2020版高考一轮复习化学新课改省份专用学案：第六章第2课时　点点突破——平衡状态与平衡移动

第2课时　点点突破——平衡状态与平衡移动

考点一　化学平衡状态

1．化学平衡研究的对象——可逆反应

2．化学平衡状态

(1)概念

一定条件下的可逆反应，当反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物的浓度和生成物的浓度不再改变，我们称为“化学平衡状态”，简称化学平衡。

(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：

以上过程可用如图表示：

 (3)平衡特点

3．化学平衡状态的判断

[考法精析]

考法一　化学平衡状态的判断

1．一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1 mol Y的同时生成2 mol X

解析：选C　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。

2．一定温度下，反应N2O4(g)2NO2(g)的焓变为ΔH。现将1 mol N2O4充入一恒压密闭容器中，下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是(　　)

A．①②　　　　　　　 B．②④

C．③④  D．①④

解析：选D　因反应容器保持恒压，所以容器体积随反应进行而不断变化，结合ρ气＝可知，气体密度不再变化，说明容器体积不再变化，即气体的物质的量不再变化，反应达到平衡状态，①符合题意；无论是否平衡，反应的ΔH都不变，②不符合题意；反应开始时，加入1 mol N2O4，随着反应的进行，N2O4的浓度逐渐变小，故v正(N2O4)逐渐变小，直至达到平衡，③不符合题意；N2O4的转化率不再变化，说明N2O4的浓度不再变化，反应达到平衡状态，④符合题意。

3．(2018·浙江4月选考)反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0，若在恒压绝热容器中发生，下列选项表明反应一定已达平衡状态的是(　　)

A．容器内的温度不再变化

B．容器内的压强不再变化

C．相同时间内，断开H—H键的数目和生成N—H键的数目相等

D．容器内气体的浓度c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)＝1∶3∶2

解析：选A　已知反应为放热反应，当容器内的温度不变时，平衡不再移动，达到平衡状态，A项符合题意；反应在恒压条件下进行，反应前后压强均不变，不能判断是否达到平衡状态，B项不符合题意；断开H—H键和生成N—H键均指正反应方向，不能判断是否达到平衡状态，C项不符合题意；当浓度为1∶3∶2时，无法证明正逆反应速率相等，即无法判定是否达到平衡状态，D项不符合题意。

4．用Cl2生产某些含氯有机物时会生成副产物HCl，利用下列反应可实现氯的循环利用：4HCl(g)＋O2(g)2Cl2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－115.6 kJ·mol－1。恒温恒容的密闭容器中，充入一定量的反应物发生上述反应，能充分说明该反应达到化学平衡状态的是(　　)

A．气体的质量不再改变

B．氯化氢的转化率不再改变

C．断开4 mol H—Cl键的同时生成4 mol H—O键

D．n(HCl)∶n(O2)∶n(Cl2)∶n(H2O)＝4∶1∶2∶2

解析：选B　反应物和生成物均为气体，气体的总质量始终不变，A错误；反应正向进行时，HCl的转化率升高；反应逆向进行时，HCl的转化率降低，当HCl的转化率不再改变时，可以说明可逆反应达到平衡状态，B正确；断开4 mol H—Cl键和生成4 mol H—O键均表示正反应方向的反应速率，不能据此判断反应是否达到平衡状态，C错误；反应达到平衡状态时，各反应物和生成物的物质的量保持不变，但各物质的物质的量之比等于对应的化学计量数之比，不能判断反应是否达到平衡状态，D错误。

[备考方略]

判断化学平衡状态的方法——“正逆相等，变量不变”

考法二　考查“极值”思想在化学平衡计算中的应用

5．可逆反应N2＋3H22NH3，在容积为10 L的密闭容器中进行，开始时加入2 mol N2和3 mol H2，达平衡时，NH3的浓度不可能达到(　　)

A．0.1 mol·L－1  B．0.2 mol·L－1

C．0.05 mol·L－1  D．0.15 mol·L－1

解析：选B　2 mol N2和3 mol H2反应，假设反应能够进行到底，则3 mol H2完全反应，生成2 mol NH3，此时NH3浓度为0.2 mol·L－1，但由于反应是可逆反应，H2不能完全反应，所以NH3浓度达不到0.2 mol·L－1。

6．一定条件下，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

解析：选D　由于X、Y的平衡浓度之比为1∶3，转化浓度亦为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，A、C不正确；平衡时Y生成表示逆反应，Z生成表示正反应，且vY(生成)∶vZ(生成)应为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。

考点二　化学平衡移动及化学反应进行的方向　　　

1．化学平衡移动的过程

原化学平衡状态

由上图可推知：

(1)化学反应条件改变，使正、逆反应速率不再相等，化学平衡才会发生移动。

(2)化学平衡发生移动，化学反应速率一定改变。

2．影响化学平衡的因素

(1)若其他条件不变，改变下列条件对化学平衡的影响

[提醒]　压强对化学平衡的影响主要看改变压强能否引起反应物和生成物的浓度变化，只有引起物质的浓度变化才会造成平衡移动，否则压强对平衡无影响。

(2)浓度的“决定性”作用

3．化学平衡移动与化学反应速率的关系

4．勒夏特列原理

如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强、以及参加反应的化学物质的浓度)，平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。

[提醒]　①由“化学平衡”可知：勒夏特列原理的适用对象是可逆过程。

②由“减弱”可知：只能减弱改变，而不能消除改变。

1．自发过程

(1)含义

不用借助外力就可以自动进行的过程。

(2)特点

①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或放出热量)。

②在密闭条件下，体系有从有序转变为无序的倾向性(无序体系更加稳定)。

2．熵与熵变

(1)熵

描述体系混乱程度的物理量，符号为S。

熵值越大，体系混乱度越大。

(2)熵变

ΔS＝S(反应产物)－S(反应物)。

3．反应进行的方向

(1)判据

(2)规律

①ΔH_＜__0，ΔS_＞__0的反应任何温度下都能自发进行；

②ΔH_＞__0，ΔS_＜__0的反应任何温度下都不能自发进行；

③ΔH和ΔS的作用相反，且相差不大时，温度对反应的方向起决定性作用。当ΔH＜0，ΔS＜0时，低温下反应能自发进行；当ΔH＞0，ΔS＞0时，高温下反应能自发进行。

[提醒]　对于一个特定的气相反应，熵变的大小取决于反应前后的气体物质的化学计量数大小。

[考法精析]

考法一　外界条件对化学平衡的影响

[典例1]　将等物质的量的N2、H2气体充入某密闭容器中，在一定条件下，发生如下反应并达到平衡：

N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时，下表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是(　　)

[解析]　A项，正反应是气体体积减小的反应，依据勒夏特列原理可知增大压强平衡向正反应方向移动，但N2的浓度仍然比原平衡大，不正确；B项，正反应是放热反应，则升高温度平衡向逆反应方向移动，N2的转化率降低，正确；C项，充入一定量的H2，平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，而H2的转化率降低，不正确；D项，催化剂只能改变反应速率而不能使平衡移动，不正确。

[答案]　B

[备考方略]　化学平衡移动题的解题流程

[对点练1]　COCl2(g)CO(g)＋Cl2(g)　ΔH>0。当反应达到平衡时，下列措施：①升温、②恒容通入惰性气体、③增加CO浓度、④减压、⑤加入催化剂、⑥恒压通入惰性气体， 能提高COCl2转化率的是(　　)

A．①②④　　　　　　　 B．①④⑥

C．②③⑤  D．③⑤⑥

解析：选B　该反应为吸热反应，升温则平衡正向移动，反应物转化率提高，①正确；恒容时，通入惰性气体，反应物与生成物浓度不变，平衡不移动，②错误；增加CO浓度，平衡逆向移动，反应物转化率降低，③错误；该反应正反应为气体分子总数增大的反应，减压时平衡正向移动，反应物转化率提高，④正确；催化剂只能改变反应速率，不能提高反应物的转化率，⑤错误；恒压时，通入惰性气体，容器体积增大，反应物与生成物的浓度均降低，平衡向气体分子数增加的方向移动，即平衡正向移动，反应物转化率提高，⑥正确。

[对点练2]　在体积为V L的恒容密闭容器中盛有一定量H2，通入Br2(g)发生反应：H2(g)＋Br2(g)2HBr(g)　ΔH<0。当温度分别为T1、T2平衡时，H2的体积分数与Br2(g)的物质的量的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．由图可知：T2>T1

B．a、b两点的反应速率：b>a

C．为了提高Br2(g)的转化率，可采取增加Br2(g)通入量的方法

D．a点比b点体系的颜色深

解析：选B　A项，根据反应：H2(g)＋Br2(g)2HBr(g)　ΔH<0，升温，平衡向逆反应方向移动，H2的体积分数增大，根据图示变化，可知T1>T2，错误；B项，b点Br2的浓度比a点Br2的浓度大，反应速率也大，正确；C项，增加Br2(g)的通入量，Br2(g)的转化率减小，错误；D项，b点对a点来说，是向a点体系中加入Br2使平衡向正反应方向移动，尽管Br2的量在新基础上会减小，但是Br2的浓度比原来会增加，导致Br2的浓度增加，颜色变深，即b点比a点体系的颜色深，错误。

考法二　化学平衡移动原理在化工生产中的应用

[典例2]　(2016·全国卷Ⅱ节选)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。回答下列问题：

(1)以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：

①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)ΔH＝－515 kJ·mol－1

②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)ΔH＝－353 kJ·mol－1

有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是_______________________________________

________________________________________________________________________；

提高丙烯腈反应选择性的关键因素是__________________________________________。

(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时，丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率，判断理由是________________________________________________________________________；

高于460 ℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选，填标号)。

A．催化剂活性降低　　　　 B．平衡常数变大

C．副反应增多  D．反应活化能增大

[解析]　(1)由题给生成丙烯腈的热化学方程式①可知其反应的特点：正反应为放热反应，正反应方向是气体物质的量增加的反应；故降低温度或降低压强，平衡均向正反应方向移动，有利于提高丙烯腈的平衡产率。

在化工生产中由于此反应会伴随副反应发生，为提高丙烯腈反应的选择性，使用合适催化剂十分重要。

(2)由图(a)可知，低于460 ℃时丙烯腈的产率随温度的升高而增大，高于460 ℃时丙烯腈的产率随温度的升高而降低，当460  ℃时丙烯腈的产率最高，而根据反应①可知反应放热，其丙烯腈的产率理应随着温度的升高而降低。图(a)展示的产率变化与反应①应该呈现的产率变化相矛盾的原因是低于460 ℃时，图(a)中呈现的产率变化是未达到平衡时的产率变化，当460 ℃时达到平衡，高于460 ℃时呈现的产率变化才是平衡产率。

[答案]　(1)降低温度、降低压强　催化剂

(2)不是　该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低　AC

[备考方略]　化工生产适宜条件选择的一般原则

[对点练3]　工业上利用焦炭与水蒸气生产H2的反应原理为C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)　ΔH＞0；CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＜0；第二步生产的原料CO来源于第一步的产物。为提高原料的利用率及H2的日产量，下列措施中不可取的是(　　)

①第一步产生的混合气直接作为第二步的反应物

②第二步生产应采用适当的温度和催化剂

③第一、二步生产中均充入足量水蒸气

④第二步应在低温下进行

⑤第二步生产采用高压

⑥第二步生产中增大CO的浓度

A．①③⑤  B．②④⑥

C．②③⑤  D．①④⑤⑥

解析：选D　第一步产生的H2使第二步的平衡逆向移动，故应先进行分离，①错误；第二步反应为放热反应，温度过低，反应速率太小而影响H2的日产量，温度过高则平衡逆向移动，且要考虑催化剂的活性，故应选择适当的温度和催化剂，故②正确、④错误；增大廉价易得的水蒸气浓度可提高焦炭的利用率，③正确；压强对第二步反应无影响，不必采取高压，⑤错误；增大CO浓度并未提高主要原材料焦炭的利用率，⑥错误。

[对点练4]　化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。

(1)利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：TaS2(s)＋2I2(g)TaI4(g)＋S2(g)　ΔH＞0　Ⅰ

如图所示，反应Ⅰ在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的TaS2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1________T2(填“＞”“＜”或“＝”)。上述反应体系中循环使用的物质是________。

(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH________0(填“＞”或“＜”)。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是___________________________

________________________________________________________________________。

解析：(1)由题意可知，未提纯的TaS2粉末变成纯净TaS2晶体，要经过两步转化：①TaS2＋2I2TaI4＋S2，②TaI4＋S2TaS2＋2I2，即反应Ⅰ先在温度T2端正向进行，后在温度T1端逆向进行，反应Ⅰ的ΔH大于0，因此温度T1小于T2，该过程中循环使用的物质是I2。(2)从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故ΔH＜0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在1.3×104 kPa下，CO的转化率已经很大，不必再增大压强。

答案：(1)＜　I2

(2)＜　在1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失