第二节 化学平衡
第1课时 化学平衡状态
◆教学目标
1.了解化学反应的可逆性，了解可逆反应的概念。
2.知道可逆反应建立化学平衡的过程及化学平衡状态的特征、判断。
◆教学重难点
化学平衡状态的特征、判断。
◆教学过程
【新课导入】
在19世纪后期，人们发现炼铁高炉排出的高炉气中含有相当量的CO。有人认为是CO与铁矿石的接触时间不长所造成的。英国人耗巨资建成一个高大的炼铁高炉，以增加CO和铁矿石的接
触时间，结果发现CO的含量仍然没有减少，你知道这是为什么吗？
【回答】对于炼铁高炉中的反应为可逆反应：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2，CO不能完全转化，反应是有限度的。
可逆反应有什么特征呢，这节课我们研究一下可逆反应与化学平衡。
【新知讲解】
【阅读理解】阅读教材p30、31，化学平衡状态内容。
【过渡】我们已经学过许多化学反应，有的能进行到底，有的不能进行到底。请同学们思考并举例说明
【回答】学生举例说明化学反应存在的限度
【讲述】 化学反应速率讨论的是化学反应快慢的问题，但是在化学研究和化工生产中，只考虑化学反应进行的快慢是不够的，因为我们既希望反应物尽可能快地转化为生成物，同时又希望反应物尽可能多地转化为生成物。例如在合成氨工业中，除了需要考虑如何使N2和H2尽快地转变成NH3外，还需要考虑怎样才能使更多的N2和H2转变为NH3，后者所说的就是化学反应进行的程度问题——化学平衡。
【讲述】如果对于一个能顺利进行的、彻底的化学反应来说，由于反应物已全部转化为生成物，如强酸与强碱的中和反应就不存在什么反应限度的问题了，所以，化学平衡主要研究的是可逆反应的规律。
一、可逆反应
1.概念：在相同条件下，既能向正反应方向进行又能向逆反应方向进行的化学反应。
2.特征：（1）可逆反应分为方向相反的两个反应：正反应和逆反应。
（2）正、逆反应在相同条件下是同时进行的。
（3）反应物和生成物共存于同一体系中，反应物的转化率小于100%。
（4）能量转化类型相反：若正反应放热，则逆反应吸热。
【课堂练习】
1．对于可逆反应2SO2＋O22SO3，在混合气体中充入一定量的18O2，足够长的时间后，18O原子( D )
A．只存在于O2中
B．只存在于O2和SO3中
C．只存在于O2和SO2中
D．存在于O2、SO2和SO3中
【解析】因为此反应是可逆反应，在一定条件下可同时向正、逆反应方向进行，向正反应方向进行时使SO3中含18O，向逆反应方向(含有18O的SO3分解)就可能使SO2中含有18O，所以D正确。
2.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 )
A．c(Z)＝0.3 mol·L－1
B．c(X2)＝0.2 mol·L－1
C．c(Y2)＝0.4 mol·L－1
D．c(X2)＋c(Y2)＋c(Z)＝0.55 mol·L－1
【解析】假设反应由正反应方向开始进行，由于Y2(g)过量，则完全转化时，Z(g)的浓度为0.4 mol·L－1；假设反应由逆反应方向开始进行，则完全转化时，X2(g)、Y2(g)的浓度分别为0.2 mol·L－1、0.4 mol·L－1。由题意知，该反应为可逆反应，反应物不可能完全转化为生成物，生成物也不可能完全转化为反应物，故A项正确，B、C项错误；又该反应是总体积不变的反应，反应达到平衡时，不论X2、Y2、Z怎么变化，总物质的量不会改变，物质的总浓度也不会改变，即c(X2)＋c(Y2)＋c(Z)＝0.6 mol·L－1，D项错误。
【过渡】在一定条件下的可逆反应中，反应物和生成物是同时存在的，物质的浓度以及反应速率是怎样的？下面我们来研究一下。
【交流讨论】
1.在一定条件下体积不变的密闭容器中充入2mol/LN2 和6mol/LH2 进行合成氨的反应，反应物和生成物的浓度随时间的变化以及反应速率如图所示
图1 图2
观察图片，交流讨论以下问题：
（1）随着反应的进行，反应物和生成物的浓度如何变化？正逆反应速率如何变化？
（2））当反应进行足够长时间后，反应物和生成物的浓度是否发生变化？正逆反应速率是否发生变化？
（3）当反应进行足够长时间后，是否意味着反应就停止了？
2.在相同条件下，向容器中充入4mol/L的NH3，发生反应2NH3 N2 +3H2 ，反应物和生成物的浓度随时间的变化如图所示
观察图片，交流讨论以下问题
（1）图中最终状态和图1是否相同？
（2）化学平衡状态正逆反应速率如何变化，最终是否与图2相等？
【讲解】
观察图1可知，随着反应的进行，NH3浓度逐渐增大，N2和H2的浓度逐渐减小，20min时各物质的浓度不再改变。开始时，反应物浓度最大，正反应速率也最大，生成物浓度为0，逆反应速率最小。随着反应的进行，反应物浓度不断被消耗，正反应速率随着反应物浓度的下降而减小；逆反应速率随着生成物浓度的上升而不断增大。最终，正反应速率等于逆反应速率，达到化学平衡状态，此时正、逆反应都没有停止，反应物和生成物浓度不再随时间而发生变化。
观察图3可知，NH3发生分解反应，随着反应的进行，NH3浓度逐渐减小，正反应速率逐渐减小，N2和H2的浓度逐渐增大，逆反应速率逐渐增大，20min时各物质的浓度不再改变，正逆反应速率相等并且不再改变。图1和图3的平衡状态是相同的，图3达到平衡状态时浓度与图1相同，所以正逆反应速率也相同。
【结论】在以上图像中我们可以得到以下结论：在可逆反应体系中，当正、逆反应速率相等时，反应物和生成物浓度均保持不变，即体系的组成不随时间而改变，反应物的转化达到了“限度”这时的状态，称为化学平衡状态，简称化学平衡。
二、化学平衡状态：
1.定义：一定条件下的可逆反应，正反应和逆反应速率相等，反应混合物中各组分浓度保持不变的状态。
2.特征：逆—研究对象必须是可逆反应; 等—正反应速率和逆反应速率相等，即同一物质的消耗速率和生成速相等；动—化学平衡是动态平衡，即当反应达到平衡时，正反应和逆反应都仍在继续进行；定—在平衡体系中，各组成成分的含量保持不变；变—改变影响平衡的条件，平衡会发生移动，达到新的平衡。
【交流讨论】从化学平衡的特征中你能到判断可逆反应是否达到化学平衡的标志吗？
达到化学平衡的标志：
正逆反应速率相等和反应混合物各组分浓度保持不变是判断平衡的两大主要标志
【方法总结】判断化学平衡的标志
1.直接标志：
（1）速率关系：正逆反应速率相等。即 V正＝V逆
【讲解】对于同一物质而言，该物质的生成速率等于它的消耗速率；对于不同物质而言，速率之比等于化学方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。
【课堂练习】
3、一定条件下，反应A2(g)+B2(g) ⇌ 2AB(g)达到平衡的标志是（BD）
A、单位时间内生成n mol A2同时生成n molAB
B、单位时间内生成2n mol AB 同时生成n mol B2
C、单位时间内生成n mol A2 同时生成n mol B2
D、单位时间内生成n mol A2 同时消耗n mol B2
【解析】根据反应速率之比等于化学计量系数之比可知vA:vB：vC=1:1:2，BD选项是不同方向速率相等，AB是同一方向。
4、一定条件下，反应N2+3H2 ⇌ 2NH3达到平衡的标志是 （AC ）
A、一个N≡N键断裂的同时，有三个H－H键形成
B、一个N≡N键断裂的同时，有三个H－H键断裂
C、一个N≡N键断裂的同时，有六个N－H键断裂
D、一个N≡N键断裂的同时，有六个N－H键形成
【解析】AC是不同方向，BD是相同方向。
（2）含量关系：反应混合物各组分的浓度、质量分数、物质的量、物质的量分数、体积分数、分子数之比保持不变。
2.间接标志：
以反应mA(g)+nB (g) ⇌pC(g)为例
①混合气体的总压强、总体积、总物质的量、平均相对分子质量不随时间改变而改变，（适用于m+n≠p的反应）
②混合气体的密度不随时间改变而改变
（适用于恒温恒压m+n≠p的反应）
（3）特殊标志：
①对于有物质参加反应，如果体系颜不变，反应达到平衡
②对于吸热或放热反应，如果体系温度不变，反应达到平衡
【课堂练习】
5．在一定温度下的恒容密闭容器中，表明反应A(s)+2B(g) ⇌ C(g)+D(g)已达平衡的是（B）
A．混合气体的压强不变 B．混合气体的密度不变
C．反应物的相对分子质量不变 D．气体的总物质的量不变
【解析】A．该反应是反应前后气体体积没有变化的反应，容器中的压强始终不发生变化，所以不能证明达到了平衡状态，故A不能说明反应达到平衡状态；
B．该容器的体积保持不变，根据质量守恒定律知，反应前后混合气体的质量会变，所以容器内气体的密度会变，当容器中气体的密度不再发生变化时，能表明达到化学平衡状态，故B能说明反应达到平衡状态；
C．相对分子质量是物质的本身性质，不随反应变化而变化，反应物的相对分子质量始终保持不变，所以不能证明达到了平衡状态，故C不能说明反应达到平衡状态；
D．反应前后气体的总物质的量相等，始终保持不变，所以不能证明达到了平衡状态，故D不能说明反应达到平衡状态；
【课堂小结】
【课堂检测】
1.下列关于化学反应限度的说法中正确的是( A )
A．一个可逆反应达到的平衡状态就是这个反应在该条件下所能达到的限度
B．当一个可逆反应达到平衡状态时，正反应速率和逆反应速率相等且等于零
C．平衡状态时，各物质的浓度保持相等
D．化学反应的限度不可以通过改变条件而改变
【解析】平衡状态就是一个可逆反应在该条件下所能达到的最大限度，A正确；反应达到平衡时，v正＝v逆≠0，各物质的浓度保持不变但不一定相等，且当外界条件发生改变时，这种状态也会发生改变。
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