反应速率相等罢了。

（4）定：

在平衡混合物中，各组成成分的百分含量保持一定，不再随时间的改变而改变。

（5）变：

化学平衡是在一定条件下建立的暂时平衡，若影响化学平衡的外界条件改变，化学平衡状态就会发生改变。

【合作探究】

1．v正＝v逆指的是同一种物质还是不同种物质？

当v正＝v逆时，化学反应停止了吗？

答案　

（1）化学反应达到平衡状态时，正反应速率和逆反应速率相等是指同一种物质的反应速率与生成速率相等。

不同种物质的正、逆反应速率不一定相等。

（2）v正＝v逆，但二者均不为0，即反应没有停止。

2．化学平衡状态的建立，与反应途径是否有关？

会不会因时间变化而变化？

答案　化学平衡状态的建立与反应途径无关，对于一个给定的可逆反应，如果反应条件一定，不论采取何种途径（反应无论是从反应物开始或还是从生成物开始）最后都能建立相同的化学平衡状态，该平衡状态也不会因时间的变化而变化。

一、可逆反应的判断与利用

【例1】　在密闭容器中进行反应：

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－1

B．Y2为0.4mol·L－1

C．X2为0.2mol·L－1

D．Z为0.4mol·L－1

答案　A

【方法探究】　利用极端假设法确定各物质的浓度范围

上述题目中可利用极端假设法判断，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）。

变式训练1　在密闭容器中进行反应：

X2（g）＋3Y2（g）2Z（g），X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.2mol·L－1、0.6mol·L－1、0.4mol·L－1，当平衡时，下列数据肯定不正确的是（　　）

A．X2为0.4mol·L－1，Y2为1.2mol·L－1

B．Y2为1.0mol·L－1

C．X2为0.3mol·L－1，Z为0.2mol·L－1

D．Z为0.6mol·L－1

答案　A

解析　化学平衡研究的是可逆反应，故解这类题目时要善于利用极值法，可分别考虑反应正向进行彻底和反应逆向进行彻底两种情况。

由可逆反应的含义知，0＜c（X2）＜0.4mol·L－1，0＜c（Y2）＜1.2mol·L－1，0＜c（Z）＜0.8mol·

L－1。

二、化学平衡状态的判断标志

【例2】　可逆反应：

2NO22NO＋O2在恒容的密闭容器中进行，达到平衡状态的标志是（　　）

①单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2

②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO

③用NO2、NO、O2表示的反应速率的比为2∶2∶1的状态

④混合气体的颜色不再改变的状态

⑤混合气体的密度不再改变的状态

⑥混合气体的压强不再改变的状态

⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态

A．①④⑥⑦B．②③⑤⑦

C．①③④⑤D．全部

解析　依据v正＝v逆≠0判断：

①单位时间内生成nmolO2的同时必消耗2nmolNO2，①能说明反应已达到平衡；②描述的均是正反应速率，无法判断；③无论反应是否达到平衡，均有此关系；依据组成一定判断：

④NO2（红棕色）为有颜色的气体，颜色不变能说明反应体系中NO2浓度一定，反应已达到平衡；⑤因ρ＝

，反应前后，m、V均不变，ρ也不变，不能说明反应达到平衡；这是一个反应前后气体分子数发生改变的反应，⑥⑦均能说明反应已达平衡。

答案　A

【归纳总结】

1．判断依据

（1）正反应速率与逆反应速率相等：

v正＝v逆

①对于同一物质，该物质的生成速率等于它的消耗速率；

②对于不同物质，速率之比等于方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。

（2）可逆反应发生过程中的可变量达不变

在可逆反应中有很多可变量，如：

浓度、物质的量、百分含量等，当可变量达不变时，则反应达平衡。

2．判断方法

以反应mA（g）＋nB（g）pC（g）＋qD（g）为例

v正＝v逆

同一物质

生成速率等于消耗速率

不同物质

化学反应速率之比等于化学计量数之比，且表示不同方向（即“一正一逆”）

可变量达不变

各物质的物理量

各组成成分的质量、物质的量、分子数、物质的量浓度保持不变

各物质的含量

各组成成分的质量分数、物质的量分数、气体的体积分数保持不变

气体的总物质的量

m＋n≠p＋q时，气体的总物质的量一定

恒容条件下的压强

m＋n≠p＋q时，总压强一定

恒压条件下气体的密度

m＋n≠p＋q时，ρ＝

一定

混合气体的平均相对分子质量（M

r）

当m＋n≠p＋q时，M

r＝

一定

有颜色变化的反应

气体的颜色不再变化

变式训练2　下列说法可以证明H2（g）＋I2（g）2HI（g）已达平衡状态的是________（填序号）。

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　③百分含量w（HI）＝w（I2）　④反应速率v（H2）＝v（I2）＝

v（HI）　⑤c（HI）∶c（H2）∶c（I2）＝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，混合气体颜色不再变化　⑩温度和压强一定时，混合气体的密度不再变化

答案　②⑥⑨

解析　

（1）对于反应前后气体分子总数不等的可逆反应，可从化学反应速率、化学键断裂、物质的量、物质的量浓度、转化率、颜色、温度、平均相对分子质量、压强、密度等来判断。

（2）对于反应前后气体分子总数相等的可逆反应，可从化学反应速率、化学键断裂、物质的量、物质的量浓度、转化率、颜色、温度等来判断（此时平均相对分子质量、压强、密度不能作为判断依据）。

1．下列有关可逆反应的说法不正确的是（　　）

A．可逆反应是指在同一条件下能同时向正、逆两个方向进行的反应

B．2HI

H2＋I2是可逆反应

C．2H2＋O2

2H2O与2H2O

2H2↑＋O2↑互为可逆反应

D．可逆反应中反应物和生成物同时存在

答案　C

解析　C项中两个反应是在不同的条件下进行的，故两个反应不互为可逆反应，C项不正确。

2．一定条件下，将A、B、C三种物质各1mol通入一个密闭容器中发生反应：

2A＋B2C，达到平衡时，B的物质的量可能是（　　）

A．1.5molB．1mol

C．0.5molD．0

答案　B

解析　可逆反应不能进行彻底，若反应正向进行彻底，则剩余B0.5mol；若反应逆向进行彻底，则剩余B1.5mol。

故平衡时，0.5mol

3．一定条件下反应2AB（g）A2（g）＋B2（g）达到平衡状态的标志是（　　）

A．容器内压强不随时间变化

B．容器内，3种气体AB、A2、B2共存

C．容器中各组分的体积分数不随时间变化

D．AB的消耗速率等于A2的消耗速率

答案　C

解析　A项，该反应为等体积反应，压强不变不能作为平衡的标志；B项，未到达平衡状态，三种物质也能共存；D项，当AB的消耗速率应等于A2消耗速率的2倍时，该反应才达到平衡状态。

4．一定温度下某容积不变的密闭容器中，可逆反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）可建立平衡状态。

下列状态中不能确定该反应已达到平衡状态的是（　　）

A．体系的压强不再发生变化

B．v正（CO）＝v逆（H2O）

C．生成nmolCO的同时生成nmolH2

D．1molH—H键断裂的同时断裂2molH—O键

答案　C

解析　不论反应是否达到平衡状态，生成nmolCO的同时都会生成nmolH2。

5．在一定温度下，向aL密闭容器中加入1molO2和2molNO，发生如下反应：

O2（g）＋2NO（g）2NO2（g），此反应不一定达平衡的是（　　）

A．容器内压强不随时间变化

B．容器内各物质的浓度不随时间变化

C．容器内O2、NO、NO2的浓度之比为1∶2∶2

D．单位时间内生成1molO2，同时生成2molNO2

答案　C

解析　A项，该反应气体数目有变化，当容器内压强不随时间变化时，必达平衡；B项必达平衡；C项中，其比例是反应方程式中的系数比，不能反映量已固定，所以，不一定是平衡状态；D项，O2的生成是逆向反应，NO2的生成是正向反应，比例1∶2与化学方程式计量数相符，必是平衡状态。

[基础过关]

一、化学平衡状态的建立与特征

1．在一定量的密闭容器中进行反应：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）。

已知反应过程中某一时刻N2、H2、NH3的浓度分别为0.1mol·L－1，0.3mol·L－1，0.2mol·L－1。

当反应达到平衡时，可能存在的数据是（　　）

A．N2为0.2mol·L－1，H2为0.6mol·L－1

B．N2为0.15mol·L－1

C．N2、H2均为0.18mol·L－1

D．NH3为0.4mol·L－1

答案　B

解析　解答时，应注意两点：

（1）可逆反应既可向正反应方向进行，同时又可向逆反应方向进行；

（2）可逆反应不能进行到底，只能反应到一定程度达到平衡状态，平衡时各物质的物质的量都大于零。

对于本题，若反应从题给某一时刻开始向正反应方向进行并达到平衡，此时NH3的浓度应小于0.4mol·L－1；若反应从题给某一时刻开始向逆反应方向进行并达到平衡，此时N2的浓度应小于0.2mol·L－1，H2的浓度应小于0.6mol·L－1；从题给量的关系易知无论反应进行到什么程度c（N2）∶c（H2）＝1∶3，因此两者不可能同时均为0.18mol·L－1。

2．哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。

现向一密闭容器中充入1molN2和3molH2，在一定条件下使该反应发生：

N2＋3H2

2NH3。

下列有关说法正确的是（　　）

A．达到化学平衡时，N2将完全转化为氨

B．达到化学平衡时，N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等

C．达到化学平衡时，N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化

D．达到化学平衡时，正、逆反应速率都为零

答案　C

解析　当可逆反应达到化学平衡状态时，v正＝v逆≠0，各组分的浓度（或质量）保持不变，但不一定相等。

3．14CO2与碳在高温条件下发生反应：

14CO2＋C2CO，达到平衡后，平衡混合物中含14C的粒子有（　　）

A．14CO2B．14CO2、14CO

C．14CO2、14CO、14CD．14CO

答案　C

解析　当可逆反应达到平衡状态时，反应并没停止，是一种动态平衡，所以14C在三种物质中都含有。

4．在一定条件下，将0.3molCO2和0.2molH2通入2L密闭容器中，进行反应：

CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）。

下列关于该反应建立平衡的说法正确的是（　　）

A．反应刚开始时，生成物浓度最大，正反应速率最小

B．随着反应的进行，反应物浓度逐渐减小，正反应速率逐渐增大

C．达到平衡状态时反应体系中CO2的浓度为0mol·L－1

D．该反应建立平衡过程中v－t（时间）图像为

答案　A

解析　A项，由于该反应从逆反应开始进行，故反应刚开始时，生成物浓度最大，正反应速率最小，A项正确；随着反应的进行，生成物浓度逐渐减小，逆反应速率逐渐减小，反应物浓度逐渐增大，正反应速率逐渐增大，B项不正确；C项，该反应不能进行彻底，且起始时n（CO2）＞n（H2），故平衡时CO2的浓度不可能是0mol·L－1，C项不正确；D项，该反应建立平衡的过程中，逆反应速率大于正反应速率，且逆反应速率逐渐减小，正反应速率逐渐增大，达到平衡时正、逆反应速率相等，D项不正确。

二、化学平衡状态的判断依据

5．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（　　）

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）

答案　C

解析　达到平衡状态时正、逆反应速率相等，各组成成分的含量不变。

正、逆反应速率相等是指用同一种物质来表示的反应速率。

可逆反应中用各种物质表示的反应速率与化学计量数成正比，需将其转换为同一物质表示速率进行比较。

6．一定条件下，在体积为1L的密闭容器中，1molX和1molY进行反应：

2X（g）＋Y（g）Z（g），下列叙述能证明该反应已达到化学平衡状态的是（　　）

A．X的百分含量不再发生变化

B．c（X）∶c（Y）∶c（Z）＝2∶1∶1

C．容器内原子总数不再发生变化

D．同一时间内消耗2nmolX的同时生成nmolZ

答案　A

解析　反应过程中原子个数守恒，所以C不合题意；消耗2nmolX与生成nmolZ是同一反应方向，也不能说明反应已达平衡；浓度之比为2∶1∶1，不能说明浓度保持不变。

7．下列说法中，可以证明反应N2＋3H22NH3已达到平衡状态的是（　　）

①1个N≡N键断裂的同时有3个H—H键形成

②N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2　③1个N≡N键断裂的同时有6个N—H键形成　④N2、H2、NH3的浓度不再变化

A．①④B．②③C．①③D．②④

答案　A

解析　①中有一个N≡N键断裂时，也应有3个H—H键断裂，即与3个H—H键形成是相反方向的，v正＝v逆，故能说明反应达到平衡状态；②平衡时，N2、H2、NH3的分子数之比不一定为1∶3∶2；③中一个N≡N键断裂的同时必定形成6个N—H键，也不能说明反应达到平衡；④中各物质浓度不变，是化学平衡状态的重要标志之一，反应达到平衡。

三、化学平衡状态的综合判断

8．恒温恒容的情况下，反应A2（g）＋B2（g）2AB（g）达到平衡状态的标志是（　　）

A．容器内气体的密度不随时间而变化

B．容器内的总压强不随时间而变化

C．单位时间内生成2nmolAB的同时，生成nmolB2

D．A2、B2、AB的反应速率比为1∶1∶2的状态

答案　C

解析　ρ＝

，m、V始终不变，则ρ始终不变；该反应是等体反应，所以总压强始终不变；单位时间内生成2nmolAB时消耗nmolB2（正向反应速率），同时生成nmolB2（逆向反应速率），正、逆反应速率相等，说明反应已达平衡；无论是否达到化学平衡，三者反应速率之比始终为1∶1∶2。

9．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各气体组成浓度相等

④反应体系中温度保持不变　⑤断裂H—O键速率是断裂H—H键速率的2倍　⑥混合气体密度不变　⑦单位时间内，消耗水蒸气质量与生成氢气质量比为9∶1

其中能表明甲、乙容器中反应都达到平衡状态的是（　　）

A．①②⑤B．③④⑥C．⑥⑦D．④⑤

答案　D

解析　甲容器中，碳为固态，该可逆反应属于气体体积不相等的反应；乙容器中，反应属于等气体分子数反应，气体相对分子质量、密度、压强都始终不变，①②⑥错误；各组分浓度相等，不能判断反应达到平衡状态，③错误；对于任何一个可逆反应，随着反应进行，体系温度会发生变化，当温度不改变时，说明反应达到平衡状态，④正确；生成H—O键速率是断裂H—H键速率的2倍，经转化，水中H—O键断裂速率等于生成H—O键速率，达到平衡状态，⑤正确；消耗水蒸气与生成氢气是同一方向，不能判断达到平衡状态，⑦错误。

10．一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

答案　C

解析　X的分解速率与Y的消耗速率之比为2∶1时，才能说明反应达到平衡状态．故C项说明反应未达到平衡状态。

[能力提升]

11．在2L密闭容器内，800℃时反应2NO（g）＋O2（g）2NO2（g）　ΔH＜0，n（NO）随时间的变化如下表：

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）下图中表示NO2的变化的曲线是________。

用O2表示从0～2s内该反应的平均速率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正（O2）

D．容器内密度保持不变

答案　

（1）b　1.5×10－3mol·L－1·s－1　

（2）BC

解析　该反应达到平衡时，n（NO）＝0.007mol，此时n（NO2）＝0.013mol，其浓度变化量为0.0065mol·L－1，所以表示NO2的变化曲线是b；0～2s内v（NO）＝

＝0.003mol·L－1·s－1；则v（O2）＝

v（NO）＝

×0.003mol·L－1·s－1＝1.5×10－3mol·L－1·s－1。

（2）中A表示的是同一方向的速率，在任何时候都成立，而D中容器的体积及气体的总质量都不变，气体的密度也始终不变。

12．在698K时，向某VL的密闭容器中充入2molH2（g）和2molI2（g），发生

反应：

H2（g）＋I2（g）2HI（g）　ΔH＝－26.5kJ·mol－1，测得各物质的物质的量浓度与时间变化的关系如图所示。

请回答下列问题：

（1）V＝__________。

（2）该反应达到最大限度的时间是________，该时间内平均反应速率v（HI）＝________。

（3）该反应达到平衡状态时，________（填“吸收”或“放出”）的热量为__________。

答案　

（1）2　

（2）5s　0.316mol·L－1·s－1

（3）放出　41.87kJ

解析　

（1）由图知初始反应时，c（H2）＝c（I2）＝1mol·L－1，而加入的H2和I2的物质的量均为2mol，所以V＝2。

（2）反应达到最大限度即达到化学平衡，所需时间为5s，v（HI）＝

＝0.316mol·

L－1·s－1。

（3）可逆反应从正反应建立，所以需放出热量。

由反应：

H2（g）＋I2（g）2HI（g）　ΔH＝－26.5kJ·mol－1，达到平衡时共生成n（HI）＝1.58mol·L－1×2L＝3.16mol，所以放出的热量为

×3.16mol＝41.87kJ。

[拓展探究]

13．在一定条件下，可逆反应A2（g）＋B2（g）2C（g）达到平衡时，各物质的平衡浓度c（A2）＝0.5mol·L－1、c（B2）＝0.1mol·L－1、c（C）＝1.6mol·L－1，若用a、b、c分别表示A2、B2、C的初始浓度（mol·L－1），则：

（1）a、b应满足的关系是__________________________________________________________。

（2）a的取值范围是______________________________________________________________。

答案　

（1）a＝b＋0.4　

（2）0.4≤a≤1.3

解析　

（1）设转化过程中，A2（g）转化浓度为xmol·L－1，则B2（g）转化浓度为xmol·L－1。

平衡浓度：

a－x＝0.5，b－x＝0.1，解得a＝b＋0.4。

（2）由于无法判断平衡是