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化学反应速率和化学平衡

章末复习

【学习目标】

1.熟知外界条件对化学反应速率影响的规律。2.学会化学平衡状态及其移动方向的判断。3.学会化学平衡的计算方法。4.掌握图像题与等效平衡的分析方法。

一

外界条件对化学反应速率的影响规律

影响化学反应速率的因素包括内因和外因。内因是指反应物本身的性质；外因包括浓度、温度、压强、催化剂、反应物颗粒大小等。这些外界条件对化学反应速率影响的规律和原理如下：

1.浓度

(1)浓度增大，单位体积内活化分子数增多(活化分子百分数不变)，有效碰撞的几率增加，化学反应速率增大。

(2)浓度改变，可使气体间或溶液中的化学反应速率发生改变。固体或纯液体的浓度可视为常数，它们的物质的量的变化不会引起反应速率的变化，但固体颗粒的大小会导致接触面积的变化，故影响化学反应速率。

2.压强

改变压强，对化学反应速率产生影响的根本原因是引起浓度的改变。对于有气体参加的反应体系，有以下几种情况：

(1)恒温时：增大压强体积缩小浓度增大反应速率增大。

(2)恒容时

①充入气体反应物反应物浓度增大总压强增大反应速率增大。

②充入“稀有气体”总压强增大，但各物质的浓度不变，反应速率不变。

(3)恒压时：充入“稀有气体”体积增大各物质浓度减小反应速率减小。

1

3.温度

(1)温度升高，活化分子百分数提高，分子间的碰撞频率提高，化学反应速率增大。

(2)温度升高，吸热反应和放热反应的速率都增大。实验测得，温度每升高10 ℃，化学反应速率通常增大为原来的2～4倍。

4.催化剂

(1)催化剂对反应过程的影响通常可用下图表示(加入催化剂，B点降低)。催化剂能改变反应路径、降低活化能、增大活化分子百分数、加快反应速率，但不影响反应的ΔH。

(2)催化剂只有在适宜的温度下活性最大，反应速率才达到最大。

(3)对于可逆反应，催化剂能够同等程度地改变正、逆反应速率，对化学平衡状态无影响，生产过程中使用催化剂主要是为了提高生产效率。

特别提示

在分析多个因素(如浓度、温度、反应物颗粒大小、催化剂、压强等)对反应速率的影响规律时，逐一改变一个因素而保证其他因素相同，通过实验分析得出该因素影响反应速率的结论，这种方法叫变量控制法。

【例1】

某探究小组用HNO3与大理石反应过程中质量减小的方法，研究影响反应速率的因素，所用HNO3浓度为1.00 mol·L－1、2.00 mol·L－1，大理石有细颗粒与粗颗粒两种规格，实验温度为298 K、308 K。

请完成以下实验设计表，并在实验目的一栏中填出对应的实验编号：

2

实验编T(K大理石HNO3号

①

②

③

) 规格

浓度实验目的

(mol·L－1) 2.00

(Ⅰ)实验①和②探究HNO3浓度对该反应速率的影响

(Ⅱ)实验①和_____探究温度对该反应速率的影响

298 粗颗粒

粗颗粒

④

(Ⅲ)实验①和_____探究大理石规格(粗、细)对该反应速率的影响

二

化学平衡状态的特征及其判断方法

1.化学平衡状态具有的“五大特征”

(1)逆：指化学平衡状态只适用于可逆反应，同一可逆反应，在同一条件下，无论反应从正反应方向开始还是从逆反应方向开始，或同时从正、逆反应方向开始，以一定的配比投入反应物或生成物，则可以达到相同的平衡状态。

(2)动：指动态平衡，即化学反应处于平衡状态时，正、逆反应并未停止，仍在进行，只是正、逆反应速率相等。

(3)等：指“v正＝v逆≠0”。即某一物质在单位时间内消耗的物质的量浓度和生成的物质的量浓度相等，也可以用不同物质的化学反应速率表示该反应的正、逆反应速率相等。

(4)定：指参加反应的各组分的含量保持不变，即各组分的浓度、质量分数、体积

3

分数(有气体参加的可逆反应)、反应物的转化率等均保持不变。

(5)变：指平衡移动。可逆反应的平衡状态是相对的、暂时的，当外界某一条件改变时，原平衡被破坏，化学平衡向着减弱这种改变的方向移动，在新的条件下达到新的平衡状态。

理解感悟

“一定条件”、“可逆反应”是前提，“相等”是实质，“保持不变”是标志。

【例2】

一定温度下，向某容积恒定的密闭容器中充入1 mol N2、3 mol H2，经充分反应后达到如下平衡：N2(g)＋3H2(g)高温、高压催化剂2NH3(g)，下列有关说法中正确的是(

) A.达平衡后再加入一定量的N2，体系内各物质含量不变

B.N2、H2、NH3的浓度一定相等

C.反应没有达到平衡时，NH3会不断地分解，达到平衡时则不会再分解

D.平衡时，N2、H2物质的量之比为1∶3 2.化学平衡状态判断的“四大依据”

(1)对于普通可逆反应，以2SO2(g)＋O2(g)催化剂2SO3(g)为例：

△若各组分的物质的量、浓度不发生变化，则反应已达到平衡状态。若用反应速率关系表示化学平衡状态，式中既要有正反应速率，又要有逆反应速率，且两者之比等于化学计量数之比，就达到化学平衡状态。

(2)对于有有色气体存在的反应体系，如不再发生改变，则反应已达平衡状态。

(3)对于有气体存在且反应前后气体的物质的量发生改变的反应，如N2(g)＋3H2(g)高温、高压2NH3(g)，若反应体系的压强不再发生变化、平均相对分子催化剂质量不再变化，则说明反应已达平衡状态。

4 等，若体系的颜色

对有气体存在且反应前后气体物质的量不发生改变的反应，反应过程中的任何时刻体系的压强、气体的总物质的量、平均相对分子质量都不变，故压强、气体的总物质的量、平均相对分子质量不变均不能说明反应已达平衡状态。

(4)从微观的角度分析，如反应N2(g)＋3H2(g)高温、高压下列各项均催化剂2NH3(g)，可说明该反应达到了平衡状态。

①断裂1 mol N≡N键的同时生成1 mol N≡N键。

②断裂1 mol N≡N键的同时生成3 mol H—H键。

③断裂1 mol N≡N键的同时断裂6 mol N—H键。

④生成1 mol N≡N键的同时生成6 mol N—H键。

特别提示

(1)从反应速率的角度来判断反应是否达到平衡时，速率必须是一正一逆(不能同是v正或v逆)，且反应速率之比等于化学计量数之比。

(2)在可逆反应过程中，能发生变化的物理量(如各组分的浓度、反应物的转化率、混合气体密度、颜色、平均摩尔质量等)，若保持不变，说明可逆反应达到了平衡状态。

【例3】

在一定温度下的定容容器中，当下列哪些物理量不再发生变化时，表明反应A(g)＋2B(＋D(g)已达到平衡状态的是(

) ①混合气体的压强

②混合气体的密度

③B的物质的量浓度

④混合气体的总物质的量

⑤混合气体的平均相对分子质量

⑥v(C)与v(D)的比值

⑦混合气体的总质量

⑧混合气体的总体积

⑨C、D的分子数之比为1∶1 A.①②③④⑤⑥⑦⑧

B.①③④⑤

C.①②③④⑤⑦

D.①③④⑤⑧⑨

三

化学平衡移动及其移动方向的判断

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1.化学平衡移动的分析判断方法

应用上述规律分析问题时应注意：

(1)不要把v正增大与平衡向正反应方向移动等同，只有v正>v逆时，才使平衡向正反应方向移动。

(2)不要把平衡向正反应方向移动与原料转化率的提高等同。当反应物总量不变时，平衡向正反应方向移动，反应物转化率才提高；当增大一种反应物的浓度，使平衡向正反应方向移动，会使另一种反应物的转化率提高。

2.化学平衡移动原理(移动方向的判断方法) 外界条件对化学平衡的影响可根据勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等)，平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。

(1)对原理中“减弱这种改变”的正确理解应当是升高温度时，平衡向吸热反应方向移动；增加反应物，平衡向反应物减少的方向移动；增大压强，平衡向压强减小的方向移动。

(2)移动的结果只是减弱了外界条件的变化，而不能完全抵消外界条件的变化，达到新平衡时此物理量更靠近改变的方向。如增大反应物A的浓度，平衡正移，但达到新平衡时，A的浓度仍比原平衡时大；同理，若改变温度、压强等，其变化也相似。

3.实例分析

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达到新平衡时转化率变化情反应实例

条件变化与平衡移动方向

况

2SO2(g)增大O2浓度，平衡右移

＋

增大SO3浓度，平衡左移

2SO3(g) ΔH<0

2NO2(g)衡右移

体积不变时，充入N2O4，N2O4(g) 平衡左移

从逆反应角度看，H2的转化增大H2的浓度，平衡左移

率减小，I2的转化率增大

H2(g)＋增大HI的浓度，平衡右移

HI的转化率不变

I2(g)

【例4】

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)＋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)

7 SO2的转化率增大，O2的转化率减小

从逆反应角度看，SO3的转化率减小

升高温度，平衡左移

增大压强，平衡右移

体积不变时，充入NO2，平NO2的转化率增大

SO2、O2的转化率都减小

SO2、O2的转化率都增大

NO2的转化率增大

增大压强，平衡不移动

转化率不变

达到平衡后改变下述条件，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1 mol Ar(g) 四

化学平衡计算模式与公式

1.计算模式

化学平衡计算的最基本的方法模式是“平衡三段式法”。具体步骤是在化学方程式下写出有关物质起始时的物质的量、发生转化的物质的量、平衡时的物质的量(也可以是物质的量浓度或同温同压下气体的体积)，再根据题意列式求解。

mA(g)＋＋qD(g) n(起始)/mol

a

b

0

0 n(转化)/mol

mx

nx

px

qx n(平衡)/mol

a－mx

b－nx

px

qx 起始、转化、平衡是化学平衡计算的“三步曲”。

2.计算公式

(1)v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q(未达到平衡时，用于确定化学方程式中未知的化学计量数)。

cp(C)·cq(D)(2)K＝cm(A)·cn(B)＝(px/V)p·(qx/V)q

[(a－mx)/V]m·[(b－nx)/V]n若用任意状态的生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值称为浓度商，用Q表示。则其与K比较，当Q>K，v正v逆。

n(A)平a－mx(3)c(A)平＝V＝V。

n(A)消耗mx(4)α(A)＝×100%＝a×100%。

n(A)起始

8

n(A)平(5)φ(A)＝×100%。

n总p平n平a＋b＋(p＋q－m－n)x(6)平衡时与起始时的压强比＝＝(同T、V时)，混合p始n始a＋bρ1M1ρ1V2气体的密度比ρ2＝(同T、p时)，ρ2＝V1(同质量的气体时)等。

M2M(A)＋b·M(B)ma·(7)混合气体的密度ρ(混)＝V＝(g·L－1)(T、V不变时，ρ不变)。

Va·M(A)＋b·M(B)m(8)混合气体的平均摩尔质量M＝n＝(g·mol－1)。

a＋b＋(p＋q－m－n)x【例5】

已知可逆反应：M(g)＋＋Q(g)

ΔH>0，请回答下列问题。

(1)某温度下，反应物的起始浓度分别为c(M)＝1 mol·L－1，c(N)＝2.4 mol·L－1；达到平衡后，M的转化率为60%，此时N的转化率为________。

(2)若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为c(M)＝4 mol·L－1，c(N)＝a mol·L－1；达到平衡后，c(P)＝2 mol·L－1，则a＝________。

(3)若反应温度不变，反应物的起始浓度为c(M)＝c(N)＝b mol·L－1，达到平衡后，M的转化率为________。

【例6】

在2 L的密闭容器中，放入0.4 mol A和0.6 mol B，在一定温度下，压强为p，加入催化剂(体积忽略)，发生反应：2A(g)＋3B(g)xC(g)＋2D(g)，保持温度不变，在a min后反应达到平衡状态，容器中c(D)＝0.1 mol·L－1，容器内压强变为0.9p，则：

(1)物质B的转化率是________。

(2)化学反应速率v(C)是________。

(3)x为________

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五、化学反应速率和化学平衡图像题型与分析方法

1.主要题型

(1)分析条件对化学反应速率及平衡的影响；

(2)由反应判断图像的正误；

(3)由图像判断反应特征(确定反应中各物质的化学计量数、判断热效应或气体物质化学计量数间的关系)；

(4)由反应和图像判断图像或曲线的物理意义；

(5)由图像判断指定意义的化学反应；

(6)由反应和图像判断符合图像变化的外界条件等。

化学反应速率和化学平衡图像，若按其图像特点、纵坐标与横坐标表示的意义可分为

①全程速率—时间图

②浓度—时间图

③含量—时间—温度图

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④含量—时间—压强图

⑤含量—时间—催化剂图

⑥恒压(或恒温)线图

2.分析方法

分析解答化学反应速率和化学平衡图像题目的方法技巧可概括为9字步骤：看图像，想规律，作判断；

8字技巧：定一议二，先拐先平。

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(1)看图像

一看“面”(即看清横坐标和纵坐标)；二看“线”(即看线的走向、变化的趋势)；三看“点”(即起点、终点、转折点、拐点、交叉点)；四看辅助线(如等温线、等压线、平衡线等)；五看定量图像中有关量的多少。

(2)想规律

即联想外界条件的改变对化学反应速率和化学平衡的影响规律。

(3)作判断

依题意仔细分析，作出正确判断。特别值得注意的是：

①图像中有三个量时，应确定一个量不变，再讨论另两个量的关系，即“定一议二”。

②曲线中先出现拐点的，该曲线在所示条件下先出现平衡，该曲线所示的温度较高或压强较大或使用了催化剂，即“先拐先平”。

③如果曲线反映为达到平衡的时间不同但平衡状态相同，则可能是加入催化剂或对气体体积不变的反应改变压强使其速率发生变化但平衡不移动，或是几种等效平衡的曲线。

④化学反应速率在平衡图像中往往隐含出现，曲线斜率大的表示速率快，相应的条件可能是温度较高或压强较大或使用了催化剂。

【例7】

已知某可逆反应mA(g)＋

ΔH在密闭容器中进行。如图表示在不同时刻t、温度T和压强p下B物质在混合气体中的体积分数φ(B)的变化情况。下列推断中正确的是(

) A.p1>p2，T1q，ΔH<0

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B.p1T2，m＋n>q，ΔH>0

C.p1>p2，T1

D.p1T2，m＋n0

六

运用“化归思想”理解等效平衡原理

1.用“化归思想”理解不同条件下等效平衡原理

(1)恒温恒容条件

①恒温恒容时，对一般可逆反应，不同的投料方式如果根据化学方程式中化学计量数之比换算到同一边时，反应物(或生成物)中同一组分的物质的量完全相同，即互为等效平衡。

②恒温恒容时，对于反应前后气体分子数不变的可逆反应，不同的投料方式如果根据化学方程式中化学计量数的比例换算到同一边时，只要反应物(或生成物)中各组分的物质的量的比例相同，即互为等效平衡。

(2)恒温恒压条件

在恒温恒压时，可逆反应以不同的投料方式进行反应，如果根据化学方程式中化学计量数比换算到同一边时，只要反应物(或生成物)中各组分的物质的量的比例相同，即互为等效平衡。此时计算的关键是换算到一边后只需比例相同即可。

条件

等效条件

结果

两次平衡时各组分百体分子数不等的可逆质表示的物质的量分含量、n、c均相同

反应

相同

恒温恒容：反应前后等投料换算成相同物两次平衡时各组分百气体分子数的可逆反质表示的物质的量分含量相同，n、c同

13 恒温恒容：反应前后气投料换算成相同物

应

恒温恒压：所有可逆反等比例

比例变化

投料换算成相同物两次平衡时各组分百质表示的物质的量分含量相同，n、c同应

等比例

2.利用“一边倒法”判断等效平衡

判断等效平衡四步曲：第一步，看。观察可逆反应特点(物质状态、气体分子数)，判断反应前后等气体分子数的可逆反应和反应前后不等气体分子数的可逆反应。第二步，挖。挖掘题目条件，区分恒温恒容和恒温恒压，注意密闭容器不等于恒容容器。第三步，倒。采用一边倒法，将起始物质转化成一边的物质。第四步，联。联系等效平衡判断依据，结合题目条件判断是否达到等效平衡。

理解感悟

抓住题目所给条件，从化学平衡与路径无关出发，结合平衡移动原理，将各种情况转化成“同组成浓度是否相等”(化归思想)，从而判断是否达到等效平衡状态。

【例8】

已知H2(g)＋

ΔH<0，有相同容积的定容密闭容器甲比例变化

和乙，甲中加入H2和I2各0.1 mol，乙中加入HI 0.2 mol，相同温度下分别达到平衡。欲使甲中HI的平衡浓度大于乙中HI的平衡浓度，应采取的措施是(

) A.甲、乙提高相同温度

B.甲中加入0.1 mol He，乙不改变

C.甲降低温度，乙不变

D.甲增加0.1 mol H2，乙增加0.1 mol I2

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【参考答案】

【例1】

②298

粗颗粒

1.00

③308

2.00 ④298

细颗粒

2.00

(Ⅱ)③

(Ⅲ)④

【例2】

D 【例3】

B 【例4】B 【例5】

(1)25%

【例6】

(1)50%

【例7】

D 【例8】

C

(2)6

(3)41.4% (2)0.1/a mol·L－1·min－1(3)2

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