2020高中化学 化学平衡移动（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

2020高中化学 化学平衡移动（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

化学平衡的移动 ‎【学习目标】‎ ‎1、通过实验探究温度、浓度和压强对化学平衡的影响；‎ ‎2、能利用相关理论解释外界条件对平衡移动的影响。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、化学平衡移动 ‎【高清课堂：反应之事合久必分分久必合-化学平衡移动】‎ ‎1．定义。‎ 化学平衡研究的对象是可逆反应，化学平衡是有条件的动态平衡，在一定条件下才能保持平衡状态，当影响化学平衡的条件（浓度、压强、温度）改变时，原平衡就会被破坏，反应混合物里各组分的含量会随之改变，引起v正≠v逆，然后在新条件下重新建立平衡。这种可逆反应中旧化学平衡的破坏、新化学平衡的建立过程叫做化学平衡的移动。‎ ‎2．原因。‎ 化学平衡移动的原因是反应条件的改变，移动的结果是正、逆反应速率发生变化，平衡混合物中各组分的含量发生相应的变化。‎ ‎ 3．标志。‎ ‎ （1）从反应速率来看：如有v正=v逆，到v正≠v逆，再到v正＇=v逆＇，有这样的过程表明化学平衡发生了移动。‎ ‎ （2）从混合物组成来看：各组分的含量从保持一定到条件改变时含量发生变化，最后在新条件下各组分的含量保持新的一定，同样表明化学平衡发生了移动。‎ ‎ 4．方向。‎ ‎ 平衡移动的方向由v（正）、v（逆）的相对大小来决定：‎ ‎ （1）若外界条件的改变引起v（正）＞v（逆），则化学平衡将向正反应方向（或向右）移动。‎ ‎ （2）若外界条件的改变引起v（正）＜v（逆），则化学平衡将向逆反应方向（或向左）移动。‎ ‎ （3）若外界条件的改变虽引起v（正）和v（逆）的变化，但v（正）和v（逆）仍保持相等，则称化学平衡不发生移动（或没有被破坏）。‎ 要点诠释：平衡移动过程可表示为：‎ 一定条件下的化学平衡平衡被破坏新条件下的新化学平衡 ‎ v（正）=v（逆） v（正）≠v（逆） v＇（正）=v＇（逆）‎ ‎ 各组分的含量保持不变→各组分的含量不断变化→各组分的含量又保持不变 要点二、外界条件对化学平衡的影响 ‎【高清课堂：反应之事合久必分分久必合-化学平衡移动】‎ ‎ 1．浓度对化学平衡的影响。‎ ‎ （1）规律：其他条件不变的情况下，增大反应物的浓度或减小生成物的浓度都可以使化学平衡向着正反应的方向移动；增大生成物的浓度或减小反应物的浓度，都可以使化学平衡向着逆反应的方向移动。‎ ‎ （2）解释：由浓度对化学反应速率的影响可知，增大反应物浓度使v（正）增大，减小生成物浓度使v（逆）减小，这两种变化均导致v（正）＞v（逆），因此平衡向正反应方向移动；同理，减小反应物浓度使v（正）减小，增大生成物浓度使v（逆）增大，这两种变化均导致v（正）＜v（逆），因此平衡向逆反应方向移动。‎ ‎ 要点诠释：也可用平衡常数（Kc）和浓度商（Qc）的相对大小解释。‎ ‎ 温度一定时，反应的平衡常数是一个定值。对于一个已达到化学平衡状态的反应，反应物浓度增大或生成物浓度减小时，Qc＜Kc平衡状态被破坏，此时，只有增大生成物的浓度或减小反应物的浓度，平衡向消耗反应物的方向移动，即平衡右移才能使Qc=Kc，使反应达到新的平衡状态；反之，减小反应物浓度或增大生成物浓度，则Qc 8‎ ‎＞Kc，化学平衡向消耗生成物的方向移动，即平衡左移才能使反应达到新的平衡状态。温度一定时，增大反应物的浓度或减小生成物的浓度，都可以使平衡向右移动；增大生成物的浓度或减小反应物的浓度，都可以使平衡向左移动。‎ ‎ （3）图像分析（v-t图像）。‎ 浓度对化学平衡的影响，可用如图所示的v-t图像予以说明。‎ ‎【高清课堂：反应之事合久必分分久必合-化学平衡移动】‎ ‎ 2．压强对化学平衡的影响。‎ ‎ （1）规律：在其他条件不变的情况下，增大压强，会使化学平衡向着气体体积缩小的方向移动；减小压强，会使化学平衡向着气体体积增大的方向移动。‎ ‎（2）解释：‎ 反应特点 ‎（正向气体体积变化）‎ A：减小 B：增大 C：增大 D：减小 平衡移动原因 加压 加压 减压 减压 速率变化 v正、v逆同时增大，但v正＇＞v逆＇‎ v正、v逆同时增大，但v逆＇＞v正＇‎ v正、v逆同时减小，但v正＇＞v逆＇‎ v正、v逆同时减小，但v逆＇＞v正＇‎ 平衡移动方向 正向移动 逆向移动 正向移动 逆向移动 ‎（3）图像分析：‎ ‎ 要点诠释：①无气态物质存在的化学平衡，由于改变压强不能改变化学反应速率，所以改变压强不能使无气态物质存在的化学平衡发生移动。‎ ‎ ②如2HI (g)H2 (g)+I2 (g)，3Fe (s)+4H2O (g)4H2 (g)+Fe3O4 (s)等可逆反应，由于反应前后气体体积不变，改变压强后，正、逆反应速率同时、同程度地改变，因此增大或减小压强不能使其化学平衡发生移动。‎ ‎ ③在容积不变的密闭容器中，气体反应已达到平衡，若向该容器中充入一种不参与该化学反应的气体，化学平衡不移动，原因是气态反应物、生成物的浓度未变化。例如可逆反应2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)，达到平衡后，在温度和气体体积不变的条件下充入Ar，因c (SO2)、c (O2)、c (SO3)均未发生变化，故化学平衡不移动。‎ ‎ ④‎ 8‎ 在容积可变的恒压容器中，充入一种不参与反应的气体，此时虽然总压强不变，但各气态物质的浓度发生改变。则化学平衡发生移动。‎ ‎【高清课堂：反应之事合久必分分久必合-化学平衡移动】‎ ‎ 3．温度对平衡的影响。‎ ‎ （1）规律：在其他条件不变的情况下，升高温度，会使化学平衡向着吸热反应的方向移动；降低温度，会使化学平衡向着放热反应的方向移动。‎ ‎ （2）解释：‎ ‎ 升高温度，正、逆反应速率均增大，但吸热反应的速率增大的程度更大，使v（吸）＞v（放），因此平衡向吸热反应方向移动；降低温度，正、逆反应速率均减小，但吸热反应的速率减小的程度更大，使v（吸）＜v（放），因此平衡向放热反应方向移动。‎ ‎（3）图像分析：‎ ‎ 要点诠释：（1）任何化学反应都伴随着能量变化，因此，温度变化时任何化学平衡都会发生移动。‎ ‎ （2）一个反应的正反应是放热反应，则其逆反应一定是吸热反应，且放出或吸收的热量相同，但符号相反。‎ ‎ （3）在v-t图像中，速率曲线都是突变的，t2时刻反应速率因为温度的变化而突然增大或减小。‎ ‎ （4）在分析温度对化学平衡的影响时，首先应分析反应的特点，看正（逆）反应是放热反应还是吸热反应。‎ ‎【高清课堂：反应之事合久必分分久必合-化学平衡移动】‎ ‎ 4．催化剂对化学平衡的影响。‎ 使用催化剂不影响化学平衡的移动。由于使用催化剂对正反应速率与逆反应速率影响的程度是等同的，所以平衡不移动。但应注意，虽然催化剂不使化学平衡移动，但使用催化剂可影响可逆反应达到平衡的时间。下图是使用催化剂对反应aA (g)+bB (g)cC (g)+dD (g) ΔH＜0的影响的图像。‎ ‎【高清课堂：反应之事合久必分分久必合-化学平衡移动】‎ ‎ 5．勒夏特列原理。‎ ‎ 浓度、压强和温度对化学平衡的影响可以概括为平衡移动原理（也叫勒夏特列原理）：如果改变影响平衡的一个条件（如浓度、压强或温度等），平衡就会向着能够减弱这种改变的方向移动。‎ ‎ 要点诠释：（1）对“减弱这种改变”的正确理解。‎ ‎ ①定性角度：用于判断平衡移动的方向。‎ ‎ ②定量角度：“减弱”不等于“消除”，更不是“扭转”，具体有如下理解。‎ ‎ a．若将体系温度从‎50℃‎升高到‎80℃‎，则化学平衡向吸热方向移动，则体系的温度降低，达到新的平衡状态时‎50℃‎＜t＜‎80℃‎。‎ ‎ b．若对体系N2 (g)+3H2 (g)2NH3 (g)加压，例如从30 MPa加压到60 MPa，化学平衡向气体体积减小的方向移动，移动的结果使体系的压强减小，达到新的平衡时30 MPa＜p＜60 MPa。‎ ‎ c．若增大平衡体系Fe3++3SCN－Fe(SCN)3中Fe3+的浓度，例如由0.01 mol·L－1增加到0.02mol·L－1‎ 8‎ ‎，则在新平衡状态下，0.01 mol·L－1＜c (Fe3+)＜0.02 mol·L－1。‎ ‎ （2）勒夏特列原理只适用于判断“改变一个条件”时，平衡移动的方向。若同时改变影响平衡移动的几个条件，不能简单地根据移动原理来判断平衡移动的方向，只有在改变的条件对平衡移动的方向影响一致时，才能根据平衡移动原理进行判断。‎ ‎ （3）勒夏特列原理仅适用于已达到平衡的反应体系，对不可逆反应或未达到平衡的可逆反应均不能使用勒夏特列原理。此外勒夏特列原理对所有的动态平衡（如溶解平衡、电离平衡、水解平衡等）都适用。‎ 要点三、化学平衡中的几种处理方法 ‎ 1．“极限思维法”在平衡中的应用。‎ ‎ 任何可逆反应均可以看成完全不反应和完全反应的中间状态。我们在求某一物质在平衡状态的浓度取值范围时，常采用极限思维法，让正反应（或逆反应）完全进行，可以求得其取值范围。‎ ‎ 2．“虚拟法”在平衡中的应用。‎ ‎ 任何一个可逆反应体系，在相同条件下从不同的状态开始，只要达到平衡时的条件（温度、压强、浓度）完全相同，就可以形成等效平衡。我们在解题中若遇到将两个状态进行比较这类问题时，可以“虚拟”一个中间过程，如一个容器、一个隔板等，然后再进行比较。‎ ‎ 3．守恒思维法。‎ ‎ 在任何反应中，均存在某些守恒关系，在化学平衡中有时运用这些守恒关系能够很快得出正确答案。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一、化学平衡移动的含义及标志 ‎ 例1、在一密闭容器中，反应mA (g)+nB (g)pC (g)，达到平衡时，测得c (A)为0.5 mol·L－1；在温度不变的条件下，将容器体积扩大一倍，当达到平衡时，测得c＇(A)为0.3 mol·L－1。则下列判断正确的是（ ）。‎ ‎ A．化学计量数：m+n＞p B．平衡向正反应方向移动了 ‎ C．物质B的转化率减小了 D．物质C的质量分数增加了 ‎ 【思路点拨】根据本题题意，将容器体积扩大一倍，即体系的压强立即变为原来的一半，各物质的浓度也变为原来的一半。从压强的变化分析解答该题即可。‎ ‎ 【答案】A、C ‎ 【解析】假设体积变为原来的2倍后平衡不移动，那么A、B、C的浓度都应该为原来的0.5倍，而现在题中已知c＇(A)为0.3 mol·L－1，也就是说A的浓度比原来的0.5倍要大，那么只能是平衡向左移动了，以此为突破点，正确选项A、C就可以分析出来。‎ ‎【总结升华】本题是判断平衡移动的问题。判断平衡移动的关键是看通过改变条件是否使体系中的v（正）≠v（逆），如果v（正）≠v（逆）平衡就会发生移动。另外还要注意所改变的条件是否对反应速率产生影响。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】已建立平衡的可逆反应A+B‎3C，改变条件使平衡向正反应方向移动，下列判断正确的是（ ）。‎ ‎ A．生成物的百分含量一定增大 B．生成物的产量一定增加 C．反应物的转化率都增大 D．生成物的浓度一定增大 ‎【答案】B ‎ 类型二、外界条件对化学平衡的影响 例2、在一体积可变的密闭容器中，加入一定量的X、Y，发生反应mX (g)nY (g) ΔH=Q kJ／mol。反应达到平衡时，Y的物质的量浓度与温度、气体体积的关系如下表所示：‎ 8‎ ‎ 气体体积 c (Y) / mol·L－1‎ 温度℃‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎100‎ ‎1.00‎ ‎0.75‎ ‎0.53‎ ‎200‎ ‎1.20‎ ‎0.09‎ ‎0.63‎ ‎300‎ ‎1.30‎ ‎1.00‎ ‎0.70‎ 下列说法正确的是（ ）。‎ ‎ A．m＞n ‎ B．Q＜0‎ ‎ C．温度不变，压强增大，Y的质量分数减少 ‎ D．体积不变，温度升高，平衡向逆反应方向移动 ‎ 【思路点拨】对于此类多变量问题的分析，建议先固定一个量以便分析另一个变量，比如先分析‎100℃‎时体积因素引起的变化，再分析Y的体积为1时各温度引起的变化。‎ ‎ 【答案】C ‎ 【解析】由表知，体积不变升高温度，c (Y)增大，平衡右移，因升高温度，平衡向吸热方向移动，说明正反应为吸热反应，Q＞0，B、D错；温度不变，容器体积增大，即由l L变为‎2 ‎L，若平衡不移动，此时c (Y)应减小为原来的一半，现c (Y)比原来的一半大，即减小压强，平衡向右移动，向气体体积增大的方向移动，所以m＜n，A错；因为m＜n，增大压强，平衡向左移动，所以Y的质量分数减少，故C正确。‎ ‎【总结升华】解此类题目的关键是理解化学平衡移动的条件。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】可逆反应A (g)+BC (g)+D的压应式中A和C都是无色气体。当反应达到平衡时，下列叙述错误的是（ ）。‎ ‎ A．若增大A的浓度，平衡体系颜色加深，则说明D是有颜色的气体 ‎ B．若升高温度，c的百分含量减小，则说明逆反应为吸热反应 ‎ C．若增大压强，平衡不发生移动，则说明B和D一定都是气体 ‎ D．如果B是气体，则增大A的浓度会使B的转化率增大 ‎【答案】C 类型三、“惰性气体”对化学平衡移动的影响 ‎ 例3、已知反应mX (g)+nY (g)qZ (g)的ΔH＜0，m+n＞q，在恒容密闭容器中反应达到平衡时，下列说法正确的是（ ）。‎ ‎ A．通入稀有气体使压强增大，平衡将正向移动 ‎ B．X的正反应速率是Y的逆反应速率的m／n倍 ‎ C．降低温度，混合气体的平均相对分子质量变小 ‎ D．增加X的物质的量，Y的转化率减小 ‎ 【思路点拨】对于“惰性气体”能否改变平衡的移动问题，关键是看惰性气体的加入是否改变了原平衡体系的压强、浓度。‎ ‎【答案】B ‎【解析】恒容密闭容器中通入稀有气体，X、Y、Z浓度均不变，平衡不移动，A错误。达到平衡时正、逆反应速率相等，v (X，正)=v (X，逆)、v (Y，正)=v (Y，逆)；由“速率数值之比等于物质化学计量数之比”得，B正确。降低温度，平衡正向移动，气体物质的量减小，而气体总质量不变，根据 8‎ ‎，则混合气体的平均相对分子质量变大，C错误。增加X的物质的量，平衡正向移动，Y的转化率增大，D错误。‎ ‎ 【总结升华】对于“惰性气体”能否改变平衡的移动问题，如果仅是加入而没有原体系的压强及浓度，则原平衡不移动。另外，如果反应前后气体分子数相同，即便加入惰性气体，改变了原平衡体系的浓度、压强，平衡仍然不移动。只有对于反应前后气体分子数不同，加入惰性气体后引起原平衡体系浓度、压强发生变化的情况，才考虑平衡移动问题。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】一定条件下，向一带活塞的密闭容器中充入2 mol SO2和1 mol O2，发生下列反应：2SO2 (g)+O2 (g) 2SO3 (g)，达到平衡后改变下述条件，SO3气体平衡浓度不改变的是（ ）。‎ ‎ A．保持温度和容器体积不变，充入1 mol SO3（g）‎ ‎ B．保持温度和容器内压强不变，充入1 mol SO3（g）‎ ‎ C．保持温度和容器内压强不变，充入1 mol O2（g）‎ ‎ D．保持温度和容器内压强不变，充入l mol Ar（g）‎ ‎【答案】B 类型四、过程假设法（虚拟法）的使用 ‎ 例4、一定温度下，在一固定容积的密闭容器中发生反应：2NO2 (g)N2O4 (g)，达到平衡时，再向容器内通人一定量的NO2，重新达到平衡后，与第一次平衡相比，NO2的体积分数（ ）。‎ ‎ A．不变 B．增大 C．减小 D．无法判断 ‎【思路点拨】解答本题时，首先分析题干中的两种情况，然后引入一种介于两者之间的中间状况，以便更好的理解、分析。‎ ‎【答案】C ‎【解析】可以假设原来在容积为‎1 ‎L的容器中通入了1 mol NO2，达到平衡后(NO2)=a，然后又通入了l mol NO2，具体过程假设如下：‎ ‎【总结升华】解决此类题目的关键，就是引入恰当的中间状况或者过渡步骤，使问题变得更简单。只有通过多练习，才能迅速有效的理清头绪，找出解决此类问题的有效辅助方法。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】完全相同的两个密闭容器A、B，已知A中装有SO2和O2各l g，B中装有SO2和O2各‎2 g。在同温下反应达到平衡，A中SO2转化率为a％，B中SO2转化率为b％，则A、B两个容器中SO2的转化率关系为（ ）。‎ A．a％＞b％ B．a％＜b％ C．a％=b％ D．无法确定 ‎【答案】B ‎ ‎【解析】该反应的化学方程式为2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g)，将其变化过程假设如下：设容器A为 8‎ ‎1 L‎，在其中充入SO2和O2各l g，另假设有一个容积可变的容器B体积为‎2 L，在B中充入SO2和O2各‎2 ‎g，在相同温度下达到平衡时，A和B容器中SO2的转化率均为a％，然后将B容器压缩为‎1 L，则容器内压强增大，平衡向生成SO3的方向移动，则SO2的转化率增大，所以a％＜b％。‎ 类型五、与化学反应速率、化学平衡有关的综合问题 ‎ 例5、一定条件下，在体积为‎3 ‎L的密闭容器中，一氧化碳与氢气反应生成甲醇（催化剂为CuO／ZnO）：‎ CO (g)+2H2 (g)CH3OH (g)‎ ‎ 根据题意完成下列各题：‎ ‎ （1）反应达到平衡时，平衡常数表达式K=________，升高温度，K值________（填“增大”“减小”或“不变”）。‎ ‎ （2）在‎500℃‎，从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v (H2)=________。‎ ‎ （3）在其他条件不变的情况下，对处于E点的体系体积压缩到原来的，下列有关该体系的说法正确的是________。‎ ‎ a．氢气的浓度减少 b．正反应速率加快，逆反应速率也加快 ‎ c．甲醇的物质的量增加 d．重新平衡时n (H2)／n (CH3OH)增大 ‎ （4）据研究，反应过程中起催化作用的为Cu2O，反应体系中含少量CO2有利于维持催化剂Cu2O的量不变，原因是________________（用化学方程式表示）。‎ ‎【思路点拨】平衡常数的表达及影响因素属于基础题，容易解答。另外本题还考查了温度对化学反应速率的影响，并且结合了平衡的移动综合训练。最后一问考查催化剂的催化机理，可以从初中学习的氧化铜的还原入手。‎ ‎【答案】（1） 减小 （2）‎ ‎ （3）b、c （4）Cu2O+CO2Cu+CO2‎ ‎ 【解析】（1）根据反应式和平衡常数的定义，该反应平衡常数表达式K=c (CH3OH)／c (CO)·c2 (H2)。从题给图像可以看出平衡后‎500℃‎时甲醇的物质的量小于‎300℃‎时的物质的量，说明该反应正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，K值将减小。‎ ‎ （2）‎500℃‎时反应达到平衡，生成甲醇的物质的量为nB，则消耗H2的物质的量为2nB，因此。‎ ‎ （3）在其他条件不变的情况下，处于E点的体系体积压缩到原来的，根据反应特点推知增大压强，正逆反应速率都增加，且平衡向正反应方向进行，甲醇的物质的量将增加，即选b、c。‎ ‎（4）因Cu2O被CO还原为Cu，因此通入CO2可以抑制此反应的发生，反应方程式为Cu2O+CO2Cu+ CO2。‎ ‎【总结升华】在本题中要求考生会对隐含在图表中的有关数据、信息进行综合分析、整理，并归纳转化为解决实际问题的能力。一般来讲，此类综合试题的结构设计为几个小题，并且各小题难度有一定的层次性，需要考生由易到难，按照问题的顺序逐一进行作答。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】在一定条件下，二氧化硫和氧气发生如下反应：‎ ‎ 2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g) ΔH＜0‎ ‎ （1）写出该反应的化学平衡常数表达式K=________。‎ ‎ ‎ 8‎ ‎ （2）降低温度，该反应K值________，二氧化硫转化率________，化学反应速率________（以上均填“增大”“减小”或“不变”）。‎ ‎（3）‎600℃‎时，在一密闭容器中，将二氧化硫和氧气混合，反应过程中SO2、O2、SO3物质的量变化如图，反应处于平衡状态的时间是________。‎ ‎ （4）据图判断，反应进行至20 min时，曲线发生变化的原因是________（用文字表达）。10 min～15 min的曲线变化的原因可能是________（填写编号）。‎ ‎ a．加了催化剂 b．缩小容器体积 c．降低温度 d．增加SO3的物质的量 ‎【答案】（1） （2）增大 增大 减小 ‎（3）15 min～20 min和25 min～30 min （4）增加了O2的量 a、b ‎【解析】反应进行到20 min时氧气物质的量突然增多为0.12 mol，而SO2和SO3的物质的量仍与平衡时一致，说明此时增加了O2的量。10 min到15 min的曲线变化说明反应速率大幅度增大，可能的原因是a．加了催化剂；b．缩小容器体积。由于降温反应速率减小，不可能是c。SO3的物质的量没有突然增多且平衡时SO2和SO3物质的量之和仍为0.20 mol，故d选项不正确。‎ 8‎