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1、第2课时化学平衡状态化学平衡常数1.了解可逆反应的含义,知道可逆反应在一定条件下能达到化学平衡状态及能描述化学平衡状态,判断化学反应是否达到平衡。2.能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算。3.能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。4.了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。可逆反应与化学平衡的建立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)特点二同:a.相同条件下;b.正、逆反应同时进行。一小:反应物与生成物同时存在;任一组分的转化率都小于100%。(3)表示在化学方程式中
2、用“”表示。2.化学平衡状态(1)概念一定条件下的可逆反应,当反应进行到一定程度时,正反应速率和逆反应速率相等,反应物的浓度和生成物的浓度不再改变,我们称为“化学平衡状态”,简称化学平衡。(2)平衡特征(3)化学平衡移动化学反应条件改变,使正、逆反应速率不再相等,化学平衡才会发生移动。3.判断化学平衡状态的两种方法(1)动态标志:v正=v逆0。同种物质:同一物质的生成速率等于消耗速率。不同物质:必须标明是“异向”的反应速率关系。如aA+bBcC+dD,v正(A)v逆(B)=ab时,反应达到平衡状态。(2)静态标志:各种“量”不变。示例mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)体系中各组分的含
3、量各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定平衡各物质的质量或各物质的质量分数一定平衡各气体的体积或体积分数一定平衡总压强、总体积、总物质的量一定不一定平衡压强m+np+q时,总压强一定(其他条件一定)平衡m+n=p+q时,总压强一定(其他条件一定)不一定平衡混合气体的平均相对分子质量(Mr)m+np+q时,Mr一定平衡m+n=p+q时,Mr一定不一定平衡气体密度密度一定不一定平衡温度体系温度一定(其他不变)平衡颜色反应体系内有有色物质,颜色不变平衡理解辨析1.判一判(正确的打“”,错误的打“”)(1)既能向正反应方向进行,又能向逆反应方向进行的反应叫可逆反应。()(2)SO2+Br2+2H2
4、OH2SO4+2HBr与2HBr+H2SO4(浓)Br2+SO2+2H2O互为可逆反应。()(3)化学反应达到平衡状态时,只要条件不改变,各物质的浓度就不再改变。()(4)对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),单位时间里每增加1 mol N2,同时增加3 mol H2,说明反应达到化学平衡状态。()解析:(1)可逆反应必须是在相同条件下正、逆反应同时发生。(2)反应条件不同,后者是浓硫酸因此不互为可逆反应。(4)对于反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),单位时间里每增加1 mol N2,同时增加3 mol H2,都是逆反应的速率,正反应速率未知,无法判断反应是否到达化学平衡状态
5、。答案:(1)(2)(3)(4)2.想一想(1)总压强不变在什么情况下不能作为反应达到平衡的标志?提示:恒温恒容条件下,对于反应前后气体化学计量数相等的反应,总压强不变不能作为判断平衡的标志;恒温恒压条件下,对于一切反应,总压强不变不能作为判断平衡的标志。(2)混合气体的密度不变在什么情况下不能作为反应达到平衡的标志?提示:恒温恒容条件下,反应物、生成物都是气体的化学反应,混合气体的密度不变不能作为判断反应达到平衡的标志。3.做一做(1)对于可逆反应2SO2+O22SO3H0,在混合气体中充入一定量的18O2,经足够长的时间后:(1)18O存在于哪些分子中?。(2)二氧化硫分子的相对分子质量可
6、能为。解析:(1)由于2SO2+O22SO3为可逆反应,18O存在于O2、SO3、SO2三种物质的分子中。(2)SO2的相对分子质量可能为64或66或68。答案:(1)O2、SO2、SO3(2)64或66或68“极端转化”确定可逆反应中各物质的量浓度范围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0.1 molL-1、0.3 molL-1、0.2 molL-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)A.Z为0.3 molL-1B.Y2为0.4 molL-1C.X2为0.2 molL-1D.Z为0.4 molL-1解析:(极端
7、假设法确定各物质浓度范围思维模板)可根据极端假设法判断,假设反应完全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/(molL-1)0.10.30.2改变浓度/(molL-1)0.10.10.2终态浓度/(molL-1)00.20.4假设反应逆向进行到底:X2(g)+Y2(g)2Z(g)起始浓度/(molL-1)0.10.30.2改变浓度/(molL-1)0.10.10.2终态浓度/(molL-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)。2
8、.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0.1 molL-1、0.3 molL-1、0.08 molL-1,则下列判断正确的是(D)A.c1c2=31B.平衡时,Y和Z的生成速率之比为23C.X、Y的转化率不相等D.c1的取值范围为0c10.14 molL-1解析:平衡浓度之比为13,转化浓度之比亦为13,故c1c2=13,且X、Y的平衡转化率相等,A、C不正确;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32,B不正确;由可逆反应的特点可知,0c10
9、.14 molL-1,D正确。化学平衡状态的多维判断3.一定温度下,反应N2O4(g)2NO2(g)的焓变为H。现将1 mol N2O4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(D)A.B.C.D.解析:因反应容器保持恒压,所以容器体积随反应进行而不断变化,结合气=mV可知,气体密度不再变化,说明容器体积不再变化,即气体的物质的量不再变化,反应达到平衡状态,符合题意;无论是否平衡,反应的H都不变,不符合题意;反应开始时,加入1 mol N2O4,随着反应的进行,N2O4的浓度逐渐变小,故v正(N2O4)逐渐变小,直至达到平衡,不符合题意;N2O4的转化率不再变化,说明N
10、2O4的浓度不再变化,反应达到平衡状态,符合题意,故选D。4.(2021广东广州测试)在两个绝热恒容的密闭容器中分别进行下列两个可逆反应:甲:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g);乙:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)现有下列状态:混合气体平均相对分子质量不再改变;气体的总物质的量不再改变;各气体组成浓度相等;反应体系中温度保持不变;断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍;混合气体密度不变。其中能表明甲、乙容器中反应都达到平衡状态的是(B)A.B.C.D.解析:甲中C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),混合气体平均相对分子质量不再改变,说明各气体的物质的量不变,达到
11、平衡状态,乙中CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),混合气体平均相对分子质量一直不变,所以不能表明反应达到平衡状态;甲中C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),气体的总物质的量不再改变,说明各气体的物质的量不变,达到平衡状态,乙中CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),各气体的物质的量一直不变,所以不一定达到平衡状态。平衡时各气体组成浓度不变,而不是相等,所以不能说明两反应达到平衡状态;两个绝热恒容的密闭容器中,反应体系中温度保持不变,说明正、逆反应速率相等,两个反应都达到平衡状态;甲中C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2
12、倍,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,乙中CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态;甲中C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),混合气体密度不变,说明气体的质量不变,反应达到平衡状态,乙中CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),混合气体的密度一直不变,反应不一定达到平衡状态;综上所述能表明甲、乙容器中反应都达到平衡状态的是。化学平衡常数、转化率及相关计算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
13、反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),K=cp(C)cq(D)cm(A)cn(B)(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)。如(1)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)的平衡常数表达式K=c(CO)c(H2)c(H2O)。(2)Fe3+(aq)+3H2O(l)Fe(OH)3(s)+3H+(aq)的平衡常数表达式K=c3(H+)c(Fe3+)。纯液体、纯固体物质或稀溶液中水的浓度均不写,但是水蒸气的浓度要写。在非水溶液中进行的反应,若有水参加或生成,则水的浓度不可视为常数,应写进平衡常数表达式中。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
14、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)判断化学反应进行的方向对于可逆反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),在一定温度下的任意时刻,反应物与生成物浓度有如下关系:Qc=cc(C)cd(D)ca(A)cb(B),称为浓度商。Qcv逆Qc=K反应处于化学平衡状态,v正=v逆QcK反应向逆反应方向进行,v正v逆(2)判断可逆反应的热效应5.平衡转化率(1)概念转化率是指反应进行到一定程度时某一反应物转化的百分率。平衡转化率是可逆反应达到平衡状态时某反应物转化的百分率。(2)数学表达式对于反应mA(g)
15、+nB(g)pC(g)+qD(g),A(g)的平衡转化率可表示为(A)=c0(A)-c平(A)c0(A)100%。c0(A)代表A的初始浓度,c平(A)代表A的平衡浓度。理解辨析1.判一判(正确的打“”,错误的打“”)(1)化学平衡常数的大小取决于化学反应本身,与其他外界条件无关。()(2)K越大,反应物的转化率越小。()(3)反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H0的化学平衡常数随温度升高而增大。()(4)一定温度下,反应A(g)+B(g)2C(g)的平衡常数只有一个。()解析:(1)温度的变化也会影响平衡常数大小。(2)平衡常数K越大,反应正向进行的程度越大,反应物的转化率越大。(
16、3)该反应焓变小于0,为放热反应,升高温度平衡逆向移动,平衡常数减小。答案:(1)(2)(3)(4)2.想一想在一定温度下,已知以下三个反应的平衡常数:反应:CO(g)+CuO(s)CO2(g)+Cu(s)K1反应:H2(g)+CuO(s)Cu(s)+H2O(g)K2反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)K3(1)推导反应的K3与K1、K2的关系。提示:K3=c(CO2)c(H2)c(CO)c(H2O),K2=c(H2O)c(H2),结合K1=c(CO2)c(CO),可知K3=K1K2。(2)化学平衡常数与化学方程式书写形式有何关系?提示:正、逆反应的平衡常数互为倒数;若化学方
17、程式中各物质的化学计量数都扩大或缩小至原来的n倍,则化学平衡常数变为原来的n次幂或1n次幂;两个化学方程式相加得到新的化学方程式,其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积。化学平衡常数、转化率的理解与应用1.(2021广东惠州第三次调研)高炉炼铁过程中发生的反应:13Fe2O3(s)+CO(g)23Fe(s)+CO2(g),已知该反应在不同温度下的平衡常数如下表,下列说法不正确的是(C)温度/ 1 0001 1501 300平衡常数4.03.73.5A.H0B.该反应的平衡常数表达式是K=c(CO2)c(CO)C.其他条件不变,向平衡体系充入CO2气体,K值减小D.其他条件不变,升高温度时,CO的
18、平衡转化率降低解析:依据图表数据分析,平衡常数随温度升高而减小,平衡逆向进行,逆向是吸热反应,正反应是放热反应,H-205.9 kJ/molD.在低温条件下,可同时提高CO2平衡转化率和CH4的平衡产率解析:反应、均为放热反应,升高温度,、平衡均逆向移动,CH4物质的量减小,因此A代表CH4对应的曲线;反应为吸热反应,反应为放热反应,升高温度,反应正向移动,反应逆向移动,CO物质的量增大,因此C代表CO对应的曲线;则B代表CO2对应的曲线。反应的平衡常数为K=c(CO2)c(CH4)c2(H2)c2(CO),在a点c(CO)=c(CH4),所以平衡常数K=c(CO2)c2(H2)c(CO),故
19、A正确;由以上分析可知曲线B为CO2的物质的量随温度的变化曲线,故B正确;由+得CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) H=-205.9 kJ/mol,1 mol气态水的能量比1 mol液态水的能量高,气态水转化为液态水放热,故CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(l) H0B.该反应25 时的化学平衡常数Kp=2.561011 Pa3C.步骤中测压仪数值未稳定即关闭K1,Kp测量值偏小D.步骤中读数时U形管左侧液面偏高,Kp测量值偏小解析:温度升高压强增大,由反应可知,平衡正移,则正反应为吸热反应,A正确;设CO2的压强为x Pa,则NH3的压强为2x Pa,总压强为12
20、.0 kPa,则p(CO2)=12 000 Pa3=4 000 Pa,p(NH3)=2p(CO2)=8 000 Pa,则Kp=p(CO2)p2(NH3)=2.561011 Pa3,B正确;步骤中测压仪数值未稳定即关闭K1,U形管左侧会有残留空气,导致Kp测量值偏大,C错误;步骤中读数时U形管左侧液面偏高,则证明左侧气压小于右侧,Kp测量值偏大,D错误。压强平衡常数计算流程1.(2021广东卷,19节选)我国力争于2030年前做到碳达峰,2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应:a)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)H
21、1b)CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)H2c)CH4(g)C(s)+2H2(g)H3d)2CO(g)CO2(g)+C(s)H4e)CO(g)+H2(g)H2O(g)+C(s)H5设Kpr为相对压力平衡常数,其表达式写法:在浓度平衡常数表达式中,用相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0=100 kPa)。反应a、c、e的ln Kpr随1T(温度的倒数)的变化如图所示。(1)反应a、c、e中,属于吸热反应的有(填字母)。(2)反应c的相对压力平衡常数表达式为Krp=。(3)在图中A点对应温度下、原料组成为n(CO2)n(CH4)=11、初始总压为1
22、00 kPa的恒容密闭容器中进行反应,体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率,写出计算过程。解析:(1)随着温度的升高,反应a和c的ln Kpr增大,说明Kpr的数值增大,反应向正反应方向进行,反应a和c为吸热反应,同理反应e的ln Kpr减小,说明Kpr的减小,反应向逆反应方向进行,反应e为放热反应,故答案为ac。(2)用相对分压代替浓度,则反应c的平衡常数表达式Kpr=p(H2)p02p(CH4)p0=p2(H2)p(CH4)p0;(3)由图可知,A处对应反应c的ln Kpr=0,即Kpr=p2(H2)p(CH4)p0=1,p(CH4)=p2(H2)p0,已知反应平
23、衡时p(H2)=40 kPa,则有p(CH4)=16 kPa,根据反应条件可知,二氧化碳与甲烷物质的量之比等于压强之比。则p初始(CH4)=11+1100 kPa=50 kPa,故CH4的平衡转化率为50 kPa-16 kPa50 kPa100%=68%。答案:(1)ac(2)p2(H2)p(CH4)p0(3)由题图可知,A点对应温度下反应c的ln Kpr=0,即Kpr=p2(H2)p(CH4)p0=1,p(CH4)=p2(H2)p0=(40 kPa)2100 kPa=16 kPa,p初始(CH4)=100 kPa12=50 kPa,CH4的平衡转化率为50 kPa-16 kPa50 kPa1
24、00%=68%2.(2021全国乙卷,28节选)(1)氯铂酸钡(BaPtCl6)固体加热时部分分解为BaCl2、Pt和Cl2,376.8 时平衡常数Kp=1.0104Pa2,在一硬质玻璃烧瓶中加入过量BaPtCl6,抽真空后,通过一支管通入碘蒸气(然后将支管封闭)。在376.8 ,碘蒸气初始压强为20.0 kPa。376.8 平衡时,测得烧瓶中压强为32.5 kPa,则pICl=kPa,反应2ICl(g)Cl2(g)+I2(g)的平衡常数K=(列出计算式即可)。(2)McMorris测定和计算了在136180 范围内下列反应的平衡常数Kp:2NO(g)+2ICl(g)2NOCl(g)+I2(g
25、)Kp12NOCl(g)2NO(g)+Cl2(g)Kp2得到lg Kp11T和lg Kp21T均为线性关系,如下图所示:由图可知,NOCl分解为NO和Cl2反应的H0(填“大于”或“小于”)。反应2ICl(g)Cl2(g)+I2(g)的K=(用Kp1、Kp2表示):该反应的H0(填“大于”或“小于”),写出推理过程:。解析:(1)由题意376.8 时玻璃烧瓶中发生两个反应BaPtCl6(s)BaCl2(s)+Pt(s)+2Cl2(g)、Cl2(g)+I2(g)2ICl(g)。BaPtCl6(s)BaCl2(s)+Pt(s)+2Cl2(g)的平衡常数Kp=1.0104Pa2,则平衡时p2(Cl2
26、)=1.0104Pa2,平衡时p(Cl2)=0.1 KPa,设到达平衡时I2(g)的分压减小p kPa,则Cl2(g)+I2(g)2ICl(g)开始/kPa20.00变化/kPap2p平衡/kPa0.120.0-p2p376.8 平衡时,测得烧瓶中压强为32.5 kPa,则0.1+20.0+p=32.5,解得p=12.4,则平衡时pICl=2p kPa=212.4 kPa=24.8 kPa;pI2=20.0 kPa-12.4 kPa=7.6 kPa,因此反应2ICl(g)Cl2(g)+I2(g)的平衡常数K=p(Cl2)p(I2)p2(ICl)=7.60.124.82。(2)结合图可知,温度越
27、高,1T越小,lg Kp2越大,即Kp2越大,说明升高温度,平衡正向移动,则NOCl分解为NO和Cl2反应的H大于0。.2NO(g)+2ICl(g)2NOCl(g)+I2(g)Kp1.2NOCl(g)2NO(g)+Cl2(g)Kp2+得2ICl(g)Cl2(g)+I2(g),则2ICl(g)Cl2(g)+I2(g)的K=Kp1Kp2;该反应的H大于0;推理过程为设TT,即1TlgKp1(T)-lgKp1(T)=lgKp1(T)-lgKp1(T),则lgKp2(T)Kp1(T)lgKp2(T)Kp1(T),即K(T)K(T),因此该反应的正反应为吸热反应,即H大于0。答案:(1)24.87.60
28、.124.82(2)大于Kp1Kp2大于设TT,即1T|lg Kp1(T)-lg Kp1(T)|=lg Kp1(T)-lg Kp1(T),则lgKp2(T)Kp1(T)lgKp2(T)Kp1(T),即K(T)K(T),因此该反应的正反应为吸热反应,即H03.(2021全国甲卷,28节选)二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)该反应一般认为通过如下步骤来实现:CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)H1=+41 kJmol-1CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)H2=-90 kJmol-1合成总反应在起始物n(H2)/n(CO2
29、)=3时,在不同条件下达到平衡,设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH),在t=250 下的x(CH3OH)p、在p=5105 Pa下的x(CH3OH)t如图所示。(1)用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数,表达式Kp=。(2)图中对应等压过程的曲线是,判断的理由是。(3)当x(CH3OH)=0.10时,CO2的平衡转化率=,反应条件可能为或。解析:(1)二氧化碳加氢制甲醇的总反应为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),因此利用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数,表达式Kp=p(H2O)p(CH3OH)p3(H2)p(CO2)。(2)该反应正向为放热反应,升高温度时
30、平衡逆向移动,体系中x(CH3OH)将减小,因此图中对应等压过程的曲线是b。(3)设起始n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol,则3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)起始/mol3100转化/mol3xxxx平衡/mol 3-3x1-xxx当平衡时x(CH3OH)=0.10时,x(3-3x)+(1-x)+x+x=0.10,解得x=13,平衡时CO2的转化率=13mol1mol100%33.3%;由图可知,满足平衡时x(CH3OH)=0.10的条件有5105 Pa,210 或9105 Pa,250 。答案:(1)p(H2O)p(CH3OH)p3(H2)p(CO2)(2)b总反应H0,升高温度时平衡向逆反应方向移动,甲醇的物质的量分数变小(3)33.3%5105 Pa,210 9105 Pa,250