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专题2 化学反应速率与化学平衡
第二单元 化学反应的方向和限度
2.2.3 化学平衡常数
核心素养目标
科学态度与社会责任：
认识化学平衡研究对化工生产和环境保护的意义，培养严谨求实的科学态度。
证据推理与模型认知：
依据平衡状态的判断依据，推理可逆反应是否达到平衡，构建 “平衡标志 — 复合判据” 的分析模型。
宏观辨识与微观探析：
能从宏观角度观察化学平衡状态的特征，从微观层面理解正逆反应速率相等时分子动态平衡的本质，建立 “宏观现象 — 微观速率 — 平衡特征” 的认知关联。
教学重难点
重点
理解可逆反应 “正逆反应同时进行、反应物不能完全转化” 的本质。
通过浓度 - 时间曲线分析平衡建立过程，理解 v 正由大到小、v 逆由小到大直至相等的动态平衡特征。
掌握 “v 正 = v 逆”和 “各组分浓度恒定”的判断方法。
难点
区分平衡时 “反应未停止” 与 “宏观现象不变” 的关系，避免将平衡视为 “反应终止”。
综合运用浓度、压强、密度等物理量，判断复杂反应是否达到平衡。
结合三段式法进行平衡时物质的量、转化率的计算。
课前导入
1864 年，古德伯格和瓦格提出 “质量作用定律”，首次揭示了平衡常数的定量关系。如今，从制药工业的反应条件优化到全球气候变化的 CO 吸收研究，平衡常数都是核心工具。例如，合成氨工业中，通过计算不同温度下的 K 值，工程师能精准调控反应条件，使氨的产率最大化。
今天，我们将通过 “三段式” 计算和平衡常数表达式，解密可逆反应的定量规律，走向 “工业合成” 的生产实践，掌握用平衡常数预测反应限度的核心方法。
01
化学平衡常数与转化率
化学平衡常数
对于可逆反应：aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)，在温度一定时，无论起始浓度如何，反应达到平衡后，各物质的物质的量浓度满足以下关系式：
K=
该结果是一个常数，此常数称为化学平衡常数，简称平衡常数，用字母K表示。
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。
化学平衡常数的意义
已知：25 ℃时，卤化氢生成反应的平衡常数如下表：
化学方程式 平衡常数K
F2＋H22HF 6.5×1095
Cl2＋H22HCl 2.57×1033
Br2＋H22HBr 1.91×1019
I2＋H22HI 8.67×102
平衡常数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，当K>105时，该反应进行得基本完全了。
平衡常数的表达式的书写
(1)化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。
(2)纯液体和固体的浓度为常数，不写入平衡常数表达式。
例如：C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g) K＝；
FeO(s)＋CO(g) Fe(s)＋CO2(g)　K＝。
平衡常数的表达式的书写
(3)书写形式与化学方程式的书写有关。例如：
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)的平衡常数为K1=；
N2(g)＋H2(g) NH3(g)的平衡常数为K2=；
NH3(g) N2(g)＋H2(g)的平衡常数为K3=。
则K1和K2的关系式为K1=K22；K2和K3的关系式为：K2·K3=1；K1和K3的关系式为：K1=。
化学平衡常数的影响因素
(1)内因：不同的化学反应及化学方程式的书写形式是决定化学平衡常数的主要因素。
(2)外因：在化学方程式一定的情况下，K只受温度影响。
已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的平衡常数与温度的关系如下：
T/K 373 473 573 673 773
K 3.35×109 1.00×107 2.45×105 1.88×104 2.99×103
①放热反应，温度升高，K值减小；
②吸热反应，温度升高，K值增大。
化学平衡——化学反应研究的“参照系”
在一定温度下，化学反应达到平衡状态，正、逆反应速率相等，平衡混合物中各组分的物质的量或浓度不再随时间发生变化，此时由反应物转化为生成物的量达到最大值，可用化学平衡常数K表示反应的限度。因此，以化学平衡为“参照系”，可以判断某温度下该反应的限度，可以通过改变温度来改变平衡状态，提高或降低反应物转化为产物的程度。
平衡转化率
某一反应的平衡转化率α等于该物质在反应中的已转化量（如物质的量、物质的量浓度等）与该物质起始总量的比值，可表示为：
α = ×100%
反应的平衡转化率可以表示在一定温度和一定起始浓度下反应进行的限度。利用化学平衡常数可求算一定温度和起始浓度下反应物的转化率。
平衡转化率的有关规律
对于可逆反应：aA＋bBcC＋dD
αA＝×100%＝×100%
αA＝×100%＝×100%
平衡转化率与平衡常数均能表示化学反应进行的程度，但平衡常数不直观，转化率能更直观地表示化学反应进行的程度。
02
化学平衡的有关计算
化学平衡的有关计算
计算模型——三段式法
　　　　　　 mA(g) ＋ nB(g) pC(g)＋qD(g)
起始量/mol a b 0 0
转化量/mol mx nx px qx
平衡量/mol a-mx b-nx px qx
化学平衡的有关计算
→设未知数：
具体题目要具体分析，一般设某物质的转化量或转化率为x。
→确定三个量：
根据反应物、生成物及变化量三者之间的关系，代入未知数确定平衡体系中各物质的起始量、变化量、平衡量并按（1）中“模式”列表。
→解题设问题：
明确了“始”、“变”、“平”三个量的具体数值，再根据相应关系求平衡时某成分的浓度、反应物转化率等，求出题目答案。
基本计算关系
(1)各物质的物质的量浓度变化量之比＝物质的量变化量之比＝化学计量数之比。
(2)反应物的转化率＝×100%＝×100%。
(3)反应产物的产率＝×100%。
(4)平衡时B组分的体积分数
＝平衡时B组分的物质的量分数
＝×100%。
H2(g) ＋ I2(g) 2HI(g)
起始时各物质的浓度/(mol·L－1) 0.100 0.100 0
平衡时各物质的浓度/(mol·L－1) 0.020 0 0.020 0 0.160
K = = = 64.0
解：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。
【例1】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：设达到平衡时被转化的CO的物质的量浓度为x mol·L－1。
CO(g) ＋ H2O(g) CO2(g) ＋ H2(g)
起始时各物质的浓度/(mol·L－1) 0.200 0.200 0 0
平衡时各物质的浓度/(mol·L－1) 0.200－x 0.200－x x x
K = = = 1.00
解方程得x = 0.100。
平衡时CO转化为CO2的转化率为 ×100% = 50%。
【例2】在一密闭容器中，CO与H2O混合加热到800 ℃达到下列平衡：
CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) K = 1.00
若反应开始时CO和H2O的浓度均为0.200 mol·L－1，求达到平衡时CO转化为CO2的转化率。
若向例1的10 L真空密闭容器中注入2.00 mol HI，保持与例1相同的温度，达到平衡时，容器中H2和I2的浓度是否也是0.020 0 mol·L－1？为什么？请利用例1的结果验证你的结论。
原因：因为例 1 是从 H2和 I2开始反应达到平衡，而现在是从 HI 开始反应达到平衡，虽然温度相同，但起始物质不同，平衡的状态也会不同。
验证：对于反应 H2(g)+I2(g) 2HI (g)，若从 2.00mol HI 开始反应，设达到平衡时生成 x mol/L 的 H2和 I2，则 HI 的浓度为（0.200 - 2x）mol/L。根据平衡常数K=，即=64.0，
解方程可得平衡时 H2和 I2的浓度与 0.0200mol/L 不同。
若将例2中H2O的起始浓度增大至0.400 mol·L－1，其他条件不变，则CO的平衡转化率会发生什么变化？请参考例2，计算验证你的结论。
验证：设达到平衡时被转化的 CO 的物质的量浓度为 ymol/L。
CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
起始时各物质的浓度 /(mol/L)： 0.200 0.400 0 0
平衡时各物质的浓度 /(mol/L)： 0.200 - y 0.400 - y y y
若将例 2 中 H O 的起始浓度增大至 0.400mol/L，其他条件不变，CO 的平衡转化率会增大。
K== 1.00
解方程可得 y 的值大于 0.100mol/L。
综上所述，其转化率增大
03
课堂小结
04
课堂练习
1．下列关于化学平衡常数的说法中，正确的是(　　)
A．在任何条件下，化学平衡常数都是一个定值
B．当改变反应物的浓度时，化学平衡常数会发生改变
C．化学平衡常数K与温度、反应物浓度、体系的压强都有关
D．由化学平衡常数K可以推断一个可逆反应进行的程度
D
C
2．对于可逆反应：C(s)＋CO2(g)2CO(g)，在一定温度下其平衡常数为K，下列条件的变化中能使K发生变化的是(　　)
A．将C(s)的表面积增大B．增大体系压强
C．升高体系温度D．使用合适的催化剂
3．在一密闭容器中，用等物质的量的A和B发生如下反应：A(g)＋2B(g)2C(g)，反应达到平衡时，若混合气体中A和B的物质的量之和与C的物质的量相等，则这时A的转化率为(　　)
A．40 %　　 B．50 %　　 C．60 %　　 D．70 %
A
4．T ℃时，向某恒温恒容密闭容器中充入等物质的量的CH4(g)和CO2(g)，发生甲烷二氧化碳重整反应：CH4(g)＋CO2(g)??2CO(g)＋2H2(g)，测得体系中CH4(g)和CO(g)的物质的量浓度随时间变化如图所示，下列说法错误的是(　　)
A．点B的坐标为(5，)
B．反应进行到5 min时，2v正(CH4)>v逆(CO)
C．CO2(g)的平衡转化率约为50%
D．T ℃时，该反应的平衡常数为
C
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