《化学下册第八单元思维导图》

中心主题：化学平衡

• 一、化学平衡状态

  • 定义：一定条件下，可逆反应中，正反应速率和逆反应速率相等的状态。
    • 宏观特征：反应混合物中各组成成分的浓度保持不变。
    • 微观特征：正逆反应速率相等但不为零，动态平衡。
  • 判断依据
    • 直接判断：
      • 正反应速率 = 逆反应速率：v(正) = v(逆)
      • 反应混合物中各组分的浓度保持不变：c(反应物)、c(生成物) 不变
      • 反应混合物中各组分的百分含量保持不变：w(反应物)、w(生成物) 不变
    • 间接判断（借助某些物理量判断，如压强、颜色等，需具体问题具体分析）
      • 气体的总物质的量、总压强、平均相对分子质量不变（反应前后气体物质的量不相等时）。
      • 颜色不再变化（反应体系中存在有色物质时）。
      • 导电能力不变（反应体系中存在离子时）。
      • 温度不再变化（反应为放热或吸热反应时）。
  • 动态平衡的理解
    • 平衡是动态的，而非静态的。正反应和逆反应始终都在进行，只是速率相等。
    • 平衡是相对的，而非绝对的。平衡条件发生变化，平衡就会移动。
  • 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），平衡就向着减弱这种改变的方向移动。
    • 适用条件：适用于其他条件不变的情况下的平衡移动。
    • 浓度影响：增大反应物浓度，平衡向生成物方向移动；增大生成物浓度，平衡向反应物方向移动；反之亦然。
    • 压强影响（对于反应前后气体分子数发生变化的反应）：增大压强，平衡向气体分子数减少的方向移动；减小压强，平衡向气体分子数增多的方向移动。
    • 温度影响：升高温度，平衡向吸热方向移动；降低温度，平衡向放热方向移动。
    • 催化剂的影响：催化剂只改变反应速率，不改变平衡状态。

• 二、化学平衡常数 (K)

  • 定义：在一定温度下，可逆反应达到平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值。
  • 表达式：对于反应 aA(g) + bB(g) ⇌ cC(g) + dD(g)，K = [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b
  • 意义：
    • K值越大，表示反应进行的程度越大，反应物转化率越高。
    • K值越小，表示反应进行的程度越小，反应物转化率越低。
  • 影响因素：温度。 K值随温度变化而变化。对于放热反应，升高温度，K值减小；对于吸热反应，升高温度，K值增大。
  • 应用：
    • 判断反应进行的程度。
    • 判断反应是否达到平衡状态：比较浓度商Qc与K的大小。
      • Qc < K：反应向正方向进行。
      • Qc > K：反应向逆方向进行。
      • Qc = K：反应处于平衡状态。
    • 计算平衡时各组分的浓度或转化率。
  • 注意：
    • K与反应方程式的书写有关。反应方程式改变，K值也改变。
    • K只与温度有关，与浓度、压强等无关。
    • 纯固体和纯液体的浓度视为常数，不写入平衡常数表达式中。

• 三、化学平衡的移动

  • 移动方向：向着减弱外界条件改变的方向移动。
  • 浓度对平衡的影响：增加反应物/生成物的浓度，平衡向生成物/反应物方向移动。
  • 压强对平衡的影响(气体体系)：
    • 增加压强：平衡向气体分子总数减少的方向移动。
    • 减小压强：平衡向气体分子总数增多的方向移动。
    • 若反应前后气体分子总数不变，则压强改变对平衡无影响。
  • 温度对平衡的影响：
    • 升高温度：平衡向吸热方向移动。
    • 降低温度：平衡向放热方向移动。
  • 催化剂对平衡的影响：催化剂只改变反应速率，不影响平衡移动。
  • 勒夏特列原理的应用：
    • 合成氨工业：高压、低温（但考虑反应速率，通常采用中等温度）、催化剂。
    • 硫酸工业：使用过量的空气，增大反应物浓度，提高SO2的转化率。

• 四、平衡的计算

  • 三段式法：
    • 初始量：反应开始时各物质的物质的量或浓度。
    • 变化量：反应过程中各物质的物质的量或浓度变化量。
    • 平衡量：反应达到平衡时各物质的物质的量或浓度。
  • 转化率：
    • 反应物转化率 = (反应物转化的物质的量 / 反应物起始的物质的量) * 100%
  • 产率：
    • 生成物产率 = (实际生成的产物量 / 理论上应该生成的产物量) * 100%
  • 常见题型：
    • 已知初始量和转化率，求平衡量。
    • 已知初始量和平衡量，求转化率和K值。
    • 已知K值和初始量，求平衡量和转化率。
  • 技巧：
    • 灵活运用三段式，注意单位统一。
    • 注意计算过程中物质的量之比等于化学计量数之比。
    • 对于复杂计算，可以利用数学方法简化计算，如近似计算。
  • 影响平衡计算的因素：
    • 温度：温度改变K值。
    • 初始浓度：初始浓度影响平衡移动和最终平衡组成。
    • 压强(对于气体反应)：压强改变影响平衡移动和最终平衡组成。

• 五、图像分析

  • 纵坐标：通常表示速率、浓度、转化率、百分含量等。
  • 横坐标：通常表示时间、温度、压强、浓度等。
  • 图像类型：
    • 速率-时间图像：反映反应速率随时间的变化。
    • 浓度-时间图像：反映各物质浓度随时间的变化。
    • 转化率-时间/温度/压强图像：反映转化率随条件的变化。
    • 百分含量-时间/温度/压强图像：反映各物质百分含量随条件的变化。
  • 图像分析步骤：
    • 明确纵横坐标的含义。
    • 确定图像的起点、转折点、终点。
    • 分析图像的变化趋势和原因。
    • 结合勒夏特列原理，判断平衡移动方向。
  • 常见的图像陷阱：
    • 注意平衡移动的方向，判断纵坐标是增大还是减小。
    • 注意催化剂对反应速率的影响，但对平衡无影响。
    • 注意反应前后气体分子数是否改变，判断压强的影响。

• 六、工业应用

  • 合成氨工业：N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH < 0
    • 原料：空气（氮气）、水（氢气）。
    • 条件：高压、中温、催化剂。
    • 意义：提高氨的产量，满足农业和工业需求。
  • 硫酸工业：2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g) ΔH < 0
    • 原料：硫铁矿、硫磺。
    • 条件：过量的空气、高温、催化剂。
    • 意义：生产硫酸，用于制造化肥、农药、染料等。
  • 优化反应条件：
    • 根据勒夏特列原理，选择合适的反应条件。
    • 综合考虑反应速率和平衡转化率，选择最佳的反应条件。
    • 循环利用原料，提高原料利用率，降低生产成本。
  • 环境保护：
    • 减少污染物排放，如SO2、NOx等。
    • 开发新型环保工艺，如脱硫、脱硝等。
    • 综合利用废弃物，实现资源的循环利用。

• 核心概念关联

  • 化学反应速率：化学平衡是化学反应速率的一种特殊状态(正逆反应速率相等)
  • 热化学方程式：反应的焓变影响化学平衡状态(温度影响)
  • 离子平衡：与化学平衡类似，描述溶液中离子浓度关系的状态。