苏教版 (2019)选择性必修1第一单元 化学反应速率第三课时导学案

第三课时　化学平衡常数及应用

表1　二氧化氮－四氧化二氮体系中各物质的物质的量浓度(25 ℃)

[问题探讨]

1．分析表1中数据，你能得出平衡时各组分浓度之间有怎样的关系吗？

提示：在一定温度(25 ℃)下，起始时各物质浓度不同，但最后都达到平衡，平衡时是一个常数，这个常数称为该反应在该温度下的平衡常数。

2．写出下表2中各反应的平衡常数表达式，并分析平衡常数表达式书写时应注意的要点。

表2

提示：(1)固体、纯液体、水溶液中水的浓度可视为定值，其浓度不列入平衡常数表达式中。

(2)平衡常数表达式与方程式的书写方式有关。对于同一化学反应，由于书写方式不同，各反应物、生成物的系数不同，平衡常数的表达式就不同。

3．由表2中合成氨的平衡常数表达式，你能得出化学平衡常数与化学方程式的书写方式有什么关系吗？

提示：化学平衡常数是指某一具体化学方程式的平衡常数。

(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系数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。

4．根据下表3中的信息，你能得出哪些结论？

表3

提示：平衡常数K的大小能说明反应进行的程度(也叫反应的限度)。K值越大，表示反应进行得越完全；K值越小，表示反应进行得越不完全。

5．表4为合成氨反应的平衡常数与温度的关系

表4

结合表1、表2，你能得出影响平衡常数的因素有哪些？

提示：在化学方程式书写方式一定时，化学平衡常数仅与温度有关。温度不变，平衡常数不变；温度改变，平衡常数改变。

化学平衡常数

(1)意义

化学平衡常数的大小能说明反应进行的程度(也叫反应限度)。K值越大，表示反应进行得越完全；K值越小，表示反应进行得越不完全。一般来说，当K>105时，通常认为反应基本完全。

(2)影响因素

K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度无关。

(3)平衡常数的应用

①判断可逆反应进行程度的大小

②判断反应的热效应

a．升高温度

b．降低温度

[名师点拨]

(1)反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，其浓度可看作“1”，而不代入平衡常数表达式，如：Fe3O4(s)＋4H2(g)===3Fe(s)＋4H2O(g)的平衡常数K＝。

(2)化学平衡常数表达式中各物质的浓度必须是平衡浓度，不能用任何一时刻的浓度。

(3)使用催化剂能改变化学反应速率，但不会改变平衡常数。

(4)化学平衡常数表达式与化学方程式的书写方式有关。同一个化学反应，化学方程式不同，平衡常数不同，如合成氨反应：

若写成：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，

K1＝；

若写成：N2(g)＋H2(g)NH3(g)，

K2＝，且K1＝K。

1．下列关于化学平衡常数的叙述正确的是(　　)

A．温度一定，一个化学反应的平衡常数不是一个常数

B．两种物质反应，不管怎样书写化学方程式，平衡常数不变

C．温度一定时，对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常数互为相反数

D．温度变化时，一个化学反应的平衡常数一定发生变化

解析：选D　K是温度的函数，平衡常数的表达式与化学方程式的书写方式有关。正、逆反应的平衡常数互为倒数，如H2(g)＋I2(g)2HI(g)，K正＝，K逆＝，所以K正＝。

2．一定温度下，已知反应：①H2(g)＋S(s)H2S(g)　K1，②S(s)＋O2(g)SO2(g)　K2，则相同温度下，反应H2(g)＋SO2(g)H2S(g)＋O2(g)的平衡常数K等于(　　)

A．K1＋K2    B．K1－K2

C．K1·K2    D．

解析：选D　由①－②可得反应H2(g)＋SO2(g)H2S(g)＋O2(g)，K1＝，K2＝，K＝，所以K＝。

3．在一定温度下，下列反应的化学平衡常数如下：

①2NO(g)N2(g)＋O2(g)　K1＝1×1030

②2H2(g)＋O2(g)2H2O(g)　K2＝2×1081

③2CO2(g)2CO(g)＋O2(g)　K3＝4×10－92

下列有关说法正确的是 (　　)

A．该温度下，反应①的平衡常数表达式为K1＝c(N2)·c(O2)

B．该温度下，反应2H2O(g)2H2(g)＋O2(g)的平衡常数的数值约为5×10－80

C．该温度下，NO、H2O、CO2产生O2的倾向由大到小的顺序为NO>H2O>CO2

D．以上说法都不正确

解析：选C　由化学平衡常数定义可知K1＝，A项错误；该温度下，水分解反应的平衡常数为＝＝5×10－82，B项错误；该温度下，NO、H2O、CO2三种化合物分解产生O2的反应的化学平衡常数分别为1×1030、5×10－82、4×10－92，所以产生O2的倾向：NO>H2O>CO2，C项正确，D项错误。

[例]　某温度下，向10 L真空容器中注入1.00 mol H2(g)和1.00 mol I2(g)，反应达到平衡状态后I2(g)的浓度为0.020 0 mol·L－1。试求该温度下H2(g)＋I2(g)2HI(g)的平衡常数。

[解析]　依据题意可知，起始时c(H2)＝c(I2)＝0.100 mol·L－1，平衡时c(H2)＝c(I2)＝0.020 0 mol·L－1，生成的c(HI)＝0.160 mol·L－1。

　　　　　　　　　　H2(g)　＋　I2(g)2HI(g)

　　0.100　　　 0.100　　　0

　　0.020 0　 　0.020 0 　 0.160

K＝＝＝64.0。

[答案]　平衡常数为64.0。

[问题探讨]

1．若向例题的10 L真空密闭容器中注入2.00 mol HI，保持与例题相同的温度，达到平衡时，容器中H2和I2的浓度如何计算？请利用例题的结果进行计算。

提示：设平衡时c(H2)＝c(I2)＝x mol·L－1，则起始c(HI)＝0.200 mol·L－1。

　　　　　　　　　 H2(g)　＋　I2(g)2HI(g)

　　0　　　　　 0　　　0.200

　　x　　　　　x　 　0.200－2x

K＝＝＝＝64.0。

解方程得x＝0.02。

故平衡时c(H2)＝c(I2)＝0.02 mol·L－1。

2．经第1问计算可知平衡时各组分浓度与例题完全相同，为什么？

提示：问题1相当于例题中的反应从逆反应建立的平衡，二者平衡是等效的。

3．反应的平衡转化率表示在一定温度下某一反应进行的限度，可表示为α＝×100%

试计算例题中达到平衡时H2的转化率。

提示：H2的转化率为80%。

4．平衡常数、平衡转化率的计算、解题思路和关键步骤是什么？

提示：三段式建模。

平衡转化率

(1)含义：平衡时已转化了的某反应物的量与转化前(初始时)该反应物的量之比。

(2)表达式

对于可逆反应：aA＋bBcC＋dD

αA＝×100%

＝×100%

αA＝×100%

＝×100%。

1．某温度下，向容积为2 L的密闭反应器中充入0.10 mol  SO3，当反应器中的气体压强不再变化时测得SO3的转化率为20%，则该温度下反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的平衡常数为(　　)

A．3.2×103　　　　　　　 B．1.6×103

C．8.0×102    D．4.0×102

解析：选A　　　 2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)

c(始)/(mol·L－1)　　　0　　　　0　　　　0.05

c(变)/(mol·L－1)　　0.01　　　0.005　 　 0.01

c(平)/(mol·L－1)　　0.01　　　0.005　 　 0.04

K＝3.2×103。

2．已知CO与H2O(g)的反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)。在427 ℃时的平衡常数是9.0。如果反应开始时，CO和H2O(g)的浓度均为0.01 mol·L－1，计算CO在此反应条件下的转化率。

解析：设此条件下CO的转化浓度为x mol·L－1。

　　　　　 　CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)

起始/(mol·L－1)0.01 　 0.01　　　　0　　　　0

转化/(mol·L－1) x　　　 x　　　　　x　　　　x

平衡/(mol·L－1) 0.01－x　0.01－x　　x　　　　x

则：K＝＝9.0，解得x＝，

则CO的转化率为×100%＝75%。

答案：CO在此反应条件下的转化率为75%。

[分级训练·课课过关]________ ______________________________________________

1．下列对化学平衡常数(K)的叙述正确的是(　　)

A．仅升高温度，K可能增大，也可能减小

B．仅加入催化剂，K可能增大

C．仅增大压强，K可能减小

D．仅减小浓度，K值可能减小

解析：选A　升高温度，平衡向吸热反应的方向移动，则对于吸热反应，升高温度K增大，对于放热反应，升高温度K减小，选项A正确；催化剂只能改变化学反应速率，不能使平衡移动，则加入催化剂，K不变，选项B错误；K只与温度有关，而与浓度、压强无关，改变压强、减小浓度K均不变，选项C、D错误。

2．可逆反应C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)在t ℃下达到平衡，其平衡常数可表示为(　　)

A．K＝　　 B．K＝

C．K＝    D．K＝

解析：选D　C(碳)是固体，它的浓度视为“1”，在平衡常数表达式中不出现。

3．H2和CO2在高温下发生反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)。下表是986 ℃时，在容积不变的密闭容器中进行反应的四组数据：

下列叙述正确的是(　　)

A．此温度下反应的平衡常数约为1.62

B．该反应的平衡常数与反应的起始浓度有关

C．增大CO2的起始浓度，可使CO2的转化率增大

D．从反应开始至达到平衡状态，混合气体的密度增大

解析：选A　此温度下K＝＝≈1.62，A项正确；平衡常数K只受温度的影响，与起始浓度无关，B项错误；增大CO2的起始浓度，CO2的转化率降低，C项错误；反应体系中各物质均为气体，且容积不变，故从始至终混合气体的密度不变，D项错误。

4．工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(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________。

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　＋　 3H22NH3

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　2x

所以＝，解得x＝0.2，

N2的转化率为×100%≈66.7%。

反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数

K＝＝＝0.005。

答案：(1)66.7%　(2)0.005