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一轮化学平衡


第2讲 化学反应的方向和限度 第一课时 本节目标:
1.了解化学反应的方向及判断依据 2.化学反应的可逆性。 3.了解化学平衡的建立过程以及平衡 状态的判定 4.理解化学平衡常数的含义

一、化学反应进行的方向及判断根据 自我诊断 1. 判断反应过程自发性的目的是 ( ) A.判断反应的方向 B.确定反应是否一定发生 C.判断反应过程发生的速率 D.判断反应过程的热效应 解析 判断反应过程的自发性,只是指出一定条件 下反应自动发生的趋势,即反应发生的可能性,并 不能说明反应能否实际发生,故只有A项正确。

基础盘点

考点一
1.判据

化学反应进行的方向和判据
计算时注意ΔS单位的换算

能自发进行 。 (1)ΔH-TΔS<0,反应________________ 达到平衡状态 (2)ΔH-TΔS=0, 反应_______________ 。 (3)ΔH-TΔS>0,反应 不能自发进行 。

2.一般规律

仅适用于温度、压强一定时的情况

放热且熵增加 的反应一定能自发进行。 (1)________________ (2) 吸热且熵减少 的反应一定不能自发进行。 (3)焓变和熵变的作用相反且相差不大时,温度 可

能对反应方向起决定性作用。

1、下列说法正确的是∶(

A、凡是放热反应都是自发的,由于吸热反应都是非自发的; B、自发反应一定是熵增大,非自发反应一定是熵减少或不变;

C



C、自发反应在恰当条件下才能实现;
D、自发反应在任何条件下都能实现。 2、250C和1.01×105Pa时,反应2A(g)+B(g)=4C(g);△H< 0,该反应是否能自发



原因是:

△H<0, △S>0 ;△H-T△S<0能自发进行 3. 某反应在高温时能自发进行,在低温时逆反应能自发进行, 则对其正反应的下列判断正确的是( A. 吸热反应,熵增加 C. 放热反应,熵减小 )

B. 放热反应,熵增加 D. 升高温度时,平衡常数K减小

A

【典例1】 判断正误: (1)反应NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行

则该反应的ΔH<0(2013· 江苏化学,11A)( √ ) (2)CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)室温下不能自发进行,
说明该反应的ΔH<0(2012· 江苏化学,10A)( × ΔS>0(2011· 江苏化学,12A)( )

(3)一定温度下,反应MgCl2(l)===Mg(l)+Cl2(g)的ΔH>0,

√)

(4)常温下,反应C(s)+CO2(g)===2CO(g)不能自发进行,

则该反应的ΔH>0(2010· 江苏化学,8B)( √ )
【思维提示】反应是否能自发进行与温度有关,一般低温时 焓变影响为主;高温时熵变影响为主。根据ΔH-TΔS可准确

判断反应进行的方向。

解析显/隐

深度思考 1.反应 2H2O
答案

2H2↑+O2↑是否为可逆反应?

不是可逆反应,因为两个方向的反应条件不同。

2.向含有 2 mol 的 SO2 的容器中通入过量氧气发生 2SO2+O2 2SO3,充分反应后生成 SO3 的物质的

< 量______2 mol(填“<”、“>”或“=”,下同),O2 的 > 物质的量________0 mol,转化率________100% 。 <

盘点一 化学平衡 一、可逆反应

1.定义: 相同 条件下,既能向 正反应方向进行,又能向

逆反应 方向进行。
2.特点:任一时刻反应物与生成物 同时 存在;任一组分 的转化率 小于 100%。 ”表示。

3.表示:用“

二、化学平衡状态 1.化学平衡状态: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(或各组分的含量)保持不变的状态叫做化学平衡状 态。

2.平衡状态的判断
例举 m A(g) + n B(g) 反应 p C(g)+ q D(g) 是否平 衡状态

①在单位时间内消耗了m mol A,同时 生成m mol A ②在单位时间内消耗了n mol B,同时 消耗了p mol C

是 是


③vA∶vB∶vC∶vD=m∶n∶p∶q ④在单位时间内生成n mol B,同时消 耗q mol D

不能确定
不能确定

m A(g) + n B(g) 小结:1.等标志:

p C(g)+ q D(g)

v正 =v逆

同一物质:V消耗=V生成 不同物质:同一边:V消耗:V生成=计量数之比 不同边:V生成:V生成=计量数之比

即体现两个相反的方向 2.定标志 体系中各组成成分的质量、物质的量、反应物的转化率、 物质的量浓度、体积分数、物质的量分数等等不再变化。 3.特殊标志 一句话:反应开始某个量在变, 后来不变了,就说明达到平衡。 (1)压强 (2)气体平均摩尔质量 不一定说明达平衡状态,与条件、 物质的状态及气体的系数有关 (3)气体密度 (4)体系中气体的颜色 (5)温度:当体系温度一定(其他条件不变)

1.(2013·潍坊模拟)在一定温度下的某容积不变的 密闭容器中,建立下列化学平衡: C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g),不能确定上述可 逆反应在一定条件下已达到化学平衡状态的是 ( D ) A.体系的压强不再发生变化 B.v正(CO)=v逆(H2O) C. 1 mol H-H键断裂的同时断裂2 mol H-O键 D.生成n mol CO的同时生成n mol H2

2.可逆反应:2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)在体积固定的 密闭容器中进行,达到平衡状态的标志的是 ( A ) ①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2 ②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO ③用NO2、NO、O2表示的反应速率的比为2∶2∶1的状态 ④混合气体的颜色不再改变的状态 ⑤混合气体的密度不再改变的状态 ⑥混合气体的压强不再改变的状态 ⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态 A.①④⑥⑦ C.①③④⑤ B.②③⑤⑦ D.全部

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考点二

化学平衡常数 平衡转化率

1.化学平衡常数 (1)表达式 对于反应 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g), cp?C?· cq?D? K= m (固体和纯液体的浓度视为常数,通 c ?A?· cn?B? 常不计入平衡常数表达式中)。

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【注意】化学平衡常数表达式注意问题

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(1)能代入平衡常数表达式的为气体、溶液中的溶质,固体 与纯液体浓度可看为常数,不能代入。

(2)关于H2O的浓度问题。
H2O要看清是液态还是气态,以及是否作溶剂 ①在水溶液中进行的反应,虽然H2O参与反应,但是H2O只要 作为溶剂,就不能带入平衡常数表达式。 如NH4Cl+H2O K= NH3·H2O+HCl的平衡常数表达式为 。

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②如果H2O的状态不是液态而是气态,则需要带入平衡常数表 达式。 如3Fe(s)+4H2O(g)
4 [ H ] 为 K= 2 。 4 [ H 2 O]

Fe3O4(s)+4H2(g)的平衡常数表达式

③在非水溶液中进行的反应,如果有水参加或生成,则应代 入平衡常数表达式。

如CH3COOH(l)+CH3CH2OH(l)
的平衡常数为K=
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CH3COOCH2CH3(l)+H2O(l)

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练习:已知 H2(g)+I2(g) 2HI(g) 的平衡常数为K1 2HI(g) H2(g)+I2(g) 的平衡常数为K2 HI(g) 1/2H2(g)+1/2I2(g) 的平衡常数为K3 列式表达 K1 与 K2;K2 与 K3 的关系

【注意2】(1).化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。 若反应方向改变,则平衡常数改变。可逆反应的平衡常数互为 倒数关系。 若方程式中各物质的系数等倍扩大或缩小,尽管是同一反应,平 衡常数也会改变(包括数值和单位)。

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3.化学平衡常数的三种应用

(1)判断化学反应可能进行的程度,K值越大,反应进行的 程度越大。 (2)判断化学平衡移动的方向,对于可逆反应 aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g), 在一定温度下的任意时刻, 反 cc?C?· cd?D? 应物与生成物浓度有如下关系: a =Qc,称为浓度商。 c ?A?· cb?B?
?<K 反应向正反应方向进行,v正>v逆 ? Qc?=K 反应处于化学平衡状态,v正=v逆 ?>K 反应向逆反应方向进行,v <v 。 正 逆 ? (3)利用化学平衡常数随温度的变化判断反应的热效应
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。
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设反应① Fe(s)+CO2(g) 反应② Fe(s)+H2O(g)
温度

FeO(s)+CO(g) ,Δ H1,其平衡常数为 K1。 FeO(s)+H2(g) ; Δ H2,其平衡常数为 K2。
K1 K2

在不同温度下,K1、K 2 的值如下:
973 K 1 173 K 1.47 2.15 2.38 1.67

(1)从上表可以推断:Δ H2
( 2)现有反应 ③ CO2(g)+H2(g)

<

0(填“>”或“<”)。

CO(g)+H2O(g) ;Δ H3,其平衡常数为 K3,

Δ H3= △H1-△H2 (用△H 、△H 表示) 1 1 K3 的值为 该反应是 (用 K1、K2 表示) ,

吸热 反应(填“放热”或“吸热”)。

练习2.在一固定容积的容器中充入一定量的N2、和H2在 一定温度下达平衡状态,此时平衡常数K=0.91 (mol?L)-1,写出该反应的化学方程式

利用方程式中各物质的系数等倍扩大或缩小, 平衡常数也会改变(包括数值和单位)。

【典例 3】 (山东高考)高温下,某反应达平衡,平衡常数 c?CO?· c?H2O? K= 。恒容时,温度升高,H2 浓度减小。下 c?CO2?· c?H2? 列说法正确的是( A )。 A.该反应的焓变为正值 B.恒温恒容下,增大压强,H2 浓度一定减小 C.升高温度,逆反应速率减小 D. 该反应的化学方程式为 CO+H2O CO+H2
平衡常数表达式→化学方程式

【思维启迪】 (1)由平衡常数表达式可知此反应的化学方 程式为 CO2+H2 CO+H2O。(2)温度升高,H2 浓度
转 解析

减小说明平衡右移,正反应为吸热反应。

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2.平衡转化率 对于一般的化学反应:aA+bB

cC+dD,达到平衡

c0?A?-c?A? 时反应物 A 的转化率为 α(A)= ×100%[c0(A) c0?A? 为 A 的初始浓度,c(A)为平衡时 A 的浓度]。

注意:(1)同一个反应中,反应物可以有多种,但不同 反应物的转化率可能不同。 (2)增大一种反应物的浓度,可以提高其他反应物的转 化率,工业生产中常常提高廉价原料的比例,从而增 大昂贵原料的转化率,如工业合成氨中增大氮气的浓 度,从而提高氢气的转化率。

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【典例 4】 (2013· 全国新课标Ⅱ,28 节选)在 1.0 L 密闭容器中放 入 0.10 mol A(g),在一定温度进行如下反应: A(g) B(g)+C(g) ΔH=+85.1 kJ· mol-1 反应时间(t)与容器内气体总压强(p)的数据见下表:
时间 t/h 总压强 p/100 kPa 0 1 2 4 8 16 20 25 30

4.91 5.58 6.32 7.31 8.54 9.50 9.52 9.53 9.53

回答下列问题:

(1)欲提高A的平衡转化率,应采取的措施为升高温度、降低压强 _______________

(2)由总压强p和起始压强p0计算反应物A的转化率,α(A)的表 p ( -1)×100% 94.1% ,列 达式为______________ 。平衡时A的转化率为_________ p0 见解析。 式并计算反应的平衡常数K__________
转 解析

一定温度下,在密闭容器中发生的反应
2NO2(g) N2O4(g); △H<0 假设 K的数值为a

Q 条件 c(N2O4) c2 (NO2)

K [N2O4] [NO2]2

平衡移动 方向

c(NO2)、c(N2O4) 都增加至2倍 c(NO2)、 c(N2O4) 都减小至1/2

a 2

a a

正向移动 逆向移动

2a

计算Q的数值并判断平衡移动的方向。

T℃时,在密闭容器中发生的反应
2NO2(g) N2O4(g);△H<0 假设K的数值为a

实验条件

现象(颜色变化)

现象变化的原因

增大压强 红棕色
减小压强 红棕色

先变深后变浅 V↓c(NO2)↑,平衡正移c(NO2)↓ 先变浅后变深 V↑c(NO2)↓,平衡逆移c(NO2)↑

旧状态
瞬时状态 (条件改变) 新状态

【练习】下列说法不正确的是( C D) A、某特定反应的平衡常数仅是温度的函数。 B、平衡常数发生改变,化学平衡必定发生 移动。 C、转化率发生改变,平衡常数必发生改变。 D、在化学平衡体系中,加一种反应物,则 另一种反应物的转化率必定增加。

等效平衡: 1、标志(唯一):两个平衡中同一物质的百分含量相同(其它的量不一 定相同) 2、分类: ①恒温恒容: ⊿V≠0 时: 两种投料全等( 此种情况宜用元素守恒法分析)

⊿V=0时:两种投料中的比例相同就行
②恒温恒压:两种投料中的比例相同就行 3、理论支持: ①极端转化法:不同的投料要转化为同一边的物质对应的量进行对 比

②平衡的建立与途径无关:投料可以等效;条件也可以等效

恒温恒容

2SO2 + O2
开始 2mol SO2 1mol O2

催化剂 加热

2SO3
平衡状态
SO2 a%

平衡状态
SO2 a%

开始
2mol SO3

O2 b%
SO3 c%

O2 b%
SO3 c%

?
1mol SO2 0.5mol O2 1mol SO3

恒温恒容

2SO2 + O2
平衡状态
SO2 a%

催化剂 加热

2SO3

开始
2mol SO2 1mol O2

O2 b%
SO3 c%

相当于开始加 入1molSO2、 0.5molO2和 1molSO3

开始 2mol SO3

平衡状态 SO2 a% O2 b% 平衡状态

SO3 c%

SO2 a%
O2 b% SO3 c%

2、平衡状态的建立与混合物的加入次数无关

2SO2 + O2
开始 4mol SO2 2mol O2 开始 2mol SO2 1mol O2

催化剂 加热

2SO3

恒温恒容

平衡状态 SO2 a% O2 b%

SO3 c%
平衡状态 SO2 x% 再向平衡体系中加入 2mol SO2 1mol O2

O2 y%
SO3 z%

( 1 )恒温恒容下,改变起始时加入物质的 物质的量 , 如通过可逆反应的化学计量数比 换算成同一半边的物质的物质的量与原平衡 相同,则达平衡后与原平衡等效.

例1、在恒温恒容下,按不同的投料方式进行 反应,平衡后体系内各组分浓度是否相同?

N2 + (1) (2) 1mol 0mol 1mol

3H2 4mol 1mol (3+1)mol

2NH3 0mol 2mol 0mol

(3)

0.5mol

2.5mol

1mol

(0.5+0.5)mol (2.5+1.5)mol 0mol 三条途径最终达同一平衡

[ 例 2] 在等温时在一个固定体积的密闭容器中,加 入2molA和1molB,发生反应: 2A(气) + B(气) 3C(气) + D(气) 达到平衡时,C的浓度为Wmol/L,若维持容器体 积和温度不变,按下列四种配比作为起始物质, 达到平衡后,C的浓度仍为Wmol/L的是( ) D A. 4molA+2molB B. 2molA+1molB+3molC+1molD C. 3molC+1molD+1molB D. 3molC+1molD

恒温恒容
开始 1mol H2 1mol I2

H2(g) + I2(g)
平衡状态 H2 a% I2 b% HI c% 1mol H2 1mol I2

催化剂 加热

2HI(g)

平衡状态 H2 a% I2 b% 平衡状态 HI c%

?

平衡状态 H2 a% I2 b% HI c%

2mol H2 2mol I2 1mol H2 1mol I2

H2 a%
I2 b% HI c%

(2)恒温恒容下,对于反应前后气体分子数 不变的可逆反应,如通过可逆反应的化学计量 数比换算成同一半边的物质的量的比例与原 平衡相同,两平衡等效。

恒温恒压

2SO2 + O2
平衡状态 SO2 a% O2 b%

催化剂 加热

2SO3
SO2 a% O2 b% SO3 c% SO2 a%

平衡状态 SO2 a%

开始 2mol SO2 1mol O2

O2 b%
SO3 c%

SO3 c%

O2 b%
开始 2mol SO3 平衡状态 SO2 a% O2 b% SO3 c% SO3 c% 平衡状态 SO2 a% O2 b%

SO3 c%

开始 4mol SO2 2mol O2

平衡状态 SO2 a% O2 b%

相当于开始加 入1molSO2、 0.5molO2

平衡状态 SO2 a% O2 b%

SO3 c%

SO3 c%

2SO2 + O2

催化剂 加热

2SO3

(3)定温定压下,起始加入量不同,但将生 成物按方程式系数向一边转化为反应物后, 若反应物的物质的量之比相同时,即能达到 同一平衡状态。

等效平衡问题
等效平衡小结
条件
恒温恒容 (△V(g)≠0) 恒温恒容 (△V(g)=0) 恒温恒压

等效条件
投料换算成相同物 质表示时量相同 投料换算成相同物 质表示时等比例

结果
两次平衡时各组分百分含量、n、 c均相同 (全等平衡) 两平衡时各组分百分含量相同, n、c同比例变化 (相似平衡)

投料换算成相同物 质表示时等比例

两次平衡时各组分百分含量、c 相同,n 同比例变化( 相似平衡)


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