化学课件化学平衡常数 平衡转化率

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化学平衡状态时,_______浓度的化学计量数次幂之积与_______浓度的化学计量数次幂之积的比值,用符号K表示。2.表达式:以化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+d

D(g)为例:K=______________,单位:(mol·L-1)(c+d)-(a+b)。必备知识·素养奠基生成物反应物3.意义:平衡常数的大小反映化学反应可能进行的_____;当_____时,该反应进行得就基本完全了。4.影响因素:程度K>1055.应用:(1)判断反应可能进行的程度。K值<10-510-5～105>105反应程度___________________________很难进行反应可逆进行完全(2)判断反应是否达到平衡状态。对化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)的任意状态有浓度商:Q=Q与K的大小反应状态v(正)与v(逆)Q>K反应_____进行v(正)__v(逆)Q=K反应达到_________v(正)__v(逆)Q<K反应_____进行v(正)__v(逆)逆向<平衡状态=正向>(3)判断反应的热效应。温度变化K值变化正反应的热效应升高增大___热(ΔH>0)减小___热(ΔH<0)降低增大___热(ΔH<0)减小___热(ΔH>0)吸放放吸【做一做】

写出下列各反应的平衡常数表达式:(1)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)(2)3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)(3)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)提示:(1)K=(2)K=(3)K=

【巧判断】(1)在平衡常数表达式中,反应物浓度用起始浓度,生成物浓度用平衡浓度 (

)提示:×。平衡常数的表达式中反应物和生成物的浓度均用的是平衡浓度。(2)升高温度,K值增大,则正反应为放热反应 (

)提示:×。放热反应的平衡常数随温度的升高而降低。(3)平衡常数的大小只与温度有关,而与浓度、压强、催化剂等无关 (

)提示:√。平衡常数只与温度有关。(4)从平衡常数的大小可以推断一个反应的进行程度 (

)提示:√。可以用平衡常数定量描述一个可逆反应进行的程度。二、平衡转化率1.表达式:对于化学反应aA+bB

cC+dD,反应物A的平衡转化率为α(A)=平衡转化率也可表示为α(A)=×100%=×100%。2.规律:(1)同一反应的不同反应物,其转化率可能不同;当按照化学计量数之比投入反应物时,反应物转化率相同。(2)多种反应物参加反应时,提高一种反应物的浓度,可以_____其他反应物的转化率,而该反应物本身的转化率会_____。提高降低【做一做】

25℃时,密闭容器中A、B、C三种气体的初始浓度和平衡浓度如下表:物质ABC初始浓度/mol·L-1230平衡浓度/mol·L-11.51.51则A的平衡转化率为____,B的平衡转化率为____。提示:αA=×100%=25%,αB=×100%=50%。25%50%关键能力·素养形成知识点一化学平衡状态的判断【重点释疑】1.判断依据(满足其一即可):(1)正反应速率与逆反应速率相等,v(正)=v(逆)≠0。①对同一物质,该物质的生成速率等于它的消耗速率;②对不同物质,速率之比等于方程式中的化学计量数之比,但必须是不同方向的速率。(2)反应混合物中各组分的百分含量保持不变。

2.判断方法——“逆向相等,变量不变”:(1)“逆向相等”:反应速率必须一个是正反应的速率,一个是逆反应的速率,且经过换算后同一种物质的减少速率和生成速率相等。(2)“变量不变”:如果一个量是随反应进行而改变的,当不变时为平衡状态;一个随反应的进行保持不变的量,不能作为是否是平衡状态的判断依据。3.常见变量归纳:项目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浓度一定平衡②各物质的质量或质量分数一定平衡③各气体的体积或体积分数一定平衡④总体积、总压强、总物质的量一定不一定平衡压强①若m+n≠p+q时,总压强一定(其他条件一定)平衡②m+n=p+q时,总压强一定(其他条件一定)不一定平衡项目mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡混合气体的平均相对分子质量()①一定,当m+n≠p+q时平衡②一定,当m+n=p+q时不一定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,其他不变平衡密度(ρ)体系的密度一定不一定平衡其他如体系颜色不再变化(当气体均无色时除外)平衡【思考·讨论】

(1)当一个可逆反应达到平衡时,各物质的浓度保持不变,这时反应停止了吗?提示:没有停止,此时v正=v逆≠0。(2)在化学平衡的反应中,如何理解正逆反应速率相等?(以N2+3H22NH3为例)提示:正、逆反应速率相等针对同一物质来说:如N2,正反应消耗N2的速率与逆反应生成N2的速率相等。(3)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,压强不变不能作为判据。

(4)若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,若可逆反应前后都是气体,且体系容积不变、密度始终不变,不能作为判据。【案例示范】【典例】(2020·日照高二检测)可逆反应:2NO22NO+O2在恒容的密闭容器中进行,达到平衡状态的标志是 (

)①单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO③用NO2、NO、O2表示的反应速率的比为2∶2∶1的状态④混合气体的颜色不再改变的状态⑤混合气体的密度不再改变的状态⑥混合气体的压强不再改变的状态⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态A.①④⑥⑦

B.②③⑤⑦C.①③④⑤ D.全部【思维建模】判断可逆反应是否达到平衡状态的思路如下:【解析】选A。依据v正=v逆≠0判断:①单位时间内生成nmolO2的同时必消耗2nmolNO2,①能说明反应已达到平衡;②描述的均是正反应速率,无法判断;③无论反应是否达到平衡,均有此关系;依据组成一定判断:④NO2(红棕色)为有颜色的气体,颜色不变能说明反应体系中NO2浓度一定,反应已达到平衡;⑤因ρ=,反应前后,m、V均不变,ρ也不变,不能说明反应达到平衡;这是一个反应前后气体分子数发生改变的反应,⑥⑦均能说明反应已达平衡。【规律方法】“两步法”突破化学平衡状态标志的判断(1)审题干条件:一审外界条件是恒温恒容还是恒温恒压;二审反应特点:①全部是气体参与的等体积反应还是非等体积反应;②有固体参与的等体积反应还是非等体积反应。(2)找准“变量”,所用标志必须随着反应的进行在改变,当“变量不变”了,也就是变量一定了,说明达到了平衡。【迁移·应用】1.(2020·成都高二检测)在恒温恒容的密闭体系中,可逆反应:A(s)+2B(g)2C(g)

ΔH<0,不能作为该反应达到化学平衡的标志的是 (

)①v正(B)=v逆(C)②n(B)∶n(C)=1∶1③容器内压强不再改变④容器内气体的密度不再改变⑤容器内混合气体的平均相对分子质量不再改变A.②④⑤ B.②③ C.①③④ D.①②③④⑤【解析】选B。①当某反应物的正反应速率与某生成物的逆反应速率之比等于系数之比时,可推出v(正)=v(逆),即反应达到平衡状态;②当反应物与生成物的物质的量之比等于系数之比时,无法确定v(正)与v(逆)的关系,也无法判断是否达到平衡状态;③该反应ΔV=0,不管是否达到平衡状态,压强均不变;④、⑤由于A为固体,当平衡发生移动时,恒容条件下气体的质量发生改变,气体的密度及平均相对分子质量都发生相应的改变,当气体的密度及平均相对分子质量不再改变时说明反应达到平衡。2.(2020·福州高二检测)在一定条件下能说明2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的是 (

)①温度和体积一定,某一物质的浓度不再变化时②温度和体积一定,容器内压强不再变化时③条件一定,混合气体的平均相对分子质量不再变化时④温度和体积一定,混合气体的颜色不再变化时⑤温度和压强一定,混合气体的密度不再变化时A.①②③ B.②③C.④⑤ D.①②③④⑤【解析】选D。①只要有一种物质的浓度变化必然会导致另外的物质的浓度发生变化,因此只要有一种物质(固体或纯液体除外)浓度不变,其他物质的浓度也不会变化。②该反应是反应前后气体体积发生改变的反应,所以当随着反应的进行压强不变时,可以用来判断反应达到了平衡状态。③平衡混合物的平均相对分子质量

,反应体系的总质量不变,n总也不变,即NO2、N2O4的物质的量也不再变化。④反应体系的颜色由NO2的浓度决定,颜色不变意味着NO2的浓度不变,是平衡状态的标志。⑤温度、压强不变,气体的总质量不变,若密度不变意味着体积不再变化,即各组分的物质的量不再变化,是平衡状态的标志。【素养提升】氢是宇宙中分布最广泛的物质,它构成了宇宙质量的75%,因此氢能被称为人类的终极能源。氢气是一种绿色能源,又是一种重要的化工原料。如何将水中的氢释放出来是目前氢能研究的重要课题。以生物材质(以C计)与水蒸气反应制取H2是一种低耗能、高效率的制H2方法。该方法由气化炉制造H2和燃烧炉再生CaO两步构成。气化炉中涉及的反应为:Ⅰ.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)

K1;Ⅱ.CO(g)+H2O(g)

CO2(g)+H2(g)

K2;Ⅲ.CaO(s)+CO2(g)CaCO3(s)

K3;(1)该工艺制H2总反应可表示为C(s)+2H2O(g)+CaO(s)CaCO3(s)+2H2(g),用K1、K2、K3的代数式表示此反应的平衡常数K。提示:已知:Ⅰ:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)

K1,Ⅱ:CO(g)+H2O(g)====CO2(g)+H2(g)

K2,Ⅲ:CaO(s)+CO2(g)CaCO3(s)

K3,反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之和为反应C(s)+2H2O(g)+CaO(s)CaCO3(s)+2H2(g),则K=K1·K2·K3。(2)在2L的密闭容器中加入一定量的C(s)、H2O(g)和CaO(s)。下列说法能否说明制H2总反应达到平衡状态?①容器内混合物的质量不变②H2与H2O(g)的物质的量之比不再变化③混合气体的密度不再变化④形成amolH—H键的同时断裂2amolH—O键提示:①根据质量守恒定律,容器内混合物的质量始终不变,不能判断达到平衡状态;②H2与H2O(g)的物质的量之比不再变化,说明正逆反应速率相等,能够判断达到了平衡状态;③C(s)为固体,反应后气体的质量减小,容器的体积不变,则混合气体的密度不再变化,能够判断达到了平衡状态;④形成amolH—H键的同时断裂2amolH—O键描述的都是正反应速率,不能判断达到了平衡状态。(3)对于反应Ⅰ,不同温度和压强对H2产率影响如下表。压强温度p1/MPap2/MPa500℃45.6%51.3%700℃67.8%71.6%某同学结合上述表格中的数据就反应Ⅰ画出下列图象,请你分析图象是否正确?提示:根据反应Ⅰ.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)

K1;相同温度条件下,减小压强,平衡正向移动,氢气的产率增大,因此p1>p2;减小压强,平衡正向移动,图象①错误;根据表格数据,升高温度,氢气的产率增大,说明平衡正向移动,图象②正确;升高温度,平衡正向移动,水的含量减少,减小压强,平衡正向移动,水的含量减少,图象③错误;升高温度,平衡正向移动,平衡常数增大,图象④正确。(4)对于反应Ⅲ,若平衡时再充入CO2,使其浓度增大到原来的2倍,判断平衡移动的方向;当重新平衡后,CO2浓度怎么变化?提示:反应Ⅲ.CaO(s)+CO2(g)CaCO3(s),平衡常数K3=,若平衡时再充入CO2,使其浓度增大到原来的2倍,即c(CO2)=2c平(CO2)此时Q=K3<K3,因此平衡正向移动;温度不变,平衡常数不变,K3=不变,则重新平衡后,CO2浓度不变。知识点二有关化学平衡常数和转化率的计算【重点释疑】1.分析三个量:即起始量、变化量、平衡量。2.明确三个关系:(1)对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量。(2)对于同一生成物,起始量+变化量=平衡量。(3)各变化量之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比。3.掌握一种方法——“三段式法”:化学平衡计算模式:对于反应:mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量(mol)分别为a、b,达到平衡后,A的消耗量为mx,容器容积为VL。

mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)起始(mol) a b 0 0转化(mol) mx

nx

px

qx平衡(mol) a-mx

b-nx

px

qx建立等式求解:①K=②c平(A)=mol·L-1。③α(A)平=×100%,α(A)∶α(B)=。④φ(A)=×100%。⑤

⑥g·L-1。⑦g·mol-1。【思考·讨论】(1)反应H2(g)+I2(g)2HI(g)的平衡常数是K,则反应2HI(g)H2(g)+I2(g)的平衡常数为多少?反应H2(g)+I2(g)HI(g)的平衡常数为多少?提示:反应2HI(g)H2(g)+I2(g)的平衡常数为,H2(g)+I2(g)

HI(g)的平衡常数为。

(2)已知在密闭容器中发生可逆反应:M(g)+N(g)P(g)+Q(g)

ΔH>0。①某温度下,反应物的起始浓度分别为c(M)=2mol·L-1,c(N)=4.8mol·L-1。若达到平衡后,M的转化率为60%,此时N的转化率为多少?提示:N的转化率=×100%=25%。②某温度下,反应物的起始浓度分别为c(M)=2mol·L-1,c(N)=2mol·L-1。若达到平衡后,M的转化率为60%,此时N的转化率为多少?提示:60%。【案例示范】【典例】(2020·揭阳高二检测)化学反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)是硫酸制造工业的基本反应,若在一定温度下,将0.1mol的SO2(g)和0.06molO2(g)注入体积为2L的密闭容器中,当达到平衡状态时,测得容器中有0.08molSO3(g),则在该温度下:(1)此反应的平衡常数为____________。

(2)SO2(g)和O2(g)的平衡转化率为____________,____________。

【思维建模】解答化学平衡的相关计算流程如下:【解析】(1)

2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)初始浓度/(mol·L-1) 0.050 0.030 0转化浓度/(mol·L-1) 0.040 0.020 0.040平衡浓度/(mol·L-1) 0.010 0.010 0.040K==1600mol-1·L。(2)α(SO2)=×100%=80%;α(O2)=×100%≈66.7%。答案:(1)1600mol-1·L

(2)80%

66.7%【迁移·应用】1.(2020·柳州高二检测)在容积为1L的密闭容器中,将CO和水蒸气的混合气体加热到800℃时,有下列平衡CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),且K=1,若用2molCO和10molH2O(g)相互混合并加热到800℃,则CO的转化率为(

)A.16.7%

B.50%

C.66.7%

D.83.3%【解析】选D。在一定温度下,K是定值。

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)初始浓度/(mol·L-1) 2 10 0 0转化浓度/(mol·L-1) a a a a平衡浓度/(mol·L-1) 2-a 10-a a a则K==1解得a=故CO的转化率为×100%=83.3%。2.(2020·清远高二检测)在某温度下,将H2和I2各0.10mol的气态混合物充入10L的密闭容器中,充分反应,达到平衡后,测得c平(H2)=0.0080mol·L-1。(1)求该反应的平衡常数K。(2)在上述温度下,该容器中若通入H2和I2蒸气各0.20mol,试求达到化学平衡状态时各物质的物质的量浓度。【解析】(1)根据题意知:

H2(g)

+

I2(g)

2HI(g)初始浓度/(mol·L-1) 0.010 0.010 0转化浓度/(mol·L-1) 0.0020 0.002 0 0.0040平衡浓度/(mol·L-1) 0.0080 0.008 0 0.0040K==0.25(2)设转化的H2的物质的量浓度为x。依据题意知:

H2(g)

+

I2(g)

2HI(g)初始浓度/(mol·L-1) 0.020 0.020 0转化浓度/(mol·L-1) x x 2x平衡浓度/(mol·L-1) 0.020-x 0.020-x 2x由于温度不变,K不变,则有:K==0.25解得x=0.0040mol·L-1平衡时c平(H2)=c平(I2)=0.016mol·L-1,c平(HI)=0.0080mol·L-1。答案:(1)该反应的平衡常数K为0.25。(2)达到平衡状态时,c平(H2)=c平(I2)=0.016mol·L-1,c平(HI)=0.0080mol·L-1。【课堂回眸】课堂检测·素养达标1.(2020·周口高二检测)一定温度下某容积不变的密闭容器中,可逆反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)可建立平衡状态。下列状态中不能确定该反应已达到平衡状态的是 (

)A.体系的压强不再发生变化B.v正(CO)=v逆(H2O)C.生成nmolCO的同时生成nmolH2D.1molH—H键断裂的同时断裂2molH—O键【解析】选C。不论反应是否达到平衡状态,生成nmolCO的同时都会生成nmolH2。2.(2020·牡丹江高二检测)对于反应3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)的平衡常数,下列说法正确的是 (

)A.K=B.K=C.增大c(H2O)或减小c(H2),会使该反应平衡常数减小D.改变反应的温度,平衡常数不一定变化【解析】选B。固体反应物或生成物,其浓度可看作1,在平衡常数表达式中不写,故A项错误,B项正确;化学平衡常数只与温度有关,而与反应物、生成物的浓度无关,故增大c(H2O)或减小c(H2),该反应的平衡常数不变,但温度改变,平衡常数一定改变,故C、D项错误。3.(2020·潍坊高二检测)等物质的量的X(g)与Y(g)在密闭容器中进行可逆反应:X(g)+Y(g)2Z(g)+W(s)

ΔH<0,下列叙述正确的是 (

)A.达到平衡时,X、Y的平衡转化率不同B.升高温度,平衡常数K值增大C.平衡常数K值越大,X的转化率越大D.达到平衡时,反应速率v正(X)=2v逆(Z)【解析】选C。A项,X与Y起始时物质的量相等,转化物质的量之比=方程式化学计量数之比,故平衡时α(X)=α(Y),错误;B项,该反应ΔH<0,即放热反应,升高温度K值减小,错误;C项,K值越大,反应进行程度即X的转化率越大,正确;D项,平衡时,v正(X)=v逆(Z),错误。4.(2020·永州高二检测)已知某温度下可逆反应:M(g)+N(g)P(g)+Q(g),反应物的初始浓度分别为c0(M)=1mol·L-1,c0(N)=2.4mol·L-1;达到平衡后,M的平衡转化率为60%,则此时平衡常数K的数值为 世纪金榜导学号

(

)A.0.25

B.0.5

C.1

D.2【解析】选B。M(g)+ N(g)P(g)+Q(g)初始浓度/(mol·L-1) 1 2.4 0 0转化浓度/(mol·L-1) 0.6 0.6

0.6

0.6平衡浓度/(mol·L-1) 0.4 1.8 0.6 0.6K==0.5。5.(2020·襄阳高二检测)某温度下,H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)的平衡常数K=。该温度下在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中,投入H2(g)和CO2(g),其起始浓度如表所示。起始浓度甲乙丙c(H2)/(mol·L-1)0.0100.0200.020c(CO2)/(mol·L-1)0.0100.0100.020下列判断不正确的是 (

)A.平衡时,乙中CO2的转化率大于60%B.