资源简介

专题3 化学反应原理
第三单元 化学反应速率与化学平衡
第2讲 化学平衡
第2课时 化学平衡常数应用
一、课程标准要求
1．认识化学平衡常数是表示反应限度的物理量。
2．知道化学平衡常数的含义。
3．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。
二、在高中化学教材体系中的地位
化学平衡是中学化学的重要理论之一，是中学化学中所涉及的溶解平衡、电离平衡、水解平衡等知识的核心，对很多知识的学习起着指导作用。通过本章的教学，不仅仅要帮助学生理解有关知识，更重要的是要帮助学生建立化学平衡的观点，以及化学平衡是相对的、当外界条件改变时平衡会发生移动等观点，训练学生的科学方法，并着力培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生在应用化学理论解决一些简单的化工生产实际问题的同时，体会化学理论学习的重要性。
通过化学平衡的学习，有利于构建学生的“变化观念与平衡思想”方面的核心素养。平衡常数、转化率计算、等效平衡内容的学习有利于学生形成解决问题的“模型认知”。
三、思维导图
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四、课时安排建议
第2课时 化学平衡常数应用(1课时)
第2课时 化学平衡常数应用(1课时)
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1：有哪些量可以定量衡量化学反应进行的程度？
[例题1] (2019·潍坊质检)某温度下，在一个2 L的密闭容器中，加入4 mol X和2 mol Y进行如下反应：3X(g)＋2Y(g) 4Z(s)＋2W(g)，反应一段时间后达到平衡，测得生成1.6 mol Z，则下列说法正确的是 ( )
A．该反应的平衡常数表达式是
B．此时Y的平衡转化率是40%
C．增大该体系的压强，平衡常数增大
D．增加Y，Y的平衡转化率增大
[归纳总结]
(一)化学平衡常数
(二)平衡转化率
问题2：计算化学平衡常数的格式
“三段式法” 说明
反应 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) ① 同一反应物,起始量-转化量=平衡量② 同一生成物,起始量+转化量=平衡量③ 各转化量之比 各反应物的化学计量数之比(>、=、<)④K值越大,反应物的转化率越 ,反应进行的程度越
起始/mol a b 0 0
转化/mol mx nx px qx
平衡/mol a-mx b-nx px qx
平衡浓度
平衡常数
A的转化率
[练习1] 将1.00 mol SO2和1.00 mol O2通入1.00L的密闭容器内，1000K时，反应达到平衡，测得平衡时SO3的物质的量浓度为0.925mol/L。计算该温度下反应
2SO3 (g) 2SO2(g) + O2(g)的平衡常数。
(练习1出处：旧教材选修4专题2第二单元书后练习51页第6题。推荐理由：通过具体的问题情境，探究平衡常数的计算，体现“模型认知”和“科学态度”这一素养。)
问题3： 化学平衡常数与化学方程式的关系
化学方程式 平衡常数 方程式的关系 K的关系
① C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) K1 互为逆反应 K2 =
② CO(g)+H2(g)C(s)+H2O(g) K2
③ C(s)+nH2O(g)nCO(g)+nH2(g) K3 化学计量数变为原来的n倍:③=①×n K3 =
④ C(s)+H2O(g)+H2(g)CH3OH(g) K4 方程式相加:④=①+⑤ K4 =
⑤ CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) K5 方程式相减:⑤=④-① K5 =
[练习2]电石(主要成分为CaC2)是重要的基本化工原料。已知2 000 ℃时,电石生产原理如下: ① CaO(s)+C(s) Ca(g)+CO(g) ΔH1=a kJ·mol-1平衡常数K1
② Ca(g)+2C(s) CaC2(s) ΔH2=b kJ·mol-1平衡常数K2
以下说法不正确的是 ( )
A．反应①K1=c(Ca)·c(CO)
B．反应 Ca(g)+C(s) CaC2(s),平衡常数
C．2 000 ℃时增大压强,K1减小、K2增大
D．反应2CaO(s)+CaC2(s) 3Ca(g)+2CO(g) ΔH=(2a-b) kJ·mol-1
(练习2出处： 2018·苏锡常镇一调。推荐理由：通过具体的问题情境，探究平衡常数表达式书写与方程式的关系，体现 “变化观念”这一素养。)
活动二：重难点突破
问题3：怎样利用化学平衡常数K判断化学平衡移动的方向及可逆反应的热效应？
典例简析
[典型题例]一定温度下,有3个体积均为1 L的恒容密闭容器中发生反应CO(g)+H2S(g)COS(g)+H2(g) ΔH=a kJ· mol-1达到平衡。下列说法正确的是 ( )
容器编号 温度/K 起始浓度/mol·L-1 平衡浓度/mol·L-1
CO(g) H2S(g) COS(g) H2(g) COS(g)
1 T1 10.0 7.0 0 0 2.0
2 T1 5.0 3.5 0 0
3 T2 3.0 0 7.0 7.0 1.5
A．若T10
B．T1K时,该反应的平衡常数K=0.1
C．容器1中CO的平衡转化率比容器2小
D．容器3中反应达到平衡后,再充入1.1 mol H2S(g)和0.3 mol H2(g),平衡不移动
(典型题例出处：2019·南京、盐城二模。推荐理由：本题考查平衡常数的计算、应用平衡常数判断化学平衡移动的方向及可逆反应的热效应。 应用三段式法计算平衡常数K、通过K和Qc的关系判断平衡移动的方向、通过化学平衡常数K与温度的变化关系判断可逆反应的热效应，培养了学生的解题规范、培养了学生综合应用所学知识的能力)
[解析] 由题中数据可知,若容器1和3的温度均为T1,二者为等效平衡,COS的平衡浓度均为2.0 mol·L-1,若T1[答案] BD
[小结] ⑴判断反应吸放热通过勒夏特列原理。
⑵通过K和Qc的大小比较来判断平衡移动的方向。
[练习3] 甲胺(CH3NH2)是合成太阳能敏化剂的原料。一定温度下,在三个体积均为2.0 L的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物,发生反应
CH3OH(g)+NH3(g)CH3NH2(g)+H2O(g),测得有关实验数据如下:
容器编号 温度/K 起始物质的量/ mol 平衡时物质的量/ mol
CH3OH(g) NH3(g) CH3NH2(g) H2O(g) CH3NH2(g) H2O(g)
Ⅰ 530 0.40 0.40 0 0 0.30
Ⅱ 530 0.80 0.80 0 0
Ⅲ 500 0 0 0.20 0.20 0.16
下列说法正确的是 ( )
A．正反应的平衡常数K(Ⅰ)=K(Ⅱ)B．达到平衡时,浓度:2c(CH3OH,Ⅰ)>c(CH3OH,Ⅱ)
C．达到平衡时,转化率:α(NH3,Ⅰ)+α(H2O,Ⅲ)<1
D．530 K时,若起始向容器Ⅰ中充入0.10 mol CH3OH、0.15 mol NH3、0.10 mol CH3NH2、0.10 mol H2O,则反应将向逆反应方向进行
[例题2] 在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是 ( )
A．反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)的ΔH>0
B．图中X点所示条件下，延长反应时间能提高NO转化率
C．图中Y点所示条件下，增加O2的浓度不能提高NO转化率
D．380℃下，c起始(O2)=5.0×10-4mol·L-1，NO的平衡转化率为50%，则平衡常数k>2000
(例题2出处：2019年江苏高考试题。推荐理由：此题设计了并没有完全给出所有反应物浓度而进行平衡常数K的计算问题，对于习惯了给出所有反应物的初始量进行平衡常数计算学生来说可能有点促手不及。但是实际上这还是常态化(三段式法)的计算，当然要利用好反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)中NO、NO2的系数相等且NO的转化率是50%就不难解决此问题。此题通过常态化的解题模式实现学生的深度思考，体现了“模型认知”的重要性。
问题4：根据平衡常数K与浓度熵Qc、平衡常数K与温度关系，建立平衡常数K应用的思维导图。
活动三：巩固提升
1．在容积固定的密闭容器中,进行反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),其化学平衡常数K和温度T的关系如下表所示。下列说法中正确的 ( )
T(℃) 700 800 830 1 000 1 200
K 0.6 0.9 1.0 1.7 2.6
A．该反应正反应是吸热反应
B．升高温度,正反应速率加快,逆反应速率减慢
C．该反应达到平衡的标志是压强不再发生改变
D．830℃时平衡常数为1.0,即在此温度下CO2的转化率为50%
2．(2019·连云港模拟)一定条件下,反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)(开始时只投入NH3)达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如下图所示。下列说法正确的是 ( )
A．压强:p1>p2
B．b、c两点对应的平衡常数:Kc>Kb
C．a点:2v(NH3)正=3v(H2)逆
D．a点:NH3的转化率为14
3． 700 ℃时，H2(g)＋CO2(g) H2O(g)＋CO(g)。该温度下，在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中投入H2和CO2，起始浓度如下表所示，其中甲经2 min达平衡时，v(H2O)为0.025mol·L－1·min－1，下列判断错误的是 ( )
起始浓度 甲 乙 丙
c(H2)/mol·L－1 0.10 0.20 0.20
c(CO2)/mol·L－1 0.10 0.10 0.20
A．平衡时，乙中CO2的转化率为50%
B．平衡时，丙中c(CO2)是甲中的2倍
C．温度升至800 ℃，上述反应平衡常数为 ，则正反应为吸热反应
D．其他条件不变，若起始时向容器乙中充入0.10mol·L－1 H2和0.20mol·L－1 CO2，到达平衡时c(CO)不变
4． 一定条件下进行反应：COCl2(g) Cl2(g)＋CO(g)。向2.0 L恒容密闭容器中充入1.0mol COCl2(g)，经过一段时间后达到平衡。反应过程中测得的有关数据见下表：
t/s 0 2 4 6 8
n(Cl2)/mol 0 0.30 0.39 0.40 0.40
下列说法正确的是 ( )
A．保持其他条件不变，升高温度，平衡时c(Cl2)＝0.22mol·L－1，则反应的ΔH<0
B．若在2 L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器中进行该反应，化学平衡常数不变
C．保持其他条件不变，起始向容器中充入1.2mol COCl2、0.60mol Cl2和0.60mol CO，反应达到平衡前的速率：v(正)>v(逆)
D．保持其他条件不变，起始向容器中充入1.0mol Cl2和0.8mol CO，达到平衡时，Cl2的转化率小于60%
5． (2019·扬州四模)0.1mol CO2与0.3mol C在恒压密闭容器中发生反应：CO2(g)＋C(s) 2CO(g)。平衡时，体系中各气体的体积分数与温度的关系如下图。已知：用气体分压表示的化学平衡常数 ；气体分压(p分)＝气体总压(p总)×体积分数。下列说法正确的是 ( )
A．650℃时，CO2的平衡转化率为25%
B．800℃达平衡时，若充入气体He，v正C．T℃达平衡时，若充入等体积的CO2和CO时，v正>v逆
D．925℃时，用平衡气体分压表示的化学平衡常数Kp＝23.04p总
6．
(1) (2018·镇江一模)由CuCl水解再热分解可得到纳米Cu2O。CuCl水解反应为CuCl(s)+H2O(l)CuOH(s)+Cl-(aq)+H+(aq)。该反应的平衡常数K与此温度下Kw、Ksp(CuOH)、Ksp(CuCl)的关系为K= 。
(2) Cu2O与ZnO组成的催化剂可用于工业上合成甲醇:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH=akJ·mol-1。按 投料比将H2与CO充入VL恒容密闭容器中,在一定条件下发生反应,测定CO的平衡转化率与温度、压强的关系如下图所示。
起始时,c(H2)=0.20mol·L-1、c(CO)=0.10mol·L-1。在p3及T1℃下反应达到平衡,此时反应的平衡常数为 。
[参考答案]
1． A
解析：根据表格知,升高温度,化学平衡常数增大,说明升高温度该反应向正反应方向移动,则正反应是吸热反应,A正确;升温对反应速率的影响是正逆反应速率都增大,增大程度不同,吸热反应方向进行的程度大,B错误;当正逆反应速率相等时该反应达到平衡状态,该反应是一个反应前后气体体积不变的可逆反应,压强只改变反应速率但不影响平衡移动,反应过程中和平衡状态下都是压强不变状态,不能说明反应达到平衡,C错误;平衡常数为1,说明c(CO2)×c(H2)=c(CO)×c(H2O),起始量不知不能计算转化率,D错误。
2． BD
解析：若p1>p2,图中压强越大,氮气的体积分数越大,而增大压强反应逆向移动,氮气的体积分数减小,二者不一致,A错误;由图可知,升高温度氮气的体积分数增大,则正反应为吸热反应,K与温度有关,c点温度高,则b、c两点对应的平衡常数:Kc>Kb,B正确;a点为平衡点,不同物质的正逆反应速率之比等于化学计量数之比,则满足3v(NH3)正=2v(H2)逆,C错误;a点氮气的体积分数为0.1,设开始的氨气为x,转化的氨气为y,则 ,解得y=0.25x,NH3的转化率为 ,D正确。
3．A
解析：甲经2 min达平衡时,v(H2O)=0.025mol·L-1·min-1,c(H2O)=0.025mol·L-1·min-1×2 min=0.05mol·L-1
H2(g)+CO2(g) H2O(g)+CO(g)
起始量/mol ·L-1: 0.10 0.10 0 0
变化量/mol·L-1: 0.05 0.05 0.05 0.05
平衡量/mol·L-1: 0.05 0.05 0.05 0.05
二氧化碳转化率 ,乙可以看作是在甲平衡状态下加入0.10mol·L-1氢气,平衡正向移动,二氧化碳转化率增大,则乙中CO2的转化率大于50%,A错误;丙起始量是甲起始量的2倍,反应前后气体物质的量不变,所以丙中二氧化碳浓度是甲中二氧化碳浓度的2倍,B正确;依据A中分析计算平衡常数 ,温度升至800 ℃,上述反应平衡常数为 ,说明升温平衡正向移动,正反应为吸热反应,C正确;两平衡等效,故c(CO)不变,D正确。
4．D
解析：反应平衡时氯气的浓度为0.20mol·L-1,升高温度Cl2的平衡浓度变大,平衡正向移动,正反应为吸热反应,ΔH>0,A项错误;绝热容器中温度发生变化,平衡常数改变,B项错误;由表中数据可知,平衡时COCl2、Cl2、CO的浓度分别为0.30mol·L-1、0.20mol·L-1、0.20mol·L-1, ,按C项充入时, ,故反应逆向进行,v(逆)>v(正),C项错误;充入1.0mol Cl2和1.0mol CO,Cl2的转化率为60%,CO的充入量减少,Cl2的转化率降低,D项正确。
5．AD
解析：由图知,650℃时,CO的体积分数为40.0%,
反应: CO2(g)+C(s) 2CO(g)
起始 0.1mol 0
转化 xmol 2xmol
平衡 (0.1-x)mol 2xmol
CO的体积分数为 ,得x=0.025mol,CO2的转化率 ,
A项正确；该容器为恒压容器,充入He,容器体积增大,平衡体系分压压强减小,平衡将正向移动,则有v正>v逆,B项错误;从图知,T℃达平衡时,n(CO)=n(CO2),恒压时若充入等体积的CO2和CO时,平衡不移动,则v正=v逆,C项错误;925℃时,CO体积分数为96%,CO2体积分数为4%, ,D项正确。
6． (1) Kw·Ksp(CuCl)Ksp(CuOH) (2) 46.3
解析：(1) 该反应平衡常数的表达式为K=c(Cl-)·c(H+),而Kw=c(H+)·c(OH-)、Ksp(CuCl)=c(Cl-)·c(Cu+)、Ksp(CuOH)=c(OH-)·c(Cu+),故四者的关系为
(2) 在p3及T1下达到平衡时CO的转化率是40%,即消耗0.04mol·L-1CO,根据化学方程式可知,CO的平衡浓度为0.06mol·L-1,氢气的平衡浓度为0.12mol·L-1,甲醇的平衡浓度为0.04mol·L-1,所以该温度下反应的平衡常数K=0.040.06×0.122=46.3。
二、教学建议
1．务必抓纲务本：复习应以教材、考纲和高考试题为出发点和落脚点，防止被资料牵着鼻子走、盲目补充和拓展的倾向。
2．侧重构建网络：将零散知识网络化是一轮复习的基本思路。
3．认真组织过程，落实复习要求：
(1) “概念求准”——如v正、v逆、活化分子、平衡特征、平衡标志等概念理解准确；
(2) 理论求透——如勒夏特列原理，通过实验回顾、速率分析、模型建立来理解，最后巧用比喻“对着干”来小结；
(3) 计算求活——如定义式法、列三行法、一边倒法、极限法等；
(4) 运用求宽——理论的价值体现在应用，应注意化学平衡与日常生活中的现象和在工业生产实际中的应用，以及与电离平衡、水解平衡、溶解平衡等其它动态平衡的整合等。要通过精心组织复习过程来达到上述要求。
4．迁移变换拓展：以高考试题为原型，变换出有价值的规律和实用技巧，是一项很重要的思维活动。
5．纠正高频错点：通过练习、辅导、测验等途径发现比较普遍的错误，找原因、讲方法、再做变式练习，以提高审题能力、排除干扰的能力。
6．时常滚动练习，加深理解记忆。
三、情境素材
1．生活中的化学平衡之一——怎样吃菠菜
动画片《大力水手》中，每当大力水手吃下一罐菠菜后就会变得力大无穷。菠菜有这样大的作用，这是影片的夸张手法，但菠菜的确含有一定的营养成分，如维生素、铁质等。然而，大力水手大量地吃菠菜是错误的。因为过量食用菠菜，会造成人体缺钙。这个道理要从食用菠菜中存在的电离平衡说起。
菠菜中含有一种叫草酸的物质，其学名是乙二酸，结构简式为HOOC-COOH，味苦涩，溶于水，是二元弱酸：
HOOC-COOH HOOC-COO－+ H+ HOOC-COO－ －OOC－COO－+ H+
草酸进入人体后，在胃酸作用下，电离平衡向左移动。以分子形式存在的草酸，从药理上看，是一种有毒的物质，过量的草酸会腐蚀胃黏膜，还会对肾脏造成伤害，另外，草酸会跟人体内的Ca2+形成草酸钙沉淀，使摄入的钙质不易被利用，造成人体缺钙。那怎样才能吸收菠菜中的营养，又不被草酸伤害呢？
一种方法是除去草酸，即在油炒前，先将菠菜用热水烫一烫，草酸溶于水而除去，且这样炒的菠菜没有苦涩味。
另一种方法是把草酸转化为沉淀，这就是“菠菜烧豆腐”的方法。每100 g菠菜中含300 mg草酸，每100 g豆腐约含240 mg钙，因此，每70 g豆腐中的Ca2+，可以结合100 g菠菜中的草酸(不含菠菜自身的钙)，当大部分草酸跟钙结合，可使涩味大大降低，菜肴更加美味可口。草酸钙进入人体，部分被胃酸溶解，溶解后形成的Ca2+仍能被人体吸收，未溶解的部分则排出体外。因此，食物中的Ca2+正好是草酸的解毒剂，豆腐中损失的钙可以由其他食物补充。
2．生活中的化学平衡之二——酒精测定仪中的化学平衡
在公路上，常能见到交警拦下可疑车辆检查，请司机向一仪器中吹一口气，如果测定仪中橙红色的物质变为绿色，司机就要受到处罚，因为他饮酒后驾车，违反道路交通管理条例。
酒精仪中的橙红色物质是重铬酸钾，人饮酒后，血液中酒精含量增多，人呼出的气体中有乙醇的蒸气，遇到测定仪中的重铬酸钾，便发生如下的反应：
Cr2O72－+ 3C2H5OH + 8H+=2Cr3+＋3CH3CHO + 7H2O
橙红色的Cr2O72－转化为绿色的Cr3+，便能测出人呼出的气体中有乙醇成分。然而酒精测定仪中还要加入硫酸，一方面上述反应要在酸性溶液中进行，同时要防止Cr2O72－转化为CrO42-，即：2CrO42－ + 2H+ Cr2O72－ + H2O 。这就是酒精测定仪中的化学平衡。
3．生活中的化学平衡之三——洗涤剂的有效利用
我们知道，油性污垢中的油脂成分因不溶于水而很难洗去。油脂的化学组成是高级脂肪酸的甘油酯，如果能水解成高级脂肪酸和甘油，那就很容易洗去。
油脂水解的方程式是：(RCOO)3C3H5 + 3H2O3RCOOH + C3H5(OH)3。这是一个可逆反应，日常生活中以洗衣粉(或纯碱)作洗涤剂，其水溶液呈碱性，能与高级脂肪酸作用，使化学平衡向正反应方向移动。高级脂肪酸转化为钠盐，在水中溶解度增大，因此油污容易被水洗去。在日常生活中，洗衣粉等洗涤剂易溶于温水(特别是加酶洗衣粉)是由于温度升高，洗衣粉溶解度增大，即：浓度较大。温水有利于酶催化蛋白质等高分子化合物水解，同时蛋白质的水解、油脂的水解都是吸热反应，适当提高水温，会使洗涤效果更佳，但也应该注意，一味追求高水温会降低酶的催化能力，使其失去活性，从而降低洗涤效果。
4．生活中的化学平衡之四——自来水消毒
近年来，某些自来水厂在用液氯消毒自来水时，还加入少量液氨，这是什么原因呢？首先要明确液氯作自来水消毒剂的原理：氯气与水发生反应生成盐酸和次氯酸，其中次氯酸有强氧化性，能杀灭水中细菌，其化学方程式为：
Cl2＋H2OHCl ＋HClO。 但是，次氯酸不稳定，受热或见光发生分解：2HClO = 2HCl + O2↑，使得消毒时间缩短，从而降低消毒的效果。
当向氯水中加入液氨时，液氨与氯水中的次氯酸有如下反应：
NH3＋HClOH2O＋NH2Cl，而NH2Cl较HClO稳定。
体系中的次氯酸同时满足两个平衡，其消毒杀菌后，由于浓度逐渐减小，使平衡向生成次氯酸的方向进行，当次氯酸浓度较高时，平衡向生成NH2Cl的方向移动，相当于暂时“贮存”，避免其分解所带来的损失。这样就延长了液氯的消毒时间。
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