新教材2023-2024学年高中化学第2章化学反应的方向限度与速率第2节化学反应的限度第1课时化学平衡常数平衡转化率课件鲁科版选择性必修1

第2章化学反应的方向、限度与速率第2节第1课时化学平衡常数平衡转化率素养目标1.知道可逆反应在一定条件下达平衡状态,能判断化学反应是否达到平衡状态,从而形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。2.能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的计算,形成证据推理与模型认知的学科核心素养。3.能利用平衡常数和浓度商判断平衡移动的方向,形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升目录索引

基础落实•必备知识全过关必备知识一、化学平衡常数1.定义:在一定温度下,当一个可逆反应达到平衡状态时,反应产物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,这个常数就是该反应的化学平衡常数(简称平衡常数),用K表示。2.表达式

3.意义:K值越大,表示反应进行的程度越大,反应物转化率越大。一般地,K>105(或106)时,认为该反应进行得较完全了。4.影响因素:平衡常数K只受温度影响,与反应物和反应产物的浓度无关。二、平衡转化率1.定义:平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的物质的量与转化前该反应物的物质的量之比。自我检测判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)平衡常数表达式中,可以是物质的任一浓度。(

)(2)催化剂既能改变速率常数,也能改变化学平衡常数。(

)(3)对于同一可逆反应,升高温度,则化学平衡常数增大。(

)(4)增大反应物的浓度,平衡正向移动,化学平衡常数增大。(

)(5)可逆反应中反应物的转化率不能达到100%。(

)××××√重难探究•能力素养全提升探究一化学平衡状态的判断标志问题探究1.化学反应达到平衡时,反应是否停止了?提示不是。化学平衡是动态平衡,化学反应达到平衡时反应仍在进行,此时正、逆反应速率相等,但是不等于零。2.若反应体系的总压强不变,该可逆反应一定达平衡了吗?提示不一定。对反应前后气体体积相等的反应,压强不变不能作为反应达到平衡的判据。3.若某可逆反应体系的气体密度不变,该可逆反应达平衡了吗?提示不一定。若该可逆反应体系中的物质都是气体,且容器的容积不变,则密度始终不变,因此密度不变不能作为反应达到平衡的判据。归纳拓展化学平衡状态的判断

化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡混合物体系中各成分的含量①各物质的物质的量或物质的量分数一定是②各物质的质量或质量分数一定是③各气体的体积或体积分数一定是④总体积、总压强、总物质的量一定不一定化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡正、逆反应速率之间的关系①单位时间内消耗了mmolA,同时也生成了mmolA是②单位时间内消耗了nmolB,同时也消耗了pmolC是③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q不一定④单位时间内生成了nmolB,同时也消耗了qmolD不一定压强①其他条件一定、总压强一定,且m+n≠p+q是②其他条件一定、总压强一定,且m+n=p+q不一定混合气体的平均相对分子质量①平均相对分子质量一定,且m+n≠p+q是②平均相对分子质量一定,且m+n=p+q不一定化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡温度任何化学反应都伴随着能量变化,当体系温度一定时是气体密度(ρ)①只有气体参加的反应,密度保持不变(恒容密闭容器中)不一定②m+n≠p+q时,密度保持不变(恒压容器中)是③m+n=p+q时,密度保持不变(恒压容器中)不一定颜色反应体系内有色物质的颜色稳定不变(其他条件不变)是应用体验视角1可逆反应的理解1.在下列反应CO+H2O

CO2+H2中,加入C18O后,则18O(

)A.只存在于CO和CO2中B.存在于CO、H2O、CO2中C.只存在于CO中D.存在于CO、H2O、CO2、H2中B解析

加入C18O后,反应后18O会进入CO2,可逆反应逆向进行,18O可能进入H2O或CO,故18O存在于CO、H2O、CO2中,故答案为B。2.一定条件下,起始浓度依次为0.4mol·L-1、0.6mol·L-1、0.9mol·L-1的SO2、O2、SO3,发生反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),反应达到平衡时下列数据合理的是(

)A.c平(SO3)=1.3mol·L-1B.c平(O2)=1.1mol·L-1C.c平(SO2)+c平(SO3)=1.2mol·L-1D.c平(O2)+c平(SO2)+c平(SO3)=1.9mol·L-1D解析

假设反应正向进行,设O2的转化浓度为a

mol·

L-1,三段式为

2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)起始量/(mol·L-1)

0.4

0.6

0.9转化量/(mol·L-1)

2a

a

2a平衡量/(mol·L-1)

0.4-2a

0.6-a

0.9+2a其中0.4-2a>0,0.9+2a>0,即-0.45<a<0.2。c平(SO3)=0.9+2a<1.3

mol·

L-1,A错误;c平(O2)=0.6-a<1.05

mol·

L-1,B错误;根据硫原子守恒,c平(SO2)+c平(SO3)=1.3

mol·

L-1,C错误;若加入起始浓度的各种物质之后刚好达到平衡状态,则c平(O2)+c平(SO2)+c平(SO3)=1.9

mol·

L-1,D正确。方法点拨

可逆反应中判断物质浓度范围的方法由于可逆反应中存在反应的限度,在判断反应物或生成物浓度(或物质的量)范围时,常用极端假设的方法,即“一边倒”,假设全部转化为反应物,可以确定反应物浓度的最大值、生成物浓度的最小值;假设全部转化为生成物,可以确定反应物浓度的最小值、生成物浓度的最大值,从而确定反应物或生成物浓度的取值范围。视角2化学平衡状态的判断3.下列标志可表明对应反应达到平衡状态的是(

)选项反应条件可逆反应标志A恒温恒容H2(g)+I2(g)

2HI(g)混合气体的密度不变B恒温恒容2NO(g)+O2(g)2NO2(g)混合气体颜色不变C恒温恒压NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)NH3在混合气体中的百分含量不变D恒温恒压2NO2(g)N2O4(g)c平(NO2)=2c平(N2O4)B解析

反应前后混合气体的质量和容器容积均是不变的,混合气体的密度一直不变,所以不一定是平衡状态,A错误。NO2为红棕色气体,容器内混合气体的颜色不变,则NO2浓度不变,化学反应达到平衡状态,B正确。反应中生成的NH3和CO2物质的量之比始终为2∶1,故NH3在混合气体中的百分含量始终保持不变,无法判断反应是否达到平衡状态,C错误。c平(NO2)=2c平(N2O4),无法判断正、逆反应速率相等,故无法判断化学反应是否达到平衡状态,D错误。4.在一定温度下,容积一定的密闭容器中发生反应A(s)+2B(g)C(g)+D(g),当下列物理量不再发生变化时,表明反应已达平衡的是(

)①混合气体的密度②混合气体的压强③B的物质的量浓度④混合气体的总物质的量A.只有①②

B.只有②③C.只有①③

D.只有①④C解析

①该容器的容积保持不变,根据质量守恒定律知,反应前后混合气体的质量会变,所以容器内气体的密度会变,当容器中气体的密度不再发生变化时,能表明达到化学平衡状态,故正确;②该反应是反应前后气体体积没有变化的反应,容器中的压强始终不发生变化,所以压强不变不能证明达到了平衡状态,故错误;③B的物质的量浓度不变是平衡状态的特征之一,此时能证明达到了平衡状态,故正确;④该反应是一个反应前后气体体积不变的可逆反应,无论该反应是否达到平衡状态,混合气体的总物质的量都不变,所以不能据此判断反应是否达到平衡状态,故错误。规律方法

判断化学平衡状态的方法——“正逆相等,变量不变”5.一定条件下的密闭容器中,可逆反应2A(g)

B(g)+3C(g)在下列四种状态中处于平衡状态的是(

)D解析

根据v正(A)=2

mol·

L-1·min-1,可得v正(B)=1

mol·

L-1·min-1,而v逆(B)=2

mol·

L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故A错误;根据v正(A)=1

mol·

L-1·min-1,可得v正(B)=0.5

mol·

L-1·min-1,而v逆(B)=1.5

mol·

L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故B错误;根据v正(A)=2

mol·

L-1·min-1,可得v正(C)=3

mol·

L-1·min-1,而v逆(C)=1.5

mol·

L-1·min-1时,正、逆反应速率不相等,故未处于平衡状态,故C错误;v正(A)=2

mol·

L-1·min-1,v逆(A)=2

mol·

L-1·min-1,正、逆反应速率相等,故处于平衡状态,故D正确。6.(2023福建泉州高二期末统考)已知:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)

ΔH<0,一定条件下CO与H2O(g)反应的v-t图像如下。30min、40min时分别只改变一个条件。下列说法错误的是(

)A.30min时,降低体系压强B.40min时,增加CO2或H2的浓度C.平衡常数:K(X)=K(Y)D.CO转化率:α(X)<α(Y)D解析

由题干图像可知,30

min时改变条件后,正、逆反应速率同等幅度地减小,平衡不移动,根据反应前后气体的体积未改变可知,该条件为降低体系压强或使用负催化剂,A正确;由题干图像可知,40

min时改变条件后,逆反应速率突然增大,而后正反应速率逐渐增大,故该条件为增大生成物浓度即增加CO2或H2的浓度,B正确;由A、B分析可知,30

min和40

min时均未改变反应容器的温度,温度不变,平衡常数不变,故平衡常数:K(X)=K(Y),C正确;由A、B分析可知,30

min时改变条件平衡不移动,而40

min时改变条件后平衡逆向移动,CO的转化率减小,即CO转化率:α(X)>α(Y),D错误。探究二化学平衡常数表达式的书写与应用问题探究化学平衡常数与化学方程式书写形式有什么关系?提示

(1)正、逆反应的平衡常数互为倒数。(2)若化学方程式中各物质的化学式前的系数都扩大至原来的n倍,则化学平衡常数变为原来的n次幂。(3)两个化学方程式相加得到新的化学方程式,新化学方程式对应反应的化学平衡常数是原来两个化学方程式对应反应平衡常数的乘积。归纳拓展1.化学平衡常数表达式的书写及注意事项

(2)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数,化学反应方向改变或化学式前的系数改变,化学平衡常数均发生改变。举例如下:(3)注意事项。①K值越大,反应物的转化率越高,正反应进行的程度越大。②K只受温度影响,与反应物或反应产物的浓度变化无关。③催化剂能加快化学反应速率,但对化学平衡常数无影响。2.化学平衡常数的应用(1)判断可逆反应进行的程度。K值大,说明反应进行的程度大,反应物的转化率高;K值小,说明反应进行的程度小,反应物的转化率低。(2)判断化学反应进行的方向。

Q<K反应向正反应方向进行,v(正)>v(逆)Q=K反应处于化学平衡状态,v(正)=v(逆)Q>K反应向逆反应方向进行,v(正)<v(逆)(3)判断可逆反应的热效应。

应用体验视角1平衡常数表达式的书写C解析

平衡常数等于生成物浓度的幂次方乘积除以反应物的幂次方乘积;注意固体和纯液体不写在计算式中,则该反应的化学平衡常数

,答案选C。视角2平衡常数与反应的关系

A视角3平衡常数的计算与应用3.(判断反应进行的程度)化学平衡常数K的数值大小是衡量化学反应进行程度的标志,在常温下,下列反应的平衡常数的数值如下:以下说法正确的是(

)A.常温下,NO分解产生O2的反应的平衡常数表达式为K1=c平(N2)·c平(O2)B.常温下,2H2O(g)═2H2(g)+O2(g),此时平衡常数的数值约为5×10-82C.常温下,NO、H2O、CO2三种物质分解放出O2的倾向由大到小的顺序为H2O>NO>CO2D.常温下,NO分解产生O2的反应进行的程度很大,因此NO不会造成大气污染BB5.在一定温度下,在1L的密闭容器中发生反应:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),平衡时测得C、H2O、CO、H2的物质的量都为0.1mol。(1)该反应的平衡常数K=

。

(2)若升高平衡体系的温度,该反应的平衡常数会增大,则该反应的ΔH

(填“>”或“<”)0。

(3)相同条件下,向该密闭容器中充入各物质的起始量如下:①均为0.2mol,

②C(s)、H2O均为0.2mol,CO、H2均为0.1mol,判断该反应进行的方向:①

,②

。

0.1mol·L-1>向逆反应方向进行

向正反应方向进行

(2)升高温度平衡常数增大,说明平衡向右移动,则正反应为吸热反应,ΔH>0。6.在一定容积的密闭容器中,进行如下化学反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数K和温度T的关系如表所示:T/℃70080083010001200K0.60.91.01.72.6回答下列问题:(1)该反应的化学平衡常数表达式为K=

。

(2)该反应为

(填“吸热”或“放热”)反应。

(3)某温度下,平衡浓度符合下式:c平(CO2)·c平(H2)=c平(CO)·c平(H2O),试判断此时的温度为

℃。

(4)在800℃时,发生上述反应,某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)=2mol·L-1,c(H2)=1.5mol·L-1,c(CO)=1mol·L-1,c(H2O)=3mol·L-1,则正、逆反应速率的比较为v(正)

(填“>”“<”或“=”)v(逆)。

吸热

830<解析(2)由题给数据可得,温度越高,K值越大,说明升温时平衡正向移动,则正向反应为吸热反应。(3)由题意可得该温度下的平衡常数K=1,根据表中数据可知该温度为830

℃。探究三“三段式”突破平衡常数(K)、转化率的相关计算问题探究已知在密闭容器中发生可逆反应:M(g)+N(g)P(g)+Q(g)

ΔH>0。某温度下,反应物的初始浓度分别为:c始(M)=2mol·L-1,c始(N)=4.8mol·L-1。1.若达到平衡后,M的转化率为60%,此时N的转化率为多少?该反应的平衡常数为多少?2.若升高反应温度,该反应的平衡移动吗?M的转化率变化吗?若在温度不变时加入一定量的N,M的转化率变化吗?K如何变化?提示

该反应为吸热反应,升高温度,化学平衡向正反应方向移动,M的转化率增大;若温度不变时加入一定量的N,化学平衡向正反应方向移动,M的转化率增大,K不变。归纳拓展1.常用解题模式——“三段式”2.明确三个量的关系(1)三个量:起始量、变化量、平衡量。(2)三个关系:①对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量。②对于同一反应产物,起始量+变化量=平衡量。③各物质的转化量之比等于化学方程式中各物质的化学式前面的系数之比。3.掌握四个公式

应用体验1.氢气是一种清洁能源。可由CO和水蒸气反应制备,其能量变化如下图所示。(1)上述反应为可逆反应。在800℃时,若CO的起始浓度为2.0mol·L-1,水蒸气的起始浓度为3.0mol·L-1,达到化学平衡状态后,测得CO2的浓度为1.2mol·L-1,则此反应的平衡常数为

,随着温度升高,该反应的化学平衡常数的变化趋势是

。

1减小解析

根据“三段式”分析:

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)初始浓度/(mol·L-1)

2.0

3.0

0

0转化浓度/(mol·L-1)

1.2

1.2

1.2

1.2平衡浓度/(mol·L-1)

0.8

1.8

1.2

1.2由于该反应为放热反应,升高温度时平衡常数减小。

(2)某温度下,上述反应的平衡常数为K=。该温度下在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中投入H2O(g)和CO(g),其起始浓度如下表所示。下列判断不正确的是

(填字母)。

起始浓度甲乙丙c始(H2O)/(mol·L-1)0.0100.0200.020c始(CO)/(mol·L-1)0.0100.0100.020A.反应开始时,丙中的反应速率最快,甲中的反应速率最慢B.平衡时,甲中和丙中H2O的转化率均是25%C.平衡时,丙中c平(CO2)是甲中的2倍,是0.015mol·L-1D.平衡时,乙中H2O的转化率大于25%CD解析

甲容器中反应物的浓度最小,丙容器中反应物的浓度最大,A正确;设平衡时甲中H2O的转化率为x,

CO

+

H2O

CO2+

H2初始浓度/(mol·L-1)

0.01

0.01

0

0转化浓度/(mol·L-1)

0.01x

0.01x

0.01x

0.01x平衡浓度/(mol·L-1)

0.01(1-x)

0.01(1-x)

0.01x

0.01x丙相当于甲中压强增大一倍,平衡不移动,因而丙中H2O的转化率仍为25%,B正确;丙中c平(CO2)=0.01

mol·L-1×25%×2=0.005

mol·L-1,C错误;乙相当于在甲的基础上增大水蒸气的浓度,平衡正向移动,CO的转化率增大,但H2O的转化率减小,因而H2O的转化率小于25%,D错误。【变式设问】通过比较(2)中甲、乙容器中H2O、CO的转化率,你能得出什么结论?提示

经分析α甲(H2O)>α乙(H2O),α甲(CO)<α乙(CO)。结论:两种反应物参加反应时,提高一种反应物的浓度,可以提高另一种反应物的转化率,而该反应物的转化率会降低。规律方法

有关平衡常数(K)、转化率的解题思路(1)巧设未知数:具体题目要具体分析,灵活设立,一般设某物质的转化量为x。(2)确定三个量:列出各物质的起始量、转化量及平衡量。(3)解决各问题:明确了“始”“变”“平”三个量的具体数值,再根据相应关系求平衡时某成分的浓度、反应物的转化率等。2.H2S与CO2在高温下发生反应:H2S(g)+CO2(g)OS(g)+H2O(g)。在610K时,将0.10molCO2与0.40molH2S充入2.5L的空钢瓶中,反应达到平衡后水的物质的量分数为0.02。(1)H2S的平衡转化率α1=

%,该反应平衡常数K=

。

(2)在620K重复实验,平衡后水的物质的量分数为0.03,H2S的转化率α2

α1,该反应的ΔH

(填“>”“<”或“=”)0。

(3)向反应器中再分别充入下列气体,能使H2S转化率增大的是_________

(填字母)。

A.H2S B.CO2C.COS D.N22.52.8×10-3>>B解析

(1)设平衡时转化的H2S的物质的量为x,根据“三段式”分析:

H2S(g)+CO2(g)COS(g)+H2O(g)n(始)/

mol

0.40

0.10

0

0Δn/

mol

x

x

x

xn(平)/

mol

0.40-x

0.10-x

x

x根据题意可得解得:x=0.01

mol。

(2)升高温度后水的物质的量分数增大,H2S的转化率增大,平衡右移,则题给反应是吸热反应,ΔH>0。(3)两种反应物,增大一种反应物浓度,平衡右移,自身转化率减小,另一反应物转化率增大。3.工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g),设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为

。计算:(1)该条件下N2的平衡转化率为

。

(2)该条件下反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常数为

。66.7%0.005mol2·L-2解析设平衡时N2转化的物质的量浓度为x

mol·L-1,根据“三段式”分析:

N2+

3H2

2NH3起始浓度/(mol·L-1)

0.3

0.8

0转化浓度/(mol·L-1)

x

3x

2x平衡浓度/(mol·L-1)

0.3-x

0.8-3x

2x4.已知反应SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g),若在一定温度下,将物质的量浓度均为2mol·L-1的SO2(g)和NO2(g)注入一密闭容器中,当反应达到平衡状态时,测得容器中SO2(g)的转化率为50%,试求:(1)在上述温度下该反应的平衡常数。(2)在上述温度下,若SO2(g)的初始浓度增大到3mol·L-1,NO2(g)的初始浓度仍为2mol·L-1,试求达到新化学平衡时各物质的浓度。答案(1)1

(2)c平(SO3)=c平(NO)=1.2mol·L-1,c平(SO2)=1.8mol·L-1,c平(NO2)=0.8mol·L-1解析(1)设平衡时SO2的浓度为x

mol·L-1,则:

SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)(2)设达新平衡时NO的浓度为y

mol·L-1,则:

SO2(g)+NO2(g)