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第二章第三节第1课时化学平衡状态

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第三节　化学平衡

第1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．可逆反应的概念

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．表示方法

可逆反应方程式常用“??”连接，把从左向右进行的反应称为正反应，把从右向左进行的反应称为逆反应。

3．特点

(1)同一条件下，正反应和逆反应同时发生、同时存在。

(2)反应不能进行到底，反应物不能实现完全转化。

(3)反应体系中，与化学反应有关的各种物质共存于同一反应体系。

(4)反应达到限度时，反应仍在进行，没有停止。

可逆反应的特征

(1)双向性：可逆反应分为方向相反的两个反应——正反应和逆反应。

(2)双同性：正、逆反应在相同条件下是同时进行的。

(3)共存性：反应物和生成物共存于同一体系中，反应物的转化率小于100%。

(4)能量转化类型相反：若正反应放热，则逆反应吸热。

例1　下列对可逆反应的说法正确的是(　　)

A．既能向正反应方向进行又能向逆反应方向进行的反应叫做可逆反应

B．在可逆反应里正反应的速率是正值，逆反应的速率是负值

C．可逆反应不能完全进行，存在一定的限度

D．2H2＋O22H2O与2H2O2H2↑＋O2↑互为逆反应

答案　C

解析　可逆反应是指在同一条件下，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，A项错误；在可逆反应里正反应的速率、逆反应的速率都取正值，B项错误；可逆反应的特点是不能完全进行到底，存在一定的限度，C项正确；两反应的反应条件不同，不互为逆反应，D项错误。

例2　(2018·*_**可逆反应：2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)，充入由18O组成的氧气一段时间后，18O存在下列物质中的(　　)

A．多余的氧气中

B．生成的三氧化硫中

C．氧气和二氧化硫中

D．二氧化硫、氧气和三氧化硫中

答案　D

解析　 18O2的加入定会与SO2结合生成含18O的SO3，同时含有18O的SO3又会分解得到SO2和O2，使得SO2和O2中也含有18O，因此18O存在于SO2、O2、SO3这三种物质中。

二、化学平衡状态及其特征

1．化学平衡状态的建立

(1)在一定条件下，把1 mol N2和3 mol H2充入一密闭容器中，在一定条件下发生反应。根据要求填表：

N2＋3H2??2NH3

反应物浓度

v正

生成物浓度

v逆

开始时

c(N2)最大

c(H2)最大

最大

进行中

c(N2)减小

c(H2)减小

减小

增大

平衡时

c(N2)不变

c(H2)不变

不变

(2)用速率—时间(v－t)图像表示出以上过程：

2．化学平衡状态的概念

在一定条件下的可逆反应里，当正、逆两个方向的反应速率相等时，反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持恒定的状态，称为化学平衡状态，简称化学平衡。

3．化学平衡的特征

化学平衡的特征可以概括为逆、等、动、定、变，即：

(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。

例3　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(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)×

三、化学平衡状态判断的两个依据

1．正反应速率与逆反应速率相等，v正＝v逆

(1)在一定温度下，可逆反应A(g)＋3B(g)??2C(g)达到平衡的标志是②③④(填序号)。

①单位时间内生成n mol A，同时生成3n mol B

②生成C的速率与C分解的速率相等

③3v正(A)＝v逆(B)

④单位时间内生成n mol A，同时生成2n mol C

(2)特别提示

①对同一物质，该物质的生成速率等于它的消耗速率；

②对不同物质，速率之比等于方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。

2．反应混合物中各组分的百分含量保持不变

(1)一定温度下，在容积恒定的密闭容器中进行如下反应：A(s)＋2B(g)??C(g)＋D(g)。当下列物理量不发生变化时，能表明该反应已达到平衡状态的是②④(填序号)。

①混合气体的总物质的量

②B的物质的量浓度

③容器内气体的压强

④混合气体的密度

(2)特别提示

①若反应前后气体体积不相等时，反应混合气体的总物质的量或压强不再发生变化时，该反应已达到平衡状态。

②若反应无固体或液体参加或生成时，反应混合气体的总质量或密度不变时，该反应不一定为平衡状态。

例4　一定条件下，在体积为1 L的密闭容器中，1 mol X和 1 mol Y 进行反应：2X(g)＋Y(g)??Z(g)，下列叙述能证明该反应已达到化学平衡状态的是(　　)

A．X的百分含量不再发生变化

B．c(X)∶c(Y)∶c(Z)＝2∶1∶1

C．容器内原子总数不再发生变化

D．同一时间内消耗2n mol X的同时生成n mol Z

答案　A

解析　反应过程中原子个数守恒；消耗2n mol X与生成n mol Z是同一反应方向，不能说明反应已达平衡；浓度之比为2∶1∶1，不能说明浓度保持不变。

例5　可逆反应：2NO2(g)??2NO(g)＋O2(g)在恒容的密闭容器中进行，达到平衡状态的标志是(　　)

①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2

②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO

③用NO2、NO、O2表示的反应速率的比为2∶2∶1的状态

④混合气体的颜色不再改变的状态

⑤混合气体的密度不再改变的状态

⑥混合气体的压强不再改变的状态

⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态

A．①④⑥⑦ B．②③⑤⑦ C．①③④⑤ D．全部

答案　A

解析　依据v正＝v逆≠0判断：①单位时间内生成n mol O2的同时必消耗2n mol NO2，①能说明反应已达平衡；②描述均是正方向，无法判断；③无论反应是否达平衡，均有此关系。依据组成一定判断：④NO2为有颜色的气体(红棕色)，颜色不变能说明反应体系中NO2浓度一定，已达到平衡；⑤因ρ＝，反应前后，m、V均不变，ρ也不变，不能说明反应达到平衡；此反应是一个不等体反应，⑥、⑦均能说明反应已达平衡。

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(1)化学平衡状态的判断步骤

解题步骤

解题注意事项

第一步：审题，看清要求

先看一遍题目，了解题目要求及给出的可能的化学平衡状态

第二步：套用两个标志

(1)微观标志：v正＝v逆≠0

①同一物质的生成速率等于消耗速率；

②在化学方程式同一边的不同物质的生成速率与消耗速率之比(或消耗速率与生成速率之比)等于化学方程式中对应物质的化学计量数之比；

③在化学方程式两边不同物质的生成速率与生成速率之比(或消耗速率与消耗速率之比)等于化学方程式中对应物质的化学计量数之比。

(2)宏观标志：反应混合物中各组分的百分含量一定

①各组分的质量分数不变；

②各气体组分的体积分数不变；

③各组分的物质的量分数不变；

④各组分的分子数之比不变；

⑤各组分的物质的量浓度不变；

⑥各组分的转化率或产率不变；

⑦若某组分为有色物质，体系的颜色不再改变

第三步：确定答案

根据第一步的审题，将第二步中与题目有关的“标志”跟选项提供的状态比较，确定正确选项

(2)判断某反应是否达到平衡的“三看”“三注意”

三看：一看反应是否为可逆反应；二看物质的状态；三看气体的化学计量数。

三注意：一注意不同物质的平衡浓度之间无必然关系；二注意公式M＝在讨论混合气体的平均相对分子质量时的应用；三注意公式ρ＝在讨论混合气体密度时的应用。

1．下列关于化学平衡状态的理解正确的是(　　)

A．所有反应都存在平衡状态

B．反应物与生成物的浓度相等

C．正反应与逆反应停止进行

D．正反应和逆反应的速率相等

答案　D

2．可逆反应：N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)的正、逆反应速率可用各反应物或生成物浓度的变化来表示。下列各关系中能说明反应已达到平衡状态的是(　　)

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)

答案　C

解析　可逆反应达到化学平衡状态的主要特征之一是v正＝v逆，而3v正(N2)＝v正(H2)并未反映出v正＝v逆的关系，即A项不正确。在N2与H2合成NH3的反应中，v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)＝1∶3∶2，分析时一要注意二者应分别代表正反应速率和逆反应速率，二要注意不同物质的速率之比等于化学计量数之比。

3．一定温度下，在某固定容积的密闭容器中发生可逆反应：A(s)＋3B(g)??3C(g)，该反应达到平衡状态的标志是(　　)

A．密闭容器内物质的总质量不再改变

B．密闭容器内气体的压强不再改变

C．密闭容器内混合气体的总物质的量不再改变

D．密闭容器内混合气体的质量不再改变

答案　D

解析　A项，根据质量守恒定律知，反应前后物质的总质量相等，故A项不能作为反应达到平衡状态的标志；B、C项，该反应是气体分子数相等的反应，反应过程中混合气体的总物质的量始终不变，密闭容器内气体的压强也始终不变，故B、C项不能作为反应达到平衡状态的标志；D项，由于有固体物质参加反应，所以达到平衡前混合气体的质量是不断变化的，若混合气体的质量不再变化，则说明反应达到了平衡状态。

4．(2018·*_**在一定温度下的恒容密闭容器中，以下说法能表明反应：A(s)＋2B(g)??C(g)＋D(g)已达平衡的是(　　)

A．混合气体的压强不变

B．混合气体的密度不变

C．每消耗2 mol B，同时生成1 mol C

D．C和D的浓度比不变

答案　B

解析　该反应为反应前后气体物质的量不变的反应，容器内混合气体的压强不随反应的进行而变化，不能作为平衡标志，A项错误；根据密度的定义式知，混合气体的密度随反应的进行而变化，当密度不变时，反应已达平衡，B项正确；消耗2 mol B和生成1 mol C，均为正反应，不能作为平衡标志，C项错误；随着反应的进行，C和D的浓度比始终不变，不能作为平衡标志，D项错误。

5．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(　　)

答案　B

解析　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。

6．在固定容积的密闭容器中进行如下反应：2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)，已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3浓度分别为0.2 mol·L－1、0.1 mol·L－1、0.2 mol·L－1，达到平衡时浓度可能是(　　)

A．SO2、O2分别为0.4 mol·L－1、0.2 mol·L－1

B．SO2为0.25 mol·L－1

C．SO2、SO3均为0.15 mol·L－1

D．SO2为0.24 mol·L－1，SO3为0.14 mol·L－1

答案　B

解析　本题可用极限法。可逆反应不可能进行到底，假设反应由正反应或逆反应开始建立。A项，0.2 mol·L－1 SO3全部转化时，SO2和O2浓度才是0.4 mol·L－1、0.2 mol·L－1；B项，SO2的浓度应在0～0.4 mol·L－1之间；根据S元素守恒，SO2和SO3浓度之和应为0.4 mol·L－1，C、D两项都不正确。

7．恒温恒容条件下，将2 mol A气体和2 mol B气体通入体积为2 L 的密闭容器中发生如下反应：2A(g)＋B(g)??xC(g)＋2D(s)，2 min时反应达到平衡状态，此时剩余1.2 mol B，并测得C的浓度为1.2 mol·L－1。

(1)从开始反应至达到平衡状态，生成C的平均反应速率为________________________。

(2)x＝________。

(3)下列各项可作为该反应达到平衡状态的标志的是________(填字母)。

A．压强不再变化

B．气体密度不再变化

C．A的消耗速率与B的消耗速率之比为2∶1

D．A的百分含量保持不变

答案　(1)0.6 mol·L－1·min－1　(2)3　(3)BD

解析　(1)v(C)＝＝0.6 mol·L－1·min－1。

(2) 2A(g)＋B(g)??xC(g)＋2D(s)

开始/mol·L－1 1 1 0

转化/mol·L－1 0.8 0.4 1.2

平衡/mol·L－1 0.2 0.6 1.2

由此可知，2∶1∶x＝0.8∶0.4∶1.2＝2∶1∶3，所以x＝3。

(3)A项，x＝3，该反应前后气体的物质的量不变，无论反应是否达到平衡，压强均不会变化；B项，气体的密度不再变化，而气体的体积不变，说明气体的质量不再发生变化，由于D为固体，故气体的质量不再发生变化时能说明反应已达到平衡状态；C项，A的消耗速率与B的消耗速率表示的反应方向一致，不能说明反应已达到平衡；D项，A的百分含量保持不变，说明反应已达到平衡。

题组一　可逆反应概念的理解

1．下列有关可逆反应的说法不正确的是(　　)

A．可逆反应是指在同一条件下能同时向正、逆两个方向进行的反应

B．2HI??H2＋I2是可逆反应

C．2H2＋O22H2O与2H2O2H2↑＋O2↑互为可逆反应

D．可逆反应中反应物和生成物同时存在

答案　C

解析　C项中两个反应是在不同的条件下进行的，故不能称之为可逆反应，C项不正确。

2．(2018·*_**在密闭容器中进行反应：X2(g)＋3Y2(g)??2Z2(g)，若X2、Y2、Z2的初始浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.2 mol·L－1，当反应达到平衡后，各物质的浓度可能是(　　)

①X2为0.2 mol·L－1　②Y2为0.1 mol·L－1

③Z2为0.3 mol·L－1　④Y2为0.6 mol·L－1

A．①② B．②③ C．③④ D．①④

答案　B

解析　在可逆反应中，反应物不可能完全转化为生成物，平衡时不可能出现某物质浓度为零的情况。①X2为0.2 mol·L－1，表明Z2全部转化为X2和Y2，①错误；同理，④错误。综上所述， B项正确。

3．14CO2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14C在三种物质中都含有。

题组二　化学平衡状态的特征

4．有关化学平衡状态的特征，下列说法正确的是(　　)

A．所有的化学反应都存在化学平衡状态

B．平衡时反应已达到最大限度，反应停止了

C．平衡时各组分的浓度相等

D．化学平衡状态是一种动态平衡

答案　D

解析　只有可逆反应才存在化学平衡状态，A项错误；达到平衡状态时，反应达到最大限度，但反应并没有停止，B项错误；平衡时各组分浓度保持不变，但不一定相等，C项错误；达到化学平衡状态时，反应并没有停止，是一种动态平衡，D项正确。

5．对可逆反应：4NH3(g)＋5O2(g)??4NO(g)＋6H2O(g)，则下列叙述中正确的是(　　)

A．达到化学平衡时，5v正(O2)＝4v逆(NO)

B．若单位时间内生成n mol NO的同时，生成n mol NH3，则反应达到平衡状态

C．若NH3、O2、NO、H2O的分子数之比为4∶5∶4∶6时，反应达到化学平衡状态

D．化学反应速率关系是：2v正(NH3)＝3v正(H2O)

答案　B

解析　根据化学方程式，当4v正(O2)＝5v逆(NO)时，表示v正＝v逆，反应达到平衡状态，A项错误；生成n mol NO表示正反应速率，生成n mol NH3表示逆反应速率，且v正＝v逆，反应达到平衡状态，B项正确；NH3、O2、NO、H2O分子数之比为4∶5∶4∶6时，反应不一定达到平衡状态，C项错误；化学反应速率之比等于化学计量数之比，3v正(NH3)＝2v正(H2O)，D项错误。

6．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。

7．一定条件下，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。

题组三　化学平衡状态的判断

8．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，该反应气体数目有变化，当容器内压强不随时间变化时，必达平衡；B项必达平衡；C项，其比例是反应方程式中的化学计量数之比，不能反映量已固定，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。

9．一定温度下，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．反应容器中内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 .3 mol·L－1　60%

(3)6.5　(4)①③④

解析　(1)v(SO2)＝＝＝0.03 mol·L－1·min－1。

(2)　　　2SO2(g)　　＋　　O2(g)　??　2SO3(g)

开始： 5 mol 3 mol 0

变化： 3 mol 1.5 mol 3 mol

平衡： 2 mol 1.5 mol 3 mol

则平衡时SO3的浓度为＝0.3 mol·L－1，SO2的转化率为×100%＝60%。(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。

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