化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

■河南省鄲城縣第一高級(jí)中學(xué) 李永彬

【基本概念辨析】

1.可逆反應(yīng)。

(1)概念:在相同條件下，既能向正反應(yīng)方向進(jìn)行，又能向逆反應(yīng)方向進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。

(2)特點(diǎn)——“二同一不能”。

①“二同”:同一條件下，正、逆反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。

②“一不能”:反應(yīng)物和生成物同時(shí)存在，任意物質(zhì)不能全轉(zhuǎn)化為生成物，即反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率小于100%。

2.化學(xué)平衡狀態(tài)。

(1)建立過(guò)程:一定條件下的可逆反應(yīng)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)體系中所有參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度保持不變的狀態(tài)(如圖1)。

(2)特點(diǎn):①逆:化學(xué)平衡研究的對(duì)象是可逆反應(yīng)。②等:達(dá)到平衡時(shí)正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等。③定:達(dá)到平衡時(shí)反應(yīng)體系中各組分的濃度保持恒定。④動(dòng):化學(xué)平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。⑤變:當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，平衡可能發(fā)生移動(dòng)。

【考點(diǎn)誤區(qū)警示】

圖1

(1)對(duì)于在不同條件下進(jìn)行的反應(yīng)物和生成物相反的反應(yīng)不能認(rèn)為是可逆反應(yīng)。如不是可逆反應(yīng)。(2)對(duì)于可逆反應(yīng)，無(wú)論什么條件下，反應(yīng)物都不可能完全轉(zhuǎn)化為生成物。如H2+I2?2HI的反應(yīng)體系中，加入1mol H2與1molI2充分反應(yīng)后，生成HI的量一定小于2mol。(3)可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率不等于零。(4)對(duì)于有特征現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)，可以通過(guò)觀察現(xiàn)象來(lái)判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡，如Fe3++3SCN-?Fe(SCN)3的反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)體系的顏色不再改變時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡。(5)外界條件發(fā)生變化，化學(xué)平衡狀態(tài)不一定發(fā)生移動(dòng)，如使用催化劑。

【平衡狀態(tài)判據(jù)】

化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷問(wèn)題是常見(jiàn)的考題，要求考生正確理解化學(xué)平衡狀態(tài)的本質(zhì)(即正、逆反應(yīng)速率相等)、化學(xué)平衡狀態(tài)的表現(xiàn)(如各組分濃度和百分含量、反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率保持不變)，以及從化學(xué)平衡狀態(tài)的概念中延伸出平衡體系中氣體的相對(duì)分子質(zhì)量、密度等。

常用到的判斷標(biāo)志為:

1.直接判斷依據(jù)。

v正(A)=v逆(A)＞0

各物質(zhì)濃度保持不變}?達(dá)到平衡狀態(tài)

2.間接判斷依據(jù):反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正、逆反應(yīng)速率相等，平衡時(shí)各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度、含量等不再發(fā)生變化，以及由此衍生的其他量不變，并由此進(jìn)行判斷。注意理解化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷，選擇的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變，說(shuō)明到達(dá)平衡。具體方法如下:

(1)速率法:①同一物質(zhì)的v正=v逆≠0，對(duì)于不同物質(zhì)的速率要通過(guò)化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化為同一物質(zhì)的速率；②同一物質(zhì)化學(xué)鍵斷裂速率與化學(xué)鍵生成速率相等。用速率描述時(shí)，一定要注意一“正”、一“逆”，且相等。

(2)壓強(qiáng)法:對(duì)于反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)不等的可逆反應(yīng)，在未達(dá)到平衡之前，等容密閉容器中氣體的總的物質(zhì)的量始終在改變，氣體的壓強(qiáng)也會(huì)隨著改變，因此，體系內(nèi)的總壓強(qiáng)不變時(shí)說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)。對(duì)于等容條件下反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)相等的可逆反應(yīng)，體系內(nèi)的總壓強(qiáng)始終是不變的，體系內(nèi)的總壓強(qiáng)不變不能作為判定是否達(dá)到平衡狀態(tài)的依據(jù)。壓強(qiáng)對(duì)平衡的影響實(shí)質(zhì)是濃度的影響，因此要注意充入無(wú)關(guān)氣體時(shí)的兩種情況:恒容時(shí)，雖然總壓增大，但有關(guān)氣體的濃度不變，故平衡不移動(dòng)；恒壓時(shí)，雖然總壓不變，但有關(guān)氣體的濃度減小，平衡向著氣體體積增大的方向移動(dòng)。

(3)體積法:對(duì)于反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)不等的可逆反應(yīng)，在未達(dá)到平衡之前，等壓密閉容器中氣體的總的物質(zhì)的量始終在改變，氣體體積也會(huì)隨之改變，因此，體系內(nèi)的總體積不變時(shí)說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)。對(duì)于等壓條件下反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)相等的可逆反應(yīng)，體系內(nèi)的總體積始終是不變的，體系內(nèi)的總體積不變不能作為判定是否達(dá)到平衡狀態(tài)的依據(jù)。

(6)顏色法:有顏色物質(zhì)參加或生成的可逆反應(yīng)，體系的顏色不隨時(shí)間的改變而改變時(shí)，可判斷該可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)；常見(jiàn)的有色氣體有 NO2、Br2、I2。

(7)化學(xué)平衡常數(shù)法:一定溫度下的可逆反應(yīng)，如果生成物濃度的冪之積與反應(yīng)物濃度的冪之積的比值(即濃度商)，與該溫度的化學(xué)平衡常數(shù)相等，可判斷該反應(yīng)處于化學(xué)平衡狀態(tài)。濃度商大于Kc時(shí)，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)；濃度商等于Kc時(shí)，平衡不移動(dòng)；濃度商小于Kc時(shí)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)。

(8)轉(zhuǎn)化率法:可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，反應(yīng)混合物各物質(zhì)的含量保持不變，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不變。

恒容時(shí)改變反應(yīng)物的用量對(duì)轉(zhuǎn)化率(α)的影響:

①若反應(yīng)物只有一種，如aA(g)?bB(g)+cC(g)，增加A的量，若a=b+c，則α(A)不變；若a＞b+c，則α(A)增大；若a＜b+c，則α(A)減小。a≠b+c時(shí)，增大或減小反應(yīng)物的濃度，平衡按加壓或減壓處理。

②若反應(yīng)物不止一種，如mA(g)+nB(g)?pC(g)+qD(g)，若只增加A的量，則平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，α(A)減小而α(B)增大；若同倍數(shù)地同時(shí)增大或減小各反應(yīng)物的濃度，平衡也按加壓或減壓處理。

【典型例題剖析】

例1反應(yīng)N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)ΔH＜0，若在恒壓絕熱容器中發(fā)生，下列選項(xiàng)表明反應(yīng)一定已達(dá)平衡狀態(tài)的是( )。

A.容器內(nèi)的溫度不再變化

B.容器內(nèi)的壓強(qiáng)不再變化

C.相同時(shí)間內(nèi)，斷開(kāi) H-H 鍵的數(shù)目和生成N-H鍵的數(shù)目相等

D.容器內(nèi)氣體的濃度c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2

解析：該反應(yīng)在絕熱容器中發(fā)生，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，容器內(nèi)的溫度不再變化，反應(yīng)一定達(dá)到平衡狀態(tài)，A項(xiàng)正確；該反應(yīng)在恒壓容器中發(fā)生，壓強(qiáng)始終相等，容器內(nèi)的壓強(qiáng)不能作為化學(xué)平衡狀態(tài)的判據(jù)，B項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)反應(yīng)方程式可得，斷開(kāi)H—H鍵和生成N—H鍵的反應(yīng)進(jìn)行的方向相同，不能作為化學(xué)平衡狀態(tài)的判據(jù)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；容器內(nèi)氣體的濃度c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2，不能作為化學(xué)平衡狀態(tài)的判據(jù)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

答案：A

例2合成氨所需的氫氣可用煤和水作原料經(jīng)過(guò)多步反應(yīng)制得，其中的一步反應(yīng)為:

ΔH＜0。反應(yīng)達(dá)到平衡后，為提高CO的轉(zhuǎn)化率，下列措施中正確的是( )。

A.增加壓強(qiáng) B.降低溫度

C.增大CO的濃度 D.更換催化劑

解析：A項(xiàng)，增加壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率不變，錯(cuò)誤；B項(xiàng)，降低溫度平衡正向移動(dòng)，正確；C項(xiàng)，增大CO的濃度，CO的轉(zhuǎn)化率降低，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，催化劑對(duì)平衡無(wú)影響，錯(cuò)誤。

答案：B

例3一定條件下，將NO2與SO2以體積比1∶2置于密閉容器中發(fā)生反應(yīng)NO2(g)+SO2(g)?SO3(g)+NO(g)，下列能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是( )。

A.體系壓強(qiáng)保持不變

B.混合氣體顏色保持不變

C.SO3和NO的體積比保持不變

D.每消耗1molSO3的同時(shí)生成1molNO2

解析：反應(yīng)前后氣體分子數(shù)不變，故體系的壓強(qiáng)始終不變，不能確定是否平衡；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，NO2的濃度減小，顏色變淺，不變則達(dá)平衡；SO3和NO都是生成物，比例保持1∶1，不能確定是否平衡；D中所述的兩個(gè)速率都是逆反應(yīng)速率，不能確定是否平衡。

答案：B

例4在容積為1.00L的容器中，通入一定量的N2O4，發(fā)生反應(yīng)N2O4(g)?2NO2(g)，隨溫度升高，混合氣體的顏色變深。

回答下列問(wèn)題:

(1)反應(yīng)的 ΔH____0(填“大于”或“小于”)；100℃時(shí)，體系中各物質(zhì)濃度隨時(shí)間變化如圖2所示。在0～60s時(shí)段，反應(yīng)速率v(N2O4)為_(kāi)___mol·L-1·s-1，反應(yīng)的平衡常數(shù)K1為_(kāi)___。

圖2

(2)100℃時(shí)達(dá)到平衡后，改變反應(yīng)溫度為T(mén)，c(N2O4)以0.0020mol·L-1·s-1的平均速率降低，經(jīng)10s又達(dá)到平衡。

①T____100℃(填“大于”或“小于”)，判斷理由是____。

②列式計(jì)算溫度T時(shí)反應(yīng)的平衡常數(shù)K2:___。

(3)溫度T時(shí)反應(yīng)達(dá)平衡后，將反應(yīng)容器的容積減少一半，平衡向____(填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向移動(dòng)，判斷理由是____。

解析：(1)溫度升高，體系的顏色加深，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)吸熱，ΔH＞0；v(N2O4)=

起始:0.1mol·L-10

轉(zhuǎn)化:0.06mol·L-10.12mol·L-1

平衡:0.04mol·L-10.12mol·L-1

(2)①升高溫度，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，T大于100℃。

②c(N2O4)以0.0020mol·L-1·s-1的平均速率降低，經(jīng)10s又達(dá)到平衡，依據(jù)溫度越高，反應(yīng)速率越快，可列三段式:

起始:0.04mol·L-10.12mol·L-1

轉(zhuǎn)化:0.02mol·L-10.04mol·L-1

平衡:0.02mol·L-10.16mol·L-1

(3)該反應(yīng)正向是氣體體積增大的反應(yīng)，容器體積減小，壓強(qiáng)增大，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。

答案：(1)大于 0.001 0.36mol·L-1

(2)①大于 反應(yīng)正方向吸熱，反應(yīng)向吸熱方向進(jìn)行，故溫度升高

(3)逆反應(yīng) 對(duì)氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)