高中化学人教版 (新课标)选修4 化学反应原理第二章 化学反应速率和化学平衡第三节 化学平衡教学设计

第三节　化学平衡

课时1　化学平衡状态

目标与素养：1.了解化学反应的可逆性，了解可逆反应的概念、特点。(宏观辨识)2.了解化学平衡的建立和特征。(变化观念与平衡思想)

1．可逆反应

　2H2＋O22H2O是可逆反应吗？为什么？

[答案]　不是。两反应方向的条件不同。

2．化学平衡状态

(1)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：

以上过程用v­t图像表示：

(2)概念

在一定条件下的可逆反应里，当正、逆两个方向的反应速率相等时，反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持恒定的状态。

(3)五特征

　若反应体系的总压强不变，该可逆反应一定达平衡了吗？为什么？

[答案]　不一定，对前后气体体积相等的反应，压强不变不能作判据。

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)既能向正方向进行又能向逆方向进行的反应均是可逆反应。 (　　)

(2)平衡时体系内各物质浓度保持不变，由v＝知各反应物表示的反应速率均为0，反应处于静止状态。               (　　)

(3)若反应体系的气体密度不变，该可逆反应达平衡状态。

  (　　)

(4)在已达到平衡的可逆反应：2SO2＋O22SO3中，充入18O2一段时间后，18O只存在于SO2和SO3中。               (　　)

[答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×

2．在某一容积为5 L的密闭容器内，加入0.2 mol的CO和0.2 mol的H2O，在催化剂存在的条件下加热至高温，发生如下反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH>0。反应中CO2的浓度随时间变化情况如图：

(1)根据图中数据，反应开始至达到平衡时，CO的化学反应速率为________；反应达到平衡时，c(H2)＝________。

(2)判断该反应达到平衡的依据是________。

①CO减少的化学反应速率和CO2减少的化学反应速率相等

②CO、H2O、CO2、H2的浓度都相等

③CO、H2O、CO2、H2的浓度都不再发生变化

④正、逆反应速率都为零

[答案]　(1)0.003 mol·L－1·min－1　0.03 mol·L－1　

(2)①③

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0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.2 mol·L－1，在一定条件下，反应达到平衡。可根据极端假设法判断，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)　   0.1　　0.3　　　0.2

改变浓度/(mol·L－1) 　  0.1　　0.1　　　0.2

终态浓度/(mol·L－1) 　  0　　　0.2　　　0.4

假设反应逆向进行到底：X2(g)＋Y2(g)2Z(g)

起始浓度/(mol·L－1)　 　　0.1　　0.3　　0.2

改变浓度/(mol·L－1) 　　　0.1　　0.1　　0.2

终态浓度/(mol·L－1) 　　　0.2　　0.4　　0

平衡体系中各物质的浓度范围为0＜c(X2)＜0.2 mol·L－1；0.2 mol·L－1＜c(Y2)＜0.4 mol·L－1；0＜c(Z)＜0.4 mol·L－1。

1．一定条件下，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0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.08 mol·L－1，则下列判断正确的是(　　)

A．c1∶c2＝3∶1

B．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0<c1<0.14 mol·L－1

D　[平衡浓度之比为1∶3，转化浓度亦为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，A、C不正确；平衡时Y的生成表示的是逆反应速率，Z生成表示的是正反应速率，且vY(生成)∶vZ(生成)＝3∶2，B不正确；由可逆反应的特点可知0<c1<0.14 mol·L－1，D正确。]

2．在一定条件下，某密闭容器中发生可逆反应2X(g)＋2Y(g)3Z(g)＋2W(g)，X、Y的初始浓度分别为2.5 mol·L－1和2.0 mol·L－1，达平衡后，下列各生成物的浓度数据中肯定错误的是(　　)

A．c(Z)＝1.5 mol·L－1 B．c(Z)＝2.4 mol·L－1

C．c(W)＝1.6 mol·L－1 D．c(W)＝2.0 mol·L－1

D　[可逆反应中，反应物不可能完全转化。由于反应中X、Y按物质的量之比1∶1反应，所以X过量，若Y完全反应，则c(Z)＝3.0 mol·L－1，c(W)＝2.0 mol·L－1。但Y不可能完全反应，所以0＜c(Z)＜3.0 mol·L－1,0＜c(W)＜2.0 mol·L－1。故D项错误。]

平衡思想：从“变量不变”理解平衡状态判定标志

(1)全部是气体参加的非等体积反应，体系的压强、平均相对分子质量不再随时间而变化。

(2)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。

(3)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而变化。

(4)绝热体系的温度不变，说明反应处于平衡状态。

(5)全部是气体的非等体积反应，恒压条件下，密度不再变化；对于有固体参与或生成的气体平衡体系，密度不再变化。

总之，要抓住变化的量不变可作平衡的标志；如果该物理量始终是一个定值，就不能作为判断是否达平衡的标志。

【典例】　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。

(1)上述情况中能作为反应1达到平衡状态标志的是________。

(2)上述情况中能作为反应2达到平衡状态标志的是________。

[解析]　(1)对于反应2NO2(g)2NO(g)＋O2(g)，当同一物质的正、逆反应速率相等v(正)＝v(逆)，反应处于平衡状态，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。(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)不再改变时，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。

[答案]　(1)①②④⑤⑥　(2)①②

(1)对于反应1，当v＝v时，反应是否达到平衡？

(2)对于反应2，当I2(g)为I2(s)时，平均相对分子质量不改变时，反应是否达到平衡？

[答案]　(1)否。　(2)是。

3．一定条件下，可逆反应2A(g)B(g)＋3C(g)，在下列四种状态中处于平衡状态的是 (　　)

D　[根据平衡状态的判断依据v(正)＝v(逆)知，v(A)∶v(B)∶v(C)＝2∶1∶3，即D项中的反应达到平衡状态。]

4．将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空容器中(假设容器体积不变，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)。

①2v(NH3)＝v(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密闭容器中氨气的体积分数不变　⑤密闭容器中c(NH3)不变

能判断该反应已经达到化学平衡的是(　　)

A．②③⑤　　　 B．②③④

C．①④⑤ D．全部

A　[①没说明正反应速率和逆反应速率，故不能作为依据；②密闭容器中总压强与气体物质的量成正比，只有平衡时n(气)不变，故压强可以作为依据；③ρ＝，m(气)可变，故可以作为依据；④n(NH3)∶n(CO2)＝2∶1，故氨气的体积分数为恒值，不能作为依据；⑤根据定义，可以作为依据。]

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　[可逆反应的特点是反应物、生成物共存。]

2．在一个密闭容器中发生反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，反应过程中某一时刻测得SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2 mol·L－1、0.2 mol·L－1、0.2 mol·L－1，当反应达到平衡时，可能出现的数据是(　　)

A．c(SO3)＝0.4 mol·L－1

B．c(SO2)＝c(SO3)＝0.15 mol·L－1

C．c(SO2)＝0.25 mol·L－1

D．c(O2)＝0.1 mol·L－1

C　[　　　　　　　2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)

某时刻/(mol·L－1)　　0.2　 　0.2　　  　0.2

极限转化/(mol·L－1)　0.4　 　0.3　  　 　0

极限转化/(mol·L－1)　 0　　　0.1　　  　0.4

A．由于反应为可逆反应，SO3的浓度一定小于0.4 mol·L－1，故A错误；B.SO3、SO2浓度不会均为0.15 mol·L－1，只能一种物质的浓度增大，另一种物质的浓度减小，故B错误；C.由于反应为可逆反应，SO2的浓度一定小于0.4 mol·L－1，大于0，则可能为0.25 mol·L－1，故C正确；D.由于反应为可逆反应，O2的浓度一定小于0.3 mol·L－1，大于0.1 mol·L－1，故D错误。]

3．对于可逆反应M＋NQ达到平衡时，下列说法正确的是 (　　)

A．M、N、Q三种物质的浓度一定相等

B．M、N全部变成了Q

C．反应混合物各成分的百分比不再变化

D．反应已经停止

[答案]　C

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n mol CO的同时生成n mol H2

D．1 mol H—H键断裂的同时断裂2 mol H—O键

C　[生成CO和H2，均为正反应方向，不能确定v正＝v逆。]

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

(1)上图表示NO2的浓度变化的曲线是________。

用O2表示从0～2 s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________(填序号)。

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

[解析]　(1)由起始n(NO)＝0.02 mol⇒c(NO)＝＝0.01 mol·L－1，再结合2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)可知c(NO2)<0.01 mol·L－1，故曲线b表示c(NO2)的变化；v(NO)＝＝＝3×10－3 mol·L－1·s－1，v(O2)＝v(NO)＝1.5×10－3 mol·L－1·s－1。

(2)a项，未注明正、逆反应速率；b项，该反应前后气体计量数不相等，故压强不变说明达到平衡；c项，v逆(NO)＝2v逆(O2)＝2v正(O2)，故说明达到平衡；d项，m(气)不变，V(气)不变，故ρ＝为恒值。

[答案]　(1)b　1.5×10－3 mol·L－1·s－1　(2)bc