鲁科版选修4 化学反应原理第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课时教案

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

目标与素养：1.进一步认识化学平衡状态的特征，能够描述平衡的建立过程。(变化观念与平衡思想)2.了解化学平衡常数的定义。(平衡思想)3.能正确书写给定反应的平衡常数表达式，并能进行相应的简单计算。(证据推理与模型认知)4.理解化学平衡常数的应用及意义。(社会责任)

1．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，生成物浓度的系数次幂之积与反应物浓度的系数次幂之积的比值，用符号K表示。

(2)表达式

以化学反应aA＋bBcC＋dD为例：K＝，单位：(mol·L－1)(c＋d)－(a＋b)。

(3)意义

对于同类型反应，平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度；平衡常数的数值越大，说明反应可以进行得越完全。

(4)影响因素

①内因：反应物的本身性质。

②外因：反应体系的温度。

(5)应用

①判断反应可能进行的程度。

②判断反应是否达到平衡状态。

对化学反应aA＋bBcC＋dD的任意状态有浓度商：Q＝。

③判断反应的热效应。

a．升高温度—

b．降低温度—

2．平衡转化率

(1)表达式

对于化学反应aA＋bBcC＋dD，反应物A的平衡转化率可以表示为

α(A)＝×100%

＝×100%＝×100%。

(2)规律

①同一反应的不同反应物，其转化率可能不同；当按照反应系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，可以提高其他反应物的转化率，而该反应物本身的转化率会降低。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)在任何条件下，化学平衡常数都是一个恒定值。 (　　)

(2)改变反应物浓度或反应产物浓度都会改变平衡常数K。(　　)

(3)平衡常数K既与温度、反应物本身的性质有关，也与反应物浓度、压强有关。               (　　)

(4)从平衡常数K的大小可以推断一个反应进行的程度。 (　　)

(5)N2＋3H22NH3和N2＋H2NH3的平衡常数表达式相同。  (　　)

[提示]　(1)×　不同温度下，化学平衡常数不同。

(2)×　平衡常数只受温度的影响。

(3)×　平衡常数与浓度、压强无关。

(4)√

(5)×　化学平衡常数表达式与方程式的系数有关。

2．下列数据是一些反应的平衡常数的数值，表示反应物转化率最大的是 (　　)

A．K＝1　　　　 B．K＝10－1

C．K＝1010 D．K＝10－10

C　[K值越大说明正反应程度越大，反应物转化率越大。]

3．在恒温恒容下，当反应容器内总压强不随时间变化时，下列可逆反应一定达到平衡的是(　　)

A．A(g)＋B(g)C(g)

B．A(g)＋2B(g)3C(g)

C．A(g)＋B(g)C(g)＋D(g)

D．以上都达到平衡

A　[在恒温恒容下，对于反应前后气体系数不相等的反应，当反应容器内总压强不变时，可逆反应达到平衡。]

1.化学平衡常数应用中的注意事项

(1)化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度、压强、催化剂无关。

(2)反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。

(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，若反应方向改变，则平衡常数变为倒数。若同一反应方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，平衡常数也会改变。

2．化学平衡常数的应用

(1)判断反应进行程度的大小。

(2)判断反应是否平衡及不平衡时的反应方向。

(3)判断反应的热效应。

【例1】　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

[答案]　B

1．已知800 ℃时，化学反应CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)的K＝1试推导在下列浓度下反应进行的方向。

[答案]　a．逆反应　b．平衡　c．正反应

2．在一定体积的密闭容器中，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：

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________反应(填“吸热”或“放热”)。

[解析]　(1)依据反应的化学方程式可知

K＝；

(2)从表格中数据可知，升高温度K值增大，故该反应为吸热反应。

[答案]　(1)　(2)吸热

1.模式——三段式

　　　　　　　　mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)

起始量/(mol·L－1)  a   b    0   0

转化量/(mol·L－1)  mx   nx    px   qx

平衡量/(mol·L－1)a－mx b－nx   px   qx

2．物质浓度的变化关系

(1)反应物：平衡浓度＝初始浓度－转化浓度；

(2)反应产物：平衡浓度＝初始浓度＋转化浓度；

(3)转化浓度之比等于化学方程式中各物质系数之比。

证据推理与模型认知：化学平衡常数和平衡转化率的区别与联系

(1)对某一个具体反应，在温度一定时，只有一个化学平衡常数；但不同反应物的平衡转化率可能不同。故必须指明是哪一反应物的平衡转化率。

(2)平衡常数和平衡转化率都能定量表示化学反应的限度。平衡常数只与温度有关，而平衡转化率的影响因素有温度、浓度、压强等。

(3)温度一定，平衡常数越大，平衡转化率不一定越大。

【例2】　(1)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2 mol·L－1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50%，试求在该温度下，此反应的平衡常数__________________。

(2)在(1)中温度下，若SO2(g)的初始浓度增大到3 mol·L－1，NO2(g)的初始浓度仍为2 mol·L－1，试求达到化学平衡时各物质的浓度______________________

[解析]　(1)设平衡时SO2的浓度为x mol·L－1

　　　　　　　SO2(g)＋NO2(g)SO3(g)＋NO(g)

   2   2    0   0

   2－x 2－x   2－x 2－x

   x   x  2－x 2－x

由题意可知×100%＝50%，x＝1，

K＝＝＝1。

(2)设达平衡时NO的浓度为y mol·L－1，

           SO2(g)＋NO2(g)SO3(g)＋NO(g)

  3   2   0   0

  y   y   y   y

  3－y   2－y   y   y

因为温度不变，平衡常数不变，K＝1

则＝1，y＝1.2

平衡浓度：[SO2]＝3 mol·L－1－1.2 mol·L－1＝1.8 mol·L－1

[NO2]＝2 mol·L－1－1.2 mol·L－1＝0.8 mol·L－1

[SO3]＝[NO]＝1.2 mol·L－1。

[答案]　(1)1　(2)[SO3]＝[NO]＝1.2 mol·L－1，[SO2]＝1.8 mol·L－1，[NO2]＝0.8 mol·L－1

计算(1)中NO2的转化率，(2)中SO2、NO2的转化率并比较，你能得出什么结论？

[答案]　(1)α(NO2)＝×100%＝50%

(2)α(SO2)＝×100%＝40%

α(NO2)＝×100%＝60%

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。

1计算时用浓度而不是物质的量。

2计算时要先列出表达式，再代入数据计算，注意写单位，注意K的单位随表达式不同而有所变化。

3计算数据时要先约简，结果注意有效数字的保留。

某硫酸厂的基本反应是：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，现将0.05 mol SO2(g)和0.03 mol O2注入体积为1.0 L的密闭容器中，并置于某较高温度的恒温环境中，达化学平衡后，测得反应器中有0.04 mol SO3(g)，求：

(1)该温度下反应的平衡常数________。

(2)SO2、O2的平衡转化率________、________。

[解析]　　　　　　　2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)

初始浓度/(mol·L－1)   0.05    0.03       0

转化浓度/(mol·L－1)   0.04    0.02     0.04

平衡浓度/(mol·L－1)   0.01    0.01     0.04

(1)K＝

＝＝1 600 (mol·L－1)－1

(2)α(SO2)＝×100%

＝×100%＝80%

α(O2)＝×100%

＝×100%≈66.7%

[答案]　(1)1 600 (mol·L－1)－1　(2)80%　66.7%

1．一定条件下，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)在容积不变的密闭容器中发生，下列对该反应达到平衡状态的标志的描述中错误的是(　　)

A．混合气体的总分子数不再变化

B．混合气体的颜色不再变化

C．容器的总压强不再变化

D．混合气体的总质量不再变化

D　[该反应为气体分子数改变的反应，恒容条件下，该可逆反应在建立平衡的过程中会有压强的改变、气体总分子数的改变、颜色的改变，一旦这些可变量不变了，则证明反应达到平衡了，而混合气体的总质量在任何情况下都不发生变化。]

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.

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

3．1 000 K下，反应C(s)＋2H2(g)CH4(g)的平衡常数K＝8.28×107(mol·L－1)－1。当各气体的物质的量浓度分别为H2：0.7 mol·L－1，CH4：0.2 mol·L－1时，上述反应(　　)

A．正向进行 B．逆向进行

C．达到平衡 D．无法确定

A　[Q＝≈0.41(mol·L－1)－1＜K，故反应正向进行，A项正确。]

4．将6 mol A和5 mol B混合于4 L密闭容器中，发生反应：3A(g)＋B(g)nC(g)＋2D(g)，5 s后反应达到平衡状态，生成2 mol D和2 mol C，则下列结论中不正确的是    (　　)

A．该温度下反应的化学平衡常数为4/27

B．n值等于2

C．平衡时B的浓度为1 mol·L－1

D．平衡时B的转化率为50%

D　[利用“三段式”法进行计算时，只有转化量与化学方程式中物质的系数成正比，起始量和平衡量与化学方程式中各物质的系数无关。生成C、D的物质的量相等，C、D的系数也相等，n＝2，设转化的B的物质的量为x，则有　　　　　　

3A(g)＋B(g)2C(g)＋2D(g)

初始/mol　　6　　　　5　　　0　　　0

转化/mol   3x   x   2x  2x

平衡/mol  6－3x  5－x   2x   2x

根据题意得2x＝2 mol，x＝1 mol

平衡时B的浓度[B]＝＝1 mol·L－1，转化率α(B)＝×100%＝20%。

K＝＝。]

5．某水煤气工厂在1 200 ℃时测得反应H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)的平衡常数K为2.25。若反应从H2(g)和CO2(g)开始，且H2(g)和CO2(g)的初始浓度均为0.010 mol·L－1时，计算：

(1)各物质的平衡时的浓度为____________________________。

(2)H2(g)和CO2(g)的平衡转化率为________________________。

[答案]　(1)[H2O]＝[CO]＝0.006 mol·L－1，

[CO2]＝[H2]＝0.004 mol·L－1

(2)α[H2]＝α(CO2)＝60%