一、化學平衡狀態(tài)的判斷1.根據(jù)平衡特征直接判斷
2.根據(jù)外界條件和性質(zhì)間接判斷
例1????一定溫度下,在一固定體積的密閉容器中,對于可逆反應A(s)+3B(g) ?2C(g),下列說法說明達到平衡狀態(tài)的是?(　　)①C的生成速率和C的分解速率相等;②單位時間內(nèi)生成a ml A,同時生成3a ml B;③氣體密度不再變化;④混合氣體的總壓強不再變化;⑤A、B、C的物質(zhì)的量之比為1∶3∶2;⑥混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變。A.②④⑤　　B.①③④⑥C.①②④⑥　　D.①②③④⑤
解題導引　判斷反應是否達到平衡狀態(tài):如果是一個變化的量不再變化, 說明反應達到了平衡狀態(tài);如果是一個一直不變的量,不可以作為判斷反 應是否達到平衡狀態(tài)的標志。
解析　C的生成速率與C的分解速率相等,v正=v逆,說明反應已達到平衡狀 態(tài),①正確;單位時間內(nèi)生成a ml A是逆反應,同時生成3a ml B也是逆反 應,無法確定是否平衡,②錯誤;ρ=m/V,有固體參加反應,氣體的總質(zhì)量會 變,體積不變,密度是一個隨反應變化的量,當不再變化時說明達到平衡狀 態(tài),③正確;反應前后氣體分子數(shù)發(fā)生改變,體積恒定,氣體總壓強是一個 隨反應變化的量,當不再變化時說明達到平衡狀態(tài),④正確;⑤平衡時各物 質(zhì)的物質(zhì)的量之比取決于物質(zhì)的起始物質(zhì)的量和轉(zhuǎn)化率,故A、B、C的 物質(zhì)的量之比為1∶3∶2不能作為判斷是否達到平衡狀態(tài)的依據(jù),⑤錯 誤;題給反應中混合氣體的平均相對分子質(zhì)量是一個隨反應變化的量,當 不再變化時說明達到平衡狀態(tài),⑥正確;故選B。
二、化學平衡圖像(一)化學平衡相關圖像類型1.速率—溫度(壓強)圖像例如:N2(g)+3H2(g)? 2NH3(g)????ΔH=-92.4 kJ·ml-1?圖中交點是平衡狀態(tài),溫度升高后逆反應速率增大得快,平衡逆向移動;壓
強增大后正反應速率增大得快,平衡正向移動。2.轉(zhuǎn)化率(或百分含量)—溫度(壓強)—時間圖像已知不同溫度或壓強下,反應物的轉(zhuǎn)化率α(或百分含量)與時間的關系曲 線,推斷溫度的高低、反應的熱效應、壓強的大小及氣體物質(zhì)間的化學 計量數(shù)的關系。[以mA(g)+nB(g)? qC(g)中反應物的轉(zhuǎn)化率αA為例說明]?
解答這類圖像題時應注意以下兩點:(1)“先拐先平,數(shù)值大”原則分析反應由開始(起始物質(zhì)相同)達到平衡所用時間的長短可推知反應條 件的變化。①若為溫度差別所引起的,溫度較高時,反應達平衡所需時間短。如圖甲 中T2>T1。②若為壓強差別所引起的,壓強較大時,反應達平衡所需時間短。如圖乙 中p1>p2。③若使用了適宜催化劑,反應達平衡所需時間短。如圖丙中曲線a對應反 應使用了催化劑。(2)正確掌握圖像中反應規(guī)律的判斷方法
①圖甲中,T2>T1,升高溫度,αA降低,平衡逆向移動,正反應為放熱反應。②圖乙中,p1>p2,增大壓強,αA升高,平衡正向移動,則正反應為氣體體積縮 小的反應。③若縱坐標表示A的百分含量,則圖甲中正反應為吸熱反應,圖乙中正反 應為氣體體積增大的反應。3.恒溫線(恒壓線)圖像已知不同溫度下的轉(zhuǎn)化率—壓強圖像或不同壓強下的轉(zhuǎn)化率—溫度圖 像,推斷反應的熱效應或反應前后氣體物質(zhì)間化學計量數(shù)的關系。[以反 應mA(g)+nB(g)? qC(g)中反應物的轉(zhuǎn)化率αA為例說明]
?解答這類圖像題時應從兩方面入手:(1)“定一議二”原則:可通過分析相同溫度下不同壓強時反應物A的轉(zhuǎn) 化率大小來判斷平衡移動的方向,從而確定反應方程式中反應物與產(chǎn)物 氣體物質(zhì)間的化學計量數(shù)的大小關系。如圖甲中任取一條溫度曲線研 究,壓強增大,αA增大,平衡正向移動,正反應為氣體體積減小的反應;圖乙
中任取橫軸上的一點作垂線,也能得出結論。(2)通過分析相同壓強下不同溫度時反應物A的轉(zhuǎn)化率的大小來判斷平衡 移動的方向,從而確定反應的熱效應。如利用上述分析方法,在圖甲中對 橫軸上的一點作垂線,或在圖乙中任取一曲線,即能分析出正反應為放熱 反應。4.幾種特殊圖像(1)對于化學反應mA(g)+nB(g)? pC(g)+qD(g),M點前,表示化學反應從反應物開始,則v正>v逆;M點為剛達到的平衡點。M點后為平衡受溫度的影 響情況,即升溫,A%增大(C%減小),平衡左移,ΔHv逆;同理,右下方F點處v正< v逆。
?(二)化學平衡相關圖像題的解題步驟?
例2????(2020濟南二中高三線上檢測,12)向某容積為2 L的恒容密閉容器中 充入2 ml X(g)和1 ml Y(g),發(fā)生反應2X(g)+Y(g)?3Z(g)。反應過程中,持續(xù)升高溫度,測得混合體系中X的體積分數(shù)與溫度的關系如圖所 示。下列推斷正確的是?(　　)?A.M點時,Y的轉(zhuǎn)化率最大B.平衡后充入X,達到新平衡時X的體積分數(shù)減小
C.升高溫度,平衡常數(shù)減小D.W、M兩點Y的正反應速率相同
解題導引　分析圖像時要注意橫坐標、縱坐標的意義以及曲線的變化 情況,對圖像上的點進行定性與定量相結合的分析。
解析　起始時向容器中充入2 ml X(g)和1 ml Y(g),反應從左到右進行, 結合圖像,由起點至Q點,X的體積分數(shù)減小;Q點之后,隨著溫度升高,X的 體積分數(shù)增大,意味著Q點時反應達到平衡狀態(tài),溫度升高,平衡逆向移動, 反應從右向左進行。Q點之前,反應向右進行,Y的轉(zhuǎn)化率不斷增大,Q點→ M點的過程中,平衡逆向移動,Y的轉(zhuǎn)化率下降,因此Q點時Y的轉(zhuǎn)化率最 大,A錯誤;平衡后充入X,X的體積分數(shù)增大,平衡正向移動,根據(jù)勒夏特列 原理,平衡移動只能減弱而不能抵消這種改變,達到新的平衡時,X的體積 分數(shù)仍比原平衡大,B錯誤;根據(jù)以上分析,升高溫度,平衡逆向移動,平衡常 數(shù)減小,C正確;容器體積不變,W、M兩點X的體積分數(shù)相同,Y的體積分數(shù) 及濃度也相同,但M點溫度更高,Y的正反應速率更快,D錯誤;故選C。
一、應用“三段式”法解化學平衡的有關計算1.化學平衡的計算一般涉及化學平衡常數(shù)、各組分的物質(zhì)的量、濃度、 轉(zhuǎn)化率、百分含量等,通過寫出化學方程式,先列出相關量(起始量、轉(zhuǎn)化 量、平衡量),然后根據(jù)已知條件建立關系式進行解題。2.可按下列步驟建立模型,確定關系式進行計算。如可逆反應mA(g)+nB (g)? pC(g)+qD(g),在體積為V L的恒容密閉容器中,反應物A、B的初始加入量分別為a ml、b ml,達到化學平衡時,設A物質(zhì)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量 為mx ml。(1)模型mA(g)+　????nB(g)? 　????pC(g)+　????qD(g)起始量/ml　????a　????b　　0　　0
轉(zhuǎn)化量/ml　????mx　????nx　????px　????qx平衡量/ml　????a-mx　????b-nx　????px　????qx則有:①平衡常數(shù):K=?。②平衡時A的物質(zhì)的量濃度:c(A)=? ml·L-1。③平衡時A的轉(zhuǎn)化率:α(A)=?×100%,A、B的轉(zhuǎn)化率之比為α(A)∶α(B)=?∶?。④平衡時A的體積分數(shù):φ(A)=?×100%。
⑤平衡時和開始時的壓強比:?=?。⑥平衡時混合氣體的平均摩爾質(zhì)量?=?。(2)基本步驟①寫出可逆反應化學方程式;②確定反應物和生成物的初始加入量;③確定反應過程的轉(zhuǎn)化量;④確定平衡量。
例1????(2020臨沂一模,13)甲、乙均為1 L的恒容密閉容器,向甲中充入1 ml CH4和1 ml CO2,乙中充入1 ml CH4和n ml CO2,在催化劑存在下發(fā) 生反應:CH4(g)+CO2(g)?2CO(g)+2H2(g),測得CH4的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化如圖所示。下列說法正確的是?(　　)?
A.該反應的正反應是吸熱反應B.773 K時,該反應的平衡常數(shù)小于的體積分數(shù):φ(b)=φ(c)D.873 K時,向甲的平衡體系中再充入CO2、CH4各0.4 ml,CO、H2各1.2 ml,平衡不發(fā)生移動
解析　溫度升高,CH4的平衡轉(zhuǎn)化率增大,說明溫度升高有利于反應正向 進行,則正反應為吸熱反應,A正確;873 K時,c點CH4的平衡轉(zhuǎn)化率為60%, 列“三段式”:?則K=?=12.96,溫度升高,CH4的平衡轉(zhuǎn)化率增大,平衡正向移動,平衡常數(shù)增大,則773 K時該反應的平衡常數(shù)小于12.96,B正確;根據(jù)圖像,相 同溫度下乙中甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率大于甲中,則n>1,b、c點甲烷的平衡轉(zhuǎn) 化率相等,則兩點平衡時體系中CH4、CO、H2物質(zhì)的量分別相等,但b中
CO2物質(zhì)的量大于c中,則H2的體積分數(shù):φ(b)K=12.96,平衡逆向移動,D錯誤。
題目價值　在化學平衡的計算中,常常要計算反應物的轉(zhuǎn)化率、各組分 的轉(zhuǎn)化濃度、轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量、平衡濃度、平衡時物質(zhì)的量等,如果用 “三段式”法進行計算,能夠快速得到結果。
二、突破壓強平衡常數(shù)Kp計算近幾年高考試題,壓強化學平衡常數(shù)幾乎成了必考內(nèi)容。1.概念:在化學平衡體系中,用各氣體物質(zhì)的平衡分壓替代濃度來計算平 衡常數(shù),稱為壓強平衡常數(shù)。2.計算步驟(1)根據(jù)“三段式”法計算平衡體系中各氣體物質(zhì)的物質(zhì)的量或物質(zhì)的 量濃度;(2)計算各氣體組分的物質(zhì)的量分數(shù)(或體積分數(shù));(3)根據(jù)分壓計算公式求出各氣體物質(zhì)的平衡分壓,某氣體的平衡分壓=氣 體總壓強×該氣體的物質(zhì)的量分數(shù)(或體積分數(shù));(4)根據(jù)平衡常數(shù)計算公式代入計算。
例2????(2020山東等級考模擬二,15)氨基甲酸銨發(fā)生分解的化學方程式為 NH2COONH4(s)?2NH3(g)+CO2(g)。利用如下裝置測定不同溫度下該反應以分壓表示的化學平衡常數(shù)Kp,實驗步驟如下:(Ⅰ)關閉K3,打開K1和K2,開啟真空泵抽氣至測壓儀數(shù)值穩(wěn)定后關閉K1;(Ⅱ)關閉K2,緩慢開啟K3至U形管兩邊液面相平并保持不變,讀取壓強數(shù) 值。記錄25 ℃、30 ℃下壓強分別為12.0 kPa、17.1 kPa。下列說法錯誤 的是?(　　)
?A.氨基甲酸銨分解反應的ΔH>0B.該反應25 ℃時的化學平衡常數(shù)?=2.56×1011 Pa3C.步驟Ⅰ中測壓儀數(shù)值未穩(wěn)定即關閉K1,Kp測量值偏小
D.步驟Ⅱ中讀數(shù)時U形管左側液面偏高,Kp測量值偏小
解析　溫度升高氣壓增大,由反應可知,平衡正移,則正反應為吸熱反應,A 正確;設CO2的壓強為x Pa,則NH3的壓強為2x Pa,總壓強為12.0 kPa,則p(CO 2)=?=4 000 Pa,p(NH3)=2p(CO2)=8 000 Pa,則 Kp=p(CO2)×p2(NH3)=2.56×1011 Pa3,B正確;步驟Ⅰ中測壓儀數(shù)值未穩(wěn)定即關閉K1,U形管左側會有 殘留空氣,導致Kp測量值偏大,C錯誤;步驟Ⅱ中讀數(shù)時U形管左側液面偏 高,則證明左側氣壓小于右側,Kp測量值偏大,D錯誤。
題目價值　有關Kp的計算是近幾年高考中的常考內(nèi)容,該題很好地體現(xiàn) 了定量探究化學平衡的學科素養(yǎng),考查了學生綜合運用知識分析問題、 探究問題的關鍵能力。
速率常數(shù)的應用速率常數(shù)是近幾年高考的熱點之一,考查時穩(wěn)中有變,變中有新意,旨在考 查考生的遷移運用能力,體現(xiàn)了證據(jù)推理與模型認知、變化觀念與平衡 思想兩大學科素養(yǎng);考生需理解化學反應速率常數(shù),學會靈活變通,舉一反 三。1.速率常數(shù)含義大多數(shù)化學反應都是分幾步完成的,其中的每一步反應稱為基元反應。 假設基元反應為aA(g)+bB(g)?cC(g)+dD(g),其速率可表示為v=kca(A)·cb(B),式中的k稱為反應速率常數(shù)或速率常數(shù)。反應速率常數(shù)k表示單位 濃度下的化學反應速率,在恒溫下,不因反應物濃度的改變而變化,但受溫 度、催化劑、固體表面性質(zhì)等因素的影響。通常反應速率常數(shù)越大,反
應進行得越快。2.基元反應的速率方程基元反應aA+bB?cC+dD的速率方程可寫為:v正=k正 ca (A)· cb(B)(k正為正反應的速率常數(shù))v逆=k逆 cc(C)·cd(D)(k逆為逆反應的速率常數(shù))基元反應的化學反應速率與反應物濃度以其化學計量數(shù)為指數(shù)的冪的 乘積成正比。3.復雜反應的速率方程許多化學反應不是基元反應,而是由兩個或多個基元步驟完成的復雜反 應。假設反應A2+B?A2B是分兩個基元步驟完成的:第一步　A2?2A·　　　　　　　慢反應
第二步　2A·+B?A2B　　快反應對于總反應來說,決定反應速率的是第一個基元步驟,即這種前一步的產(chǎn) 物作為后一步的反應物的連串反應,決定速率的步驟是最慢的一個基元 步驟。故速率方程是v=kc(A2),而不是v=kc(A2)·c(B)。4.反應級數(shù)某化學反應aA+bB?cC+dD,若其速率方程的形式為:v正=k正 ca(A)·cb(B);則該反應的反應級數(shù)為a+b,即速率方程中冪指數(shù)之和;或該反應為a+b級 反應。5.速率常數(shù)與化學平衡常數(shù)的關系一定溫度下,對于基元反應aA(g)+bB(g)?gG(g)+hH(g),達到平衡狀態(tài)時,v正=k正·ca(A)·cb(B),v逆=k逆·cg(G)·ch(H),因平衡時v正=v逆,則k正·ca(A)·cb(B)=k逆·
cg(G)·ch(H),?=?=K。
例1????(2020濱州二模,14)乙酸甲酯的催化醇解反應可用于制備甲醇和乙 酸己酯,該反應的化學方程式為CH3COOCH3(l)+C6H13OH(l)?CH3COOC6H13(l)+CH3OH(l)。　　已知v正=k正×x(CH3COOCH3)×x(C6H13OH),v逆=k逆×x(CH3COOC6H13)×x (CH3OH),其中k正、k逆為速率常數(shù)(受溫度影響),x為各組分的物質(zhì)的量分 數(shù)。反應開始時,CH3COOCH3和C6H13OH按物質(zhì)的量之比1∶1投料,測得3 38 K、343 K、348 K三個溫度下CH3COOCH3轉(zhuǎn)化率(α)隨時間(t)的變化 關系如圖所示。下列說法正確的是?(　　)
?A.該反應的ΔH>0B.348 K時,該反應的平衡常數(shù)為1.8C.A、B、C、D四點中,v正最大的是D
D.在曲線①、②、③中,k正與k逆的差值最大的曲線是①
解析　溫度升高,反應速率加快,先達到平衡,根據(jù)圖示可知①對應的溫度 是348 K,溫度升高,CH3COOCH3轉(zhuǎn)化率增大,說明平衡正向移動,因此正反 應為吸熱反應,該反應的ΔH>0,A正確;反應開始時,CH3COOCH3和C6H13 OH按物質(zhì)的量之比1∶1投料,348 K時CH3COOCH3的轉(zhuǎn)化率為64%,假設 反應物的物質(zhì)的量都是1 ml ,反應前后物質(zhì)的總物質(zhì)的量不變,則平衡 時,n(CH3COOC6H13)=n(CH3OH)=0.64 ml ,n(CH3COOCH3)=n(C6H13OH)=0.36 ml ,n(總)=2 ml ,則該反應的平衡常數(shù)K=?≈3.2,B錯誤;溫度越高,反應速率越快,v正=k正×x(CH3COOCH3)×x(C6H13OH),曲
線①的溫度最高,A點的x(CH3COOCH3)×x(C6H13OH)大,且溫度高,因此A點 v正最大,C錯誤;k正、k逆為速率常數(shù),受溫度影響,該反應為吸熱反應,k正受溫 度影響更大,因此溫度升高,k正增大的程度大于k逆,因此k正與k逆的差值最大 的曲線是①,D正確。
例2　某溫度時,兩個恒容密閉容器中僅發(fā)生反應:2NO2(g)? 2NO(g)+O2(g)????ΔH>0。實驗測得:v正(NO2)=k正c2(NO2),v逆(NO)=k逆c2(NO)·c(O2),k正、k 逆為化學反應速率常數(shù),只受溫度影響。
　　下列說法不正確的是?(　　)　　A.Ⅰ中NO2的平衡轉(zhuǎn)化率約為66.7%B.Ⅱ中達到平衡狀態(tài)時,c(O2)

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