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第二节　化学平衡
第1课时　化学平衡状态　化学平衡常数
素养·目标定位
目 标 素 养
1.能描述化学平衡的建立过程及化学平衡状态的特征
2.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反应进行的方向
3.能掌握平衡图像及应用
4.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,能讨论化学反应条件的选择和优化
知 识 概 览
课前·基础认知
一、化学平衡状态
1.建立过程。
很多化学反应是可逆的。一定条件下,对于可逆反应,可以从正反应方向开始建立化学平衡状态,可以从逆反应方向开始建立化学平衡状态,也可以从正、逆反应双向建立化学平衡状态。
2.定义。
在一定条件下的可逆反应体系中,当正、逆反应的速率相等时,反应物和生成物的浓度均保持不变,即体系的组成不随时间而改变,反应中物质的转化达到了“限度”的状态。
3.五大特征。
微判断1(1)一定条件下,可逆反应正向进行才能达到平衡状态。
(　　)
(2)可逆反应达到平衡状态时,反应体系中各组分的浓度相等。
(　　)
(3)合成氨反应在一定条件下进行,当v正(N2)=v逆(H2)时反应达到平衡状态。(　　)
(4)在一定温度下进行反应2NO2(g,红棕色) N2O4(g,无色),当颜色不变时说明反应达到平衡状态。(　　)
(5)在已达到平衡的可逆反应:2SO2+O2 2SO3中,充入18O2一段时间后,18O只存在于SO2和SO3中。(　　)
×
×
×
√
×
二、化学平衡常数
1.化学平衡常数的概念。
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(简称平衡常数),用符号K表示。
3.化学平衡常数的意义。
平衡常数的大小反映了化学反应进行的 程度 (也叫 反应的限度 )。
K越大,表示反应进行得越 完全 ,平衡时反应物的转化率越大 ,当K> 105 时,该反应基本就进行完全了。K值越小,表示反应进行得越 不完全 ,平衡时反应物的转化率越 小 。
4.化学平衡常数的影响因素。
(1)内因:不同的化学反应及化学方程式的书写形式是决定化学平衡常数的 主要因素 。
(2)外因:在化学方程式一定的情况下,K只受 温度 影响。
微思考有可逆反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　K1,2NH3(g)
N2(g)+3H2(g)　K2,则K1与K2之间存在什么关系
提示:K1·K2=1。
微判断2(1)对于一个可逆反应,平衡正向移动时,平衡常数增大。(　　)
(2)平衡常数的大小只与温度有关,而与浓度、压强、催化剂等无关。(　　)
(4)增大生成物浓度,平衡常数增大;增大反应物浓度,平衡常数减小。(　　)
×
√
×
×
(5)通常情况下,K越大,说明反应正向进行的程度越大,反应进行得越完全。(　　)
(6)A(g)+B(g) C(g)和C(g) A(g)+B(g)表示的是同一个化学反应,所以其平衡常数相同。(　　)
×
√
课堂·重难突破
一、化学平衡状态判断的依据
问题探究
对于任一可逆反应,在一定条件下,只加入反应物或只加入生成物或同时加入反应物和生成物,都可发生反应。进行到某一时刻时,各组分的浓度将不再变化,达到化学平衡状态。
1.各组分的浓度不再变化,是否反应停止了
提示:此时正、逆反应仍在进行,只是其速率相等,所以浓度不再变化。
2.若反应体系的总压强不变,该可逆反应一定达到平衡了吗 为什么
提示:不一定。若反应在恒温恒容条件下进行,如果反应前后气体体积可变,则压强不变可作为该反应达到化学平衡的判断依据;如果反应前后气体体积不变,则压强不变不可以作为该反应达到化学平衡的判断依据。
归纳总结
1.直接依据(正、逆相等)。
v正=v逆。
量数之比
2.间接依据(变量不变)。
以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例进行说明。
比较项目 可能的情况举例 是否已达平衡
混合体系
中各成分
的含量 各物质的物质的量(或物质的量分数)一定 是
各物质的质量(或质量分数)一定 是
各气体的体积(或体积分数)一定 是
总体积、总压强或总物质的量一定 不一定
比较项目 可能的情况举例 是否已达平衡
正、逆反
应速率的
关系 在单位时间内消耗了m mol A,同时生成了m mol A 是
在单位时间内消耗了n mol B,同时消耗了p mol C 是
v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q 不一定
在单位时间内生成了n mol B,同时消耗了q mol D 不一定
比较项目 可能的情况举例 是否已达平衡
压强 m+n≠p+q时,总压强不变(其他条件一定) 是
m+n=p+q时,总压强不变(其他条件一定) 不一定
混合气体
的平均相
对分子
质量 是
不一定
比较项目 可能的情况举例 是否已达平衡
气体的
密度 密度不变 不一定
颜色 反应体系内存在有色物质时,体系颜色保持不变 是
温度 绝热体系中温度不变 是
【例1】 在一定温度下的恒容容器中加入1 mol C(s)、1 mol H2O(g)发生反应:C(s)+H2O(g) H2(g)+CO(g),下列叙述能表明该反应已达到平衡状态的有(　　)。
①混合气体的压强不再随时间变化
②混合气体的密度不再随时间变化
③混合气体的总物质的量不再随时间变化
④混合气体的平均相对分子质量不再随时间变化
⑤H2和CO的物质的量之比不再变化
⑥H2O(g)的体积分数不再随时间变化
⑦各反应物的物质的量之比等于化学计量数之比
A.3项 B.4项 C.5项 D.6项
C
=15 g·mol-1,反应过程中气体平均摩尔质量是变量,混合气体的平均相对分子质量不再随时间变化时,反应达到平衡状态,④正确。H2与CO生成比例为1∶1,比值始终不变,H2和CO的物质的量之比不再变化时,反应不一定平衡,⑤错误。H2O是反应物,体积分数随反应减小,H2O(g)的体积分数不再随时间变化时,反应达到平衡状态,⑥正确。各反应物的物质的量之比等于化学计量数之比,无法判断浓度是否还发生改变,所以反应不一定平衡,⑦错误。综上所述,①、②、③、④、⑥共5项正确,故选C。
【例2】 有下列两个可逆反应。
反应1:在容积固定的密闭容器中进行可逆反应2NO2(g) 2NO(g)+O2(g),其中NO2是红棕色气体。
反应2:在容积固定的密闭容器中进行可逆反应H2(g)+I2(g) 2HI(g),其中I2(g)是紫色气体。
以上两个反应过程中,有下列情况:
①同一物质的正反应速率等于逆反应速率。②混合气体的颜色不再改变。③混合气体的密度不再改变。④混合气体的压强不再改变。⑤混合气体的平均相对分子质量不再改变。⑥对于反应1,单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2。⑦对于反应2,用H2、I2和HI表示的反应速率之比为1∶1∶2。
(1)上述情况中能作为反应1达到平衡状态的标志的是　　 　　　。
(2)上述情况中能作为反应2达到平衡状态的标志的是　　　　　。
①②④⑤⑥
①②
解析:(1)对于反应2NO2(g) 2NO(g)+O2(g),当同一物质的正、逆反应速率相等,即v正=v逆时,反应处于平衡状态,①正确;混合气体的颜色不再改变时,说明c(NO2)一定,故反应处于平衡状态,②正确;气体的密度ρ= ,其中气体的质量和容器的容积是定值,故气体的密度不变不能作为达到平衡状态的标志,③错误;由于该反应为反应前后气体体积变化的反应,故密闭容器中的压强不变,表明反应处于平衡状态,④正确;混合气体的相对分子质量可借助 来计算,该反应中气体的质量始终保持不变,而气体的物质的量为变量,故平均相对分子质量
为变量,当变量保持不变时,表明反应处于平衡状态,⑤正确;单位时间内生成O2和生成NO2的反应方向相反,且两者的物质的量变化之比为1∶2,故反应处于平衡状态,⑥正确。(2)对于反应H2(g)+I2(g) 2HI(g),当同一物质的正、逆反应速率相等时,反应处于平衡状态,①正确;混合气体的颜色不再改变时,说明c(I2)一定,反应处于平衡状态,②正确;由于气体的质量和容器的容积是定值,故气体的密度不变不能作为反应达到平衡状态的标志,③错误;由于该反应为反应前后气体体积不变的反应,容器中气体的物质的量保持不变,则容器中的压强
不变,反应不一定处于平衡状态,④错误;由于该反应气体的质量、气体的物质的量是定值,故气体的平均相对分子质量不变时,不能判断反应是否处于平衡状态,⑤错误;反应的任何时刻,用H2、I2和HI表示的反应速率之比均为1∶1∶2,⑦错误。
【拓展延伸】 (1)对于反应1,当v正(NO2)=v逆(O2)时,反应是否达到平衡状态
(2)对于反应2,当I2(g)为I2(s),平均相对分子质量不改变时,反应是否达到平衡状态
答案:(1)否　(2)是
平衡状态的判定标志。 判断化学反应是否达到化学平衡状态,关键是看题中给定条件下提供的物理量是“变量”还是“恒量”。当“变量”达到不变时,表明反应达到平衡状态,而“恒量”不变不能说明反应是否达到平衡状态。
二、化学平衡常数
问题探究
汽车尾气中的主要污染物有CxHy、NOx、CO、SO2及固体颗粒物等。研究汽车尾气的成分及其发生的反应,可以为更好地治理汽车尾气提供技术支持。
1.利用反应6NO2(g)+8NH3(g) 7N2(g)+12H2O(g)可处理NO2。已知该反应平衡常数(K)与温度(T)的关系
如图所示。写出该反应的平衡常数表达式,并判
断此反应ΔH的符号。
提示:根据反应的化学方程式可写出该反应的化学平衡常数K= ;由图示知升高温度平衡常数减小,因此该反应为放热反应,ΔH<0。
2.汽车排气装置中的三元催化装置,可以利用反应2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g)实现气体的无害化排放。T ℃时,在恒容的密闭容器中通入一定量的CO和NO,能自发进行上述反应,测得不同时间的CO和NO的浓度如下表所示:
计算该温度下反应的平衡常数K。
提示:据表中数据,平衡时,c(NO)=0.1×10-3 mol·L-1, c(CO)=2.70×10-3 mol·L-1,根据反应方程式:2CO(g)+2NO(g)
归纳总结
1.使用化学平衡常数应注意的问题。
(1)通常情况下,化学平衡常数只与温度有关,使用化学平衡常数数值时,必须注明对应的温度。
(2)化学平衡常数表达式中各物质的浓度必须是平衡状态下的浓度。
(3)化学平衡常数不表示反应的快慢,即化学反应速率大,K值不一定大。
(4)K的单位一般不作要求。
(5)书写平衡常数表达式时,固体、纯液体(如水、乙醇等)的浓度视为常数,不写入表达式。
(6)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
①若反应方向改变,则平衡常数改变,改变前后两个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成比例扩大或缩小,尽管是同一反应,平衡常数也会改变。
典型例题
【例3】 T ℃,将1 mol A和2 mol B放入容积为5 L的密闭容器中发生如下反应:A(s)+2B(g) C(g)+2D(g),反应5 min后达到平衡时容器内B的浓度减少了0.2 mol·L-1,下列叙述错误的是(　　)。
A.平衡时A、B的转化率均为50%
B.平衡时混合气体中C的体积分数为16.7%
C.在5 min内v(C)=0.02 mol·L-1·min-1
D.初始压强和平衡时压强比为4∶5
B
解析:平衡时B物质的浓度减少了0.2 mol·L-1,平衡时消耗B的物质的量为5 L×0.2 mol·L-1=1 mol,由此列三段式:
A(s)+2B(g) C(g)+2D(g)　　
起始量/mol 1 2 0 0
转化量/mol 0.5 1 0.5 1
平衡量/mol 0.5 1 0.5 1
【例4】在容积不变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)与温度的关系如下表所示:
温度/℃ 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)该反应的化学平衡常数表达式为K=　　　　　　　　。

(2)能判断该反应达到化学平衡状态的依据是　　　。
A.容器中压强不变
B.混合气体中c(CO)不变
C.v正(H2)=v逆(H2O)
D.c(CO2)=c(CO)
(3)某温度下,平衡浓度符合下式:c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O),试判断此时的温度为　　　　　℃。
BC
830
解析:(3)当c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O)时,K=1.0,此时由表中数据可知温度为830 ℃。
成果验收站　
1.如图是可逆反应X+3Y 2Z在反应过程中的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线,下列叙述正确的是(　　)。
A.t2~t3时,各物质的浓度不再发生变化
B.t2时,反应未达到限度
C.t2~t3时,反应已停止进行
D.t1时,反应只向正反应方向进行
A
解析:t2~t3时,正、逆反应速率相等,达到平衡状态,各物质的浓度不再发生变化,但反应没有停止,A正确、C错误。t2时,正、逆反应速率相等,即反应达到限度,B错误。t1时,正、逆反应速率均不为0,反应向正反应方向进行的同时也向逆反应方向进行,D错误。
2.一定条件下,向2 L恒容密闭容器中充入1 mol COCl2(g),发生反应COCl2(g) Cl2(g)+CO(g),反应过程中测得的有关数据如下表所示,下列说法不正确的是(　　)。
t/s 0 2 4 6 8
n(Cl2)/mol 0 0.30 0.39 0.40 0.40
A.6 s之后反应达到平衡状态,容器内的压强不再随时间而改变
B.达到6 s时,反应停止,不再进行
C.8 s时,反应容器中各物质的浓度不再发生变化
D.生成Cl2的平均反应速率:v(0~2 s)>v(2~4 s)
B
解析:6 s之后氯气的物质的量不再改变,化学反应达到平衡状态,容器内气体的总物质的量保持不变,因而压强不再变化,A项正确。6 s时达到平衡状态,反应不会停止,仍在进行,B项错误。8 s时反应处于平衡状态,反应容器中各物质的浓度不再发生变化,C项正确。0~2 s生成氯气0.30 mol,2~4 s生成氯气0.09 mol,可知0~2 s内生成Cl2的平均反应速率大,D项正确。
3.NO2(g)和N2O4(g)之间存在如下转化:2NO2(g) N2O4(g)。一定温度下,容积为2 L的恒容密闭容器中,NO2(g)和N2O4(g)之间发生反应,各组分物质的量与时间关系如图所示,下列说法正确的是(　　)。
A.t1时刻反应达到平衡状态
B.在0~3 min内,用NO2(g)表示的反应速率
为0.1 mol·L-1·min-1
C.平衡时2v(NO2)=v(N2O4)
D.常温下NO2和N2O4均为红棕色气体
B
4.在一个绝热的、容积固定的密闭容器中,发生可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)(m、n、p、q为任意正整数)。下列能说明该可逆反应达到平衡状态的是(　　)。
①混合气体的密度不再发生变化　②体系的温度不再发生变化　③A的转化率不再改变　④各组分的百分含量不再改变　⑤反应速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q　
⑥qv正(A)=mv逆(D)
A.②③④⑥ B.①③⑥
C.①③④⑥ D.①②④⑤
A
解析:根据化学平衡状态的特征解答,当反应达到平衡状态时,正、逆反应速率相等,各物质的浓度、百分含量不变,以及由此衍生的一些量也不发生变化。①混合气体的密度一直不变,故①不符合题意;②体系的温度不再改变,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故②符合题意;③A的转化率不再改变,说明A的消耗速率与生成速率相等,反应达到平衡状态,故③符合题意;④各组分的百分含量不再改变,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故④符合题意;⑤只要反应发生,反应速率就满足v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q,故
⑤不符合题意;⑥平衡时正反应速率和逆反应速率之比等于化学计量数之比,故qv正(A)=mv逆(D)可以证明反应达到平衡,故⑥符合题意。

7
(2)已知下列反应的平衡常数:
H2(g)+S(s) H2S(g)　K4
S(s)+O2(g) SO2(g)　K5
则反应H2(g)+SO2(g) O2(g)+H2S(g)的平衡常数
K6=　　　　　(用K4、K5表示)。

解析:(1)第2个反应与第1个反应互为逆反应,其平衡常数互为倒数关系,第3个反应中各物质的化学计量数与第1个相
6.能量、速率与限度是认识和研究化学反应的重要视角。
一定条件下,向10 L恒温恒容密闭容器中充入1 mol PCl5,发生反应PCl5(g) PCl3(g)+Cl2(g)。反应过程中测定的部分数据如表所示。
t/s 0 50 150 250 350 450
n(PCl3)/mol 0 0.12 0.18 0.2 0.2 x
请回答下列问题。
(1)x的值是　　　　　　　。
(2)50 s时,PCl5的转化率为　 %。
(3)达到平衡状态时,容器中Cl2的体积分数是　　　　　% (计算结果保留三位有效数字)。
0.2
12　
16.7　
(4)当该反应达到化学平衡状态时,仅改变一个措施可以使反应速率增大,该措施为　　　　　　　(填字母)。
A.加入合适的催化剂
B.降低温度
C.保持容器容积不变,充入He(不参与反应)
D.向容器中再充入一定量的PCl5(g)
AD

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