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第35讲 化学平衡状态及平衡移动
【课标指引】
1.能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化。
2.通过实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。
考点一　化学平衡状态及判断
考点二　化学平衡的移动
目录索引
素养发展进阶
考点一　化学平衡状态及判断
必备知识 梳理
1.可逆反应
正反应
逆反应
同时
小于
2.化学平衡状态
(1)概念
一定条件下的可逆反应中,当正反应速率与逆反应速率________时,反应物和生成物的浓度均保持________,即体系的组成不随时间而改变的状态。
(2)建立　
正向开始、逆向开始、双向同时开始, 均可建立平衡
相等
不变
(3)特点
可逆
=
浓度或百分含量
3.化学平衡状态的判断方法
(1)判断化学平衡状态的方法——“正、逆相等,变量不变”
(2)常见的“变量”
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、转化率或颜色(某组分有颜色)不变。
④压强、总物质的量(化学方程式两边气体体积不相等)不变。
关键能力 提升
考向1 可逆反应及特点
例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
A
解析 当Z完全转化为X2、Y2时,X2、Y2分别为0.2 mol·L-1、0.4 mol·L-1;当0.1 mol·L-1 X2完全转化为Z时,Y2为0.2 mol·L-1,Z为0.4 mol·L-1,则0考向2 化学平衡状态的判断
例2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。
①③④⑦
⑤⑦
①③④⑤⑦
①②③④⑦
①②③
②④⑦
[对点训练] 若上述[例2]中的(1)~(4)改成一定温度下的恒压密闭容器,结果又如何
(1) ________________________________________________。
(2) ________________________________________________。
(3) ________________________________________________。
(4) ________________________________________________。
②③④⑦　
⑤⑦　
②③④⑤⑦　
②③④⑦
考点二　化学平衡的移动
必备知识 梳理
1.化学平衡的移动
情境思考已知反应:2NO2(红棕色) N2O4(无色)　ΔH<0。如图所示,三个烧瓶中分别充满NO2气体并分别放置在盛有下列物质的烧杯(烧杯内有水)中:在(1)中加入CaO,在(2)中不加其他任何物质,在(3)中加入NH4Cl晶体,则发现(1)中红棕色________,说明平衡________移动;(3)中红棕色_______,说明平衡________移动。
变深
逆向
变浅
正向
2.化学平衡移动的过程
由上图可推知:
(1)化学反应条件改变,使正、逆反应速率不再相等,化学平衡才会发生移动。
(2)化学平衡发生移动,化学反应速率一定改变。
3.化学平衡移动方向与化学反应速率的关系
(1)v(正)>v(逆):平衡向________方向移动。
(2)v(正)=v(逆):反应达到平衡状态,________平衡移动。
(3)v(正)正反应
不发生
逆反应
4.影响化学平衡的因素
若其他条件不变,改变下列条件对化学平衡的影响如下:
改变的条件(其他条件不变) 化学平衡移动的方向
浓度 增大反应物浓度或减小生成物浓度 向________方向移动
减小反应物浓度或增大生成物浓度 向________方向移动
压强(有气体参加的可逆反应) 反应前后气体体积改变 增大压强 向气体分子总数______的方向移动
减小压强 向气体分子总数______的方向移动
反应前后气体体积不变 改变压强 平衡______移动
温度 升高温度 向______反应方向移动
降低温度 向______反应方向移动
催化剂 同等程度改变v(正)、v(逆),平衡不移动 正反应
逆反应
减小
增大
不
吸热
放热
5.勒夏特列原理
如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够________________的方向移动。
减弱这种改变
【应用示例】COCl2(g) CO(g)+Cl2(g)　ΔH>0,当反应达到平衡时,下列措施:①升温、②恒容通入惰性气体、③增加CO的浓度、④减压、⑤加催化剂、⑥恒压通入惰性气体,能提高COCl2转化率的是______________ (填序号)。
①④⑥
解析 该反应为气体体积增大的吸热反应,所以升温和减压均可以促使平衡正向移动。恒压通入惰性气体,相当于减压;恒容通入惰性气体与加催化剂均对平衡无影响;增加CO的浓度,将导致平衡逆向移动。
关键能力 提升
考向1 外界条件对化学平衡的影响
例1(2023·广东广州一模)恒容密闭容器中,以硫(S8)与CH4为原料制备CS2, S8受热分解成气态S2,发生反应2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)　ΔH。CH4的平衡转化率、S2的体积分数随温度的变化曲线如图所示。下列说法正确的是(　　)
B
A.ΔH>0
B.温度升高,S8分解率增大,S2体积分数增大
C.向平衡体系中充入稀有气体,平衡向右移动
D.其他条件相同,S2体积分数越大,CH4平衡转化率越小
解析 温度升高,CH4的平衡转化率降低,S2的体积分数升高,说明升高温度,平衡逆向移动,则该反应的正反应是放热反应,即ΔH<0,A错误;S8分解成S2需要吸收热量,S8(g) 4S2(g)　ΔH>0,升高温度,该平衡正向移动,S8分解率增大,则S2体积分数增大,B正确;恒温恒容体系中,通入稀有气体,原平衡体系中各气体浓度均未变化,则平衡不移动,C错误;其他条件不变时,S2体积分数增大,即c(S2)越大,则平衡正向进行的程度越大,CH4的平衡转化率越大,D错误。
[对点训练1] 对于以下三个反应,从反应开始进行到达到平衡后,保持容器温度、容积不变,按要求回答下列问题:
(1)PCl5(g) PCl3(g)+Cl2(g),再充入PCl5(g),平衡向_______方向移动,达到平衡后,PCl5(g)的转化率_______,PCl5(g)的百分含量_______。
(2)2HI(g) I2(g)+H2(g),再充入HI(g),平衡向________方向移动,达到平衡后,HI的分解率________,HI的百分含量________。
(3)2NO2(g) N2O4(g),再充入NO2(g),平衡向_______方向移动,达到平衡后,NO2(g)的转化率_______,NO2(g)的百分含量_______。
正反应
减小
增大
正反应
不变
不变
正反应
增大
减小
思维建模
(1)构建恒温恒容平衡思维模式 新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加并 压缩而成,相当于增大压强。
(2)构建恒温恒压平衡思维模式(以气体物质的量增加的反应为例,见图示)
新平衡状态可认为是两个原平衡状态简单的叠加,压强不变,平衡不移动。
考向2 化学平衡中物质转化率或气体体积分数的变化
B.a点对应的平衡常数比c点的大
C.b点对应的NH3的体积分数为26%
D.不改变投料比,增加n(N2)时,NH3体积分数增大
D
[对点训练2] 将等物质的量的X、Y气体充入某密闭容器中,在一定条件下,发生反应并达到平衡:X(g)+3Y(g) 2Z(g)　ΔH<0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时,表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是(　　)
选项 改变条件 新平衡与原平衡比较
A 升高温度 X的转化率变小
B 增大压强 X的浓度变小
C 充入一定量Y Y的转化率增大
D 使用适当的催化剂 X的体积分数变小
A
解析 升高温度,平衡逆向移动,X的转化率变小,A项正确;增大压强,平衡正向移动,但容器的容积减小,X的浓度变大,B项错误;充入一定量Y,X的转化率增大,而Y的转化率减小,C项错误;使用适当的催化剂,只能加快反应速率,不能改变平衡,X的体积分数不变,D项错误。
归纳总结
平衡转化率和气体体积分数的分析
素养发展进阶
进阶1 练易错·避陷阱
1.(2023·广东广州检测)在一定温度下的定容容器中,当下列哪些物理量不再发生变化时,表明反应A(g)+2B(g) C(g)+D(g)已达到平衡状态的是
(　　)
①混合气体的压强　②混合气体的密度　③B的物质的量浓度　
④混合气体总物质的量　⑤混合气体的平均相对分子质量　
⑥v(C)与v(D)的比值为1∶1 ⑦混合气体总质量　⑧混合气体总体积　
⑨单位时间内生成a mol A的同时生成a mol C
A.⑤⑥⑦⑧ B.①③④⑤⑨
C.②④⑦ D.①③⑧⑨
B
解析 该反应是分子数变化的反应,压强始终在变化,混合气体的压强不变,说明气体的物质的量不变,证明达到了平衡状态,故①正确;该容器的容积保持不变,根据质量守恒定律知,反应前后混合气体的质量不变,所以容器内气体的密度始终不发生变化,故②错误;反应达到平衡状态时,正、逆反应速率相等,平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化,所以B的浓度不再变化时,该反应达到平衡状态,故③正确;该反应是反应前后气体体积变化的反应,所以气体总物质的量不变,能表明反应达到平衡状态,故④正确;容器中的气体平均相对分子质量 ,反应前后混合气体的质量不变化,当 不再发生变化时,物质的量不变,表明已经平衡,故⑤正确;C、D反应速率的比值始终等于化学方程式的计量数之比,故⑥错误;混合气体的总质量一直不变,故⑦错误;在定容容器中混合气体总体积始终不变,不能表明达到化学平衡状态,故⑧错误;单位时间内生成a mol A是逆向反应的速率,同时生成a mol C表示正向反应的速率,正反应速率等于逆反应速率,说明反应达到平衡,故⑨正确。
2.一定条件下存在反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),其正反应放热。图1、图2表示起始时容器甲、丙容积都是V,容器乙、丁容积都是 ;向甲、丙内都充入2a mol SO2和a mol O2并保持恒温;向乙、丁内都充入a mol SO2和0.5a mol O2并保持绝热(即与外界无热量交换),在一定温度时开始反应。下列说法正确的是(　　)
A.图1达平衡时,c(SO2):甲=乙
B.图1达平衡时,平衡常数K:甲<乙
C.图2达平衡时,所需时间t:丙<丁
D.图2达平衡时,体积分数φ(SO3):丙>丁
D
解析 甲和乙若都是恒温恒压,则两者等效,但乙为绝热恒压,又该反应正反应为放热反应,则温度:甲<乙,温度升高平衡向逆反应方向移动,c(SO2):甲<乙,平衡常数K:甲>乙,A、B项错误;丙和丁若都是恒温恒容,则两者等效,但丁为绝热恒容,则温度:丙<丁,温度越高,反应速率越快,达到平衡的时间越短,所用的时间:丙>丁,C项错误;温度升高平衡向逆反应方向移动,体积分数φ(SO3):丙>丁,D项正确。
进阶2 练热点·提素能
3.(2023·广东惠州第一次调研)在容积为1 L的恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2,一定条件下反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),测得CO2和H2的浓度随时间变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A
A.平衡时CO2的转化率为75%
B.平衡后充入惰性气体,平衡正向移动
C.该条件下,第9 min时v逆(CH3OH)大于第3 min时v正(CH3OH)
D.混合气体的密度不随时间的变化而变化,则说明上述反应达到平衡状态
解析 利用CO2初始浓度和平衡浓度可得平衡时CO2的转化率为×100%=75%,A正确;恒容容器充入惰性气体,与反应有关的各物质浓度不变,平衡不移动,B错误;平衡之前始终有v逆(CH3OH)4.(2024·广西北海模拟)乙醇水蒸气重整释氢过程中主要反应的热化学方程式为:
反应Ⅰ:C2H5OH(g)+3H2O(g)═2CO2(g)+6H2(g)　ΔH=+173.5 kJ·mol-1
反应Ⅱ:C2H5OH(g)═CH4(g)+CO(g)+H2(g)　ΔH=+49.7 kJ·mol-1
反应Ⅲ:CO2(g)+H2(g)═CO(g)+H2O(g)　 ΔH=+41.4 kJ·mol-1
以H2O和C2H5OH为原料气,通过装有催化剂的反应器,反应相同时间,乙醇转化率、CH4、CO、CO2选择性随温度变化的曲线如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.向乙醇水蒸气重整反应体系中通入适量O2,可以为重整反应提供热量
B.其他条件不变,升高温度乙醇的平衡转化率增大
C.300~450 ℃时,随温度升高,H2的产率增大
D.增加原料气中水的比例,可以增大CO的选择性
D
解析 向乙醇水蒸气重整反应体系中通入适量O2,乙醇可以和氧气反应放出热量,从而为重整反应提供热量,A正确;根据题给信息可知,乙醇水蒸气重整释氢过程中涉及的反应为吸热反应,故升温后平衡正向移动,平衡转化率增大,B正确;由图可知,300~450 ℃时,随温度升高一氧化碳和甲烷的选择性降低,此时主要发生反应Ⅰ,H2的产率增大,C正确;增加原料气中水的比例,则反应Ⅰ进行得较多,不利于生成一氧化碳,D错误。
进阶3 研真题·明考向
5.(2023·广东卷)催化剂Ⅰ和Ⅱ均能催化反应R(g) P(g)。反应历程(下图)中,M为中间产物。其他条件相同时,下列说法不正确的是(　　)
A.使用Ⅰ和Ⅱ,反应历程都分4步进行
B.反应达平衡时,升高温度,R的浓度增大
C.使用Ⅱ时,反应体系更快达到平衡
D.使用Ⅰ时,反应过程中M所能达到的最高浓度更大
C
解析 由图可知,使用催化剂Ⅰ和Ⅱ,均存在四个能垒,故反应历程都分为4步进行,A正确;由图可知,该反应是放热反应,平衡后升高温度,平衡逆向移动, R的浓度增大,B正确;使用Ⅱ时,R→M转化的活化能更大,反应速率比使用Ⅰ更慢,故反应体系达到平衡所需时间更长,C错误;使用Ⅰ时,中间产物M转化为P的活化能更大,反应比使用Ⅱ慢,故反应过程中M所能达到的最高浓度更大,D正确。
6.(2022·广东卷,13)恒容密闭容器中,BaSO4(s)+4H2(g) BaS(s)+4H2O(g)在不同温度下达平衡时,各组分的物质的量(n)如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.该反应的ΔH<0
B.a为n(H2O)随温度的变化曲线
C.向平衡体系中充入惰性气体,平衡不移动
D.向平衡体系中加入BaSO4,H2的平衡转化率增大
C
解析 由题图可知,随温度升高,氢气的物质的量减少,说明温度升高,平衡向正反应方向移动,该反应的ΔH>0,A项错误;因为正反应ΔH>0,随温度的升高n(H2O)应呈现增大趋势,由题图a走势可知,B项错误;向恒容密闭容器中充入惰性气体,由于容器容积不变,各组分的浓度不发生变化,平衡常数不变,平衡不发生移动,C项正确;BaSO4为固体,向平衡体系中加入固体,平衡不发生移动,氢气的平衡转化率不变,D项错误。

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