資源簡(jiǎn)介

2.2 第3課時(shí)　化學(xué)平衡常數(shù)
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.知道化學(xué)平衡常數(shù)的含義,能書(shū)寫(xiě)平衡常數(shù)表達(dá)式,并能進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)單計(jì)算。
2.了解平衡轉(zhuǎn)化率的含義,能夠進(jìn)行有關(guān)平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算。
3.能根據(jù)一定條件下可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)和轉(zhuǎn)化率描述反應(yīng)的限度,認(rèn)識(shí)平衡轉(zhuǎn)化率對(duì)調(diào)控化工生產(chǎn)的重要意義。
【合作探究】
任務(wù)1　化學(xué)平衡常數(shù)及其應(yīng)用
【學(xué)習(xí)情境】
我們知道,在一定條件下進(jìn)行的可逆反應(yīng)存在化學(xué)平衡狀態(tài)。那么,當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),究竟有多少反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成了生成物,平衡體系中各物質(zhì)的濃度之間是否有一定關(guān)系 能否從定量的角度研究可逆反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)呢
【新知生成】
1.濃度商及表達(dá)式
在任意時(shí)刻,生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值,稱為濃度商,常用Q表示。
對(duì)于基元反應(yīng)mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)　濃度商Q=　　　
2.平衡常數(shù)及表達(dá)式
在一定溫度下,當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值是一個(gè)常數(shù)(簡(jiǎn)稱平衡常數(shù)),用符號(hào)K表示。
對(duì)于基元反應(yīng)aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),K=　　　　　　　　　,式中A、B、C、D的濃度均為　　　　　的濃度。
3.意義
一定溫度下,K值越大,表示反應(yīng)進(jìn)行得越　　　,反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越　　　,反之亦然。
4.影響因素
(1)內(nèi)因:不同的化學(xué)反應(yīng)及方程式的書(shū)寫(xiě)形式是決定化學(xué)平衡常數(shù)的主要因素。
(2)外因:在化學(xué)方程式一定的情況下,K只受　　　　影響,與反應(yīng)物或生成物的起始濃度無(wú)關(guān)。
【答案】1.　2.　平衡時(shí)
3.完全　高　4.(2)溫度
【核心突破】
典例1　下列關(guān)于化學(xué)平衡常數(shù)的說(shuō)法正確的是(　　)
A.在任何條件下,化學(xué)平衡常數(shù)都是一個(gè)定值
B.由化學(xué)平衡常數(shù)K可以推斷一個(gè)可逆反應(yīng)進(jìn)行的限度
C.化學(xué)平衡常數(shù)K與溫度、反應(yīng)物濃度、體系的壓強(qiáng)都有關(guān)
D.當(dāng)改變反應(yīng)物的濃度時(shí),化學(xué)平衡常數(shù)一定會(huì)發(fā)生改變
【解析】化學(xué)平衡常數(shù)只受溫度影響,同一反應(yīng)溫度不同,平衡常數(shù)不同,A項(xiàng)錯(cuò)誤;化學(xué)平衡常數(shù)越大,說(shuō)明可逆反應(yīng)正向進(jìn)行的程度越大,B項(xiàng)正確;化學(xué)平衡常數(shù)只受溫度影響,與濃度、壓強(qiáng)無(wú)關(guān),C、D兩項(xiàng)錯(cuò)誤。
【答案】B
典例2　寫(xiě)出下表中各反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式,總結(jié)書(shū)寫(xiě)平衡常數(shù)表達(dá)式的注意事項(xiàng)。
序號(hào) 化學(xué)方程式 平衡常數(shù)表達(dá)式
① 2NO2N2O4
② NO2N2O4
③ 2Fe3++Fe3Fe2+
④ Br2+H2OH++Br-+HBrO
　　【答案】①K=　②K=　③K=　④K=
書(shū)寫(xiě)平衡常數(shù)表達(dá)式的注意事項(xiàng):固體、純液體、水溶液中水的濃度可視為定值,其濃度不列入平衡常數(shù)表達(dá)式中。
典例3　已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的平衡常數(shù)為K1,N2(g)+H2(g)NH3(g)的平衡常數(shù)為K2,NH3(g)N2(g)+H2(g)的平衡常數(shù)為K3,試寫(xiě)出下列關(guān)系式。
K1和K2的關(guān)系式:　　　　　　;K2和K3的關(guān)系式:　　　　　　;K1和K3的關(guān)系式:　　　　　　。
【答案】K1=　K2·K3=1　K1·=1
典例4　甲醇是重要的化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料和清潔液體燃料。工業(yè)上可利用CO或CO2來(lái)生產(chǎn)燃料甲醇。制備甲醇的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)以及在不同溫度下的平衡常數(shù)如表所示。
化學(xué)反應(yīng) 平衡 常數(shù) 溫度/℃
500 800
①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) K1 2.5 0.15
②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) K2 1.0 2.50
③3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g) K3
　　則K3=　　　　(用K1、K2表示)。
【答案】K1·K2
歸納總結(jié)：化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式書(shū)寫(xiě)注意事項(xiàng)
(1)化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式中各物質(zhì)的濃度必須是平衡時(shí)的濃度。
(2)固體和純液體物質(zhì)的濃度視為常數(shù),通常不寫(xiě)入平衡常數(shù)表達(dá)式中,但水蒸氣需寫(xiě)入。
(3)在相同溫度下,對(duì)于給定的可逆反應(yīng),正、逆反應(yīng)的平衡常數(shù)互為倒數(shù),即K正=。
(4)若化學(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)都變成n倍或倍,則化學(xué)平衡常數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的n次方或次方。
(5)兩方程式相加得總方程式,則總方程式的平衡常數(shù)等于兩方程式平衡常數(shù)的乘積,即K總=K1·K2。
(6)兩方程式相減得總方程式,則總方程式的平衡常數(shù)等于兩方程式平衡常數(shù)的商,即K總=。
訓(xùn)練1　某溫度下發(fā)生反應(yīng)2C2H2(g)+5O2(g)4CO2(g)+2H2O(g)　ΔH=-2599kJ·mol-1,下列描述不正確的是(　　)
A.該反應(yīng)是放熱反應(yīng)
B.增大c(O2),K增大
C.K值越大,反應(yīng)進(jìn)行得越完全
D.K=
【解析】由熱化學(xué)方程式可知,ΔH<0,則正反應(yīng)為放熱反應(yīng),A項(xiàng)正確;平衡常數(shù)只受溫度的影響,與濃度的改變無(wú)關(guān),B項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式判斷,C項(xiàng)正確;K=,D項(xiàng)正確。
【答案】B
任務(wù)2　化學(xué)平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率的有關(guān)計(jì)算
【新知生成】
平衡轉(zhuǎn)化率
(1)表達(dá)式
某一反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率=　。
(2)意義:平衡轉(zhuǎn)化率越大,反應(yīng)越　　　　。
【答案】(1)×100%　(2)完全
【核心突破】
典例5　N2O5是一種新型硝化劑,在一定溫度下可以發(fā)生反應(yīng):2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)　ΔH>0。T1時(shí),向密閉容器中通入N2O5,部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表:
時(shí)間/s 0 500 1000 1500
c(N2O5)/(mol·L-1) 5.00 3.52 2.50 2.50
下列說(shuō)法不正確的是(　　)
A.500 s內(nèi),N2O5的分解速率為2.96×10-3 mol·L-1·s-1
B.T1溫度下的平衡常數(shù)K1=125
C.平衡時(shí)N2O5的轉(zhuǎn)化率為60%
D.T1時(shí),4NO2(g)+O2(g)2N2O5(g)的平衡常數(shù)為
【解析】A項(xiàng),500 s內(nèi),N2O5的濃度變化量為(5.00-3.52)mol·L-1=1.48mol·L-1,v(N2O5)==2.96×10-3 mol·L-1·s-1;B、C兩項(xiàng),分析如下:
　　　　　 　　　　　2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)
起始濃度/(mol·L-1)　 5.00　　　 　 　0　　　　 　0
轉(zhuǎn)化濃度/(mol·L-1)　 2.50　　　 　5.00　　　 　1.25
平衡濃度/(mol·L-1)　 2.50　　　 　5.00　　　 　1.25
K1===125。
平衡時(shí)N2O5的轉(zhuǎn)化率為50%。
【答案】C
典例6　一定溫度下,將2 mol A和2 mol B兩種氣體混合通入體積為2 L的密閉剛性容器中,發(fā)生反應(yīng)3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g),2 min末反應(yīng)達(dá)到平衡,生成0.8 mol D,并測(cè)得C的物質(zhì)的量濃度為0.4 mol·L-1,下列說(shuō)法正確的是(　　)
A.此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K等于0.5
B.A的平衡轉(zhuǎn)化率為40%
C.x的值為1
D.A和B的平衡轉(zhuǎn)化率相等
【解析】列三段式:
　　　　　　　　3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g)
開(kāi)始/(mol·L-1) 　1 1 0 0
轉(zhuǎn)化/(mol·L-1) 0.6 0.2 0.2x 0.4
平衡/(mol·L-1) 0.4 0.8 0.2x 0.4
0.2x=0.4　x=2,C項(xiàng)錯(cuò)誤;
K===0.5,A項(xiàng)正確;A的平衡轉(zhuǎn)化率= ×100%=60%,B的平衡轉(zhuǎn)化率為×100%=20%,B、D兩項(xiàng)錯(cuò)誤。
【答案】A
歸納總結(jié)：計(jì)算模式——“三段式”法
如mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A(yù)、B起始物質(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。
則K=;α(A)平=×100%。
注意:各物質(zhì)轉(zhuǎn)化濃度之比等于它們?cè)诨瘜W(xué)方程式中的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。轉(zhuǎn)化濃度是聯(lián)系化學(xué)方程式、平衡濃度、起始濃度、轉(zhuǎn)化率、化學(xué)反應(yīng)速率的橋梁。因此抓住轉(zhuǎn)化濃度是解題的關(guān)鍵。
訓(xùn)練2　已知可逆反應(yīng)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),K為平衡常數(shù),只與溫度有關(guān),與濃度無(wú)關(guān)。
(1)830K時(shí),若起始濃度:CO為1 mol·L-1,H2O為1.5 mol·L-1,平衡時(shí)CO轉(zhuǎn)化率為60%,則H2O的轉(zhuǎn)化率為　　　　;K值為　　　　。
(2)830K時(shí),若起始濃度CO為1 mol·L-1,H2O為3 mol·L-1,平衡時(shí)H2O的轉(zhuǎn)化率為　　　　。
【解析】(1) 　　　CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
起始濃度/(mol·L-1) 1 1.5 0 0
轉(zhuǎn)化濃度/(mol·L-1) 0.6 0.6 0.6 0.6
平衡濃度/(mol·L-1) 0.4 0.9 0.6 0.6
α(H2O)=×100%=40%
K===1
(2)設(shè)H2O(g)的轉(zhuǎn)化濃度為x mol·L-1,則
　　　　　　　　　　CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
起始濃度/(mol·L-1) 　1 3 0 0
轉(zhuǎn)化濃度/(mol·L-1) x x x x
平衡濃度/(mol·L-1) 1-x 3-x x x
=1
x=0.75
α(H2O)=×100%=25%
【答案】(1)40%　1　(2)25%
訓(xùn)練3　在一定溫度下,將物質(zhì)的量濃度均為2 mol·L-1的SO2(g)和NO2(g)通入一密閉容器中,發(fā)生反應(yīng)SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g),當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),測(cè)得容器中SO2(g)的轉(zhuǎn)化率為50%,回答下列問(wèn)題:
(1)此溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為　　　　。
(2)此溫度下,若SO2(g)的初始濃度增大到3 mol·L-1,NO2(g)的初始濃度仍為2 mol·L-1,達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí),計(jì)算下列各物質(zhì)的濃度及SO2和NO2的平衡轉(zhuǎn)化率。
①c(SO3)=　　　 mol·L-1,c(SO2)=　　　mol·L-1。
②SO2的轉(zhuǎn)化率為　　　　,NO2的轉(zhuǎn)化率為　　　　。
【解析】(1)　 　SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)
初始濃度/(mol·L-1) 　2 　2 　0 　0
轉(zhuǎn)化濃度/(mol·L-1) 　1 　1 　1 　1
平衡濃度/(mol·L-1) 　1 　1 　1 　1
K===1。
(2)設(shè)達(dá)平衡時(shí)NO的濃度為y mol·L-1
因?yàn)闇囟炔蛔?平衡常數(shù)不變,則K==1,y=1.2。
①平衡濃度:c(SO3)=1.2 mol·L-1,c(SO2)=3 mol·L-1-1.2 mol·L-1=1.8 mol·L-1。
②SO2的轉(zhuǎn)化率α(SO2)=×100%=40%;NO2的轉(zhuǎn)化率α(NO2)=×100%=60%。
【答案】(1)1　(2)①1.2　1.8　②40%　60%
課堂小結(jié)
【隨堂檢測(cè)】
1.下列關(guān)于化學(xué)平衡常數(shù)的敘述正確的是(　　)
A.化學(xué)平衡常數(shù)表示反應(yīng)進(jìn)行的程度,與溫度無(wú)關(guān)
B.兩種物質(zhì)反應(yīng),不管怎樣書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式,平衡常數(shù)均不變
C.化學(xué)平衡常數(shù)等于任一時(shí)刻生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值
D.化學(xué)平衡常數(shù)不僅與反應(yīng)的溫度有關(guān),還與反應(yīng)本身有關(guān)
【答案】D
2.對(duì)于反應(yīng)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)　ΔH>0,下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(　　)
A.平衡常數(shù)表達(dá)式為K=
B.增大體系壓強(qiáng),平衡常數(shù)K不發(fā)生變化
C.升高體系溫度,平衡常數(shù)K不發(fā)生變化
D.增加C(s)的量,平衡常數(shù)K發(fā)生變化
【解析】固體濃度為常數(shù),不需寫(xiě)入平衡常數(shù)表達(dá)式,A項(xiàng)錯(cuò)誤;K只與溫度有關(guān),因此增大體系壓強(qiáng),平衡常數(shù)K不發(fā)生變化,B項(xiàng)正確;升溫時(shí)K變化,C項(xiàng)錯(cuò)誤;增加C(s)的量,K不變,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
【答案】B
3.下列關(guān)于反應(yīng)CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)　ΔH=-206.3 kJ·mol-1說(shuō)法正確的是(　　)
A.該反應(yīng)的ΔS<0
B.4E(C—H)+2E(H—O)C.其他條件不變時(shí),減小壓強(qiáng),的數(shù)值保持不變
D.當(dāng)v(H2O)正=3v(H2)逆時(shí),反應(yīng)處于平衡狀態(tài)
【解析】該反應(yīng)是一個(gè)反應(yīng)前后氣體體積增大的反應(yīng),故ΔS>0,A項(xiàng)錯(cuò)誤;ΔH=反應(yīng)物的鍵能之和-生成物的鍵能之和,因ΔH<0,故4E(C—H)+2E(H—O)【答案】B
4.氨是最重要的氮肥原料,是產(chǎn)量最大的化工產(chǎn)品之一,其合成原理為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4kJ·mol-1。
(1)此反應(yīng)平衡常數(shù)的表達(dá)式為K=　　　　。
(2)如果降低溫度,該反應(yīng)的正反應(yīng)速率會(huì)　　　　(填“增大”、“減小”或“不變”,下同),逆反應(yīng)速率會(huì)　　　　;若此時(shí)正反應(yīng)速率>逆反應(yīng)速率,平衡會(huì)向　　　　(填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向移動(dòng)。
(3)某溫度下,若把10 mol N2與30 mol H2置于體積為10 L的密閉容器內(nèi),在一定條件下反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),測(cè)得平衡混合氣體中氨的體積分?jǐn)?shù)為20%,則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=　　　　(可用分?jǐn)?shù)表示)。
【答案】(1)　(2)減小　減小　正反應(yīng)　(3)
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