第三节 化学平衡
一、化学平衡状态
1.化学平衡状态的特征
化学平衡状态的特征可以概括为:逆、等、动、定、变。
(1)“逆”——研究对象是可逆反应。
(2)“等”——即v正=v逆,这是可逆反应达到平衡状态的重要标志。
(3)“动”——即v正=v逆≠0,所以化学平衡状态是动态平衡状态。
(4)“定”——在平衡体系的混合物中,各组成成分的含量(即反应物与生成物的物质的量、物质的量浓度、质量分数、体积分数等)保持一定而不变(即不随时间的改变而改变)。这是判断体系是否处于化学平衡状态的重要依据。
(5)“变”——任何化学平衡状态均是暂时的、相对的、有条件的(与浓度、压强、温度等有关),而与达到平衡的过程无关(化学平衡状态既可从正反应方向开始达到平衡,也可以从逆反应方向开始达到平衡)。当外界条件变化时,原来的化学平衡也会发生相应的变化。
2.化学平衡状态的判断方法
例举反应 | mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) | 是否平衡状态 |
混合物体 系中各成分的量 | ①各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定 | |
②各物质的质量或各物质的质量分数一定 | ||
③各气体的体积或体积分数一定 | ||
④总体积、总压强、总物质的量、总浓度一定 | ||
正反应速 率与逆反 应速率的关系 | ①在单位时间内消耗了m mol A,同时生成m mol A,即v正=v逆 | |
②在单位时间内消耗了n mol B,同时消耗了p mol C,则v正=v逆 | ||
③vA∶vB∶vC∶vD=m∶n∶p∶q,v正不一定等于v | ||
④在单位时间内生成n mol B,同时消耗q mol D,均指v逆,v正不一定等于v逆 | ||
压强 | ①若m+n≠p+q,总压强一定(其他条件不变) | |
②若m+n=p+q,总压强一定(其他条件不变) | ||
平均相对分子质量 | ①r一定,只有当m+n≠p+q时 | |
②r一定,但m+n=p+q时 | ||
温度 | 任何化学反应都伴随着能量变化,在其他条件不变的情况下,体系温度一定时 | |
体系的密度 | 密度一定 | |
课堂练习
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.2HIH2+I2是可逆反应
C.2H2+O2 2H2O与2H2O2H2↑+O2↑互为可逆反应
D.只有可逆反应才存在化学平衡
2.在一定条件下,使NO和O2在一密闭容器中进行反应,下列说法中不正确的是( )
A.反应开始时,正反应速率最大,逆反应速率为零
B.随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后为零
C.随着反应的进行,逆反应速率逐渐增大,最后不变
D.随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后不变
3.可逆反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),在一定条件下于10 L的密闭容器中发生,若开始时加入2 mol N2、2mol H2、0 mol NH3,反应达到平衡时NH3的浓度不可能达到的值是( )
A.0.1 mol/L B.0.02 mol/L C.0.05 mol/L D.0.15 mol/L
4.在一定温度下的定容密闭容器中,当物质的下列物理量不再发生变化时,表明反应A(s)+2B(g)C(g)+D(g)已达平衡状态的是( )
A.混合气体的密度 B.混合气体的总物质的量
C.混合气体的压强 D.混合气体的总体积
5.在一定条件下体积不变的密闭容器中,反应2A(g)+2B(g)3C(g)+D(g)达到平衡状态的标志是( )
A.单位时间内生成2n mol A,同时生成n mol D
B.容器内压强不随时间而变化
C.单位时间内生成n mol B,同时消耗1.5n mol C
D.容器内混合气体密度不随时间而变化
6.在一定温度下,反应A2(g)+B2(g) 2AB(g)达到平衡的标志是( )
A.单位时间内生成n mol A2,同时生成n mol AB
B.容器内总压强不随时间改变
C.单位时间内生成2n mol AB同时生成n mol B2
D.任何时间内A2、B2的物质的量之比为定值
7.(双选)下列情况能说明反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)已达平衡状态的是( )
A.单位时间内生成1mol NO2的同时消耗了lmol NO
B.在恒温恒容的容器中,混合气体的密度保持不变
C.混合气体的颜保持不变
D.在恒温恒压的容器中,NO的体积分数保持不变
A.单位时间内生成1mol NO2的同时消耗了lmol NO
B.在恒温恒容的容器中,混合气体的密度保持不变
C.混合气体的颜保持不变
D.在恒温恒压的容器中,NO的体积分数保持不变
8.恒温恒容密闭容器中,能够表明反应A(s)+3B(g)2C(g)+D(g)已达平衡的是( )
①混合气体的压强不变; ②混合气体的密度不变; ③B的物质的量浓度不变;④容器内B、C、D三种气体的浓度比为3:2:1;⑤混合气体的相对分子质量不变;⑥消耗3molB的同时生成2molC
A.①②③ B.②③④ C.②③⑤ D.①③⑥
①混合气体的压强不变; ②混合气体的密度不变; ③B的物质的量浓度不变;④容器内B、C、D三种气体的浓度比为3:2:1;⑤混合气体的相对分子质量不变;⑥消耗3molB的同时生成2molC
A.①②③ B.②③④ C.②③⑤ D.①③⑥
9.(双选)一定条件下的密闭容器中,可逆反应2A(g)B(g)+3C(g)在下列四种状态中处于平衡状态的是( )
10.(双选)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义,对于密闭容器中的反应:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),673 K、30 MPa下n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是( )
A.点a的正反应速率比点b的大
B.点c处反应达到平衡
C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样
D.其他条件不变,773 K下反应至t1时刻,n(H2)比上图中d点的值大
11.(双选)在一定温度下向a L密闭容器中加入1 mol X气体和2 mol Y气体,发生如下反应X(g)+2Y(g) 2Z(g),此反应达到平衡的标志是( )
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X、Y、Z的浓度之比为1∶2∶2 D.单位时间内消耗0.1 mol X同时生成0.2 mol Z
12.(双选)在一定温度下,可逆反应A(g)+3B(g) 2C(g)达到平衡的标志是( )
A.C生成的速率与C分解的速率相等 B.A、B、C的浓度不再变化
C.单位时间生成nmolA,同时生成3nmolB D.A、B、C的分子数之比为1:3:2
13.(双选)可逆反应H2(g)+I2(g) 2HI(g)达到平衡时的标志是( )
A.混合气体密度恒定不变 B.混合气体的颜不再改变
C.H2、I2、HI的浓度相等 D.I2在混合气体中体积分数不变
1.外界条件对化学平衡的影响(一定要与影响反应速率的因素分开)
条件变化 | 移动方向 |
增大c(反)或减小c(生) | 正反应方向 |
减小c(反)或增大c(化学平衡状态生) | 逆反应方向 |
增大压强 (通常指压缩体积) | 气体体积减小的方向 (这样才能相对减小压强) |
减小压强 (通常指扩张体积) | 气体体积增大的方向 (这样才能相对增大压强) |
升高温度 | 吸热反应方向 |
降低温度 | 放热反应方向 |
充入稀有气体 | 不移动,但气体的体积分数减小(稀有气体计入了总体积) |
气体体积增大的方向 | |
加催化剂 | 不移动,缩短达到平衡的时间 |
2.浓度、压强和温度对化学平衡影响的图像
由图可知,只要是浓度对平衡的影响,必有一个反应速率改变时与原速率衔接。
由图可知,当非浓度因素对平衡的影响,反应速率改变时一定不与原速率衔接。
【总结】① 只要增大浓度、增大压强、升高温度,新平衡都在原平衡的上方,v″正=v″逆 >v正=v逆;只要减小浓度、降低压强、降低温度,新平衡都在原平衡下方,v″正=v″逆 <v正=v逆。
② 只要是浓度改变,速率一定是在原平衡的基础上改变;两个速率同时增大或减小(中间断开)一定是压强或温度改变。
③ 加入催化剂能同等程度地增大正、逆反应速率,平衡不移动。
3.勒夏特列原理
如果改变影响平衡的条件之一(如浓度、温度以及气体反应的压强),平衡将向着减弱这种改变的方向移动,这就是勒夏特列原理。
勒夏特列原理只适用于判断“改变一个条件”时平衡移动的方向。若同时改变影响平衡移动的几个条件,不能简单地根据平衡移动原理来判断平衡移动的方向,只有在改变的条件对平衡移动的方向影响一致时,才能根据平衡移动原理进行判断。例如,N2(g)+3H2(g)2NH3(g);ΔH<0,同时加压、升温,平衡移动的方向无法确定。若加压同时又降温,则平衡向正反应方向移动。勒夏特列原理不仅适用于化学平衡,也适用于其他平衡体系,如溶解平衡、电离平衡、水解平衡等。
课堂练习
1.下列说法正确的是( )
A.其他条件不变,增大某一反应物的浓度,反应物的转化率一定都增大
B.对于有气体参加的反应,其他条件不变,增大压强,体积缩小,体系中各气体的浓度一定增大
C.对于有气体参加的反应,改变压强使平衡向右移动,生成的气体的浓度一定增大
D.增大反应物的浓度,平衡向右移动,生成物的体积分数一定增大
2.下列事实不能用勒夏特列原理解释的是( )
A.光照新制的氯水时,溶液的pH逐渐减小 B.加催化剂,使N2和H2在一定条件下转化为NH3
C.可用浓氨水和氢氧化钠固体快速制取氨气 D.增大压强,有利于SO2与O2反应生成SO3
3.在容积不变的密闭容器中进行如下反应:H2O(g)+C(s) H2(g)+CO(g) ΔH>0,达到平衡后,改变下列反应条件,相关叙述正确的是( )
A.加入H2O(g),平衡向正反应方向移动,体系压强减小
B.加入少量C,正反应速率增大
C.降低温度,平衡向正反应方向移动 D.加入CO,混合气体的密度增大
4.下列反应达到化学平衡后,加压或降温都能使化学平衡向逆反应方向移动的是( )
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