化学反应限度-平衡常数

1、第第2节节 化学反应的限度化学反应的限度一、化学平衡常数一、化学平衡常数 在一定条件下可逆反应进行到一定程度时，在一定条件下可逆反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化，这种状态称为的浓度不再发生变化，这种状态称为化学平衡状化学平衡状态态，简称化学平衡。，简称化学平衡。 化学平衡化学平衡特点特点动动化学平衡是一种动态平衡化学平衡是一种动态平衡 V V正正V V逆逆0 0； 变变当外界条件（当外界条件（C C、P P、T T）改变时，）改变时， V V正正VV逆逆 ，平衡发生改变，平衡发生改变 定定反应混合物中各

2、组成的浓度保持不变；反应混合物中各组成的浓度保持不变； 可逆反应在一定条件下是不可能可逆反应在一定条件下是不可能反应反应完全的，一完全的，一定会达到化学平衡状态定会达到化学平衡状态,即存在一定的限度即存在一定的限度。而反应的而反应的限度的大小对于生产和生活实际有着直接影响。因此限度的大小对于生产和生活实际有着直接影响。因此仅研究化学反应的方向是不够的，还需要关注化学反仅研究化学反应的方向是不够的，还需要关注化学反应的限度问题。怎样定量描述化学反应的限度呢？应的限度问题。怎样定量描述化学反应的限度呢？化学平衡常数化学平衡常数序序号号起始时浓度起始时浓度mol/L698.6K平衡时浓度平衡时浓度m

3、ol/L698.6K平衡时平衡时c0 (H2)c0(I2)c0 (HI)H2I2HI10.010670.0119600.0018310.003120.0176720.011350.0090400.003560.001250.0155930.011340.0075100.0045650.000730.013544000.01060.0011410.001140.00841222IHHI54.554.654.4554.33根据表中的数据计算出平衡时根据表中的数据计算出平衡时 的值，并分析其中规律。的值，并分析其中规律。222IHHI交流交流.研讨研讨I2(g) + H2(g) 2HI(g)测得反应

4、测得反应 不管不管H2 、I2和和HI的初始浓度是多大，只要保持反应体的初始浓度是多大，只要保持反应体系的系的温度不变，达到化学平衡状态后，温度不变，达到化学平衡状态后， 就为就为常数常数 HI2 H2 I2 我们通常把这个常数称为我们通常把这个常数称为化学平衡常数化学平衡常数 在一定温度下，某个可逆反应达到平在一定温度下，某个可逆反应达到平衡时，产物浓度系数次方的乘积与反应衡时，产物浓度系数次方的乘积与反应物浓度系数次方的乘积之比是一个常数。物浓度系数次方的乘积之比是一个常数。这个常数称为化学平衡常数这个常数称为化学平衡常数平衡常数一般有平衡常数一般有浓度平衡常数浓度平衡常数KC和和压强平衡

5、常数压强平衡常数Kp两种。两种。例如：合成氨反应：例如：合成氨反应：N2 + 3H2 2NH3 的浓度平衡的浓度平衡常数可表示为：常数可表示为： 高温高压高温高压催化剂催化剂32223HNNHKC反应中的反应中的固体固体或或纯溶剂纯溶剂不列入平衡常数的表达式中！不列入平衡常数的表达式中！对于一般的反应：对于一般的反应： aA +bB cC + dD当温度一定，达到化学平衡时，其平衡常数表达当温度一定，达到化学平衡时，其平衡常数表达式：式：K = Cc DdAa BbC(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)2SO2(g)+O2(g) 2SO3 (g)催化剂催化剂22223OSOSOKC22

6、OHHCOKC上面两个浓度平衡常数的单位分别是？上面两个浓度平衡常数的单位分别是？第第1个化学平衡常数个化学平衡常数K的单位是的单位是：L/mol; 第第2个化学平衡常数个化学平衡常数K的单位是的单位是：mol/L; 练习：练习：试写出下列反应的浓度平衡常数的数学表达式：试写出下列反应的浓度平衡常数的数学表达式：K的单位与反应的化学方程式有关，由化学方程式决定，的单位与反应的化学方程式有关，由化学方程式决定，无固定的单位。是浓度单位计算的结果无固定的单位。是浓度单位计算的结果.反反 应应K K单位单位1 1 1/2N2(g)+3/2H2(g) NH3(g)(moLL-1 )-12 2N2(g)

7、+3H2(g) 2NH3(g)(moLL-1 )-23 32NH3 (g) N2(g)+3H2 (g)(moLL-1 )24 4NH3H2O(ag) NH4+ (ag)+OH-(ag)5 5FeO(s)+CO(g) Fe(s)+ CO2(g) 6 6AgCl(s) Ag+(ag)+Cl-(ag)交流研讨：交流研讨：P P43431 请写出下表中各反应的平衡常数表达式和单位，并讨论下面的请写出下表中各反应的平衡常数表达式和单位，并讨论下面的问题问题。（1）对于一个反应，其平衡常数的表达式是唯一的吗？平衡常数表达式与哪些因）对于一个反应，其平衡常数的表达式是唯一的吗？平衡常数表达式与哪些因素有关。

8、素有关。（2）对于一个反应，其正反应和逆反应的平衡常数之间有什么关系？）对于一个反应，其正反应和逆反应的平衡常数之间有什么关系？32223HNNHKC N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 1/2N2(g)+3/2H2(g) NH3(g) 23221231HNNHKC2NH3 (g) N2 (g)+ 3H2(g)233222NHHNKC2)(112CCCKKKNH3?H2O(aq) NH4+(aq) +OH- (aq)234OHNHOHNHKCFeO(s)+CO(g) Fe(s)+CO2(g)2COCOKCAgCl(s) Ag+(aq)+Cl-(aq)ClAgKC表中反应的平衡常数表达式表

9、中反应的平衡常数表达式2)(1CCKK1 1、对于同一化学反应，由于、对于同一化学反应，由于书写方式书写方式不同，不同，各反应物、生成物的各反应物、生成物的系数系数不同，平衡常数的表不同，平衡常数的表达式就不同。达式就不同。2 2、平衡常数的、平衡常数的单位单位也与化学方程式的表示形式也与化学方程式的表示形式相对应。相对应。3 3、对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常、对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常数互为数互为倒数倒数。在在2000K2000K时时, ,反应反应CO(g)+1/2OCO(g)+1/2O2 2(g(g） COCO2 2（g g） 的平衡常数为的平衡常数为K K1 1,

10、,则相同温度下反应则相同温度下反应2CO2CO2 2（g g） 2CO(g) + O2CO(g) + O2 2（g g）的平衡常数）的平衡常数K K2 2为为（ ） A A、 1/1/K1 B B、 K K1 12 2 C C、 1/1/K12 D D、 K1-1/2C迁移应用迁移应用平衡常数平衡常数K的应用的应用 平衡常数平衡常数K K与温度有关，与浓度无关与温度有关，与浓度无关，由由K K随温度的随温度的变化可推变化可推 断正反应是吸热反应还是放热。断正反应是吸热反应还是放热。 若正反应是若正反应是吸热反应吸热反应, ,升高温度升高温度,K ,K 增大增大; ; 若正反应是若正反应是放热反

11、应放热反应, ,升高温度升高温度,K ,K 减少减少; ;2 平衡常数平衡常数K KC C值的大小，可推断反应进行的程度值的大小，可推断反应进行的程度 K K 值越大，值越大，表示反应表示反应进行的程度越大，进行的程度越大，反应物的反应物的转转化率越大；化率越大； K K值越小，值越小，表示反应表示反应进行的程度越小，进行的程度越小，反应物的反应物的转转化率越小。化率越小。例如：例如：不同温度时，反应不同温度时，反应:H2(g)+I2(g) 2HI(g),的浓度的浓度平衡常数与温度平衡常数与温度的关系如下：的关系如下：温度温度623K698K763K浓度平衡常数浓度平衡常数66 .954.44

12、5.9 通过改变温度，平衡常数大小的变化趋势可以判通过改变温度，平衡常数大小的变化趋势可以判断断上面的可逆反应的上面的可逆反应的正反应正反应-是放热反应是放热反应.化学反应化学反应K K反应程度反应程度2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g)(570K)约为约为1059moLL-1正反应可接近完全正反应可接近完全PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g)(470K) 约为约为1moLL-1正、逆反应相当正、逆反应相当2HCl(g) H2(g)+Cl2(g)(300k)1033正反应几乎不发生正反应几乎不发生 一般来说，如果一个反应的平衡常数大于一般来说，如果一个反应的平衡常

13、数大于10105 5，通常认为反应可通常认为反应可进行进行得比较得比较完全完全，相反，如果一，相反，如果一个反应的平衡常数个反应的平衡常数小于小于1010-5-5，则认为这个反应，则认为这个反应很很难进行难进行。借助平衡常数，可以判别一个化借助平衡常数，可以判别一个化学反应是否达到化学平衡状态。学反应是否达到化学平衡状态。cc(C)cd(D)ca(A)cb(B)任意状态任意状态= =浓度商（浓度商（Q Q）Q QK K 可逆反应可逆反应已达平衡已达平衡Q QK K 可逆反应可逆反应正向进行正向进行Q QK K 可逆反应可逆反应逆向进行逆向进行3.判断反应进行的方向、反应是否达到平衡状态判断反应

14、进行的方向、反应是否达到平衡状态aA+bB cC+dD对可逆反应对可逆反应 例题例题:高炉炼铁中发生的反应有高炉炼铁中发生的反应有:FeO(s)+CO(g) Fe(s)+CO2(g); H , 对于可逆反应达到平衡后各物质的浓度变化关系，对于可逆反应达到平衡后各物质的浓度变化关系，在计算中注意。在计算中注意。（2）生成物：平衡浓度生成物：平衡浓度=初始浓度初始浓度+转化浓度转化浓度 生成物生成物D: D = c0(D) +c(D)（3）各物质的转化的浓度之比（转化的物质的量之比）各物质的转化的浓度之比（转化的物质的量之比）等于它们在化学方程式中相应的化学计量数之比等于它们在化学方程式中相应的化

15、学计量数之比 cA:cD=a:d nA:nD=a:d （1）反应物：平衡浓度反应物：平衡浓度=初始浓度初始浓度-转化浓度转化浓度 反应物反应物A: A=c0(A) - c(A)平衡常数的计算平衡常数的计算 例：在某温度下，将例：在某温度下，将H2(g)和和I2(g)各各0.1mol混合物混合物充入充入10L的密闭容器中，充分反应达到平衡时，测得的密闭容器中，充分反应达到平衡时，测得H2=0.0080mol/L，求：反应的平衡常数，求：反应的平衡常数=0.25I2(g) + H2(g) 2HI(g)解：解：始： 0.01mol/L 0.01 mol/L 0变： 0.002mol/L 0.002

16、mol/L 0.004 mol/L平衡： 0.008mol/L 0.008 mol/L 0.004mol/LK=HI2H2 I2 练习：对于反应练习：对于反应2SO3(g) 2SO2(g)+ O2(g),若若在一定温度下，将在一定温度下，将2mol的的SO3(g)放入一体积为放入一体积为2L的的密闭容器中，当达到平衡状态时，测得密闭容器中，当达到平衡状态时，测得O2(g)的物质的的物质的量为量为0.6mol,试求试求（1）此反应的浓度平衡常数。）此反应的浓度平衡常数。（2）求温度不变时）求温度不变时SO3(g) SO2(g)+1/2 O2(g),的浓度平衡常数。的浓度平衡常数。K=O2SO22

17、SO32=0.620.30.42=0.68mol/LK=0.82(mol/L)1/2K = = = 7.327.321010-3-3 NH32N2H23 42393由平衡定律由平衡定律求平衡常数求平衡常数根据物料根据物料平衡求初平衡求初时浓度时浓度答答:该温度时合成氨反应的化学平衡常数是该温度时合成氨反应的化学平衡常数是7.3210-3 ,N2和和H2的初时浓度分别为的初时浓度分别为5 molL-1和和15 molL-1 解：解： N N2 2+3H+3H2 2 2NH 2NH3 3 练习：练习： 合成氨反应合成氨反应N N2 2+3H+3H2 2 2NH 2NH3 3 在某温度在某温度下达平

18、衡时，各物质的浓度是下达平衡时，各物质的浓度是：NN2 2=3molL=3molL-1-1，HH2 2=9 molL=9 molL-1-1，NHNH3 3=4 molL=4 molL-1-1。求该温度时的。求该温度时的平衡常数和平衡常数和N N2 2、H H2 2的初时浓度的初时浓度C C NN2 2+1/2NH+1/2NH3 3 3+23+25 molL5 molL- -1 1N2C C HH2 2+3/2NH+3/2NH3 3 9+69+615 15 molLmolL-1-1H2K = CcDdAa Bb平衡常数的组合计算平衡常数的组合计算如如:知知 (1)2H2O(g) 2H2(g)+O

19、2(g) 平衡常数为平衡常数为K1 (2)2CO2 (g) 2CO(g)+O2 平衡常数为平衡常数为K2试求试求 (3) CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) K3 (4) CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) K4 的平衡常数的平衡常数K3和和K4由由(2)式式-(1)式式2=(3)式式,得得123KKK 由由(1)式式-(2)式式2=(4)式式,得得214KKK 两式相加相当于两式相加相当于K1乘乘K2, 相减相当于相减相当于K1除除K2.相乘相当于乘方相乘相当于乘方, 相除相当于开方相除相当于开方知知 (1) 2NiO(s) 2Ni(S) + O2 (g) K

20、p1=PO2 (2) 2CO(g)+O2(g) 2CO2 (g) 22222OcoCOpPPPK求求: NiO(s)+CO(g) Ni(s) +CO2(g)的的 Kp 解解:由由(1)+(2)2得的反应得的反应21pppKKK 练习练习:今有下列反应在今有下列反应在1100下下: C(s)+S2(g) CS2(g) K1=0.258 Cu2S(s)+H2(g) 2Cu(s)+H2S(g) K2=3.910-3 2H2S(g) 2H2(g)+S2(g) K3=2.310-2 试计算试计算C(s)+2Cu2S(s)=CS2(g)+4Cu(s)反应的平衡常数反应的平衡常数. （1）+ 2（2）+（3

21、）=K1X（K2）2XK3=9X10-10mol/L第二节第二节 化学反应的限度化学反应的限度 用平衡常数来表示反应的限度有时不够直观，常用用平衡常数来表示反应的限度有时不够直观，常用平衡转化率平衡转化率来表示反应限度。来表示反应限度。对于可逆反应对于可逆反应: mA(g)+nB (g) pC(g)+qD(g)%100)()(%100)%(00AcAAcAAAA的初始浓度的平衡浓度的初始浓度%100%100)%(始平始初始的物质的量的平衡物质的量初始的物质的量nnnAAAA 化学反应化学反应2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g) 是硫酸制造工业的基本反应。将是硫酸制造工业的基本反应。将0

22、.050mol的的SO2(g)和和0.030mol O2(g)注入一体积为注入一体积为1.0L的的密闭容器中，并置于某较高温度下的恒温环境密闭容器中，并置于某较高温度下的恒温环境中，当达到平衡状态时，测得容器中有中，当达到平衡状态时，测得容器中有0.044mol的的SO3(g)试求在该温度下试求在该温度下 （1）此反应的平衡常数。）此反应的平衡常数。 （2）求）求SO2(g)和和O2(g)的平衡转化率的平衡转化率【例例1】2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g)解：解：初始浓度初始浓度/molL-1 0.05 0.03 0平衡浓度平衡浓度/molL-1 0.044变化量变化量/molL-1

23、 0.044 0.022 0.0440.0060.008K = = SO32SO22 O20.00620.0080.0080.0442molL-1= 6.7103= 88 (SO2)=0.044 0.05100= 73 (O2)=0.022 0.03100练习练习1、在密闭容器中，将、在密闭容器中，将NO2加热到某温度时，可进加热到某温度时，可进行如下反应：行如下反应：2NO2 2NO+O2，在平衡时各物质在平衡时各物质的浓度分别是：的浓度分别是：NO2=0.06mol/L, NO=0.24mol/L,O2=0.12mol/L.试求：试求：（1）该温度下反应的）该温度下反应的平衡常数。平衡常数

24、。（2）开始时）开始时NO2的浓度。的浓度。（3） NO2的转化率。的转化率。K=1.92 molL-1C0(NO2)=0.3 molL-1(NO2)= 80 反应反应SO2(g)+ NO2(g) SO3(g)+NO(g) ,若在一定若在一定温度下，将物质的量浓度均为温度下，将物质的量浓度均为2mol/L的的SO2(g)和和NO2(g)注入一密闭容器中，当达到平衡状态时，测得容器中注入一密闭容器中，当达到平衡状态时，测得容器中SO2(g)的转化率为的转化率为50%，试求：在该温度下。，试求：在该温度下。（1）此反应的平衡常数。）此反应的平衡常数。（2）若）若SO2(g)的初始浓度增大到的初始浓

25、度增大到3mol/L, NO2(g)的初始的初始浓度仍为浓度仍为2mol/L，则，则SO2(g)的转化率变为多少？的转化率变为多少？【例例2】x x x xSO2(g)+ NO2(g) SO3(g)+NO(g)解：解：平衡浓度平衡浓度/molL-1初始浓度初始浓度/molL-1 2 2 0 0变化量变化量/molL-1= 50 (SO2)= x 2100X=11 1 1 11 1 1 11（2） SO2的转化率为的转化率为40%平衡浓度平衡浓度/molL-1初始浓度初始浓度/molL-1 3 2 0 0变化量变化量/molL-1x x x x3-x 2-x x xK = SO3SO2 NO2N

26、O=(3-x)(2-x)(2-x) x2=1X=1.2K = SO3SO2 NO2NO=（1）练习练习2：在某温度下，将：在某温度下，将H2(g)和和I2(g)各各0.1mol混合物混合物充入充入10L的密闭容器中，充分反应达到平衡时，测得的密闭容器中，充分反应达到平衡时，测得H2=0.0080mol/L，求：，求：(1)反应的平衡常数反应的平衡常数(2)其它条件不变，充入的其它条件不变，充入的H2(g)和和I2(g)各各0.2mol,求达求达平衡时各物质的平衡浓度。平衡时各物质的平衡浓度。K=0.25H2=0.016molL-1I2=0.016molL-1HI=0.008molL-1 120

27、0 1200时测得反应时测得反应H H2 2(g)+CO(g)+CO2 2(g) H(g) H2 2O(g)+CO(g)O(g)+CO(g)的平衡常数的平衡常数K K为为2.252.25。若反应从。若反应从H H2 2(g)(g)和和COCO2 2(g)(g)开始，开始，且且H H2 2(g)(g)和和COCO2 2(g)(g)的初始浓度均为的初始浓度均为0.0100molL0.0100molL-1-1时，时，计算各物质的平衡浓度及计算各物质的平衡浓度及H H2 2和和COCO2 2的平衡转化率。的平衡转化率。反馈练习反馈练习答案：答案：H2=0.004molL-1CO2= 0.004molL

28、-1CO= 0.006molL-1H2O= 0.006molL-1(H2)=60%(CO2)=60%2.25=X20.01-X21.5(0.01-X)=XX=0.006 1200反应反应H H2 2(g)+CO(g)+CO2 2(g) H(g) H2 2O(g)+CO(g)O(g)+CO(g)的不的不同反应物浓度及相应的平衡转化率同反应物浓度及相应的平衡转化率初始浓度初始浓度/molL/molL-1-1平衡转化率平衡转化率/%/%C(H2)C(CO2)a(H2)a(CO2)A0.01000.010060.060.0B0.01200.01005465C0.00800.01006653交流交流 研

29、讨研讨 仔细观察，当仔细观察，当H2的初始浓度改变时，对的初始浓度改变时，对CO2和它本和它本身的转化率有什么影响？身的转化率有什么影响？1 1、提高一种反应物在反应物中的比例，可使、提高一种反应物在反应物中的比例，可使另一种反应物的转化率升高，而本身的转化另一种反应物的转化率升高，而本身的转化率降低。率降低。交流研讨交流研讨 结结 论论2 2、当两种反应物的物质的量之比等于系、当两种反应物的物质的量之比等于系数之比时，二者的转化率相同。数之比时，二者的转化率相同。注：温度一定时，对于一个化学反应，平衡常数虽然注：温度一定时，对于一个化学反应，平衡常数虽然一定，一定，但不同的反应物的平衡转化率可能不同但不同的反应物的平衡转化率可能不同。不能。不能脱离具体的反应物谈平衡转化率。脱离具体的反应物谈平衡转化率。请回答下列问题：（1）实验隐含的反应条件是_（2）写出该反应的平衡常数表达式：K=_。 该反应是_（填“吸”或“放”）热反应。 1 某条件下，在2L密闭容器中发生如下反应: 2NO2（g） 2NO（g）O2（g）。在三种不同条件下进行，其中实验、都在800，实验在850，NO、O2的起始浓度都为0，NO2的浓度（molL1）随时间（min）的变化如图所示。使用了催化剂使用了催化剂NO2O2/NO22吸热吸热练一练练一练 2