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化学平衡状态判断大集合

来源:未知作者:赵宝 点击:所属专题: 平衡状态
为了帮助学生全面认识可逆反应达到化学平衡状态的判断依据,结合范例小结归纳如下,以供理解应用。 一、直接判据(即定义判据): 1.速率判据:对同一物质而言,v(正)=v(逆),反应达平衡; 对不同物质而言,某两种物质的速率比(其速率必须是异向的,能体现一正一逆)与平

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为了帮助学生全面认识可逆反应达到化学平衡状态的判断依据,结合范例小结归纳如下,以供理解应用。

 一、直接判据(即定义判据):

 1.速率判据:对同一物质而言,v(正)=v(逆),反应达平衡;对不同物质而言,某两种物质的速率比(其速率必须是异向的,能体现一正一逆)与平衡方程式的化学计量数比相等,反应达平衡。

对任意可逆反应aA(g)+bB(g) 化学平衡状态判断大集合cC(g)+dD(g)而言,达平衡的标志可有以下几种表述:

一是对同一物质而言,如物质A的消耗速率与A的生成速率相等。物质B、C、D类似表述均可。

二是对不同物质而言,如A的消耗速率与B的生成速率之比为a∶b;或A的消耗速率与C的消耗速率之比为a   :c;或C的消耗速率与D的生成速率之比为c  :d;或A的生成速率与C的生成速率之比为a   :c等等均可说明反应达平衡,因为若将以上两种物质的速率之比化为同一物质的速率,均符合v(正)=v(逆)。

三是从物质的微观变化判断,相当于速率判据。如同一种物质反应的分子数和生成的分子数相等,或同一种物质化学键的断裂和形成数目相等,反应均达平衡。又如不同物质参与反应的分子数和生成的分子数比(能反映二者速率为异向的均可)与平衡方程式的化学计量数比相等,则反应达平衡。

 2.浓度判据:反应体系中各组分的浓度保持不变,反应一定达到平衡。对任意可逆反应达平衡的标志可有以下三类说法:

一是有关物理量保持不变,如各组分的质量、物质的量、分子数、体积(气体)、物质的量浓度保持不变,则反应达平衡。

二是有关百分含量或分数保持不变,如各组分的质量分数、物质的量分数、气体的体积分数保持不变,则反应达平衡。

三是有关转化率、产率保持不变,如反应物的转化率、产物的产率保持不变,说明各物质的量不再改变,则反应达平衡。

例1.能证明可逆反应N2(g)+3H2(g)  化学平衡状态判断大集合2NH3(g)已达到平衡状态的是( )

①一个N≡N键断裂的同时,有3个H-H键断裂

②一个N≡N键断裂的同时,有6个N-H键断裂

③3v(正、N2)= v(逆、H2)

④3molH2分子反应掉的同时有2molNH3分子反应掉的

⑤N2、H2、NH3分子数比之为1:3:2的状态

⑥v(N2)、v(H2)、v(NH3)之比为1:3:2的状态

⑦v(正、H2)=0.6mol·L-1·min-1,v(逆、NH3)=0.4mol·L-1·min-1

A.①②③④⑤⑥⑦                              B.②④⑤⑥                         C.②③④⑦                                                      D.③⑤⑥⑦

解析:在可逆反应中,N2、H2、NH3的反应速率之比的关系始终都是1:3:2,不能说明v(正)=v(逆),⑥无法判断反应是否达平衡。N2、H2、NH3的分子数之比为1:3:2,只能说明投料后不论反应达平衡还是未达平衡,反应已进行到某种状态,有可能偶然与平衡方程式的化学计量数比相等,但⑤不能作为平衡的判据。一个N≡N键断裂的同时,有3个H-H键断裂,所表现得均是正反应速率,①不能说明反应达到平衡。②一个N≡N键断裂的同时,有6个N-H键断裂,说明反应掉1moLN2同时反应掉2molNH3;④3mol H2分子反应掉的同时有2molNH3分子反应掉的;③3v(正、N2)= v(逆、H2);⑦v(正、H2)∶v(逆、NH3)=3∶2,均能反映二者速率为异向,且与平衡方程式的化学计量数比相等,则②③④⑦均能说明反应达平衡。正确答案为C。

例2.在恒温恒容下,将一定量的二氧化氮与二氧化硫混合后发生如下反应:NO2(g)+SO2(g)  化学平衡状态判断大集合SO3(g)+NO(g)。该反应达到平衡状态的标志是(         )

A.NO2、SO2、SO3和NO四种气体的物质的量浓度之比为1:1:1:1

B.该反应的平衡常数K不再发生变化

C.反应体系中各组分的物质的量浓度不再改变

D.反应体系中SO2和SO3的百分含量相等

解析:四种气体的物质的量浓度之比恰为平衡方程式的化学计量数比相等,不论反应达平衡还是未达平衡均有可能,不能作为平衡的判据。不论反应达平衡还是未达平衡,只要当温度一定,平衡常数K不再发生变化,也不能作为平衡的判据。各组分的百分含量保持不变,不意味着各组分的百分含量相等,SO2和SO3的百分含量相等同样也不能作为平衡的判据。正确答案为C。

 感悟:速率判据是本质,凡是能体现“一正一逆”且能说明速率相等的,反应一定达平衡。浓度判据是特征,凡是能说明各组分的浓度保持不变的各种物理量,反应一定达到平衡。

 二、间接判据(要视具体平衡反应分析):

1.各种物理量的总量判据:反应体系中混合气体的总物质的量n(总)、总分子数N(总)、总体积V(总)、总压强P(总)等保持一定或不变,反应不一定达平衡。

若反应为aA(g)+bB(g) 化学平衡状态判断大集合cC(g)+dD(g),且a+b≠c+d,则反应一定达平衡。因为反应未达平衡,混合气体的n(总)、N(总)、V(总)、P(总)等都是个可变量。

若反应为aA(g)+bB(g)  化学平衡状态判断大集合cC(g)+dD(g),且a+b=c+d,则反应不一定达平衡。因为不论达平衡与未达平衡,混合气体的n(总)、N(总)、V(总)、P(总)等都是个恒定值或不变量,故它们都不能作为平衡的判据。

 2.混合气体的平均摩尔质量或平均相对分子质量的判据:反应体系中混合气体的平均摩尔质量或平均相对分子质量(M=m/n)保持一定或不变,反应不一定达平衡。

若反应为aA(g)+bB(g)  化学平衡状态判断大集合cC(g)+dD(g),且a+b≠c+d,M一定,则反应一定达平衡。因为未达平衡,反应体系中混合气体的质量m不变,而混合气体的物质的量n在变化,故M是个可变量。

若反应为aA(g)+bB(g)  化学平衡状态判断大集合cC(g)+dD(g),且a+b=c+d,M一定,则反应不一定达平衡。因为在反应体系中混合气体的质量m与物质的量n都不变,M不论达平衡与未达平衡都是个恒定值或不变量,不能作为平衡的判据。

若反应物与生成物有固体参与反应的,要视具体平衡反应分析。

如在恒温恒压下发生A(s)+3B(g)  化学平衡状态判断大集合2C(g)+D(g)反应,某时刻发现混合气体的平均摩尔质量M保持不变,则反应达平衡。因为未达平衡,反应体系中混合气体的质量m变化,而混合气体的物质的量n不变,故M是个可变量。

又如在恒温恒压下发生A(s)  化学平衡状态判断大集合3C(g)+2D(s)反应,某时刻发现混合气体的平均摩尔质量M保持不变,则反应不一定达平衡。因为在反应体系中混合气体的质量m与物质的量n都在变化,但气体只有C一种,它的摩尔质量是个恒定值或不变量,不能作为平衡的判据。

3.混合气体密度的判据:反应体系中混合气体的密度(ρ=m/V)保持一定或不变,反应不一定达平衡。

若反应为aA(g)+bB(g)  化学平衡状态判断大集合cC(g)+dD(g),在体积固定的密闭容器中,混合气体的密度保持不变,则反应不一定达平衡。因为不论反应前后气体体积是否相等,在反应中混合气体质量m不变,混合气体体积V就是容器的体积始终保持不变,密度ρ是个恒定值,不随时间的变化而变化,不能作为平衡的判据。

若反应为aA(g)+bB(g)  化学平衡状态判断大集合cC(g)+dD(g),在压强固定的密闭容器中,混合气体的密度保持不变,则反应不一定达平衡。如果a+b≠c+d,说明随着反应的进行,气体质量m不变,气体体积随容器体积变化而变化,所以混合气体的密度ρ是个可变量,ρ不变说明反应已达平衡。如果a+b=c+d,说明随着反应的进行,气体的m、V均不变,ρ是个恒定值,显然不能作为平衡的判据。

若反应物与生成物有固体参与反应的,要视具体平衡反应分析。

如反应C(s)+H2O(g)  化学平衡状态判断大集合CO(g)+H2(G),在体积固定的密闭容器中,某时刻发现混合气体的密度保持不变,则反应达平衡。因为该反应中有固体参加,m是个可变量,而V是个不变量,所以ρ不变说明反应已达平衡。

又如反应C(s)+H2O(g) 化学平衡状态判断大集合CO(g)+H2(g),在压强固定的密闭容器中,某时刻发现混合气体的密度保持不变,则反应达平衡。因为在该反应中m、V都是可变量且随反应进行都在增大,其比值不易比较,可以考虑密度和平均摩尔质量成正比,反应从正向开始时H2O为18g/mol,假设完全生成CO、H2时平均摩尔质量为15g/mol,所以随反应进行M在减小,ρ也在减小,ρ是个可变量,若ρ不变,说明反应已达平衡。

4.颜色判据:有颜色物质参与反应的平衡,若颜色不变,反应一定达平衡。

因为颜色的深浅代表着有色物质的浓度大小,颜色不变,则有色物质的浓度不变,则反应已达平衡。

如在体积固定的密闭容器中发生可逆反应:2NO2(g)  化学平衡状态判断大集合N2O4(g),某时刻颜色不变,反应已达平衡。

但必须注意颜色改变平衡并不一定发生移动。如2HI(g) 化学平衡状态判断大集合H2(g)+I2(g)反应中,改变体积颜色肯定改变,但平衡不会发生移动,这种颜色改变是由体积变化导致的。

5.绝热体系的温度判据:绝热条件下是指容器不导热,与外界没有热量交换,即外界热量进不去,内部热量出不来的情况。由于任何化学反应都伴随着能量变化,正、逆反应的热效应是不同的。在绝热条件下,体系内部的温度在未达到平衡时是个可变量。因此,绝热条件下,体系内部的温度不随时间的改变而改变时,则反应已达平衡。

例3.(2010•上海高考25改编)接触法制硫酸工艺中,其主反应在450℃并有催化剂存在下进行:2SO2(g)+O2(g) 化学平衡状态判断大集合2SO3(g)。下列描述中能说明上述反应已达平衡的是(         )

A.v(正、O2)=2v(逆、SO3

B.容器中气体的平均相对分子质量不随时间而变化

C.容器中气体的密度不随时间而变化

D.容器中气体的分子总数不随时间而变化

解析:用不同物质表示的正逆反应速率之比等于平衡方程式系数比,达平衡,但选项A比值错。选项C只有在恒压容器中才正确,恒容时错。这是一个反应前后气体体积不等的可逆反应,平均相对分子质量、分子总数不变均可作平衡判据,选项B、D不论是在恒压容器还是在恒容容器中都正确。正确答案为BD。

例4.(2011•山东高考28改编)研究NO2、SO2 、CO等大气污染气体的处理具有重要意义。一定条件下,将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应NO2(g)+SO2(g) 化学平衡状态判断大集合SO3(g)+NO(g)。下列能说明反应达到平衡状态的是(         )

A.体系压强保持不变

B.混合气体颜色保持不变

C.SO3和NO的体积比保持不变

D.每消耗1 moL SO3的同时生成1 moLNO2

解析:这是一个反应前后气体体积相等的可逆反应,体系压强、两种生成物SO3和NO气体体积比等均不能作为平衡判据,选项A、C错。选项D所表示的是同向反应,不能说明达平衡。选项B混合气体颜色保持不变,可作平衡判据。正确答案为B。

例5.(2011•浙江高考27改编)将一定量纯净的氨基甲酸铵(NH2COONH4)置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变,固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:NH2COONH4(s)  化学平衡状态判断大集合2NH3(g)+CO2(g)。可以判断该分解反应已经达到化学平衡的是(         )

A.2v(NH3)=v(CO)                                         B.密闭容器中总压强不变                         C.密闭容器中混合气体的密度不变         D.密闭容器中氨气的体积分数不变

解析:选项A未指明速率方向,不能作为平衡判据。由于反应物不是气体且反应从固体开始反应,故密闭容器中氨气的体积分数始终为2/3,是个恒定值,选项D错。这是一个反应前后气体体积不等的可逆反应,总压强不变可作平衡判据,选项B对。容器体积不变,混合气体密度由两种气体生成物的质量决定,m是个可变量,所以ρ不变说明反应已达平衡,选项C对。正确答案为BC。

 感悟:在用n(总)、N(总)、V(总)、P(总)、M、ρ、T等判断反应是否达平衡时,既要紧扣可逆反应中的化学计量数,分析反应前后气体体积是否相等,又要注意这些判据中的各量哪些是可变量,哪些是不变量。凡是可变量保持不变,均可说明反应已达平衡;凡是不变量或恒定值保持不变,就不能作为达平衡的判据。解答此类题,审题是关键。如等温等容与等温等压、全是气体参与的反应是否等体积反应、气体参与反应是否有固体参与等限制条件,审题不到位,结果往往相反。

 三、浓度商与平衡常数判据(是个定量判据):

在一定温度下,任意可逆反应在某一时刻的浓度商Q与该反应的 化学平衡状态判断大集合化学平衡常数K进行比较,若Q=K,则反应达平衡;若Q≠K,则反应未达平衡。若Q<K,则反应正向进行;若Q>K,则反应逆向进行。

例6.恒温下,在容积为2 L的恒容密闭容器A中通入1 mol N2与1mol H2的混合气体,发生如下反应:N2(g)+3H2(g)  化学平衡状态判断大集合2NH3(g),△H<0,一段时间后,达到平衡,若平衡时氨气的物质的量为0.4mol。

(1)此温度时该反应的K值为_____________     。

(2)若在此温度下,向另一容积为2L的恒容容器B中按物质的量分别为2 mol、1 mol、1 mol充入N2、H2、NH3,此时,该反应是否处于平衡状态______(填“是”或“否”),此时若没有达平衡,反应向________方向进行。

解析:(1)达平衡时,NH3为0.4mol,则反应掉的N2、H2分别为0.2mol、0.6 mol,平衡时N2、H2、NH3的平衡浓度(mol·L-1)分别为0.4、0.2、0.2。K= c2(NH3)/[c(N2)×c3(H2)]= (0.2)2/[(0.4)×(0.2)3]=12.5

(2)Q=(0.5)2/[(1)×(0.5)3]=2<12.5,反应未达平衡状态,反应向正反应方向进行。

(责任编辑:化学自习室)
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