【选修四】化学平衡状态与化学平衡常数学习指导

【教材讲析】
一、化学平衡状态
1．化学平衡状态：
　　化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应，正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中各组分的质量或浓度保持不变的状态。

2、化学平衡状态的特征：
　　①逆：可逆反应；
　　②等：正、逆反应速率相等；
　　③定：反应混合物中各组分的浓度（物质的量浓度、质量分数等）保持不变；
　　④动：化学平衡是动态平衡，即v_正＝v_逆≠0；
　　⑤变：平衡是有条件的，反应条件改变，平衡可能移动；
　　⑥同：对于同一个可逆反应，不论从正反应方向开始，还是从逆反应方向开始，或从正、逆两个方向同时开始，只要反应条件不变，就能达到同一个化学平衡状态。（平衡时，各物质的百分含量分别一样，即等效平衡）

二、化学平衡常数
　　对于可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)，在一定温度下达到平衡，其平衡常数的表达式：。
　　注意：
　　①纯固体或纯液体的浓度为一定值，不列入平衡常数的表达式中。
　　②任何一个平衡常数表达式必须和具体的化学反应方程式相匹配。对于同一化学反应，由于方程式书写形式不同，其平衡常数表达式也会相应改变。不同书写形式的平衡常数，虽然数值不同，但实际含义相同。
　　③K值的意义：表示可逆反应的限度。对于同一可逆反应，K值越大，说明平衡体系中生成物所占的比例越大，它的正向反应进行的程度越大，即该反应进行得越完全，反应物转化率越大；反之，就越不完全，转化率就越小。一般认为K＞10⁵时，该反应进行得基本完全。
　　④影响K值的外界因素只有温度，与反应物或生成物的浓度变化无关。
　　⑤通常使用三行式法（起始、转化、平衡）进行有关转化率与平衡常数的计算。
　　某一指定产物的转化率的表达式：某个指定反应物的转化率＝（指定反应物的起始浓度－指定反应物的平衡浓度）/ 指定反应物的起始浓度×100％。

【经典例题】
　　1、下列方法中可以证明2HI(g) H₂(g)+I₂(g)已达平衡状态的是（ ）
　　① 单位时间内生成n mol H₂的同时生成n mol HI；
　　② 一个H-H键断裂的同时有两个H-I键断裂；
　　③ 百分组成HI%=I₂%；
　　④ 反应速率υ(H₂)=υ(I₂)=0.5υ(HI)时；
　　⑤ 平衡浓度c(HI):c(H₂):c(I₂)=2:1:1；
　　⑥ 温度和体积一定时，某一生成物浓度不再变化；
　　⑦ 温度和体积一定时，容器内压强不再变化；
　　⑧ 条件一定，混合气体的平均相对分子质量不再变化；
　　⑨ 温度和体积一定时混合气体的颜色不再变化；
　　⑩ 温度和压强一定时混合气体密度不再变化。

　　分析：这是一个反应前后气体体积没有变化的反应：
　　① 表示不同方向的反应，但生成H₂与生成HI的物质的量之比应等于相应化学计量数之比；
　　② 表示不同方向的反应且等于化学计量数之比，正确；
　　③ 毫无根据，只在极特殊情况下成立；
　　④ 任何情况下均成立；
　　⑤ 平衡状态时浓度之比一般不等于化学计量数之比；
　　⑥ 浓度不变，说明已达平衡，正确；
　　⑦ 此反应前后气体体积不变，恒温恒容条件下任何时候容器内压强均不变；
　　⑧ 此反应前后气体物质的量不变，总质量不变条件下任何时候气体平均相对分子质量均不变；
　　⑨ 颜色不变说明浓度不变，正确；
　　⑩ 此反应前后气体的物质的量不变，恒温恒压条件下体积不变，任何时候气体密度均不变。
　　答案：②⑥⑨

　　小结：判断化学平衡状态的标志
　　(1)任何情况下均可作为标志的：
　　①υ_正=υ_逆(同一种物质)
　　②各组分含量(百分含量、物质的量、质量)不随时间变化
　　③某反应物的消耗(生成)速率：某生成物的消耗(生成)速率=化学计量数之比
　　(2)在一定条件下可作为标志的是
　　①对于有色物质参加或生成的可逆反应体系，颜色不再变化。
　　②对于有气态物质参加或生成的可逆反应体系，若反应前后气体的物质的量变化不为0，则混合气体平均相对分子质量M和反应总压P不变(恒温恒容)。
　　③对于恒温绝热体系，体系的温度不在变化
　　(3)不能作为判断标志的是
　　①各物质的物质的量或浓度变化或反应速率之比=化学计量数之比。(任何情况下均适用)
　　②有气态物质参加或生成的反应，若反应前后气体的体积变化为0，则混合气体平均相对分子质量M和反应总压P不变(恒温恒容)。

　　2、工业合成氨的反应为N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N₂(g)和1.60 mol H₂(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH₃的物质的量分数（NH₃的物质的量与反应体系中总的物质的量之比）为4/7。计算：
　　①该条件下N₂的平衡转化率；
　　②该条件下反应2NH₃(g)N₂(g)+3H₂(g)的平衡常数。

　　分析：
　　起始时，c(N₂)=0.3 mol/L；c(H₂)=0.8 mol/L。由三行式法计算可知：
　　N₂(g)+3H₂(g)2NH₃(g)
　　起始 0.3 0.8 0
　　转化 x 3x 2x
　　平衡 0.3-x 0.8-3x 2x
　　平衡时NH₃的物质的量分数＝2x / (0.3-x+0.8-3x+2x)＝4/7；∴x= 0.2 mol/L。
　　平衡时，c(N₂)=0.1 mol/L；c(H₂)=0.2 mol/L；c(NH₃)=0.4 mol/L。
　　①N₂的平衡转化率=(0.3-0.1)/0.3×100%=66.7%；
　　②反应2NH₃(g)N₂(g)+3H₂(g)的平衡常数K= c(N₂)c³(H₂)/ c²(NH₃)=0.005。
　　答案：①66.7%；0.005

　　3、在2L密闭容器中，充入1 mol N₂和3mol H₂，一定条件下发生合成氨反应，2min时达到平衡。测得平衡混合气中NH₃的体积分数为25%，求：
　　1)υ(H₂) 2) N₂的转化率 3) H₂在平衡时的体积分数 4)平衡时容器的压强与起始时压强之比
　　解：设N₂转化的物质的量为x
　　　　　N₂+3H₂ 2NH₃
　　起　　1　3　　　　0
　　转　　x　3x　　　2x
　　平 　1-x 3-3x　　2x
　　∵NH₃平衡时的体积分数为[2x/(1-x+3-3x+2x)]×100%=25%
　　∴2x/(4-2x)=1/4
　　∴x=0.4mol
　　υ(H₂)=3×0.4mol/(2L×2min)=0.3mol/( L·min)
　　N₂的转化率为(x/1mol) ×100%=40%
　　H₂平衡时的体积分数为：[(3-3x)/(4-2x)] ×100%=56.25%
　　P/P₀=n/n₀=(4-2x)/4=4：5

　　小结：关于化学平衡状态的计算
　　1．基本关系式(阿伏加德罗定律及推论)
　　同T同P: n₁/n₂=V₁/V₂ (n:气体物质的量V:气体的体积)
　　同T同P: M₁/M₂=ρ₁/ρ₂ (M:气体相对分子量ρ:气体的密度)
　　同T同V: P₁/P₂=n₁/n₂ (n:气体物质的量P:气体的压强)
　　基本公式：m=ρVn=m/M
　　2． 转化率(见前面)
　　3．三个浓度的关系
　　反应物：起始浓度— 转化浓度=平衡浓度
　　生成物：起始浓度+转化浓度=平衡浓度
　　4．起转平的书写格式

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