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化学反应的方向、限度与速率
第二章
2.2化学反应的限度
章节脉络
化学平衡常数
平衡转化率
第二章
化学反应的方向、
限度与速率
2.2化学反应的限度
2.1化学反应的方向
2.3化学反应的速率
2.4化学反应条件的优化
——工业合成氨
反应条件对化学平衡的影响
化学平衡常数
平衡转化率
核心素养目标
1. 宏观辨识与微观探析
从宏观视角观察化学反应体系的变化，理解化学平衡状态的特征；从微观层面分析正逆反应速率相等时粒子间的动态平衡，结合化学平衡常数的表达式，建立认知链条，解释平衡体系的本质。
2. 证据推理与模型认知
通过实验数据或反应体系的浓度变化，推理化学平衡常数的温度依赖性及与反应限度的关系；构建分析模型，运用K值判断反应方向、比较不同反应的平衡程度，能根据初始浓度和K值计算平衡转化率，提升逻辑推导与模型应用能力。
3. 科学探究与创新意识
针对化学平衡体系设计探究实验，尝试从改变反应条件出发，提出提高目标产物转化率的创新方案，培养实验设计与问题解决能力。
学习重难点
重点：
1. 理解化学平衡常数（K）的概念与表达式书写规则，掌握根据反应方程式正确推导平衡常数表达式的方法。
2. 明确化学平衡常数与反应限度的关系，能利用K值大小判断反应进行的程度、比较不同反应的平衡状态差异。
难点：
1. 理解化学平衡常数只与温度有关的本质原因，准确分析温度变化对吸热、放热反应K值的影响规律。
2. 理解平衡转化率与反应条件之间的动态关系，能够综合分析外界条件改变对平衡转化率的影响，区分平衡移动方向与转化率变化的复杂情况 。
课前导入
在工业生产和实验室中，人们会遇到各种
各样的可逆反应，如合成氨的反应：
哈伯合成氨实验装置
该反应在一定条件下不可能进行完全，即存在一定的限度。怎样才能定量地描述化学反应的限度呢？化学反应中反应物的转化程度会受到哪些因素的影响呢？
化学平衡常数
PART 01
化学平衡常数
表中所列为测量反应I2(g) +H2(g) 2HI(g)在698.6K时各物质的初始浓度和平衡浓度所获得的数据。
初始浓度×10-2 mol/L 平衡浓度×10-2 mol/L
c始(H2) c始(I2) c始(HI) c平(H2) c平(I2) c平(HI) 1.067 1.196 0 0.183 0.313 1.767
1.135 0.904 0 0.356 0.125 1.559
1.134 0.751 0 0.457 0.074 1.354
0 0 1.069 0.114 0.114 0.841
0 0 0.449 0.048 0.048 0.353
54.5
54.6
54.2
54.1
54.4
数值相同
c平2(HI)
c平(H2)c平(I2)
1. 根据表中的实验数据计算平衡时的 值，将计算结果填入表中。
2. 分析计算所得数据，寻找其中的规律。
c平2(HI)
c平(H2)c平(I2)
化学平衡常数
温度一定时，当一个可逆反应达到平衡状态时，生成物平衡浓度的幂之积与反应物平衡浓度的幂之积的比值是一个常数，这个常数称为化学平衡常数，简称平衡常数。
化学平衡常数
对于： a A(g)＋b B(g) c C(g)＋d D(g)
c平(A) c平(B)
K＝
c
c平(C) c平(D)
d
a
b
通过分析实验数据发现，不管 H2、I2 和 HI 的初始浓度是多大，只要保持反应体系的温度不变，达到化学平衡状态后 就为常数。
c平2(HI)
c平 (H2)c平 (I2)
对于有纯固体或纯液体参与的反应，纯固体或纯液体不列入平衡常数的表达式中。
化学平衡常数
写出下表中各反应的平衡常数表达式，并讨论下面的问题。
反应 K 单位
① N2(g) + H2 (g) NH3(g) (mol·L-1)-1
② N2(g)+3H2 (g) 2NH3 (g) (mol·L-1)-2
③ 2NH3(g) N2(g)+3H2 (g) (mol·L-1)2
K2＝
c2 (NH3)
c(N2) c3 (H2)
K3＝
c2 (NH3)
c(N2) c3 (H2)
K1＝
c (NH3)
c (N2) c (H2)
化学平衡常数
反应 K 单位
④ NH3·H2O(aq) (aq)+OH-(aq)
⑤ FeO(s)+CO(g) Fe(s)+CO2(g)
⑥ AgCI(s) Ag+(aq)+CI—(aq)
K5＝
c (CO)
c (CO2 )
K4＝
c (NH3 H2O)
c (NH4) c (OH )
+
K6＝
c (Ag+ ) c (Cl )
(mol·L-1)2
mol·L-1
1
化学平衡常数
1.（1）对于一个反应，其平衡常数的表达式是唯一的吗？平衡常数的表达式与哪些因素有关？
（2）对于一个反应，其正反应和逆反应的平衡常数之间有什么关系？
2. 如果浓度的单位为 mol·L-1，将浓度单位代入化学平衡常数表达式可得到 K 的单位。
请写出上表中后三个反应的 K 的单位，并由所得结果分析 K 的单位与反应的化学方程式之间存在什么关系。
化学平衡常数
平衡常数表达式与化学方程式的书写方式有关。
对于同一个化学反应，由于化学方程式的书写方式不同，各反应物、反应产物化学式前的系数不同，平衡常数的表达式就不同。
① N2(g) + H2 (g) NH3(g) (mol·L-1)-1
② N2(g)+3H2 (g) 2NH3 (g) (mol·L-1)-2
K2＝
c2 (NH3)
c(N2) c3 (H2)
K1＝
c (NH3)
c (N2) c (H2)
化学平衡常数
平衡常数表达式与化学方程式的书写方式有关。
② N2(g)+3H2 (g) 2NH3 (g) (mol·L-1)-2
③ 2NH3(g) N2(g)+3H2 (g) (mol·L-1)2
K2＝
c2 (NH3)
c(N2) c3 (H2)
K3＝
c2 (NH3)
c(N2) c3 (H2)
对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常数互为倒数。
一个化学反应的某一平衡常数表达式与该反应化学方程式的一种表示形式相对应，因此不能笼统地说某一反应的平衡常数的数值是多少。另外，平衡常数的单位也与化学方程式的书写方式相对应。
化学平衡常数
反应的平衡常数与反应可能进行的程度
一般来说，如果一个反应的平衡常数数值大于 105（或 106 ），通常认为该反应可以进行得较完全；相反，如果一个反应的平衡常数数值小于10-5（或 10-6 ），则认为这个反应很难进行。
化学反应 K 反应可能进行的程度
2NO(g) + 2CO(g) N2(g) + 2CO2(g)(570 K) 约为 1059 mol-1·L 正反应可接近完全
PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g)(470 K) 约为 1 mol-1·L 正、逆反应相当
2HCl(g) H2(g) + Cl2(g)(300 K) 约为 10-33 正反应几乎不发生
判断可逆反应是否达到化学平衡状态及反应进行的方向
对于可逆反应：mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，在一定温度下的任意状态，反应物与反应产物的浓度有如下关系：
浓度商Q ＝
Q
＜K　反应向正反应方向进行；
＝K　反应处于化学平衡状态；
＞K　反应向逆反应方向进行。
化学平衡常数
平衡转化率
PART 02
平衡转化率
实际应用中常用平衡转化率 α 来表示一定条件下的反应限度。
对于化学反应：a A＋b B c C＋d D
反应物A的平衡转化率可以表示为：
α(A)＝
初始时A的物质的量－平衡时A的物质的量
初始时A的物质的量
×100%
对于溶液体系和恒容的气态反应体系，可以用物质的量浓度进行计算。
平衡转化率
【例1】2SO2(g) +O2(g) 2SO3(g)是硫酸制造工业的基本反应。将0.050 molSO2(g)和0.030 molO2 (g)注入体积为1.0 L的密闭反应器，并将反应器置于某较高温度下的恒温环境中；达到化学平衡后，测得反应器中有0.044 molSO3 (g)，求该温度下反应的平衡常数及SO2 、O2的平衡转化率。
解： 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
初始浓度／ (mol·L-1) 0.050 0.030 0
转化浓度／ (mol·L-1) 0.044 0.022 0.044
平衡浓度／ (mol·L-1) 0.006 0.008 0.044
c平(SO2) c平(O2)
K＝
c平(SO3)
＝
2
2
(0.044 mol·L-1 )2
(0.006 mol·L-1 )2
× 0.008 mol·L-1
＝6.7×103 mol-1·L
平衡转化率
α(SO2)＝ ×100%
×100%
＝88%
0.050 mol·L-1－0.006 mol·L-1
0.050 mol·L-1
＝
c始(SO2)－c平(SO2)
c始(SO2)
α(O2)＝
c始(O2)－c平(O2)
c始(O2)
×100%
＝73%
0.030 mol·L-1－0.008 mol·L-1
0.030 mol·L-1
＝
×100%
答： 该温度下反应的 K 为6.7×103 mol-1·L，SO2的平衡转化率为88%，O2的平衡转化率为73%。
对于一个已标明化学方程式的化学反应，温度一定时只有一个平衡常数，但不同反应物的平衡转化率却可能不同。
因此，脱离具体的反应物谈化学反应的平衡转化率是没有意义的。
平衡转化率
【例2】1200℃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0.0100 mol·L-1，请计算各物质的平衡浓度及H2和CO2的平衡转化率。
解： H2(g) + CO2 (g) H2O(g) + CO(g)
初始浓度／(mol·L-1） 0.0100 0.0100 0 0
转化浓度／(mol·L-1) x x x x
平衡浓度／(mol·L-1） 0.0100-x 0.0100-x x x
解方程得：x1=0.0060 mol·L-1, x2=0.0300 mol·L-1
c平(H2O).c平(CO)
K=
c平(H2).c平(CO2)
= 2.25
x2
(0.0100 mol·L-1 -x)2
=
x2＞c始(H2)不合理，舍去
平衡转化率
x2 > c始 (H2 ) 不合理，应舍去，则：
c平(H2)=c平(CO2)=0.0100mol·L-1–x
= 0.0040mol·L-1
c平(H2O) =c平(CO)= x = 0.0060mol·L-1
α(CO2)＝ ×100%
c始(CO2)－c平(CO2)
c始(CO2)
＝60%
α(H2)＝ ×100%
c始(H2)－c平(H2)
c始(H2)
＝60%
答：H2 和 CO2 的平衡浓度都是 0.0040 mol·L-1，H2O 和 CO 的平衡浓度都是0.0060 mol·L-1，H2 和 CO2 的平衡转化率都是 60%。
平衡转化率
在有关化学平衡的计算中，平衡浓度的求算是非常关键的环节。通常将反应物转化的量设为 x，利用已知条件找到关于 x 的等量关系，然后列方程求解。例如，本题的解题思路为：
① 设反应物转化的量为 x ；
② 用含 x 的式子表示出各物质的平衡浓度；
③ 通过平衡常数表达式列出方程式；
④ 求解所列方程式。
平衡浓度的求算
课堂小结
化学反应的限度
化学平衡常数
概念及公式
平衡转化率
计算
平衡浓度的求算
平衡常数表达式与化学方程式的书写方式
浓度商
公式
随堂训练
1. 在相同的温度下，已知反应：①N2(g)+O2(g) 2NO(g)的平衡常数为3.84×10-11；②2SO2+O2 2SO3的平衡常数为3.10×1026( mol·L-1)-1。则在该温度下，两个化学反应的反应程度之间的关系为(　　)
A.①>②　　　　　　　　B.①<②
C.①=② D.不能确定
B
随堂训练
2. 在一个6 L的密闭容器中放入3 mol X和2 mol Y，在一定条件下发生反应4X(g)+3Y(g) 2Q(g)+nR(g)，达到平衡后，容器内的压强比原来增加5%，X浓度减小 ，则该反应化学方程式中的n值是(　　)
A.3 B.4 C.5 D.6
D
随堂训练
3. 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　　　　　 。
66.7%
0.005 mol2·L-2
随堂训练
4. 在恒容密闭容器中，CO与H2发生反应：
CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0，达到平衡后，若只改变某一条件，下列示意图正确的是 ( )
B
随堂训练
5. H2S与CO2在高温下发生反应:H2S(g)+CO2(g) COS(g)+H2O(g)。在610 K时,将0.10 mol CO2与0.40 mol H2S充入2.5 L的空钢瓶中,反应达到平衡后水的物质的量分数为0.02。
(1)H2S的平衡转化率α1=　　 %，该反应平衡常数K=　 　 。
(2)在620 K重复实验,平衡后水的物质的量分数为0.03,H2S的转化率
α2　　α1,该反应的ΔH　　0(填“>”“<”或“=”)。
(3)向反应器中再分别充入下列气体,能使H2S转化率增大的是　　(填标号)。
A.H2S B.CO2 C.COS D.N2
2.5
2.8×10-3
>
>
B
谢谢观看

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