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一、化学平衡状态
1.可逆反应与不可逆反应
(1)可逆反应
①定义:在同一条件下,同时向正、反两个方向进行的化学反应称为可逆反应。可逆反应的特征:难以进行到底,存在平衡状态。
②注意
a.可逆反应的前提:反应物和产物必须同时存在于同一反应体系中,而且在相同条件下,正、逆反应都能自动进行。
b.表示方法:在可逆反应的化学方程式中,用“”号来表示,如
③重要的可逆反应:如2SO2 +O2 2SO3、
(2)不可逆反应
在一定条件下,几乎只能向一定方向(向生成物方向)进行的反应,如NaOH+HCl=NaCl+H2O是不可逆反应。
状元笔记
多数化学反应有一定的可逆性。可逆反应可以看作两个独立的反应。如:可逆反应2SO2+O2 2SO3,可以写成:2SO2+O2=2SO3,2SO3=2SO2+O2。每种物质都具有两种角色:反应物和产物,也同时具备两个速率,生成速率和消耗速率。这两个反应相对独立又彼此影响。
2.化学平衡状态
(1)化学平衡的研究对象
化学平衡研究的是可逆反应的规律,如反应进行的程度以及外界条件对反应进行情况的影响等。
(2)化学平衡状态的建立

在一定条件下,将0.01 mol CO和0.01 mol H2O(g)通入1 L密闭容器中,开始反应:

①反应过程的分析
反应刚开始时,反应物的浓度最大,正反应速率最大;生成物的浓度为零,逆反应速率最小(速率为零)。反应物不断消耗,反应物的浓度不断降低,正反应速率不断减小;生成物不断产生,生成物的浓度不断增加,逆反应速率不断增大。随着反应的进行,肯定最终有一时刻,正反应速率与逆反应速率大小相等。此时,反应物和生成物的物质的量不再变化。反应物的浓度不变,生成物的浓度也不变,因此正、逆反应速率都不再变化。反应物和生成物的量保持稳定。我们说该可逆反应达到平衡状态。
②注意
a.物质变化趋势:反应物的浓度由最大不断减小,生成物的浓度由最小(有时从0开始)不断增大。从而使得正反应速率不断减小、逆反应速率不断增大。
b.当正、逆反应速率刚相等的时刻,对于体系中某一物质来说,它的生成和消耗量在这一时刻是相等的,它的量也不再发生变化。这导致自该时刻起,反应物和生成物的量不再变化。
状元笔记
平衡状态的存在是在外界条件不变的条件下;当外界条件发生某些变化,影响了各物质的浓度或温度,改变了化学反应速率时,该平衡状态被破坏。
③可借助速率―时间图象来理解化学平衡状态的建立与化学反应速率之间的关系。
以可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)为例,若开始时只有反应物而没有生成物,此时A和B的浓度最大,因而v正最大而v逆为零。随着反应的进行,反应物不断减少,生成物不断增多,则v正逐渐减小,而v逆逐渐增大。当反应进行到某一时刻时,v正=v逆,这时就达到了化学平衡状态,如图甲所示。

若开始只有生成物,没有反应物,同理,可用v正和v逆的变化来说明上述化学平衡的建立,如图乙所示。

④可借助浓度―时间图象来理解化学平衡的建立与反应过程中物质浓度间的关系。
(3)化学平衡状态的概念
化学平衡状态指的是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。
理解化学平衡状态应注意以下三点:
①前提是“一定条件下的可逆反应”。“一定条件”通常是指一定的温度和压强;
②实质是“正反应速率和逆反应速率相等”。由于速率受到外界条件的影响,所以速率相等必须在一定的外界条件下,脱离开外界条件的速率没有真正的含义;
③标志是“反应混合物中各组分的浓度保持不变”。浓度没有变化,并不是各种物质的浓度相同。对于一种物质来说,由于单位时间内的生成量与消耗量相等,就表现出物质的量不再随时间的改变而改变。
状元笔记
化学平衡状态具有“逆”“等”“动”“定”“变”等特征。
(4)化学平衡状态的特征
①逆:化学平衡研究的对象是可逆反应(研究范围);
②等:平衡时v正=v逆>0(本质);
③动:化学平衡是动态平衡,即处于化学平衡状态时,化学反应并没有停止,而是正、逆反应速率相等罢了。
④定:由于达到化学平衡状态时的正、逆反应速率相等,所以,该状态下反应混合物中各组分的质量分数保持一定,不再改变。
⑤变:化学平衡是有条件的,即“定”是相对的、暂时的,而“动”则是绝对的。当改变影响化学平衡的某一个条件(如温度、压强、浓度)时,原有的化学平衡状态会被破坏,直至在新的条件下建立新的平衡状态。
二、平衡转化率
1.含义:平衡转化率是指用平衡时已转化了的某反应物的量与反应前(初始时)该反应物的量之比来表示反应在该条件下的最大限度。
对于反应:aA+bBcC+dD
反应物A的转化率可以表示为:

状元笔记
正、逆反应的速率相等是化学平衡建立的实质,由于同一个反应用不同物质表示的速率数值不同,所以不同物质表示的正、逆反应速率的数值也可能不同。
2.产品的产率

【示例】1mol X气体跟a mol Y气体在体积可变的密闭容器中发生如下反应:X(g)+aY(g)bZ(g)。反应达到平衡后,测得X的转化率为50%,而且在同温同压下还测得反应前混合气体的密度是反应后混合气体密度的,则a和b的数值可能是(  )
A.a=1,b=1
B.a=2,b=1
C.a=2,b=2
D.a=3,b=2
解析:

答案:AD

归纳整理
在一定条件下,可逆反应达到反应的最大限度,即达到化学平衡状态。


思考发现
1.必须掌握的有关平衡的几个基本关系
(1)可逆反应达到平衡过程中各物质浓度间的关系
对反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度
对生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓度
其中,各物质的转化浓度之比等于它们在化学方程式中各物质的化学计量数之比。
(2)反应物的转化率

②反应物的转化率与浓度变化的关系
a.对于有多种物质参加的可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)来说,增大A的浓度,B的转化率一定增大,而A的转化率则是减小的。
b.对于分解反应来说,要视反应前后物质的计量数而定。如对2HI(g)H2(g)+I2(g),无论是增大还是减小HI的浓度,HI的转化率都不变;对2NH3(g)N2(g)+3H2(g),增大NH3的浓度,NH3的转化率减小。
(3)产物的产率

(4)注意阿伏加德罗定律和混合气体平均相对分子质量的求法在化学平衡计算中的应用。
典例精析
【例1】可逆反应N2+3H22NH3的正、逆反应速率可用各反应物或生成物浓度的变化来表示。下列各关系中能说明反应已达到平衡状态的是(  )
A.3v正(N2)=v正(H2)
B.v正(N2)=v逆(NH3)
C.2v正(H2)=3v逆(NH3)
D.v正(N2)=3v逆(H2)
考查判断化学平衡状态的能力。化学反应速率的表示方法、化学平衡状态、影响化学反应速率的因素和影响化学平衡的因素等都是这块知识中的基础内容,属于高考的必考内容。将化学反应速率、化学平衡联系起来,让考生判断可逆反应是否处于化学平衡状态,可以较好地测试解题者对有关内容的理解水平。对于可逆反应“N2+3H22NH3”,正反应速率可以用H2、N2、NH3三种物质的浓度变化来表示,逆反应速率也可用H2、N2、NH3三种物质的浓度变化来表示。即有:v正(N2)∶v正(H2)∶v正(NH3)=1∶3∶2或v逆(N2)∶v逆(H2)∶v逆(NH3)=1∶3∶2。所以,当2v正(H2)=3v逆(NH3)时,处于化学平衡状态。

C

对于同一反应、同一时刻的正反应速率(或逆反应速率),用不同物质的浓度变化来表示时,其大小关系跟化学计量数有关。


【例2】一定温度下,可逆反应2NO22NO+O2在体积固定的密闭容器中反应,达到平衡状态的标志是(  )
①单位时间内生成n mol O2,同时生成2n mol NO2
②单位时间内生成n mol O2,同时生成2n mol NO
③用NO2、NO、O2的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为2∶2∶1
④混合气体的压强不再改变
⑤混合气体的颜色不再改变
⑥混合气体的平均相对分子质量不再改变
A.①④⑤⑥
B.①②③⑤
C.②③④⑥
D.以上全部
①生成n mol O2,就是消耗2n mol NO2,即生成NO2的速率等于消耗NO2的速率,能表示v正=v逆,正确。
②表示同一方向的反应速率,不能表示v正=v逆,不正确。
③只要发生反应,或者说不论反应是否达到平衡,NO2、NO、O2的速率之比均为2∶2∶1,它不能反映可逆反应是否达到平衡,不正确。
④温度、体积一定,混合气体压强不再改变,说明气体的总物质的量不变,表明已达平衡。
⑤颜色的深浅决定于有色物质NO2的浓度,混合气体颜色不变,说明NO2的浓度不再改变,对固定容器来说,NO2的物质的量不再变化,能说明已达平衡,正确。
⑥混合气体的平均相对分子质量()不变,说明气体的总物质的量(n)不变,表明已达平衡,正确。

A

间接判断平衡达到时,注意应用各种物理量的定义。


【例3】一定温度下,盛有催化剂的体积一定的密闭容器中,通入一定量的SO3气体,发生分解反应2SO32SO2+O2,并达到平衡状态,测得SO3的分解率为75%。下列说法正确的是(  )
A.平衡后的压强为起始压强的1.25倍
B.平衡时混合气体的平均相对分子质量为64
C.混合气体的密度自始至终保持不变
D.取和SO3等质量的SO2和O2的混合气体,从逆反应开始并达到平衡,在相同条件下各物质的浓度与原来的平衡浓度一定相等
设起始时SO3为100 mol。

n(平总)=25+75+37.5=137.5( mol)
压强之比等于物质的量之比,反应后的压强是反应前的=1.375(倍),
平衡时混合气体的总质量就是反应前100 mol SO3的质量,即100×80=8 000(g),平衡时混合气体的平均相对分子质量==58.2,反应前后质量不变,气体的体积也不变,则气体的密度就不变。
取和SO3等质量的SO2和O2的混合气体时,SO2和O2的物质的量之比不一定是2∶1,从逆反应开始并达到平衡,在相同条件下各物质的浓度与原来平衡浓度不一定相等。

C

有关化学平衡的计算,可采用“三段式法”求解。所谓“三段式”就是“起始”“转化”“平衡”三个阶段。在解题时,给每一种反应物或生成物填上或计算出这三个阶段的物质的量或浓度。未知的量可设为未知数,最后据题目要求列出方程求解。


难点突破
判断可逆反应达到平衡状态的标志
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成成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性依据。
(1)直接特征:v正=v逆,要求大小相等,方向相反。
①速率特征:指“等”,即v正=v逆。有两层含义: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。
②含量特征:指“定”,即反应混合物中各组成成分的含量保持不变。
(2)间接特征:指所表述的内容并非直接而是间接反映“等”和“定”的意义。
①反应物的转化率保持不变。
②产物的产率保持不变。
③平衡体系的颜色保持不变。
④绝热的恒容反应体系中的温度保持不变。
(3)“特殊”特征:指所表述的内容并不能表明所有反应均已达平衡状态,只是在某些特定的情况下才能表示反应已经达到化学平衡状态。
①体系中气体物质的总质量保持不变。
②体系中气体物质的总物质的量(或体积或分子个数)保持不变。
③体系中气体物质的平均相对分子质量保持不变。
④气体的总压强不再发生改变。
⑤体系中气体的密度不再发生改变。
以上五项中,对于Δn≠0的可逆反应,如2NO(g)+O2(g)2NO2(g)来说,除①外均可作为判断平衡的特征;但对于Δn=0的可逆反应,如H2(g)+I2(g)2HI (g)来说,此五项均不能作为判断平衡的特征。
化学反应的限度
学科:化学 学段:高中
内容简介:通过氯化钙的相关实验说明化学反应的限度,知道适当改变条件可以改变化学反应限度以达到人们的预期。
生产中反应条件的控制
学科:化学 学段:高中
内容简介:对比分析实验室与化工生产中化学反应条件的不同,引出化学平衡的概念;再根据工业生产和实际生产的比较,导出平衡移动原理。
化学平衡常数
学科:化学 学段:高中
内容简介:描述了化学平衡定律,介绍了常见的化学平衡常数。又描述了平衡常数的单位及平衡常数关系式的书写。
影响化学平衡的条件
学科:化学 学段:高中
内容简介:描述了化学平衡及平衡常数的定义,知道影响化学平衡的条件包括:浓度、温度、压强。
化学平衡状态
学科:化学 学段:高中
内容简介:描述了化学平衡状态的研究对象、实质、标志等内容,了解影响化学平衡的四个条件。