资源简介 第21讲 化学平衡 化学平衡常数及计算备考导航复习目标 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之间的联系。熟记网络课前自测 判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。(1) (2024·常州期末)取两份新制氯水,分别滴加AgNO3溶液和淀粉碘化钾溶液,观察实验现象,判断氯气与水的反应是否存在限度( )(2) (2024·如东中学)探究反应Fe2++Ag+Fe3++Ag存在限度:将0.1 mol/L AgNO3溶液与0.21 mol/L Fe(NO3)2溶液等体积混合后,取出两份混合液分别滴加KSCN溶液和K3[Fe(CN)6]溶液( )(3) (2024·南通三模)已知反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)达到平衡状态时,v逆(SO3)=2v正(O2) ( )(4) 4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g),断裂1 mol N—H的同时形成1 mol H—O,说明反应达到平衡状态( )(5) (2020·江苏卷)反应SiCl4(g)+2H2(g)Si(s)+4HCl(g)可用于纯硅的制备。该反应的平衡常数K=( )(6) (2024·南通三模)反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),其他条件相同,增大压强,平衡常数增大( )(7) 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),使用优质催化剂,平衡时体系中的值增大( )(8) (2018·江苏卷)右图是CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的平衡常数与反应温度的关系曲线,说明该反应的ΔH<0( )(9) (2024·前黄中学)已知Fe(SO2)呈红棕色。将SO2气体通入FeCl3溶液中,溶液先变为红棕色,过一段时间又变成浅绿色,说明Fe3+和SO2络合反应速率比氧化还原反应速率快,但氧化还原反应的平衡常数更大( )考点1 可逆反应和化学平衡状态知 识 梳 理可逆反应的概念在同一条件下,既能向正反应方向进行,又能向逆反应方向进行的化学反应。化学平衡状态1. 概念:一定条件下的______反应中,正反应速率与逆反应速率______,反应体系中所有参加反应的物质的______保持不变的状态。2. 建立过程在一定条件下,把反应物加入固定容积的密闭容器中,平衡的建立过程如图所示: (1) 反应开始:反应物浓度最大,v正最大;生成物浓度为0,v逆=0。(2) 反应过程:反应物浓度逐渐减小,v正减小;生成物浓度逐渐增大,v逆增大。(3) 达到平衡:v正=v逆≠0,混合物中各组分的浓度保持不变。3. 平衡特点(1) 逆:化学平衡研究的对象是可逆反应。(2) 动:化学平衡是动态平衡。(3) 等:v正=v逆≠0。(4) 定:各组分的浓度保持不变。(5) 变:条件改变,平衡状态可能改变,在新的条件下建立新的平衡。4. 平衡状态的本质特征v正=v逆,各组分的浓度保持不变。(1) v正=v逆(2) 各组分的浓度保持不变,或各组分的质量、物质的量、百分含量、质量分数等保持不变的状态,也是平衡状态。典 题 悟 法 (2024·苏锡常镇二模) Haber-Bosch法合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ/mol。工业上将原料以n(N2)∶n(H2)=1∶2.8投入合成塔。下列说法正确的是( )A. 从合成塔排出的气体中,n(N2)∶n(H2)>1∶2.8B. 当3v正(H2)=2v逆(NH3)时,反应达到平衡状态C. 使用高效催化剂可降低反应的焓变D. 升高温度,正反应速率减小,逆反应速率增大深度指津化学平衡状态判断1. 有气体参加的反应,气体的总压强、总体积、总物质的量不变时,若反应前后气体分子数不变的反应,则不一定达到平衡;若是反应前后气体分子数改变的反应,则达到平衡。2. 气体的密度、气体的平均相对分子质量不变时,要具体分析各表达式中的分子或分母变化情况,判断是否平衡(若体系中各组分均为气体,气体质量守恒;若体系中不全是气体,要注意气体质量变化)。3. 若平衡体系中的物质有颜色,则平衡体系的颜色不变时,达到平衡。4. 若根据化学键的断裂与形成判断,要考虑分子中共价键的数目。例 ①混合气体的压强;②混合气体的密度;③混合气体的总物质的量;④混合气体的平均相对分子质量;⑤混合气体的颜色;⑥各反应物或生成物的浓度之比等于化学计量数之比;⑦某种气体的百分含量。在一定温度下的恒容容器中,当以上物理量不再发生变化时(填序号,下同):(1) 能说明N2(g)+3H2(g)2NH3(g)达到平衡状态的是____________。(2) 能说明I2(g)+H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是______。(3) 能说明2NO2(g)N2O4(g)达到平衡状态的是_______________。(4) 能说明C(s)+CO2(g)2CO(g)达到平衡状态的是_______________。(5) 能说明NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)达到平衡状态的是_________。(6) 能说明5CO(g)+I2O5(s)5CO2(g)+I2(s)达到平衡状态的是_________。考点2 化学平衡常数及计算知 识 梳 理化学平衡常数1. 概念:在一定温度下,达到平衡的可逆反应中,其化学平衡常数用生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值表示。2. 表达式:对于可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),在一定温度下达到化学平衡时,K=_______________。3. 意义:(1) K值越大,反应进行的程度越大,反应物的转化率越大。当K>105时,该反应可视为进行完全;当K<10-5时,该反应很难进行。(2) K值的大小只能预示某种可逆反应向某方向进行的最大限度,但不能预示反应达到平衡所需要的时间。4. 影响因素:一个可逆反应的K仅受______影响,与反应物或生成物的浓度变化无关。1. 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。2. 化学平衡常数与化学方程式的关系化学方程式 平衡常数 方程式之间的关系 K之间的关系①C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) K1 反应①和反应②互为逆反应 K2=(______)②CO(g)+H2(g)C(s)+H2O(g) K2③nC(s)+nH2O(g)nCO(g)+nH2(g) K3 反应③的化学计量数是反应①的n倍 K3=K(_________)④C(s)+H2O(g)+H2(g)CH3OH(g) K4 反应①+反应⑤可得反应④ K4=K1·K5(______)⑤CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) K5 反应④-反应①可得反应⑤ K5=(______)3. “三段式”法计算平衡常数K mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)起始/mol a b 0 0变化/mol mx nx px qx平衡/mol a-mx b-nx px qxK=(V为容器容积)4. 平衡常数的应用(1) 利用化学平衡常数K判断可逆反应的热效应若温度升高,K增大,则正反应为___热反应;若温度升高,K减小,则正反应为___热反应。(2) 判断反应是否达到平衡状态或平衡移动的方向Q平衡转化率1. 含义:某一可逆反应达到平衡状态时,转化为目标产物的某种原料的量占该种原料起始量的百分数。2. 表达式:α=×100%=×100%=×100。转化率与平衡转化率1. 转化率分为平衡前转化率和平衡转化率,图像没有说明的话要从这两个角度分析:即平衡前和平衡后。2. 催化剂影响平衡前转化率,速率越快,平衡前转化率就越高;而催化剂不影响平衡移动,所以不影响平衡转化率。3. 涉及转化率问题,首先看是不是平衡转化率,若为非平衡状态的转化率,则侧重分析温度、压强、浓度、催化剂对反应快慢的影响,催化剂的选择性(主、副反应)对反应快慢的影响;若为平衡状态的转化率,则侧重分析温度、压强、浓度对化学平衡的影响,有时也涉及温度对催化活性的影响。例 (2023·如东期初)CO2和H2催化合成CH4。主要发生反应为CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-165 kJ/mol,一定温度和压强下,将一定比例CO2和H2分别通过装有两种不同催化剂的反应器,反应相同时间,测得CO2转化率随温度变化情况如图所示。(1) 高于320 ℃后,用Ni作催化剂,CO2转化率明显上升,其原因是_______________________________ ______________________________________________________________________________________________________________。(2) 高于320 ℃后,用Ni-CeO2作催化剂,CO2转化率略有下降,可能原因是________________________ _____________________________________________________________________________________________________________________。常用计算公式1. 产率=×100%。2. 某组分的体积分数=×100%。典 题 悟 法化学平衡常数表达式及计算 (1) (2023·江苏卷)Mg(OH)2+H2SO3===MgSO3+2H2O,其平衡常数K与Ksp[Mg(OH)2]、Ksp(MgSO3)、Ka1(H2SO3)、Ka2(H2SO3)的代数关系式为K=_______________。(2) (2023·南通二模)结合反应的平衡常数解释用MnF2能除去Ca2+(MnF2+Ca2+CaF2+Mn2+)的原因:________________________________________________________________________________________ ___________________________________。已知:Ksp(MnF2)=1.2×10-3,Ksp(CaF2)=1.6×10-10。化学平衡常数综合应用 (2022·邗江期中)甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。已知:制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学平衡常数如下表所示。化学反应 平衡常数 温度/℃500 800①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) K1 2.5 0.15②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) K2 1.0 2.5③3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g) K3(1) 根据反应①②可推导出K1、K2与K3之间的关系,则K3=_______________(用K1、K2表示)。(2) 反应③的ΔH___0(填“>”或“<”)。(3) 500 ℃时测得反应③在某时刻H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的浓度相等,且均为0.1 mol/L,则此时v正___v逆(填“>”“=”或“<”)。(4) 某温度下,在2 L恒容密闭容器中加入CH3OH(g)发生反应:2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g),测得有关数据如下。反应时间/min 0 1 2 3 4n(CH3OH)/mol 1.02 0.62 0.42 0.32 0.32①反应在2 min内以CH3OCH3(g)表示的化学反应速率为____________________________________。②该温度下,反应的平衡常数约为_________。深度指津化学平衡常数的计算一、 压强平衡常数(Kp)1. 以aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)为例,Kp=[p(X):X在平衡体系中物质的量分数(或体积分数)×总压强]。2. 计算方法(1) 根据“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度。(2) 计算各气体组分的物质的量分数或体积分数。(3) 根据分压计算公式求出各气体物质的分压,某气体的分压=气体总压强×该气体的体积分数(或物质的量分数)。(4) 根据平衡常数计算公式代入计算。以N2和H2合成NH3反应为例,设平衡时总压为p0。 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始/mol 1 3 0变化/mol 0.5 1.5 1平衡/mol 0.5 1.5 1平衡时p(N2)=p0、p(H2)=p0、p(NH3)=p0。Kp==。例1 利用废弃的H2S的热分解可生产H2:2H2S(g)2H2(g)+S2(g)。现将0.20 mol H2S(g)通入某恒压(压强p=a MPa)密闭容器中,在不同温度下测得H2S的平衡转化率如图所示。已知:对于气相反应,用某组分(B)的平衡压强(pB)代替物质的量浓度(cB)也可表示平衡常数。温度为T4时,该反应的平衡常数Kp=___MPa(用含a的代数式表示)。二、 多重平衡平衡常数计算例2 CO2经催化加氢可以生成低碳烃,主要有以下两个竞争反应:反应Ⅰ. CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g);反应Ⅱ. 2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)。为分析催化剂对反应的选择性,在1 L恒容密闭容器中充入2 mol CO2和4 mol H2,测得有关物质的物质的量随温度变化如图所示。该催化剂在较低温度时主要选择_________(填“反应Ⅰ”或“反应Ⅱ”)。520 ℃时,反应Ⅰ的平衡常数K=___(只列算式不计算)。三、 速率常数与平衡常数对于基元反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),v正=k正·ca(A)·cb(B),v逆=k逆·cc(C)·cd(D),平衡常数K==,反应达到平衡时v正=v逆,故K=。例3 T1时,在容积为2 L的恒容密闭容器中发生反应:2NO(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH<0。实验测得:v正=v消耗(NO)=2v消耗(O2)=k正·c2(NO)·c(O2),v逆=v消耗(NO2)=k逆·c2(NO2),k正、k逆为速率常数,只受温度影响。不同时刻测得容器中n(NO)、n(O2)如表:时间/s 0 1 2 3 4 5n(NO)/mol 0.20 0.10 0.08 0.07 0.06 0.06n(O2)/mol 0.10 0.05 0.04 0.035 0.03 0.03Ⅰ. 0~2 s内,v(NO)=____________ mol/(L·s)。Ⅱ. T1时,化学平衡常数K=_________(结果保留整数)。Ⅲ. 化学平衡常数K与速率常数k正、k逆的数学关系是K=___。若将容器的温度改变为T2时,k正=k逆,则T2___(填“>”“<”或“=”)T1。1. (2023·如皋一检)工业上用甲烷催化法可以制取乙烯,发生反应:2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g) ΔH>0。T ℃,向体积为2 L的密闭容器中充入1 mol CH4,测得反应过程中部分物质的物质的量随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )A. 0~20 min内,v(H2)=0.04 mol/(L·min)B. 反应在14 min时达到平衡C. 该反应的化学平衡常数K=6.4D. T ℃时,若起始向容器中充入CH4、C2H4、H2均为1 mol,则反应正向进行2. (2022·高邮质检)已知:①2CO(g)+SO2(g)S(l)+2CO2(g) ΔH1=-37.0 kJ/mol②2H2(g)+SO2(g)S(l)+2H2O(g) ΔH2=+45.4 kJ/mol(1) 写出CO(g)与H2O(g)反应生成CO2(g)、H2(g)的热化学方程式:______________________________________________________________________________________________________________________________。若该反应在恒温恒容体系中进行,达到平衡的标志为______(填字母)。A. 单位时间内,生成n mol CO的同时生成n mol CO2B. 混合气体的密度保持不变C. 混合气体的总压强保持不变D. H2O(g)与H2(g)的体积比保持不变(2) 反应②的活化能:E正___(填“>”“<”或“=”)E逆。(3) T ℃,向10 L恒容密闭容器中充入2 mol CO(g)、2 mol SO2(g)和2 mol H2(g),发生反应①和②,5 min达到平衡时,CO2(g)和H2O(g)的物质的量分别为1.6 mol、1.8 mol。T ℃时,反应②的平衡常数K=_______________。3. (2023·江苏卷)合成尿素[CO(NH2)2]是利用CO2的途径之一。尿素合成主要通过下列反应实现:反应Ⅰ. 2NH3(g)+CO2(g)===NH2COONH4(l)反应Ⅱ. NH2COONH4(l)===CO(NH2)2(l)+H2O(l)(1) 密闭体系中反应Ⅰ的平衡常数(K)与温度的关系如图所示,反应Ⅰ的ΔH ______(填“=0”或“>0”或“<0”)。(2) 反应体系中除发生反应Ⅰ、反应Ⅱ外,还发生尿素水解、尿素缩合生成缩二脲[(NH2CO)2NH]和尿素转化为氰酸铵(NH4OCN)等副反应。尿素生产中实际投入NH3和CO2的物质的量之比为n(NH3)∶n(CO2)=4∶1,其实际投料比值远大于理论值的原因是__________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________。4. (1) (2023·徐州期中)MnS(s)+2H+(aq)Mn2+(aq)+H2S(aq),其平衡常数K与Ksp(MnS)、Ka1(H2S)、Ka2(H2S)的代数关系式为K=___。(2) (2024·苏州、海门、淮阴、姜堰中学期初)HCO可以发生自耦电离:2HCOH2CO3+CO,其平衡常数的数值K=_____________________(已知:H2CO3的Ka1=4.2×10-7、Ka2=5.6×10-11)。(3) (2023·南京六校调研)S2-(aq)+2[Ag(S2O3)2]3-(aq)Ag2S(s)+4S2O(aq),平衡常数的数值K=__________________(已知:Ksp(Ag2S)=1×10-50,Ag+(aq)+2S2O(aq)[Ag(S2O3)2]3-(aq) K1=1×1013)。(4) (2024·如皋期初)已知:①Ksp(CuCl)≈1×10-7,②反应2Cu+===Cu+Cu2+平衡常数K≈1×106。有人预设用反应Cu(s)+Cu2++2Cl-===2CuCl(s)制备CuCl(s),试预测该反应进行的程度大小:__________________(填“几乎完全反应”或“几乎不反应”)。第21讲 化学平衡 化学平衡常数及计算[备考导航](1) × (2) × (3) √ (4) × (5) √ (6) × (7) × (8) √ (9) √考点1[知识梳理]知识2 1. 可逆 相等 浓度[典题悟法]典例1 A 【解析】 将原料以n(N2)∶n(H2)=1∶2.8投入合成塔,参与反应的N2和H2物质的量之比为1∶3,消耗比小于投料比,故排出的气体中,n(N2)∶n(H2)>1∶2.8,A正确;当2v正(H2)=3v逆(NH3)时,反应达到平衡状态,B错误;使用高效催化剂不会改变反应的焓变,C错误;升高温度,正、逆反应速率都增大,D错误。[深度指津]例 (1) ①③④⑦ (2) ⑤⑦ (3) ①③④⑤⑦ (4) ①②③④⑦ (5) ①②③ (6) ②④⑦考点2[知识梳理]知识1 2. 4. 温度[常考归纳] 2. 倒数 n次幂 相乘 相除4. (1) 吸 放解疑释惑283. 例 (1) 320 ℃后,Ni催化剂活性随温度升高而增大,与温度升高共同使反应速率迅速增大,CO2转化率增大(2) 320 ℃时,该反应已达到平衡,升高温度,平衡正向进行程度减小(平衡常数减小),CO2转化率下降【解析】 (1) 由图可知,320 ℃时,Ni-CeO2的催化活性强于Ni的催化活性,以Ni-CeO2为催化剂时,催化合成反应已达到平衡,而以Ni为催化剂时,催化合成反应未达到平衡,320 ℃后,升高温度,反应速率加快,反应相同时间时CO2的转化率增加。(2) 由图可知,320 ℃时,以Ni-CeO2为催化剂时,该反应已达到平衡,反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,CO2的转化率减小。[典题悟法]典例2 (1) (2) 该反应的平衡常数K=7.5×106>105,正向进行程度很大,可以将Ca2+完全除去【解析】 (1) 由Mg(OH)2+H2SO3===MgSO3+2H2O知,K==××=××=。(2) 反应:MnF2+Ca2+CaF2+Mn2+的平衡常数K=====7.5×106>105,正向进行程度很大,可以将Ca2+完全除去。典例3 (1) K1·K2 (2) < (3) <(4) ①0.075 mol/(L·min) ②1.2【解析】 (1) 由盖斯定律可知,反应①+反应②=反应③,则K3=K1·K2。(2) 由表格数据可知,500 ℃时,K3=2.5×1.0=2.5;800 ℃时,K3=0.15×2.5=0.375,升高温度,反应③的平衡常数减小,说明平衡逆向移动,正反应为放热反应,ΔH<0。(3) 500 ℃时,反应③在某时刻的浓度商Q==100>2.5=K,反应逆向进行,正反应速率小于逆反应速率。(4) ①由题可知,2 min 内,以CH3OH表示的化学反应速率==0.15 mol/(L·min),则以CH3OCH3 (g)表示的化学反应速率为0.075 mol/(L·min)。②由表格数据可知,该温度下,3 min时反应达到平衡,CH3OH的浓度为0.16 mol/L,CH3OCH3和水蒸气的浓度都为0.175 mol/L,平衡常数K=≈1.2。[深度指津]例1 例2 反应Ⅰ 例3 Ⅰ. 0.03 Ⅱ. 363 Ⅲ. >[质量评价]1. D 【解析】 物质的量减少的为反应物,物质的量增加的为生成物,由图可知,20 min时达到平衡,Δn(CH4)=1.0 mol-0.2 mol=0.8 mol,v(H2)=v(CH4)==0.02 mol/(L·min),A、B错误;平衡时,CH4、C2H4、H2的浓度依次为0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L,平衡常数K==3.2,C错误;T ℃时,若起始向容器中充入CH4、C2H4、H2均为1 mol,Q==0.5<3.2=K,反应正向进行,D正确。2. (1) CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=-41.2 kJ/mol AD (2) > (3) 2 700【解析】 (1) 由盖斯定律知,×(反应①-反应②)得CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),则ΔH=×(ΔH1-ΔH2)=×(-37.0-45.4) kJ/mol=-41.2 kJ/mol。单位时间内,生成n mol CO的同时生成n mol CO2,正、逆反应速率相等,说明反应达到平衡状态,A正确;容器容积和气体质量始终不变,混合气体的密度始终不变,不能说明反应已经达到平衡状态,B错误;反应为气体分子数不变的反应,混合气体的总压强为定值,不能说明反应已经达到平衡状态,C错误;H2O(g)与H2(g)的体积比保持不变,则平衡不再移动,说明反应达到平衡状态,D正确。(2) 反应②为吸热反应,正反应的活化能大于逆反应的活化能。(3) 根据H、C、O守恒可知,平衡时,H2、SO2、H2O(g)分别为0.2 mol、0.3 mol 、1.8 mol,反应②的平衡常数K==2 700。3. (1) <0 (2) 抑制尿素水解,抑制尿素缩合生成缩二脲,提高CO(NH2)2的产率,氨气与二氧化碳的投料比越大,二氧化碳的转化率越高【解析】 (1) 由图甲可知,随着温度的升高,反应Ⅰ的lg K减小,即K随着温度的升高而减小,说明反应Ⅰ是放热反应,ΔH<0。(2) 尿素水解的化学方程式为CO(NH2)2+H2O===CO2↑+2NH3↑,尿素缩合生成缩二脲的化学方程式为2CO(NH2)2===(NH2CO)2NH+NH3↑,尿素转化为氰酸铵(NH4OCN)的化学方程式为CO(NH2)2===NH4OCN,前2个副反应中均生成NH3,故尿素生产中实际投入NH3和CO2的物质的量之比为n(NH3)∶n(CO2)=4∶1,其实际投料比值远大于理论值的原因是抑制尿素水解,抑制尿素缩合生成缩二脲,提高CO(NH2)2的产率,氨气与二氧化碳的投料比越大,二氧化碳的转化率越高。4. (1) (2) 1.3×10-4 (3) 1×1024 (4) 几乎完全反应【解析】 (3) 2[Ag(S2O3)2]3-(aq)+S2-(aq)Ag2S(s)+4S2O (aq)的K====1.0×1024。(4) Cu(s)+Cu2++2Cl-===2CuCl(s)的K==×===108>105,几乎完全反应。 展开更多...... 收起↑ 资源预览