专题7 第21讲化学平衡常数化学反应进行的方向.docx
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专题7第21讲化学平衡常数化学反应进行的方向
第21讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向
考纲要求
1.认识化学反应的可逆性。
能用焓变和熵变说明常见简单化学反应的方向。
2.理解化学平衡常数的含义。
能利用化学平衡常数进行简单计算。
考点一 可逆反应与化学平衡建立
1.可逆反应
(1)定义
在同一条件下,既可以向正反应方向进行,同时又可以向逆反应方向进行的化学反应。
(2)特点
①二同:
a.相同条件下;b.正、逆反应同时进行。
②一小:
反应物与生成物同时存在;任一组分的转化率都小于(填“大于”或“小于”)100%。
(3)表示
在方程式中用“
”表示。
2.化学平衡状态
(1)概念
一定条件下的可逆反应中,正反应速率与逆反应速率相等,反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持不变的状态。
(2)化学平衡的建立
(3)平衡特点
3.判断化学平衡状态的两种方法
(1)动态标志:
v正=v逆≠0
①同种物质:
同一物质的生成速率等于消耗速率。
②不同物质:
必须标明是“异向”的反应速率关系。
如aA+bB
cC+dD,
=
时,反应达到平衡状态。
(2)静态标志:
各种“量”不变
①各物质的质量、物质的量或浓度不变。
②各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数等)不变。
③温度、压强(化学反应方程式两边气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。
总之,若物理量由变量变成了不变量,则表明该可逆反应达到平衡状态;若物理量为“不变量”,则不能作为平衡标志。
(1)2H2O
2H2↑+O2↑为可逆反应(×)
(2)二次电池的充、放电为可逆反应(×)
(3)对反应A(g)+B(g)
C(g)+D(g),压强不随时间而变,说明反应已达平衡状态(×)
(4)对于NO2(g)+SO2(g)
SO3(g)+NO(g)反应,当每消耗1molSO3的同时生成1molNO2时,说明反应达到平衡状态(×)
(5)化学平衡状态指的是反应静止了,不再发生反应了(×)
(6)对于A(g)+B(g)
2C(g)+D(g)反应,当密度保持不变,在恒温恒容或恒温恒压条件下,均不能作为达到化学平衡状态的标志(×)
(7)恒温恒容下进行的可逆反应:
2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g),当SO3的生成速率与SO2的消耗速率相等时,反应达到平衡状态(×)
(8)在2L密闭容器内,800℃时反应2NO(g)+O2(g)
2NO2(g)体系中,当该容器内颜色保持不变时能说明该反应已达到平衡状态(√)
1.向含有2molSO2的容器中通入过量氧气发生2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) ΔH=-QkJ·mol-1(Q>0),充分反应后生成SO3的物质的量______2mol(填“<”“>”或“=”,下同),SO2的物质的量______0mol,转化率______100%,反应放出的热量________QkJ。
答案 < > < <
2.一定温度下,反应N2O4(g)
2NO2(g)的焓变为ΔH。
现将1molN2O4充入一恒压密闭容器中,下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是________。
答案 ①④
解析 ΔH是恒量,不能作为判断平衡状态的标志;该反应是充入1molN2O4,正反应速率应是逐渐减少直至不变,③曲线趋势不正确。
题组一 极端假设,界定范围,突破判断
1.在密闭容器中进行反应:
X2(g)+Y2(g)
2Z(g),已知X2、Y2、Z的起始浓度分别为0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.2mol·L-1,在一定条件下,当反应达到平衡时,各物质的浓度有可能是( )
A.Z为0.3mol·L-1B.Y2为0.4mol·L-1
C.X2为0.2mol·L-1D.Z为0.4mol·L-1
答案 A
2.(2018·徐州质检)一定条件下,对于可逆反应X(g)+3Y(g)
2Z(g),若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零),达到平衡时,X、Y、Z的浓度分别为0.1mol·L-1、0.3mol·L-1、0.08mol·L-1,则下列判断正确的是( )
A.c1∶c2=1∶3
B.平衡时,Y和Z的生成速率之比为2∶3
C.X、Y的转化率不相等
D.c1的取值范围为0<c1<0.14mol·L-1
答案 AD
解析 平衡浓度之比为1∶3,转化浓度亦为1∶3,故c1∶c2=1∶3,A正确,C错误;平衡时Y生成表示逆反应速率,Z生成表示正反应速率且v生成(Y)∶v生成(Z)应为3∶2,B不正确;由可逆反应的特点可知0<c1<0.14mol·L-1。
极端假设法确定各物质浓度范围
上述题目1可根据极端假设法判断,假设反应正向或逆向进行到底,求出各物质浓度的最大值和最小值,从而确定它们的浓度范围。
假设反应正向进行到底:
X2(g)+Y2(g)
2Z(g)
起始浓度(mol·L-1)0.10.30.2
改变浓度(mol·L-1)0.10.10.2
终态浓度(mol·L-1)00.20.4
假设反应逆向进行到底:
X2(g)+Y2(g)
2Z(g)
起始浓度(mol·L-1)0.10.30.2
改变浓度(mol·L-1)0.10.10.2
终态浓度(mol·L-1)0.20.40
平衡体系中各物质的浓度范围为X2∈(0,0.2),Y2∈(0.2,0.4),Z∈(0,0.4)。
题组二 化学平衡状态的判断
3.(2017·扬州高三模拟)对于CO2+3H2
CH3OH+H2O,下列说法能判断该反应达到平衡状态的是( )
A.v(CO2)=
v(H2)
B.3v逆(H2)=v正(H2O)
C.v正(H2)=3v逆(CO2)
D.断裂3molH—H键的同时,形成2molO—H键
答案 C
4.在一定温度下的定容容器中,当下列物理量不再发生变化时:
①混合气体的压强,②混合气体的密度,③混合气体的总物质的量,④混合气体的平均相对分子质量,⑤混合气体的颜色,⑥各反应物或生成物的浓度之比等于化学计量数之比,⑦某种气体的百分含量
(1)能说明2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g)达到平衡状态的是________。
(2)能说明I2(g)+H2(g)
2HI(g)达到平衡状态的是________。
(3)能说明2NO2(g)
N2O4(g)达到平衡状态的是________________________。
(4)能说明C(s)+CO2(g)
2CO(g)达到平衡状态的是________。
(5)能说明NH2COONH4(s)
2NH3(g)+CO2(g)达到平衡状态的是________。
(6)能说明5CO(g)+I2O5(s)
5CO2(g)+I2(s)达到平衡状态的是________。
答案
(1)①③④⑦
(2)⑤⑦ (3)①③④⑤⑦
(4)①②③④⑦ (5)①②③ (6)②④⑦
5.若上述题目中的
(1)~(4)改成一定温度下的恒压密闭容器,结果又如何?
答案
(1)②③④⑦
(2)⑤⑦ (3)②③④⑤⑦ (4)②③④⑦
规避“2”个易失分点
(1)化学平衡状态判断“三关注”
关注反应条件,是恒温恒容,恒温恒压,还是绝热恒容容器;关注反应特点,是等体积反应,还是非等体积反应;关注特殊情况,是否有固体参加或生成,或固体的分解反应。
(2)不能作为“标志”的四种情况
①反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比。
②恒温恒容下的体积不变的反应,体系的压强或总物质的量不再随时间而变化,如2HI(g)
H2(g)+I2(g)。
③全是气体参加的体积不变的反应,体系的平均相对分子质量不再随时间而变化,如2HI(g)
H2(g)+I2(g)。
④全是气体参加的反应,恒容条件下体系的密度保持不变。
考点二 化学平衡常数
1.概念
在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,用符号K表示。
2.表达式
对于反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),
K=
(固体和纯液体的浓度视为常数,通常不计入平衡常数表达式中)。
3.意义及影响因素
(1)K值越大,反应物的转化率越大,正反应进行的程度越大。
(2)K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度变化无关。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
4.应用
(1)判断可逆反应进行的程度。
(2)利用化学平衡常数,判断反应是否达到平衡或向何方向进行。
对于化学反应aA(g)+bB(g)
cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商:
Q=
。
Q<K,反应向正反应方向进行;
Q=K,反应处于平衡状态;
Q>K,反应向逆反应方向进行。
(3)利用K可判断反应的热效应:
若升高温度,K值增大,则正反应为吸热反应;若升高温度,K值减小,则正反应为放热反应。
(1)平衡常数表达式中,可以是物质的任一浓度( )
(2)催化剂能改变化学反应速率,也能改变平衡常数( )
(3)平衡常数发生变化,化学平衡不一定发生移动( )
(4)化学平衡发生移动,平衡常数不一定发生变化( )
(5)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度( )
(6)化学平衡常数只受温度的影响,温度升高,化学平衡常数的变化取决于该反应的反应热
( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)√
书写下列反应的平衡常数表达式。
(1)Cl2+H2O
HCl+HClO
(2)C(s)+H2O(g)
CO(g)+H2(g)
(3)CH3COOH+C2H5OH
CH3COOC2H5+H2O
(4)CO
+H2O
HCO
+OH-
(5)CaCO3(s)
CaO(s)+CO2(g)
答案
(1)K=
(2)K=
(3)K=
(4)K=
(5)K=c(CO2)
题组一 化学平衡常数表达式的书写
1.写出下列反应的平衡常数表达式:
(1)4NO2(g)+2NaCl(s)
2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)
K=________。
(2)人体中肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)的主要功能为运输氧气与二氧化碳,肌红蛋白(Mb)可以与小分子X(如氧气或一氧化碳)结合,反应方程式为Mb(aq)+X(g)
MbX(aq),反应的平衡常数表达式K=______________________________。
答案
(1)
(2)
2.甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。
工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。
已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如下表所示:
化学反应
平衡常数
温度/℃
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
(1)据反应①与②可推导出K1、K2与K3之间的关系,则K3=________(用K1、K2表示)。
(2)反应③的ΔH________(填“>”或“<”)0。
答案
(1)K1·K2
(2)<
解析
(1)K1=
,
K2=
,
K3=
,
K3=K1·K2。
(2)根据K3=K1·K2,500℃、800℃时,反应③的平衡常数分别为2.5,0.375;升温,K减小,平衡左移,正反应为放热反应,所以ΔH<0。
1.化学平衡常数与具体的化学反应方程式有关,同一类型的化学方程式,化学计量数不同,则K不同。
2.在水溶液中进行的可逆反应,水可视为纯液体,不要写入化学平衡常数表达式中;固体也不能写入化学平衡常数表达式中。
题组二 影响化学平衡常数的因素
3.O3是一种很好的消毒剂,具有高效、洁净、方便、经济等优点。
O3可溶于水,在水中易分解,产生的[O]为游离氧原子,有很强的杀菌消毒能力。
常温常压下发生的反应如下:
反应① O3
O2+[O] ΔH>0 平衡常数为K1;
反应② [O]+O3
2O2 ΔH<0 平衡常数为K2;
总反应:
2O3
3O2 ΔH<0 平衡常数为K。
下列叙述正确的是( )
A.降低温度,总反应K减小
B.K=K1+K2
C.适当升温,可提高消毒效率
D.压强增大,K2减小
答案 C
解析 降温,总反应平衡向右移动,K增大,A项错误;K1=
、K2=
、K=
=K1·K2,B项错误;升高温度,反应①平衡向右移动,c([O])增大,可提高消毒效率,C项正确;对于给定的反应,平衡常数只与温度有关,D项错误。
4.在一个体积为2L的真空密闭容器中加入0.5molCaCO3,发生反应CaCO3(s)
CaO(s)+CO2(g),测得二氧化碳的物质的量浓度随温度的变化关系如下图所示,图中A表示CO2的平衡浓度与温度的关系曲线,B表示不同温度下反应经过相同时间时CO2的物质的量浓度的变化曲线。
请按要求回答下列问题:
(1)该反应正反应为______(填“吸”或“放”)热反应;温度为T5时,该反应耗时40s达到平衡,则此温度下,该反应的平衡常数数值为________。
(2)如果该反应的平衡常数K值变大,该反应________(填编号)。
a.一定向逆反应方向移动
b.在平衡移动时正反应速率先增大后减小
c.一定向正反应方向移动
d.在平衡移动时逆反应速率先减小后增大
(3)请说明随温度的升高,曲线B向曲线A逼近的原因:
__________________________。
(4)保持温度、体积不变,充入CO2气体,则CaCO3的质量________,CaO的质量________,CO2的浓度________(填“增大”“减小”或“不变”)。
答案
(1)吸 0.20
(2)bc (3)随着温度升高,反应速率加快,达到平衡所需要的时间变短 (4)增大 减小 不变
解析
(1)T5时,c(CO2)=0.20mol·L-1,
K=c(CO2)=0.20。
(2)K值增大,平衡正向移动,正反应速率大于逆反应速率。
(4)体积不变,增大c(CO2),平衡左移,CaCO3质量增大,CaO质量减小,由于温度不变,K不变,所以c(CO2)不变。
注意 浓度、压强引起化学平衡发生移动时,平衡常数不变,只有温度变化引起的化学平衡移动,平衡常数才发生变化。
5.(2017·淮安高三上学期期中)将一定量的SO2(g)和O2(g)分别通入体积为2L的恒容密闭容器中,在不同温度下进行反应,得到如下表中的两组数据:
实验编号
温度/℃
平衡常数
起始量/mol
平衡量/mol
达到平衡所需时间/min
SO2
O2
SO2
O2
1
T1
K1
4
2
x
0.8
6
2
T2
K2
4
2
0.4
y
t
下列说法中不正确的是( )
A.x=2.4
B.T1、T2的关系:
T1>T2
C.K1、K2的关系:
K2>K1
D.实验1在前6min的反应速率v(SO2)=0.2mol·L-1·min-1
答案 A
解析 根据题中信息可列“三段式”:
2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g)
n(起始)/mol42
n(转化)/mol4-x2-0.8
n(平衡)/molx0.8
(4-x)∶(2-0.8)=2∶1
解得:
x=1.6
同理,解得y=0.2,
由于2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g)是放热反应,温度越高,反应正向进行的程度越小,根据x,y可以判断出T1>T2,K1<K2。
实验1在前6min的反应速率v(SO2)=
=0.2mol·L-1·min-1,故本题选A。
题组三 化学平衡常数的应用
6.(2018·盐城高三模拟)在体积为1L的密闭容器中,进行如下化学反应:
CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g),化学平衡常数K与温度T的关系如下表:
T/℃
700
800
850
1000
1200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题:
(1)升高温度,化学平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。
(2)若某温度下,平衡浓度符合下列关系:
c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O),此时的温度为________;在此温度下,若该容器中含有1molCO2、1.2molH2、0.75molCO、1.5molH2O,则此时反应所处的状态为________(填“向正反应方向进行中”“向逆反应方向进行中”或“平衡状态”)。
答案
(1)正反应
(2)850℃ 向正反应方向进行中
解析
(1)由表格数据,可知随着温度升高,平衡常数增大,说明化学平衡向正反应方向移动;
(2)c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O),则计算出K=1.0,即此时温度为850℃,此温度下
=
<1.0,故反应向正反应方向进行中。
1.温度变化与化学平衡常数变化不一定对应。
若正反应为吸热反应,升温,K增大,降温,K减小;若正反应为放热反应,则相反。
2.Q与K的表达式相同,但代入的浓度不同。
K的表达式中各物质浓度为平衡浓度,而Q中为任意时刻物质的浓度。
考点三 有关化学平衡常数的计算
1.一个模式——“三段式”
如mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为amol·L-1、bmol·L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mxmol·L-1。
mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g)
c始/mol·L-1ab00
c转/mol·L-1mxnxpxqx
c平/mol·L-1a-mxb-nxpxqx
K=
。
2.明确三个量的关系
(1)三个量:
即起始量、变化量、平衡量。
(2)关系
①对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量。
②对于同一生成物,起始量+变化量=平衡量。
③各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。
3.掌握四个公式
(1)反应物的转化率=
×100%=
×100%。
(2)生成物的产率:
实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。
一般来讲,转化率越大,原料利用率越高,产率越大。
产率=
×100%。
(3)平衡时混合物组分的百分含量=
×100%。
(4)某组分的体积分数=
×100%。
将固体NH4I置于密闭容器中,在一定温度下发生下列反应:
①NH4I(s)
NH3(g)+HI(g),②2HI(g)
H2(g)+I2(g)。
达到平衡时:
c(H2)=0.5mol·L-1,c(HI)=4mol·L-1,则此温度下反应①的平衡常数为__________________________________。
答案 20
解析 由平衡时H2的浓度,可求得反应②分解消耗HI的浓度,c分解(HI)=0.5mol·L-1×2=1mol·L-1,故①式生成c(HI)=c平衡(HI)+c分解(HI)=4mol·L-1+1mol·L-1=5mol·L-1,则c平衡(NH3)=5mol·L-1,根据平衡常数表达式K=c平衡(NH3)·c平衡(HI)=5×4=20。
这是一道比较经典的“易错”题,极易错填成25。
原因是将①式生成的c(HI)=5mol·L-1代入公式中进行求算,而未带入平衡时HI的浓度(4mol·L-1)。
计算平衡常数时,应严格按照平衡常数的定义进行求算,代入的一定是物质的平衡浓度。
题组一 化学平衡常数的单纯计算
1.(2018·无锡质检)在容积为1.00L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应N2O4(g)
2NO2(g),随温度升高,混合气体的颜色变深。
回答下列问题:
(1)反应的ΔH________(填“大于”或“小于”)0;100℃时,体系中各物质浓度随时间变化如上图所示。
反应的平衡常数K1为________。
(2)100℃时达平衡后,改变反应温度为T,c(N2O4)以0.0020mol·L-1·s-1的平均速率降低,经10s又达到平衡。
①T________(填“大于”或“小于”)100℃,判断理由是_____________________。
②列式计算温度T时反应的平衡常数K2________________________________________。
答案
(1)大于 0.36
(2)①大于 正反应吸热,反应向吸热方向进行,故温度升高
②平衡时,c(NO2)=0.0020mol·L-1·s-1×10s×2+0.120mol·L-1=0.160mol·L-1
c(N2O4)=0.040mol·L-1-0.0020mol·L-1·s-1×10s=0.020mol·L-1 K2=
=1.28
解析
(1)升温,颜色变深,NO2增多,即平衡右移,所以正反应吸热,即ΔH>0。
由题中图像可知平衡时NO2和N2O4的浓度,将数据代入平衡常数表达式计算即可。
(2)①由题意可知,改变温度使N2O4的浓度降低,即平衡正向移动,则应是升高温度,T大于100℃;②根据速率和时间,求出减少的N2O4的浓度为0.020mol·L-1,则平衡时N2O4的浓度为0.020mol·L-1,NO2的浓度为0.160mol·L-1,由平衡常数表达式可得K2的值。
题组二 化学平衡常数与转化率相结合计算
2.羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂,能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。
在恒容密闭容器中,将CO和H2S混合加热并达到下列平衡:
CO(g)+H2S(g)
COS(g)+H2(g) K=0.1
反应前CO的物质的量为10mol,平衡后CO的物质的量为8mol。
下列说法正确的是( )
A.升高温度,H2S浓度增加,表明该反应是吸热反应
B.通入CO后,正反应速率逐渐增大
C.反应前H2S物质的量为7mol
D.CO的平衡转化率为80%
答案 C
解析 A项,升高温度,H2S浓度增大,说明平衡向逆反应方向移动,逆反应吸热,正反应放热,错误;B项,通入CO气体瞬间正反应速率增大,达到最大值,向正反应方向建立新的平衡,正反应速率逐渐减小,错误;C项,设反应前H2S的物质的量为nmol,容器的容积为1L,则
CO(g)+H2S(g)
COS(g)+H2(g) K=0.1
n(始)/mol10n00
n(转)/mol2222
n(平)/mol8n-222
K=
=0.1,解得n=7,正确;D项,根据上述计算可知CO的转化率为20%,错误。
3.[2017·全国卷Ⅰ,28(3)]H2S与CO2在高温下发生反应:
H2S(g)+CO2(g)
COS(g)+H2O(g)。
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