江苏省盐城市2023届高三化学一轮复习教程 第42课时-专题3第三单元第2讲-化学平衡第3课时-等效平衡及综合应用

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江苏省盐城市2023届高三化学一轮复习教程 第42课时-专题3第三单元第2讲-化学平衡第3课时-等效平衡及综合应用

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专题3 化学反应原理
第三单元 化学反应速率与化学平衡
第2讲 化学平衡
第3课时 等效平衡及综合应用(1课时)
一、教学流程
活动一:构建知识体系
问题1:从投料的角度看, 建立化学平衡方式有几种?不同途径建立的平衡能否达到相同的效果,达到相同效果的判断依据是什么?
[例题1] 一定温度下,在三个体积均为1.0 L恒容密闭容器中发生
2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)反应,测得有关实验数据如表:
容器 温度/(℃) 起始物质的量( mol) 平衡物质的量( mol)
NO CO N2 CO2 N2 CO2
Ⅰ 400 0.2 0.2 0 0 0.12
Ⅱ 400 0.4 0.4 0 0
Ⅲ 300 0 0 0.1 0.2 0.075
则该反应的ΔH    0;平衡时CO的体积分数:c(CO,Ⅱ)    2c(CO,Ⅰ)(填“>”、“<” 或“=”)。
[归纳总结]
(1)等效平衡的定义
定义:在一定条件下,对同一可逆反应,无论起始是从正反应开始还是从逆反应开始,或是从中间状态(既有反应物又有生成物的状态)开始,当反应达到平衡后,任何相同组分在混合物中的百分数(体积分数或物质的量分数)均相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。
(2)氯气的化学性质
1. 恒温、恒容条件下气体体积改变的反应
判断方法: 即等效。
   2SO2(g) + O2(g)2SO3(g) 说明 应用
① 2 mol  1 mol  0 ④中a、b、c三者的关系满足: 、 ,即与①②③平衡等效 ①②③④达到平衡后,各物质物质的量、质量、物质的量浓度、百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数)相同
② 0   0   2 mol
③ 0.5mol 0.25 mol 1.5 mol
④ a mol  b mol  c mol
2. 恒温、恒压条件下气体体积改变的反应
判断方法: 即等效。
    2SO2(g) + O2(g)2SO3(g) 说明 应用
① 2 mol  3 mol  0 ④中a、b、c三者的关系满足: ,即与①②③平衡等效 ①②③④达到平衡后,各物质物质的量、质量等比,组分物质的量浓度、百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数)相同
② 4 mol  6 mol  0
③ 1 mol  3.5 mol 2 mol
④ a mol  b mol  c mol
3. 恒温条件下气体体积不变的反应
判断方法:无论是恒温恒容还是恒温恒压,只要 即等效,因为压强改变对该类反应的化学平衡无影响。
   H2(g) +I2(g)2HI(g) 说明 应用
① 1 mol 1 mol  0 ④中a、b、c三者的关系满足: 或a∶b=1∶1、c≥0,即与①②③平衡等效 ①②③④达到平衡后,各物质物质的量、质量、物质的量浓度等比(恒温恒压条件下,物质的量浓度相同),组分百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数)相同
② 0   0  3 mol
③ 2mol 2 mol 1 mol
④ a mol b mol c mol
问题2:在在温度、容积相同的2个密闭容器中,对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.3 kJ·mol-1,其中一个容器充入1molN2、3molH2,测得反应达到平衡时H2的转化率为α(H2),反应过程中放出aKJ热量,另一个容器充入2molNH3,测得反应达到平衡时的转化率为 α(NH3),反应过程中吸收bKJ热量,则α(H2)、α(NH3) ,a、b之间满足什么数量关系?
[练习1] 已知:O2(g)+2SO2(g)2SO3(g) ΔH=-196.6 kJ·mol-1,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下:
O2(g)+2SO2(g)2SO3(g) SO3的平衡浓度/mol·L-1 反应的能量变化 体系压强/Pa 反应物转化率
实验1 1mol  2mol    0 c1 放出a kJ p1 α1
实验2  0   0    2mol c2 吸收b kJ p2 α2
实验3  0   0    4mol c3 吸收c kJ p3 α3
下列关系正确的是 ( )
A.α1+α3>1 B.a+b=196.6
C.p3<2p2 D.c3<2c2
(练习1出处:2018·江苏高考题改编。推荐理由:通过具体的问题情境,让学生体会化学平衡状态与建立平衡的条件有关,与建立平衡的途径无关。不是等效平衡先构建等效平衡。在恒温恒容容器中按原比例增加气体的物质的量相当于加压,减小气体的物质的量相当于减压。体现”模型认知” 这一素养。)
活动二:重难点突破
典例简析 图像图表题
[典型题例] 在三个容积均为1 L的恒温恒容密闭容器中,起始时按表中相应的量加入物质,在相同温度下发生反应3CO(g)+3H2(g)(CH3)2O(g)+CO2(g)(不发生其他反应),CO的平衡转化率与温度和压强的关系如下图所示。
容器 起始物质的量/mol 平衡转化率
CO H2 (CH3)2O CO2 CO
Ⅰ 0.3 0.3 0 0 50%
Ⅱ 0.3 0.3 0 0.1
Ⅲ 0 0 0.2 0.4
下列说法正确的是 (  )
A.该反应的ΔH<0,图中压强p1>p2
B.达到平衡时,容器Ⅱ中CO的平衡转化率大于50%
C.达到平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ的总压强之比小于4∶5
D.达到平衡时,容器Ⅲ中n[(CH3)2O]是容器Ⅱ中的2倍
(典型题例出处:2018·盐城三模。推荐理由:本题考查勒夏特列原理、平衡转化率计算、等效平衡思想的应用,模型法是解答本题的关键,培养了学生综合应用所学知识的能力)
[解析] 由图示看出,随着温度的升高,CO的转化率减小,即平衡逆向移动,故正反应为放热反应,该反应的正反应是气体体积减小的反应,故增大压强平衡正向移动,CO的转化率增大,故p1>p2,A正确;Ⅱ可看作是Ⅰ达到平衡后向容器中再加入CO2,加入CO2后平衡逆向移动,CO的转化率减小,故容器Ⅱ中CO的转化率小于50%,B错误;根据容器Ⅰ中的数据可知,平衡时CO、H2、(CH3)2O、CO2的物质的量分别为 0.15mol、0.15mol、0.05mol、0.05mol,共0.4mol气体,容器Ⅱ中的平衡可看作是容器Ⅰ中达到平衡后再加入0.1mol CO2得到,加入CO2后平衡逆向移动,气体物质的量增大,即容器Ⅱ达到平衡时气体总物质的量大于0.5mol,故两者压强之比小于4∶5,C正确;容器Ⅱ中达到的平衡相当于开始时加入了0.1mol (CH3)2O和0.2mol CO2,故容器Ⅲ中加入的物质的量是容器Ⅱ中的两倍,因为增大压强时平衡正向移动,故达到平衡时容器Ⅲ中n[(CH3)2O]要大于容器Ⅱ中的2倍,D错误。
[答案] AC
[小结]解决此类题目要运用等效平衡中的“一边倒”、“投料量相同”、“投料比相同”、“定一议二”法。“定一议二”法分析平衡图象时确定一个因素而讨论另外二个因素之间的关系。
[练习2](2015·江苏高考)在体积均为1.0 L的两恒容密闭容器中加入足量的相同的碳粉,再分别加入0.1 mol CO2和0.2 mol CO2,在不同温度下反应CO2(g)+C(s)2CO(g)达到平衡,平衡时CO2的物质的量浓度c(CO2)随温度的变化如图所示(图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ点均处于曲线上)。下列说法正确的是 ( )
A.反应CO2(g)+C(s)2CO(g)的ΔS>0、ΔH<0
B.体系的总压强p总:p总(状态 Ⅱ)>2p总(状态 Ⅰ)
C.体系中c(CO)∶c(CO,状态Ⅱ)<2c(CO,状态Ⅲ)
D.逆反应速率v逆∶v逆(状态Ⅰ)>v逆(状态Ⅲ)
[例题2]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/K 700 700 800
反应物投入量 2molSO2、1molO2 4molSO3 2molSO2、1molO2
平衡v正(SO2)/mol·L-1·s-1 v1 v2 v3
平衡c(SO3)/mol·L-1 c1 c2 c3
平衡体系总压强p/Pa p1 p2 p3
物质的平衡转化率α α1(SO2) α2(SO3) α3(SO2)
平衡常数K K1 K2 K3
下列说法正确的是 ( )
A.v1K3,p2>2p3
C.v1α3(SO2) D. c2>2c3,α2(SO3)+α3(SO2)<1
(例题2出处:2018·江苏高考。推荐理由:高考反复和重点考查的都是化学基础知识和基本能力。此题中化学平衡中的基础知识全方位、多角度地出现在化学反应反应速率、压强、转化率、平衡常数的影响因素、平衡移动、 等效平衡等热点中。既增强课堂思维容量、考查了学生综合应用知识的能力,同时实现学生的深度体验、思考。)
问题4:根据等效平衡建立的条件,完成思维导图。
(1) 充入反应物或生成物
按照等效模式,转化为同种物质再进行比较。
(2) 恒温恒容,将反应物的用量成倍数关系变化
一般先建立等效平衡(将体积成倍数关系变化) 确定此时各个量的关系 将变化的体积复原(相当于增大或减小压强) 确定平衡移动的方向 分析平衡移动引起的量的变化。如aA(g)bB(g)+cC(g):
(3) 恒温恒容与恒温恒压比较
一般先建立等效平衡(将恒容容器先变为恒压容器) 确定反应过程中体积的变化 将体积复原(活塞上移或下移) 确定平衡移动的方向 分析平衡移动引起的量的变化。
活动三:巩固提升
1.(2019·徐州、淮安、连云港一模)在初始温度为T时,向三个密闭的容器中按不同方式投入反应物,发生反应:A(g)+3B(g) 2C(g)ΔH<0。测得反应的相关数据如下:
容器 容器类型 初始体积 反应物投入量/mol 反应物的平衡转化率α 平衡时C的物质的量/mol 平衡常数K
A B C
Ⅰ 恒温恒容 1 L 1 3 0 α1(A) 1.2 K1
Ⅱ 绝热恒容 1 L 0 0 2 α2(C) x K2
Ⅲ 恒温恒压 2 L 2 6 0 α3(A) y K3
下列说法正确的是 ( )
A.x<1.2,y<2.4     B.α1(A)<α3(A)
C.K2>K3= D.α1(A)+α2(C)>1
2.(2019·南通一模)在三个容积均为2 L的密闭容器中按不同方式投入反应物,发生反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=-a kJ·mol-1(a>0)
相关反应数据如下:
容器 容器类型 起始温度/℃ 起始物质的量/mol 平衡时H2物质的量/mol
CO H2O CO2 H2
Ⅰ 恒温恒容 800 1.2 0.6 0 0 0.4
Ⅱ 恒温恒容 900 0.7 0.1 0.5 0.5
Ⅲ 绝热恒容 800 0 0 1.2 0.8
下列说法正确的是 ( )
A.容器Ⅰ中反应10 min建立平衡,010 min内,平均反应速率v(CO)=0.04 mol·L-1·min-1
B.若向容器Ⅰ平衡体系中再加入CO、H2O、CO2,H2各0.1 mol,平衡将正向移动
C.达到平衡时,容器Ⅱ中反应吸收的热量小于0.1a kJ
D.达平衡时,容器Ⅲ中n(CO)<0.48 mol
3. (2019·常州一模)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3H2(g)+N2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ· mol-1,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/K 500 500 300
反应物投入量 3 mol H21 mol N2 4 mol NH3 2 mol NH3
平衡v正(N2)/mol·L-1·s-1 v1 v2 v3
平衡c(NH3)/mol·L-1 c1 c2 c3
平衡体系总压强p/Pa p1 p2 p3
达到平衡时能量变化 放出a kJ 吸收b kJ 吸收c kJ
达到平衡时体积分数 φ1(NH3) φ2(NH3) φ3(NH3)
物质的平衡转化率α α1(H2) α2(NH3) α3(NH3)
平衡常数K K1 K2 K3
下列说法正确的是 ( )
A.v12c1
B.K1=K2,p2>2p1
C.φ1(NH3)<φ3(NH3),a+0.5b<92.4
D.c2>2c3,α1(H2)+α3(NH3)>1
4. (2019·扬、泰、南、淮、徐、宿、连二模)一定温度下,在三个容积均为2 L的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物,发生反应2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g) ΔH<0,测得反应的相关数据如下:
容器 温度/K(T1>T2) 起始物质的量/mol 平衡物质的量/mol
NO(g) H2(g) N2(g)
Ⅰ T1 3 2 0.5
Ⅱ T2 2 3
Ⅲ T1 2.5 2.5
下列说法正确的是 ( )
A.平衡时,容器Ⅰ和容器Ⅱ中正反应速率:v(H2,Ⅰ)B.平衡时,容器Ⅱ中c(NO)<0.5mol·L-1
C.平衡时,容器Ⅲ和容器Ⅰ中的压强:pⅢD.保持温度不变,若将容器Ⅰ改为恒压密闭容器,平衡时容器的容积变为1.8 L
[参考答案]
1.BC
解析:Ⅰ.恒温恒容起始量n(A)=1mol,n(B)=3mol,平衡状态n(C)=1.2mol,结合三行计算列式得到: A(g)+3B(g)2C(g)
起始量(mol) 1 3 0
变化量(mol) 0.6 1.8 1.2
平衡量(mol) 0.4 1.2 1.2
Ⅱ.起始量n(C)=2mol,若为恒温恒容则和Ⅰ
达到相同的平衡状态,绝热恒容,逆向达到平衡状态,体系温度降低,平衡正向进行,则x>1.2,C的转化率减小, a1(A)+a2(C)<1,平衡常数增大;Ⅲ.恒温恒压起始量n(A)=2mol,n(B)=
6mol,和Ⅰ相比体积增大一倍,反应为物质的量增大一倍,恒温恒容达到相同的平衡状态,恒温恒压反应为气体体积减小的反应,则相当于增大压强,平衡正向进行,y>2.4;α1(A)<α3(A),K3 =K1=
A.上述分析可知:x>1.2,y>2.4,故A错误;
B.恒温恒压起始量n(A)=2mol,n(B)=
6mol,和Ⅰ相比体积增大一倍,反应为物质的量增大一倍,恒温恒容达到相同的平衡状态,恒温恒压反应为气体体积减小的反应,
则相当于增大压强,平衡正向进行,α1(A)<α3(A),故B正确;
C.平衡常数随温度变化,则K3 =K1= 故C正确;
D.起始量n(C)=2mol,若为恒温恒容则和Ⅰ达到相同的平衡状态,绝热恒容,逆向达到平衡状态,体系温度降低,平衡正向进行,则x>1.2,C的转化率减小,α1(A)+α2(C)<1,故D错误。
2.D
解析:A.容器中反应经10min建立平衡,0~10min内,氢气改变量为0.4mol,CO改变量也为0.4mol,则平均反应速率
,故A错误;
B.根据A选项,容器Ⅰ平衡体系中CO物质的量为0.8mol,H2O物质的量为0.2mol,
CO物质的量为0.4mol,H2物质的量为 0.4 mol,平衡常数为
向容器Ⅰ平衡体系中再加入CO、H2O、CO2、H2各0.1mol,浓度商为
平衡正向移动,故B
错误
C.如果容器温度为800℃,达到平衡时,
反应向左移动,生成0.1 molCO,吸收0.1akJ能量,由于容器中温度为900℃,
因此还要向左反应,生成的CO多余0.1mol,因此反应吸收的热量大于0.1akJ,故C错误;
D.假设是恒温容器,达平衡时,设转化生成CO物质的量为xmol,根据
得到x=0.48mol,由
于是绝热,反应向左,容器内温度降低,反应正向移动,因此容器Ⅲ中n(CO)<0.48
mol,故D正确。
综上所述,答案为D。
3.AC
解析:A.容器1中相当于加入2 molNH3,容器中4 nolNH3,二者相比相当于将容器2体积缩小一半,压强增大,则平衡时反应速率
v1c2=2c1,但加压有利于该反应正向进行,
所以c2>2c1,故A正确;B.1、2的温度相同,则K1=K2,2与1中
起始物质的量为2倍关系,增大压强平衡正向移动,则p2<2p1,故B错误;C.1与3相比,极限转化为氨气时起始量相同,降低温度平衡正向移动,则3中平衡正向进行的程度大,即
φ1(NH3)<φ3(NH3);且合成氨为可逆反应,而热化学方程式中为完全转化时的能
量变化,则a+0.5b<92.4,故C正确;D.容器2是4 nolNH3起始反应,容器3加入2 nolNH3,容器2相当于容器3加压,若平衡不发生移动,则有c2=2c3,但加压有利于反应正向进行,并且容器2和容器3的温度
不等,容器3的反应温度高于容器2的反应温度,则c2>2c3,1与3相比极限转化后起始量相同,温度不同,且两容器温度相同,则有α1(H2)+α3(NH3)=1,但升高温度
平衡逆向向移动,则α1(H2)减小,因此最终α1(H2)+α3(NH3)<1,故D错误;
4. BC 
解析:温度越高反应速率越快,T1>T2,平衡时容器Ⅰ和容器Ⅱ正反应速率v(H2,Ⅰ)>v(H2,Ⅱ),A项错误;容器Ⅰ达到化学平衡时浓度变化如下所示:
       2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g)
初始 1.5 1 0 0
参加反应 0.5 0.5 0.25 0.5
平衡 1 0.5 0.25 0.5
温度为T1时,容器Ⅰ的平衡常数KⅠ=0.25,令平衡时c(NO)=0.5mol·L-1,则平衡时c(H2)=1mol·L-1,c(N2)=0.25mol·L-1,c(H2O)=0.5mol·L-1,KⅠ=0.25,但T1>T2,ΔH<0,所以KⅠK=0.197 5cⅠ,Q≠KⅠ,故改为恒压密闭容器时,平衡时容器体积不可能为1.8 L,D项错误。
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