1、化学平衡状态【学习目标】1、了解化学平衡建立的过程，知道化学平衡常数的含义；2、理解化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数计算反应物的转化率。【要点梳理】要点一、化学平衡状态1溶解平衡的建立。在一定温度下，当把蔗糖晶体溶解于水时，一方面蔗糖分子不断离开蔗糖表面扩散到水中；另一方面，溶解在水中的蔗糖分子不断地在未溶解的蔗糖表面聚集成晶体，当这两个相反过程的速率相等时，蔗糖的溶解达到最大限度，即形成了饱和溶液，此时，我们说蔗糖达到了溶解平衡。在溶解平衡状态下，溶解和结晶的过程并没有停止，只是速率相等罢了，故溶解平衡是一种动态平衡。2可逆反应。（1）定义：在同一条件下，既能向正反应方向进行同时又能向
2、逆反应方向进行的反应叫做可逆反应，用“”表示。要点诠释：在可逆反应中，把由反应物到生成物的反应叫正反应：把由生成物到反应物的反应叫逆反应。在同一条件下，不能同时向两个方向进行的反应叫不可逆反应。不可逆反应是相对的，可逆反应是绝对的。在一定条件下，几乎所有的反应均可以看做是可逆反应。必须是“同一条件”。在不同条件下能向两个方向进行的反应，不能称作可逆反应。同一化学反应在不同条件下可能为可逆反应或不可逆反应。如敞口容器中，CaCO3 (s)CaO (s)+CO2 ，反应产生的气体可及时脱离反应体系，反应不可逆；密闭容器中，CaCO3 (s)CaO (s)+CO2，反应产生的气体不写“”，气体物质不
3、能从反应体系中逸出，与各反应物共存，反应可逆。又如2H2+O22H2O。（2）重要的可逆反应：如盐的水解、酯的水解、2SO2+O22SO3、N2+3H22NH3等。3化学平衡的建立。对于可逆反应aA (g)+bB (g)cC (g)+dD (g)，若开始加入反应物，此时A和B的浓度最大，因而反应速率最大，由于C、D浓度为零，故此时逆反应速率为零，随着反应的进行，反应物浓度不断减少，生成物浓度不断增加，v正不断减小，v逆不断增大。当反应进行到某一时刻时v正=v逆，这时反应就达到了平衡，这个过程可用图甲来表示。若反应是从逆反应方向开始的（开始时只有生成物而没有反应物），则v逆在开始时最大，v正为零
4、，随着反应的进行，生成物浓度不断减少，反应物浓度不断增加，v逆不断减小，v正不断增大，最后反应达到化学平衡，如图乙所示。4化学平衡状态。在一定条件下，可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组分的含量保持不变的状态叫化学平衡状态。要点诠释：（1）可逆反应是前提，速率相等是实质，浓度保持不变是标志。（2）v正=v逆0，正反应和逆反应仍在进行。（3）百分含量指各组分的质量百分含量、物质的量百分含量、气体物质的体积百分含量。【高清课堂：运动静止总相宜-化学平衡状态】5化学平衡的特征。化学平衡状态具有“逆”“等”“动”“定”“变”“同”的特征。（1）逆：化学平衡研究的对象是可逆反应。（2）
5、等：正反应速率和逆反应速率相等，即同一种物质的消耗速率与生成速率相等。注意，不同物质的反应速率不一定相等。（3）动：化学平衡从表面上或宏观上看好像反应停止了，但从本质上看反应并未停止，只不过正反应速率与逆反应速率相等罢了，即v (正)=v (逆)0。所以化学平衡是一种动态平衡。（4）定：在平衡混合物中，各组成成分的百分含量保持一定，不再随时间的改变而改变。（5）变：化学平衡是在一定条件下建立的暂时平衡，若影响化学平衡的外界条件改变，化学平衡状态就会发生改变。（6）同：在其他条件不变时，可逆反应不论是从正反应开始，还是从逆反应开始，还是从正反应和逆反应同时开始，途径虽然不同，但只要起始浓度相同，
6、就可以达到相同的平衡状态，所建立的平衡是等效的。【高清课堂：运动静止总相宜-化学平衡状态】6化学平衡的标志（1）本质标志。v (正)=v (逆)0。对于某一可逆反应来说，正反应消耗掉某反应物的速率等于逆反应生成该反应物的速率。（2）等价标志。全是气体参加的体积可变反应，体系的压强不随时间而变化。例如：N2+3H22NH3。体系中各组分的物质的量浓度或体积分数、物质的质量分数保持不变。全是气体参加的体积可变反应，体系的平均相对分子质量不随时间变化。例如：2SO2 (g)+O2 (g) 2SO3 (g)。对同一物质而言，断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。对于有颜色的物质参加或生成的可
7、逆反应，体系的颜色不再随时间而变化，如2NO2 (g)N2O4 (g)。 体系中某反应物的转化率或某生成物的产率达到最大值且不再随时间而变化。 要点诠释：以下几种情况不能作为可逆反应达到化学平衡的标志： （1）恒温、恒容下的体积不变反应，体系的压强或总物质的量不随时间而变化，如2HI (g)I2 (g)+H2 (g)。 （2）全是气体参加的体积不变反应，体系的平均相对分子质量不再随时间变化，如2HI (g)I2 (g)+H2 (g)。 （3）全是气体参加的反应，恒容条件下体系的密度保持不变。【高清课堂：运动静止总相宜-化学平衡状态】要点二、化学平衡常数 1定义：在一定温度下，当一个可逆反应达到
8、化学平衡时，生成物浓度以反应方程式中计量数为指数的幂的乘积与反应物浓度以反应方程式中计量数为指数的幂的乘积之比是一个常数，这个常数就是该反应的化学平衡常数（简称平衡常数），用K表示。对于可逆反应mA (g)+nB (g)pC (g)+qD (g)，在一定温度下无论反应物的起始浓度如何，反应达到平衡状态后，总有：。 要点诠释：（1）上式中c (A)、c (B)、c (C)、c (D)是各物质处于化学平衡时的物质的量浓度。 （2）温度一定时，可逆反应无论从正反应开始，还是从逆反应开始，无论反应物起始浓度大小，K是一个常数。而且K只与温度有关。（3）对于在溶液中进行的反应，溶剂的浓度是一个常数，此常
9、数可归到平衡常数中去，在K的表达式中不出现溶剂的浓度项。如：CO32+H2OHCO3+OH （4）当反应中有固体物质时，因固体的浓度可看作常数，在K的表达式中不出现固体的浓度项。如： CaCO3 (s)CaO (s)+CO2 (g) K=c (CO2) （5）平衡常数的表达式与化学方程式的书写方式有关。同一个化学反应，化学方程式书写方式不同，平衡常数不同。如：H2 (g)+I2 (g)2HI (g) H2 (g)+I2 (g)HI (g) 2HI (g)H2 (g)+I2 (g) 对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常数互为倒数。 2化学平衡常数的应用。 （1）化学平衡常数值的大小是可逆反应进
10、行程度的标志。它能够表示出可逆反应进行的完全程度。一个反应的K值越大，说明平衡时生成物的浓度越大，反应物的浓度越小，反应物转化率也越大。可以说，化学平衡常数是一定温度下一个反应本身固有的内在性质的定量体现。 要点诠释： 一般地说，K105时，该反应就基本进行完全了。 105K105时，典型的可逆反应，改变条件反应进行的方向就会变化。 K105时，反应进行的程度很小，转化率极小，其逆反应会进行趋于完全。，（2）可以利用平衡常数的值做标准，判断正在进行的可逆反应是否平衡及不平衡时向何方进行建立平衡，如：对于可逆反应：mA (g)+nB (g)pC (g)+qD (g)，在一定温度的任意时刻，反应物
11、与生成物的浓度有如下关系：，叫该反应的浓度商。 （3）利用K可判断反应的热效应 若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应； 若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。 3平衡转化率。平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的量与转化前该反应物的量之比，用来表示反应限度。对于反应aA+bBcC+dD，反应物A的转化率可以表示为：。 要点诠释：化学平衡常数和平衡转化率都可用来定量描述可逆反应进行的程度，它们是有不同的： 一个特定的化学反应，在温度一定时虽然只有一个平衡常数，但反应物的平衡转化率却可以因反应物量的不同而不同。因此，脱离具体的反应物谈化学反应的平衡转化率是没有意义的。 平衡转化率随着反应
12、物起始浓度的不同而变化，而平衡常数却不受起始浓度的影响。 平衡常数的表达式和数值根据化学方程式书写方式的变化而变化，平衡转化率不随方程式书写方式的变化而变化。 在进行有关计算时，代入平衡常数K表达式中的必须是物质的平衡浓度，而代入平衡转化率表达式中的可以是物质的浓度，也可以是物质的物质的量、质量或气体的体积等。 平衡常数更能反映出可逆反应的本质。要点三、化学平衡计算的一般思路和方法1解化学平衡计算题的一般思路为：建立模式、确定关系、依据题意列出方程。最常用、最重要的模式是“列三行”，即列出起始量、变化量和平衡量。简记为：始、变、平、列方程。如： mA (g) + nB (g) pC (g) +
13、 qD (g) 起始 a b 0 0 变化 mx nx px qx 平衡 amx bnx px qx 其中：a、b表示起始状态下反应物的物质的量或反应物的浓度或同温、同压下反应物中气体的体积，c、d表示起始状态下产物的物质的量或产物的浓度或同温、同压下产物中气体的体积。 计算中注意存在以下量的关系：对反应物：起始浓度转化浓度=平衡浓度；对生成物：起始浓度+转化浓度=平衡浓度。各物质转化浓度之比等于化学方程式中各物质前面的化学计量数之比。 2在平衡计算中常涉及以下几个方面。（1）转化率的计算。 若ab=mn，则任何时刻A、B的物质的量（浓度）之比均为ab，且A、B的转化率相同。 （2）产率的计算
14、。 。 （3）各组分的体积分数（）。 。 （4）平均相对分子质量。的变化取决于气体总质量和总物质的量的变化。 （5）密度。 。的变化取决于气体总质量和体积的变化。【典型例题】类型一、可逆反应 例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/L 【答案】B 【解析
15、】本题考查对可逆反应的特征的理解，解答时，应注意两点：（1）可逆反应既可向正反应方向进行，同时又可向逆反应方向进行；（2）可逆反应不能进行到底，只能反应到一定程度达到平衡状态，平衡时各物质的物质的量都大于零。 对于本题，若反应从题给某一时刻开始向正反应方向进行并达到平衡，此时NH3的浓度应小于0.4 mol/L；若反应从题给某一时刻开始向逆反应方向进行并达到平衡，此时N2的浓度应小于0.2 mol/L，H2的浓度应小于0.6 mol/L；从题给量的关系易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/L。【总结升华】解答可逆反应的问题要特别注
16、意，即反应物不可能完全转化为生成物，生成物也不可能完全转化为反应物。另外还要注意量的变化，元素原子不可能凭空增加或减少。总之要注意：“可逆”和“守恒”。举一反三： 【变式1】对于可逆反应2SO2+O22SO3，在混合气体中充入一定量的18O2，足够长的时间后，18O（ ）。 A只存在于O2中 B只存在于O2和SO3中C只存在于O2和SO2中 D存在于SO2、O2和SO3中【答案】D 类型二、化学平衡的概念及其建立 例2、对可逆反应4NH3 (g)+5O2 (g)4NO (g)+6H2O (g)，下列叙述正确的是（ ）。 A达到化学平衡时，4v正(O2)=5v逆 (NO) B若单位时间内生成x
17、mol NO的同时，消耗x mol NH3，则反应达到平衡状态 C达到化学平衡时，若增大容器容积，则正反应速率减小，逆反应速率增大 D化学反应速率关系是：2v正 (NH3)=3v正 (H2O) 【答案】A 【解析】A项，反应达到平衡时，v正 (O2)与v逆 (NO)之比等于对应物质的化学计量数之比；B项，若单位时间内生成x mol NO，同时生成x mol NH3，表明反应达到平衡；C项，增大容器容积，压强减小，正、逆反应速率均减小；D项，3v正 (NH3)=2v正 (H2O)。【总结升华】从反应速率关系的角度来判断反应是否达到平衡时，速率必须是一正一逆（不能同是v正或v逆），且速率比等于化学
18、计量数之比。举一反三： 【变式1】哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。现向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2，在一定条件下使该反应发生N2+3H22NH3，有关说法正确的是（ ）。 A达到化学平衡时，N2将完全转化为NH3 B达到化学平衡时，N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等 C达到化学平衡时，N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化D达到化学平衡时，正反应和逆反应的速率都为零【答案】C类型三、化学平衡的标志 例3、在一定温度下的定容密闭容器中，当容器中的下列物理量不再变化时，表明反应：A (s)+2B (g)C (g)+D (g)已达平衡
19、的是（ ）。 A混合气体的压强 B混合气体的密度 CB的物质的量浓度 D气体的总物质的量 【答案】B、C 【解析】考查反应：A (s)+2B (g)C (g)+D (g)，方程式两边气体分子的化学计量数之和相等，显然混合气体的压强和总物质的量均始终保持不变，不能用来判断反应是否达到平衡；由于A是固体，所以(气)是一个变化量，而c (B)也是一个变化量，那么当(气)、c (B)不再变化时说明反应已达到平衡。【总结升华】对于反应前后气体物质的分子数相等的可逆反应，不能用气体的总物质的量、总压强、平均相对分子质量等是否随时间变化来判断该反应是否达到了平衡状态。举一反三： 【变式1】一定条件下，在密闭
20、容器中，能表示反应X (g)+2Y (g)2Z (g)一定达到化学平衡状态的是（ ）X、Y、Z的物质的量之比为122 X、Y、Z的浓度不再发生变化 容器中的压强不再发生变化 单位时间内生成n mol Z，同时生成2n mol YA B C D【答案】C【高清课堂：运动静止总相宜-化学平衡状态】【变式2】在一定温度下，可逆反应A(g) + 3B(g) 2C(g)达到平衡的标志是（ ） AC的生成速率与C的分解速率相等 BA、B、C的浓度不再发生变化 C单位时间内生成n mol A同时生成3n mol B DA、B、C的分子数之比为1:3:2【答案】AB【变式3】在一定温度下恒容容器中，下列叙述不
21、是可逆反应A(g)+3B(g) 2C(g)+2D(s)达到平衡的标志的是（ ）C的生成速率与C的分解速率相等 单位时间内生成a mol A，同时生成3a mol B A、B、C的浓度不再变化A、B、C的密度不再变化混合气体的总压强不再变化混合气体的物质的量不再变化单位时间内消耗a mol A，同时生成 3a mol BA、B、C、D的分子数之比为1:3:2:2ABCD【答案】A类型四、化学平衡常数例4、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的关系如下表：T（）7008001000K0.61.01.7 回答下列
22、问题： （1）该反应的化学平衡常数表达式为K=_。 （2）正反应为_（填“吸热”或“放热”）反应。（3）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 cv正 (H2)=v逆 (H2O) dc (CO2)=c (CO) （4）某温度下，各物质的平衡浓度符合下式：c (CO2)c (H2)=c (CO)c (H2O)，试判断此时的温度为_。【答案】（1）。（2）吸热 （3）b、c （4）800 【解析】（2）由表中数据可以看出T升高，K增大。所以判断出正反应为吸热反应。 （3）由于该反应是一个反应前后气体物质化学计量数之和相等的反应，所以在恒容时，容器
23、内的压强一直不变，不能用作平衡状态的判断；c (CO2)=c (CO)并不代表着它们的浓度就不发生变化，所以也不能判断是否达到平衡；b、c可以。 （4）根据c (CO2)c (H2)=c (CO)c (H2O)，所以K=1.0，对应表中温度为800。 特别提示 理解好平衡常数K的含义，就可以理解好化学平衡状态，一定要熟练掌握T与K的关系以及平衡常数的表达式的书写。举一反三：【变式1】下列反应在210达到平衡：PCl5 (g)PCl3 (g)+Cl2 (g) H11 K=1CO (g)+Cl2 (g)COCl2 (g) H20 K=5104COCl2 (g)CO (g)+Cl2 (g) H30
24、K（1）根据反应的平衡常数K的表达式，下列等式必定成立的是（ ）。Ac (PCl5)=c (PCl3)=c (Cl2)=1Bc (PCl5)=c (PCl3)c (Cl2)=1Cc (PCl5)=c (PCl3)c (Cl2) 反应和反应的平衡常数K的表达式_（填“相同”或“不同”）。 （2）降低Cl2浓度，反应的K值_（填“增大”“减小”或“不变”）。 （3）要使反应和反应的K值相等，应采取的措施是（ ）。 A反应同时升温 B反应同时降温 C反应降温，反应维持210【答案】C 不同 （2）不变 （3）A【解析】可逆反应达到化学平衡，生成物浓度幂的乘积与反应物浓度幂的乘积之比为一常数。对于反应
25、来说：，故（1）应选C。反应和的反应物、生成物恰好颠倒，K的表达式是不同的。平衡常数与物质浓度无关，只随温度而变，温度升高，正反应为吸热反应的K值增大，正反应为放热反应的K值减小，所以（2）应填不变，（3）应选A。类型五、化学平衡常数与平衡转化率的计算 例5、在某温度下，将H2和I2各0.10 mol的气态混合物充入10 L的密闭容器中，充分反应，达到平衡后，测得c (H2)=0.0080 molL1。 （1）求该反应的平衡常数。 （2）在上述温度下，该容器中若通入H2和I2蒸气各0.20 mol，试求达到化学平衡状态时各物质的浓度。 【答案】（1）平衡常数为0.25。（2）c (H2)=c
26、(I2)=0.016 mol/L，c (HI)=0.0080 mol/L。 【解析】（1）依题意可知： 平衡时c (H2)=0.0080 molL1， 消耗c (H2)=0.0020 molL1， 生成c (HI)=0.0040 molL1。 H2 (g) + I2 (g)2HI (g) 起始浓度molL1 0.010 0.010 0 平衡浓度molL1 0.0080 0.0080 0.0040 （2）依题意可知，c (H2)=0.0200 molL1，c (I2)=0.0200 molL1，设H2的消耗浓度为x。则： H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) 平衡浓度molL1 0.0
27、200x 0.0200x 2x因为K不随浓度发生变化， 解得x=0.0040 molL1。 平衡时c (H2)=c (I2)=0.0160 molL1， c (HI)=0.0080 molL1。举一反三： 【变式1】在密闭容器中给CO和水蒸气的混合物加热到800时，有下列平衡：CO (g)+H2O (g)CO2 (g)+H2 (g)，且K=1，若用2 mol CO和10 mol H2O (g)相互混合并加热到800，则CO的转化率为（ ）。A16.7 B50 C66.7 D83.5【答案】D 【解析】设平衡时CO消耗x mol，假定总体积为1 L CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g)起始物质的量 / mol 2 10 0 0转化物质的量 / mol x x x x平衡物质的量 / mol 2x 10x x x依题意：，x2=(2x)(10x)，x=1.67 mol。所以CO的转化率。
