基础课时12　化学平衡状态

一、可逆反应及其特征

1．可逆反应的概念

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

可逆反应方程式常用“”连接，把从左向右进行的反应称为正反应，把从右向左进行的反应称为逆反应。

3．特点

(1)“三性”

(2)实例

下列反应都是可逆反应：

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)H2与O2点燃可以生成水，电解水又可以生成H2与O2，所以两个反应是可逆反应              (×)

(2)可逆反应分为方向相反的两个反应——正反应和逆反应 (√)

(3)可逆反应的正、逆反应在相同条件下是同时进行的 (√)

(4)可逆反应中反应物和生成物共存于同一体系中，反应物的转化率小于100% (√)

二、化学平衡状态及其特征

1．化学平衡的建立

(1)①化学平衡的建立过程

②实例：以N2＋3H22NH3为例

(2)化学平衡建立的浓度—时间图像和速率—时间图像

微点拨：对于一个确定的可逆反应，如果其他条件一定，反应无论从反应物开始或从生成物开始，最后都能建立化学平衡状态。

2．化学平衡状态

(1)化学平衡状态的概念

化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应中，正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中各成分的浓度保持不变的状态。

(2)化学平衡的特征

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)只有可逆反应才存在平衡状态 (√)

(2)化学平衡状态是一定条件下可逆反应进行到最大限度的结果

 (√)

(3)化学反应达到化学平衡状态时，正、逆反应的速率都为0(×)

(4)化学反应达到化学平衡状态时反应物和生成物的浓度相等

 (×)

(5)化学反应达到化学平衡状态时，反应混合物中各组分的浓度一定与化学方程式中对应物质的化学计量数成比例              (×)

在一定条件下，将1 mol N2和3 mol H2充入到体积为1 L的密闭容器中，发生反应N2＋3H22NH3。

[问题1]　反应开始时c(N2)、c(H2)、c(NH3)分别为多少？化学反应速率v正和v逆处于何种状态？

[提示]　c(N2)＝1 mol·L－1、c(H2)＝3 mol·L－1、c(NH3)＝0，v正最大，v逆为0。

[问题2]　随着反应的进行，各组分的浓度c(H2)、c(N2)、c(NH3)如何变化？v正、v逆呢？

[提示]　c(N2)、c(H2)减小，c(NH3)增加；v正减小，v逆增大。

[问题3]　当反应进行到v正＝v逆时，各组分的物质的量浓度有何特点？可逆反应达到什么状态？

[提示]　当v正＝v逆时，各组分的物质的量浓度不变，可逆反应达到了化学平衡状态。

[问题4]　充分反应后，能生成2 mol NH3吗？为什么？

[提示]　生成的NH3小于2 mol，因为可逆反应不能进行到底。

1．可逆反应中各成分物质的浓度(物质的量)范围

分别假设反应物、生成物中某(投料)相对较少物质完全反应，浓度为0，其他物质剩余浓度为最小极限，另一方各成分浓度则为最大极限，每一种物质的浓度范围在最大(小)极限之间。

2．可逆反应平衡状态

(1)化学平衡状态是一定条件下可逆反应进行到最大限度的结果。

(2)对于一个给定的可逆反应，如果其他条件一定，不论采取何种途径(反应是从反应物开始或从生成物开始)，最后都能建立化学平衡状态。

(3)化学反应到达平衡状态时，各组分的物质的量、浓度等均不变。

1．在一定体积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0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.2 mol·L－1。当反应达到平衡时，可能存在的数据是(　　)

A．N2为0.2 mol·L－1，H2为0.6 mol·L－1

B．N2为0.15 mol·L－1

C．N2、H2均为0.18 mol·L－1

D．NH3为0.4 mol·L－1

B　[反应为可逆反应，反应体系中任何一种物质的转化率都小于100%，所以A、D错误；从题给量的比例关系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0.18 mol·L－1。]

2．在一密闭容器中进行反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)。已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2 mol·L－1、0.1 mol·L－1、0.2 mol·L－1。当反应达到平衡时可能存在的数据是(　　)

A．SO2为0.4 mol·L－1，O2为0.2 mol·L－1

B．SO3为0.25 mol·L－1

C．SO2、SO3均为0.15 mol·L－1

D．SO3为0.4 mol·L－1

B　[A项数据表明，题中0.2 mol·L－1的SO3完全转化成了SO2和O2，即平衡时，c(SO3)＝0，这是不可能的；B项说明在题给浓度的基础上又有0.05 mol·L－1 SO2和0.025 mol·L－1 O2反应生成了0.05 mol·L－1 SO3，这是可能的；C项数据表明SO2、SO3的浓度都在原浓度基础上减少了0.05 mol·L－1，这也是不可能的；D项数据说明SO2完全转化成了SO3，即平衡时c(SO2)＝0，c(O2)＝0，这也是不可能的。]

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(g)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n mol O2的同时生成2n mol NO2。

⑦对于反应2，用H2、I2 和HI表示的反应速率之比为1∶1∶2。

[问题1]　上述情况中能作为反应1达到平衡状态标志的是哪几个？

[提示]　①、②、④、⑤、⑥。对于反应2NO2(g)2NO(g)＋O2(g)，当同一物质v正＝v逆，反应处于平状态，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；混合气体的平均相对分子质量＝，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。

[问题2]　上述情况中能作为反应2达到平衡状态标志的是哪几个？

[提示]　①、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)不再改变只能说明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。

[问题3]　若在标准状况下发生反应2(此时碘单质为固体)，情况⑤能否作为反应2达到平衡状态的标志？

[提示]　能。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。

化学反应达到平衡状态的判断方法

(1)判断依据

①正反应速率与逆反应速率相等：v正＝v逆

a．对同一物质，该物质的生成速率等于它的消耗速率。

b．对不同物质，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

a．各物质的质量、物质的量或浓度不变。

b．各物质的百分含量(质量分数、体积分数)不变。

c．体系的压强(对化学方程式两边气体体积不相等的反应)不变。

d．对于有有色物质参加的可逆反应，体系的颜色不变。例如：2NO2(g)2NO(g)＋O2(g)、2HI(g)H2(g)＋I2(g)等反应体系的颜色不变，则表明有色气体NO2、I2的浓度不变，反应达到平衡。

(2)判断方法

以反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)为例

1．一定条件下，在体积为1 L的密闭容器中，1 mol X和1 mol Y 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2n mol X的同时生成n mol Z

A　[反应过程中原子个数守恒；消耗2n mol X与生成n mol Z是同一反应方向，不能说明反应已达到平衡状态；浓度之比为2∶1∶1，不能说明浓度保持不变。]

2．可逆反应：2NO2(g)2NO(g)＋O2(g)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n mol O2的同时生成2n mol NO2

②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO

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．①④⑥⑦　　　　 B．②③⑤⑦

C．①③④⑤   D．全部

A　[依据v正＝v逆≠0判断：①单位时间内生成n mol O2的同时必消耗2n mol NO2，①能说明反应已达平衡；②描述均是正反应速率，无法判断；③无论反应是否达平衡，均有此关系。依据组成一定判断：④NO2为有颜色的气体(红棕色)，颜色不变能说明反应体系中NO2浓度一定，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；此反应是一个不等体反应，⑥、⑦均能说明反应已达平衡。]

1．可逆反应在一定条件下达到化学平衡时，下列说法正确的是(　　)

A．正反应速率等于逆反应速率，且都为零

B．反应物和生成物浓度相等

C．反应体系中混合物的组成保持不变

D．反应物断开化学键吸收的能量等于生成物形成化学键所放出的能量

C　[可逆反应达到平衡时，属于动态平衡，正、逆反应速率相等，但是都不为零，故A错误；可逆反应达到平衡时，反应物和生成物的浓度不再发生变化，各组分浓度不变，但是各组分浓度不一定相等，故B错误；当反应体系中各混合物的组成保持不变时，达到平衡状态，故C正确；化学反应一定伴随能量变化，反应物断开化学键吸收的能量不等于生成物形成化学键所放出的能量，故D错误。]

2．可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)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)

C　[可逆反应达到化学平衡状态的主要特征之一是v正＝v逆，而3v正(N2)＝v正(H2)并未反映出v正＝v逆的关系，即A项不正确。在N2与H2合成NH3的反应中，v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)＝1∶3∶2，分析时一要注意二者应分别代表正反应速率和逆反应速率，二要注意不同物质的速率之比等于化学计量数之比。]

3．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0.2 mol·L－1、0.6 mol·L－1、0.4 mol·L－1，当平衡时，下列数据肯定不正确的是(　　)

A．X2为0.4 mol·L－1，Y2为1.2 mol·L－1

B．Y2为1.0 mol·L－1

C．X2为0.3 mol·L－1，Z为0.2 mol·L－1

D．Z为0.6 mol·L－1

A　[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)＜0.4 mol·L－1；0＜c(Y2)＜1.2 mol·L－1；0＜c(Z)＜0.8 mol·L－1。]

4．在一定温度下的恒容密闭容器中，以下说法能表明反应：A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)已达平衡的是(　　)

A．混合气体的压强不变

B．混合气体的密度不变

C．每消耗2 mol B，同时生成1 mol C

D．C和D的浓度比不变

B　[该反应为反应前后气体物质的量不变的反应，容器内混合气体的压强不随反应的进行而变化，不能作为平衡标志，A项错误；根据密度的定义式知，混合气体的密度随反应的进行而变化，当密度不变时，反应已达平衡，B项正确；消耗2 mol B和生成1 mol C均为正反应，不可作平衡标志，C项错误；随着反应的进行，C和D的浓度比始终不变，不能作为平衡标志，D项错误。]

5．在一定温度下的容积不变的密闭容器中发生反应：X(g)＋2Y(g)3Z(g)。下列叙述中能说明反应已达到化学平衡状态的是(　　)

A．Z的生成速率与Z的分解速率相等

B．单位时间内消耗a mol X，同时生成3a mol Z

C．容器内的压强不再变化

D．混合气体总的物质的量不再变化

A　[Z的生成速率与Z的分解速率相等，说明Z的正逆反应速率相等，能说明反应已达到化学平衡状态，A正确；单位时间内消耗a mol X，同时生成3a mol Z，都体现正反应方向，未体现正与逆的关系，故B错误；该反应为反应前后气体物质的量不变的反应，容器内混合气体的压强和混合气体总的物质的量不随反应的进行而变化，不能作为平衡标志，C、D错误。]