等效平衡 高考化学一轮复习强化提升课学案新人教版

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等效平衡　本部分知识在高考中更多是以填空题形式考查，考查学生分析数据的能力，能从数据中找到容器特征、可逆反应特征，能正确分析投料量关系，从而比较浓度、转化率、热量、百分含量等物理量的相对大小等。考查了化学平衡原理，考查了宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想的学科素养。命题角度1：等温等容条件下的等效平衡【典例1】(2018·江苏高考，改编)一定温度下，在三个容积相同的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物，发生反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)(正反应放热)，测得反应的相关数据如下： 容器1容器2容器3反应温度T/K700700800反应物投入量2 mol SO2、1 mol O24 mol SO32 mol SO2、1 mol O2平衡v正(SO2)/mol·L－1·s－1v1v2v3平衡c(SO3)/mol·L－1c1c2c3平衡体系总压强p/Pap1p2p3物质的平衡转化率αα1(SO2)α2(SO3)α3(SO2)平衡常数KK1K2K3下列说法正确的是(　　)A．v1<v2，c2<2c1B．K1>K3，p2>2p3C．v1>v3，α1(SO2)<α3(SO2)D．c2>2c3，α2(SO3)＋α3(SO2)<1【解析】选D。A项，容器2中投入量相当于容器1中投入量的2倍，平衡时，容器2中SO2的速率大，容器2相当于2个容器1加压，平衡正向移动，则平衡时SO3的量比容器1中2倍还大，错误；B项，平衡常数仅与温度有关，容器3中温度高，而该反应为放热反应，升温平衡逆向移动，平衡常数减小，即K1>K3，容器2中投入量相当于容器3的两倍，两个容器3加压时，平衡正向移动，压强减小，即p2<2p3，并且容器3中温度高于容器2，则两倍容器3中的压强更大，错误；C项，容器1和3中起始投入量相等，但是容器3中温度高，则反应速率快，即v3>v1，升高温度，平衡逆向移动，SO2的转化率减小，即α1(SO2)>α3(SO2)，错误；D项，容器2相当于2个容器3加压且降温，平衡会正向移动，容器2平衡时c(SO3)的量比容器3平衡时c(SO3)的量2倍还要多，若容器2中投入2 mol SO3且两容器的温度相等，则两容器为完全等效，故有α2(SO3)＋α3(SO2)＝1，对于容器2而言，相当于2个容器3加压且降温，使得反应向生成SO3的方向进行，则α2(SO3)减小，又因为容器2中温度低，也会使得反应向SO3方向进行，即α2(SO3)减小，所以α2(SO3)＋α3(SO2)<1，正确。命题角度2.等温等压条件下的等效平衡【典例2】(2021·重庆模拟)在一定条件下，向一带活塞的密闭容器中充入2 mol SO2和1 mol O2，发生下列反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，达到平衡后改变下述条件，再次平衡后SO3气体浓度不变的是(　　)A．保持温度和容器体积不变，充入1 mol SO3(g)B．保持温度和容器内压强不变，充入1 mol SO3(g)C．保持温度和容器内压强不变，充入1 mol O2(g)D．保持温度和容器内压强不变，充入1 mol Ar(g)【解析】选B。保持温度和容器体积不变，充入1 mol SO3，平衡向逆反应方向移动，则SO2、O2、SO3气体平衡浓度都比原来增大，故A错误；保持温度和容器内压强不变，充入1 mol SO3，处于等效平衡状态，浓度不变，故B正确；保持温度和容器内压强不变，充入1 mol O2，平衡向正反应方向移动，则SO3气体物质的量增大，但平衡浓度都比原来减小，故C错误；保持温度和容器内压强不变，充入1 mol Ar，平衡向逆反应方向移动，则SO2、O2、SO3气体平衡浓度都比原来减小，故D错误。1．等效平衡：在相同条件下(恒温、恒容或恒温、恒压)，同一可逆反应体系，不管是从正反应方向开始，还是从逆反应方向开始，在达到化学平衡状态时，任何相同组分的百分含量(体积分数、物质的量分数等)均相同，这样的化学平衡称为等效平衡。2．等效平衡的类型和特征：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。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，见图示)。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．(等温等容条件下的等效平衡)(2021·湖北模拟)图1是两个容积均为1 L的恒容容器，现向甲中充入2 mol A、2 mol B，乙中充入1 mol A、1 mol B，相同温度下发生反应：A(g)＋B(g)C(g)　ΔH＜0。实验测得容器乙中c(A)随时间t的变化曲线如图2所示。下列说法正确的是(　　)A.平衡时甲容器中A的转化率为50%B．反应达到平衡时，两容器中平衡常数：K甲＞K乙C．将乙容器升温可使两容器内各物质的体积分数相同D．平衡时甲中0.5 mol·L－1＜c(A)＜1 mol·L－1【解析】选D。平衡时乙容器内A的转化率为×100%＝50%，而甲容器相当于乙容器的体积压缩一半，即增大压强，化学平衡右移，A的转化率增大，所以平衡时A的转化率大于50%，故A错误；化学平衡常数只随温度的改变而改变，两容器中的反应是在相同温度下达到的化学平衡状态，所以平衡常数K甲＝K乙，故B错误；该反应为放热反应，将乙容器单独升温，平衡向吸热方向移动，即逆反应方向，不可能使乙容器内各物质的体积分数与甲容器内的相同，故C错误；A的转化率增大，平衡时A的转化率大于50%，即平衡时甲容器中0.5 mol·L－1＜c(A)＜1 mol·L－1，故D正确。2．(等温等容条件下的等效平衡)(2021·德州模拟)某温度时，发生反应2HI(g)H2(g)＋I2(g)，向三个体积相等的恒容密闭容器A、B、C中，分别加入①2 mol HI，②3 mol HI，③1 mol H2与1 mol I2，分别达到平衡时，以下关系正确的是(　　)A．平衡时，各容器的压强：②＝①＝③B．平衡时，I2的浓度：②＞①＞③C．平衡时，I2的体积分数：②＝①＝③D．从反应开始到达平衡的时间：①＞②＝③【解析】选C。根据等效平衡原理：若1 mol H2与1 mol I2完全转化为HI，则HI为2 mol，所以①和③是完全相同的等效平衡，所以二者的浓度、百分含量、压强、转化率等都一样；②与①相比增大了HI的量，该反应为反应前后气体体积不变的反应，增大HI的量，达到平衡时新平衡与原平衡相同，所以各物质的百分含量不变，但是浓度增大。由于是恒容密闭容器，②中初始的量大，所以压强最大，故A错误；由于是恒容密闭容器，②中初始的量大，所以②中I2的浓度最大，①和③是完全相同的等效平衡，二者I2的浓度相同，所以平衡时，I2的浓度：②＞①＝③，故B错误；①②③都是等效平衡，所以三者中I2的体积分数相同，故C正确；由于②中初始的量大，反应浓度大，反应速率快，所以到达平衡所用时间最短，所以②＜③，故D错误。3．(等温等容条件下的等效平衡)在温度、容积相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如表[已知N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1]，下列说法正确的是(　　)容器甲乙丙反应物投入量1 mol N2、3 mol H22 mol NH34 mol NH3NH3的浓度/mol·L－1c1c2c3反应的能量变化放出a kJ吸收b kJ吸收c kJ体系压强(Pa)p1p2p3反应物转化率α1α2α3A.2c1＞c3　　　　　　　　B．α1＋α3＜1C．2p2＜p3        D．a＋b＞92.4【解析】选B。投入1 mol N2、3 mol H2相当于投入2 mol NH3，如果投入4 mol NH3，如果丙的压强是甲的2倍，则2c1＝c3，实际上平衡向生成氨反应方向移动，所以2c1＜c3，故A错误；丙容器反应物投入4 mol NH3，是乙的二倍，若平衡不移动，转化率α1＋α3＝1，实际上丙相当于增大压强，导致平衡向正反应方向移动，抑制氨气转化，所以a1＋a3＜1，故B正确；1 mol N2、3 mol H2相当于投入2 mol NH3，则甲、乙是等效平衡，平衡时压强相等；丙中相当于增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动，导致丙中物质的量之和小于甲、乙的二倍，所以其压强存在p3＜2p2＝2p1，故C错误；1 mol N2、3 mol H2相当于投入2 mol NH3，则甲、乙是等效平衡，则甲放出的热量与乙吸收的热量之和为92.4 kJ·mol－1，故D错误。4．(等温等容条件下的等效平衡)(2021·日照模拟)温度T℃时，在3个体积相同的恒容密闭容器中发生反应CO(g)＋H2O(g)⇌CO2(g)＋H2(g)　ΔH＝－41 kJ·mol－1，其起始时投料、各物质的量及其达到平衡过程体系热量的变化如表所示：下列说法中不正确的是(　　)A．容器②中热量变化：Q1＝65.6 kJB．平衡后容器①②中各组分体积分数相同C．三个容器达到平衡时，①中的CO、②中的H2O(g)、③中的CO2的转化率相等D．保持相同条件，向平衡后的容器①中再加入0.1 mol CO和0.4 mol CO2(g)，平衡不移动【解析】选B。开始加入1 mol CO＋4 mol H2O(g)与开始加入4 mol CO＋1 mol H2O(g)为等效平衡，放热相等、均为32.8 kJ，反应CO(g)＋H2O(g)⇌CO2(g)＋H2(g)是体积不变化的反应，压缩气体，平衡不移动，所以开始加入4 mol CO＋1 mol H2O(g)与开始加入8 mol CO＋2 mol H2O(g)也是等效平衡，但开始加入8 mol CO＋2 mol H2O(g)为开始加入4 mol CO＋1 mol H2O(g)的2倍，放热也为2倍，即Q1＝65.6 kJ，故A正确；由反应CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)可知容器①中CO和H2O的变化量相等，若变化量为a mol，则CO、H2O的体积分数分别为×100%、×100%，不可能相同，同理容器②中CO和H2O的变化量相等，CO、H2O的体积分数也不可能相同，故B错误；①中平衡时参加反应的CO的物质的量为0.8 mol，则：　　　　　　　CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)    起始量(mol):    1    4    0    0    变化量(mol):    0.8    0.8    0.8    0.8    平衡量(mol):    0.2    3.2    0.8    0.8由于反应是体积不变化的反应，平衡体系中各物质的浓度之比等于各物质的物质的量之比，所以平衡常数K＝＝＝1，①中CO的转化率＝×100%＝80%，设②中平衡时，转化的CO为x mol，则：　　　　　　  CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)    起始量(mol):    8     2      0    0    变化量(mol):    x     x      x    x    平衡量(mol):    8－x   2－x     x    x所以＝1，解得x＝1.6，故放出热量Q1＝1.6 mol×41 kJ·mol－1＝65.6 kJ，②中的H2O的转化率＝×100%＝80%，设③中平衡时，转化的CO2为y mol，则：　　　　　　   CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)    起始量(mol):     0      0      1    4    变化量(mol):     y      y      y    y    平衡量(mol):     y      y     1－y   4－y所以＝1，解得y＝0.8，③中的CO2的转化率＝×100%＝80%，故C正确；①中平衡时参加反应的CO的物质的量为0.8 mol，则：　　　　　　   CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)    起始量(mol):      1    4      0      0    变化量(mol):      0.8  0.8      0.8    0.8    平衡量(mol):      0.2  3.2     0.8    0.8由于反应是体积不变化的反应，平衡体系中各物质的浓度之比等于各物质的物质的量之比，所以平衡常数K＝＝＝1，向平衡后的容器①中再加入0.1 mol CO和0.4 mol CO2(g)，则此时n(CO)＝0.3 mol、n(H2O)＝3.2 mol、n(CO2)＝1.2 mol、n(H2)＝0.8 mol，此时浓度商Qc＝＝＝1＝K，故处于平衡状态，平衡不发生改变，故D正确。