2020版化学新增分大一轮苏教（江苏）讲义：专题7　化学反应速率与化学平衡第21讲

第21讲　化学反应的方向和限度
考纲要求　1.认识化学反应的可逆性。能用焓变和熵变说明常见简单化学反应的方向。2.理解化学平衡和化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数进行简单计算。
考点一　可逆反应与化学平衡建立

1.可逆反应
(1)定义
在同一条件下，既可以向正反应方向进行，同时又可以向逆反应方向进行的化学反应。
(2)特点
①二同：a.相同条件下；b.正、逆反应同时进行。
②一小：反应物与生成物同时存在；任一组分的转化率都小于(填“大于”或“小于”)100%。
(3)表示
在方程式中用“”表示。
2.化学平衡状态
(1)概念
一定条件下的可逆反应中，正反应速率与逆反应速率相等，反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持不变的状态。
(2)建立
　
(3)平衡特点


3.判断化学平衡状态的两种方法
(1)动态标志：v正＝v逆≠0
①同种物质：同一物质的生成速率等于消耗速率。
②不同物质：必须标明是“异向”的反应速率关系。如aA＋bBcC＋dD，＝时，反应达到平衡状态。
(2)静态标志：各种“量”不变
①各物质的质量、物质的量或浓度不变。
②各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数等)不变。
③温度、压强(化学反应方程式两边气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。
总之，若物理量由变量变成了不变量，则表明该可逆反应达到平衡状态；若物理量为“不变量”，则不能作为平衡标志。

(1)二次电池的充、放电为可逆反应(×)
(2)在化学平衡建立过程中，v正一定大于v逆(×)
(3)恒温恒容下进行的可逆反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，当SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等时，反应达到平衡状态(×)
(4)在一定条件下，向密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2充分反应，生成2 mol NH3(×)

1.向含有2 mol SO2的容器中通入过量O2发生2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－Q kJ·mol－1 (Q＞0)，充分反应后生成SO3的物质的量______(填“＜”“>”或“＝”，下同)2 mol，SO2的物质的量______0 mol，转化率______100%，反应放出的热量________ Q kJ。
答案　＜　>　＜　＜
2.总压强不变在什么情况下不能作为反应达到平衡的标志？
答案　恒温恒容条件下，对于反应前后气体化学计量数相等的反应，总压强不变不能作为判断平衡的标志；恒温恒压条件下，对于一切反应，总压强不变均不能作为判断平衡的标志。
3.混合气体的密度不变在什么情况下不能作为反应达到平衡的标志？
答案　恒温恒容条件下，反应物、生成物都是气体的化学反应，混合气体的密度不变不能作为判断反应达到平衡的标志。





题组一　“极端转化”确定各物质的量
1.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，当反应达到平衡时，各物质的浓度有可能是(　　)
A.Z为0.3 mol·L－1 B.Y2为0.4 mol·L－1
C.X2为0.2 mol·L－1 D.Z为0.4 mol·L－1
答案　A
2.一定条件下，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＝1∶3 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
答案　AD
解析　平衡浓度之比为1∶3，转化浓度亦为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，A正确，C不正确；平衡时Y生成表示逆反应速率，Z生成表示正反应速率且v生成(Y)∶v生成(Z)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。

极端假设法确定各物质浓度范围
上述题目1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X2∈(0，0.2)，Y2∈(0.2，0.4)，Z∈(0，0.4)。
题组二　化学平衡状态的判断
3.对于CO2＋3H2CH3OH＋H2O，下列说法能判断该反应达到平衡状态的是(　　)
A.v(CO2)＝v(H2)
B.3v逆(H2)＝v正(H2O)
C.v正(H2)＝3v逆(CO2)
D.断裂3 mol H—H键的同时，形成2 mol O—H键
答案　C
4.一定温度下，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
答案　D
解析　ΔH是恒量，不能作为判断平衡状态的标志；该反应是充入1 mol N2O4，正反应速率应是逐渐减小直至不变，③曲线趋势不正确。
5.在一定温度下的恒容容器中，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浓度之比等于化学计量数之比；⑦某种气体的百分含量
(1)能说明2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)达到平衡状态的是________。
(2)能说明I2(g)＋H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是________。
(3)能说明2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的是________________________。
(4)能说明C(s)＋CO2(g)2CO(g)达到平衡状态的是________。
(5)能说明NH2COONH4(s)2NH3(g)＋CO2(g)达到平衡状态的是________。
(6)能说明5CO(g)＋I2O5(s)5CO2(g)＋I2(s)达到平衡状态的是________。
答案　(1)①③④⑦　(2)⑤⑦　(3)①③④⑤⑦　(4)①②③④⑦　(5)①②③　(6)②④⑦
6.若上述题目中的(1)～(4)改成一定温度下的恒压密闭容器，结果又如何？
答案　(1)②③④⑦　(2)⑤⑦　(3)②③④⑤⑦　(4)②③④⑦

规避“2”个易失分点
(1)化学平衡状态判断“三关注”
关注反应条件，是恒温恒容，恒温恒压，还是绝热恒容容器；关注反应特点，是等体积反应，还是非等体积反应；关注特殊情况，是否有固体参加或生成，或固体的分解反应。
(2)不能作为“标志”的四种情况
①反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比。
②恒温恒容下的体积不变的反应，体系的压强或总物质的量不再随时间而变化，如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。
③全是气体参加的体积不变的反应，体系的平均相对分子质量不再随时间而变化，如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。
④全是气体参加的反应，恒容条件下体系的密度保持不变。
考点二　化学平衡常数的概念及应用

1.概念
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，用符号K表示。
2.表达式
对于反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，
K＝(固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。
如(1)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式K＝。
(2)Fe3＋(aq)＋3H2O(l)Fe(OH)3(s)＋3H＋(aq)的平衡常数表达式K＝。
3.意义及影响因素
(1)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。
(2)K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
4.应用
(1)判断可逆反应进行的程度。
(2)判断反应是否达到平衡或向何方向进行。
对于化学反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的任意状态，浓度商：Q＝。
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。
(3)判断反应的热效应：若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应；若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。

(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(×)
(5)Cl2＋H2OHCl＋HClO的平衡常数表达式K＝(×)

1.在一定温度下，已知以下三个反应的平衡常数：
反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s)　K1
反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g)　K2
反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　K3
(1)反应①的平衡常数表达式为____________。
(2)反应③的K3与K1、K2的关系是K3＝_____________________________________。
答案　(1)K1＝　(2)
解析　(2)K3＝，K2＝，结合K1＝，可知K3＝。
2.在某温度下，N2＋3H22NH3的平衡常数为K1，则该温度下，NH3N2＋H2的平衡常数K3＝___________________________________________________________________。
答案　

化学平衡常数与化学方程式书写形式的关系
(1)正、逆反应的平衡常数互为倒数。
(2)若化学方程式中各物质的化学计量数都扩大或缩小至原来的n倍，则化学平衡常数变为原来的n次幂或次幂。
(3)两方程式相加得到新的化学方程式，其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积。

题组一　化学平衡常数及影响因素
1.O3是一种很好的消毒剂，具有高效、洁净、方便、经济等优点。O3可溶于水，在水中易分解，产生的[O]为游离氧原子，有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生的反应如下：
反应①　O3O2＋[O]　ΔH>0　平衡常数为K1；
反应②　[O]＋O32O2　ΔHv逆，D项错误。
三、非选择题
13．(2017·南京四校一模)在工业上常用CO与H2合成甲醇，热化学方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH＝－574.4 kJ·mol－1。
(1)在T1时，向体积为2 L的恒容容器中充入物质的量之和为3 mol的CO和H2，发生反应CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)，反应达到平衡时CH3OH(g)的体积分数[φ(CH3OH)]与的关系如图1所示。

①当起始＝2时，经过5 min反应达到平衡，CO的转化率为0.6，则0～5 min内平均反应速率v(H2)＝__________________。若此刻再向容器中加入CO(g)和CH3OH(g)各0.4 mol，达到新平衡时H2的转化率将________(填“增大”“减小”或“不变”)。
②当＝3.5时，反应达到平衡后，CH3OH的体积分数可能是图1中的________(填“D”“E”或“F”)点。
(2)在一容积可变的密闭容器中充有10 mol CO和20 mol H2。CO的平衡转化率[α(CO)]与温度(T)、压强(p)的关系如图2所示。

①A、B、C三点对应的平衡常数KA、KB、KC的大小关系为________。
②若达到平衡状态A时，容器的体积为10 L，则在平衡状态B时容器的体积为________L。
答案　(1)①0.12 mol·L－1·min－1　增大　②F
(2)①KA＝KB>KC　②2
解析　(1)①＝2，又n(CO)＋n(H2)＝3 mol，则n(H2)＝2 mol，n(CO)＝1 mol,0～5 min内转化的n(CO)＝0.6 mol，则有
　　　　　　　CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)
起始/mol·L－1 0.5 1 0
转化/mol·L－1 0.3 0.6 0.3
平衡/mol·L－1 0.2 0.4 0.3
v(H2)＝0.6 mol·L－1÷5 min＝0.12 mol·L－1·min－1，K＝>，所以平衡正向移动，v正>v逆，H2的转化率将增大。②反应物按方程式中各物质的化学计量数比投料时产物的体积分数最大，否则都会使产物的体积分数减小，故应选F点。(2)①平衡常数只与温度有关，CO与H2反应生成CH3OH的反应为放热反应，则升高温度，平衡常数减小，则KCKC。②达到平衡状态A时，容器的体积为10 L，状态A与B的平衡常数相同，状态A时CO的转化率是0.5，则平衡时CO的物质的量是10 mol×(1－0.5)＝5 mol，浓度是0.5 mol·L－1，c(H2)＝1 mol·L－1，生成甲醇的物质的量是5 mol，浓度是0.5 mol·L－1，所以平衡常数KA＝1；设状态B时容器的体积是V L，状态B时CO的转化率是0.8，则平衡时，CO的物质的量浓度为 mol·L－1，氢气的物质的量浓度是 mol·L－1，生成甲醇的物质的量浓度是mol·L－1，KB＝＝1，解得V＝2。
14．(2018·徐州调研)工业生产硫酸接触室发生如下化学反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－196.6 kJ·mol－1，解答下列问题：
(1)开始时，在容积为1 L的恒容密闭容器中加入4 mol SO2和5 mol O2的混合气体，当反应达到平衡时放出热量196.6 kJ，则该温度下的化学平衡常数K＝________。如果该温度下，某时刻混合体系中各气体的浓度为c(SO2)＝0.4 mol·L－1、c(O2)＝0.6 mol·L－1、c(SO3)＝0.8 mol·L－1，请判定该体系中反应进行的方向：________(填“正向进行”“逆向进行”或“达到平衡”)。
(2)下列关于可逆反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的图像，不正确的是________(填字母)。


(3)一定温度下，向甲、乙、丙三个容积均为2 L的恒容密闭容器中投入SO2(g)和O2(g)，其起始物质的量及SO2的平衡转化率如表所示，下列判断中，正确的是______(填字母)。

甲
乙
丙
起始物质的量
n(SO2)/mol
0.6
1.2
1.2
n(O2)/mol
0.36
0.36
0.72
SO2的平衡转化率
80%
α1
α2

A.甲―→乙，平衡向正反应方向移动，α(SO2)增大
B．平衡时，丙中c(SO3)是甲中的2倍
C．该温度下，平衡常数K＝400
D．平衡时，SO2的转化率：α1Δv逆、v正>v逆，故平衡应向正反应方向移动，C项错误。(3)A项，甲―→乙，增大了c(SO2)，平衡向正反应方向移动，α(O2)增大，但α(SO2)减小，错误；B项，甲―→丙，可以看作体系压强增大至原来的2倍，平衡向正反应方向移动，达到新平衡时，丙中c(SO3)大于甲中的2倍；C项，该温度下平衡常数计算如下：
根据三段式法分析：　 2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)
起始浓度/mol·L－1 0.3 0.18 0
变化浓度/mol·L－1 0.24 0.12 0.24
平衡浓度/mol·L－1 0.06 0.06 0.24
K＝≈266.7，错误；D项，根据上述分析可知，平衡时，SO2的转化率：α1