高中化学 第二章 第三节 化学平衡学案 新人教版选修41

化学平衡（第1课时）【学习目标】1. 了解可逆反应的概念、特点。2. 了解化学平衡的建立过程。3. 理解化学平衡的特征。【学习过程】化学反应速率讨论的是化学反应快慢的问题，但是在化学研究和化工生产中，只考虑化学反应进行的快慢是不够的，因为我们既希望反应物尽可能快地转化为生成物，同时又希望反应物尽可能多地转化为生成物。例如在合成氨工业中，除了需要考虑如何使N2和H2尽快地转变成NH3外，还需要考虑怎样才能使更多的N2和H2转变为NH3，后者所说的就是化学反应进行的程度问题化学平衡。一、可逆反应1. 定义：在同一条件下，既能向正反应方向进行又能向逆反应方向进行的反应。2. 特点：在正反应进行的同时逆反应也在进行；可逆反应不能进行到底。二、化学平衡状态1.定义：指在一定条件下的可逆反应里，正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。2.形成：3.特征：(1)动：动态平衡v(正)=v(逆)0(2)等：v(正)= v(逆)(3)定：反应混合物中各组分的浓度保持一定，各组分的含量保持不变。(4)变：条件改变，原平衡被破坏，在新的条件下建立新的平衡。4.标志：可逆反应达到化学平衡状态时有两个主要的特征，一是正反应速率和逆反应速率相等；二是反应混合物中各组分的百分含量保持不变。这两个特征就是判断可逆反应是否达到化学平衡状态的核心依据。v正v逆0对于同一物质而言，该物质的生成速率等于它的消耗速率；对于不同的物质而言，速率之比等于方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。即反应物消耗、生成物增加、反应物断键、生成物成键均代表v正；反应物增加、生成物减少、反应物成键、生成物断键均代表v逆“定”反应混合物中各组分的含量保持不变。具体体现在：各组分的质量分数不变；各气体组分的体积分数不变；各组分的物质的量分数不变；各组分的分子数之比不变；各组分的物质的量浓度不变(变化时不一定平衡)；若某组分有颜色，体系的颜色不再改变(变化时不一定平衡)其它密度、压强、平均相对分子质量等能否用作平衡到达的标志，关键看该物理量是否随着平衡的移动而改变，只有改变的物理量保持恒定时才能说明平衡已到达（1）利用气体的密度()判断：对于定容的反应体系：若气体质量和容器的体积是不变量，故密度为恒量。即不论反应是否平衡，密度均不变，“不变量”不变时不能判断反应是否处于平衡状态；对于反应体系中不全为气体的定容反应体系：V是不变量，m是变量，则气体的密度为变量，当“变量”保持不变时，表明反应处于平衡状态。（2）利用气体的平均相对分子质量(M)判断：对于定容的反应体系：若题目提供的是全部由气体参与和生成的可逆反应，且反应前后气体体积发生变化。如2SO2(g)O2(g)2SO3(g)，气体的质量m为恒量，混合气体的物质的量为变量，则混合气体的平均相对分子质量(M)为变量，当“变量”保持不变时，表明反应处于平衡状态；对于定容的反应体系：若题目提供的是全部由气体参与和生成的可逆反应且反应前后气体积积不变，如H2(g)I2(g)2HI(g)，气体的质量和混合气体的物质的量均为不变量，则混合气体的平均相对分子质量(M)为不变量，当“不变量”保持不变时，不能判断反应处于平衡状态。 对于不同类型的可逆反应，某一物理量不变是否可作为平衡已到达的标志，取决于该物理量在平衡到达前（反应过程中）是否发生变化。【当堂检测】1. 在一定量的密闭容器中进行反应：N2(g)3H2(g)2NH3(g)。已知反应过程中某一时刻N2、H2、NH3的浓度分别为0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.2 mol/L。当反应达到平衡时，可能存在的数据是 ()AN2为0.2 mol/L，H2为0.6 mol/L BN2为0.15 mol/L CN2、H2均为0.18 mol/L DNH3为0.4 mol/L2. 如图是可逆反应X23Y22Z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()At1时，只有正方向反应 B0t1，c(Z)在减小Ct2t3，反应不再进行 Dt2t3，各物质的浓度不再发生变化3. 在两个恒容的密闭容器中进行下列两个可逆反应，现有下列状态：混合气体平均相对分子质量不再改变恒温时，气体压强不再改变各气体组成浓度相等反应体系中温度保持不变断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍混合气体密度不变单位时间内，消耗水蒸气质量与生成氢气质量比为91。其中能表明甲、乙容器中反应都达到平衡状态的是()甲：C(s)H2O(g)CO(g)H2(g); 乙：CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)AB C D4.某研究性小组决定用实验探究的方法证明化学反应具有一定的限度，在一定条件下会达到“平衡状态”。取5 mL 0.1 mol/L KI溶液于试管中，滴加0.1 mol/L FeCl3溶液2 mL，发生如下反应：2Fe32I=2Fe2I2。为证明该反应具有可逆性且具有限度，他们设计了如下实验：取少量反应液，滴加AgNO3溶液，发现有少量黄色沉淀(AgI)，证明反应物没有反应完全；再取少量反应液，加入少量CCl4振荡，发现CCl4层显浅紫色，证明萃取到I2，即有I2生成。综合的结论，他们得出该反应具有一定的可逆性，在一定条件下会达到反应限度。(1)老师指出他们上述实验中不合理，你认为是_；改进的方法是_。(2)有人认为步骤适合检验生成I2较多的情况，还有一种简便方法可以灵敏地检验是否生成了I2，这种方法是_。5. 698 K时，向某V L的密闭容器中充入2 mol H2(g)和2 mol I2(g)，发生反应：H2(g)I2(g)2HI(g)H26.5 kJmol1，测得各物质的物质的量浓度与时间变化的关系如图所示。请回答下列问题：(1)V_。(2)该反应达到最大限度的时间是_，该时间内平均反应速率v(HI)_。(3)该反应达到平衡状态时，_(填“吸收”或“放出”)的热量为_。答案与解析题号答案解析1B反应为可逆反应，反应体系中任何一种物质的转化率都小于100%，所以A、D错误；从题给量的关系知无论反应进行到什么程度，c(N2)c(H2)13，因此两者不可能同时均为0.18 mol/L2D根据vt图像，对于该可逆反应t1时刻正、逆反应都在进行，0t1时段v正v逆，c(Z)在增大；t2时刻v正v逆，说明反应达到化学平衡状态；t2t3时段，反应仍在进行，但由于v正v逆，所以各物质的浓度不再发生变化3D甲容器中，碳为固态，该可逆反应属于反应前后气体体积不相等的反应；乙容器中，反应属于等气体体积反应，气体相对分子质量、密度、压强都始终不变，错误；各组分浓度相等，不能判断反应达到平衡状态，错误；对于任何一个可逆反应，随着反应进行，体系温度会发生变化，当温度不改变时，说明反应达到平衡状态，正确；生成氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍，经转化，水中氢氧键断裂速率等于生成氢氧键速率，达到平衡状态，正确；消耗水蒸气与生成氢气是同一方向，不能判断达到平衡状态，错误4(1)该反应中KI过量，故不能直接检验是否存在I取少量溶液滴加KSCN溶液，若出现红色，则证明还有Fe3未完全反应(2)取少量反应液，滴加淀粉溶液，若溶液变蓝，则说明生成了I2为证明化学反应2Fe32I=2Fe2I2具有可逆性，可以考虑检验反应后的溶液中还存在着这四种离子。从反应物的量考虑，I是相对过量的，故不能因为检测到I存在，即认为反应具有可逆性，为使检验方便、典型，只需检验最终溶液中还存在着Fe3和I2即可，分别可采用KSCN溶液、淀粉溶液(或CCl4萃取)等合理方法5(1)2(2)5 s0.316 molL1s1(3)放出41.87 kJ(1)由图知初始反应时，c(H2)c(I2)1 molL1，而加入的H2和I2的物质的量均为2 mol，所以V2。(2)反应达到最大限度即达到化学平衡，所需时间为5 s，v(HI)0.316 molL1s1。(3)可逆反应从正反应建立，所以需放出热量。由反应：H2(g)I2(g)2HI(g)H26.5 kJmol1，达到平衡时共生成n(HI)1.58 molL12 L3.16 mol，所以放出的热量为3.16 mol41.87 kJ（第2课时）【学习目标】1.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学平衡的影响。2.学会用图示的方法表示在可逆反应中正逆反应速率随外界条件的变化，并分析平衡移动的方向。【学习过程】1. 探究浓度变化对化学平衡的影响：实验1：Cr2O72-（橙色） +H2O2CrO42-（黄色）+2H实验实验现象实验结论取三支试管各加入5mL0.1mol/L K2Cr2O7溶液，向一支试管中滴加3-10滴浓H2SO4，观察并记录溶液颜色变化，向第二支试管中10-20滴6mol/LNaOH溶液，观察并记录。滴加3-10滴浓H2SO4的试管溶液呈橙色，滴加10-20滴6mol/LNaOH溶液的试管溶液呈黄色增大溶液中H+浓度，平衡逆向移动，橙色加深；增大溶液中OH浓度，平衡正向移动，黄色加深实验2：Fe3+3SCN- Fe(SCN)3滴加试剂饱和FeCl3溶液浓KSCN溶液NaOH溶液实验现象颜色加深颜色加深试管都有红褐色沉淀，且溶液颜色变浅（1）规律：其他条件不变时，增大反应物浓度或减小生成物浓度，都使化学平衡向正反应方向移动；减小反应物浓度或增大生成物浓度都使化学平衡向逆反应方向移动。（2）图像：改变反应物浓度，只能使正反应速率瞬间增大或减小；改变生成物浓度，只能使逆反应速率瞬间增大或减小。只要正反应速率在上面，逆反应速率在下面，即v正v逆化学平衡一定向正反应方向移动；反之向逆反应方向移动。只要是增大浓度，不论增大的是反应物浓度，还是生成物浓度，新平衡状态下的反应速率一定大于原平衡状态；减小浓度，新平衡条件下的速率一定小于原平衡状态。2.压强对化学平衡的影响：（1）规律：对有气体参加且反应前后气体体积有变化的可逆反应，增大压强，使化学平衡向气体体积缩小的方向移动；减小压强使化学平衡向气体体积增大的方向移动；对于反应前后气体体积无变化的反应，改变压强化学平衡不移动。压强对固体和液体几乎无影响。（2）图像：（3）若在恒容的条件下加入惰性气体，它并不能引起体系中其它物质的浓度改变，所以平衡不移动；若在恒压情况下加入惰性气体，必然引起平衡体系占据的体积增大，体系中其它物质的浓度发生变化，使平衡发生移动。如平衡N2+3H22NH3，在恒温恒压下加入氮气，化学平衡向正反应方向移动；如果在恒温恒容下加入氩气，化学平衡不移动。3.温度对化学平衡的影响：实验：将盛有NO2、N2O4混合气体的封闭平衡球一端侵入热水中，半分钟后，比较两球中气体颜色，取出放置片刻，再比较两球中气体颜色。（2NO2 N2O4 H=-56.9kJ/mol）升高温度降低温度实验现象颜色变深颜色变浅实验结论向吸热反应方向移动向放热反应方向移动（1）规律：其他条件不变，升温化学平衡向吸热反应方向移动，降温化学平衡向放热反应方向移动。（2）图像：4.催化剂：催化剂能够同等程度的改变正逆反应的速率，所以使用催化剂不能使平衡发生移动，但是可以改变达到平衡所需要的时间。4.化学平衡的移动：化学平衡是有条件的动态平衡，当影响化学平衡的条件改变时，原来的平衡被破坏，进而在新的条件下逐渐建立新的平衡，这个原平衡向新平衡的转化过程叫化学平衡的移动。（1）实质：改变条件后v正v逆，各组分的百分含量发生改变。（2）勒夏特列原理（ 平衡移动的原理）： 如果改变影响平衡的一个条件（如温度、浓度、压强等）平衡就向能够使这种改变减弱的方向移动。5.化学平衡图像：（1）速率时间图像(vt图像)：解题原则：分清正反应、逆反应及二者的相对大小，分清“突变”和“渐变”；正确判断化学平衡的移动方向；熟记浓度、压强、温度、催化剂等对化学平衡移动的影响规律。.v正突变，v逆渐变，且v正v逆，说明是增大了反应物的浓度，使v正突变，且平衡正向移动。.v正、v逆都是突然减小的，且v正v逆，说明平衡正向移动，该反应的正反应可能是放热反应或气体总体积增大的反应。.v正、v逆都是突然增大的且增大程度相同，说明该化学平衡没有发生移动，可能是使用了催化剂，也可能是对反应前后气体体积不变的反应压缩体积(即增大压强)所致。2百分含量(或转化率)一时间一温度(或压强)图像：解题原则：“先拐先平数值大”。在化学平衡图像中，先出现拐点的反应则先达到平衡，先出现拐点的曲线表示的温度较高(如图中T2T1)、压强较大(如图中p2p1)或使用了催化剂(如图中a使用了催化剂)。.表示T2T1，正反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动。.表示p2p1，A的转化率减小，说明正反应是气体总体积增大的反应，压强增大，平衡逆向移动。.生成物C的百分含量不变，说明平衡不发生移动，但反应速率ab，故a使用了催化剂；也可能该反应是反应前后气体体积不变的可逆反应，a增大了压强(压缩体积)。3百分含量(或转化率)压强温度图像：解题原则：“定一议二”。在化学平衡图像中，包括纵坐标、横坐标和曲线所表示的三个变量，分析方法是确定其中一个变量，讨论另外两个变量之间的关系。如图I中确定压强为105Pa或107Pa，则生成物C的百分含量随温度T的升高而逐渐减小，说明正反应是放热反应；再确定温度T不变，作横坐标的垂线，与压强线出现两个交点，分析生成物C的百分含量随压强p的变化可以发现，压强增大，生成物C的百分含量增大，说明正反应是气体体积减小的反应。【当堂检测】1. 有一处于平衡状态的反应：X(s)3Y(g)2Z(g)H0。为了使平衡向生成Z的方向移动，应选择的条件是()高温低温高压低压加正催化剂分离出ZA B C D2. 已知：A(g)B(g)3C(g)H0，(C)跟外界条件X、Y的关系如图所示，下列结论正确的是()AY表示温度，X表示压强，且Y3Y2Y1 BY表示压强，X表示温度，且Y3Y2Y1CX表示压强，Y表示温度，且Y1Y2Y3 DX表示温度，Y表示压强，且Y1Y2Y35. 现有反应：mA(g)nB(g)pC(g)，达到平衡后，当升高温度时，B的转化率变大；当减小压强时，混合体系中C的质量分数也减小，则：(1)该反应的逆反应为_反应(填“吸热”或“放热”)，且mn_p(填“”、“”或“”)。(2)减压使容器体积增大时，A的质量分数_(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)。(3)若加入B(维持体积不变)，则A的转化率_。(4)若升高温度，则平衡时B、C的浓度之比将_。(5)若加入催化剂，平衡时气体混合物的总物质的量_。(6)若B是有色物质，A、C均无色，则加入C(体积不变)时混合物颜色_；而维持容器内压强不变，充入氖气后，再次建立平衡时与原平衡相比，气体混合物颜色_(填“变深”、“变浅”或“不变”)。答案与解析题号答案解析1C该反应的特点为反应前后气体体积减小，正反应为放热反应，根据反应条件对平衡的影响可知，要使平衡向生成Z的方向移动，应选择的条件是低温、高压、减小Z的浓度。由于催化剂对平衡无影响，故排除含的选项2C该反应正向是放热的，所以升温平衡左移，C%降低，可知A对C错；该反应正向是体积增大的反应，所以加压平衡左移，C%降低，可知B正确；使用(加入)催化剂加快反应速率，但平衡不移动，平衡时C%不变，可知D正确。另外，A、B、C中三个图均符合“先拐先平，数值大”的原则3D中若是加入碳，平衡不移动，固体和纯液体的浓度为常数。中反应向正方向移动，N2的转化率降低。中若减小反应器容积即增大压强时，平衡一定向气体体积减小的方向移动。中向恒压反应器中充入稀有气体，浓度减小，平衡可能移动4A当Y表示温度时，则Y1、Y2、Y3表示三条等温线，定住其中一条等温线(如：Y1)，则由于正反应是气体分子数增大的反应，所以随着压强的增大平衡逆向移动，(C)逐渐减小，符合题目所给方程式。而X表示压强时，则垂直于X轴做一条辅助线即为等压线，由于反应吸热，所以随着温度的升高，平衡正向移动，(C)逐渐增大，所以Y3Y2Y1，A正确。对于B、C、D可以采用同样的方法分析，均错误5(1)放热(2)增大(3)增大(4)减小(5)不变(6)变深变浅反应：mA(g)nB(g)pC(g)，达到平衡后，当升高温度时，B的转化率变大，正反应为吸热反应，逆反应为放热反应；当减小压强时，混合体系中C的质量分数也减小，说明平衡逆向移动，得到mnp；加入一种物质，会提高另外一种物质的转化率，若加入B(维持体积不变)，则A的转化率增大；若升高温度，平衡将向正反应方向移动，则平衡时B、C的浓度之比将减小；若加入催化剂，只改变化学反应速率，不使平衡发生移动，平衡时气体混合物的总物质的量保持不变；若B是有色物质，A、C均无色，则加入C(体积不变)，平衡向逆反应方向移动，混合物颜色加深；而维持容器内压强不变，充入氖气后，体积变大，颜色变浅，虽平衡向逆反应方向移动来减弱这种改变，但再次建立平衡时与原平衡相比，气体混合物颜色变浅（第3课时）【学习目标】1.理解化学平衡常数的概念。2.理解化学平衡常数对化学反应进行的程度判断。3.掌握有关化学平衡常数等的计算。【学习过程】 1化学平衡常数(1)定义：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，这个常数就是该反应的化学平衡常数，通常用符号K表示。(2)表达式：对于一般的可逆反应mA(g)nB(g)pC(g)qD(g)，平衡常数的表达式为K。反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，若化学方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。如N23H22NH3，Ka则有：2NH3N23H2，K1/a，N2H2NH3，K。(3)意义：化学平衡常数K值越大，说明正反应进行的程度越大，反应物的转化率越大。（4）影响因素：化学平衡常数是描述可逆反应进行程度的重要参数，化学平衡常数K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。2化学平衡常数的应用(1)判断反应进行的程度：K值越大，说明平衡体系中生成物所占的比例越大，正反应进行的程度越大，即该反应进行得越完全，反应物转化率越大；反之，就越不完全，转化率就越小。(2)判断反应的热效应：升高温度，K值增大，T、K变化一致，正反应为吸热反应；升高温度，K值减小，T、K变化相反，则正反应为放热反应。(3)判断平衡移动方向：利用平衡常数可从定量的角度解释恒温下浓度、压强对化学平衡移动的影响。对于可逆反应mA(g)nB(g)pC(g)qD(g)在任意状态下，生成物的浓度和反应物的浓度之间的关系用Q表示，则：当QK时，反应处于平衡状态，v正v逆；当Qv逆；当QK时，反应向逆反应方向进行，v正”、“”或“”)。若在T1时某状态c(I)/c(I)，_平衡状态(填“是”、“不是”或“不一定是”)。(3)写出该平衡常数的表达式K_。若升高温度，K值将_(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)；若向溶液中加入少量的溴水，K值将_。5. 研究氮氧化物与悬浮在大气中海盐粒子的相互作用时，涉及如下反应：2NO2(g)NaCl(s)NaNO3(s)ClNO(g)K1H10()2NO(g)Cl2(g)2ClNO(g)K2H2”“”或“”)，平衡常数K2_(填“增大”“减小”或“不变”)。若要使K2减小，可采取的措施是_。答案与解析题号答案解析1B书写平衡常数表达式时，纯固体不写，A错误；由于反应反应反应，因此平衡常数K，B正确；反应中，温度升高，H2浓度减小，则平衡左移，即逆反应为吸热反应，正反应为放热反应，因此H0，C错误；对于反应，在恒温恒容下，增大压强，如充入惰性气体，则平衡不移动，H2的浓度不变，D错误2AQ1不一定是(3)减小不变(1)由题意及图象知，I2(aq)II，升高温度，c(I)减小，平衡向逆反应方向移动，故正反应为放热反应。(2)在T1、D点时，要达到平衡状态A点，T1不变，c(I)增大，反应向右进行，故v(正)v(逆)。K，而，但不知c(I2)的大小，故无法确定是否达平衡状态。(3)K，升高温度，平衡逆移，故K值减小；若加入少量的溴水，改变了物质的浓度，但K值不变5(1)(2)2.510275%不变升高温度(1)观察题给的三个方程式可知，题目所求的方程式可由()2()得到，故该反应的平衡常数K。(2)由题给数据可知，n(ClNO)7.5103 molL1min110 min2 L0.15 mol。 2NO(g)Cl2(g)2ClNO(g)起始物质的量/mol0.20.100.150.0750.15平衡时物质的量/mol0.050.0250.15故n(Cl2)0.025 mol；NO的转化率1100%75%。其他条件保持不变，由恒容条件(2 L)改为恒压条件，因该反应是气体分子数减小的反应，平衡正向移动，NO的转化率增大，即21；平衡常数只是温度的函数，故由恒容条件改为恒压条件时平衡常数不变；要使平衡常数减小，平衡应逆向移动，因为反应()是放热反应，故应升高温度