高中苏教版 (2019)第二单元 化学反应的方向与限度第2课时学案及答案

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第2课时　化学平衡状态
[核心素养发展目标]　1.变化观念与平衡思想：从可逆反应化学平衡状态的建立过程，认识化学平衡是一种动态平衡。2.证据推理与模型认知：熟知化学平衡状态的特征，建立化学平衡状态判断方法的思维模型。
一、可逆反应及其特征
1．可逆反应
(1)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)特征

2．举例常见的可逆反应
(1)SO2＋H2OH2SO3
(2)N2＋3H22NH3
(3)Cl2＋H2OHCl＋HClO
(4)2SO2＋O22SO3

(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)合成氨反应中，如果N2过量，则可以使H2完全被消耗(　　)
(3)对于可逆反应，若加入反应物，则反应先向正反应方向进行，停止后再向逆反应方向进行(　　)
(4)可逆反应不能完全进行，存在一定的限度(　　)
(5)已知N2＋3H22NH3，若1 mol N2与3 mol H2充分反应，可得到2 mol NH3(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×

1．在容器中充入SO2和18O2，在一定条件下发生反应：2SO2＋O22SO3，一段时间后，18O原子存在于哪些分子中？原因是什么？
提示　SO2、O2、SO3分子中都可能存在。SO2与18O2反应生成SO3，所以SO3中有18O原子，该反应是可逆反应，生成的SO3同时又有部分分解，分解出的SO2和O2中也会有18O原子。
2．对于可逆反应2SO2＋O22SO3，在一密闭容器中充入2 mol SO2和2 mol O2，能否生成2 mol SO3？原因是什么？
提示　否，要生成2 mol SO3，必须2 mol SO2完全反应，而该反应为可逆反应，即使O2过量，也不能将SO2完全转化成SO3。
3．铅蓄电池的电池反应为：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
铅蓄电池的放电与充电属于可逆反应吗？
提示　不属于。可逆反应是在同一条件下，正、逆反应同时进行的化学反应。放电是自发的氧化还原反应，而充电的条件是有外加电源，放电与充电是两个不同条件下的反应，不属于可逆反应。
二、化学平衡状态及其特征
1．化学平衡状态的建立(以2SO2＋O22SO3为例)
(1)在一定条件下，把1 mol O2和2 mol SO2充入一密闭容器中，在一定条件下发生反应。根据要求填表：
O2＋2SO22SO3

反应物浓度
v正
c(SO3)
v逆
开始时
c(O2)最大
c(SO2)最大
最大
0
0
进行中
c(O2)减小
c(SO2)减小
减小
增大
增大
平衡时
c(O2)不变
c(SO2)不变
不变
不变
不变

(2)用浓度—时间(c－t)、速率—时间(v－t)图像表示以上过程(补充完整图像，t1之后为平衡状态)，在图1中标出各曲线代表物质的化学式。

答案　

2．化学平衡状态的概念
当外界条件不变时，可逆反应进行到一定程度，反应物和生成物的浓度不再随时间而发生变化，称为化学平衡状态。
3．化学平衡状态的特征


(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(　　)
答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　 (5)×

1．在一定条件下，可逆反应2A(g)B(g)＋3C(g)，在下列几种状态中，达到平衡状态的是________(填序号)。
①正反应速率v(A)＝2 mol·L－1·min－1，逆反应速率v(A)＝2 mol·L－1·min－1
②正反应速率v(A)＝2 mol·L－1·min－1，逆反应速率v(B)＝1 mol·L－1·min－1
③正反应速率v(A)＝2 mol·L－1·min－1，正反应速率v(B)＝1 mol·L－1·min－1
④正反应速率v(A)＝2 mol·L－1·min－1，逆反应速率v(C)＝2 mol·L－1·min－1
对比②③，对比②④分别可得出利用反应速率判断反应是否达到平衡状态有哪些注意事项？
答案　①②　对比②③可得出反应速率不能全为同一方向的速率，应一正一逆。对比②④可得出不同物质表示的一正一逆速率数值不一定相等，而应是转化成同一物质表示的速率相等或速率比等于化学计量数之比。
2．在恒温恒容的密闭容器中，当下列物理量不再发生变化时：①混合气体的压强，②混合气体的密度，③混合气体的总物质的量，④混合气体的平均相对分子质量，⑤混合气体的颜色，⑥各反应物或生成物的反应速率之比都等于化学计量数之比。
(1)一定能证明2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)达到平衡状态的是________(填序号，下同)。
(2)一定能证明I2(g)＋H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是________。
(3)一定能证明A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)达到平衡状态的是________。
答案　(1)①③④　(2)⑤　(3)②④
解析　混合气体的密度是混合气体的总质量与容器容积的比值，混合气体的平均相对分子质量是混合气体的总质量与总物质的量的比值，混合气体颜色的深浅与有色气体的浓度有关系。在任何时刻各反应物或生成物的反应速率之比都等于化学计量数之比。
(1)反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)是反应前后气体体积减小的可逆反应，因此混合气体的压强、总物质的量和平均相对分子质量不变均可以说明反应达到平衡状态。
(2)反应I2(g)＋H2(g)2HI(g)是反应前后气体体积不变的可逆反应，由于碘蒸气是有色气体，则混合气体的颜色不变可以说明反应达到平衡状态。
(3)反应A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)是反应前后气体体积不变，但气体质量增加的可逆反应，因此混合气体的密度、混合气体的平均相对分子质量不变可以说明反应达到平衡状态。

1．在一定温度下，向a L密闭容器中加入1 mol O2和2 mol NO，发生如下反应：O2(g)＋2NO(g)2NO2(g)，此反应不一定达到平衡的是(　　)
A．容器内压强不随时间变化
B．容器内各物质的浓度不随时间变化
C．容器内O2、NO、NO2的浓度之比为1∶2∶2
D．单位时间内生成1 mol O2，同时生成2 mol NO2
答案　C
解析　A项，该反应前后气体体积减小，当容器内压强不随时间变化时，必达到平衡；C项，其比例是化学方程式中的化学计量数之比，不能反映各组分的量已固定，所以，不一定是平衡状态；D项，O2的生成是逆向反应，NO2的生成是正向反应，比例1∶2与化学方程式计量数相符，必是平衡状态。
2．一定条件下，向2 L恒容密闭容器中充入1 mol COCl2(g)，发生反应COCl2(g)Cl2(g)＋CO(g)，反应过程中测得的有关数据如下表所示，下列说法不正确的是(　　)
t/s
0
2
4
6
8
n(Cl2)/mol
0
0.30
0.39
0.40
0.40

A.6 s之后反应达到平衡状态，容器内的压强不再随时间的延续而改变
B．达到6 s时，反应停止，不再进行
C．8 s时，反应容器中各物质的浓度不再发生变化
D．生成Cl2的平均反应速率：0～2 s>2～4 s
答案　B
解析　6 s之后氯气的物质的量不再改变，化学反应达到平衡状态，容器内气体总物质的量保持不变，因而压强不变，故A正确；6 s时反应处于平衡状态，反应不会停止，仍在进行，故B错误；在8 s时是平衡状态，反应容器中各物质的浓度不再发生变化，故C正确；0～2 s生成氯气0.30 mol，2～4 s生成氯气0.09 mol，可知0～2 s反应生成Cl2的平均反应速率大，故D正确。

判断可逆反应是否达到平衡状态的方法
(1)直接判据
①v正＝v逆。
②反应混合物中各组分的质量和浓度保持不变。
(2)间接判据
①常用物理量：气体总的物质的量、压强、混合气体的平均密度(ρ＝ )、平均摩尔质量(＝)。
②判断方法：“变量不变即为平”，即假设反应向正反应方向进行时，该物理量若发生变化，则某时刻该物理量不再改变时，即认为达到平衡状态。若该物理量为一直不变的量，则无法用于判断。


题组一　可逆反应概念的理解
1．已知298 K时，合成氨反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.0 kJ·mol－1，将此温度下的1 mol N2和3 mol H2放在一密闭容器中，在催化剂存在时进行反应，测得反应放出的热量(忽略能量损失)(　　)
A．一定大于92.0 kJ B．一定等于92.0 kJ
C．一定小于92.0 kJ D．不能确定
答案　C
解析　N2和H2反应生成NH3的反应为可逆反应，可逆反应不能进行到底，此温度下的1 mol N2和3 mol H2放在一密闭容器中，生成NH3的物质的量小于2 mol，则反应放出的热量小于92.0 kJ，故C正确。
2．14CO2与碳在高温条件下发生反应：14CO2＋C2CO，达到化学平衡后，平衡混合物中含14C的粒子有(　　)
A．14CO2 B．14CO2、14CO
C．14CO2、14CO、14C D．14CO
答案　C
解析　当可逆反应达到平衡状态时，反应并没停止，是一种动态平衡，所以在三种物质中都含有14C。
3．(2020·辽宁六校协作体月考)一定条件下，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，可能存在的情况是(　　)
A．SO2为0.4 mol·L－1，O2为0.2 mol·L－1
B．SO2为0.25 mol·L－1
C．SO2、SO3均为0.15 mol·L－1
D．SO3为0.4 mol·L－1
答案　B
解析　SO2和O2的浓度增大，说明反应从逆反应方向建立平衡，若SO3完全反应，则SO2和O2的浓度变化分别为0.2 mol·L－1、0.1 mol·L－1，因该反应为可逆反应，实际变化应小于该值，所以达到平衡时SO2小于0.4 mol·L－1，O2小于0.2 mol·L－1，故A错误；该项中SO2浓度实际变化为0.05 mol·L－1，小于0.2 mol·L－1，故B正确；反应物、生成物的浓度不可能同时减小，故C错误；SO3的浓度增大，说明该反应从正反应方向建立平衡，若二氧化硫和氧气完全反应，SO3的浓度变化为0.2 mol·L－1，实际变化应小于该值，故D错误。
题组二　化学平衡状态
4．(2020·广东佛山一中、珠海一中、金山中学期中联考)下列对化学反应限度的叙述中，不正确的是(　　)
A．任何可逆反应在给定的条件下的进程都有一定的限度，不同反应的限度不同
B．可逆反应不能进行到底，所以可逆反应不容易发生
C．化学反应达到平衡时，反应物和生成物的浓度均不再改变，但物质间的转化仍在进行
D．改变反应条件，化学反应限度可能改变
答案　B
解析　任何可逆反应都有一定的限度，但化学反应不同，限度不同，A正确；可逆反应不可能完全转化，但有些可逆反应容易发生，如氨气与水反应就是容易发生的可逆反应，B错误；当化学反应达到反应限度时，正、逆反应速率相等，但反应没有停止，只不过生成与消耗的同种物质的物质的量相等，C正确。
5．在一定条件下，气体参与的某正反应方向ΔH＜0的可逆反应达到化学平衡时，下列说法不正确的是(　　)
A．反应物的浓度一定等于生成物的浓度
B．反应体系中压强恒定
C．反应体系中混合物的组成保持不变
D．反应体系中温度不变
答案　A
解析　对于放热的可逆反应，达到平衡时，反应物与生成物的浓度不一定相等，A项错误；可逆反应达到平衡时，正、逆反应速率相等，气体分子数保持不变，反应体系中压强恒定，混合物的组成保持不变，反应体系中温度不变，B、C、D项正确。
6.一定条件下，向密闭容器中充入1 mol NO和1 mol CO进行反应：NO(g)＋CO(g)N2(g)＋CO2(g)，测得化学反应速率随时间的变化关系如图所示，其中处于化学平衡状态的点是(　　)

A．d点 B．b点 C．c点 D．a点
答案　A
解析　由图可知，a、b、c点的正反应速率均大于逆反应速率，都未达到平衡状态；只有d点正、逆反应速率相等，由正、逆反应速率相等的状态为平衡状态可知，图中处于化学平衡状态的点是d点，选项A正确。
7．在1 273 K、100.0 kPa条件下，乙烷生成乙烯的反应C2H6(g)C2H4(g)＋H2(g)达到平衡后(　　)
A．C2H6的浓度保持不变
B．C2H6仍在不断分解，其浓度不断减少
C．C2H6的分解速率大于生成速率
D．C2H4仍在不断生成，其浓度不断增加
答案　A
解析　达到平衡后，正、逆反应速率相等，各物质的浓度不再变化，但各种物质仍在反应。
8．一定条件下，0.3 mol X(g)与0.3 mol Y(g)在容积固定的密闭容器中发生反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)　ΔH＝－a kJ·mol－1，下列说法正确的是(　　)
A．反应一段时间后，X与Y的物质的量之比仍为1∶1
B．达到平衡时，反应放出0.1a kJ的热量
C．达到平衡后，若向平衡体系中充入稀有气体，Z的正反应速率将不发生变化
D．X的体积分数保持不变，说明反应已达到平衡
答案　C
解析　A项，反应过程中X与Y的变化量之比是1∶3，则反应一段时间后，X与Y的物质的量之比不可能仍为1∶1，错误；B项，达到平衡时，因可逆反应不能反应完全，则反应的X小于0.1 mol，反应放出的热量小于0.1a kJ，错误；C项，恒容条件下，达到平衡后，若向平衡体系中充入稀有气体，不影响反应物和生成物的浓度，反应速率也不变，正确；
D项，
　　　　　X(g)＋　3Y(g)　　2Z(g)
起始/mol 0.3 0.3 0
变化/mol x 3x 2x
变后/mol 0.3－x 0.3－3x 2x
X的体积分数为×100%＝50%，
X的体积分数始终保持不变，不能说明反应已达到平衡，错误。
题组三　化学平衡状态的判断
9．(2020·安徽屯溪一中高二期中)对于反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，判断下列说法正确的是(　　)
①单位时间内生成2 mol SO2，同时生成1 mol O2，则处于化学平衡状态　②SO2的生成速率等于SO2的消耗速率，则处于化学平衡状态　③SO2、O2、SO3的体积分数不再发生变化，则处于化学平衡状态　④SO2、O2、SO3的分子数之比为2∶1∶2，则处于化学平衡状态
A．①③ B．②④
C．②③ D．③④
答案　C
解析　①生成2 mol SO2、生成1 mol O2均代表逆反应方向，错误；②正、逆反应速率相等，则处于平衡状态，正确；③SO2、O2、SO3的体积分数不再发生变化，即各组分的浓度保持不变，处于平衡状态，正确；④SO2、O2、SO3的分子数之比为2∶1∶2，并不能说明各组分的浓度保持不变，不一定处于平衡状态，错误。
10．一定温度下，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
答案　C
解析　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。
11．(2020·南昌高二月考)一定条件下，将NO2与SO2以体积比为1∶2置于密闭容器中，发生反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)　ΔH＝－41.8 kJ·mol－1，下列能说明反应达到平衡状态的是(　　)
A．体系压强保持不变
B．混合气体颜色保持不变
C．SO3和NO的体积比保持不变
D．每消耗1 mol SO3的同时生成1 mol NO2
答案　B
解析　由于该反应为反应前后气体体积相等的反应，体系的压强始终保持不变，故不能以压强不变作为判断反应是否达到平衡状态的标志，A错误；SO3与NO的体积比始终保持1∶1，C错误；消耗SO3和生成NO2为同一方向的反应，D错误。
12．(2020·陕西延安一中高二期中)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)。下列各项：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状态的是(　　)
A．②③⑤ B．②③④
C．①④ D．全部
答案　A
解析　2v(NH3)＝v(CO2)，没有说明是正反应速率，还是逆反应速率，也不符合化学计量数的比例关系，①错误；该反应是气体体积增大、压强增大的反应，密闭容器中总压强不变，能说明反应达到平衡，②正确；根据ρ＝，气体质量增加，容器体积不变，密闭容器中混合气体的密度不变，能说明反应达到平衡，③正确；NH3(g)、CO2(g)的量始终是以2∶1增加，因此密闭容器中氨气的体积分数始终不变，不能说明反应达到平衡，④错误；密闭容器中c(NH3)不变，各物质的浓度不再改变能作为反应达到平衡状态的标志，⑤正确。
13．下列描述的化学反应状态，不一定是平衡状态的是(　　)
A．H2(g)＋Br2(g)2HBr(g)恒温、恒容下，反应体系中气体的颜色保持不变
B．2NO2(g)N2O4(g)恒温、恒容下，反应体系中气体的压强保持不变
C．CaCO3(s)CO2(g)＋CaO(s)恒温、恒容下，反应体系中气体的密度保持不变
D．3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)反应体系中H2与N2的物质的量之比保持3∶1
答案　D
解析　D项，如果刚开始加入氢气和氮气的物质的量之比为3∶1或开始加入的是氨气，反应的任何时刻氢气和氮气的物质的量之比始终是3∶1，因此氢气和氮气的物质的量之比为3∶1时，反应不一定达到平衡。
14．(2020·江西上饶“山江湖”协作体高二期中)在一个绝热的固定容积的密闭容器中，发生可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(s)，当m、n、p、q为任意整数时，一定可以作为反应达到平衡状态的标志是(　　)
①体系的压强不再改变　②体系的温度不再改变　③体系的密度不再变化　④各组分质量分数不再改变
A．①②③ B．①②③④
C．②③④ D．③④
答案　C
解析　无法判断反应前后气体体积的关系，则无法确定压强是否为变量，无法根据体系的压强判断平衡状态，①错误；在一个绝热的固定容积的密闭容器中，体系的温度为变量，温度不再改变，说明正、逆反应速率相等，能据此判断反应达到平衡状态，②正确；D为固态，混合气体的质量为变量，容器容积为定值，则密度为变量，当混合气体密度不变时，说明反应达到平衡状态，③正确；各组分的质量分数不再改变，表明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，④正确。

15.一定温度下，在2 L的恒容密闭容器内发生的反应中M、N的物质的量随反应时间变化的曲线如图所示。

请回答下列问题：
(1)该反应的化学方程式为______________________________________________________。
(2)在t2时刻存在的等量关系是________，此时反应是否达到化学平衡状态？________(填“是”或“否”)。
(3)在t3时刻v正________(填“＞”“＜”或“＝”)v逆，理由是____________________
____________________________________________________。
答案　(1)2NM　(2)n(M)＝n(N)　否
(3)＝　M和N的物质的量不再发生变化，所以反应已达到平衡状态，故v正＝v逆
解析　(1)当N减少4 mol时，M增加2 mol，所以化学方程式为2NM。(2)t2时刻，n(M)＝n(N)＝4 mol，t2时刻后，N的物质的量继续减小，M的物质的量继续增加，故仍未达到平衡。(3)t3时刻，M和N的物质的量均不再发生变化，所以反应已达到平衡状态。
16.在698 K时，向某V L的密闭容器中充入2 mol H2(g)和2 mol I2(g)，发生反应：H2(g)＋I2(g)2HI(g)　ΔH＝－26.5 kJ·mol－1，测得各物质的物质的量浓度与时间变化的关系如图所示。

请回答下列问题：
(1)V＝__________L。
(2)该反应达到最大限度的时间是________，该时间内平均反应速率v(HI)＝________。
(3)该反应达到平衡状态时，________(填“吸收”或“放出”)的热量为__________。
答案　(1)2　(2)5 s　0.316 mol·L－1·s－1　(3)放出　41.87 kJ
解析　(1)由图知初始反应时，c(H2)＝c(I2)＝1.00 mol·L－1，而加入的H2和I2的物质的量均为2 mol，所以V＝2 L。
(2)反应达到最大限度即达到化学平衡，所需时间为5 s，v(HI)＝＝0.316 mol·L－1·s－1。
(3)可逆反应从正反应方向建立，所以需放出热量。由反应：H2(g)＋I2(g)2HI(g)　ΔH＝
－26.5 kJ·mol－1，达到平衡时共生成n(HI)＝1.58 mol·L－1×2 L＝3.16 mol，
所以放出的热量为×3.16 mol＝41.87 kJ。
17．一定温度下，在10 L密闭容器中加入5 mol SO2和3 mol O2，发生反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，10 min时，反应达到平衡状态，此时有3 mol SO2发生了反应。
(1)反应生成了________ mol SO3，v(SO2)＝________。
(2)平衡时SO3的浓度是________。
(3)平衡时容器内气体的总物质的量为________ mol。
(4)物质的浓度不再改变标志着该反应已达平衡状态，下列还可以说明该反应已达平衡状态的是________(填序号)。
①体系内压强不再改变
②容器内气体的密度不再改变
③混合气体的平均相对分子质量不再改变
④v正(SO3)＝2v逆(O2)
⑤n(SO3)∶n(O2)∶n(SO2)＝2∶1∶2
答案　(1)3　0.03 mol·L－1·min－1
(2)0.3 mol·L－1　(3)6.5　(4)①③④
解析　(1)v(SO2)＝＝＝0.03 mol·L－1·min－1。
(2)　　　　　2SO2(g)　＋　O2(g)　　2SO3(g)
起始/mol 5 3 0
变化/mol 3 1.5 3
平衡/mol 2 1.5 3
则平衡时SO3的浓度为＝0.3 mol·L－1。
(3)平衡时混合气体的总物质的量为2 mol＋1.5 mol＋3 mol＝6.5 mol。(4)根据反应的化学方程式知：①中体系压强不变，说明反应已达平衡状态；②中容器的体积不变，混合气体的质量不变，则反应过程中密度始终不变，密度不变不能说明反应已达平衡状态；③中混合气体的总质量不变，但反应过程中混合气体的总物质的量改变，若平均相对分子质量不变，说明反应已达平衡状态；④表示v正＝v逆，说明反应已达平衡状态；⑤中三者的物质的量之比等于化学计量数之比，不能说明反应已达平衡状态。