高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二节 化学平衡学案设计

这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二节 化学平衡学案设计，共13页。学案主要包含了化学平衡状态，化学平衡常数等内容，欢迎下载使用。
化学平衡状态　化学平衡常数学 习 任 务1．通过化学平衡状态的建立过程，知道化学平衡是一种动态平衡，理解并会判断化学平衡状态的标志。2．认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义。3．了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系，培养变化观念与平衡思想的化学核心素养。一、化学平衡状态1．化学平衡状态的概念在一定条件下的可逆反应体系中，当正、逆反应的速率相等时，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，这表明该反应中物质的转化达到了“限度”，这时的状态称为化学平衡状态，简称化学平衡。2．化学平衡的特征化学平衡的特征可以概括为逆、等、动、定、变。(1)逆：研究的对象是可逆反应。(2)等：化学平衡的条件是v正和v逆相等。(3)动：化学平衡是一种动态平衡，此时反应并未停止。(4)定：当可逆反应达到平衡时，各组分的质量(或浓度)为一定值。(5)变：若外界条件改变，平衡可能发生改变，并在新条件下建立新的平衡。　在200 ℃时，将1 mol H2(g)和2 mol I2(g)充入体积为V L 的密闭容器中，发生反应： I2(g)＋H2(g) 2HI(g)　ΔH＝－a kJ·mol－1。(1)反应刚开始时，由于c(H2)＝________，c(I2)＝________，而c(HI)＝________，所以化学反应速率________最大，而________最小(为零)。(2)随着反应的进行，反应混合物中各组分浓度的变化趋势为c(H2)________，c(I2)________，而c(HI)________，从而化学反应速率v正________，而v逆________(以上均填“增大”“减小”或“不变”)。(3)当反应进行到v正与v逆________时，此可逆反应就达到了平衡。若保持外界条件不变时，反应混合物的总物质的量为________mol。此时放出的热量Q________a kJ(填“＝”“>”或“<”)。[解析]　(1)根据c＝即可求出各自的浓度。(3)该反应为等体积反应，反应前后物质的量不变，所以混合物总物质的量仍为3 mol。因为该反应为可逆反应，不可能进行完全，所以放出的热量小于a kJ。[答案]　(1) mol·L－1　 mol·L－1　0　v正　v逆(2)减小　减小　增大　减小　增大　(3)相等　3　<二、化学平衡常数1．浓度商对于一般的可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在任意时刻的称为浓度商，常用Q表示。2．化学平衡常数(1)表达式对于一般的可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，平衡常数的表达式为K＝。(2)注意事项①化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。②反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。③化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，由于化学方程式的书写不同，平衡常数的表达式不同，如N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，K＝a则有：2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)，K′＝；N2＋H2NH3，K″＝。(3)意义K越大→平衡体系中生成物所占的比例越大→正反应进行的程度越大→反应进行得越完全→平衡时反应物的转化率越大；反之，K越小，该反应进行得越不完全，平衡时反应物的转化率就越小。一般来说，当K>105时，该反应就进行得基本完全了。　对于可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，其平衡常数K的表达式是什么？若保持其他条件不变，分别增大压强、增大N2浓度，平衡如何移动？平衡常数K如何变化？[提示]　K＝；增大压强，增大N2的浓度，平衡均正向移动，但平衡常数K不变。3．利用浓度商、化学平衡常数判断反应方向Q＜K，反应向正反应方向进行；Q＝K，反应处于平衡状态；Q＞K，反应向逆反应方向进行。　(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度。(×)(2)催化剂既能改变速率常数，也能改变化学平衡常数。 (×)(3)对于同一可逆反应，升高温度，则化学平衡常数增大。 (×)(4)增大反应物的浓度，平衡正向移动，化学平衡常数增大。  (×)化学平衡状态的判断方法德国化学家哈伯(F．Haber,1868～1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利，即“循环法”，在此基础上，他继续研究，于1909年改进了合成工艺，氨的产率达到8%。这是工业普遍采用的直接合成法。合成氨反应式如下：N2＋3H22NH3，假设该反应在体积不变的密闭容器中发生反应，分析思考下列问题：哈伯合成氨实验装置　　　合成氨合成塔[问题1]　容器内混合气体的密度不随时间变化时，该反应是否达到平衡状态？[提示]　因容器的体积不变，而混合气体的总质量不改变，则无论反应是否达到平衡，混合气体的密度均不变，不能判断反应是否达到平衡状态。[问题2]　根据问题1分析哪些物理量能够作为合成氨反应达到平衡的标志？[提示]　压强、浓度等随着反应进行而变化的物理量，如果不再变化，说明化学反应已达平衡状态。[问题3]　单位时间内生成2a mol NH3，同时消耗a mol N2时，该反应是否达到平衡状态？[提示]　两反应速率均表示正反应速率，反应进行的任何阶段均成比例，不能判断反应是否达到平衡状态。化学平衡状态的判断标志——正逆相等，变量不变(1)直接标志——“正逆相等”①v正＝v逆有两层含义：对于同一物质，该物质的生成速率等于其消耗速率；对于不同的物质，速率之比等于化学方程式中物质的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。(2)间接标志——“变量不变”①确定反应中的“变量”，即随反应的进行而变化的量，当变量不再变化时，表明反应已达平衡状态。而当“不变量”不变时，不能判断反应是否处于平衡状态。②常见的变量有：气体的颜色；对于气体体积有变化的反应来说，恒压反应时的体积、恒容反应时的压强；对于反应体系中全部为气体，且气体物质的量有变化的反应来说，混合气体的平均相对分子质量；对于反应体系中不全部为气体的反应来说，恒容时混合气体的密度等。应当注意，在利用、ρ、n(总)、p(总)判断时要注意反应特点和容器的体积变化问题。1．在一定温度下，将2 mol NO2气体通入恒容密闭容器中，发生如下反应：2NO2(g)N2O4(g)。下列不能说明反应达到平衡的是(　　)A．N2O4浓度不再改变B．NO2的消耗速率等于N2O4的生成速率C．混合气体的颜色不变D．混合气体中NO2百分含量不变B　[N2O4浓度不再改变，反应达到平衡状态，A说法正确；NO2的消耗速率和N2O4的生成速率均为正反应速率，不能作为平衡标志，B说法错误；混合气体的颜色不变，NO2的浓度不再发生变化，反应达到平衡状态，C说法正确；混合气体中NO2百分含量不变，反应达到平衡状态，D说法正确。]2．(1)在一定条件下，可逆反应达到平衡状态的本质特征是______________________________________________________________________________，下列关系中能说明反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)已经达到平衡状态的是________(填字母序号)。A．3v正(N2)＝v正(H2) B．v正(N2)＝v逆(NH3)C．2v正(H2)＝3v逆(NH3)   D．v正(N2)＝3v逆(H2)(2)在一定温度下的恒容密闭容器中，可逆反应达到平衡状态时，一些宏观物理量恒定不变：a．各物质的浓度不变，b．平衡混合物中各组分的物质的量分数或质量分数不变，c．容器内气体压强不变，d．容器内气体密度不变，e．容器内气体颜色不变。①能说明反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)达到平衡状态的有_______；②能说明反应H2(g)＋I2(g) 2HI(g)达到平衡状态的有_______；③能说明反应2NO2(g) N2O4(g)达到平衡状态的有________。(3)已知N2O4(g) 2NO2(g)　ΔH＞0，现将1 mol N2O4充入一恒压密闭容器中，下列示意图不能说明反应达到平衡状态的是________(填字母序号)。A　　　　　　　　BC　　　　　　　　　D[解析]　(2)由于在恒容条件下发生反应，反应①②③在反应前后气体的质量不变，因此不能用气体的密度变化来判断反应是否处于化学平衡状态。反应②是一个气体体积不变的反应，反应前后气体的压强保持不变，也不能用压强的变化来判断反应是否处于平衡状态。①中无有色气体，因此不能用气体的颜色变化来判断反应是否处于平衡状态。(3)B项，对于一个特定反应，ΔH固定不变，不能作为判断反应是否达到平衡状态的依据；C项，在t1时刻，2v正(N2O4)＝v逆(NO2)，反应达到平衡状态。[答案]　(1)正反应速率与逆反应速率相等　C　(2)①abc　②abe　③abce　(3)B化学平衡常数的有关计算改革开放以来，我国的经济发展取得了辉煌成绩，人民生活水平不断提高，从七十年代出行基本靠走到如今私家车进入千家万户，家庭出行交通工具发生了质的飞跃。汽车走进寻常百姓家，给人们的生活带来便利，车流让马路变得热闹。但是汽车保有量的增多也给我们的环境带来了严重的问题，尾气中的主要污染物有CxHy、NOx、CO、SO2及固体颗粒物等。研究汽车尾气的成分及其发生的反应，可以为更好地治理汽车尾气提供技术支持。[问题1]　利用反应6NO2(g)＋8NH3(g)7N2(g)＋12H2O(g)可处理NO2。已知该反应平衡常数(K)与温度(T)的关系如图所示。写出此反应的平衡常数表达式，并判断该反应ΔH的符号。[提示]　根据反应的化学方程式可写出化学平衡常数K＝；由图示知升高温度平衡常数减小，因此该反应为放热反应，ΔH<0。[问题2]　汽车排气装置中的三元催化装置，可以利用反应2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)实现气体的无害化排放。T ℃时，在恒容的密闭容器中通入一定量的CO和NO，能自发进行上述反应，测得不同时间的CO和NO的浓度如表：时间/s012345c(NO)/10－3 (mol·L－1)1.000.450.250.150.100.10c(CO)/ 10－3 (mol·L－1)3.603.052.852.752.702.70计算该温度下的反应的平衡常数K。[提示]　据表中数据，平衡时，c(NO)＝0.1×10－3 mol·L－1、c(CO)＝2.70×10－3 mol·L－1，根据反应方程式：2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)，则平衡时，c(N2)＝0.45×10－3 mol·L－1，c(CO2)＝0.9×10－3 mol·L－1，则平衡常数为K＝＝＝5 000。1．化学平衡的计算模式及解题思路(1)计算模式aA(g)＋bB(g) cC(g) ＋ dD(g)c(初)/(mol·L－1)             n1    n2          0       0Δc/(mol·L－1)               x     x         x      xc(平)/(mol·L－1)          n 1－x  n2－x       x      x(2)解题思路①巧设未知数：具体题目要具体分析，灵活设立，一般设某物质的转化量为x。②确定三个量：根据反应物、生成物及变化量的三者关系代入未知数确定平衡体系中各物质的起始量、变化量、平衡量并按(1)中“模式”计算。③解题设问题：明确了“始”“变”“平”三个量的具体数值，再根据相应关系求平衡时某成分的浓度、反应物转化率等，得出题目答案。2．计算公式(1)v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q(未达到平衡时，用于确定化学方程式中未知的化学计量数)。(2)K＝＝若用任意状态的生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值称为浓度商，用Q表示。则其与K比较，当Q>K，v正<v逆；Q<K，v正>v逆。(3)c(A)平＝＝。(4)α(A)＝×100%＝×100%。(5)φ(A)＝×100%。(6)平衡时与起始时的压强比＝＝(同T、V时)，混合气体的密度比＝(同T、p时)，＝(同质量的气体时)等。(7)混合气体的密度(混)＝＝(g·L－1)(T、V不变时， 不变)。(8)混合气体的平均摩尔质量＝＝(g·mol－1)。1．已知可逆反应：M(g)＋N(g)P(g)＋Q(g)　ΔH>0，请回答下列问题。(1)某温度下，反应物的起始浓度分别为c(M)＝1 mol·L－1，c(N)＝2.4 mol·L－1；达到平衡后，M的转化率为60%，此时N的转化率为________。(2)若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为c(M)＝4 mol·L－1，c(N)＝a mol·L－1；达到平衡后，c(P)＝2 mol·L－1，则a＝________。(3)若反应温度不变，反应物的起始浓度为c(M)＝c(N)＝b mol·L－1，达到平衡后，M的转化率为________。[解析]　用“三段式法”，借助平衡常数来串联计算：(1)　　　　　　　　      M(g)＋N(g)P(g)＋Q(g)起始/(mol·L－1)             1    2.4      0     0变化/(mol·L－1)             0.6   0.6     0.6   0.6平衡/(mol·L－1)             0.4   1.8     0.6   0.6α(N)＝×100%＝25%，K＝＝0.5。(2)                      M(g)＋N(g)P(g)＋Q(g)　　起始/(mol·L－1)             4     a       0    0平衡/(mol·L－1)             2     a－2    2    2由K＝＝0.5，解得a＝6。(3)设达到平衡后，M的转化率为x，则M(g)　＋　N(g)　P(g)＋Q(g)起始/(mol·L－1)              b         b         0    0平衡/(mol·L－1)           b(1－x)    b(1－x)      bx   bx由K＝＝0.5，解得x≈41.4%。[答案]　(1)25%　(2)6　(3)41.4%2．在2 L的密闭容器中，放入0.4 molA和0.6 molB，在一定温度下，压强为p，加入催化剂(体积忽略)，发生反应：2A(g)＋3B(g)xC(g)＋2D(g)，保持温度不变，在a min后反应达到平衡状态，容器中c(D)＝0.1 mol·L－1，容器内压强变为0.9p，则：(1)物质B的转化率是________。(2)化学反应速率v(C)是________________。(3)x为________。[解析]　　　     2A(g)＋　3B(g)xC(g)＋　2D(g)起始/mol          0.4      0.6       0        0转化/mol          0.2      0.3      0.1x      0.2平衡/mol          0.2      0.3      0.1x      0.2α(B)＝×100%＝50%。同温同体积下气体的压强之比等于气体的物质的量之比，即(0.4＋0.6)∶(0.2＋0.3＋0.1x＋0.2)＝1∶0.9，解得x＝2，v(C)＝0.2 mol/(2 L×a min)＝0.1/a mol·L－1·min－1。[答案]　(1)50%　(2)0.1/a mol·L－1·min－1　(3)21．在373 K时，密闭容器中充入一定物质的量的NO2 和SO2，发生如下反应：NO2＋SO2NO＋SO3，达到平衡状态时，下列叙述正确的是(　　)A．SO2、NO2、NO、SO3 的物质的量一定相等B．NO2和 SO2的物质的量一定相等C．平衡体系中总物质的量一定等于反应开始时总物质的量D．NO 和 SO3 的物质的量不一定相等C　[平衡状态时，SO2、NO2、NO、SO3的物质的量不变，但不一定相等，A错误；平衡状态时，NO2和SO2的物质的量不变，不一定相等，与起始投料量有关，B错误；两边气体的化学计量数相等，所以体系中的总物质的量一定等于反应开始时总物质的量，C正确；因为反应从反应物投料建立，所以只要反应发生就有NO 和 SO3 的物质的量相等，所以未平衡时也相等，D错误。]2．(2021·辽宁 一中高二月考)在一定条件下，向恒容密闭容器中充入1 mol N2与4 mol H2，发生化学反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，当反应达到最大限度时，下列说法正确的是(　　)A．v(N2)＝v(NH3)B．单位时间内，断裂1 mol NN，同时断裂2 mol N—HC．此时，容器内气体的平均摩尔质量不再变化D．此时，该反应不一定达到了化学平衡状态C　[同一反应同一时段内不同物质反应速率之比等于计量数之比，所以2v(N2)＝v(NH3)，不可能出现v(N2)＝v(NH3)，A错误；当反应达到最大限度时，正逆反应速率相等，单位时间内，断裂1 molNN，同时断裂6 mol N—H,B错误；容器中气体总质量不变，且正反应是气体物质的量减小的反应，所以容器内混合气体的平均摩尔质量不再变化标志着反应已经达到平衡，C正确；反应达到最大限度时，则反应达到了化学平衡状态，D错误。]3．下列关于化学平衡常数的说法正确的是(　　)A．在任何条件下，化学平衡常数都是一个定值B．当改变反应物的浓度时，化学平衡常数会发生改变C．对于一个给定的化学方程式，化学平衡常数的大小只与温度有关，与反应物的浓度无关D．化学平衡常数随反应体系压强的变化而变化C　[同一个反应的化学平衡常数只与温度有关，温度改变，平衡常数改变，A错误；同一个反应的化学平衡常数只与温度有关，与反应浓度无关，B错误；同一个反应的化学平衡常数只与温度有关，与反应浓度无关，C正确；同一个反应的化学平衡常数只与温度有关，与体系压强无关，D错误。]4．当把晶体N2O4放入密闭容器中气化，并建立了N2O4(g)2NO2(g)平衡后，保持温度不变，再通入若干N2O4气体，待反应达到新的平衡时，则新平衡与旧平衡相比，其值(　　)A．变大　　　 B．不变C．变小   D．无法确定B　[温度不变，K值不变。]5．(情境素养题)酸雨被称为“空中死神”，酸雨使土壤酸化，使林木死亡，造成湖泊中大量鱼类死亡。SO2虽然是大气污染物，但也是重要的化工原料，对SO2进行综合治理和应用会造福人类。例如，在H2SO4生产中，SO2催化氧化生成SO3：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)某温度下，体系在不同压强下达到平衡时，SO2的转化率(α)与体系的压强(p)的关系如图所示，根据图示回答下列问题：(1)将2.0 mol SO2和1.0 mol O2置于10 L密闭容器中，反应体系达到平衡后，体系的总压强为0.1 MPa，该反应的平衡常数等于________。(2)平衡状态由A变到B时，平衡常数K(A)________K(B)(填“大于”“小于”或“等于”)。[解析]　(1)由图示可知：当p＝0.1 MPa时，α＝0.802SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)c始/(mol·L－1)                   0.2     0.1           0c转/(mol·L－1)                  0.16     0.08         0.16c平/(mol·L－1)                  0.04     0.02         0.16K＝＝＝800。(2)平衡状态由A变到B时，温度不变，则K(A)＝K(B)。[答案]　(1)800　(2)等于