备战2021 高考化学 考点38 可逆反应与化学平衡状态（解析版）

备战2021 高考化学 考点38 可逆反应与化学平衡状态（解析版）

考点 38 可逆反应与化学平衡状态 1．化学平衡研究的对象——可逆反应 （1）在相同条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的化学反应，称为可逆反应。 在可逆反应中使用“ ”。 可逆反应必须是同一条件下既能向正反应方向进行又能向逆反应方向进行的反应，对于在不同反应条件 下进行的反应物、生成物正好相反的反应则不能认为是可逆反应。 （2）特点：三同一小 ①三同：a．相同条件下；b．正、逆反应同时进行；c．反应物与生成物同时存在。 ②一小：任一组分的转化率都小于 100%。 2．化学平衡状态 一定条件下的可逆反应，当反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物的浓度和生 成物的浓度不再改变，我们称之为“化学平衡状态”，简称化学平衡。 （1）建立过程 在一定条件下，把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。反应过程如下： 以上过程可用如图表示： 3．化学平衡状态的特征 4．化学平衡状态的判断 （1）动态标志：v 正= v 逆≠0 ①同种物质：同一物质的生成速率等于消耗速率。 ②不同物质：必须标明是“异向”的反应速率关系。如 aA+bB cC+dD， A B v v 正 逆 （ ） （ ）= a b 时，反应达到平衡 状态。 （2）静态标志：各种“量”不变 ①各物质的质量、物质的量或浓度不变； ②各物质的百分含量（物质的量分数、质量分数、体积分数）不变； ③温度、压强（化学反应方程式两边气体体积不相等）或颜色（某组分有颜色）不变。 （3）综合分析 举例 mA(g)+nB(g) pC(g) +qD(g) 状态 混合物体系中各成分 的含量 各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定 平衡 各物质的质量或各物质的质量分数一定 平衡 各气体的体积或体积分数一定 平衡 总压强、总体积、总物质的量一定 不一定平衡 正、逆反应速率的关系 在单位时间内消耗了 m mol A，同时生成 m mol A，即 v 正=v 逆 平衡 在单位时间内消耗了 n mol B，同时生成 p mol C 不一定平衡 vA∶vB∶vC∶vD=m∶n∶p∶q，v 正不一定等于 v 逆 不一定平衡 在单位时间内生成了 n mol B，同时消耗了 q mol D 不一定平衡 压强 m+n≠p+q 时，总压强一定（其他条件一定） 平衡 m+n=p+q 时，总压强一定（其他条件一定） 不一定平衡 混合气体的平均相对 分子质量（ rM ） rM 一定，当 m+n≠p+q 时 平衡 rM 一定，当 m+n=p+q 时 不一定平衡 温度 任何化学反应都伴随着能量的变化，在其他条件 不变的情况下，体系温度一定 平衡 密度 密度一定 不一定平衡 颜色 含有有色物质的体系颜色不再变化 平衡 考向一 可逆反应的特点 典例 1 在已达到平衡的可逆反应 2SO2＋O2  催化剂 △ 2SO3 中，充入由 18O 组成的氧气一段时间后，18O 存 在于下列物质中的 A．多余的氧气中 B．生成的三氧化硫中 C．氧气和二氧化硫中 D．二氧化硫、氧气和三氧化硫中 【答案】D 【解析】化学平衡是动态平衡，18O2 的加入一定会与 SO2 结合生成含 18O 的 SO3，同时含 18O 的 SO3 又 会分解得到 SO2 和 O2，使 SO2 中也含有 18O，因此 18O 存在于 SO2、O2、SO3 这三种物质中。 1．在一密闭容器中进行反应：2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)，已知反应过程中某一时刻 SO2、O2、SO3 的浓度 分别为 0.2 mol·L−1、0.1 mol·L−1、0.2 mol·L−1，当反应达到平衡时，可能存在的数据是 A．SO2 为 0.4 mol·L−1，O2 为 0.2 mol·L−1 B．SO2 为 0.25 mol·L−1 C．SO3 为 0.4 mol·L−1 D．SO2、SO3 均为 0.15 mol·L−1 【答案】B 【解析】A 中，SO2 和 O2 的浓度增大，说明反应向逆反应方向进行建立平衡，SO2 和 O2 的浓度变化分别为 0.2 mol·L−1、0.1 mol·L−1，需要消耗三氧化硫的浓度为 0.2 mol·L−1，由于该反应为可逆反应，SO3 的实际变 化浓度应小于其原有浓度 0.2 mol·L−1，所以达到平衡时 SO2 小于 0.4 mol·L−1，O2 小于 0.2 mol·L−1，错误； B 中，SO2 的浓度增大，说明反应向逆反应方向进行建立平衡，若 SO3 完全反应，则 SO2 的浓度变化为 0.2 mol·L−1，该题中实际变化为 0.05 mol·L−1，小于 0.2 mol·L−1，正确；C 中，SO3 的浓度增大，说明该反应向 正反应方向进行建立平衡，若 SO2 和 O2 完全反应，SO3 的浓度变化为 0.2 mol·L−1，实际变化应小于该值， 错误；D 中，反应物、生成物的浓度不可能同时减小，一个浓度减小，另一个浓度一定增大，错误。 极端假设法确定物质的浓度范围 （1）原理：可逆反应不可能进行完全，反应体系各物质同时共存。 （2）假设反应正向或逆向进行到底，求出各物质浓度的最大值和最小值，从而确定它们的浓度范围。 考向二 化学平衡状态的确定 典例 2 在一定温度下，向 2 L 固定容积的密闭容器中通入 1 mol CO2、3 mol H2，发生反应 CO2(g)＋ 3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH<0。能说明该反应已达到平衡状态的是 A．混合气体的平均相对分子质量不变 B．体系中 2 2 (CO ) (H ) n n ＝1 3 ，且保持不变 C．混合气体的密度不随时间变化 D．单位时间内有 n mol H—H 键断裂，同时有 n mol O—H 键生成 【解析】A 项， M 是变量，当 M 不变，可以说明反应已达平衡；B 项， 2 2 (CO ) (H ) n n 是不变量 1 3 ，不能 说明反应是否达平衡；C 项，ρ是不变量，不能说明反应是否达平衡；D 项，二者均表示 v 正，不能说明反应 是否达平衡。 【答案】A 2．一定温度下，反应 N2O4(g) 2NO2(g)的焓变为ΔH。现将 1 mol N2O4 充入一恒压密闭容器中，下列示 意图正确且能说明反应达到平衡状态的是 A．①② B．②④ C．③④ D．①④ 【答案】D 【解析】因反应容器保持恒压，所以容器体积随反应进行而不断变化，结合ρ气= m V 可知，气体密度不再 变化，说明容器体积不再变化，即气体的物质的量不再变化，反应达到平衡状态，①符合题意；无论是 否达平衡状态，反应的ΔH 都不变，②不符合题意；反应开始时，加入 1 mol N2O4，随着反应的进行， N2O4 的浓度逐渐变小，故 v 正(N2O4)逐渐变小，直至达到平衡，③不符合题意；N2O4 的转化率不再变化， 说明 N2O4 的浓度不再变化，反应达到平衡状态，④符合题意。 判断化学平衡状态的方法——“逆向相等，变量不变” 1．下列事实中，不能用勒夏特列原理解释的是 A．开启啤酒瓶后，瓶中立刻泛起大量泡沫 B．在 4FeSO 溶液中加入少量铁粉以防止 2+Fe 被氧化 C．实验室中常用排饱和食盐水的方法收集 2Cl D． 2 2 32SO (g)+O (g) 2SO (g) 使用过量的空气以提高 2SO 的利用率 【答案】B 【详解】 A．汽水瓶中存在平衡 H2CO3⇌H2O+CO2，打开汽水瓶时，压强降低，平衡向生成二氧化碳方向移动，所以 瓶中泛起大量泡沫，可以用勒夏特列原理解释，故不选 A； B．在 4FeSO 溶液中加入少量铁粉以防止 2+Fe 被氧化，主要发生反应 3 22Fe Fe=3Fe  ，不能用勒夏特列 原理解释，故选 B； C．氯气溶于水的反应是一个可逆反应，Cl2+H2O⇌HClO+H++Cl-，由于饱和食盐水中含有大量的氯离子，相 当于氯气溶于水的反应中增加了氯离子，平衡向逆反应方向移动，氯气溶解量减小，可以用勒夏特列原理 解释，故不选 C; D．增大氧气的浓度， 2 2 32SO (g)+O (g) 2SO (g) 平衡正向移动，使用过量的空气以提高 2SO 的利用率， 可以用勒夏特列原理解释，故不选 D； 选 B。 2．可逆反应 2NO2 2NO+O2，在恒容密闭容器中反应，达到平衡状态的标志是（ ） ①单位时间内生成 n mol O2 的同时生成 2n mol NO2 ②单位时间内生成 n mol O2 的同时生成 2n mol NO ③NO2、NO、O2 的反应速率的比为 2：2：1 的状态 ④混合气体的颜色不再改变的状态 ⑤混合气体的密度不再改变的状态 A．①④ B．②③⑤ C．①③④ D．①②③④⑤ 【答案】A 【详解】 ①单位时间内生成 n molO2 的同时生成 2n molNO2，表明正、逆反应速率相等，该反应达到平衡状态，①正 确； ②单位时间内生成 n molO2 的同时生成 2n molNO，表示的都是正反应速率，无法判断是否达到平衡状态， ②错误； ③化学反应速率与化学计量数成正比，则 NO2、NO、O2 的反应速率的比始终为 2：2：1，无法据此判断平 衡状态，③错误； ④混合气体中只有 NO2 有颜色，当混合气体的颜色不再改变时，说明 NO2 的浓度不变，表明正、逆反应速 率相等，该反应达到平衡状态，④正确； ⑤容器容积、混合气体总质量均为定值，则混合气体的密度始终不变，不能根据混合气体的密度判断平衡 状态，⑤错误； 综上所述可知，可判断平衡状态的序号是①④，故合理选项是 A。 3．用 Cl2 生产某些含氯有机物时会生成副产物 HCl，利用下列反应可实现氯的循环利用：4HCl(g)＋O2(g) 2Cl2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－115.6 kJ·mol－1。恒温恒容的密闭容器中，充入一定量的反应物发生上述 反应，能充分说明该反应达到化学平衡状态的是 A．气体的质量不再改变 B．氯化氢的转化率不再改变 C．断开 4 mol H—Cl 键的同时生成 4 mol H—O 键 D．n(HCl)∶n(O2)∶n(Cl2)∶n(H2O)＝4∶1∶2∶2 【答案】B 【解析】反应物和生成物均为气体，气体的总质量始终不变，A 错误；反应正向进行时，HCl 的转化率 升高；反应逆向进行时，HCl 的转化率降低，当 HCl 的转化率不再改变时，可以说明可逆反应达到平衡 状态，B 正确；断开 4 mol H—Cl 键和生成 4 mol H—O 键均表示正反应方向的反应速率，不能据此判断 反应是否达到平衡状态，C 错误；达到平衡状态时，各反应物和生成物的物质的量保持不变，但各物质 的物质的量之比不一定等于对应的化学计量数之比，D 错误。 4．现在一容器中加入一定量的 A 和 B，发生化学反应：A＋2B 3C。如果在反应中用 v(A)、v (B)、 v(C)表示正反应速率，用 v′(A)、v′(B)、v′(C)表示逆反应速率，下列描述中正确的是 A．在容器中，任何时候 v(A)＝v(B)＝v(C) B．在任何时候容器中都必然存在着：v(A)∶v(B)∶v(C)＝v′(A)∶v′(B)∶v′(C)＝1∶2∶3 C．当 v(A)＝v(B)＝v′(A)＝v′(B)时，表示反应已达到平衡状态 D．当 v′(A)＝ 1 2 v′(B)时，表示反应已达到平衡状态 【答案】B 【解析】在可逆反应中实际上存在两个反应，即正反应和逆反应，两个反应中的反应速率之比总是等于 其化学计量数之比，所以 v(A)∶v(B)∶v(C)＝v′(A)∶v′(B)∶v′(C)＝1∶2∶3，故 A 错误、B 正确；当 v(A) ＝v′(A)或 v′(B)＝v(B)时反应达到平衡状态，不会存在 v(A)＝v(B)＝v′(A)＝v′(B)，故 C 错；v′(A)、v′(B) 都是逆反应速率，故 D 错。 5．在其它条件一定时，图中曲线表示反应 2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) ΔH>0 达平衡时 NO 的转化率与温 度的关系，图上标有 A、B、C、D、E 点，其中表示未达平衡状态且 v 正>v 逆的点是 A．A 或 E B．B 点 C．C 点 D．D 点 【答案】C 【解析】点 B、D 在曲线上，处于平衡状态，故 B、D 项错误；在曲线上方的 A 点，当温度一定时，若 达到平衡状态，则应减小 NO 的转化率，即反应逆向进行，所以 A 点的正反应速率小于逆反应速率，E 点与 A 点相似，A 项错误；同理推知，C 点时的正反应速率大于逆反应速率，C 项正确。 【易错提醒】曲线上的点都是平衡点。不在平衡线上的点，可以根据其转化率与平衡点上的转化率比较 得出移动方向。 6．在 3 个容积均为 10L 的密闭容器中分别放入 0.2mol PCl3 和 0.2 molCl2，在不同条件下发生反应 PCl3(g)+Cl2(g)  PCl5(g)。各容器内气体总压强随时间的变化如图所示。 下列说法错误的是 A．实验 a 从反应开始至达到平衡时的平均速率 v(Cl2)= 1 6000 mol·L-1·min-1 B．与实验 a 相比，实验 b 使用了催化剂，实验 c 是在较高温度下进行的 C．实验 c 中反应的平衡常数为 50 9 L·mol-1 D．三组实验中反应的平衡转化率：a=b＞c 【答案】C 【分析】 恒温恒容条件下，气体压强之比等于气体物质的量之比，设到平衡状态时消耗 PCl3 物质的量为 x，则三段式： 3 2 5PCl + Cl PCl 0.2 0.2 0 x x x 0.2 x 0.2 x x   起始量(mol) 变化量(mol) 平衡量(mol) 【详解】 A. 实验a气体压强160变化为120，60min达到平衡状态，气体压强之比等于气体物质的量之比，0.4：（0.4-x） =160：120，解得：x=0.1，则实验 a 从反应开始至达到平衡时的反应速率为： 1 1 2 01mol 110L Cl mol L min60min 6000    （ ）v ，A 正确； B. 分析图象可知，达到平衡状态的时间不同，时间越短反应速率越快，从反应开始至达到平衡时的反应速 率 v（PCl3）由大到小的次序 b＞c＞a，实验 b 与实验 a 相比，达到相同平衡状态，但时间不同，实验 b 改 变的实验条件是加入了催化剂改变了反应速率，实验 c 是在较高温度下进行的，B 正确； C. 实验 c 气体压强 175 变化为 140，45 min 达到平衡状态，气体压强之比等于气体物质的量之比，0.4： （0.4-x）=175：140，解得：x=0.08，平衡常数 0.008 500 0.012 0.012 9  K ，C 错误； D. 实验 b 与实验 a 相比，实验 b 用了催化剂加快反应速率，实验 a 与实验 b 的转化率相同，根据 A 的计算， 实验 a 的转化率 50%  ，根据 C 的计算，实验 c 的转化率 40%  ，所以三组实验中反应的平衡转化率： a=b＞c，D 正确；故答案为：C。 7．在反应 2SO2＋O2 2SO3 中，有 a mol SO2 和 b mol O2 参加反应，达到化学平衡状态时有 c mol SO3 生成，则 SO2 在反应混合物中的体积分数为 A． 100c ab ×100% B． 100c a b c  ×100% C．     100c a b a c   ×100% D．  100 0.5 a c a b c    % 【答案】D 【解析】本题考查了化学平衡的基本计算。a mol SO2 和 b mol O2 参加反应，达到化学平衡状态时有 c mol SO3 生成，则： 故 (SO2)=    0.5 c a c a c b c      ×100%=  100 0.5 a c a b c    %，故选 D。 8．在恒容密闭容器中通入 A、B 两种气体，在一定条件下发生反应：2A(g)＋B(g) 2C(g) ΔH>0。达到 平衡后，改变一个条件(x)，下列量(y)一定符合图中曲线的是 选项 x y A 通入 A 气体 B 的转化率 B 加入催化剂 A 的体积分数 C 增大压强 混合气体的总物质的量 D 升高温度 混合气体的总物质的量 【答案】A 【解析】A 项，当通入 A 气体时，平衡向正反应方向移动，B 的转化率增大，正确；B 项，加入催化剂 只能改变反应速率，平衡不移动，A 的体积分数不变，错误；C 项，增大压强，平衡向正反应方向移动， 混合气体的总物质的量减小，错误；D 项，正反应为吸热反应，升高温度，平衡向吸热反应方向移动， 混合气体的总物质的量减小，错误。 9．已知 X(g)和 Y(g)可以相互转化：2X(g) Y(g) ΔH<0。现将一定量 X(g)和 Y(g)的混合气体通入一体积 为 1 L 的恒温密闭容器中，反应物及生成物的浓度随时间变化的关系如图所示。则下列说法不正确的是 A．若混合气体的压强不变，则说明反应已达化学平衡状态 B．a、b、c、d 四个点表示的反应体系中，表示化学反应处于平衡状态的只有 b 点 C．25~30 min 内用 X 表示的平均化学反应速率是 0.08 mol·L−1·min−1 D．反应进行至 25 min 时，曲线发生变化的原因是增加 Y 的浓度 【答案】D 【解析】A 项，正反应是气体分子数减小的反应，所以当压强不再发生变化时，可以说明反应已经达到 平衡状态，A 项正确；B 项，根据图象可知，只有 b 点表示的反应体系中，各物质的浓度不再发生变化， 所以只有 b 点表示反应处于平衡状态，B 项正确；C 项，25~30 min 内 X 的浓度变化量是 0.4 mol·L−1， 所以用 X 表示的平均化学反应速率是 10.4mol L 5min  = 0.08 mol·L−1·min−1，C 项正确；D 项，反应进行至 25 min 时，X 物质的浓度增大，D 项不正确。 10．中国政府承诺，到 2020 年，单位 GDP 二氧化碳排放比 2005 年下降 40%～50%。CO2 可转化成有机物 实现碳循环。在体积为 1 L 的密闭容器中，充入 1 mol CO2 和 3 mol H2，一定条件下反应：CO2(g)＋ 3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)，测得 CO2 和 CH3OH(g)的浓度随时间变化如图所示。 （1）从 3 min 到 9 min，v(H2)＝_______mol·L－1·min－1。 （2）能说明上述反应达到平衡状态的是________(填字母)。 A．反应中 CO2 与 CH3OH 的物质的量浓度之比为 1∶1(即图中交叉点) B．混合气体的密度不随时间的变化而变化 C．单位时间内消耗 3 mol H2，同时生成 1 mol H2O D．CO2 的体积分数在混合气体中保持不变 （3）平衡时 CO2 的转化率为________。 （4）平衡时混合气体中 CH3OH(g)的体积分数是________________________________。 （5）一定温度下，第 9 min 时 v 逆(CH3OH)________(填“大于”“小于”或“等于”)第 3 min 时 v 正(CH3OH)。 【答案】（1）0.125 （2）D （3）75% （4）30% （5）小于 【解析】（1）从 3 min 到 9 min 消耗 CO2 是 0.25 mol·L－1，根据方程式可知消耗氢气是 0.75 mol·L－1，则 v(H2)＝0.75 mol·L－1÷6 min＝0.125 mol·L－1·min－1。 （2）反应中 CO2 与 CH3OH 的物质的量浓度之比为 1∶1(即图中交叉点)时反应速率仍然发生变化，没有 达到平衡状态，A 错误；密度是混合气体的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不 变的，B 错误；单位时间内消耗 3 mol H2，同时一定生成 1 mol H2O，不能说明反应达到平衡状态，C 错 误；CO2 的体积分数在混合气体中保持不变说明反应达到平衡状态，D 正确。 （3）平衡时消耗 CO2 是 0.75 mol·L－1，则 CO2 的转化率为 0.75 1.00 ×100%＝75%。 （4）平衡时剩余氢气是 0.75 mol，生成水蒸气是 0.75 mol，则混合气体中 CH3OH(g)的体积分数是 0.75 0.75+0.75+0.25+0.75 ×100%＝30%。 （5）第 9 min 时反应达到平衡状态，则 v 逆(CH3OH)小于第 3 min 时 v 正(CH3OH)。 1．[2019 浙江 4 月选考]下列说法正确的是 A．H(g)＋I2(g) 2HI(g)，其他条件不变，缩小反应容器体积，正逆反应速率不变 B．C(s)＋H2O(g) H2(g)＋CO(g)，碳的质量不再改变说明反应已达平衡 C．若压强不再随时间变化能说明反应 2A(?)＋B(g) 2C(?)已达平衡，则 A、C 不能同时是气体 D．1 mol N2 和 3 mol H2 反应达到平衡时 H2 转化率为 10%，放出的热量为 Q1；在相同温度和压强下，当 2 mol NH3 分解为 N2 和 H2 的转化率为 10%时，吸收的热量为 Q2，Q2 不等于 Q1 【答案】B 【解析】A．该可逆反应的反应前后气体计量数不发生变化，当缩小反应容器体积，相当于加压，正逆反应 速率同等程度增加，A 项错误；B．在建立平衡前，碳的质量不断改变，达到平衡时，质量不变，因而 碳的质量不再改变说明反应已达平衡，B 项正确；C．若压强不再改变说明反应达到平衡，表明反应前后 气体的计量数不等，故 A、C 不可能均为气体，C 项错误；D．易知 N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH，合 成氨气实际参与反应 n(H2)=3×10％=0.3mol，因而 Q1=0.3/3×|ΔH|=0.1|ΔH|，分解氨气时实际消耗的 n(NH3)=2×10％=0.2mol，Q2=0.2/2×|ΔH|=0.1|ΔH|，则 Q1=Q2，D 项错误。故答案选 B。2．[2017 新课标Ⅲ] 砷（As）是第四周期ⅤA 族元素，可以形成 As2S3、As2O5、H3AsO3、H3AsO4 等化合物，有着广泛的用 途。回答下列问题： （4）298 K 时，将 20 mL 3x mol·L−1 Na3AsO3、20 mL 3x mol·L−1 I2 和 20 mL NaOH 溶液混合，发生反 应： 3 3AsO  (aq)+I2(aq)+2OH−(aq) 3 4AsO  (aq)+2I−(aq)+ H2O(l)。溶液中 c( 3 4AsO  )与反应时间（t）的 关系如图所示。 ①下列可判断反应达到平衡的是__________（填标号）。 a．溶液的 pH 不再变化 b．v(I−)=2v( 3 3AsO  ) c．c( 3 4AsO  )/c( 3 3AsO  )不再变化 d．c(I−)=y mol·L−1 ②tm 时，v 正_____ v 逆（填“大于”“小于”或“等于”）。 ③tm 时 v 逆_____ tn 时 v 逆（填“大于”“小于”或“等于”），理由是_____________。 【答案】（4）①ac ②大于 ③小于 tm 时生成物浓度较低 【解析】（4）①a．溶液 pH 不变时，则 c(OH−)也保持不变，反应处于平衡状态；b．根据速率关系，v （I−）/2=v(AsO33−)，则 v(I−)=2v(AsO33－)始终成立，v(I−)=2v(AsO33－)时反应不一定处于平衡状态；c．由 于提供的 Na3AsO3 总量一定，所以 c(AsO43−)/c(AsO33−)不再变化时，c(AsO43−)与 c(AsO33−)也保持不变， 反应处于平衡状态；d．平衡时 c(I−)=2c(AsO33－)=2×y mol/L=2y mol/L 时，即 c(I−)=y mol/L 时反应不是平 衡状态。 ②反应从正反应开始进行，tm 时反应继续正向进行，v 正>v 逆。 ③tm 时比 tn 时 AsO43−浓度小，所以逆反应速率：tm

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