师:同学们好,今天我们来复习化学平衡状态判断的相关内容。首先,来看这部分内容的目标要求:了解可逆反应的特征,了解化学平衡的概念及特征,并学会判断一个可逆反应在给定条件下是否达到化学平衡状态。
判断一个可逆反应是否达到化学平衡状态,也就是化学平衡的标志,既可以依据反应本质,也可以根据反应现象来判断。我们先回顾一下化学平衡的研究对象——可逆反应。它是指在相同条件下,能同时向正、反两个方向进行的反应。书写化学方程式时,不用等号,而用可逆符号。其特点是正、逆反应必须同时进行,反应条件相同,在一定条件下,反应物不能全部转化为生成物,即反应物的转化率小于100% 。
如果一个可逆反应从正反应方向开始,反应开始时,正反应速率最大,逆反应速率最小。反应过程中,反应物浓度逐渐减小,导致正反应速率逐渐减小;生成物浓度逐渐增大,逆反应速率逐渐增大,直至正、逆反应速率相等,反应物和生成物各组分的浓度保持不变。从图像角度看,如果起始时只充入反应物,在反应开始时,正反应速率最大,逆反应速率为0。随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,逆反应速率逐渐增大,直至正、逆反应速率相等,达到化学平衡状态。
所以,化学平衡状态是指在一定条件下,当一个可逆反应进行到正、逆反应速率相等时,反应物和生成物的浓度不再随时间改变,此时我们称达到了化学平衡状态,简称化学平衡。
同学们回忆一下,化学平衡状态有哪些特征呢?对,我们可以用“逆、等、动、定、变”五个字概括。“逆”指化学平衡的研究对象为可逆反应;“等”指平衡时正、逆反应速率相等,这也是化学平衡的本质原因,且正、逆反应速率不等于0,说明化学平衡是一种动态平衡;“定”指平衡时各组分的浓度保持不变,达到定值;“变”指外界条件改变时,原平衡状态将会被打破,在新的条件下建立新的化学平衡,这就是化学平衡的移动。
这里要特别提醒同学们,化学反应的平衡状态既可以从正反应方向建立,也可以从逆反应方向建立,还能从正、逆反应方向同时建立。化学反应达到平衡状态时,各组分的浓度百分含量保持不变,但不一定相等。
平时做题时,遇到最多的问题就是化学平衡状态的判定,判定依据有哪些呢?具体体现在两个方面:动态标志和静态标志。
先分析动态标志,指的是正、逆反应速率相等。如果是同种物质,其消耗量和生成量相等时,达到平衡状态;如果是不同种物质,则要求反应方向相反,并且速率之比等于化学计量数之比。
再看静态标志,各物质的浓度、质量、物质的量不变,或者其百分含量保持不变,压强或者颜色保持不变时,也可作为平衡状态的静态标志。这里主要体现“变量不变”的思想,即某一物理量从反应开始到平衡的过程中是变化的,达到平衡后则不变,那么此物理量就是判定平衡状态的标志。
利用这些判定依据,我们来分析“A和B生成C和D”这个可逆反应在给定条件下是否达到平衡状态。
混合物体系中各成分的含量:根据静态标志,各物质的物质的量、质量、体积以及它们的百分含量一定时,反应达到平衡状态。但总体积、总压强、总物质的量一定时,不一定是平衡状态。
速率方面:
单位时间内消耗了(m)摩尔的(A),同时生成了(m)摩尔的(A),同种物质消耗和生成量相等,达到平衡状态。
单位时间内消耗了(m)摩尔的(B),同时消耗了(p)摩尔的(C),不同种物质,反应方向相反,且速率之比等于系数之比,达到平衡状态。
单位时间内生成了(m)摩尔的(B),同时消耗了(k)摩尔的(D),这里均指逆反应方向,不同种物质同为逆反应方向,不作为判定平衡的依据。
速率之比等于化学计量数之比,在反应过程中,同方向的速率之比始终等于化学计量数之比,不能作为判定平衡的依据。
压强方面:当总压强一定时,如果反应前后气体的系数之和不等,则压强为变量。当变量不变时,说明达到平衡状态;如果反应前后气体的计量数之和相等,则总压强始终保持不变,它不是变量,不能判定平衡。
气体的密度方面:利用密度公式分析,由于(A)、(B)、(C)、(D)均为气态,根据质量守恒,气体的总质量是定值。在恒容密闭容器中,气体体积也是定值,所以气体密度始终保持不变,不一定是平衡状态。在恒压容器中,当反应前后气体的计量数之和不等时,气体体积是变量,气体密度也是变量,当变量不变时,达到平衡状态;如果恒压时反应前后气体的计量数之和相等,气体体积始终保持不变,密度也始终保持不变,不能作为判定平衡的依据。
体系中有色物质的颜色稳定不变时,该反应达到平衡状态。
有了以上分析,我们来看具体例子。
第一题:题目给定恒容密闭容器,反应体系中各种物质均为气态,且反应前后气体的计量数之和不等。
- A选项:甲烷和水的生成速率相等,不同种物质同向,不能作为判定该反应是否处于平衡状态的依据。
- B选项:相同时间内,断裂氢氧键与断裂氢键的数目之比为(2:3)。根据动态标志,消耗(1)摩尔水时,同时消耗(3)摩尔氢气为平衡状态。从结构式看,消耗(1)摩尔水需断裂(2)摩尔氢氧键,消耗(3)摩尔氢气需断裂(3)摩尔氢氢键,比值为(2:3),所以B选项可以作为判定该反应达到平衡状态的依据。
- C选项:(\Delta H)为固定值,始终保持不变,与是否达到平衡状态无关,不能选。
- D选项:混合气体的密度保持不变。根据密度公式,本题中所有物质均为气态,根据质量守恒,气体总质量始终不变,又是恒容容器,气体体积也始终不变,所以混合气体密度一直保持不变,不能说明达到平衡状态。本题答案选B。
