資源簡介

應用課
第2章 化學反應的方向、限度與速率
第9課時 化學平衡常數的相關計算
【學習目標】
掌握化學平衡常數的計算及應用。
【學習活動】
學習任務
目標：掌握化學平衡常數的計算及應用。 任務： 1．化學平衡常數(K)的計算方法——三段式法 三段式法就是依據化學方程式列出各物質的起始量、變化量和平衡量，然后根據已知條件建立代數等式而進行解題的一種方法。這是解答化學平衡計算題的一種“萬能方法”，只要已知起始量和轉化率就可用平衡模式法解題。對于反應前后氣體體積變化的反應，如果已知反應前氣體的總物質的量與反應后氣體的總物質的量的差值，也可用差量法解題。 【針對訓練1】在1.5 L的密閉容器中通入2 mol N2和3 mol H2，混合氣體在一定溫度下發生反應。達到平衡時，容器內壓強為反應開始時的0.8，則該反應的化學平衡常數約為(　　) A．0.34 B．0.64 C．0.44 D．0.54 【針對訓練2】某溫度下，向容積為2 L的密閉反應器中充入0.10 mol SO3，當反應器中的氣體壓強不再變化時，測得SO3的轉化率為20%，則該溫度下反應2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的平衡常數為(　　) A．3.2×103 B．1.6×103 C．8.0×102 D．4.0×102 2．利用K值變化判斷反應的熱效應 其他條件不變時，若正反應是吸熱反應，由于升高(或降低)溫度時平衡向正(或逆)反應方向移動，K值增大(或減小)；若正反應是放熱反應，由于升高(或降低)溫度時平衡向逆(或正)反應方向移動，K值減小(或增加)；所以溫度升高時平衡常數可能增大，也可能減小，但不會不變。 【針對訓練3】高爐煉鐵過程中發生的主要反應為Fe2O3(s)＋CO(g)Fe(s)＋CO2(g)。已知該反應在不同溫度下的平衡常數如下： 溫度/℃1 0001 1501 300平衡常數4.03.73.5
該反應的平衡常數表達式K＝ ，ΔH____ ____0(填“＞”“＜”或“＝”)。 3．可逆反應是否達到平衡狀態及反應方向的判斷 在溫度一定的條件下，判斷一個化學反應是否達到平衡的根據是：計算出某一時刻該反應的濃度商Q，將其與平衡常數K進行比較，如果二者相等，則說明反應已達到平衡狀態，否則該反應處于非平衡狀態。如果反應中有固體或純液體參加，則它們的濃度不列入平衡常數表達式中，一般步驟為設任一時刻的濃度商(即同樣應用K的計算式，但為某一時刻的)為Q，若Q＝K，說明反應平衡；Q>K，說明反應向逆向進行；Q在800 ℃時，發生上述反應，某一時刻測得容器內各物質的濃度分別為c(CO2)為4 mol·L－1，c(H2)為3 mol·L－1，c(CO)為2 mol·L－1，c(H2O)為6 mol·L－1，則下一時刻，反應向___ _____(填“正向”或“逆向”)進行。 4．利用K計算平衡濃度和反應物的轉化率 依據起始濃度(或平衡濃度)和平衡常數可以計算平衡濃度(或起始濃度)，從而計算反應物的轉化率。對于反應：aA＋bBcC＋dD，反應物A的轉化率可以表示為α(A)＝×100%＝×100%＝×100%。 【針對訓練5】一定條件下，將3 mol A和1 mol B兩種氣體混合于固定容積為2 L的密閉容器中，發生如下反應：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(s)。2 min末該反應達到平衡，生成0.8 mol D，并測得C的濃度為0.2 mol·L－1。下列判斷正確的是(　　) A．該條件下此反應的化學平衡常數約為0.91 B．A的平均反應速率為0.3 mol·L－1·s－1 C．B的轉化率為60% D．若混合氣體的密度不再改變時，該反應不一定達到平衡狀態 【針對訓練6】可逆反應CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)在密閉容器中建立了平衡。當溫度為749 K時，K＝，問： (1)當CO和H2O的起始濃度為2 mol·L－1時，CO的轉化率為_______。 (2)當CO的起始濃度仍為2 mol·L－1，H2O的起始濃度為6 mol·L－1時，CO的轉化率為_______。 5．壓強平衡常數Kp的計算 （1）對于氣體反應，常用氣體分壓來表示和計算平衡常數——生成物的分壓的冪之積與反應物分壓的冪之積的比值。用氣體的平衡分壓代替物質的量濃度表示的平衡常數也稱為壓強平衡常數。符號為Kp。 對于可逆反應：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g) 【針對訓練7】用測壓法在剛性密閉容器中研究T ℃時4NO(g)N2(g)＋2NO2(g)的分解反應，現將一定量的NO充入該密閉容器中，測得體系的總壓強隨時間的變化如下表所示： 反應時間/min010203040壓強/MPa15.0014.0213.2012.5012.50
(1)20 min時，NO的轉化率α= % (2)T ℃時，4NO(g)N2(g)＋2NO2(g)反應的平衡常數Kp= (Kp為以分壓表示的平衡常數) (2)根據“某氣體的分壓=氣體總壓強×該氣體的體積分數(或物質的量分數)”計算壓強平衡常數 第一步，根據“三段式”法計算平衡體系中各物質的物質的量或物質的量濃度 第二步，計算各氣體組分的物質的量分數或體積分數； 第三步，根據分壓計算公式求出各氣體物質的分壓：某氣體的分壓=氣體總壓強×該氣體的體積分數(或物質的量分數) 第四步，根據壓強平衡常數計算公式代入計算 【針對訓練8】在溫度T下，容積固定的密閉容器中充入3 mol NO和2 mol H2發生2H2(g)＋2NO(g)N2(g)＋2H2O(g)，起始壓強為p0，一段時間后，反應達到平衡，此時壓強p==0.9p0，則NO的平衡轉化率α(NO)=_______(結果保留三位有效數字)，該反應的平衡常數Kp=_______(用含p的代數式表示，Kp為以分壓表示的平衡常數，且某氣體的分壓＝總壓×該氣體的物質的量分數)
【學習總結】
回顧本課所學，畫出思維導圖
2應用課
第二章 化學反應速率與化學平衡
第11課時 化學平衡常數的應用
【學習目標】
掌握化學平衡常數的計算及應用。
【學習活動】
學習任務
目標：掌握化學平衡常數的計算及應用。 任務： 1．化學平衡常數(K)的計算方法——三段式法 三段式法就是依據化學方程式列出各物質的起始量、變化量和平衡量，然后根據已知條件建立代數等式而進行解題的一種方法。這是解答化學平衡計算題的一種“萬能方法”，只要已知起始量和轉化率就可用平衡模式法解題。對于反應前后氣體體積變化的反應，如果已知反應前氣體的總物質的量與反應后氣體的總物質的量的差值，也可用差量法解題。 【針對訓練1】在1.5 L的密閉容器中通入2 mol N2和3 mol H2，混合氣體在一定溫度下發生反應。達到平衡時，容器內壓強為反應開始時的0.8，則該反應的化學平衡常數約為(　　) A．0.34 B．0.64 C．0.44 D．0.54 答案：C　 解析：定T、V的情況下，壓強之比等于物質的量之比，設N2轉化x mol，則 　　　　　N2(g)?。?H2(g)2NH3(g) 起始量/mol 2 3 0 轉化量/mol x 3x 2x 平衡量/mol 2－x 3－3x 2x ＝＝＝，解得x＝0.5， 則K＝＝＝≈0.44。 【針對訓練2】某溫度下，向容積為2 L的密閉反應器中充入0.10 mol SO3，當反應器中的氣體壓強不再變化時，測得SO3的轉化率為20%，則該溫度下反應2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的平衡常數為(　　) A．3.2×103 B．1.6×103 C．8.0×102 D．4.0×102 答案：A　 解析： 　　　　2SO2(g) ＋ O2(g)2SO3(g) c(始)/(mol·L－1) 0 0 0.05 c(變)/(mol·L－1) 0.01 0.005 0.01 c(平)/(mol·L－1) 0.01 0.005 0.04 K＝＝3.2×103。 2．利用K值變化判斷反應的熱效應 其他條件不變時，若正反應是吸熱反應，由于升高(或降低)溫度時平衡向正(或逆)反應方向移動，K值增大(或減小)；若正反應是放熱反應，由于升高(或降低)溫度時平衡向逆(或正)反應方向移動，K值減小(或增加)；所以溫度升高時平衡常數可能增大，也可能減小，但不會不變。 【針對訓練3】高爐煉鐵過程中發生的主要反應為Fe2O3(s)＋CO(g)Fe(s)＋CO2(g)。已知該反應在不同溫度下的平衡常數如下： 溫度/℃1 0001 1501 300平衡常數4.03.73.5
該反應的平衡常數表達式K＝ ，ΔH____＜____0(填“＞”“＜”或“＝”)。 解析：因Fe和Fe2O3都為固體，不能代入平衡常數的表達式，所以 K＝ ，由表中數據知，溫度升高，平衡常數減小，說明平衡向左移動，故ΔH＜0。 3．可逆反應是否達到平衡狀態及反應方向的判斷 在溫度一定的條件下，判斷一個化學反應是否達到平衡的根據是：計算出某一時刻該反應的濃度商Q，將其與平衡常數K進行比較，如果二者相等，則說明反應已達到平衡狀態，否則該反應處于非平衡狀態。如果反應中有固體或純液體參加，則它們的濃度不列入平衡常數表達式中，一般步驟為設任一時刻的濃度商(即同樣應用K的計算式，但為某一時刻的)為Q，若Q＝K，說明反應平衡；Q>K，說明反應向逆向進行；Q在800 ℃時，發生上述反應，某一時刻測得容器內各物質的濃度分別為c(CO2)為4 mol·L－1，c(H2)為3 mol·L－1，c(CO)為2 mol·L－1，c(H2O)為6 mol·L－1，則下一時刻，反應向___逆向_____(填“正向”或“逆向”)進行。 解析：判斷反應進行的方向時，可根據Q與K的大小關系進行判斷，此時刻下，Q＝＝＝1>0.9，所以反應向逆反應方向進行。 4．利用K計算平衡濃度和反應物的轉化率 依據起始濃度(或平衡濃度)和平衡常數可以計算平衡濃度(或起始濃度)，從而計算反應物的轉化率。對于反應：aA＋bBcC＋dD，反應物A的轉化率可以表示為α(A)＝×100%＝×100%＝×100%。 【針對訓練5】一定條件下，將3 mol A和1 mol B兩種氣體混合于固定容積為2 L的密閉容器中，發生如下反應：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(s)。2 min末該反應達到平衡，生成0.8 mol D，并測得C的濃度為0.2 mol·L－1。下列判斷正確的是(　　) A．該條件下此反應的化學平衡常數約為0.91 B．A的平均反應速率為0.3 mol·L－1·s－1 C．B的轉化率為60% D．若混合氣體的密度不再改變時，該反應不一定達到平衡狀態 答案：A　 解析：平衡時，n(C)＝0.2 mol·L－1×2 L＝0.4 mol，n(D)＝0.8 mol，故n(C)∶n(D)＝1∶2，所以x＝1；平衡時A、B、C的濃度分別為0.9 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.2 mol·L－1，則平衡常數K＝≈0.91，A對；v(C)＝＝0.1 mol·L－1·min－1，v(A)＝3v(C)＝0.3 mol·L－1·min－1，B錯；B轉化的物質的量n(B)＝n(D)＝0.4 mol，故B的轉化率為α(B)＝×100%＝40%，C錯；該反應前后氣體分子數不相等，且氣體質量也不相等，因此混合氣體的密度不再改變時，該反應一定達到平衡狀態，D錯。 【針對訓練6】可逆反應CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)在密閉容器中建立了平衡。當溫度為749 K時，K＝，問： (1)當CO和H2O的起始濃度為2 mol·L－1時，CO的轉化率為_____60%___。 (2)當CO的起始濃度仍為2 mol·L－1，H2O的起始濃度為6 mol·L－1時，CO的轉化率為____85%____。 解析：(1)設CO的轉化量為x， 　　　　　　 CO(g) ＋ H2O(g)CO2(g)＋H2(g) 起始/(mol·L－1) 2 2 0 0 轉化/(mol·L－1) x x x x 平衡/(mol·L－1) 2－x 2－x x x K＝＝解得：x＝1.2， CO的轉化率：×100%＝60%。 (2)設CO的轉化量為y， 　　　　　　 CO(g) ＋ H2O(g)CO2(g)＋H2(g) 起始/(mol·L－1) 2 6 0 0 轉化/(mol·L－1) y y y y 平衡/(mol·L－1) 2－y 6－y y y K＝＝，解得：y≈1.7 CO的轉化率：×100%＝85%。 5．壓強平衡常數Kp的計算 （1）對于氣體反應，常用氣體分壓來表示和計算平衡常數——生成物的分壓的冪之積與反應物分壓的冪之積的比值。用氣體的平衡分壓代替物質的量濃度表示的平衡常數也稱為壓強平衡常數。符號為Kp。 對于可逆反應：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g) 【針對訓練7】用測壓法在剛性密閉容器中研究T ℃時4NO(g)N2(g)＋2NO2(g)的分解反應，現將一定量的NO充入該密閉容器中，測得體系的總壓強隨時間的變化如下表所示： 反應時間/min010203040壓強/MPa15.0014.0213.2012.5012.50
(1)20 min時，NO的轉化率α= 48% % (2)T ℃時，4NO(g)N2(g)＋2NO2(g)反應的平衡常數Kp= 0.1 (Kp為以分壓表示的平衡常數) 解析：在一定條件下 ，壓強之比等于物質的量之比，因此可以直接用壓強代替物質的量計算。 　　　　　　　 4NO(g)N2(g)＋2NO2(g) 開始的壓強/MPa 15 0 0 轉化的壓強/MPa 4x x 2x 平衡的壓強/MPa 15－4x x 2x (1)20 min時，15－x＝13.2，x＝1.8，NO的轉化率為α＝×100%＝48%。 (2)平衡時，15－x＝12.5，x＝2.5，NO、N2、NO2的壓強分別為5、2.5、5，代入公式 (2)根據“某氣體的分壓=氣體總壓強×該氣體的體積分數(或物質的量分數)”計算壓強平衡常數 第一步，根據“三段式”法計算平衡體系中各物質的物質的量或物質的量濃度 第二步，計算各氣體組分的物質的量分數或體積分數； 第三步，根據分壓計算公式求出各氣體物質的分壓：某氣體的分壓=氣體總壓強×該氣體的體積分數(或物質的量分數) 第四步，根據壓強平衡常數計算公式代入計算 【針對訓練8】在溫度T下，容積固定的密閉容器中充入3 mol NO和2 mol H2發生2H2(g)＋2NO(g)N2(g)＋2H2O(g)，起始壓強為p0，一段時間后，反應達到平衡，此時壓強p==0.9p0，則NO的平衡轉化率α(NO)=___33.3%____(結果保留三位有效數字)，該反應的平衡常數Kp=_______(用含p的代數式表示，Kp為以分壓表示的平衡常數，且某氣體的分壓＝總壓×該氣體的物質的量分數) 解析：根據題意可列出三段式： 　　　 2H2(g)＋2NO(g)===N2(g)＋2H2O(g) 起始/mol: 2 3 0 0 轉化/mol: 2x 2x x 2x 平衡/mol: 2－2x 3－2x x 2x 反應達到平衡，此時壓強p＝0.9 p0，則有＝＝＝0.9，解得x＝0.5，故NO的轉化率α(NO)≈33.3%，由分壓公式p∞＝p可知，p(H2)＝p，p(NO)＝p，p(N2)＝p，p(H2O)＝p，則＝＝。
【學習總結】
回顧本課所學，畫出思維導圖
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