第16讲化学平衡
一、化学平衡状态
1．化学平衡状态：化学平衡状态：在一定条件下，正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组成成分浓度、含量保持保持一定而不变的状态，叫做化学平衡状态。
2．化学平衡的特点：
（1）动：化学平衡是一种动态平衡，即υ正＝υ逆≠0）。υ正＝υ逆≠0是可逆反应达到平衡状态的本质。
（2）定：条件不变时，反应物与生成物浓度、百分组成保持不变（或反应物与生成物的含量保持一定）。这是判断体系是否处于化学平衡状态的重要特征。
（3）变：任何化学平衡状态均是暂时的、相对的、有条件的。影响平衡的外界条件改变，平衡状态即被破坏，发生平衡移动。
温馨提示：①可逆反应不能进行到底，即反应过程中反应物、生成物，不能全部转化为生成物(反应物)。②化学平衡的建立与反应的途径无关：对于可逆反应，不管从正反应开始(只投入反应物)，还是从逆反应开始(只投入生成物)，或从正逆反应开始(同时投入反应物和生成物)，在一定条件下都能达到v(正)＝v(逆)状态。
3.化学平衡的标志
(1)一个可逆反应达到平衡状态的最根本标志是υ(正)＝υ(逆)。运用速率标志要注意:正逆反应速率相等是指用同一种物质表示的反应速率.若一个可逆反应的正逆反应速率是分别用两种不同物质表示时,则当这两者的速率之比应等于这两种物质的化学计量数之比时才标志着化学平衡了。
(2)υ(正)＝υ(逆)其必然结果是反应混合物各组分的含量保持不变，所以，各组分的浓度或含量不再随时间而改变也一定标志着化学平衡了。
例题2、下列有关说法正确的是。
①活化分子间的碰撞一定能发生化学反应
②普通分子有时也能发生有效碰撞
③升高温度会加快反应速率,原因是增加了活化分子的有效碰撞次数
④增大反应物浓度会加快反应速率的原因是单位体积内有效碰撞的次数增多
⑤使用催化剂能提高反应速率,原因是提高了分子的能量,使有效碰撞频率增大
⑥化学反应实质是活化分子有合适取向时的有效碰撞
⑦浓度为1mol·L-1的盐酸与过量的锌粉反应,若加入适量的CuSO4溶液,能减慢反应速率但又不影响氢气生成量
4．勒夏特列原理（化学平衡移动原理）的应用：
（1）调控反应：根据影响化学反应速率和平衡的条件以及化学平衡移动原理，可调控工业反应使之效益最大化。如合成氨工业中加入催化剂提高反应速率，温度控制在℃左右，既考虑了反应速率又兼顾了催化剂的活性的最佳温度，充入过量N2以提高H2的转化率等。
（2）判物质状态：由压强的改变，根据平衡移动的方向，可以判断反应物或生成物的状态。
（3）判化学计量数：由压强的改变，根据平衡移动的方向，可以判断方程式中某气体物质的计量数或反应物和生成物之间的计量数的大小关系。
（4）判ΔH符号：由温度的改变，根据化学平衡移动的方向，可以判断正反应或逆反应是吸热反应还是放热反应。
5.合成氨适宜条件的选择
（1）选择依据：从提高反应速率的角度分析，提高反应温度、使用催化剂、适当提高氮氢比；从平衡移动的角度分析，降低温度、提高压强和适时分离反应产物氨；从实际生产的角度分析，温度和压强要与生产实际相适应。
（2）选择原则：能加快反应速率；提高原料的利用率；提高单位时间内的产量；对设备条件要求不能太高。
（3）合成氨的适宜条件：使用催化剂；适宜的压强：2×～5×Pa；适宜的温度：℃左右；及时分离出氨和及时补充氮气和氢气。
②丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器（氢气的作用是活化催化剂），出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图（b）为丁烯产率与进料气中n（氢气）/n（丁烷）的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是___________。
③图（c）为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在℃之前随温度升高而增大的原因可能是___________、____________；℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是_____________。
由a图可以看出，温度相同时，由0.1MPa变化到xMPa，丁烷的转化率增大，即平衡正向移动，所以x的压强更小，x0.1。由于反应①为吸热反应，所以温度升高时，平衡正向移动，丁烯的平衡产率增大，因此A正确、B错误。反应①正向进行时体积增大，加压时平衡逆向移动，丁烯的平衡产率减小，因此C错误，D正确。正确答案：+43kj/mol、小于、AD。②一方面H2可以活化催化剂，同时作为反应①的产物，他也会促使平衡逆向移动，从而减少平衡体系中的丁烯的含量。正确答案：原料中过量H2会使反应①平衡逆向移动，所以丁烯转化率下降。③℃之前，温度升高时反应速率加快，生成的丁烯会更多，同时由于反应①是吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡体系中会含有更多的丁烯。而温度超过℃时，由于丁烷高温会裂解生成短链烃类，所以参加反应①的丁烷也就相应减少。正确答案：℃前升高温度，反应①平衡正向移动、升高温度时，反应速率加快，单位时间产生丁烯更多、更高温度则有更多的C4H10裂解导致产率降低。
课时练习
1．CA.其他条件不变，升高温度，可以增大活化分子的百分数，增大SO3的生成速率，A正确；
B.催化剂降低活化能，增大活化分子的百分数，所以使用合适的催化剂，是为了增大化学反应速率，B正确；
C.该反应为可逆反应，反应不能进行到底，达到化学平衡状态时，SO2不可能%转化为SO3，C错误；
D.当反应达到化学平衡状态时，正逆反应速率相等，SO3的浓度不再改变，D正确；
故答案为：C。
2．C分析：可逆反应达到化学平衡状态时，正反应速率和逆反应速率相等，体系中各种变量保持不变。
详解：①单位时间内生成2nmolNO2的同时生成2nmolNO，说明正反应速率和逆反应速率相等；
②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2，说明正反应速率和逆反应速率相等；
③用NO2，NO，O2表示的反应速率的比为2：2：1的状态，不能说明正反应速率和逆反应速率相等；
④在恒温恒容条件下，混合气体的压强不再改变的状态，可以说明反应混合物中各组分的浓度保持不变；
⑤该体系中气体的总质量和总体积保持不变，故混合气体的密度一直不变，无法判断是否达到平衡；
⑥混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态，说明反应反应混合物中各组分的浓度保持不变；
⑦混合气体中只有二氧化氮是有色气体，故当混合气体颜色不再改变时，表明反应混合物中各组分的浓度保持不变。
8．CA、根据平衡常数的表达式并结合图中曲线可知，K=1/[c(A)×c(B)]=1/4，故A错误；
B、c点没有达到平衡，如果达到平衡，应向d点移动，A、B的浓度降低，说明平衡向正反应方向移动，故B错误；
C、如果c点达到平衡，此时的平衡常数小于T℃时的平衡常数，说明平衡向逆反应方向移动，即升高温度，故C正确；
D、平衡常数只受温度的影响，与浓度、压强无关，因此曲线ab是平衡线，故D错误；
答案选C。
9．D由题意可知，反应SO2(g)＋NO2(g)SO3(g)＋NO(g)是一个反应前后体积不变的可逆反应，由于容器恒容，结合图象可知反应速率先增大再减小，因为只要开始反应，反应物浓度就要降低，正反应速率应该降低，但此时正反应速率却是升高的，这说明此时温度的影响是主要的，由于容器是绝热的，因此该反应是放热反应，从而导致容器内温度升高反应速率加快，而在c点之后，正反应速率降低，而温度是升高的，说明浓度是主要因素。
A．化学平衡状态的标志是各物质的浓度不再改变，其实质是正反应速率等于逆反应速率，c点对应的正反应速率显然还在改变，故一定未达平衡，故A错误；
B．a到b时正反应速率增加，反应物浓度随时间不断减小，则a点反应物的浓度大于b点反应物的浓度，故B错误；
C．根据分析，从a到c正反应速率增大，c点之后正反应速率减小，说明反应刚开始时温度升高对正反应速率的影响大于浓度减小对正反应速率的影响，说明该反应为放热反应，即反应物的总能量高于生成物的总能量，故C错误；
D．随着反应的进行，正反应速率越快，消耗的二氧化硫就越多。Δt1＝Δt2时，a～b段平均速率小于b～c段的平均速率，则b～c段SO2的转化率较大，故D正确；
答案选D。
①该反应焓变大于0，为吸热反应，所以升高温度既可以提高反应速率也可以提高反应物的平衡转化率；而催化剂虽然能增大反应速率，但不改变平衡转化率，加压可以提高反应速率，但平衡逆向移动，转化率减小；加入一定量的C3H8也可以提高反应速率，但同时也会增大压强，反应物的转化率会减小，综上所述可行的方法为升高温度；
②丙烷直接裂解是吸热反应，通入足量O2与丙烷反应会放出热量，可提供裂解所需的能量，并保持热平衡；
(2)①A．催化剂会改变反应历程，从而降低反应的活化能，提高反应速率，故A错误；
B．催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡状态，即催化剂对正逆反应速率的影响是一致的，故B正确；
C．催化剂可以降低反应的活化能，从而使能量较低的分子也成为活化分子，增大了活化分子的百分数，故C正确；