一、直接判据(即定义判据):
1.速率判据:对同一物质而言,v(正)=v(逆) , 反应达平衡;对不同物质而言,某两种物质的速率比(其速率必须是异向的,能体现一正一逆)与平衡方程式的化学计量数比相等,反应达平衡 。
对任意可逆反应
而言,达平衡的标志可有以下几种表述:
一是对同一物质而言 , 如物质A的消耗速率与A的生成速率相等 。物质B、C、D类似表述均可 。
二是对不同物质而言 , 如A的消耗速率与B的生成速率之比为a∶b;或A的消耗速率与C的消耗速率之比为a :c;或C的消耗速率与D的生成速率之比为c :d;或A的生成速率与C的生成速率之比为a :c等等均可说明反应达平衡 , 因为若将以上两种物质的速率之比化为同一物质的速率,均符合v(正)=v(逆) 。
三是从物质的微观变化判断,相当于速率判据 。如同一种物质反应的分子数和生成的分子数相等,或同一种物质化学键的断裂和形成数目相等,反应均达平衡 。又如不同物质参与反应的分子数和生成的分子数比(能反映二者速率为异向的均可)与平衡方程式的化学计量数比相等,则反应达平衡 。
2.浓度判据:反应体系中各组分的浓度保持不变,反应一定达到平衡 。对任意可逆反应达平衡的标志可有以下三类说法:
一是有关物理量保持不变,如各组分的质量、物质的量、分子数、体积(气体)、物质的量浓度保持不变,则反应达平衡 。
二是有关百分含量或分数保持不变 , 如各组分的质量分数、物质的量分数、气体的体积分数保持不变,则反应达平衡 。
三是有关转化率、产率保持不变,如反应物的转化率、产物的产率保持不变,说明各物质的量不再改变,则反应达平衡 。
例1.能证明可逆反应
已达到平衡状态的是( )
①一个N≡N键断裂的同时,有3个H-H键断裂 本文来自化学自习室!
②一个N≡N键断裂的同时,有6个N-H键断裂
③3v(正、N2)= v(逆、H2)
④3molH2分子反应掉的同时有2molNH3分子反应掉的 本文来自化学自习室!
⑤N2、H2、NH3分子数比之为1:3:2的状态
⑥v(N2)、v(H2)、v(NH3)之比为1:3:2的状态 本文来自化学自习室!
⑦v(正、H2)=0.6mol·L-1·min-1,v(逆、NH3)=0.4mol·L-1·min-1
A.①②③④⑤⑥⑦ B.②④⑤⑥ C.②③④⑦ D.③⑤⑥⑦
解析:在可逆反应中 , N2、H2、NH3的反应速率之比的关系始终都是1:3:2,不能说明v(正)=v(逆),⑥无法判断反应是否达平衡 。N2、H2、NH3的分子数之比为1:3:2,只能说明投料后不论反应达平衡还是未达平衡,反应已进行到某种状态,有可能偶然与平衡方程式的化学计量数比相等,但⑤不能作为平衡的判据 。一个N≡N键断裂的同时,有3个H-H键断裂,所表现得均是正反应速率,①不能说明反应达到平衡 。②一个N≡N键断裂的同时,有6个N-H键断裂,说明反应掉1moLN2同时反应掉2molNH3;④3mol H2分子反应掉的同时有2molNH3分子反应掉的;③3v(正、N2)= v(逆、H2);⑦v(正、H2)∶v(逆、NH3)=3∶2,均能反映二者速率为异向,且与平衡方程式的化学计量数比相等,则②③④⑦均能说明反应达平衡 。正确答案为C 。
例2.在恒温恒容下 , 将一定量的二氧化氮与二氧化硫混合后发生如下反应:
NO2(g)+SO2(g) ==(可逆)SO3(g)+NO(g) 。该反应达到平衡状态的标志是( )
A.NO2、SO2、SO3和NO四种气体的物质的量浓度之比为1:1:1:1
B.该反应的平衡常数K不再发生变化
C.反应体系中各组分的物质的量浓度不再改变
D.反应体系中SO2和SO3的百分含量相等
解析:四种气体的物质的量浓度之比恰为平衡方程式的化学计量数比相等 , 不论反应达平衡还是未达平衡均有可能 , 不能作为平衡的判据 。不论反应达平衡还是未达平衡,只要当温度一定 , 平衡常数K不再发生变化,也不能作为平衡的判据 。各组分的百分含量保持不变 , 不意味着各组分的百分含量相等,SO2和SO3的百分含量相等同样也不能作为平衡的判据 。正确答案为C 。
例3.接触法制硫酸工艺中 , 其主反应在450℃并有催化剂存在下进行:2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) 。下列描述中能说明上述反应已达平衡的是( )
A.v(正、O2)=2v(逆、SO3)
B.容器中气体的平均相对分子质量不随时间而变化 本文来自化学自习室!
C.容器中气体的密度不随时间而变化
D.容器中气体的分子总数不随时间而变化
解析:用不同物质表示的正逆反应速率之比等于平衡方程式系数比,达平衡,但选项A比值错 。选项C只有在恒压容器中才正确 , 恒容时错 。这是一个反应前后气体体积不等的可逆反应,平均相对分子质量、分子总数不变均可作平衡判据,选项B、D不论是在恒压容器还是在恒容容器中都正确 。正确答案为BD 。
【二氧化氮和二氧化硫反应方程式 二氧化氮和二氧化硫】例4.研究NO2、SO2、CO等大气污染气体的处理具有重要意义 。一定条件下 , 将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应
下列能说明反应达到平衡状态的是( )
A.体系压强保持不变
B.混合气体颜色保持不变
C.SO3和NO的体积比保持不变
D.每消耗1 moL SO3的同时生成1 moLNO2
解析:这是一个反应前后气体体积相等的可逆反应 , 体系压强、两种生成物SO3和NO气体体积比等均不能作为平衡判据,选项A、C错 。选项D所表示的是同向反应 , 不能说明达平衡 。选项B混合气体颜色保持不变,可作平衡判据 。正确答案为B 。
例5.将一定量纯净的氨基甲酸铵(NH2COONH4)置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变 , 固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:NH2COONH4(s)
2NH3(g)+CO2(g) 。可以判断该分解反应已经达到化学平衡的是( )
A.2v(NH3)=v(CO)
B.密闭容器中总压强不变
C.密闭容器中混合气体的密度不变
D.密闭容器中氨气的体积分数不变
解析:选项A未指明速率方向 , 不能作为平衡判据 。由于反应物不是气体且反应从固体开始反应,故密闭容器中氨气的体积分数始终为2/3,是个恒定值,选项D错 。这是一个反应前后气体体积不等的可逆反应,总压强不变可作平衡判据,选项B对 。容器体积不变,混合气体密度由两种气体生成物的质量决定,m是个可变量,所以ρ不变说明反应已达平衡,选项C对 。正确答案为BC 。
三、浓度商与平衡常数判据(是个定量判据):
在一定温度下,任意可逆反应在某一时刻的浓度商Q与该反应的化学平衡常数K进行比较,若Q=K , 则反应达平衡;若Q≠K,则反应未达平衡 。若Q<K,则反应正向进行;若Q>K,则反应逆向进行 。
例6.恒温下 , 在容积为2 L的恒容密闭容器A中通入1 mol N2与1mol H2的混合气体,发生如下反应:
, 一段时间后,达到平衡,若平衡时氨气的物质的量为0.4mol 。
(1)此温度时该反应的K值为_____________。
(2)若在此温度下,向另一容积为2L的恒容容器B中按物质的量分别为2 mol、1 mol、1 mol充入N2、H2、NH3,此时,该反应是否处于平衡状态______(填是或否),此时若没有达平衡,反应向________方向进行 。
解析:(1)达平衡时,NH3为0.4mol,则反应掉的N2、H2分别为0.2mol、0.6 mol,平衡时N2、H2、NH3的平衡浓度(mol·L-1)分别为0.4、0.2、0.2 。K= c2(NH3)/[c(N2)×c3(H2)]= (0.2)2/[(0.4)×(0.2)3]=12.5
(2)Q=(0.5)2/[(1)×(0.5)3]=2<12.5,反应未达平衡状态,反应向正反应方向进行 。