《化學(xué)平衡（第一課時(shí)）》工業(yè)合成氨

氨氣在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，隨著人類社會(huì)的發(fā)展，對(duì)氨的需求量日益增長。

如何提高生產(chǎn)效率呢？只要盡力提高化學(xué)反應(yīng)速率生產(chǎn)效率就一定高嗎？2NH3

N2

+3H2

催化劑高溫、高壓各物質(zhì)的起始量/mol充分反應(yīng)后各物質(zhì)的量/molN2H2NH3

N2H2NH3

5150394

某溫度下，在容積不變的密閉容器中N2與H2反應(yīng)足夠長時(shí)間后各物質(zhì)的量不再改變，數(shù)據(jù)如下：閱讀與思考各物質(zhì)的起始量/mol充分反應(yīng)后各物質(zhì)的量/molN2H2NH3

N2H2NH3

5150394

某溫度下，在容積不變的密閉容器中N2與H2反應(yīng)足夠長時(shí)間后各物質(zhì)的量不再改變，數(shù)據(jù)如下：合成氨反應(yīng)有限度，原料無法轉(zhuǎn)化完全只考慮化學(xué)反應(yīng)速率不夠，還需考慮如何盡可能多地將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品閱讀與思考正向：N2+3H2

2NH3合成氨反應(yīng)中有關(guān)物質(zhì)的濃度隨時(shí)間變化示意圖逆向：2NH3

N2

+3H2

2NH3

N2

+3H2

催化劑高溫、高壓

任何可逆反應(yīng)在一定條件下都存在反應(yīng)的限度。達(dá)到限度時(shí)，反應(yīng)就停止了嗎？想一想該可逆反應(yīng)中包含兩個(gè)反應(yīng)，兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生

當(dāng)正、逆反應(yīng)速率相等時(shí)，達(dá)到看似不變的“表面靜止”狀態(tài)，但實(shí)際反應(yīng)并未停止，一直在進(jìn)行中。正向：N2+3H2

2NH3逆向：2NH3

N2

+3H2

2NH3

N2

+3H2

催化劑高溫、高壓一.化學(xué)平衡狀態(tài)

在一定條件下的可逆反應(yīng)里，當(dāng)正、逆反應(yīng)的速率相等時(shí)，反應(yīng)物和生成物的濃度均保持不變，即體系的組成不隨時(shí)間而改變，這表明該反應(yīng)中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化達(dá)到了“限度”，這時(shí)的狀態(tài)我們稱之為化學(xué)平衡狀態(tài)，簡稱化學(xué)平衡。

化學(xué)平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。1.化學(xué)平衡狀態(tài)

α

＝×100%反應(yīng)物的減少量反應(yīng)物的起始量轉(zhuǎn)化率

達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，反應(yīng)達(dá)到該條件下物質(zhì)轉(zhuǎn)化的最大“限度”，即反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率最大。練一練

某溫度下，在容積不變的密閉容器中N2與H2反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡，請(qǐng)根據(jù)以下數(shù)據(jù)計(jì)算達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率。各物質(zhì)的起始量/mol化學(xué)平衡時(shí)各物質(zhì)的量/molN2H2NH3

N2H2NH3

5150394起始量/mol

變化量/mol

平衡量/mol

5150

2

64練一練

α＝

×100%＝40%6mol15mol平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率

3

94

N2+3H2

2NH3

平衡時(shí)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率是該條件下反應(yīng)物能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)化率。起始量/mol

變化量/mol

平衡量/mol

5150

2

64練一練

α＝

×100%＝40%6mol15mol平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率

3

94

N2+3H2

2NH3

化學(xué)平衡狀態(tài)有什么特點(diǎn)？如何判斷一個(gè)可逆的化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)？任務(wù)一梳理與提煉2.化學(xué)平衡狀態(tài)的特點(diǎn)①

即任何一種物質(zhì)的生成速率等于其消耗速率②各組分的質(zhì)量或濃度保持不變③是動(dòng)態(tài)平衡

υ(正)＝υ(逆)≠0一.化學(xué)平衡狀態(tài)

一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，以下哪些選項(xiàng)可以判斷反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)？練一練A.單位時(shí)間內(nèi)消耗amolN2，同時(shí)生成2amolNH3

B.H2的消耗速率等于N2生成速率的3倍C.容器內(nèi)的壓強(qiáng)不再變化D.混合氣體的總質(zhì)量不再變化E.混合氣體的密度不再變化N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，以下哪些選項(xiàng)可以判斷反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)？練一練A.單位時(shí)間內(nèi)消耗amolN2，同時(shí)生成2amolNH3

N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，以下哪些選項(xiàng)可以判斷反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)？練一練A.單位時(shí)間內(nèi)消耗amolN2，同時(shí)生成2amolNH3

B.H2的消耗速率等于N2生成速率的3倍N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，以下哪些選項(xiàng)可以判斷反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)？練一練A.單位時(shí)間內(nèi)消耗amolN2，同時(shí)生成2amolNH3

B.H2的消耗速率等于N2生成速率的3倍N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

H2的消耗速率＝

N2消耗速率的3倍

一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，以下哪些選項(xiàng)可以判斷反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)？練一練A.單位時(shí)間內(nèi)消耗amolN2，同時(shí)生成2amolNH3

B.H2的消耗速率等于N2生成速率的3倍N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

H2的消耗速率＝

N2消耗速率的3倍

＝N2生成速率的3倍

一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，以下哪些選項(xiàng)可以判斷反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)？練一練A.單位時(shí)間內(nèi)消耗amolN2，同時(shí)生成2amolNH3

B.H2的消耗速率等于N2生成速率的3倍C.容器內(nèi)的壓強(qiáng)不再變化D.混合氣體的總質(zhì)量不再變化E.混合氣體的密度不再變化N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)，以下哪些選項(xiàng)可以判斷反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)？練一練A.單位時(shí)間內(nèi)消耗amolN2，同時(shí)生成2amolNH3

B.H2的消耗速率等于N2生成速率的3倍C.容器內(nèi)的壓強(qiáng)不再變化D.混合氣體的總質(zhì)量不再變化E.混合氣體的密度不再變化N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

答案：BC判斷方法：反應(yīng)中“變化的量”“不變”

時(shí)，即達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)①

即任何一種物質(zhì)的生成速率等于其消耗速率②各組分的質(zhì)量或濃度保持不變③是動(dòng)態(tài)平衡一.化學(xué)平衡狀態(tài)2.化學(xué)平衡狀態(tài)的特點(diǎn)

υ(正)＝υ(逆)≠0化學(xué)平衡狀態(tài)可以改變嗎？哪些反應(yīng)條件可能影響化學(xué)平衡呢？分析與思考各物質(zhì)的起始量/mol平衡時(shí)各物質(zhì)的量/molN2H2NH3

N2H2NH3

5150394反應(yīng)條件改變?chǔ)?正)＝υ(逆)（平衡狀態(tài)）υ′(正)

≠

υ′(逆)

（非平衡狀態(tài)）

改變影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，就有可能改變化學(xué)平衡，如濃度、壓強(qiáng)、溫度。①

即任何一種物質(zhì)的生成速率等于其消耗速率②各組分的質(zhì)量或濃度保持不變③是動(dòng)態(tài)平衡④條件改變，原化學(xué)平衡狀態(tài)可能發(fā)生變化一.化學(xué)平衡狀態(tài)2.化學(xué)平衡狀態(tài)的特點(diǎn)

υ(正)＝υ(逆)≠0

化學(xué)平衡的改變，有規(guī)律可循嗎？不同的化學(xué)平衡狀態(tài)，反應(yīng)物和生成物的濃度之間有什么關(guān)系呢？任務(wù)二規(guī)律的探尋800℃，在容積不變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)序號(hào)起始時(shí)的濃度（×10－2mol·L-1）平衡時(shí)的濃度（×10－2mol·L-1）平衡時(shí)c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)111000.50.50.50.5213000.252.250.750.7530.2530.750.750.212.960.790.791.01.01.0

表1800℃時(shí)反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度該結(jié)論適用于其他可逆反應(yīng)嗎？

在一定溫度下，表1中的反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，生成物濃度的乘積與反應(yīng)物濃度的乘積的比值是一個(gè)定值。序號(hào)起始時(shí)的濃度（×10－3mol·L-1）平衡時(shí)的濃度（×10－3mol·L-1）平衡時(shí)c(H2)c(I2)c(HI)c(H2)c(I2)c(HI)111.976.94405.6170.59412.70212.289.96403.8411.52416.87312.018.40304.5800.97314.8640015.201.6961.69611.8150012.871.4331.43310.0060037.774.2134.21329.34

表2457.6℃時(shí)反應(yīng)體系H2(g)+I2(g)

2HI(g)中各物質(zhì)的濃度序號(hào)起始時(shí)的濃度（×10－3mol·L-1）平衡時(shí)的濃度（×10－3mol·L-1）平衡時(shí)c(H2)c(I2)c(HI)c(H2)c(I2)c(HI)111.976.94405.6170.59412.70212.289.96403.8411.52416.87312.018.40304.5800.97314.8640015.201.6961.69611.8150012.871.4331.43310.0060037.774.2134.21329.34

表2457.6℃時(shí)反應(yīng)體系H2(g)+I2(g)

2HI(g)中各物質(zhì)的濃度380628823335410648701653比較兩個(gè)反應(yīng)，結(jié)果的不同可能跟什么因素有關(guān)？

考慮化學(xué)計(jì)量數(shù)？c(CO2)

?

c(H2)c(CO)?

c(H2O)是定值H2(g)+I2(g)2HI(g)

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)c

(HI)c(H2)?

c(I2)不是定值H2(g)+I2(g)2HI(g)

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)任務(wù)二規(guī)律的探尋是定值嗎？2c

(HI)c(H2)?

c(I2)序號(hào)起始時(shí)的濃度（×10－3mol·L-1）平衡時(shí)的濃度（×10－3mol·L-1）平衡時(shí)c(H2)c(I2)c(HI)c(H2)c(I2)c(HI)111.976.94405.6170.59412.70212.289.96403.8411.52416.87312.018.40304.5800.97314.8640015.201.6961.69611.8150012.871.4331.43310.0060037.774.2134.21329.34

表2457.6℃時(shí)反應(yīng)體系H2(g)+I2(g)

2HI(g)中各物質(zhì)的濃度761357646669821197403306再次比較兩個(gè)反應(yīng)，如果將反應(yīng)的書寫形式改變，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？c(CO2)

?

c(H2)c(CO)?

c(H2O)是定值H2(g)+I2(g)2HI(g)

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H2(g)+I2(g)

HI(g)+HI(g)再次比較兩個(gè)反應(yīng)，如果將反應(yīng)的書寫形式改變，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？c(CO2)

?

c(H2)c(CO)?

c(H2O)是定值H2(g)+I2(g)2HI(g)

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H2(g)+I2(g)

HI(g)+HI(g)是定值？c

(HI)?c(HI)

c(H2)?c(I2)是定值？c2

(HI)

c(H2)?

c(I2)

即序號(hào)起始時(shí)的濃度（×10－3mol·L-1）平衡時(shí)的濃度（×10－3mol·L-1）平衡時(shí)c(H2)c(I2)c(HI)c(H2)c(I2)c(HI)111.976.94405.6170.59412.70212.289.96403.8411.52416.87312.018.40304.5800.97314.8640015.201.6961.69611.8150012.871.4331.43310.0060037.774.2134.21329.34

表2457.6℃時(shí)反應(yīng)體系H2(g)+I2(g)

2HI(g)中各物質(zhì)的濃度48.3848.6149.5448.4848.7148.81該結(jié)論適用于其他可逆反應(yīng)嗎？

在一定溫度下，以化學(xué)計(jì)量數(shù)為指數(shù)，生成物平衡時(shí)濃度冪之積與反應(yīng)物平衡時(shí)濃度冪之積的比值是一個(gè)定值（扣除實(shí)驗(yàn)誤差）。任務(wù)二規(guī)律的探尋序號(hào)平衡時(shí)的濃度/(

mol·L-1)平衡時(shí)c(H2)c(N2)c(NH3)11.150.750.26120.511.000.08731.351.150.41242.431.851.2751.470.750.376表3在500℃時(shí)，3H2(g)+N2(g)2NH3(g)反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度6.00×10－2

5.98×10－2

5.71×10－2

5.93×10－2

6.08×10－2

科學(xué)家們通過大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證，證明了上述結(jié)論成立，計(jì)算得出的定值稱為化學(xué)平衡常數(shù)，用K來表示。任務(wù)二規(guī)律的探尋寫一寫對(duì)于一般的可逆反應(yīng)

m

A(g)+n

B(g)p

C(g)+q

D(g)在一定溫度下達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，各物質(zhì)的濃度滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：二.化學(xué)平衡常數(shù)K為常數(shù)，稱為化學(xué)平衡常數(shù)，簡稱平衡常數(shù)。K

＝cp(C)?

cq(D)

cm(A)?

cn(B)對(duì)于一般的可逆反應(yīng)

m

A(g)+n

B(g)p

C(g)+q

D(g)在一定溫度下達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，各物質(zhì)的濃度滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：可逆反應(yīng)正向反應(yīng)逆向反應(yīng)同時(shí)存在

化學(xué)平衡時(shí)各物質(zhì)的量不再改變，υ(正)＝υ(逆)≠0反應(yīng)條件改變化學(xué)平衡可能變化化學(xué)平衡常數(shù)m

A(g)+n

B(g)p

C(g)+q

D(g)定量描述小結(jié)任務(wù)一可逆反應(yīng)的應(yīng)用[問題探究]1.一定條件下,在一密閉容器中通入2molSO2和1molO2,發(fā)生反應(yīng)2SO2+O2 2SO3,經(jīng)足夠長的時(shí)間后最終得到的SO3的物質(zhì)的量小于2mol,請(qǐng)說明理由。答案

可逆反應(yīng)有一定的限度,不能完全進(jìn)行到底,反應(yīng)物和生成物同時(shí)存在于反應(yīng)容器中。2.(1)當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),各物質(zhì)的濃度保持不變,這時(shí)反應(yīng)停止了嗎?(2)達(dá)到化學(xué)平衡的反應(yīng)中,如何理解正、逆反應(yīng)速率相等?(以N2+3H2 2NH3為例)答案

(1)沒有停止,此時(shí)v(正)=v(逆)≠0。(2)正、逆反應(yīng)速率相等是針對(duì)同一物質(zhì)來說的,如當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),正反應(yīng)消耗N2的速率與逆反應(yīng)生成N2的速率相等。[深化拓展]極端假設(shè)法確定各物質(zhì)濃度的范圍[以反應(yīng)X2(g)+2Y2(g) Z(g)為例]假設(shè)反應(yīng)正向或逆向進(jìn)行到底,求出各物質(zhì)濃度的最大值和最小值,從而確定它們的濃度范圍。假設(shè)反應(yīng)正向進(jìn)行到底:X2(g)+2Y2(g) Z(g)起始濃度/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2改變濃度/(mol·L-1) 0.1 0.2 0.1終態(tài)濃度/(mol·L-1) 0 0.1 0.3假設(shè)反應(yīng)逆向進(jìn)行到底:X2(g)+2Y2(g) Z(g)起始濃度/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2改變濃度/(mol·L-1) 0.2 0.4 0.2終態(tài)濃度/(mol·L-1) 0.3 0.7 0平衡體系中各物質(zhì)的濃度范圍:0<c(X2)<0.3mol·L-1,0.1mol·L-1<c(Y2)<0.7mol·L-1,0<c(Z)<0.3mol·L-1。[素能應(yīng)用]典例1在密閉容器中進(jìn)行反應(yīng):X2(g)+Y2(g) 2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始濃度分別為0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.2mol·L-1,在一定條件下,當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),各物質(zhì)的濃度有可能是(

)A.Z為0.3mol·L-1 B.Y2為0.4mol·L-1C.X2為0.2mol·L-1 D.Z為0.4mol·L-1答案

A解析

該題可利用“極端假設(shè)法”判斷,假設(shè)反應(yīng)正向或逆向進(jìn)行到底,求出各物質(zhì)濃度的最大值和最小值,從而確定它們的濃度范圍。假設(shè)反應(yīng)正向進(jìn)行到底:X2(g)+Y2(g) 2Z(g)起始濃度/(mol·L-1)

0.1

0.3

0.2改變濃度/(mol·L-1)

0.1

0.1

0.2終態(tài)濃度/(mol·L-1)

0

0.2

0.4假設(shè)反應(yīng)逆向進(jìn)行到底:X2(g)+Y2(g) 2Z(g)起始濃度/(mol·L-1)

0.1

0.3

0.2改變濃度/(mol·L-1)

0.1

0.1

0.2終態(tài)濃度/(mol·L-1)

0.2

0.4

0平衡體系中各物質(zhì)的濃度取值范圍為0<c(X2)<0.2

mol·L-1,0.2

mol·L-1<c(Y2)<0.4

mol·L-1,0<c(Z)<0.4

mol·L-1。變式訓(xùn)練1在一個(gè)密閉容器中發(fā)生如下反應(yīng):2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),反應(yīng)過程中某一時(shí)刻測得SO2、O2、SO3的濃度分別為0.2mol·L-1、0.2mol·L-1、0.2mol·L-1,當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)是(

)A.c(SO3)=0.4mol·L-1B.c(SO2)=c(SO3)=0.15mol·L-1C.c(SO2)=0.25mol·L-1D.c(O2)=0.1mol·L-1答案

C解析

2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)反應(yīng)過程中某一時(shí)刻c(SO2)=0.2

mol·L-1,c(O2)=0.2

mol·L-1,c(SO3)=0.2

mol·L-1。若SO2全部轉(zhuǎn)化為SO3,c(SO3)=0.2

mol·L-1+0.2

mol·L-1=0.4

mol·L-1,此時(shí)c(O2)=0.1

mol·L-1,由于是可逆反應(yīng),無論是反應(yīng)物或生成物都不可能轉(zhuǎn)化完全,所以A、D兩項(xiàng)錯(cuò)誤;在某一時(shí)刻之后,無論平衡怎樣移動(dòng),都不會(huì)出現(xiàn)c(SO2)=c(SO3)=0.15

mol·L-1這種情況,因?yàn)镾O2與SO3的濃度都比原來小,違反了質(zhì)量守恒定律。C項(xiàng)正確。任務(wù)二化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷[問題探究]1.在利用“v(正)=v(逆)”判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡時(shí)需要注意哪些問題?答案

利用“v(正)=v(逆)”判斷化學(xué)平衡時(shí),要注意“同”“等”“逆”的原則:①“同”,同一種物質(zhì)的v(正)和v(逆);②“等”,轉(zhuǎn)化成同一物質(zhì)的反應(yīng)速率必須相等;③“逆”,反應(yīng)方向必須對(duì)立?？蓺w納為“異邊同向、同邊異向、比例計(jì)量”,這里的“向”指的是“消耗”或“生成”。2.在利用“密度”判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡時(shí)需要注意哪些問題?答案

涉及“密度”時(shí)要注意物質(zhì)的狀態(tài)和容器的體積。[深化拓展]化學(xué)平衡狀態(tài)的兩種判斷標(biāo)志(1)動(dòng)態(tài)標(biāo)志:v(正)=v(逆)≠0①同種物質(zhì):同一物質(zhì)的生成速率等于消耗速率。(2)靜態(tài)標(biāo)志:變量不變①各物質(zhì)的質(zhì)量、物質(zhì)的量或濃度不變。②各物質(zhì)的百分含量(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)等)不變。③溫度、壓強(qiáng)(化學(xué)方程式兩邊氣體體積不相等)或顏色(某組分有顏色)不變?？傊?判斷化學(xué)平衡時(shí),若某一物理量由變量變成了不變量(即“變量不變”),則表明該可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);若物理量恒為“不變量”,則不能作為平衡標(biāo)志。[素能應(yīng)用]典例2在一定溫度下,向aL密閉容器中加入1molX氣體和2molY氣體,發(fā)生如下反應(yīng):X(g)+2Y(g) 2Z(g)。此反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡的標(biāo)志是(

)A.容器內(nèi)氣體密度不隨時(shí)間變化B.容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度不隨時(shí)間變化C.容器內(nèi)X、Y、Z的濃度之比為1∶2∶2D.單位時(shí)間消耗0.1molX同時(shí)生成0.2molZ答案

B解析

A項(xiàng),該反應(yīng)過程中,氣體的質(zhì)量和體積均不發(fā)生變化,則氣體密度始終保持不變,不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);C項(xiàng),X、Y、Z的濃度之比為1∶2∶2時(shí),不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);D項(xiàng),消耗X與生成Z均為正反應(yīng)速