第二章 化学反应速率与化学平衡
第二节 化学平衡
第1课时 化学平衡状态
基础过关练
题组一 化学平衡状态的理解与应用
1.如图是可逆反应X(g)+3Y(g) 2Z(g)在反应过程中的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线,下列叙述正确的是 ( )
A.t2~t3时,各物质的浓度不再发生变化
B.t2时,反应未达到限度
C.t2~t3时,反应已停止进行
D.t1时,反应只向正反应方向进行
2.(经典题)(2023黑龙江铁人中学月考)在密闭容器中进行反应:X2(g)+Y2(g) 2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.2 mol·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度可能是( )
A.X2为0.2 mol·L-1 B.Y2为0.2 mol·L-1
C.Z为0.3 mol·L-1 D.Z为0.45 mol·L-1
3.(2024江苏苏州月考)向容积为1 L的密闭容器中通入一定量N2O4和NO2的混合气体,发生反应N2O4(g) 2NO2(g) ΔH>0。体系中各物质浓度随时间的变化如图所示。
下列有关说法正确的是 ( )
A.64 s时,反应达到化学平衡状态
B.达到化学平衡前,混合气体的颜色逐渐变深
C.容器中气体的总物质的量浓度最多为2.6 mol·L-1
D.若该容器与外界无热传递,则反应达到平衡前,容器内气体的温度逐渐升高
题组二 化学平衡状态的判断
4.工业上用化学气相沉积法制备氮化硅,其反应为3SiCl4(g)+2N2(g)+6H2(g) Si3N4(s)+12HCl(g)。一定条件下,在恒容密闭容器中,能表示上述反应达到化学平衡状态的是 ( )
A.3v(N2)=v(H2)
B.v正(HCl)=4v正(SiCl4)
C.混合气体密度保持不变
D.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6
5.(2023河北省示范高中期中)一定温度下,在恒容密闭容器中发生反应C2H4(g)+H2(g) C2H6(g) ΔH<0。下列叙述中不能表明反应达到平衡状态的是 ( )
A.混合气体的密度不再发生变化
B.混合气体总物质的量不再发生变化
C.单位时间内消耗H2与消耗C2H6的物质的量之比为1∶1
D.容器中各物质的物质的量分数不再发生变化
6.(2024天津名校联考)以下可逆反应,在给定的条件下一定达到了化学平衡状态的是( )
A.2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)(在恒容条件下,气体颜色不再改变)
B.CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)(在恒容容器中,容器内压强不再改变)
C.2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)(在恒压条件下,总质量不再改变)
D.N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)(在混合气体中NH3的体积分数为33.3%)
能力提升练
题组一 化学平衡状态的综合判断
1.(经典题)将一定量纯净的NH4HS固体置于密闭真空容器中(假设容器容积不变,固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:NH4HS(s) NH3(g)+H2S(g)。能判断该反应已经达到化学平衡的是 ( )
①v正(NH3)=v逆(H2S)
②密闭容器中总压强不变
③密闭容器中混合气体的密度不变
④密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变
⑤密闭容器中混合气体的总物质的量不变
⑥密闭容器中NH3的体积分数不变
⑦混合气体总质量不变
A.①②③④⑤⑦
B.①③⑤⑥
C.①②③⑤⑦
D.全部
2.(2023安徽舒城中学月考)一定条件下,在恒容绝热容器中发生反应:2HI(g) H2(g)+I2(g) ΔH=+9.48 kJ·mol-1。下列有关说法正确的是 ( )
A.达到化学平衡状态时,2v正(HI)=v逆(H2)
B.容器内的压强不再变化,说明反应达到化学平衡状态
C.向容器中充入氮气,正反应速率增大
D.若起始加入1 mol I2(g)和1 mol H2(g),充分反应后放出热量9.48 kJ
3.(易错题)(2024福建罗源一中期中)当反应容器内气体密度不随时间变化时,无法说明下列可逆反应一定达到平衡的是 ( )
A.在恒温、恒容容器中:A(s)+B(g) C(g)
B.在恒温、恒压容器中:A(g)+B(g) C(g)
C.在恒容、绝热容器中:A(g)+B(g) 2C(g)
D.在恒压、绝热容器中:A(g)+B(g) 2C(g)
题组二 化学平衡状态的相关计算
4.(2024福建福州月考)在4 L恒容密闭容器中充入6 mol A气体和5 mol B气体,在一定条件下发生反应:3A(g)+B(g) 2C(g)+xD(g),已知达到平衡时生成了2 mol C,经测定D的浓度为0.5 mol·L-1。下列判断正确的是 ( )
A.x=3
B.A的转化率为50%
C.平衡时B的浓度为1.5 mol·L-1
D.达到平衡时,在相同温度下容器内混合气体的压强是反应前的95%
5.(2024河北石家庄月考)恒温下,将a mol N2与b mol H2的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中,发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。
(1)若反应进行到某时刻t时,nt(N2)=13 mol,nt(NH3)=6 mol,则a= 。
(2)反应达平衡时,混合气体的体积为716.8 L(标准状况下),其中NH3的含量(体积分数)为25%,平衡时NH3的物质的量为 。
(3)原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比n(始)∶n(平)= 。(写出最简整数比,下同)
(4)达到平衡时,N2和H2的转化率之比α(N2)∶α(H2)= ;平衡混合气体中,n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)= 。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.A 2.C 3.B 4.C 5.A 6.A
1.A 重点分析选项中涉及的反应阶段,联系化学平衡的相关知识进行解答。
2.C 若反应正向进行,假定X2(g)完全反应,则:
X2(g)+Y2(g) 2Z(g)
起始/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
变化/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
完全反应/(mol·L-1) 0 0.2 0.4
若反应逆向进行,假定Z(g)完全反应,则:
X2(g)+Y2(g) 2Z(g)
起始/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.2
变化/(mol·L-1) 0.1 0.1 0.2
完全反应/(mol·L-1) 0.2 0.4 0
由于该反应为可逆反应,物质不能完全转化,所以平衡时浓度范围为0
4.C 未指明反应速率的方向,不能说明反应达到平衡状态,A错误;都表示正反应速率,不能说明反应达到平衡状态,B错误;该反应有固体生成,在恒容密闭容器中,混合气体的密度保持不变说明混合气体的总质量不变,可说明该反应达到平衡状态,C正确;起始浓度未知,当c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6时不能说明反应达到平衡状态,D错误。
5.A 反应在恒容密闭容器中进行,反应物和生成物均为气体,即气体的总质量不变,则混合气体的密度恒定,混合气体的密度不再改变不能说明反应达到平衡状态,A可选;反应前后气体的物质的量不相等,当混合气体总物质的量不再变化时,或各物质的物质的量分数不再发生变化时,均能说明反应达到平衡状态,B、D不选;单位时间内消耗H2与消耗C2H6的物质的量之比为1∶1,说明正、逆反应速率相等,该反应达到平衡状态,C不选。
6.A 在恒容条件下,混合气体的颜色不再改变,表明NO2的浓度保持不变,则反应达到平衡状态,A符合题意;对于反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g),反应前后无气体体积差,在恒容容器中,不管反应是否达到平衡,容器内压强始终不变,B不符合题意;对于反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),不管反应进行到何种程度,混合气体的总质量始终不变,则在恒压条件下,总质量不再改变时,反应不一定达到平衡状态,C不符合题意;对于反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),混合气体中NH3的体积分数为33.3%,可能是反应过程中的某个阶段,不一定是平衡状态,D不符合题意。
能力提升练
1.C 2.B 3.C 4.B
1.C ①v正(NH3)=v逆(H2S),说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态;②正反应反应前后气体体积增大,当密闭容器中总压强不变时,反应达到平衡状态;③反应过程中容器容积不变,但气体质量是变化的,当密闭容器中混合气体的密度不变时,反应达到平衡状态;④反应体系中只有两种气体,且NH3和H2S的体积之比满足1∶1,密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变,不能说明反应达到平衡状态;⑤正反应反应前后气体的分子数增大,当密闭容器中混合气体的总物质的量不变时,反应达到平衡状态;⑥体系中NH3和H2S的体积之比始终为1∶1,密闭容器中NH3的体积分数不变,不能说明反应达到平衡状态;⑦混合气体的质量是变量,当混合气体总质量不变时,反应达到平衡状态。结合分析可知C正确。
2.B 达到化学平衡状态时,正、逆反应速率相等,即v正(HI)=2v逆(H2),A错误;反应前后气体的物质的量不变,恒容绝热容器中,反应吸热导致温度降低,容器内压强减小,若容器内压强不再变化,说明反应体系温度不变,反应达到化学平衡状态,B正确;容器中充入N2,对混合物的浓度没有影响,正反应速率不变,C错误;该反应为可逆反应,不能完全进行,故放出的热量比9.48 kJ少,D错误。
3.C A(s)为固体,该反应为反应前后气体质量增加的反应,恒温、恒容时,根据ρ=,达到平衡之前密度一直增大,当气体密度不随时间变化时反应一定达到平衡状态,A不符合题意;A(g)+B(g) C(g)在反应前后气体总质量不变,反应容器为恒压,该反应为反应前后气体体积减小的反应,达到平衡之前密度一直增大,当气体密度不随时间变化时反应一定达到平衡状态,B不符合题意;A(g)+B(g) 2C(g)在反应前后质量不变,容器容积不变,当气体密度不随时间变化时反应不一定达到平衡状态,C符合题意;在恒压、绝热条件下,A(g)+B(g) 2C(g)在反应过程中能量变化会导致体积变化,密度也会发生变化,当反应达到平衡状态时,温度不变则体积不再变化,气体密度不再随时间变化,D不符合题意。
易错分析 恒温、恒容条件下,用“混合气体的密度”判断平衡状态时,要特别关注是否有非气态物质参与反应。
4.B 根据题中信息,列三段式如下:
3A(g)+B(g) 2C(g)+xD(g)
起始: 6 mol 5 mol 0 0
转化: 3 mol 1 mol 2 mol x mol
平衡: 3 mol 4 mol 2 mol x mol
D的浓度为0.5 mol·L-1,c===0.5 mol·L-1,解得x=2,A错误。A的转化率为×100%=50%,B正确;平衡时B的浓度为c===1 mol·L-1,C错误;该反应是反应前后气体总物质的量不变的反应,因此在恒温、恒容条件下压强始终不变,D错误。
5.答案 (1)16 (2)8 mol (3)5∶4 (4)1∶2
3∶3∶2
解析 (1)根据题意,列三段式如下:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol a b 0
变化/mol 3 9 6
t时刻/mol 13 b-9 6
所以a=13+3=16;(2)反应达平衡时,混合气体为=32 mol,其中NH3的物质的量为32 mol×25%=8 mol;(3)结合(1)(2)可知,平衡混合气的组成:N2为16 mol-4 mol=12 mol,NH3为8 mol,H2为32 mol-12 mol-8 mol=12 mol,则:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 16 b 0
变化/mol 4 12 8
平衡/mol 12 12 8
b=12+12=24,n(始)∶n(平)=(16+24)∶(12+12+8)=5∶4;(4)达到平衡时,N2和H2的转化率之比α(N2)∶α(H2)=(×100%)∶(×100%)=1∶2,平衡混合气体n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)=12∶12∶8=3∶3∶2。
