資源簡介

2.2 第1課時　化學(xué)平衡常數(shù)　平衡轉(zhuǎn)化率
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.通過“H2(g)+I2(g)2HI(g)”體會化學(xué)平衡常數(shù)模型構(gòu)建過程,能書寫化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式;能進(jìn)行平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率的簡單計算。培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。
2.能多角度、動態(tài)地分析化學(xué)變化,運用化學(xué)反應(yīng)原理解決簡單的實際問題,培養(yǎng)創(chuàng)新意識與科學(xué)探究的學(xué)科素養(yǎng)。
【自主預(yù)習(xí)】
一、化學(xué)平衡常數(shù)
1.定義
在一定　　　　下,當(dāng)一個可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時,　　　　濃度的冪之積與　　　　濃度的冪之積的比值,稱為化學(xué)平衡常數(shù),用K表示。
2.表達(dá)式
以化學(xué)反應(yīng)mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)為例,K=(純固體和純液體的濃度視為常數(shù),通常不計入平衡常數(shù)表達(dá)式中)。
3.意義
平衡常數(shù)的大小反映化學(xué)反應(yīng)可能進(jìn)行的　　　　;平衡常數(shù)的數(shù)值越大,說明反應(yīng)進(jìn)行的程度　　　　。
4.影響因素
(1)內(nèi)因:　　　　　　。
(2)外因:反應(yīng)體系的　　　　。
5.應(yīng)用
(1)判斷反應(yīng)進(jìn)行的程度:
K <10-5 10-5~105 >105
反應(yīng)程度 很難進(jìn)行 可逆反應(yīng) 進(jìn)行得較完全
(2)判斷反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的大小。K值越大,表示平衡時反應(yīng)產(chǎn)物濃度與反應(yīng)物濃度的比值越大,即反應(yīng)進(jìn)行得越完全,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高;反之,轉(zhuǎn)化率就越低。
(3)判斷可逆反應(yīng)是否達(dá)到平衡。對于某一時刻的反應(yīng)mA+nBpC+qD,測得各組分的濃度,將所得數(shù)據(jù)代入=Q求出Q值,若Q=K,說明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡;若Q≠K,說明反應(yīng)沒有達(dá)到平衡。
(4)判斷某一時刻正、逆反應(yīng)速率的相對大小。如上所述,若Q>K,說明此時逆反應(yīng)趨勢較強,v正v逆。
二、平衡轉(zhuǎn)化率
1.表達(dá)式:對于化學(xué)反應(yīng)aA+bBcC+dD,反應(yīng)物A的平衡轉(zhuǎn)化率可以表示為α(A)=×100%=×100%=×100%=×100%。
2.規(guī)律
(1)同一反應(yīng)的不同反應(yīng)物,其轉(zhuǎn)化率可能不同;當(dāng)按照反應(yīng)化學(xué)計量數(shù)之比投入反應(yīng)物時,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相同。
(2)多種反應(yīng)物參加反應(yīng)時,提高一種反應(yīng)物的濃度,可以　　　　其他反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率,而該反應(yīng)物本身的轉(zhuǎn)化率會　　　　。
【參考答案】
一、1.溫度　反應(yīng)產(chǎn)物　反應(yīng)物　3.程度　越大
4.(1)反應(yīng)物本身的性質(zhì)　(2)溫度
二、提高　降低
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)在平衡常數(shù)表達(dá)式中,反應(yīng)物濃度用起始濃度,反應(yīng)產(chǎn)物濃度用平衡濃度。 (　　)
(2)從平衡常數(shù)的大小可以推斷一個反應(yīng)的進(jìn)行程度。 (　　)
(3)在任何條件下,化學(xué)平衡常數(shù)都是一個恒定值。 (　　)
(4)兩種物質(zhì)反應(yīng),不管怎樣書寫化學(xué)方程式,平衡常數(shù)都不變。 (　　)
(5)溫度一定時,對于給定的化學(xué)反應(yīng),正、逆反應(yīng)的平衡常數(shù)互為倒數(shù)。 (　　)
(6)化學(xué)平衡常數(shù)K越大,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越小。 (　　)
(7)平衡常數(shù)的大小只與溫度有關(guān),而與濃度、壓強、催化劑等無關(guān)。 (　　)
　　【答案】(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)√
2.同一反應(yīng)的不同反應(yīng)物,其轉(zhuǎn)化率一定不同嗎
【答案】不一定;當(dāng)按照反應(yīng)化學(xué)計量數(shù)之比投入反應(yīng)物時,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相同。
【合作探究】
任務(wù)1：化學(xué)平衡常數(shù)的概念和意義
情境導(dǎo)入　
痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎是嘌呤代謝紊亂、尿酸排泄減少所引起的一種尿酸鹽沉積所致的晶體相關(guān)性關(guān)節(jié)炎。人體血液中98%的尿酸以鈉鹽形式存在,當(dāng)尿酸產(chǎn)生過多或排泄過少時,容易引起血尿酸升高。男性血尿酸超過420 μmol·L-1,女性血尿酸超過357 μmol·L-1稱為高尿酸血癥。高尿酸血癥極易導(dǎo)致尿酸鹽結(jié)晶沉積在關(guān)節(jié)內(nèi)外組織。發(fā)生的反應(yīng)如下[已知尿酸是一種有機酸(用HUr表示),能溶于水]:HUrUr-+H+①;Ur-(aq)+Na+(aq)NaUr(s)②。
問題生成
1.關(guān)節(jié)炎大都是陰冷天氣時發(fā)作,這說明反應(yīng)②是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng) 簡述你得出該結(jié)論的理由。
【答案】放熱反應(yīng);陰冷天氣易發(fā)病,說明溫度降低有利于NaUr結(jié)晶,因此該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。
2.寫出反應(yīng)②的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式并說明溫度對此反應(yīng)平衡常數(shù)的影響。
【答案】K=。該反應(yīng)為放熱反應(yīng),溫度升高,平衡常數(shù)K減小;溫度降低,平衡常數(shù)K增大。
3.稀溶液中的水分子和有固體物質(zhì)參與或生成的反應(yīng),H2O和固體在平衡常數(shù)表達(dá)式中應(yīng)如何處理
【答案】其濃度可視為常數(shù),在平衡常數(shù)表達(dá)式中不寫出。
【核心歸納】
1.化學(xué)平衡常數(shù)與化學(xué)方程式書寫形式的關(guān)系
(1)正、逆反應(yīng)的平衡常數(shù)互為倒數(shù)。
(2)若化學(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)都擴大至原來的n倍或縮小至原來的,則化學(xué)平衡常數(shù)變?yōu)樵瓉淼膎次冪或次冪。
(3)兩方程式相加得到新的化學(xué)方程式,其化學(xué)平衡常數(shù)是兩反應(yīng)平衡常數(shù)的乘積。
(4)關(guān)于H2O的濃度問題
①稀溶液中進(jìn)行的反應(yīng),雖然H2O參與反應(yīng),但是H2O只作為溶劑,不能代入平衡常數(shù)表達(dá)式。如NH4Cl+H2ONH3·H2O+HCl的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=。②H2O的狀態(tài)不是液態(tài)而是氣態(tài)時,則需要代入平衡常數(shù)表達(dá)式。
(5)代入平衡常數(shù)表達(dá)式的是平衡濃度,而不是任意時刻的濃度,更不能將物質(zhì)的量代入。
(6)對于同一化學(xué)反應(yīng),可以用不同的化學(xué)方程式表示,每個化學(xué)方程式都有自己的平衡常數(shù)表達(dá)式及相應(yīng)的平衡常數(shù)。因此,要注意使用與化學(xué)方程式相對應(yīng)的平衡常數(shù)。
2.化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用
(1)判斷反應(yīng)進(jìn)行的程度
K <10-5 10-5~105 >105
反應(yīng)程度 很難進(jìn)行 可逆反應(yīng) 進(jìn)行得較完全
(2)判斷反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)
化學(xué)反應(yīng)aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)的任意狀態(tài)時,濃度商Q=。
①若Q>K,說明反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行;
②若Q=K,說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);
③若Q(3)判斷可逆反應(yīng)的熱效應(yīng)
①升高溫度,K增大→正反應(yīng)為吸熱反應(yīng);K減小→正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。
②降低溫度,K增大→正反應(yīng)為放熱反應(yīng);K減小→正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。
(4)計算平衡體系中的相關(guān)量
根據(jù)相同溫度下,同一反應(yīng)的平衡常數(shù)不變,計算反應(yīng)物或反應(yīng)產(chǎn)物的濃度、轉(zhuǎn)化率等。
【典型例題】
【例1】已知下列反應(yīng)在某溫度下的平衡常數(shù):
H2(g)+S(s)H2S(g)　K1
S(s)+O2(g)SO2(g)　K2
則在該溫度下反應(yīng)H2(g)+SO2(g)O2(g)+H2S(g)的平衡常數(shù)為(　　)。
A.K1+K2　　B.K1-K2　　C.K1·K2　　D.
【答案】D
【解析】由平衡常數(shù)的定義可知,K1=,K2=,反應(yīng)H2(g)+SO2(g)O2(g)+H2S(g)的平衡常數(shù)K=,即K=。
【例2】一定溫度下,反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物均為氣態(tài)的平衡體系,平衡常數(shù)表達(dá)式為K=。下列有關(guān)該平衡體系的說法不正確的是(　　)。
A.升高溫度,該反應(yīng)的平衡常數(shù)K的變化無法判斷
B.該反應(yīng)逆反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為
C.該反應(yīng)的化學(xué)方程式為3Z(g)+2W(g)X(g)+2Y(g)
D.增大X的濃度,該反應(yīng)的平衡常數(shù)增大
【答案】D
【解析】根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式且所有反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物均為氣態(tài)可知,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為3Z(g)+2W(g)X(g)+2Y(g),C項正確;由于無法知道該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng),故升高溫度無法判斷化學(xué)平衡常數(shù)如何變化,A項正確;正反應(yīng)與逆反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)互為倒數(shù),B項正確;改變反應(yīng)產(chǎn)物的濃度對化學(xué)平衡常數(shù)無影響,故增大X的濃度,該反應(yīng)的平衡常數(shù)不變,D項錯誤。
任務(wù)2：平衡轉(zhuǎn)化率的計算和應(yīng)用
情境導(dǎo)入　對于一個反應(yīng),到底能不能進(jìn)行,不僅要看有多少反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)變成了反應(yīng)產(chǎn)物,還要看反應(yīng)的速率。如果反應(yīng)物只有很少的量轉(zhuǎn)變成反應(yīng)產(chǎn)物或反應(yīng)的速率很小很小,那么只能說這個反應(yīng)仍然沒有發(fā)生。如何根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)計算轉(zhuǎn)化率并判斷反應(yīng)進(jìn)行的程度
問題生成
1.用不同物質(zhì)的平衡轉(zhuǎn)化率表示同一反應(yīng)進(jìn)行的程度時,數(shù)值相同嗎
【答案】不一定相同。
2.平衡轉(zhuǎn)化率與平衡常數(shù)有何關(guān)系
【答案】平衡常數(shù)和平衡轉(zhuǎn)化率都可以表示可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度,但是平衡轉(zhuǎn)化率隨著反應(yīng)物初始濃度的不同而變化,而平衡常數(shù)卻不受影響,因此平衡常數(shù)更能反映出其本質(zhì)。平衡常數(shù)與平衡轉(zhuǎn)化率之間是可以相互求算的。
【核心歸納】
有關(guān)化學(xué)平衡的計算
(1)分析三個量:初始量、轉(zhuǎn)化量、平衡量。
(2)明確三個關(guān)系
①對于同一反應(yīng)物,初始量-轉(zhuǎn)化量=平衡量。
②對于同一反應(yīng)產(chǎn)物,初始量+轉(zhuǎn)化量=平衡量。
③各轉(zhuǎn)化量之比等于各反應(yīng)物的化學(xué)計量數(shù)之比。
(3)計算方法:三段式法
化學(xué)平衡計算模式:對于恒容密閉容器中的反應(yīng)mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A(yù)、B初始物質(zhì)的量濃度分別為a mol·L-1、b mol·L-1,達(dá)到平衡后消耗A的物質(zhì)的量濃度為mx mol·L-1。
　　　　　　　　　 mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
初始量/(mol·L-1)　 a　　　b　　　　 0　　　0
轉(zhuǎn)化量/(mol·L-1) mx nx　　 px　 qx
平衡量/(mol·L-1) a-mx b-nx px qx
①平衡常數(shù):K=。
②轉(zhuǎn)化率=×100%,如α(A)=×100%。
③百分含量:φ(A)=×100%。
④平衡前后的壓強之比:
=。
⑤平均摩爾質(zhì)量:
= g·mol-1。
【典型例題】
【例3】溫度為T1時,向容積為2 L 的密閉容器甲、乙中分別充入一定量的CO(g)和H2O(g),發(fā)生反應(yīng):CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)　ΔH=-41 kJ·mol-1。相關(guān)數(shù)據(jù)如表所示,下列說法不正確的是(　　)。
容器 甲 乙
反應(yīng)物 CO H2O CO H2O
初始時物質(zhì)的量/mol 1.2 0.6 2.4 1.2
平衡時物質(zhì)的量/mol 0.8 0.2 a b
A.甲容器中,平衡時反應(yīng)放出的熱量為16.4 kJ
B.T1時,反應(yīng)的平衡常數(shù)K甲=1
C.平衡時,乙中CO的濃度是甲中的2倍
D.乙容器中,平衡時CO的轉(zhuǎn)化率約為75%
【答案】D
【解析】甲容器中平衡時,消耗的CO的物質(zhì)的量為1.2 mol-0.8 mol=0.4 mol,根據(jù)反應(yīng)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)　ΔH=-41 kJ·mol-1可知,平衡時放出的熱量為41 kJ·mol-1×0.4 mol=16.4 kJ,A項正確;T1時,甲容器中反應(yīng)達(dá)平衡時CO2(g)和H2(g)的物質(zhì)的量均為0.4 mol,則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K甲==1,B項正確;溫度相同時,反應(yīng)的平衡常數(shù)相等,據(jù)此可求得a=1.6,C項正確;a=1.6,則乙容器中,平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為×100%≈33%,D項錯誤。
【例4】已知可逆反應(yīng):M(g)+N(g)P(g)+Q(g)　ΔH>0。在某溫度下,反應(yīng)物的初始濃度分別為c始(M)=1 mol·L-1,c始(N)=2.4 mol·L-1。達(dá)到平衡后,M的轉(zhuǎn)化率為60%。請回答下列問題:
(1)此時N的轉(zhuǎn)化率為　　　　。
(2)若溫度升高,則M的轉(zhuǎn)化率　　　　(填“增大”、“減小”或“不變”)。
(3)若反應(yīng)溫度不變,反應(yīng)物的初始濃度分別為c始(M)=4 mol·L-1,c始(N)=a mol·L-1;則達(dá)到平衡后,c平(P)=2 mol·L-1,a=　　　　。
(4)若反應(yīng)溫度不變,反應(yīng)物的初始濃度為c始(M)=c始(N)=b mol·L-1,達(dá)到平衡后,M的轉(zhuǎn)化率約為　　　　(已知≈1.414)。
【答案】(1)25%
(2)增大
(3)6
(4)41.4%
【解析】　　M(g) + N(g) P(g) + Q(g)
初始濃度/
(mol·L-1) 　 1 　2.4 　0 　 0
轉(zhuǎn)化濃度/
(mol·L-1) 　1×60%　1×60%　1×60%　1×60%
平衡濃度/
(mol·L-1) 0.4 　1.8 　0.6 　0.6
(1)N的轉(zhuǎn)化率為×100%=25%。(2)由于該反應(yīng)的正反應(yīng)吸熱,溫度升高,K增大,反應(yīng)正向進(jìn)行的程度增大,故M的轉(zhuǎn)化率增大。(3)溫度不變,平衡常數(shù)不變,K===,a=6。(4)根據(jù)(3)的結(jié)果,設(shè)M的轉(zhuǎn)化率為x,則K==,則=,x≈41.4%。
解題模型：化學(xué)平衡計算題的解題模型
【隨堂檢測】
課堂基礎(chǔ)
1.在可逆反應(yīng)中,平衡常數(shù)與反應(yīng)限度的關(guān)系正確的是(　　)。
A.K越大,反應(yīng)限度越大
B.K越大,反應(yīng)限度越小
C.K的大小與反應(yīng)限度無關(guān)
D.升高溫度,K增大
【答案】A
【解析】對于給定的可逆反應(yīng)體系,化學(xué)平衡常數(shù)越大,反應(yīng)限度越大,A項正確,B、C兩項錯誤。化學(xué)平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系視具體反應(yīng)而定,對于放熱反應(yīng),溫度越高,K越小;對于吸熱反應(yīng),溫度越高,K越大,D項錯誤。
2.某溫度時,反應(yīng)SO2(g)+O2(g)SO3(g)的平衡常數(shù)K=50(單位省略)。在同一溫度下,反應(yīng)2SO3(g)2SO2(g)+O2(g)的平衡常數(shù)K1應(yīng)為(　　)。
A.2500　　　B.100　　　C.4×10-4　　　D.2×10-2
【答案】C
【解析】K==50,K1=,K1==4×10-4。
3.在25 ℃時,密閉容器中X、Y、Z三種氣體的初始濃度和平衡濃度如表:
物質(zhì) X Y Z
初始濃度/(mol·L-1) 0.1 0.2 0
平衡濃度/(mol·L-1) 0.05 0.05 0.1
下列說法錯誤的是(　　)。
A.反應(yīng)達(dá)到平衡時,X的轉(zhuǎn)化率為50%
B.反應(yīng)可表示為X+3Y2Z,其平衡常數(shù)為1600 L2·mol-2
C.升高溫度,該反應(yīng)的平衡常數(shù)增大,則該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)
D.改變溫度或反應(yīng)物的初始濃度,均可以改變此反應(yīng)的平衡常數(shù)
【答案】D
【解析】X、Y反應(yīng)的物質(zhì)的量濃度分別為0.05 mol·L-1、0.15 mol·L-1,Z生成的物質(zhì)的量濃度為0.1 mol·L-1,則該反應(yīng)的化學(xué)方程式為X+3Y2Z。X的轉(zhuǎn)化率為50%;平衡常數(shù)K==1600 L2·mol-2;平衡常數(shù)僅受溫度的影響,不受壓強和濃度的影響,所以D項錯誤。
對接高考
4.(2020·北京卷,10)一定溫度下,反應(yīng)I2(g)+H2(g)2HI(g)在密閉容器中達(dá)到平衡時,測得c平(I2)=0.11 mmol·L-1,c平(HI)=0.78 mmol·L-1。相同溫度下,按下列4組初始濃度進(jìn)行實驗,反應(yīng)最可能逆向進(jìn)行的是(　　)。
(注:1 mmol·L-1=10-3 mol·L-1)
選項 A B C D
c始(I2)/(mmol·L-1) 1.00 0.22 0.44 0.11
c始(H2)/(mmol·L-1) 1.00 0.22 0.44 0.44
c始(HI)/(mmol·L-1) 1.00 1.56 4.00 1.56
　　【答案】C
【解析】題目中缺少c平(H2),無法計算K,則不能通過Q與K的關(guān)系判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向,但可比較4個選項中Q的大小關(guān)系,Q越大,則反應(yīng)越可能逆向進(jìn)行。Q(A)==1,Q(B)=≈50.28,Q(C)=≈82.64,Q(D)=≈50.28,Q(C)最大,故選C項。
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