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课件 高考化学一轮复习第八单元 化学反应速率与化学平衡 第三十讲 化学平衡及影响因素
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这是一份课件 高考化学一轮复习第八单元 化学反应速率与化学平衡 第三十讲 化学平衡及影响因素，共60页。PPT课件主要包含了夯实必备知识，可逆反应，正反应，逆反应，化学平衡状态，逐渐减小，逐渐增大，保持不变，3化学平衡特点，正反应速率等内容，欢迎下载使用。
第30讲 化学平衡及影响因素
考点一 可逆反应与化学平衡状态考点二 化学平衡常数考点三 化学平衡移动考点四 等效平衡经典真题·明考向作业手册
夯实必备知识 | 提升关键能力
考点一 可逆反应与化学平衡状态
(1)概念:在一定条件下的 反应中,当正、逆反应速率 时,反应物和生成物的浓度均保持不变,即体系的组成不随时间而改变,表明该反应中物质的转化达到了“限度”,这时的状态称之为化学平衡状态。
(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:
以上过程可用如图所示:
3. 判断化学平衡状态的两种方法
②静态标志(各种“量”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(物质的量分数、质量分数等)不变。c.温度(绝热容器)、压强(化学反应前后气体分子数不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。总之,若物理量由变量变成了不变量,则表明该可逆反应达到平衡状态;若物理量恒为不变量,则不能作为平衡标志。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)反应2NaHCO3 Na2CO3+CO2↑+H2O、Na2CO3+CO2+H2O = 2NaHCO3互为可逆反应( )(2)对反应A(g)+B(g) ⇌ C(g)+D(g),压强不随时间而变,说明反应已达到平衡状态( )
[解析] (2)反应A(g)+B(g) ⇌ C(g)+D(g)在反应前后气体的物质的量不变,故压强不随时间而变,错误。
[解析] (1)两反应条件不同,不属于可逆反应,错误。
(3)在一恒温恒容的密闭容器中充入2 ml SO2、1 ml O2,一定条件下发生反应,在相同的容器中充入2 ml SO3,在相同条件下发生反应,二者最终达到平衡时,各组分的百分含量对应相同( )(4)可逆反应都具有一定的限度,化学反应的限度可以通过改变反应条件而改变( )
[解析] (4)可逆反应的反应物不能都转化为生成物,所以具有一定的限度。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,条件改变平衡可能会发生移动,其限度会发生变化,正确。
[解析] (3)根据等效平衡的建立条件,二者属于恒温恒容等量投料,建立的平衡等效,正确。
(5)在恒温恒压条件下,对于反应A(g)+B(g) ⇌ 2C(g)+D(g),当密度保持不变时,反应达到化学平衡状态( )(6)由2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g) ΔH=-196.6 kJ·ml-1知,2 ml SO2与1 ml O2在恒压密闭容器中充分反应,可放出196.6 kJ的热量( )
[解析] (6)2 ml SO2与1 ml O2并不能完全反应,放出的热量小于196.6 kJ。
2.在一个温度恒定、容积固定的密闭容器中,发生可逆反应mA(s)+nB(g) ⇌ pC(g)+qD(g),已知m+n=p+q,且该反应为放热反应,反应达到平衡的标志是 。 ①体系的压强不再改变②气体的密度不再改变③各气体的浓度不再改变④各气体的质量分数不再改变⑤反应速率v(C)∶v(D)=p∶q⑥单位时间内n ml B断键反应,同时p ml C也断键反应
【易错警示】 规避化学平衡状态判断的两个易错点(1)化学平衡状态判断“三关注”①关注反应条件,是恒温恒容、恒温恒压,还是绝热恒容容器。②关注反应特点,是等气体分子数反应,还是非等气体分子数反应。③关注特殊情况,是否有固体参加或生成,或固体的分解反应。
(2)不能作为化学平衡状态“标志”的四种情况①反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比。②恒温恒容下的气体分子数不变的反应,体系的压强或总物质的量不再随时间而变化,如2HI(g) ⇌ H2(g)+I2(g)。③全是气体参加的气体分子数不变的反应,体系的平均相对分子质量不再随时间而变化,如2HI(g) ⇌ H2(g)+I2(g)。④全是气体参加的反应,恒容条件下体系的密度保持不变。
1.在一密闭容器中进行反应:2X(g)+Y(g) ⇌ 2Z(g)。已知反应过程中某一时刻X、Y、Z的浓度分别为0.3 ml·L-1、0.1 ml·L-1、0.4 ml·L-1,当反应达到平衡时,不可能存在的是( )A.c(X)=0.5 ml·L-1B.c(Y)+c(X)=0.5 ml·L-1C.c(Y)+c(Z)=1.05 ml·L-1D.c(X)+c(Y)+c(Z)=0.75 ml·L-1
[解析] 不确定下一时刻反应进行的方向,因此需要考虑反应进行的方向并结合极限思想解答。若该时刻后反应正向进行且Y全部转化为Z,则 2X(g)+Y(g) ⇌ 2Z(g)某时刻/(ml·L-1) 0.3 0.1 0.4转化/(ml·L-1) 0.2 0.1 0.2极限/(ml·L-1) 0.1 0 0.6若反应逆向进行,且Z全部转化为X和Y,则 2X(g)+Y(g) ⇌ 2Z(g)某时刻/(ml·L-1) 0.3 0.1 0.4转化/(ml·L-1) 0.4 0.2 0.4极限/(ml·L-1) 0.7 0.3 0
平衡时0.1 ml·L-1
题组二 化学平衡状态的判断
3.将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空容器中(假设容器容积不变,固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:H2NCOONH4(s) ⇌ 2NH3(g)+CO2(g)。能判断该反应已经达到平衡状态的是( )①v(NH3)=2v(CO2)②密闭容器中总压强不变 ③密闭容器中混合气体的密度不变 ④密闭容器中氨的体积分数不变 ⑤密闭容器中c(NH3)不变 ⑥密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变A.②③⑤B.②③⑤⑥C.①④⑤⑥D.②③④
[解析] 平衡时正、逆反应速率相等,但没有指明是正反应速率,还是逆反应速率,故①不选;该正反应是气体分子数增多的反应,所以未平衡时容器内压强会发生变化,当压强不变时说明反应达到平衡,故②选;反应物为固体,则未平衡时气体的质量发生变化,容器恒容,所以混合气体的密度会发生变化,当密度不变时说明反应达到平衡,故③选;初始投料只有H2NCOONH4固体,所以NH3(g)、CO2(g)的体积之比始终是2∶1,因此密闭容器中氨的体积分数始终不变,不能说明反应达到平衡,故④不选;反应达到平衡时各物质的浓度不再改变,所以密闭容器中c(NH3)不变可以说明反应达到平衡,故⑤选;容器内始终有物质的量之比为2∶1的NH3和CO2的混合气体,则混合气体的平均相对分子质量为定值,故⑥不选。
4.汽车尾气净化的主要原理为2NO(g)+2CO(g) 2CO2(g)+N2(g) ΔH<0。若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行,下列示意图正确且能说明反应在进行到t1时刻达到平衡状态的是 (填序号)。
[解析] ①达到平衡时,v正应保持不变;②由于是放热反应,又是绝热容器,体系温度升高,平衡左移,K减小,当K不变时,温度不变,达到平衡状态;③图中达到平衡时,CO、CO2的改变量不是1∶1;④w(NO)逐渐减小,达到平衡时保持不变;
⑤因正反应放热,容器绝热,故反应开始后体系温度升高,达到平衡状态时,体系温度不再发生变化;⑥ΔH是一个定值,不能用于判断可逆反应是否达到平衡状态。
【方法技巧】 判断化学平衡状态的两方法和两标志1.两方法——逆向相等、变量不变(1)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减少速率和生成速率相等。(2)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,不能作为是否达到平衡状态的判断依据。
2.两标志——本质标志、等价标志(1)本质标志:v正=v逆≠0。对于某一可逆反应来说,正反应消耗掉某反应物的速率等于逆反应生成该反应物的速率。(2)等价标志①全部是气体参加的非等气体分子数反应,体系的压强、平均相对分子质量不再随时间变化。例如,N2(g)+3H2(g) ⇌ 2NH3(g)。②体系中各组分的物质的量浓度、体积分数、物质的量(或质量)分数保持不变。
③对同一物质而言,断裂的化学键的物质的量与形成的化学键的物质的量相等。④对于有色物质参加或生成的可逆反应,体系的颜色不再随时间变化。例如,2NO2(g) ⇌ N2O4(g)。⑤体系中某反应物的转化率或某生成物的产率达到最大值且不再随时间变化。⑥绝热体系的温度不变,说明反应处于平衡状态。
(1)概念在一定 下,一个可逆反应达到化学平衡时,生成物 与反应物 的比值是一个常数,用符号K表示。 (2)表达式对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g) ⇌ pC(g)+qD(g),在一定温度下达到平衡时:浓度平衡常数K= ;压强平衡常数Kp= 。(固体和纯液体的浓度视为常数,不出现在平衡常数表达式中)
(3)意义及影响因素[微点拨] ①K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度变化无关。②K值的大小只能预示某可逆反应向某方向进行的最大限度,不能预示反应达到平衡所需要的时间。
(5)应用①判断可逆反应进行的程度②利用化学平衡常数,判断反应是否达到平衡或向何方向进行。对于化学反应mA(g)+nB(g) ⇌ pC(g)+qD(g)的任意状态,浓度商Q= 。 QK,反应向 反应方向进行。
③利用K可判断反应的热效应:若升高温度,K值增大,则正反应为 ;若升高温度,K值减小,则正反应为 。 ④计算转化率:利用平衡常数计算转化率的主要途径是利用温度不变时,平衡常数不变列方程求解。⑤计算相关反应的平衡常数若反应方向改变,则平衡常数变为其倒数;若方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小,尽管是同一反应,平衡常数也会改变同次幂,但意义不变。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)对于反应2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g),升高温度,K值减小,则ΔH<0( )(2)对某一可逆反应,升高温度则化学平衡常数一定变大( )(3)可逆反应若有水反应或生成,平衡常数表达式中均不写水的浓度( )
[解析] (2)对于放热反应,温度升高平衡逆向移动,平衡常数减小,错误。
[解析] (1)升高温度,K值减小,说明正反应为放热反应,则ΔH<0,正确。
[解析] (3)如果水为气态则必须写,错误。
(4)平衡常数发生变化,化学平衡必定发生移动( )(5)化学平衡发生移动,其平衡常数一定随之改变( )(6)改变条件,使反应物的平衡转化率都增大,该可逆反应的平衡常数一定增大( )(7)一个可逆反应的正反应平衡常数K正与逆反应平衡常数K逆互为倒数( )
[解析] (5)只有温度改变才能影响平衡常数K,错误。
[解析] (4)平衡常数改变,一定改变了温度,所以平衡一定移动,正确。
[解析] (6)改变条件,使反应物的平衡转化率都增大,可能是压强造成的,平衡常数不一定增大,错误。
[解析] (7)二者互为倒数,正确。
题组一 化学平衡常数及应用
1.某温度下,在密闭容器中进行反应:H2(g)+CO2(g) ⇌ H2O(g)+CO(g) ΔH>0,已知H2(g)和CO2(g)的初始浓度均为0.01 ml·L-1,测得H2的平衡转化率为60%,下列说法不正确的是( )A.CO2的平衡转化率为60%B.升高温度平衡常数K增大C.该温度下反应的平衡常数K=2.25D.若初始H2(g)、CO2(g)、H2O(g)、CO(g)的浓度均为0.01 ml·L-1,则反应逆向进行
2.在一恒容的密闭容器中,进行如下化学反应:CO2(g)+H2(g) ⇌ CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数(K)和温度(t)的关系如表:回答下列问题:(1)该反应的化学平衡常数表达式为K= 。
(2)该反应为 (填“吸热”或“放热”)反应。 (3)某温度下,各物质的平衡浓度符合关系式:3c(CO2)·c(H2)=5c(CO)·c(H2O),试判断此时的温度为 。
(4)若830 ℃时,向容器中充入1 ml CO、5 ml H2O,反应达到平衡后,其化学平衡常数K 1.0。(填“大于”“小于”或“等于”)(5)830 ℃时,容器中的反应已达到平衡。在其他条件不变的情况下,扩大容器的容积,平衡 (填“向正反应方向”“向逆反应方向”或“不”)移动。
(6)若1200 ℃时,在某时刻反应体系中CO2、H2、CO、H2O 的浓度分别为2 ml·L-1、2 ml·L-1、4 ml·L-1、4 ml·L-1,则此时反应 (填“向正反应方向进行”“向逆反应方向进行”或“处于平衡状态”)。
题组二 以化学平衡常数为中心的计算
3.在300 mL的密闭容器中,放入镍粉并充入一定量的CO气体,一定条件下发生反应:Ni(s)+4CO(g) ⇌ Ni(CO)4(g),已知该反应平衡常数与温度的关系如下表所示。下列说法不正确的是( )A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应B.25 ℃时,反应Ni(CO)4(g) ⇌ Ni(s)+4CO(g)的平衡常数为2×10-5C.80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 ml·L-1,则此时v正>v逆D.80 ℃达到平衡时,测得n(CO)=0.3 ml,则Ni(CO)4的平衡浓度为2 ml·L-1
4.某温度下,在①和②两个恒容密闭容器中发生反应:H2(g)+CO2(g) ⇌ H2O(g)+CO(g) K=2.25。物质的起始浓度如表:下列说法正确的是( )A.反应开始,②中反应逆向进行B.平衡时,①中c(CO2)=0.04 ml·L-1C.②达平衡时,各组分浓度相同D.①中H2的平衡转化率为40%
1. 化学平衡移动的过程
2. 平衡移动方向与反应速率的关系
(1)若v正 v逆,则平衡向正反应方向移动。 (2)若v正 v逆,则平衡不移动。 (3)若v正 v逆,则平衡向逆反应方向移动。
3. 影响化学平衡的因素
(1)含义:如果改变影响平衡的一个因素(如浓度、压强或温度),平衡将向能够 这种改变的方向移动,也称化学平衡移动原理。 (2)注意:①勒夏特列原理的适用对象是可逆过程。②化学平衡移动的目的是“减弱”外界条件的改变,而不是“抵消”外界条件的改变,改变是不可逆转的。
(1)当反应混合物中存在与其他物质不相混溶的固体或液体物质时,由于其“浓度”是恒定的,不随其量的增减而变化,故改变这些固体或液体的量,对化学平衡无影响。(2)对于反应前后气态物质的化学计量数相等的反应,压强的变化对正、逆反应速率的影响程度是等同的,故平衡不移动。
(3)“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、恒压条件原平衡体系 容器容积增大,各反应气体的分压减小 体系中各组分的浓度同等程度减小(等效于减压)(4)同等程度地改变反应混合气体中各物质的浓度时,应视为压强的影响。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)化学平衡发生移动,化学反应速率一定改变;化学反应速率改变,化学平衡也一定发生移动( )(2)升高温度,平衡向吸热反应方向移动,此时v放减小,v吸增大( )(3)C(s)+CO2(g) ⇌ 2CO(g) ΔH>0,其他条件不变时,升高温度,反应速率v(CO2)和CO2的平衡转化率均增大( )
[解析] (2)升高温度,平衡向吸热反应方向移动,此时v放、v吸均增大,错误。
[解析] (1)化学反应速率改变,化学平衡不一定发生移动,如加催化剂,错误。
(4)化学平衡正向移动,反应物的转化率不一定增大( )(5)向平衡体系FeCl3+3KSCN ⇌ Fe(SCN)3+3KCl中加入适量KCl固体,平衡逆向移动,溶液的颜色变浅( )(6)对于2NO2(g) ⇌ N2O4(g)的平衡体系,压缩体积,增大压强,平衡正向移动,混合气体的颜色变浅( )
[解析] (5)向平衡体系FeCl3+3KSCN ⇌ Fe(SCN)3+3KCl中加入适量KCl固体,K+、Cl-在反应前后并未参与反应,实际参加反应的离子浓度不变,平衡不移动,错误。
[解析] (6)对于2NO2(g) ⇌ N2O4(g)的平衡体系,压缩体积,增大压强,平衡正向移动,但混合气体的颜色加深,错误。
2.在一密闭容器中,反应aA(g)+bB(s) ⇌ cC(g)+dD(g)达到平衡后,保持温度不变,将容器容积缩小为原来的一半,当达到新的平衡时,A的浓度是原来的1.6倍,则下列说法正确的是( )A.平衡向逆反应方向移动B.a>c+dC.物质A的转化率减小D.物质D的浓度减小
[解析] 容器容积缩小为原来的一半,若平衡不移动,则A的浓度应变为原来的2倍,而实际浓度是原来的1.6倍,说明平衡向正反应方向移动,a>c+d,A的转化率增大,D的浓度增大。
题组一 化学平衡的影响因素
1.某温度下,在一恒容密闭容器中进行如下两个反应并达到平衡:①2X(g)+Y(g) ⇌ Z(s)+ 2Q(g) ΔH1<0②M(g)+N(g) ⇌ R(g)+Q(g) ΔH2>0下列叙述错误的是( )A.加入适量Z,①和②平衡均不移动B.通入稀有气体Ar,①平衡正向移动C.降温时无法判断Q浓度的增减D.通入Y,则N的浓度增大
[解析] Z为固体,加入适量Z不影响反应①的平衡移动,而反应②与Z无关,故加入Z也不影响反应②的平衡移动,A正确;通入稀有气体Ar,由于容器容积不变,故反应体系中气体浓度不发生改变,反应①的平衡不移动,B错误;温度降低,反应①正向进行,反应②逆向进行,但两个反应中反应物的起始浓度未知,平衡转化率未知,故无法判断Q浓度的增减,C正确;通入气体Y,反应①平衡正向移动,Q的浓度增大,导致反应②平衡逆向移动,则N的浓度增大,D正确。
2.可逆反应mA(g)+nB(?) ⇌ pC(g)+qD(?)中A和C都是无色气体,当达到平衡后,下列叙述正确的是( )A.若改变条件后,平衡正向移动,D的百分含量一定增大B.若升高温度,A的浓度增大,说明正反应是吸热反应C.若增大压强,平衡不移动,说明m+n一定等于p+qD.若增加B的量,平衡移动后体系颜色加深,说明B必是气体
[解析] 若改变条件后,平衡正向移动,D的百分含量不一定增大,A错误;若升高温度,A的浓度增大,说明逆反应是吸热反应,B错误;
若增大压强,平衡不移动,如果B、D均为气体,则说明m+n一定等于p+q,如果B、D均不为气体,则m=p,C错误;固体和液体的用量不影响平衡,若增加B的量,平衡移动后体系颜色加深,说明B必是气体,D正确。
【规律小结】 平衡移动就是由一个“平衡状态→不平衡状态→新平衡状态”的过程。
题组二 化学平衡移动与相关参量的变化分析
3.某温度下,反应CH2 = CH2(g)+H2O(g) ⇌ CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡,下列说法正确的是( )A.增大压强,v正>v逆,平衡常数增大B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动D.恒容下,充入一定量的CH2 = CH2(g),其平衡转化率增大
[解析] 该反应是一个气体分子数减少的反应,增大压强可以加快化学反应速率,正反应速率增大的幅度大于逆反应的,故v正>v逆,平衡向正反应方向移动,但是因为温度不变,故平衡常数不变,A错误;催化剂不影响化学平衡状态,因此,加入催化剂不影响平衡时CH3CH2OH(g)的浓度,B错误;恒容下,充入一定量的H2O(g),H2O(g)的浓度增大,平衡向正反应方向移动,C正确;恒容下,充入一定量的CH2 = CH2(g),平衡向正反应方向移动,但是CH2 = CH2(g)的平衡转化率减小,D错误。
4.室温下,向圆底烧瓶中加入1 ml C2H5OH和含1 ml HBr的氢溴酸,溶液中发生反应:C2H5OH+HBr ⇌ C2H5Br+H2O,充分反应后达到平衡。已知常压下,C2H5Br和C2H5OH的沸点分别为38.4 ℃ 和78.5 ℃。下列有关叙述错误的是( )A.增大C2H5OH浓度,有利于生成C2H5BrB.若反应物均增大至3 ml,则两种反应物平衡转化率之比不变C.为缩短反应达到平衡的时间,将起始温度提高至50 ℃D.加入NaOH,可增大乙醇的物质的量
[解析] 增大C2H5OH浓度,平衡正向移动,有利于生成C2H5Br,A正确;当投料比与化学计量数之比相等时,各物质的转化率相等,原投料比为1∶1,等于化学计量数之比,则C2H5OH和HBr的转化率之比等于1∶1,将反应物均增大至3 ml,投料比不变,两种反应物平衡转化率之比不变,B正确;若温度升高至50 ℃,考虑到HBr易挥发,C2H5Br汽化,温度升高反应速率加快,而反应物浓度减小反应速率减慢,故不一定能缩短到达平衡的时间,C错误;加入的NaOH与HBr反应,平衡逆向移动,乙醇的物质的量增大,D正确。
5.某温度下,向2 L恒容密闭容器中充入1.0 ml A和1.0 ml B,发生反应A(g)+B(g) ⇌ C(g),经过一段时间后达到平衡。反应过程中测定的部分数据见下表:下列说法正确的是( )A.反应在前5 s内的平均速率v(A)=0.17 ml·L-1·s-1B.保持其他条件不变,升高温度,平衡时c(A)=0.41 ml·L-1,则反应的ΔH>0C.相同温度下,起始时向容器中充入2.0 ml C,达到平衡时,C的转化率大于80 %D.相同温度下,起始时向容器中充入0.20 ml A、0.20 ml B和1.0 ml C,反应达到平衡前v正
在一定条件下(恒温恒容或恒温恒压)下,同一可逆反应体系,不管是从正反应开始,还是从逆反应开始,还是正、逆反应同时投料,达到化学平衡状态时,任何相同组分的百分含量(质量分数、物质的量分数、体积分数等)均 。
2. 等效平衡分类及规律
3. 虚拟“中间态”法构建等效平衡
(1)构建恒温恒容平衡思维模式(如图所示)新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成,相当于增大压强。(2)构建恒温恒压平衡思维模式(以气体物质的量增加的反应为例,如图所示)新平衡状态可以认为是两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)同一个可逆反应,在不同的条件下达到等效平衡时,同种物质的物质的量不一定相等,浓度一定相等( )(2)对于反应3A(g)+B(g) ⇌ 2C(g)+D(g),现有两个相同的恒温恒容密闭容器,一个容器中加入3 ml A和 1 ml B,另一容器中加入1.5 ml A、0.5 ml B、1 ml C和0.5 ml D,当达到平衡时两容器中同种物质的浓度相等( )
[解析] (2)此为恒温恒容容器,经极限转换,属于等量投料,故平衡等效,属于浓度对应相同的情况。
[解析] (1)等效平衡是各组分百分含量一定对应相同,但浓度不一定对应相同。
(3)A、B两容积相同的恒温恒容密闭容器,在A中充入SO2和O2各32 g,在B中充入SO2和O2各64 g,在其他条件相同时达到平衡,A中SO2的转化率大于B中SO2的转化率( )(4)一定温度和压强下,在两个容积可变的密闭容器中,一个充入1 ml O2和2 ml SO2,另一个充入8 ml SO3。发生反应并达到平衡后,各物质对应的浓度相等( )
[解析] (4)符合恒温恒压下建立等效平衡的条件,平衡时对应物质的物质的量不同,但浓度和百分含量相同。
[解析] (3)反应方程式为2SO2+O2 ⇌ 2SO3,由于A、B容积完全相同,A中充入SO2和O2各 32 g,B中充入SO2和O2各 64 g,且温度相同,因此B对A来说相当于压强加大一倍,增大压强平衡向右移动,SO2的转化率增大。
(5)一定温度下,容积不变的密闭容器中充入1.0 ml N2和 3.0 ml H2,反应达到平衡时测得NH3的物质的量为0.6 ml。若在开始时充入2.0 ml N2和 6.0 ml H2,则平衡时NH3的物质的量为1.2 ml( )
[解析] (5)容积不变,后者相当于在前者的基础上压强增大一倍,平衡向正反应方向移动,氨的物质的量大于 1.2 ml。
2.对于以下三个反应,从反应开始进行到达到平衡,保持温度、体积不变,按要求回答下列问题。(1)PCl5(g) ⇌ PCl3(g)+Cl2(g),再充入PCl5(g),平衡向 方向移动,达到平衡后,PCl5(g)的转化率 ,PCl5(g)的百分含量 。 (2)2HI(g) ⇌ I2(g)+H2(g),再充入HI(g),平衡向 方向移动,达到平衡后,HI的分解率 ,HI的百分含量 。 (3)2NO2(g) ⇌ N2O4(g),再充入NO2(g),平衡向 方向移动,达到平衡后,NO2(g)的转化率 ,NO2(g)的百分含量 。
题组一 恒温恒容条件下的等效平衡
1.相同温度下,容积相同的甲、乙、丙3个恒容密闭容器中发生可逆反应:2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g) ΔH=-197 kJ·ml-1。实验测得起始、平衡时的有关数据如下表:
下列叙述正确的是( )A.Q1=Q2=Q3=197 kJB.达到平衡时,丙容器中SO2的体积分数最大C.甲、乙、丙3个容器中反应的平衡常数相等D.若在上述条件下反应生成2 ml SO3(s)的反应热为ΔH1,则ΔH1>-197 kJ·ml-1
[解析] 三个容器内尽管最终平衡相同,但起始量不同,反应的热效应不同,Q1>Q2=Q3,A错误;甲、乙、丙为等效平衡,SO2的体积分数相等,B错误;由于温度一样,甲、乙、丙3个容器中反应的平衡常数相等,C正确;SO3(g)→SO3(s)放出热量,所以ΔH1<-197 kJ·ml-1,D错误。
2.一定温度下,在3个容积均为1.0 L的恒容密闭容器中反应2H2(g)+CO(g) ⇌ CH3OH(g)达到平衡,下列说法正确的是( )A.该反应的正反应吸热B.达到平衡时,容器Ⅰ中反应物转化率比容器Ⅱ中的大C.达到平衡时,容器Ⅱ中c(H2)大于容器Ⅲ中c(H2)的两倍D.达到平衡时,容器Ⅲ中的正反应速率比容器Ⅰ中的大
[解析] 对比容器Ⅰ和Ⅲ可知两者投料量相当,若温度相同,最终两者等效,但Ⅲ温度高,平衡时c(CH3OH)小,说明平衡向逆反应方向移动,即逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,A错误;Ⅱ相对于Ⅰ成比例增加投料量,相当于加压,平衡正向移动,达平衡时,反应物转化率提高,所以Ⅱ中反应物转化率高,B错误;不考虑温度,Ⅲ中相当于投入0.20 ml·L-1 H2、0.1 ml·L-1 CO,Ⅱ中投料量是Ⅲ的两倍,相当于加压,平衡正向移动,所以Ⅱ中c(H2)小于Ⅲ中c(H2)的两倍,Ⅲ升高温度,c(H2)变大,C错误;对比Ⅰ和Ⅲ,若温度相同,两者等效,达到平衡时,两容器中正反应速率相等,但Ⅲ温度高,正反应速率更快,D正确。
题组二 恒温恒压条件下的等效平衡
[解析] 甲和乙若都是恒温恒压,则两者等效,但乙为绝热恒压,又该反应正反应为放热反应,则温度:甲<乙,温度升高平衡向逆反应方向移动,c(SO2):甲<乙,平衡常数K:甲>乙,A、B项错误;丙和丁若都是恒温恒容,则两者等效,但丁为绝热恒容,则温度:丙<丁,温度越高,反应速率越快,达到平衡的时间越短,所用的时间:丙>丁,C项错误;温度升高平衡向逆反应方向移动,体积分数φ(SO3):丙>丁,D项正确。
4.初始温度为t ℃,向三个密闭的容器中按不同方式投入反应物,发生反应:4HCl(g)+O2(g) ⇌ 2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH=-116 kJ·ml-1,测得反应的相关数据如下:
下列说法正确的是( )A.反应4HCl(g)+O2(g) ⇌ 2Cl2(g)+2H2O(l)的ΔH>-116 kJ·ml-1B.a>1,b>2C.p2=1.6×105 Pa, p3=4×105 PaD.若起始向容器Ⅰ中充入0.5 ml HCl、0.5 ml O2、0.5 ml Cl2和0.5 ml H2O(g),则反应向正反应方向进行
[解析] 三个容器中,Ⅰ与Ⅱ均为恒容容器,差别在于前者恒温,后者绝热;不妨设想容器Ⅳ,其与容器Ⅰ类型相同,仅投料方式按照容器Ⅱ中的投料方式进行,那么容器Ⅳ中的平衡与Ⅰ中的等效,容器Ⅳ中的反应达到平衡时,Cl2的物质的量为1 ml。容器Ⅲ相比于容器Ⅰ,容积扩大了一倍,初始投料也增加了一倍,但容器Ⅲ是在恒温恒压的条件下反应的;不妨设想容器Ⅴ,其与容器Ⅲ的其他的条件相同,仅容器类型更改为恒温恒容的容器,那么容器Ⅴ中的平衡状态与Ⅰ中的等效,容器Ⅴ中的反应达到平衡时,Cl2的物质的量为2 ml。生成液态水相比于生成气态水,同等条件下放出的热量更多,放热越多反应的ΔH越小,因此反应4HCl(g)+O2(g) ⇌ 2Cl2(g)+2H2O(l)的ΔH<-116 kJ·ml-1,A项错误。
构造的容器Ⅳ的类型是恒温恒容条件下加入2 ml Cl2、2 ml H2O(g),容器Ⅱ的类型是绝热恒容,二者都是逆向反应建立的平衡状态,容器Ⅱ由于是绝热的,所以容器Ⅱ中的温度会越来越低,不利于反应逆向进行,相比于容器Ⅳ达到平衡时消耗的Cl2更少,所以a>1;构造的容器Ⅴ的类型为恒温恒容条件下,加入8 ml HCl、2 ml O2,容器Ⅲ的类型为恒温恒压,二者都是正向反应建立的平衡,由于容器Ⅴ为恒容容器,所以反应开始后容器Ⅴ中的压强逐渐小于容器Ⅲ中的压强,压强越小越不利于反应正向进行,因此平衡时,容器Ⅴ中的Cl2的量小于容器Ⅲ中的,所以b>2,B项正确。
【方法技巧】 恒温恒容与恒温恒压条件平衡比较模式(起始量相同)
1. [2023·北京卷] 下列事实能用平衡移动原理解释的是( )A.H2O2溶液中加入少量MnO2固体,促进H2O2分解B.密闭烧瓶内的NO2和N2O4的混合气体,受热后颜色加深C.铁钉放入浓HNO3中,待不再变化后,加热能产生大量红棕色气体D.锌片与稀H2SO4反应过程中,加入少量CuSO4固体,促进H2的产生
[解析] MnO2会催化H2O2分解,加快反应速率,与平衡移动无关,A错误;2NO2(g) ⇌ N2O4(g)是放热反应,升温平衡逆向移动,NO2浓度增大,混合气体颜色加深,B正确;
常温下,铁在浓硝酸中发生钝化,加热会使表面的氧化膜溶解,且在加热条件下铁与浓硝酸反应生成大量NO2,NO2呈红棕色,与平衡移动无关,C错误;加入硫酸铜,锌置换出铜,构成锌铜原电池,从而使反应速率加快,与平衡移动无关,D错误。
2. [2023·浙江卷] 一定条件下,1-苯基丙炔(Ph—C≡C—CH3)可与HCl发生催化加成,反应如下:反应过程中该炔烃及反应产物的占比随时间的变化如图(已知:反应Ⅰ、Ⅲ为放热反应),下列说法不正确的是( )A.反应焓变:反应Ⅰ>反应ⅡB.反应活化能:反应Ⅰ<反应ⅡC.增加HCl浓度可增加平衡时产物Ⅱ和产物Ⅰ的比例D.选择相对较短的反应时间,及时分离可获得高产率的产物Ⅰ
[解析] 设反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的焓变分别为ΔH1、ΔH2、ΔH3,由盖斯定律可知,ΔH2=ΔH1+ΔH3,因ΔH1<0,ΔH3<0,则ΔH1>ΔH2,故A正确;由图可知,反应开始短时间内反应Ⅰ得到的产物比反应Ⅱ得到的产物多,说明反应Ⅰ的速率比反应Ⅱ的速率快,速率越快,其活化能越小,则反应活化能:反应Ⅰ<反应Ⅱ,故B正确;增加HCl浓度,平衡正向移动,但平衡时产物Ⅱ和产物Ⅰ的比例不变,故C错误;根据图中信息,选择相对较短的反应时间,及时分离可获得高产率的产物Ⅰ,故D正确。
3. [2022·北京卷] 某MOFs的多孔材料刚好可将N2O4“固定”,实现了NO2与N2O4分离并制备HNO3,如图所示:已知:2NO2(g) ⇌ N2O4(g) ΔH<0下列说法不正确的是( )A.气体温度升高后,不利于N2O4的固定B.N2O4被固定后,平衡正移,有利于NO2的去除C.制备HNO3的原理为2N2O4+O2+2H2O = 4HNO3D.每制备0.4 ml HNO3,转移电子数约为6.02×1022
[解析] 2NO2(g) ⇌ N2O4(g) ΔH<0,升高温度,平衡向逆反应方向移动,N2O4的浓度减小,不利于N2O4的固定,A正确;N2O4被固定后,N2O4的浓度减小,NO2转化为N2O4的平衡向正反应方向移动,NO2的浓度减小,有利于NO2的去除,B正确;由题意知,被固定后的N2O4与氧气和水反应生成硝酸,反应的化学方程式为2N2O4+O2+2H2O = 4HNO3,C正确;N2O4转化为硝酸时,生成1 ml硝酸,反应转移1 ml电子,则每制备0.4 ml 硝酸,转移电子数约为0.4 ml×6.02×1023 ml-1=2.408×1023,D错误。
5. [2022·辽宁卷] 某温度下,在1 L恒容密闭容器中2.0 ml X发生反应2X(s) ⇌ Y(g)+2Z(g),有关数据如下:下列说法错误的是( )A.1 min时,Z的浓度大于0.20 ml·L-1 B.2 min时,加入0.20 ml Z,此时v正(Z)v逆(Z),B错误;
6. [2021·辽宁卷] 某温度下,在恒容密闭容器中加入一定量 X,发生反应2X(s) ⇌ Y(s)+Z(g),一段时间后达到平衡。下列说法错误的是( )A.升高温度,若c(Z)增大,则ΔH>0B.加入一定量Z,达新平衡后m(Y)减小C.加入等物质的量的Y和Z,达新平衡后c(Z)增大D.加入一定量氩气,平衡不移动
[解析] 根据勒夏特列原理可知,升高温度,化学平衡向着吸热反应方向移动,而c(Z)增大,说明平衡正向移动,故ΔH>0,A项正确;加入一定量Z,Z的浓度增大,平衡逆向移动,故达新平衡后m(Y)减小,B项正确;
加入等物质的量的Y和Z,Z的浓度增大,平衡逆向移动,由于X、Y均为固体,故K=c(Z),达新平衡后c(Z)不变,C项错误;加入一定量氩气,加入瞬间,Z的浓度保持不变,故正、逆反应速率不变,故平衡不移动,D项正确。
1. [2023·海南卷改编] 工业上苯乙烯的生产主要采用乙苯脱氢工艺:C6H5CH2CH3(g) ⇌ C6H5CH = CH2(g)+H2(g)。某条件下无催化剂存在时,该反应的正、逆反应速率v随时间t的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )A.曲线①表示的是逆反应的v-t关系B.t2时刻体系处于平衡状态C.反应进行到t1时,Q>K(Q为浓度商)D.催化剂存在时,v1增大,v2减小
[解析] 反应为乙苯制备苯乙烯的过程,开始时反应物浓度最大,生成物浓度为0,故曲线①表示的是正反应的v-t关系,曲线②表示的是逆反应的v-t关系,A错误;t2时,正逆反应速率相等,体系处于平衡状态,B正确;反应进行到t1时,反应正向进行,故Q
t2时,设向容器中加入3 ml C,相当于加入1 ml A和2 ml B,则状态Ⅱ相当于起始投料为2 ml A和5 ml B,若是投料为2 ml A和6 ml B,与状态Ⅰ等效,即状态Ⅱ相当于减少了B的投料,平衡逆向移动,A的体积分数变大,即φ(Ⅱ)>φ(Ⅰ),C错误;化学平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,即K(Ⅱ)=K(Ⅰ),D错误。
考点一 可逆反应与化学平衡状态
1. 已知:X(g)+2Y(g) ⇌ 3Z(g) ΔH=-a kJ·ml-1(a>0)。下列说法正确的是( )A.达到化学平衡状态时,Y的正反应速率和Z的逆反应速率相等B.达到化学平衡状态时,X、Y、Z的浓度之比为1∶2∶3C.达到化学平衡状态时,反应放出的总热量一定小于a kJD.0.2 ml X和0.2 ml Y充分反应生成Z的物质的量一定小于0.3 ml
[解析] 由题意知,该反应是气体分子数不变的放热反应。达到化学平衡状态时,Y的正反应速率和Z的逆反应速率不相等,应为3v正(Y)=2v逆(Z),A错误;达到化学平衡状态时,X、Y、Z的浓度不变,但X、Y、Z的浓度之比不一定是1∶2∶3,B错误;不知道反应物的投料量和反应物的转化率,无法判断达到化学平衡状态时反应放出的总热量,C错误;可逆反应的反应物不能完全转化为生成物,所以0.2 ml X和0.2 ml Y充分反应生成Z的物质的量一定小于0.3 ml,D正确。
4. [2023·辽宁大连模拟] 在2 L恒温恒容密闭容器中投入2 ml SO2和1 ml O2,在一定条件下充分反应,该反应是工业制硫酸的反应之一,SO2和SO3的物质的量随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )A.恰好达平衡过程中,SO3的平均反应速率为0.048 ml·L-1·min-1B.10 min时反应达到平衡,且此时SO2的平衡转化率为50%C.容器内原子总数不再发生变化,能判断该反应达到平衡状态D.在实际工业生产中,上述反应的反应条件是合适催化剂、加热,不需要加压
6. [2023·河北唐山二模] 一定条件下,在容积为2 L的恒容密闭容器中通入2 ml NO2发生反应2NO2(g) ⇌ 2NO(g)+O2(g),一定温度下,测得NO2的转化率随时间的变化曲线如图所示,在60 min时反应达到平衡状态。下列说法错误的是( )A.a点处的逆反应速率小于b点处的正反应速率B.0~10 min内,O2的平均反应速率v(O2)=0.015 ml·L-1·min-1C.其他条件不变,若在恒压条件下发生反应,平衡时NO2的转化率大于50%D.60 min后,保持温度不变,向该容器中再通入0.5 ml O2和1 ml NO2,则反应逆向进行
7. [2023·湖南郴州质检] 在温度为500 ℃时,将2 ml M(g)通入2 L恒容密闭容器中,恒温条件下发生反应2M(g) ⇌ P(g)+Q(g),反应一段时间后,测得容器中部分组分的物质的量如表所示。下列有关描述正确的是( )A.0~20 s,用P(g)表示的平均反应速率为0.025 ml·L-1·s-1B.平衡后再向容器中加入1 ml M(g),再达平衡时M(g)的转化率降低C.该反应在30 s时,v分解(M)=v生成(P)D.若在600 ℃时反应,平衡常数K=0.625,则该反应的正反应为吸热反应
8. 处于平衡状态的反应:2H2S(g) ⇌ 2H2(g)+S2(g) ΔH>0,不改变其他条件的情况下,下列说法合理的是( )A.加入催化剂,反应途径将发生改变,ΔH也将随之改变B.升高温度,正、逆反应速率都增大,H2S分解率也增大C.增大压强,平衡向逆反应方向移动,将引起体系温度降低D.若体系恒容,注入一些H2后达新平衡,H2浓度将减小
[解析] 焓变只与反应体系的始态和终态有关,与反应发生的途径无关,A错误;温度升高,正、逆反应速率均增大,因该反应的正反应是吸热反应,故平衡正向移动,H2S分解率增大,B正确;该反应是气体分子数增大的反应,增大压强平衡逆向移动,逆反应是放热反应,会使体系温度升高,C错误;若体系恒容,向体系中注入H2,平衡将向H2浓度减小的方向移动,但最终H2的浓度比原来大,D错误。
9. 氢气是一种可再生的绿色能源,也是重要的化工原料,天然气在催化剂作用下热解可制得氢气,其反应如下:CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH=+74.81 kJ·ml-1,关于上述反应,以下叙述正确的是( )A.反应达平衡时,恒温恒压下通入惰性气体,会加快正反应速率,使平衡正向移动B.反应达平衡时,恒温恒容下加入C(s),会加快逆反应速率,使平衡逆向移动C.当H2(g)的生成速率是CH4(g)消耗速率的2倍时,说明反应达到了平衡状态D.正反应活化能大于逆反应活化能
[解析] 恒温恒压下通入惰性气体,相当于减压,反应向气体分子数增大的方向进行,但是反应物浓度下降,反应速率减慢,A错误;反应体系中固体视为浓度不变,加入后无影响,B错误;无论反应是否平衡,氢气的生成速率始终是甲烷消耗速率的2倍,C错误;反应焓变大于零,说明生成物总能量大于反应物总能量,正反应活化能大于逆反应活化能,D正确。
[解析] 由平衡常数表达式可知该反应的化学方程式为2Z(g)+2W(g) ⇌ X(g)+2Y(g)。温度改变,平衡常数K的变化与反应的热效应有关,题中条件不能确定反应是放热还是吸热,故温度升高时K的变化不能确定,A项错误;混合气体的质量不变,平均相对分子质量变小,则混合气体的物质的量增大,即升高温度,反应逆向进行,故逆反应是吸热反应,B项正确;增大压强,平衡正向移动,W(g)体积分数减小,C项错误;增大X(g)浓度,平衡逆向移动,D项错误。
11. 在3个容积均为1 L的恒容密闭容器中发生反应:SO2(g)+2NO(g) ⇌ 2NO2(g)+S(s)。改变容器Ⅰ的反应温度,平衡时c(NO2)与温度的关系如图所示。
[解析] 由图可知,升高温度,二氧化氮的平衡浓度减小,平衡向逆反应方向移动,则该正反应为放热反应,ΔH<0,故A错误;由图可知,T1 K反应达到平衡时二氧化氮浓度为0.2 ml·L-1,由题意可建立如下三段式: SO2(g)+2NO(g) ⇌ 2NO2(g)+S(s)起/(ml·L-1) 0.5 0.6 0变/(ml·L-1) 0.1 0.2 0.2平/(ml·L-1) 0.4 0.4 0.2
12. [2023·河北邯郸二模] 2023年全国政府工作报告指出,推动重点领域节能降碳。一种太空生命保障系统利用电解水供氧,生成的氢气与宇航员呼出的二氧化碳在催化剂作用下生成水和甲烷,水可循环使用。(1)已知CH4与H2的燃烧热分别为890 kJ·ml-1、286 kJ·ml-1,H2O(l) = H2O(g) ΔH=+44 kJ·ml-1,写出H2(g)与CO2(g)反应生成CH4(g)和H2O(g)的热化学方程式: 。
CO2(g)+4H2(g) ⇌ CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-166 kJ·ml-1
考点四 化学平衡综合考查
(2)一定温度下,在恒容密闭容器中H2(g)与CO2(g)反应生成CH4(g)和H2O(g)。①能说明该反应达到平衡状态的是 (填字母)。 A.v(CO2)=v(CH4)B.容器内压强一定 C.气体平均相对分子质量一定D.气体密度一定E.CH4的体积分数一定
[解析] (2)由反应CO2(g)+4H2(g) ⇌ CH4(g)+2H2O(g) 知, ①v(CO2)=v(CH4)中没有说明反应的方向,不能确定是否达到平衡,A错误;该反应前后气体的总物质的量不相等,故容器内压强一定说明反应达到平衡,B正确;该反应前后气体总物质的量不相等,气体平均相对分子质量一定能说明反应达到平衡,C正确;该反应体系全是气体,且容器的容积不变,气体密度始终不变,故气体密度一定不能说明反应达到平衡,D错误;CH4的体积分数一定能说明反应达到平衡,E正确。
②已知容器的容积为5 L,初始加入0.2 ml CO2和0.6 ml H2,反应平衡后测得CO2的转化率为50%,则该反应的平衡常数为 。 ③温度不变,再加入CO2(g)、H2(g)、CH4(g)、H2O(g)各0.2 ml,则v正 (填“>”“<”或“=”)v逆。
[解析] (3)①由图可知,随着温度升高,二氧化碳的平衡转化率减小,说明升温平衡逆向移动,该正反应为放热反应,ΔH<0。②在相同温度下,结合方程式,压强增大,平衡正向移动,二氧化碳的平衡转化率增大,故图中压强(p)由大到小的顺序是p1>p2>p3。
13. 2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如图反应:
(2)为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入1.0 ml TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α。已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0,则平衡体系中B的物质的量为 ml,反应Ⅰ的平衡常数Kx1= 。同温同压下,再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释,反应Ⅰ的化学平衡将 (填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”);平衡时,A与CH3OH物质的量浓度之比c(A)∶c(CH3OH)= 。
第30讲 化学平衡及影响因素
考点一 可逆反应与化学平衡状态考点二 化学平衡常数考点三 化学平衡移动考点四 等效平衡经典真题·明考向作业手册
夯实必备知识 | 提升关键能力
考点一 可逆反应与化学平衡状态
(1)概念:在一定条件下的 反应中,当正、逆反应速率 时,反应物和生成物的浓度均保持不变,即体系的组成不随时间而改变,表明该反应中物质的转化达到了“限度”,这时的状态称之为化学平衡状态。
(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:
以上过程可用如图所示:
3. 判断化学平衡状态的两种方法
②静态标志(各种“量”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(物质的量分数、质量分数等)不变。c.温度(绝热容器)、压强(化学反应前后气体分子数不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。总之,若物理量由变量变成了不变量,则表明该可逆反应达到平衡状态;若物理量恒为不变量,则不能作为平衡标志。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)反应2NaHCO3 Na2CO3+CO2↑+H2O、Na2CO3+CO2+H2O = 2NaHCO3互为可逆反应( )(2)对反应A(g)+B(g) ⇌ C(g)+D(g),压强不随时间而变,说明反应已达到平衡状态( )
[解析] (2)反应A(g)+B(g) ⇌ C(g)+D(g)在反应前后气体的物质的量不变,故压强不随时间而变,错误。
[解析] (1)两反应条件不同,不属于可逆反应,错误。
(3)在一恒温恒容的密闭容器中充入2 ml SO2、1 ml O2,一定条件下发生反应,在相同的容器中充入2 ml SO3,在相同条件下发生反应,二者最终达到平衡时,各组分的百分含量对应相同( )(4)可逆反应都具有一定的限度,化学反应的限度可以通过改变反应条件而改变( )
[解析] (4)可逆反应的反应物不能都转化为生成物,所以具有一定的限度。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,条件改变平衡可能会发生移动,其限度会发生变化,正确。
[解析] (3)根据等效平衡的建立条件,二者属于恒温恒容等量投料,建立的平衡等效,正确。
(5)在恒温恒压条件下,对于反应A(g)+B(g) ⇌ 2C(g)+D(g),当密度保持不变时,反应达到化学平衡状态( )(6)由2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g) ΔH=-196.6 kJ·ml-1知,2 ml SO2与1 ml O2在恒压密闭容器中充分反应,可放出196.6 kJ的热量( )
[解析] (6)2 ml SO2与1 ml O2并不能完全反应,放出的热量小于196.6 kJ。
2.在一个温度恒定、容积固定的密闭容器中,发生可逆反应mA(s)+nB(g) ⇌ pC(g)+qD(g),已知m+n=p+q,且该反应为放热反应,反应达到平衡的标志是 。 ①体系的压强不再改变②气体的密度不再改变③各气体的浓度不再改变④各气体的质量分数不再改变⑤反应速率v(C)∶v(D)=p∶q⑥单位时间内n ml B断键反应,同时p ml C也断键反应
【易错警示】 规避化学平衡状态判断的两个易错点(1)化学平衡状态判断“三关注”①关注反应条件,是恒温恒容、恒温恒压,还是绝热恒容容器。②关注反应特点,是等气体分子数反应,还是非等气体分子数反应。③关注特殊情况,是否有固体参加或生成,或固体的分解反应。
(2)不能作为化学平衡状态“标志”的四种情况①反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比。②恒温恒容下的气体分子数不变的反应,体系的压强或总物质的量不再随时间而变化,如2HI(g) ⇌ H2(g)+I2(g)。③全是气体参加的气体分子数不变的反应,体系的平均相对分子质量不再随时间而变化,如2HI(g) ⇌ H2(g)+I2(g)。④全是气体参加的反应,恒容条件下体系的密度保持不变。
1.在一密闭容器中进行反应:2X(g)+Y(g) ⇌ 2Z(g)。已知反应过程中某一时刻X、Y、Z的浓度分别为0.3 ml·L-1、0.1 ml·L-1、0.4 ml·L-1,当反应达到平衡时,不可能存在的是( )A.c(X)=0.5 ml·L-1B.c(Y)+c(X)=0.5 ml·L-1C.c(Y)+c(Z)=1.05 ml·L-1D.c(X)+c(Y)+c(Z)=0.75 ml·L-1
[解析] 不确定下一时刻反应进行的方向,因此需要考虑反应进行的方向并结合极限思想解答。若该时刻后反应正向进行且Y全部转化为Z,则 2X(g)+Y(g) ⇌ 2Z(g)某时刻/(ml·L-1) 0.3 0.1 0.4转化/(ml·L-1) 0.2 0.1 0.2极限/(ml·L-1) 0.1 0 0.6若反应逆向进行,且Z全部转化为X和Y,则 2X(g)+Y(g) ⇌ 2Z(g)某时刻/(ml·L-1) 0.3 0.1 0.4转化/(ml·L-1) 0.4 0.2 0.4极限/(ml·L-1) 0.7 0.3 0
平衡时0.1 ml·L-1
题组二 化学平衡状态的判断
3.将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空容器中(假设容器容积不变,固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:H2NCOONH4(s) ⇌ 2NH3(g)+CO2(g)。能判断该反应已经达到平衡状态的是( )①v(NH3)=2v(CO2)②密闭容器中总压强不变 ③密闭容器中混合气体的密度不变 ④密闭容器中氨的体积分数不变 ⑤密闭容器中c(NH3)不变 ⑥密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变A.②③⑤B.②③⑤⑥C.①④⑤⑥D.②③④
[解析] 平衡时正、逆反应速率相等,但没有指明是正反应速率,还是逆反应速率,故①不选;该正反应是气体分子数增多的反应,所以未平衡时容器内压强会发生变化,当压强不变时说明反应达到平衡,故②选;反应物为固体,则未平衡时气体的质量发生变化,容器恒容,所以混合气体的密度会发生变化,当密度不变时说明反应达到平衡,故③选;初始投料只有H2NCOONH4固体,所以NH3(g)、CO2(g)的体积之比始终是2∶1,因此密闭容器中氨的体积分数始终不变,不能说明反应达到平衡,故④不选;反应达到平衡时各物质的浓度不再改变,所以密闭容器中c(NH3)不变可以说明反应达到平衡,故⑤选;容器内始终有物质的量之比为2∶1的NH3和CO2的混合气体,则混合气体的平均相对分子质量为定值,故⑥不选。
4.汽车尾气净化的主要原理为2NO(g)+2CO(g) 2CO2(g)+N2(g) ΔH<0。若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行,下列示意图正确且能说明反应在进行到t1时刻达到平衡状态的是 (填序号)。
[解析] ①达到平衡时,v正应保持不变;②由于是放热反应,又是绝热容器,体系温度升高,平衡左移,K减小,当K不变时,温度不变,达到平衡状态;③图中达到平衡时,CO、CO2的改变量不是1∶1;④w(NO)逐渐减小,达到平衡时保持不变;
⑤因正反应放热,容器绝热,故反应开始后体系温度升高,达到平衡状态时,体系温度不再发生变化;⑥ΔH是一个定值,不能用于判断可逆反应是否达到平衡状态。
【方法技巧】 判断化学平衡状态的两方法和两标志1.两方法——逆向相等、变量不变(1)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减少速率和生成速率相等。(2)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,不能作为是否达到平衡状态的判断依据。
2.两标志——本质标志、等价标志(1)本质标志:v正=v逆≠0。对于某一可逆反应来说,正反应消耗掉某反应物的速率等于逆反应生成该反应物的速率。(2)等价标志①全部是气体参加的非等气体分子数反应,体系的压强、平均相对分子质量不再随时间变化。例如,N2(g)+3H2(g) ⇌ 2NH3(g)。②体系中各组分的物质的量浓度、体积分数、物质的量(或质量)分数保持不变。
③对同一物质而言,断裂的化学键的物质的量与形成的化学键的物质的量相等。④对于有色物质参加或生成的可逆反应,体系的颜色不再随时间变化。例如,2NO2(g) ⇌ N2O4(g)。⑤体系中某反应物的转化率或某生成物的产率达到最大值且不再随时间变化。⑥绝热体系的温度不变,说明反应处于平衡状态。
(1)概念在一定 下,一个可逆反应达到化学平衡时,生成物 与反应物 的比值是一个常数,用符号K表示。 (2)表达式对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g) ⇌ pC(g)+qD(g),在一定温度下达到平衡时:浓度平衡常数K= ;压强平衡常数Kp= 。(固体和纯液体的浓度视为常数,不出现在平衡常数表达式中)
(3)意义及影响因素[微点拨] ①K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度变化无关。②K值的大小只能预示某可逆反应向某方向进行的最大限度,不能预示反应达到平衡所需要的时间。
(5)应用①判断可逆反应进行的程度②利用化学平衡常数,判断反应是否达到平衡或向何方向进行。对于化学反应mA(g)+nB(g) ⇌ pC(g)+qD(g)的任意状态,浓度商Q= 。 Q
③利用K可判断反应的热效应:若升高温度,K值增大,则正反应为 ;若升高温度,K值减小,则正反应为 。 ④计算转化率:利用平衡常数计算转化率的主要途径是利用温度不变时,平衡常数不变列方程求解。⑤计算相关反应的平衡常数若反应方向改变,则平衡常数变为其倒数;若方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小,尽管是同一反应,平衡常数也会改变同次幂,但意义不变。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)对于反应2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g),升高温度,K值减小,则ΔH<0( )(2)对某一可逆反应,升高温度则化学平衡常数一定变大( )(3)可逆反应若有水反应或生成,平衡常数表达式中均不写水的浓度( )
[解析] (2)对于放热反应,温度升高平衡逆向移动,平衡常数减小,错误。
[解析] (1)升高温度,K值减小,说明正反应为放热反应,则ΔH<0,正确。
[解析] (3)如果水为气态则必须写,错误。
(4)平衡常数发生变化,化学平衡必定发生移动( )(5)化学平衡发生移动,其平衡常数一定随之改变( )(6)改变条件,使反应物的平衡转化率都增大,该可逆反应的平衡常数一定增大( )(7)一个可逆反应的正反应平衡常数K正与逆反应平衡常数K逆互为倒数( )
[解析] (5)只有温度改变才能影响平衡常数K,错误。
[解析] (4)平衡常数改变,一定改变了温度,所以平衡一定移动,正确。
[解析] (6)改变条件,使反应物的平衡转化率都增大,可能是压强造成的,平衡常数不一定增大,错误。
[解析] (7)二者互为倒数,正确。
题组一 化学平衡常数及应用
1.某温度下,在密闭容器中进行反应:H2(g)+CO2(g) ⇌ H2O(g)+CO(g) ΔH>0,已知H2(g)和CO2(g)的初始浓度均为0.01 ml·L-1,测得H2的平衡转化率为60%,下列说法不正确的是( )A.CO2的平衡转化率为60%B.升高温度平衡常数K增大C.该温度下反应的平衡常数K=2.25D.若初始H2(g)、CO2(g)、H2O(g)、CO(g)的浓度均为0.01 ml·L-1,则反应逆向进行
2.在一恒容的密闭容器中,进行如下化学反应:CO2(g)+H2(g) ⇌ CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数(K)和温度(t)的关系如表:回答下列问题:(1)该反应的化学平衡常数表达式为K= 。
(2)该反应为 (填“吸热”或“放热”)反应。 (3)某温度下,各物质的平衡浓度符合关系式:3c(CO2)·c(H2)=5c(CO)·c(H2O),试判断此时的温度为 。
(4)若830 ℃时,向容器中充入1 ml CO、5 ml H2O,反应达到平衡后,其化学平衡常数K 1.0。(填“大于”“小于”或“等于”)(5)830 ℃时,容器中的反应已达到平衡。在其他条件不变的情况下,扩大容器的容积,平衡 (填“向正反应方向”“向逆反应方向”或“不”)移动。
(6)若1200 ℃时,在某时刻反应体系中CO2、H2、CO、H2O 的浓度分别为2 ml·L-1、2 ml·L-1、4 ml·L-1、4 ml·L-1,则此时反应 (填“向正反应方向进行”“向逆反应方向进行”或“处于平衡状态”)。
题组二 以化学平衡常数为中心的计算
3.在300 mL的密闭容器中,放入镍粉并充入一定量的CO气体,一定条件下发生反应:Ni(s)+4CO(g) ⇌ Ni(CO)4(g),已知该反应平衡常数与温度的关系如下表所示。下列说法不正确的是( )A.上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应B.25 ℃时,反应Ni(CO)4(g) ⇌ Ni(s)+4CO(g)的平衡常数为2×10-5C.80 ℃时,测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 ml·L-1,则此时v正>v逆D.80 ℃达到平衡时,测得n(CO)=0.3 ml,则Ni(CO)4的平衡浓度为2 ml·L-1
4.某温度下,在①和②两个恒容密闭容器中发生反应:H2(g)+CO2(g) ⇌ H2O(g)+CO(g) K=2.25。物质的起始浓度如表:下列说法正确的是( )A.反应开始,②中反应逆向进行B.平衡时,①中c(CO2)=0.04 ml·L-1C.②达平衡时,各组分浓度相同D.①中H2的平衡转化率为40%
1. 化学平衡移动的过程
2. 平衡移动方向与反应速率的关系
(1)若v正 v逆,则平衡向正反应方向移动。 (2)若v正 v逆,则平衡不移动。 (3)若v正 v逆,则平衡向逆反应方向移动。
3. 影响化学平衡的因素
(1)含义:如果改变影响平衡的一个因素(如浓度、压强或温度),平衡将向能够 这种改变的方向移动,也称化学平衡移动原理。 (2)注意:①勒夏特列原理的适用对象是可逆过程。②化学平衡移动的目的是“减弱”外界条件的改变,而不是“抵消”外界条件的改变,改变是不可逆转的。
(1)当反应混合物中存在与其他物质不相混溶的固体或液体物质时,由于其“浓度”是恒定的,不随其量的增减而变化,故改变这些固体或液体的量,对化学平衡无影响。(2)对于反应前后气态物质的化学计量数相等的反应,压强的变化对正、逆反应速率的影响程度是等同的,故平衡不移动。
(3)“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、恒压条件原平衡体系 容器容积增大,各反应气体的分压减小 体系中各组分的浓度同等程度减小(等效于减压)(4)同等程度地改变反应混合气体中各物质的浓度时,应视为压强的影响。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)化学平衡发生移动,化学反应速率一定改变;化学反应速率改变,化学平衡也一定发生移动( )(2)升高温度,平衡向吸热反应方向移动,此时v放减小,v吸增大( )(3)C(s)+CO2(g) ⇌ 2CO(g) ΔH>0,其他条件不变时,升高温度,反应速率v(CO2)和CO2的平衡转化率均增大( )
[解析] (2)升高温度,平衡向吸热反应方向移动,此时v放、v吸均增大,错误。
[解析] (1)化学反应速率改变,化学平衡不一定发生移动,如加催化剂,错误。
(4)化学平衡正向移动,反应物的转化率不一定增大( )(5)向平衡体系FeCl3+3KSCN ⇌ Fe(SCN)3+3KCl中加入适量KCl固体,平衡逆向移动,溶液的颜色变浅( )(6)对于2NO2(g) ⇌ N2O4(g)的平衡体系,压缩体积,增大压强,平衡正向移动,混合气体的颜色变浅( )
[解析] (5)向平衡体系FeCl3+3KSCN ⇌ Fe(SCN)3+3KCl中加入适量KCl固体,K+、Cl-在反应前后并未参与反应,实际参加反应的离子浓度不变,平衡不移动,错误。
[解析] (6)对于2NO2(g) ⇌ N2O4(g)的平衡体系,压缩体积,增大压强,平衡正向移动,但混合气体的颜色加深,错误。
2.在一密闭容器中,反应aA(g)+bB(s) ⇌ cC(g)+dD(g)达到平衡后,保持温度不变,将容器容积缩小为原来的一半,当达到新的平衡时,A的浓度是原来的1.6倍,则下列说法正确的是( )A.平衡向逆反应方向移动B.a>c+dC.物质A的转化率减小D.物质D的浓度减小
[解析] 容器容积缩小为原来的一半,若平衡不移动,则A的浓度应变为原来的2倍,而实际浓度是原来的1.6倍,说明平衡向正反应方向移动,a>c+d,A的转化率增大,D的浓度增大。
题组一 化学平衡的影响因素
1.某温度下,在一恒容密闭容器中进行如下两个反应并达到平衡:①2X(g)+Y(g) ⇌ Z(s)+ 2Q(g) ΔH1<0②M(g)+N(g) ⇌ R(g)+Q(g) ΔH2>0下列叙述错误的是( )A.加入适量Z,①和②平衡均不移动B.通入稀有气体Ar,①平衡正向移动C.降温时无法判断Q浓度的增减D.通入Y,则N的浓度增大
[解析] Z为固体,加入适量Z不影响反应①的平衡移动,而反应②与Z无关,故加入Z也不影响反应②的平衡移动,A正确;通入稀有气体Ar,由于容器容积不变,故反应体系中气体浓度不发生改变,反应①的平衡不移动,B错误;温度降低,反应①正向进行,反应②逆向进行,但两个反应中反应物的起始浓度未知,平衡转化率未知,故无法判断Q浓度的增减,C正确;通入气体Y,反应①平衡正向移动,Q的浓度增大,导致反应②平衡逆向移动,则N的浓度增大,D正确。
2.可逆反应mA(g)+nB(?) ⇌ pC(g)+qD(?)中A和C都是无色气体,当达到平衡后,下列叙述正确的是( )A.若改变条件后,平衡正向移动,D的百分含量一定增大B.若升高温度,A的浓度增大,说明正反应是吸热反应C.若增大压强,平衡不移动,说明m+n一定等于p+qD.若增加B的量,平衡移动后体系颜色加深,说明B必是气体
[解析] 若改变条件后,平衡正向移动,D的百分含量不一定增大,A错误;若升高温度,A的浓度增大,说明逆反应是吸热反应,B错误;
若增大压强,平衡不移动,如果B、D均为气体,则说明m+n一定等于p+q,如果B、D均不为气体,则m=p,C错误;固体和液体的用量不影响平衡,若增加B的量,平衡移动后体系颜色加深,说明B必是气体,D正确。
【规律小结】 平衡移动就是由一个“平衡状态→不平衡状态→新平衡状态”的过程。
题组二 化学平衡移动与相关参量的变化分析
3.某温度下,反应CH2 = CH2(g)+H2O(g) ⇌ CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡,下列说法正确的是( )A.增大压强,v正>v逆,平衡常数增大B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动D.恒容下,充入一定量的CH2 = CH2(g),其平衡转化率增大
[解析] 该反应是一个气体分子数减少的反应,增大压强可以加快化学反应速率,正反应速率增大的幅度大于逆反应的,故v正>v逆,平衡向正反应方向移动,但是因为温度不变,故平衡常数不变,A错误;催化剂不影响化学平衡状态,因此,加入催化剂不影响平衡时CH3CH2OH(g)的浓度,B错误;恒容下,充入一定量的H2O(g),H2O(g)的浓度增大,平衡向正反应方向移动,C正确;恒容下,充入一定量的CH2 = CH2(g),平衡向正反应方向移动,但是CH2 = CH2(g)的平衡转化率减小,D错误。
4.室温下,向圆底烧瓶中加入1 ml C2H5OH和含1 ml HBr的氢溴酸,溶液中发生反应:C2H5OH+HBr ⇌ C2H5Br+H2O,充分反应后达到平衡。已知常压下,C2H5Br和C2H5OH的沸点分别为38.4 ℃ 和78.5 ℃。下列有关叙述错误的是( )A.增大C2H5OH浓度,有利于生成C2H5BrB.若反应物均增大至3 ml,则两种反应物平衡转化率之比不变C.为缩短反应达到平衡的时间,将起始温度提高至50 ℃D.加入NaOH,可增大乙醇的物质的量
[解析] 增大C2H5OH浓度,平衡正向移动,有利于生成C2H5Br,A正确;当投料比与化学计量数之比相等时,各物质的转化率相等,原投料比为1∶1,等于化学计量数之比,则C2H5OH和HBr的转化率之比等于1∶1,将反应物均增大至3 ml,投料比不变,两种反应物平衡转化率之比不变,B正确;若温度升高至50 ℃,考虑到HBr易挥发,C2H5Br汽化,温度升高反应速率加快,而反应物浓度减小反应速率减慢,故不一定能缩短到达平衡的时间,C错误;加入的NaOH与HBr反应,平衡逆向移动,乙醇的物质的量增大,D正确。
5.某温度下,向2 L恒容密闭容器中充入1.0 ml A和1.0 ml B,发生反应A(g)+B(g) ⇌ C(g),经过一段时间后达到平衡。反应过程中测定的部分数据见下表:下列说法正确的是( )A.反应在前5 s内的平均速率v(A)=0.17 ml·L-1·s-1B.保持其他条件不变,升高温度,平衡时c(A)=0.41 ml·L-1,则反应的ΔH>0C.相同温度下,起始时向容器中充入2.0 ml C,达到平衡时,C的转化率大于80 %D.相同温度下,起始时向容器中充入0.20 ml A、0.20 ml B和1.0 ml C,反应达到平衡前v正
在一定条件下(恒温恒容或恒温恒压)下,同一可逆反应体系,不管是从正反应开始,还是从逆反应开始,还是正、逆反应同时投料,达到化学平衡状态时,任何相同组分的百分含量(质量分数、物质的量分数、体积分数等)均 。
2. 等效平衡分类及规律
3. 虚拟“中间态”法构建等效平衡
(1)构建恒温恒容平衡思维模式(如图所示)新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并压缩而成,相当于增大压强。(2)构建恒温恒压平衡思维模式(以气体物质的量增加的反应为例,如图所示)新平衡状态可以认为是两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)同一个可逆反应,在不同的条件下达到等效平衡时,同种物质的物质的量不一定相等,浓度一定相等( )(2)对于反应3A(g)+B(g) ⇌ 2C(g)+D(g),现有两个相同的恒温恒容密闭容器,一个容器中加入3 ml A和 1 ml B,另一容器中加入1.5 ml A、0.5 ml B、1 ml C和0.5 ml D,当达到平衡时两容器中同种物质的浓度相等( )
[解析] (2)此为恒温恒容容器,经极限转换,属于等量投料,故平衡等效,属于浓度对应相同的情况。
[解析] (1)等效平衡是各组分百分含量一定对应相同,但浓度不一定对应相同。
(3)A、B两容积相同的恒温恒容密闭容器,在A中充入SO2和O2各32 g,在B中充入SO2和O2各64 g,在其他条件相同时达到平衡,A中SO2的转化率大于B中SO2的转化率( )(4)一定温度和压强下,在两个容积可变的密闭容器中,一个充入1 ml O2和2 ml SO2,另一个充入8 ml SO3。发生反应并达到平衡后,各物质对应的浓度相等( )
[解析] (4)符合恒温恒压下建立等效平衡的条件,平衡时对应物质的物质的量不同,但浓度和百分含量相同。
[解析] (3)反应方程式为2SO2+O2 ⇌ 2SO3,由于A、B容积完全相同,A中充入SO2和O2各 32 g,B中充入SO2和O2各 64 g,且温度相同,因此B对A来说相当于压强加大一倍,增大压强平衡向右移动,SO2的转化率增大。
(5)一定温度下,容积不变的密闭容器中充入1.0 ml N2和 3.0 ml H2,反应达到平衡时测得NH3的物质的量为0.6 ml。若在开始时充入2.0 ml N2和 6.0 ml H2,则平衡时NH3的物质的量为1.2 ml( )
[解析] (5)容积不变,后者相当于在前者的基础上压强增大一倍,平衡向正反应方向移动,氨的物质的量大于 1.2 ml。
2.对于以下三个反应,从反应开始进行到达到平衡,保持温度、体积不变,按要求回答下列问题。(1)PCl5(g) ⇌ PCl3(g)+Cl2(g),再充入PCl5(g),平衡向 方向移动,达到平衡后,PCl5(g)的转化率 ,PCl5(g)的百分含量 。 (2)2HI(g) ⇌ I2(g)+H2(g),再充入HI(g),平衡向 方向移动,达到平衡后,HI的分解率 ,HI的百分含量 。 (3)2NO2(g) ⇌ N2O4(g),再充入NO2(g),平衡向 方向移动,达到平衡后,NO2(g)的转化率 ,NO2(g)的百分含量 。
题组一 恒温恒容条件下的等效平衡
1.相同温度下,容积相同的甲、乙、丙3个恒容密闭容器中发生可逆反应:2SO2(g)+O2(g) ⇌ 2SO3(g) ΔH=-197 kJ·ml-1。实验测得起始、平衡时的有关数据如下表:
下列叙述正确的是( )A.Q1=Q2=Q3=197 kJB.达到平衡时,丙容器中SO2的体积分数最大C.甲、乙、丙3个容器中反应的平衡常数相等D.若在上述条件下反应生成2 ml SO3(s)的反应热为ΔH1,则ΔH1>-197 kJ·ml-1
[解析] 三个容器内尽管最终平衡相同,但起始量不同,反应的热效应不同,Q1>Q2=Q3,A错误;甲、乙、丙为等效平衡,SO2的体积分数相等,B错误;由于温度一样,甲、乙、丙3个容器中反应的平衡常数相等,C正确;SO3(g)→SO3(s)放出热量,所以ΔH1<-197 kJ·ml-1,D错误。
2.一定温度下,在3个容积均为1.0 L的恒容密闭容器中反应2H2(g)+CO(g) ⇌ CH3OH(g)达到平衡,下列说法正确的是( )A.该反应的正反应吸热B.达到平衡时,容器Ⅰ中反应物转化率比容器Ⅱ中的大C.达到平衡时,容器Ⅱ中c(H2)大于容器Ⅲ中c(H2)的两倍D.达到平衡时,容器Ⅲ中的正反应速率比容器Ⅰ中的大
[解析] 对比容器Ⅰ和Ⅲ可知两者投料量相当,若温度相同,最终两者等效,但Ⅲ温度高,平衡时c(CH3OH)小,说明平衡向逆反应方向移动,即逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,A错误;Ⅱ相对于Ⅰ成比例增加投料量,相当于加压,平衡正向移动,达平衡时,反应物转化率提高,所以Ⅱ中反应物转化率高,B错误;不考虑温度,Ⅲ中相当于投入0.20 ml·L-1 H2、0.1 ml·L-1 CO,Ⅱ中投料量是Ⅲ的两倍,相当于加压,平衡正向移动,所以Ⅱ中c(H2)小于Ⅲ中c(H2)的两倍,Ⅲ升高温度,c(H2)变大,C错误;对比Ⅰ和Ⅲ,若温度相同,两者等效,达到平衡时,两容器中正反应速率相等,但Ⅲ温度高,正反应速率更快,D正确。
题组二 恒温恒压条件下的等效平衡
[解析] 甲和乙若都是恒温恒压,则两者等效,但乙为绝热恒压,又该反应正反应为放热反应,则温度:甲<乙,温度升高平衡向逆反应方向移动,c(SO2):甲<乙,平衡常数K:甲>乙,A、B项错误;丙和丁若都是恒温恒容,则两者等效,但丁为绝热恒容,则温度:丙<丁,温度越高,反应速率越快,达到平衡的时间越短,所用的时间:丙>丁,C项错误;温度升高平衡向逆反应方向移动,体积分数φ(SO3):丙>丁,D项正确。
4.初始温度为t ℃,向三个密闭的容器中按不同方式投入反应物,发生反应:4HCl(g)+O2(g) ⇌ 2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH=-116 kJ·ml-1,测得反应的相关数据如下:
下列说法正确的是( )A.反应4HCl(g)+O2(g) ⇌ 2Cl2(g)+2H2O(l)的ΔH>-116 kJ·ml-1B.a>1,b>2C.p2=1.6×105 Pa, p3=4×105 PaD.若起始向容器Ⅰ中充入0.5 ml HCl、0.5 ml O2、0.5 ml Cl2和0.5 ml H2O(g),则反应向正反应方向进行
[解析] 三个容器中,Ⅰ与Ⅱ均为恒容容器,差别在于前者恒温,后者绝热;不妨设想容器Ⅳ,其与容器Ⅰ类型相同,仅投料方式按照容器Ⅱ中的投料方式进行,那么容器Ⅳ中的平衡与Ⅰ中的等效,容器Ⅳ中的反应达到平衡时,Cl2的物质的量为1 ml。容器Ⅲ相比于容器Ⅰ,容积扩大了一倍,初始投料也增加了一倍,但容器Ⅲ是在恒温恒压的条件下反应的;不妨设想容器Ⅴ,其与容器Ⅲ的其他的条件相同,仅容器类型更改为恒温恒容的容器,那么容器Ⅴ中的平衡状态与Ⅰ中的等效,容器Ⅴ中的反应达到平衡时,Cl2的物质的量为2 ml。生成液态水相比于生成气态水,同等条件下放出的热量更多,放热越多反应的ΔH越小,因此反应4HCl(g)+O2(g) ⇌ 2Cl2(g)+2H2O(l)的ΔH<-116 kJ·ml-1,A项错误。
构造的容器Ⅳ的类型是恒温恒容条件下加入2 ml Cl2、2 ml H2O(g),容器Ⅱ的类型是绝热恒容,二者都是逆向反应建立的平衡状态,容器Ⅱ由于是绝热的,所以容器Ⅱ中的温度会越来越低,不利于反应逆向进行,相比于容器Ⅳ达到平衡时消耗的Cl2更少,所以a>1;构造的容器Ⅴ的类型为恒温恒容条件下,加入8 ml HCl、2 ml O2,容器Ⅲ的类型为恒温恒压,二者都是正向反应建立的平衡,由于容器Ⅴ为恒容容器,所以反应开始后容器Ⅴ中的压强逐渐小于容器Ⅲ中的压强,压强越小越不利于反应正向进行,因此平衡时,容器Ⅴ中的Cl2的量小于容器Ⅲ中的,所以b>2,B项正确。
【方法技巧】 恒温恒容与恒温恒压条件平衡比较模式(起始量相同)
1. [2023·北京卷] 下列事实能用平衡移动原理解释的是( )A.H2O2溶液中加入少量MnO2固体,促进H2O2分解B.密闭烧瓶内的NO2和N2O4的混合气体,受热后颜色加深C.铁钉放入浓HNO3中,待不再变化后,加热能产生大量红棕色气体D.锌片与稀H2SO4反应过程中,加入少量CuSO4固体,促进H2的产生
[解析] MnO2会催化H2O2分解,加快反应速率,与平衡移动无关,A错误;2NO2(g) ⇌ N2O4(g)是放热反应,升温平衡逆向移动,NO2浓度增大,混合气体颜色加深,B正确;
常温下,铁在浓硝酸中发生钝化,加热会使表面的氧化膜溶解,且在加热条件下铁与浓硝酸反应生成大量NO2,NO2呈红棕色,与平衡移动无关,C错误;加入硫酸铜,锌置换出铜,构成锌铜原电池,从而使反应速率加快,与平衡移动无关,D错误。
2. [2023·浙江卷] 一定条件下,1-苯基丙炔(Ph—C≡C—CH3)可与HCl发生催化加成,反应如下:反应过程中该炔烃及反应产物的占比随时间的变化如图(已知:反应Ⅰ、Ⅲ为放热反应),下列说法不正确的是( )A.反应焓变:反应Ⅰ>反应ⅡB.反应活化能:反应Ⅰ<反应ⅡC.增加HCl浓度可增加平衡时产物Ⅱ和产物Ⅰ的比例D.选择相对较短的反应时间,及时分离可获得高产率的产物Ⅰ
[解析] 设反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的焓变分别为ΔH1、ΔH2、ΔH3,由盖斯定律可知,ΔH2=ΔH1+ΔH3,因ΔH1<0,ΔH3<0,则ΔH1>ΔH2,故A正确;由图可知,反应开始短时间内反应Ⅰ得到的产物比反应Ⅱ得到的产物多,说明反应Ⅰ的速率比反应Ⅱ的速率快,速率越快,其活化能越小,则反应活化能:反应Ⅰ<反应Ⅱ,故B正确;增加HCl浓度,平衡正向移动,但平衡时产物Ⅱ和产物Ⅰ的比例不变,故C错误;根据图中信息,选择相对较短的反应时间,及时分离可获得高产率的产物Ⅰ,故D正确。
3. [2022·北京卷] 某MOFs的多孔材料刚好可将N2O4“固定”,实现了NO2与N2O4分离并制备HNO3,如图所示:已知:2NO2(g) ⇌ N2O4(g) ΔH<0下列说法不正确的是( )A.气体温度升高后,不利于N2O4的固定B.N2O4被固定后,平衡正移,有利于NO2的去除C.制备HNO3的原理为2N2O4+O2+2H2O = 4HNO3D.每制备0.4 ml HNO3,转移电子数约为6.02×1022
[解析] 2NO2(g) ⇌ N2O4(g) ΔH<0,升高温度,平衡向逆反应方向移动,N2O4的浓度减小,不利于N2O4的固定,A正确;N2O4被固定后,N2O4的浓度减小,NO2转化为N2O4的平衡向正反应方向移动,NO2的浓度减小,有利于NO2的去除,B正确;由题意知,被固定后的N2O4与氧气和水反应生成硝酸,反应的化学方程式为2N2O4+O2+2H2O = 4HNO3,C正确;N2O4转化为硝酸时,生成1 ml硝酸,反应转移1 ml电子,则每制备0.4 ml 硝酸,转移电子数约为0.4 ml×6.02×1023 ml-1=2.408×1023,D错误。
5. [2022·辽宁卷] 某温度下,在1 L恒容密闭容器中2.0 ml X发生反应2X(s) ⇌ Y(g)+2Z(g),有关数据如下:下列说法错误的是( )A.1 min时,Z的浓度大于0.20 ml·L-1 B.2 min时,加入0.20 ml Z,此时v正(Z)
6. [2021·辽宁卷] 某温度下,在恒容密闭容器中加入一定量 X,发生反应2X(s) ⇌ Y(s)+Z(g),一段时间后达到平衡。下列说法错误的是( )A.升高温度,若c(Z)增大,则ΔH>0B.加入一定量Z,达新平衡后m(Y)减小C.加入等物质的量的Y和Z,达新平衡后c(Z)增大D.加入一定量氩气,平衡不移动
[解析] 根据勒夏特列原理可知,升高温度,化学平衡向着吸热反应方向移动,而c(Z)增大,说明平衡正向移动,故ΔH>0,A项正确;加入一定量Z,Z的浓度增大,平衡逆向移动,故达新平衡后m(Y)减小,B项正确;
加入等物质的量的Y和Z,Z的浓度增大,平衡逆向移动,由于X、Y均为固体,故K=c(Z),达新平衡后c(Z)不变,C项错误;加入一定量氩气,加入瞬间,Z的浓度保持不变,故正、逆反应速率不变,故平衡不移动,D项正确。
1. [2023·海南卷改编] 工业上苯乙烯的生产主要采用乙苯脱氢工艺:C6H5CH2CH3(g) ⇌ C6H5CH = CH2(g)+H2(g)。某条件下无催化剂存在时,该反应的正、逆反应速率v随时间t的变化关系如图所示。下列说法正确的是( )A.曲线①表示的是逆反应的v-t关系B.t2时刻体系处于平衡状态C.反应进行到t1时,Q>K(Q为浓度商)D.催化剂存在时,v1增大,v2减小
[解析] 反应为乙苯制备苯乙烯的过程,开始时反应物浓度最大,生成物浓度为0,故曲线①表示的是正反应的v-t关系,曲线②表示的是逆反应的v-t关系,A错误;t2时,正逆反应速率相等,体系处于平衡状态,B正确;反应进行到t1时,反应正向进行,故Q
t2时,设向容器中加入3 ml C,相当于加入1 ml A和2 ml B,则状态Ⅱ相当于起始投料为2 ml A和5 ml B,若是投料为2 ml A和6 ml B,与状态Ⅰ等效,即状态Ⅱ相当于减少了B的投料,平衡逆向移动,A的体积分数变大,即φ(Ⅱ)>φ(Ⅰ),C错误;化学平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,即K(Ⅱ)=K(Ⅰ),D错误。
考点一 可逆反应与化学平衡状态
1. 已知:X(g)+2Y(g) ⇌ 3Z(g) ΔH=-a kJ·ml-1(a>0)。下列说法正确的是( )A.达到化学平衡状态时,Y的正反应速率和Z的逆反应速率相等B.达到化学平衡状态时,X、Y、Z的浓度之比为1∶2∶3C.达到化学平衡状态时,反应放出的总热量一定小于a kJD.0.2 ml X和0.2 ml Y充分反应生成Z的物质的量一定小于0.3 ml
[解析] 由题意知,该反应是气体分子数不变的放热反应。达到化学平衡状态时,Y的正反应速率和Z的逆反应速率不相等,应为3v正(Y)=2v逆(Z),A错误;达到化学平衡状态时,X、Y、Z的浓度不变,但X、Y、Z的浓度之比不一定是1∶2∶3,B错误;不知道反应物的投料量和反应物的转化率,无法判断达到化学平衡状态时反应放出的总热量,C错误;可逆反应的反应物不能完全转化为生成物,所以0.2 ml X和0.2 ml Y充分反应生成Z的物质的量一定小于0.3 ml,D正确。
4. [2023·辽宁大连模拟] 在2 L恒温恒容密闭容器中投入2 ml SO2和1 ml O2,在一定条件下充分反应,该反应是工业制硫酸的反应之一,SO2和SO3的物质的量随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )A.恰好达平衡过程中,SO3的平均反应速率为0.048 ml·L-1·min-1B.10 min时反应达到平衡,且此时SO2的平衡转化率为50%C.容器内原子总数不再发生变化,能判断该反应达到平衡状态D.在实际工业生产中,上述反应的反应条件是合适催化剂、加热,不需要加压
6. [2023·河北唐山二模] 一定条件下,在容积为2 L的恒容密闭容器中通入2 ml NO2发生反应2NO2(g) ⇌ 2NO(g)+O2(g),一定温度下,测得NO2的转化率随时间的变化曲线如图所示,在60 min时反应达到平衡状态。下列说法错误的是( )A.a点处的逆反应速率小于b点处的正反应速率B.0~10 min内,O2的平均反应速率v(O2)=0.015 ml·L-1·min-1C.其他条件不变,若在恒压条件下发生反应,平衡时NO2的转化率大于50%D.60 min后,保持温度不变,向该容器中再通入0.5 ml O2和1 ml NO2,则反应逆向进行
7. [2023·湖南郴州质检] 在温度为500 ℃时,将2 ml M(g)通入2 L恒容密闭容器中,恒温条件下发生反应2M(g) ⇌ P(g)+Q(g),反应一段时间后,测得容器中部分组分的物质的量如表所示。下列有关描述正确的是( )A.0~20 s,用P(g)表示的平均反应速率为0.025 ml·L-1·s-1B.平衡后再向容器中加入1 ml M(g),再达平衡时M(g)的转化率降低C.该反应在30 s时,v分解(M)=v生成(P)D.若在600 ℃时反应,平衡常数K=0.625,则该反应的正反应为吸热反应
8. 处于平衡状态的反应:2H2S(g) ⇌ 2H2(g)+S2(g) ΔH>0,不改变其他条件的情况下,下列说法合理的是( )A.加入催化剂,反应途径将发生改变,ΔH也将随之改变B.升高温度,正、逆反应速率都增大,H2S分解率也增大C.增大压强,平衡向逆反应方向移动,将引起体系温度降低D.若体系恒容,注入一些H2后达新平衡,H2浓度将减小
[解析] 焓变只与反应体系的始态和终态有关,与反应发生的途径无关,A错误;温度升高,正、逆反应速率均增大,因该反应的正反应是吸热反应,故平衡正向移动,H2S分解率增大,B正确;该反应是气体分子数增大的反应,增大压强平衡逆向移动,逆反应是放热反应,会使体系温度升高,C错误;若体系恒容,向体系中注入H2,平衡将向H2浓度减小的方向移动,但最终H2的浓度比原来大,D错误。
9. 氢气是一种可再生的绿色能源,也是重要的化工原料,天然气在催化剂作用下热解可制得氢气,其反应如下:CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH=+74.81 kJ·ml-1,关于上述反应,以下叙述正确的是( )A.反应达平衡时,恒温恒压下通入惰性气体,会加快正反应速率,使平衡正向移动B.反应达平衡时,恒温恒容下加入C(s),会加快逆反应速率,使平衡逆向移动C.当H2(g)的生成速率是CH4(g)消耗速率的2倍时,说明反应达到了平衡状态D.正反应活化能大于逆反应活化能
[解析] 恒温恒压下通入惰性气体,相当于减压,反应向气体分子数增大的方向进行,但是反应物浓度下降,反应速率减慢,A错误;反应体系中固体视为浓度不变,加入后无影响,B错误;无论反应是否平衡,氢气的生成速率始终是甲烷消耗速率的2倍,C错误;反应焓变大于零,说明生成物总能量大于反应物总能量,正反应活化能大于逆反应活化能,D正确。
[解析] 由平衡常数表达式可知该反应的化学方程式为2Z(g)+2W(g) ⇌ X(g)+2Y(g)。温度改变,平衡常数K的变化与反应的热效应有关,题中条件不能确定反应是放热还是吸热,故温度升高时K的变化不能确定,A项错误;混合气体的质量不变,平均相对分子质量变小,则混合气体的物质的量增大,即升高温度,反应逆向进行,故逆反应是吸热反应,B项正确;增大压强,平衡正向移动,W(g)体积分数减小,C项错误;增大X(g)浓度,平衡逆向移动,D项错误。
11. 在3个容积均为1 L的恒容密闭容器中发生反应:SO2(g)+2NO(g) ⇌ 2NO2(g)+S(s)。改变容器Ⅰ的反应温度,平衡时c(NO2)与温度的关系如图所示。
[解析] 由图可知,升高温度,二氧化氮的平衡浓度减小,平衡向逆反应方向移动,则该正反应为放热反应,ΔH<0,故A错误;由图可知,T1 K反应达到平衡时二氧化氮浓度为0.2 ml·L-1,由题意可建立如下三段式: SO2(g)+2NO(g) ⇌ 2NO2(g)+S(s)起/(ml·L-1) 0.5 0.6 0变/(ml·L-1) 0.1 0.2 0.2平/(ml·L-1) 0.4 0.4 0.2
12. [2023·河北邯郸二模] 2023年全国政府工作报告指出,推动重点领域节能降碳。一种太空生命保障系统利用电解水供氧,生成的氢气与宇航员呼出的二氧化碳在催化剂作用下生成水和甲烷,水可循环使用。(1)已知CH4与H2的燃烧热分别为890 kJ·ml-1、286 kJ·ml-1,H2O(l) = H2O(g) ΔH=+44 kJ·ml-1,写出H2(g)与CO2(g)反应生成CH4(g)和H2O(g)的热化学方程式: 。
CO2(g)+4H2(g) ⇌ CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-166 kJ·ml-1
考点四 化学平衡综合考查
(2)一定温度下,在恒容密闭容器中H2(g)与CO2(g)反应生成CH4(g)和H2O(g)。①能说明该反应达到平衡状态的是 (填字母)。 A.v(CO2)=v(CH4)B.容器内压强一定 C.气体平均相对分子质量一定D.气体密度一定E.CH4的体积分数一定
[解析] (2)由反应CO2(g)+4H2(g) ⇌ CH4(g)+2H2O(g) 知, ①v(CO2)=v(CH4)中没有说明反应的方向,不能确定是否达到平衡,A错误;该反应前后气体的总物质的量不相等,故容器内压强一定说明反应达到平衡,B正确;该反应前后气体总物质的量不相等,气体平均相对分子质量一定能说明反应达到平衡,C正确;该反应体系全是气体,且容器的容积不变,气体密度始终不变,故气体密度一定不能说明反应达到平衡,D错误;CH4的体积分数一定能说明反应达到平衡,E正确。
②已知容器的容积为5 L,初始加入0.2 ml CO2和0.6 ml H2,反应平衡后测得CO2的转化率为50%,则该反应的平衡常数为 。 ③温度不变,再加入CO2(g)、H2(g)、CH4(g)、H2O(g)各0.2 ml,则v正 (填“>”“<”或“=”)v逆。
[解析] (3)①由图可知,随着温度升高,二氧化碳的平衡转化率减小,说明升温平衡逆向移动,该正反应为放热反应,ΔH<0。②在相同温度下,结合方程式,压强增大,平衡正向移动,二氧化碳的平衡转化率增大,故图中压强(p)由大到小的顺序是p1>p2>p3。
13. 2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如图反应:
(2)为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入1.0 ml TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α。已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0,则平衡体系中B的物质的量为 ml,反应Ⅰ的平衡常数Kx1= 。同温同压下,再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释,反应Ⅰ的化学平衡将 (填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”);平衡时,A与CH3OH物质的量浓度之比c(A)∶c(CH3OH)= 。
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