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化学平衡常数与平衡转化率
第2章 化学反应的方向、限度与速率
学习目标
01
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。（宏观辨识与微观探析）
02
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。（证据推理与模型认知）
03
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。（科学探究与创新意识）
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？
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)
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。
一、化学平衡常数
写出下表中各反应的平衡常数表达式。
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)
一、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
写出下表中各反应的平衡常数表达式。
一、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。
思考·研讨
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)
一、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。
一、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。
一、化学平衡常数
二、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。
【例】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
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。
【例】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
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%。
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
技巧点拨
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
公式
浓度商
课堂总结
1.在某温度下，可逆反应：mA(g)+nB(g) pC(g) + qD(g)的平衡常数为K，下列说法正确的是（　　）
Ａ、Ｋ越大，达到平衡时，反应进行的程度越大。
Ｂ、Ｋ越小，达到平衡时，反应物的转化率越大。
Ｃ、Ｋ随反应物浓度改变而改变。
Ｄ、Ｋ随温度改变而改变。
AD
课堂习题
2.已知450℃时，反应H2(g)+I2(g)　　 2HI(g)的k=50，由此推测在450 ℃时，反应2HI(g) 　　 H2(g)+I2(g)的化学平衡常数为（ ）
A、50 B、0.02 C、100 D、无法确定
B
课堂习题
编号 反应 平衡常数 反应热
反应① A(g)　　B(g)＋C(g) K1 ΔH1
反应② B(g)＋C(g)　　D(g) K2 ΔH2
反应③ A(g)　　D(g) K3 ΔH3
3.对于下列反应，其反应过程的能量变化示意图如下：
下列说法正确的是( )
A、K3＝K1＋K2 B、加催化剂，反应①的反应热降低，反应速率加快
C、ΔH3＝ΔH1＋ΔH2 D、增大压强，K1减小，K2增大，K3不变
C
课堂习题
4.在一定体积密闭容器中，进行如下反应： CO2(g)+H2(g) CO(g) +H2O(g),其平衡常数Ｋ和温度t的关系如下：
(1)K的表达式为：　　　　　　　。　　
(2)该反应为　　　　反应（“吸热”或“放热”）
(3)能判断该反应是否达到化学平衡状态的依据（ ）
Ａ、容器中压强不变　 Ｂ、混合气体中ＣＯ浓度不变
Ｃ、v(H2)正=v(H2O)逆 　　 D、c(CO2)=c(CO)　　
(4)若c(CO2) .c(H2)=c(CO) .c(H2O),此时温度为 。　　　
　　　　　　　　　　
t/ C 700 800 830 1000 1200
k 0.6 0.9 1.0 1.7 2.6
830℃
吸热
BC
课堂习题

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