人教版 (2019)选择性必修1第二节 化学平衡第1课时导学案

这是一份人教版 (2019)选择性必修1第二节 化学平衡第1课时导学案，共10页。学案主要包含了化学平衡状态，化学平衡常数等内容，欢迎下载使用。


一、化学平衡状态
1．化学平衡状态的概念
在一定条件下的可逆反应体系中，当正、逆反应的速率相等时，反应物和生成物的浓度均保持不变，这表明该反应中物质的转化达到了“限度”，这时的状态称为化学平衡状态，简称化学平衡。
2．化学平衡的特征
化学平衡的特征可以概括为逆、等、动、定、变，即：
(1)逆：研究的对象是可逆反应。
(2)等：化学平衡的条件是v正和v逆相等。
(3)动：化学平衡是一种动态平衡，此时反应并未停止。
(4)定：当可逆反应达到平衡时，各组分的质量(或浓度)为一定值。
(5)变：若外界条件改变，平衡可能发生改变，并在新条件下建立新的平衡。
二、化学平衡常数
1．浓度商
对于一般的可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在任意时刻的eq \f(cpC·cqD,cmA·cnB)称为浓度商，常用Q表示。
2．化学平衡常数
(1)表达式
对于一般的可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，平衡常数的表达式为K＝eq \f(cpC·cqD,cmA·cnB)。
(2)注意事项
①化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。
②反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。
③化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，由于化学方程式的书写不同，平衡常数的表达式不同，如N2＋3H22NH3，K＝a则有：2NH3N2＋3H2，K′＝eq \f(1,a)。eq \f(1,2)N2＋eq \f(3,2)H2NH3，K″＝eq \r(a)。
(3)意义
K值越大→平衡体系中生成物所占的比例越大→正向反应进行的程度越大→反应进行得越完全→反应物的转化率越大；反之，就越不完全，转化率就越小。当K>105时，该反应就进行得基本完全了。
对于可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，其平衡常数K的表达式是什么？若保持其他条件不变，分别增大压强、增大N2浓度，平衡如何移动？平衡常数K如何变化？
提示：K＝eq \f(c2NH3,cN2·c3H2)；增大压强，增大N2的浓度，平衡均正向移动，但平衡常数K不变。
3．利用浓度商、化学平衡常数判断反应方向
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。
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度。(×)
(2)催化剂既能改变速率常数，也能改变化学平衡常数。(×)
(3)对于同一可逆反应，升高温度，则化学平衡常数增大。(×)
(4)增大反应物的浓度，平衡正向移动，化学平衡常数增大。(×)
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
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．反应3Fe(s)＋4H2O(g)Fe3O4(s)＋4H2(g)的平衡常数的表达式K＝______________。
[答案] eq \f(c4H2,c4H2O)
德国化学家哈伯(F.Haber,1868～1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利，即“循环法”，在此基础上，他继续研究，于1909年改进了合成工艺，氨的产率达到8%。这是工业普遍采用的直接合成法。合成氨反应式如下：N2＋3H22NH3，假设该反应在体积不变的密闭容器中发生反应，分析思考下列问题：
合成氨合成塔
[问题1] 容器内混合气体的密度不随时间变化时，该反应是否达到平衡状态？
提示：因容器的体积不变，而混合气体的总质量不改变，则无论平衡与否，混合气体的密度均不变，不能判断反应是否达到平衡状态。
[问题2] 根据问题1分析哪些物理量能够作为合成氨反应达到平衡的标志？
提示：压强、浓度等随着反应进行而变化的物理量，如果不再变化，说明化学反应已达平衡状态。
[问题3] 单位时间内生成2a ml NH3，同时消耗a ml N2时，该反应是否达到平衡状态？
提示：两反应速率均表示正反应速率，反应进行的任何阶段均成比例，不能判断反应是否达到平衡状态。
化学平衡状态的判断标志
(1)直接标志——“正、逆相等”
①v正＝v逆
a．同一种物质的生成速率等于消耗速率；
b．在化学方程式同一边的不同物质的生成速率或消耗速率之比等于化学计量数之比；
c．在化学方程式两边的不同物质的生成(或消耗)速率之比等于化学计量数之比。
②各组分的浓度保持一定
a．各组分的浓度不随时间的改变而改变；
b．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。
(2)间接标志——“变量不变”
①反应体系中的总压强不随时间的改变而变化(适用于反应前后气体体积不等的反应)。
②对于反应混合物中存在有颜色变化的物质的可逆反应，若体系中颜色不再改变，则反应达到平衡状态。
③全是气体参加的反应前后化学计量数改变的可逆反应，平均相对分子质量保持不变。
④对同一物质而言，断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。
1．在一定温度下，将2 ml NO2气体通入恒容密闭容器中，发生如下反应：2NO2(g)N2O4(g)。下列不能说明反应达到平衡的是( )
A．N2O4浓度不再改变
B．NO2的消耗速率等于N2O4的生成速率
C．混合气体的颜色不变
D．混合气体中NO2百分含量不变
B [N2O4浓度不再改变，反应达到平衡状态，A说法正确；NO2的消耗速率和N2O4的生成速率均为正反应速率，不能作为平衡标志，B说法错误；混合气体的颜色不变，NO2的浓度不再发生变化，反应达到平衡状态，C说法正确；混合气体中NO2百分含量不变，反应达到平衡状态，D说法正确。]
2．在恒温下，固定容积的密闭容器中，有可逆反应2SO3(g)2SO2(g)＋O2(g)，可用来确定该反应已达到平衡状态的是( )
A．容器内压强不随时间改变
B．SO3的消耗速率与SO2的生成速率相等
C．三种气体的分子数比为2∶2∶1
D．容器内混合气体的密度不随时间改变
A [该反应为气体体积增大的反应，压强为变量，当容器内压强不随时间改变时，该反应达到平衡状态， A正确； SO3的消耗速率与SO2的生成速率相等，表示的都是正反应速率，无法判断平衡状态， B错误；三种气体的分子数比为2∶2∶1，无法判断各组分的浓度是否继续变化，则无法判断是否达到平衡状态， C错误；该反应中混合气体的密度为定值，无法根据容器内混合气体的密度判断平衡状态， D错误。]
已知在密闭容器中发生可逆反应：M(g)＋N(g)P(g)＋Q(g) ΔH>0。某温度下，反应物的起始浓度分别为c(M)＝1 ml·L－1，c(N)＝2.4 ml·L－1。
[问题1] 若达到平衡后，M的转化率为60%，此时N的平衡浓度是多少？
提示： M(g) ＋N(g)P(g) ＋ Q(g)
超始浓度/(ml·L－1) 1 2.4 0 0
变化浓度/(ml·L－1) 1×60%1×60%1×60% 1×60%
平衡浓度/(ml·L－1)0.4 1.8 0.6 0.6
由三段式得N的平衡浓度为1.8 ml·L－1。
[问题2] 若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为c(M)＝4 ml·L－1，c(N)＝a ml·L－1；达到平衡后，c(P)＝2 ml·L－1，则反应物N的起始浓度为多少？
提示： 温度不变，平衡常数不变，K＝eq \f(0.6×0.6,0.4×1.8)＝eq \f(2×2,4－2×a－2)＝eq \f(1,2)，解得a＝6，即反应物N的起始浓度为6 ml·L－1。
1．化学平衡的计算模式及解题思路
(1)计算模式
aA(g) ＋ bB(g) cC(g) ＋ dD(g)
c(初)/(ml·L－1) n1 n2 0 0
Δc/(ml·L－1) n1x eq \f(b,a)n1x eq \f(c,a)n1x eq \f(d,a)n1x
c(平)/(ml·L－1)n1(1－x)n2－eq \f(b,a)n1xeq \f(c,a)n1x eq \f(d,a)n1x
(2)解题思路
①巧设未知数：具体题目要具体分析，灵活设立，一般设某物质的转化量为x。
②确定三个量：根据反应物、生成物及变化量的三者关系代入未知数确定平衡体系中各物质的起始量、变化量、平衡量并按(1)中“模式”列表。
③解题设问题：明确了“始”“变”“平”三个量的具体数值，再根据相应关系求平衡时某成分的浓度、反应物转化率等，得出题目答案。
2．反应物的转化率＝
eq \f(该反应物的起始浓度－该反应物的平衡浓度,该反应物的起始浓度)×100%。
3．某温度下，在2 L的密闭容器中，加入1 ml X(g)和2 ml Y(g)，发生反应：X(g)＋mY(g)3Z(g)。平衡时，X、Y、Z的体积分数分别为30%、60%、10%。在此平衡体系中加入1 ml Z(g)，再次达到平衡后，X、Y、Z的体积分数不变。下列叙述不正确的是( )
A．m＝2
B．两次平衡的平衡常数相同
C．X与Y的平衡转化率之比为1∶1
D．第二次平衡时，Z的浓度为0.4 ml·L－1
D [在2 L的密闭容器中，反应达平衡时，各物质的体积分数之比等于各物质的物质的量之比，即平衡时，n(X)∶n(Y)∶n(Z)＝30%∶60%∶10%＝3∶6∶1。设第一次平衡时X消耗的物质的量为x，则
X(g) ＋ mY(g)3Z(g)
初始 1 ml 2 ml 0
转化 x mx 3x
平衡 1 ml－x 2 ml－mx3x
则(1 ml－x)∶(2 ml－mx)∶3x＝3∶6∶1
解得x＝0.1 ml、m＝2，由此可得，A项、C项正确；同理可得第二次平衡时，Z的浓度为0.2 ml·L－1，D项不正确；平衡常数只与温度有关，两次平衡反应温度相同，故平衡常数相同，B项正确。]
4．在830 K时，在密闭容器中发生下列可逆反应：
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH<0。
试回答下列问题：
(1)若起始时c(CO)＝2 ml·L－1，c(H2O)＝3 ml·L－1,4 s后达到平衡，此时CO的转化率为60%，则在该温度下，该反应的平衡常数K＝________。用H2O表示的化学反应速率为________。
(2)在相同温度下，若起始时c(CO)＝1 ml·L－1，c(H2O)＝2 ml·L－1，反应进行一段时间后，测得H2的浓度为
0．5 ml·L－1，则此时该反应是否达到平衡状态______(填“是”或“否”)，此时v正________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。
[解析] (1) CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
起始浓度/(ml·L－1) 2 3 0 0
变化浓度/(ml·L－1) 1.2 1.2 1.2 1.2
平衡浓度/(ml·L－1) 0.8 1.8 1.2 1.2
该反应的平衡常数K＝eq \f(cCO2·cH2,cCO·cH2O)＝eq \f(1.2×1.2,0.8×1.8)＝1，v(H2O)＝eq \f(1.2 ml·L－1,4 s)＝0.3 ml·L－1·s－1。
(2)反应进行到某时刻时，c(H2)＝c(CO2)＝0.5 ml·L－1，c(CO)＝0.5 ml·L－1，c(H2O)＝1.5 ml·L－1，Q＝
eq \f(cCO2·cH2,cCO·cH2O)＝eq \f(0.5×0.5,0.5×1.5)＝eq \f(1,3)[答案] (1)1 0.3 ml·L－1·s－1 (2)否 大于
1．模型法是化学中把微观问题宏观化的最常见方法，对于2HBr(g)H2(g)＋Br2(g)反应，下列四个图中可以表示该反应在一定条件下为可逆反应的是( )
A B C D
C [可逆反应中反应物与生成物同时存在。]
2．在一定温度下，可逆反应X(g)＋3Y(g)2Z(g)达到反应限度的标志是( )
A．Z的生成速率和X的分解速率相等
B．单位时间内生成n ml X，同时生成了3n ml Y
C．X、Y、Z的浓度不再变化
D．X、Y、Z的分子个数之比为1∶3∶2
C [Z的生成速率与X的分解速率相等，都是正反应速率且速率之比不等于化学计量数之比，没有达到平衡状态，故A错误；单位时间内生成n ml X，同时生成3n ml Y，都是逆反应，不能说明正、逆反应速率相等，故B错误；各组分浓度不变，说明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故C正确；平衡时各物质的分子数关系取决于反应起始物质的量以及转化的程度，不能用来判断是否达到平衡状态，故D错误。]
3．下列关于平衡常数的说法中，正确的是( )
A．在平衡常数表达式中，反应物浓度用起始浓度表示，生成物浓度用平衡浓度表示
B．平衡常数越大，表示化学反应速率越大
C．可以用化学平衡常数来定量描述化学反应的限度
D．平衡常数的大小与温度、浓度、压强、催化剂有关
C [平衡常数中的浓度都是平衡浓度，平衡常数仅受温度影响，其大小可以描述反应的限度大小，A、D项错误，C项正确；K值大，反应速率不一定大，对于放热反应，温度越低，K值越大，反应速率越小。]
4．当把晶体N2O4放入密闭容器中汽化，并建立了N2O4(g)2NO2(g)平衡后，保持温度不变，再通入若干N2O4气体，待反应达到新的平衡时，则新平衡与旧平衡相比，其eq \f(c2NO2,cN2O4)值( )
A．变大 B．不变
C．变小D．无法确定
B [温度不变，K值不变。]
5．[素养题]酸雨被称为“空中死神”，酸雨使土壤酸化，使林木死亡，造成湖泊中大量鱼类死亡。SO2虽然是大气污染物，但也是重要的化工原料，对SO2进行综合治理和应用会造福人类。
例如，在H2SO4生产中，SO2催化氧化生成SO3：
2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)
某温度下，体系在不同压强下达到平衡时，SO2的转化率(α)与体系的压强(p)的关系如图所示，根据图示回答问题：
(1)将2.0 ml SO2和1.0 ml O2置于10 L密闭容器中，反应体系达到平衡后，体系的总压强为0.1 MPa，该反应的平衡常数等于________。
(2)平衡状态由A变到B时，平衡常数K(A)________K(B)(填“大于”“小于”或“等于”)。
[解析] (1)由图示可知：当p＝0.1 MPa时，α＝0.80
2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)
c始/(ml·L－1) 0.2 0.1 0
c转/(ml·L－1) 0.16 0.08 0.16
c平/(ml·L－1) 0.04 0.02 0.16
K＝eq \f(c2SO3,c2SO2·cO2)＝eq \f(0.162,0.042×0.02)＝800。
(2)平衡状态由A变到B时，温度不变，则K(A)＝K(B)。
[答案] (1)800 (2)等于发展目标
体系构建
1.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。
2.认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义。
3.了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。
化学平衡状态的判断方法
(素养养成——宏观辨识与微观探析)
化学平衡常数的有关计算
(素养养成——证据推理与模型认知)