化学选修4 第二章 第三节 第4课时(化学平衡常数及计算)

第二章化学反应速率和化学平衡第三节化学平衡31一月2024第4课时化学平衡常数及计算固始县第一中学曾关宝【学习目标】1.化学平衡常数的概念;3.运用化学平衡常数进行计算.2.运用化学平衡常数对化学反应进行的程度判断;[复习提问]2.当外界条件改变时,平衡将发生移动,但平衡移动前后是否还有关系呢?1.什么叫化学平衡?化学平衡特征有哪些?化学平衡常数以457.6C时氢气和碘蒸气的反应为例,分析表中的数据,可以发现什么规律?BBBB

【阅读P28-29】。

根据表中数据计算出平衡时的值,并分析其中规律。c(HI)2c(H2)·c(I2)

BBBB

分析小结:

c2(HI)c(H2)·c(I2)是一个定值。即:一定温度下,生成物浓度幂(系数次方)的乘积与反应物浓度幂(系数次方)的乘积之比为一常数。

问题?请大家阅读教材P29页关于平衡常数的定义,并找出其中的关键词。这个常数叫做该反应的化学平衡常数。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,这个常数叫做该反应的化学平衡常数,简称平衡常数(用符号K表示)。起始时各物质的浓度c(mol/L)平衡时各物质的浓度c(mol/L)平衡时COH2OCO2H2COH2OCO2H2000.010.010.0050.0050.0050.005计算平衡常数:

K=1.0

c(CO2)·c(H2)c(CO)·c(H2O)

其中c为各组分的平衡浓度,温度一定,K为定值。2.K的表达式[问]如果对于任意一个可逆化学反应:mA+nBpC+qD其平衡常数K又该如何表示呢?

大量实验事实表明,对下列可逆反应:在一定温度下,无论反应物的起始浓度如何,反应达到平衡状态后,将各物质的物质的量浓度满足下面关系:mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)c(C)·c(D)pqc(A)·c(B)mnK

=(1)K值越大,表示反应进行的程度越大,反应物转化率也越大。4.平衡常数意义:定量衡量化学反应进行的程度(2)一般当K＞105时,该反应进行得基本完全。3.平衡常数的单位∵浓度的单位为mol/L∴K的单位为(mol/L1)

n

当浓度的单位为mol/L,称标准平衡常数,标准平衡常数不写单位。[思考与交流]

K值的大小说明了什么?平衡转化率×100%

=该反应物的起始浓度—该反应物的平衡浓度该反应物的起始浓度可逆反应在一定条件下达到平衡时,某一反应物的平衡转化率(

)为:除了化学平衡常数外,还有没有其他方法能用来表示化学反应进行的限度呢?平衡转化率的意义:

能表示在一定温度和一定起始浓度下反应进行的限度。[思考]

分析P28表中的数据,你还能得出什么结论?通过分析数据得出:(1)温度不变(保持457.60C)时,为常数,用K表示,K=48.74;(2)常数K与反应的起始浓度大小无关;(3)常数K与正向建立还是逆向建立平衡无关即与平衡建立的过程无关。c(HI)2c(H2)·c(I2)

5.使用平衡常数应注意的几个问题:

(1)化学平衡常数的大小只与温度有关,与反应物或生成物的浓度无关;Cr2O72-+H2O2CrO42-+2H+Fe3O4(s)+4H2(g)高温3Fe(s)+4H2O(g)N2+3H22NH32NH3N2+3H2

N2+H2NH31232根据平衡常数的定义,请大家写出下列可逆反应的平衡常数表达式。【练习】5.使用平衡常数应注意的几个问题:

(2)在平衡常数表达式中,纯液体(如水)的浓度、固体物质的浓度不写;

(3)化学平衡常数表达式与化学方程式的书写有关例如:N2+3H22NH3的K1值与1/2N2+3/2H2NH3的K2值不一样CaCO3(s)

CaO(s)+CO2(g)CO2(g)+H2(g)

CO(g)+H2O(l)K=c(CO2)K=c(CO)/[c(CO2)·c(H2)]K1=K22

(4)多重平衡规则:

若干方程式相加(减),则总反应的平衡常数等于分步平衡常数之乘积(商)例如:

2NO(g)+O2(g)2NO2(g)K12NO2(g)

N2O4(g)

K22NO(g)+O2(g)

N2O4(g)K3

K3=K1K2

(5)同一反应,正逆反应的平衡常数互为倒数2NO2(g)2NO(g)+O2(g)例如:

2NO(g)+O2(g)2NO2(g)K2=1/K1K1K2①K=[练习]写出下列反应平衡常数的表达式

PCl3(g)+Cl2(g)①PCl5(g)

③CaCO3(s)

CaO(s)+CO2(g)②2HI(g)

H2(g)+I2(g)3Fe(s)+4H2O(g)④Fe3O4(s)+4H2(g)

②K=④K=③K=c(CO2)

(1)判断可逆反应是否达到平衡及反应方向对于可逆反应,在一定温度的任意时刻,反应物的浓度和生成物的浓度有如下关系:叫该反应的浓度商6.化学平衡常数的应用:（1）QC＜K,反应向

向进行（2）QC＝K,反应处于

状态（3）QC＞K,反应向

向进行mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)c(C)·c(D)pqc(A)·c(B)mn=QC正平衡逆

由此得出启示:：

我们可以通过测出某一时刻体系中各物质的浓度,然后假设反应已经达到平衡,计算出平衡常数,与给定的平衡常数比较。如果相等,则假设成立,也就是说反应已达到平衡;如果不相等,则没有达到平衡。(2)利用K可判断反应的热效应①若升高温度,K值增大,则正反应为

反应②若升高温度,K值减小,则正反应为

反应

根据某反应的平衡常数K随温度变化的情况,可判断该反应是放热反应还是吸热反应。6.化学平衡常数的应用:放热吸热

例题1:(2000天津高考)在某温度下,可逆反应:mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)的平衡常数为K,下列说法正确的是（）A.K越大,达到平衡时,反应进行的程度越大B.K越小,达到平衡时,反应物的转化率越大C.K随反应物浓度改变而改变D.K随温度改变而改变AD例题2:高炉炼铁中发生的基本反应如下:FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g)

△H>0其平衡常数可表达为:K=c(CO2)/c(CO),已知1100℃,K=0.2631100℃时,测得高炉中c(CO2)=0.025mol/L,c(CO)=0.1mol/L,(1)在该情况下该反应是否处于平衡状态_

(“是或“否”),此时化学反应向

方向进行,其原因是

.

。否正反应c(CO2)/c(CO)＝0.25＜0.263,说明不是平衡状态,且向正反应方向进行

(2)1100℃时,若要使反应向右进行,高炉内CO2和CO的体积比值_____,平衡常数K值_____(填“增大”“减小”或“不变”)减小不变(3)能判断该反应是否达到平衡的依据（）A.容器中压强不变B.混合气体中CO浓度不变C.v(H2)正=v(H2O)逆

D.c(CO2)=c(CO)

(4)若c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O),温度为

.

例题2:(2002上海高考)在一定体积密闭容器中,进行如下反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),其平衡常数K和温度t的关系如下:(1)k的表达式为

;

(2)该反应为

反应(“吸热”或“放热”)

t/ºC70080083010001200k0.60.91.01.72.6吸热BC830ºC（1）必须指明温度,反应必须达到平衡状态（2）平衡常数表示反应进行的程度,不表示反应的快慢,即速率大,K值不一定大（3）在进行K值的计算时,固体不作考虑,表达式中不需表达（4）在进行K值的计算时,稀溶液中的H2O的浓度可不表达（5）平衡常数的表达式与方程式的书写方式有关（6）利用K值可判断某状态是否处于平衡状态[小结]使用平衡常数应注意的问题对于反应:aA+bBcC+dD7.有关平衡常数及转化率的计算起始浓度-转化浓度;Ⅱ.生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓度即:生成物D:c平(D)=c起(D)+△c(D)Ⅲ.各物质的转化浓度之比等于它们在化学方程式中相应的化学计量数之比。如:△c(A):△c(D)=a:dⅠ.反应物:平衡浓度

即:反应物A:

c平(A)=c起(A)-△c(A)=(1)物质浓度的变化关系

(2)平衡转化率:对于可逆反应:

mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)反应物A的平衡转化率:(该条件最大转化率)可表示:(3)产品产率=

aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)起始量

mn00变化量

axbxcxdx平衡量

m-axn-bxcxdx[注意]各量的单位必须统一,转化量与计量数成比例时,转化量可以是物质的量,物质的量浓度或速率,但不能是质量。(4)计算模式(三行列式计算法):Ⅰ.利用平衡常数,求平衡时各组分的浓度[P28例1]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(H2)=0.0080mol/L。(1)求反应的平衡常数.(2)在上述温度下,将H2和I2各0.20mol的气态混合物充入该密闭容器中,试求达到平衡时各物质的浓度.7.有关平衡常数及转化率的计算[解](1)依题意,平衡时c(H2)=0.0080mol/L,消耗c(H2)=0.0020mol/L,生成c(HI)=0.0040mol/L

H2+I2 2HIC(起)mol/L0.010 0.010 0C(转)mol/L

0.00200.00200.0040C(平)mol/L0.00800.00800.0040答:平衡常数为0.25。

H2+I2 2HIC(起)mol/L0.020 0.020 0C(转)mol/L

xx2xC(平)mol/L0.020－x0.020－x2x(2)依题意,c(H2)=0.020mol/L,c(I2)=0.020mol/L解得x=0.0040mol/L,则平衡时c(H2)=c(I2)=0.016mol/Lc(HI)=0.0080mol/L答:c(H2)=c(I2)=0.016mol/L,c(HI)=0.0080mol/L。设H2的消耗浓度为x。则: Ⅱ.利用平衡常数,求平衡时反应物的转化率[P29例2]在密闭容器中,将2.0molCO和10molH2O混合加热到800ºC,达到下列平衡:

K=1.0求CO转化为CO2的转化率.7.有关平衡常数及转化率的计算

CO2(g)+H2(g)C(起)mol/L2.0/V10/V0/V0/VC(转)mol/Lx/Vx/Vx/Vx/VC(平)mol/L(2.0-x)/V(10-x)/Vx/Vx/V[解]设x为达到平衡时CO转化为CO2的物质的量,V为容器容积。

CO(g)+H2O(g)

答:CO转化为CO2的转化率为83%[练1]某温度下向10L真空容器中注入1.00molH2(g)和1.00molI2(g),反应平衡后I2(g)浓度为0.0200mol·L-1试求该温度下H2(g)+I2(g)2HI(g)的平衡常数。7.有关平衡常数及转化率的计算解:据题意,起始时c(H2)=c(I2)=0.100mol/L,平衡时c(H2)=c(I2)=0.0200mol/L,生成c(HI)=0.160mol/LH2(g)+I2(g)2HI(g)C(起始)mol/L0.1000.1000C(转化)mol/LC(平衡)mol/L0.08000.08000.1600.02000.02000.160

K=(0.160)2(0.0200)2=64.0

c2(HI)c(H2)·c(I2)=答:平衡常数为64.0。

c(CO2)·c(H2)

c(CO)·c(H2O)[练2]在一密闭容器中,CO与H2O混合加热到800℃达到平衡:cCO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)K=1.00若反应开始时CO和H2O的浓度分别为0.200mol/L和1.00mol/L,求达到平衡时CO转化为CO2转化率是多少?C(平)mol/L

0.200-x

1.00-x

xx

解:设转化的CO和H2O的浓度为xmol/LK=x2(0.200-x)(1.00-x)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)C(起)mol/L0.2001.0000C(转)mol/L

xxx

x=1.00=解得:x=0.166

=

×100%=83.0%0.1660.200答:平衡时CO转化为CO2转化率是83.0%

。

[练1]

850K时,在一密闭容器中充入一定量的SO2和O2,当反应达到平衡后测得:SO2

O2和SO3的浓度分别为6.0×10-3mol/L

8.0×10-3mol/L和4.4×10-2mol/L。计算:（1）该温度下反应的平衡常数。（2）达平衡状态时,SO2的转化率。7.有关平衡常数及转化率的计算

C(CO):c(H2O)=1:1时

CO+H2OCO2+H2

C起

1100C转

xxxxC平1-x1-xxx解得

x=0.5α(CO)=50%α(H2O)=50%

c(CO):c(H2O)=1:4时

CO+H2OCO2+H2

C起

1400C转

xxxxC平

1-x4-xxx解得

x=0.8α(CO)=80%α(H2O)=20%

[练2]

已知CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),800℃K=1.0;求恒温恒容体系中,用c(CO):c(H2O)=1:1或1:4开始,达到平衡时CO和H2O(g)的转化率。(1-x)(1-x)x2K==1(1-x)(4-x)x2K==1

增大一种反应物的浓度,能提高另一种反应物的转化率,而本身的转化率减小。结论:[练3]反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)在一定条件下进行。设投入N2为1mol

,H2为3mol,在一体积恒定,温度恒定的容器中反应,测得平衡时压强是原来的90%,求转化率α1。然后再充入1molN2和3molH2,温度不变,计算新平衡的转化率α2。解:N2+3H22NH3

n(起)13 0n(转)

a3a2an(平)1-a3-3a2a(1-a)+(3-3a)+2a=4×90%a=0.2α1=20%

N2+3H22NH3

n(起)260n(转)b3b2bn(平)2-b6-3b2bK=0.015解得:b=0.61α2=30.5%小结

化学平衡常数的涵义:化学反应的程度

利用平衡常数,可以求平衡时各组分的浓度和反应物的转化率

关键:

(1)将起始浓度,变化浓度,平衡浓度表示清楚(“三行列式计算法法”);

(2)代到平衡常数表示式中;

(3)解方程.

1.已知t℃,pkPa时,在容积为VL密闭容器内充有1molA和1molB。保持恒温恒压,使反应A(g)＋B(g)C(g)达到平衡时,C的体积分数为40%。试回答有关问题:(1)欲使温度和压强在上述条件下恒定不变,在密闭容器内充入2molA和2molB,则反应达到平衡时,容器容积为

,C的体积分数为

。(2)若另选一容积固定不变的密闭容器,仍控制温度为t℃,使1molA和1molB反应达到平衡状态时,C的体积分数仍为40%,则该密闭容器的容积为

。(10V/7)L40﹪(5V/7)L

CO2(g)＋H2(g)＋Q在850℃时,K＝1。(1)若升高温度到950℃时,达到平衡时K

1(填“大于”“小于”或“等于”)。(2)850℃时,若向一容积可变的密闭容器中同时充入1.0molCO,3.0molH2O,1.0molCO2和xmolH2,则:①当x＝5.0时,上述平衡向

(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。②若要使上述反应开始时向正反应方向进行,则x应满足的条件是

。2.现有反应:CO(g)＋H2O(g)(3)在850℃时,若设x＝5.0和x＝6.0,其他物质的投料不变,当上述反应达到平衡后,测得H2体积分数分别为a％、b％,则a

b(填“大于”“小于”或“等于”)。小于

逆反应小于x＜3.0[练习1]已知一氧化碳与水蒸气的反应为CO+H2O(g)CO2+H2催化剂高温在427℃时的平衡常数是9.4。如果反应开始时,一氧化碳和水蒸气的浓度都是0.01mol/L,计算一氧化碳在此反应条件下的转化率。[练习2]合成氨反应N2+3H22NH3,在某温度下达平衡时,各物质的浓度是:[N2]=3mol·L-1,[H2]=9mol·L-1,[NH3]=4mol·L-1。求该温度时的平衡常数和N2、H2的初时浓度[练习3]对于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),若在一定温度下,将0.1mol的SO2(g)和0.06molO2(g)注入一体积为2L的密闭容器中,当达到平衡状态时,测得容器中有0.088mol的SO3(g)试求在该温度下:（1）此反应的平衡常数。（2）求SO2(g)和O2(g)的平衡转化率。[练习4]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的SO2(g)和NO2(g)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60%,试求:在该温度下。（1）此反应的浓度平衡常数。（2）若SO2(g)的初始浓度增大到3mol/L,则它们的转化率变为多少?[练习5]现有一定温度下的密闭容器中存在如下反应:2SO2+O22SO3知C(SO2)始=0.4mol/L,C(O2)始=1mol/L经测定该反应在该温度下的平衡常数K≈19,试判断:（1）当SO2转化率为50％时,该反应是否达到平衡状态,若未达到,哪个方向进行?（2）达平衡状态时,SO2的转化率应为多少?[练习6]

某温度下:2NO2N2O4K=1.0以2mol/LNO2为起始浓度建立平衡。求平衡时c(NO2);当压缩体积至原来一半时,再求c

(NO2)

可逆反应:2NO2N2O4,温度不变增加压强的情况下,平衡怎样移动?气体的颜色如何变化?[练习7]【作业】二.P32T2.T8.T9三.预习:第5课时等效平衡一.P30例1.例2(5)平均相对分子质量的变化规律以mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)气体平均摩尔质量M=平衡前后,m不变,则;若m+n=p+q则M不变若m+n>p+q,平衡正向移动,则n减小,M增大若m+n<p+q,平衡正向移动,则n增大,M减小[注意]有固体、液体参加的反应,平衡前后总质量和总物质的量都发生变化,则M有可能增大也有可能减小。(6)气体密度的变化规律mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)若恒容条件,则密度不变若恒压条件,则体积增大,密度减小[注意]当混合气体在平衡移动前后总质量发生变化,且恒容时,密度与m总成正比。若m总变化,且恒压时,P与M成正比。[小结]解化学平衡计算的重要思维方法是极值法、差量法、守恒法。对于可逆反应,可利用不归零原则,一般可用极限分析法推断:即假设反应不可逆，则最多生成产物多少,有无反应物剩余,余多少。极值点不可达到的,可以用来确定范围。也称之为一边倒原则。2SO3(g),反应达到平衡后,SO2O2SO3的物质的量之比为3:2:5,保持其他条件不