■安徽省蒙城第一中學 郝 丹

■安徽省合肥市第六中學 馬善恒

可逆反應知識是高中化學中的重要內容,深刻認識可逆反應中的化學平衡狀態(tài)的判斷,對于學習可逆反應至關重要?；瘜W平衡內容較為抽象,判斷可逆反應是否達到平衡狀態(tài)成為學習中的難點。

一、化學平衡狀態(tài)的建立

1.化學平衡狀態(tài)。在一定條件下,當一個可逆反應進行到正反應速率和逆反應速率相等時,反應物的濃度和生成物的濃度不再發(fā)生變化,達到一種表面靜止的狀態(tài)。

2.化學平衡狀態(tài)的建立過程。

3.化學平衡建立過程中化學反應速率的變化圖像(見圖1)。

圖1

二、化學平衡狀態(tài)的特征

三、化學平衡狀態(tài)的判定

1.直接判定。

(1)對于同一種物質而言,這種物質的生成速率等于它的消耗速率,說明反應達到化學平衡狀態(tài)。

(2)對于不同物質而言,化學反應速率之比等于化學計量數(shù)之比,但是方向必須相反。即必須是v正與v逆之比等于化學計量數(shù)之比才能判斷是平衡狀態(tài)。

2.間接判定(一般是指恒溫恒容條件下)。

(1)各組分的物質的量、物質的質量、分子數(shù)、氣體的體積、物質的量濃度保持不變,說明反應達到化學平衡狀態(tài)。

(2)一般情況下各組分的質量分數(shù)、物質的量分數(shù)、氣體體積分數(shù)保持不變,說明反應達到化學平衡狀態(tài)。

(3)若反應前后的物質都是氣體,當ΔVg≠0時,氣體的總物質的量,總壓強,平均摩爾質量,混合氣體的密度(恒溫恒壓)保持不變,說明反應達到化學平衡狀態(tài)。

(4)對同一物質而言,斷裂的化學鍵的物質的量與形成化學鍵的物質的量相等,說明反應達到化學平衡狀態(tài)。

(5)反應物的轉化率不再發(fā)生改變,產(chǎn)物的產(chǎn)率不再發(fā)生改變,說明反應達到化學平衡狀態(tài)。

(6)化學反應一般都有熱效應(吸熱或放熱),在絕熱的密閉體系中發(fā)生反應時,當體系中的溫度保持不變時,則反應達到化學平衡狀態(tài)。

(7)對于反應混合物中存在有顏色變化的物質的可逆反應,若體系中顏色不再改變,則反應達到平衡狀態(tài)。

總之,遵循變量不變的思想,便可判斷反應達到平衡。

3.具體方法。

在研究化學平衡時要注意“二審”:一審題干條件是恒溫恒容還是恒溫恒壓;二審反應特點,各物質的狀態(tài)和左右兩邊氣體計量數(shù)之和是否相等。另外要注意學會用公式,密度ρ=平均摩爾質量以及PV=nRT推出結論,再進行討論,具體問題具體分析。

四、典型題目解析

1.反應前后物質狀態(tài)都是氣體且化學計量數(shù)不相等的反應。

例1在一定條件下,某體積不變的絕熱密閉容器中進行可逆反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g),請判斷下列各種情況下能說明該反應已經(jīng)達到化學平衡狀態(tài)的有( )。

①N2、H2、NH3的濃度相等

②各組分的濃度不再改變

③容器中N2、H2、NH3濃度之比為1∶3∶2

④v正(N2):v正(NH3)=1∶2

⑤v正(N2):v逆(H2)=1∶3

⑥3v正(H2)=2v逆(NH3)

⑦反應混合氣體的物質的量不再變化

⑧反應混合體系的密度不再變化

⑨單位時間內生成n mol N2的同時生成3n mol的H2

⑩體系的溫度不再改變

A.4個 B.5個 C.6個 D.7個

解析:①化學平衡時反應物濃度可能等于生成物濃度,也可能不等,與各物質的初始濃度及轉化率有關,故錯誤。②各組分的濃度不再改變,說明正逆反應速率相等,達到平衡狀態(tài),故正確。③化學平衡時容器中N2、H2、NH3濃度之比可能為1∶3∶2,也可能不等于1∶3∶2,與各物質的初始濃度及轉化率有關,故錯誤。④v正(N2)∶v正(NH3)=1∶2,都體現(xiàn)正反應速率,未體現(xiàn)正與逆的關系,故錯誤。⑤v正(N2)∶v逆(H2)=1∶3,正逆反應速率相等,達平衡狀態(tài),故正確。⑥3v正(H2)=2v逆(NH3),速率之比不等于計量數(shù)之比,故錯誤。⑦正反應體積減小,反應混合氣體的物質的量不再變化,達平衡狀態(tài),故正確。⑧體積不變,都是氣體參與的反應,由知容器內氣體的密度始終不變化,故錯誤。⑨單位時間內生成n mol N2的同時生成3n mol的H2,都體現(xiàn)逆反應速率,未體現(xiàn)正與逆的關系,故錯誤。⑩正反應放熱,且是絕熱密閉容器,因此體系的溫度不再改變,反應達平衡狀態(tài),故正確。

答案:A

2.反應前后物質狀態(tài)都是氣體且化學計量數(shù)相等的反應。

例2在恒溫恒容條件下,進行反應Br2(g)+H2(g)2HBr(g),下列不能作為該反應達到化學平衡狀態(tài)的判斷標志的是( )。

①v正(H2)=2v逆(HBr)

②每有1 mol Br—Br共價鍵斷裂的同時,有2 mol H—Br共價鍵形成

③混合氣體的密度不隨時間變化而變化

④混合氣體的平均相對分子質量不隨時間變化而變化

⑤混合氣體的顏色不隨時間變化而變化

⑥混合氣體中氫氣的體積分數(shù)不隨時間變化而變化

⑦混合氣體總壓強不隨時間變化而變化

⑧混合氣體中HBr的質量不隨時間變化而變化。

A.②⑦ B.①②⑦

C.⑤⑥⑧ D.①②③④⑦

答案:D

3.反應前后物質狀態(tài)既有氣體又有固體的反應。

例3在一定溫度下的定容容器中,發(fā)生反應Fe2O3(s)+3CO(g2Fe(s)+3CO2(g),能判斷反應已經(jīng)達到化學平衡狀態(tài)的是( )。

A.混合氣體的壓強不變

B.混合氣體的密度不變

C.混合氣體的體積不變

解析:該反應是一個氣體體積不變的反應,無論反應是否達到平衡,氣體的壓強均不變,則混合氣體的壓強不變不能判斷反應已經(jīng)達到化學平衡狀態(tài),故A項錯誤。由化學方程式可知,反應中氣體的質量增大,在定容容器中,由知混合氣體的密度增大,則混合氣體的密度不變,說明反應已經(jīng)達到化學平衡狀態(tài),故B項正確。該反應是一個氣體體積不變的反應,無論反應是否達到平衡,氣體的體積均不變,則混合氣體的體積不變不能判斷反應已經(jīng)達到化學平衡狀態(tài),故C項錯誤。由化學方程式可知,反應向右進行時,減小,則混合氣體中不變時,說明正逆反應速率相等,反應已經(jīng)達到化學平衡狀態(tài),故D項正確。

答案:BD

4.反應物為單一固體,生成物全是氣體的反應。

例4在一定溫度下的恒容密閉容器中,加入少量A發(fā)生反應:A(s)B(g)+2C(g)。當下列物理量不再發(fā)生變化,可以判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的是( )。

①B的體積分數(shù)

②混合氣體的壓強

③混合氣體的總質量

④混合氣體的平均相對分子質量

A.①②③ B.②③

C.①④ D.①②③④

解析:①固體A是反應物,B、C是生成物且為氣體,任何時刻生成1 mol B的同時會生成2 mol C,B與C的物質的量之比始終為1∶2,B的體積分數(shù)任何時刻都不變,①錯誤。②這是一個反應前后氣體分子數(shù)改變的反應,只有達到平衡時,混合氣體總壓強才不變,因此②正確。③固體A是反應物,B、C是生成物且為氣體,反應正向進行,混合氣體的質量增加,當混合氣體的總質量不變時,說明反應已經(jīng)達到平衡狀態(tài),③正確。④不論反應達沒達到平衡狀態(tài),B和C的物質的量之比都是1∶2,則任何時刻混合氣體的平均相對分子質量都不變,④錯誤。

答案:B

5.反應物為單一固體,生成物部分是氣體的反應。

例5恒溫恒容條件下,容器中加入A發(fā)生可逆反應A(s)3C(g)+2D(s),下列不能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是( )。

A.容器內的壓強保持不變

B.氣體的物質的量濃度保持不變

C.容器內氣體的密度保持不變

D.氣體的平均相對分子質量保持不變

解析:由于該反應中只有生成物C是氣體,恒溫恒容條件下,隨著反應的進行,氣體C的質量和物質的量在變化,當不再變化時,說明氣體的密度和濃度也不再變化,說明達到了平衡態(tài)。因此A項、B項、C項均可說明反應達到了平衡態(tài)。D選項,由于生成物只有一種氣體,所以相對分子質量一直不變,不能說明反應是否達到平衡態(tài)。

答案:D

6.給定投料比的反應。

例6已知反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),在恒溫恒壓的容器中通入1 mol CO2和1 mol H2,下列一定能說明反應已達平衡狀態(tài)的是( )。

A.氣體的平均相對分子質量不變

B.氣體的密度不變

C.CO2的體積分數(shù)不變

D.容器內氣體的總壓不變

解析:根據(jù)反應知前后都是氣體物質,氣體質量保持不變,左右兩邊氣體計量數(shù)不相等,由知,平均相對分子質量在變化,不變則為平衡態(tài),因此A項正確。氣體質量保持不變,左右兩邊氣體計量系數(shù)不相等,恒溫恒壓條件下,氣體體積在變化,由知密度在變化,不變則為平衡態(tài),因此B項正確。給定投料比情況下,如CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),在恒溫恒壓的容器中通入 1 mol CO2和 1 mol H2,CO2的體積分數(shù)不變不能說明是平衡狀態(tài),因為根據(jù)“三段式”計算:

可知CO2的體積分數(shù)為一直不變,C項錯誤。恒壓體系,壓強一直不變,所以根據(jù)D項不能判斷是平衡狀態(tài)。

答案:AB