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第3讲　化学平衡状态和平衡常数
1．能描述化学平衡状态，判断化学反应是否达到平衡。
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。能书写平衡常数表达式，能进行平衡常数、转化率的简单计算，能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。
考点1　可逆反应与化学平衡状态
1．可逆反应
　对于可逆反应2SO2＋O2 2SO3　ΔH<0，在混合气体中充入一定量的18O2，经足够长的时间后：
(1)18O存在于哪些分子中？
(2)二氧化硫分子的相对分子质量可能为多少？
[备考提醒]
(1)记住常见的典型可逆反应：Cl2＋H2O H＋＋Cl―＋HClO，N2＋3H2 2NH3、2SO2＋O2 2SO3、SO2＋H2O H2SO3、H2＋I2 2HI、2NO2 N2O4等。
(2)铅酸蓄电池的充电和放电过程不是可逆反应。
(3)可逆反应热化学方程式中的焓变表示的该反应完全反应时的焓变，因此按照反应加入物质进行反应，充分反应后吸收或放出的热量数值总是小于焓变数值。
2．化学平衡状态
(1)概念。
在一定条件下的可逆反应体系中，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，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)建立。正向开始、逆向开始、双向同时开始，均可建立平衡。
在一定条件下，把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中，如反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，开始在密闭容器中加入N2和H2。反应过程如下：
以上过程可用v-t图表示为
(3)特点
3．化学平衡状态的判断
化学反应 mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g) 是否平衡
混合物体系中各成分的含量 各物质的物质的量或物质的量分数一定 ________
各物质的质量或质量分数一定 ________
各气体的体积或体积分数一定 ________
总体积、总压强、总物质的量一定 ________
正、逆反应速率之间的关系 单位时间内消耗了m mol A，同时也生成了m mol A ________
单位时间内消耗了n mol B，同时也消耗了p mol C ________
v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q ________
单位时间内生成了n mol B，同时也消耗了q mol D ________
压强 其他条件一定、总压强一定，且m＋n≠p＋q ________
其他条件一定、总压强一定，且m＋n＝p＋q ________
混合气体的平均相对分子质量 平均相对分子质量一定，且m＋n≠p＋q ________
平均相对分子质量一定，且m＋n＝p＋q ________
温度 任何化学反应都伴随着能量变化，在绝热容器中，当体系温度一定时 ________
气体的密度 密度一定 ________
颜色 反应体系内有色物质的颜色稳定不变 ________
[备考提醒]
不能作为化学平衡状态“标志”的几种情况
(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)恒温恒容下气体体积不变的反应，体系的压强或气体总物质的量不再随时间的变化而变化，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的变化而变化，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。
(5)反应物或生成物一方为无气体的反应，气体物质的量分数(或体积分数)保持不变，如NH2COONH4(s) 2NH3(g)＋CO2(g)。
可逆反应
1．(人教选择性必修1习题改编)一定条件下，对于可逆反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，若N2、H2、NH3的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零)，达到平衡时，N2、H2、NH3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＝3∶1
B．平衡时，H2和NH3的生成速率之比为2∶3
C．N2、H2的转化率不相等
D．c1的取值范围为0[思维模型]
“一边倒”法判断可逆反应中物质的浓度取值
(1)完全转化到“ ”的右侧，求出生成物的最大值，反应物的最小值，此时反应物可能为0，也可能不为0。
(2)完全转化到“ ”的左侧，求出反应物的最大值，生成物的最小值。
(3)根据(1)(2)得出各物质的浓度的取值范围进行讨论。
化学平衡状态
2．(鲁科选择性必修1习题改编)在一定温度下，对于恒压容器中进行的反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)，下列说法中，能充分说明该反应已经达到平衡状态的是(　　)
A．消耗SO2的速率与生成SO3的速率相等
B．混合气体的密度不再发生变化
C．生成O2的速率与生成SO3的速率相等
D．混合气体的总质量不发生变化
3．(人教选择性必修1习题改编)在一定温度下的体积不变的密闭容器中，发生可逆反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。下列情况不能说明该反应一定达到化学平衡的是(　　)
A．N2与H2的物质的量之比保持不变
B．H2的质量分数保持不变
C．断开6 mol N—H的同时有1 mol N≡N断开
D．容器内压强不再发生变化
[思维模型]判断化学平衡状态的两方法
(1)逆向相等：反应速率必须一个是正反应的速率，一个是逆反应的速率，且经过换算后同一种物质的减少速率和生成速率相等。
(2)变量不变：如果一个量是随反应进行而改变的，当不变时为平衡状态；一个量随反应的进行是保持不变的，则不能作为达到平衡状态的判断依据。
考点2　化学平衡常数
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＝。
备注：固体、液体纯物质或稀溶液中水的浓度均不列入化学平衡常数表达式中，但是水蒸气的浓度要列入其中。在非水溶液中进行的反应，若有水参加或生成，则水的浓度不可视为常数，应列入化学平衡常数表达式中。
　请写出下列反应的平衡常数表达式，并找出K1和K2、K3之间的关系。
(1)N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　K1＝________________。
(2)N2(g)＋H2(g) NH3(g)　K2＝________________。
(3)2NH3(g) N2(g)＋3H2(g)　K3＝________________。
(4)K1和K2、K3的关系为________________________________________________。
[备考提醒]平衡常数与化学方程式的关系
(1)化学平衡常数表达式中各物质的浓度为平衡时的浓度，其书写形式与化学方程式的书写有关。
(2)在相同温度下，对于给定的可逆反应，正、逆反应的平衡常数互为倒数，即K正＝。
(3)化学方程式乘以某个数x，则平衡常数变为原来的x次方。
(4)两化学方程式相加得总化学方程式，则总化学方程式的平衡常数等于两分化学方程式平衡常数的乘积，即K总＝K1·K2。
3．意义及影响因素
(1)意义：K越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。
(2)
4．应用
(1)判断可逆反应进行的程度
K <10-5 10-5～105 >105
反应程度 很难进行 反应可逆 反应接近完全
(2)判断反应是否达到平衡或向何方向进行
(3)判断可逆反应的热效应
5．化学平衡常数及转化率的计算
(1)计算方法：三段式法
mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)
　a b 0 0
　mx nx px qx
a－mx b－nx px qx
相关计算：
①平衡常数K＝，
②A的平衡转化率α(A)＝×100%。
(2)平衡常数与转化率的关系规律
①温度一定时，对于一确定可逆反应，K为定值；但不同反应物的平衡转化率可能不同。
②K和平衡转化率都能定量表示化学反应的限度。K只与温度有关，而平衡转化率的影响因素有温度、浓度、压强等，反应物浓度、压强改变，平衡转化率可能改变但K不变。
③温度一定，不同反应K越大，平衡转化率不一定越大。
化学平衡常数和平衡转化率的计算
1．(鲁科选择性必修1习题改编)850 K时，在一密闭反应器中充入一定量的SO2和O2，当反应达到平衡后测得SO2、O2、SO3的浓度分别为0.002 0 mol·L-1、0.002 5 mol·L-1、0.002 0 mol·L-1。则该温度下反应2SO2＋O2 2SO3的平衡常数为(　　)
A．25 B．0.002 5
C．40 D．400
2．(人教选择性必修1习题改编)在某温度下，将0.1 mol H2和0.1 mol I2的气态混合物充入10 L的密闭容器中，发生反应H2(g)＋I2(g) 2HI(g)，连续测定c(I2)的变化，5 s时测得c(I2)＝0.008 0 mol·L-1并保持不变。下列有关说法不正确的是(　　)
A．此温度下，该反应的平衡常数为0.25
B．若起始时充入0.2 mol HI气体，达到平衡时HI的转化率为80%
C．该温度下，H2(g)＋I2(g) HI(g)的平衡常数为4
D．平衡后，再充入0.2 mol HI气体，平衡常数不变
化学平衡常数的应用
3．(人教选择性必修1习题改编)在一定体积的密闭容器中，进行如下化学反应：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)，其化学平衡常数K和温度t的关系如表所示：
t/℃ 700 800 830 1 000 1 200
K 0.6 0.9 1.0 1.7 2.6
回答下列问题：
(1)该反应为________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)某温度下，平衡浓度符合下式：3c(CO2)·c(H2)＝5c(CO)·c(H2O)，试判断此时的温度为________℃。
(3)800 ℃时，向固定容积的密闭容器中放入混合物，起始浓度分别为c(CO)＝0.01 mol·L-1，c(H2O)＝0.03 mol·L-1，c(CO2)＝0.01 mol·L-1，c(H2)＝0.05 mol·L-1，则反应开始时，H2O的消耗速率比生成速率________(填“大”“小”或“不确定”)。
(4)830 ℃时，各物质浓度符合下式：c(CO2)·c(H2)＝2c(CO)·c(H2O)，此时该反应__________(填“向正反应方向进行”“向逆反应方向进行”或“处于平衡状态”)。
(5)1 200 ℃时，在某时刻体系中CO2、H2、CO、H2O的浓度分别为2 mol·L-1、2 mol·L-1、4 mol·L-1、4 mol·L-1，则此时该反应的反应速率v(正)________(填“>”“＝”或“<”)v(逆)。
[误区警示]改变物质浓度对化学平衡影响判断的易错点
(1)在平衡体系中，只改变一种物质的浓度分析平衡的移动，可直接运用平衡移动原理分析。
(2)在平衡体系中，同时改变两种物质的浓度，一般需运用浓度商Q与平衡常数K的关系进行判断。
(3)在恒压条件下的气态平衡体系中，只改变一种气体的物质的量，不能看作只改变了一种物质的浓度，因为一种气体的物质的量改变会导致气体总体积改变，各气体浓度均改变，需运用浓度商Q与平衡常数K的关系进行判断。
1．判断正误：正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)2H2O2H2↑＋O2↑为可逆反应。 (　　)
(2)Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O为可逆反应。 (　　)
(3)化学反应达到平衡状态时，各组分的浓度、百分含量保持不变，但不一定相等。 (　　)
(4)向含有3 mol H2的容器中通入足量N2，充分反应后会生成2 mol NH3。 (　　)
(5)一定条件下反应N2＋3H2 2NH3达到平衡时，3v正(H2)＝2v逆(NH3)。 (　　)
(6)对于反应NO2(g)＋SO2(g) SO3(g)＋NO(g)，当消耗1 mol SO3的同时生成1 mol NO2时，说明反应达到平衡状态。 (　　)
(7)C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式为K＝。 (　　)
(8)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。 (　　)
(9)对于某一可逆反应，升高温度则化学平衡常数一定变大。 (　　)
(10)平衡常数发生变化，化学平衡必发生移动。 (　　)
(11)反应A(g)＋3B(g) 2C(g)达平衡后，温度不变，增大压强，平衡正向移动，平衡常数增大。 (　　)
2．(2025·安徽卷，节选)Ⅰ．通过甲酸分解可获得超高纯度的CO。甲酸有两种可能的分解反应：
①HCOOH(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH1＝＋26.3 kJ·mol-1
②HCOOH(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH2＝－14.9 kJ·mol-1
(1)一定温度下，向恒容密闭容器中通入一定量的HCOOH(g)，发生上述两个分解反应，下列说法中能表明反应达到平衡状态的是________(填标号)。
a．气体密度不变
b．气体总压强不变
c．H2O(g)的浓度不变
d．CO和CO2的物质的量相等
Ⅱ．甲烷和二氧化碳重整是制取合成气(CO和H2)的重要方法，主要反应有：
③CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)
④CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)
⑤CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g)
(2)恒温恒压密闭容器中，投入不同物质的量之比的CH4/CO2/Ar混合气，投料组成与CH4和CO2的平衡转化率之间的关系如下图。
若平衡时Ar的分压为p kPa，根据a、b两点计算反应⑤的平衡常数Kp＝________(kPa)2(用含p的代数式表示，Kp是用分压代替浓度计算的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。
3．(2022·重庆卷)两种酸式碳酸盐的分解反应如下。某温度平衡时总压强分别为p1和p2。
反应1：NH4HCO3(s) NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)　p1＝3.6×104 Pa
反应2：2NaHCO3(s) Na2CO3(s)＋H2O(g)＋CO2(g)　p2＝4×103 Pa
该温度下，刚性密闭容器中放入NH4HCO3和Na2CO3固体，平衡后以上3种固体均大量存在。下列说法错误的是(　　)
A．反应2的平衡常数为4×106 Pa2
B．通入NH3，再次平衡后，总压强增大
C．平衡后总压强为4.36×105 Pa
D．缩小体积，再次平衡后总压强不变
在1.0 L恒容密闭容器中投入1 mol CO2和2.75 mol H2发生反应CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)，实验测得不同温度及压强下，平衡时甲醇的物质的量变化如图所示。
(1)该反应的正反应为________反应，p1、p2、p3从大到小的关系排序为________________。
(2)M点对应的平衡常数K＝________(保留两位小数)，在p2及512 K时，图中N点v正________(填“>”“<”或“＝”)v逆。
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