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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
1.认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义。
2.能书写平衡常数表达式，能进行平衡常数、转化率的简单计算。
3.能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。
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 。
炼铁高炉尾气之谜
高炉炼铁的主要反应是：
Fe2O3 + 3CO === 2Fe + 3CO2
高温
其中产生CO的反应是：
C(焦炭) + O2(空气) === CO2(放出热量)
高温
C(焦炭) + CO2 === 2CO(吸收热量)
高温
首钢炼铁高炉
生产中炼制生铁所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，而且从高炉炉顶出来的气体中总是含有没有利用的CO。
原因：CO与铁矿石接触不充分
措施：高炉增高
结果：尾气中CO的比例竟然没有改变
勒夏特列
C(焦炭) + CO2 2CO(吸收热量)
高温
Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2
高温
炼铁高炉尾气之谜
生产中炼制生铁所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，而且从高炉炉顶出来的气体中总是含有没有利用的CO。
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：
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？
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
高温、高压
催化剂
哈伯合成氨实验装置
联想·质疑
初始浓度/(mol·L-1) 平衡浓度/(mol·L-1) c平2 (HI)
c平(H2)·c平(I2)
c始(H2) c始(I2) c始(HI) c平(H2) c平(I2) c平(HI) 0.010 67 0.011 96 0 0.001 83 0.003 13 0.017 67
0.011 35 0.009 04 0 0.003 56 0.001 25 0.015 59
0.011 34 0.007 51 0 0.004 57 0.000 74 0.013 54
0 0 0.004 49 0.000 48 0.000 48 0.003 53
0 0 0.010 69 0.001 14 0.001 14 0.008 41
表中所列为测量反应H2(g) + I2(g) 2HI(g) 在698.6 K 时各物质的初始浓度和平衡浓度所获得的数据。
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)
54.51
54.62
54.21
54.08
54.42
交流·研讨
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)
K
c平c(C) c平d(D)
c平a(A) c平b(B)
＝
温度一定时，K 为常数，称为化学平衡常数，简称平衡常数。
a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g)
交流·研讨
一、化学平衡常数
1、定义
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡状态时，反应产物浓度的系数次方的幂之积与反应物浓度的系数次方的幂之积的比值K为常数，称为化学平衡常数，简称平衡常数。
2、表达式
c平c(C) c平d(D)
c平a(A) c平b(B)
K＝
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。
a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g)
3、影响因素：
对于同一可逆反应，化学平衡常数只与温度有关。
【例】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
C
一、化学平衡常数
1、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
④ NH3·H2O(aq) NH4+(aq) + OH-(aq)
⑤ FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)
⑥ AgCl(s) Ag+(aq) + Cl-(aq)
1
2
3
2
c平(NH3)
c平 (N2)·c平 (H2)
1
2
3
2
c平2(NH3)
c平(N2)·c平3(H2)
c平(N2)·c平3(H2)
c平2 (NH3)
c平(NH4＋)·c平(OH－)
c平(NH3·H2O)
c平(CO2)
c平(CO)
c平(Ag＋)·c平(Cl－)
交流·研讨
（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？
K2 =1/K1
ΔH1、ΔH2二者关系为:
K1、K2二者关系为:
ΔH2=-ΔH1
结论1：正、逆反应，K互为倒数
①2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) K1
②2NO2(g) 2NO(g) + O2(g) K2
（2）对于一个反应，方程式与平衡常数之间有什么关系？
交流·研讨
【例】写出下列反应的平衡常数的表达式
K3 =K1 K2
ΔH1、ΔH2、ΔH3 三者关系为:
K1、K2、K3 三者关系为:
ΔH3=ΔH1+ΔH2
结论2：方程式相加(减)，则K相乘(除)
①2NO(g) + O2 (g) 2NO2 (g) K1
②2NO2(g) N2O4 (g) K2
③2NO (g) +O2(g) N2O4 (g) K3
（2）对于一个反应，方程式与平衡常数之间有什么关系？
K2 =K12
ΔH1、ΔH2二者关系为:
K1、K2二者关系为:
ΔH2=2ΔH1
结论3：化学计量数变为原来n倍，K变为Kn
①1/2N2(g)＋3/2H2(g) NH3(g) K1
②N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) K2
（2）对于一个反应，方程式与平衡常数之间有什么关系？
已知下列反应的平衡常数：
①H2(g) + S(s) H2S(g) K1
②S(s) + O2(g) SO2(g) K2
则反应③H2(g) + SO2(g) O2(g) + H2S(g)的平衡常数是( )
A、K1+K2 B、K1–K2 C、K1×K2 D、K1/K2
D
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
④ NH3·H2O(aq) NH4+(aq) + OH-(aq)
⑤ FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)
⑥ AgCl(s) Ag+(aq) + Cl-(aq)
1
2
3
2
c平(NH3)
c平 (N2)·c平 (H2)
1
2
3
2
c平2(NH3)
c平(N2)·c平3(H2)
c平(N2)·c平3(H2)
c平2 (NH3)
c平(NH4＋)·c平(OH－)
c平(NH3·H2O)
c平(CO2)
c平(CO)
c平(Ag＋)·c平(Cl－)
mol·L－1
1
(mol·L－1)2
2、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。
交流·研讨
平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度（即反应限度）。平衡常数的数值越大，说明反应可以进行得越完全。
4、意义
资 料 在 线
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。
一、化学平衡常数
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
表2-2-1　反应的平衡常数及反应可能进行的程度
一定温度下，对于化学反应的a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g)的任意状
Q＝
cp(C) cq(D)
cm(A) cn(B)
称为浓度商。
态，都有
借助平衡常数，人们可以判断一个化学反应是否达到了化学平衡状态。
Q
K
Q
K
Q
K
平衡
平衡
Q = K 体系处于化学平衡。
一定温度时 Q ＜ K 反应正向进行。
Q ＞ K 反应逆向进行。
交流·研讨
已知800℃时，化学反应CO(g) + H2O(g) CO2(g)+ H2(g) K = 1，推导在下列浓度下反应进行的方向。
Q＞K ，逆
Q＝K ，平衡状态
Q＜K ，正
二、化学平衡转化率
用平衡常数表示反应限度有时不够直观，因此在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(g) + b B(g) c C(g) + d D(g)
反应物A 的平衡转化率可以表示为：
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
α（A）＝
×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。
化学反应2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) 是硫酸制造工业的基本反应。将0.050 mol SO2(g) 和0.030 mol O2(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 mol SO3 (g)，求该温度下反应的平衡常数及SO2、O2 的平衡转化率。
初始浓度/(mol·L-1)
解：
2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
转化浓度/(mol·L-1)
平衡浓度/(mol·L-1)
0.050 0.030 0
0.044 0.022 0.044
0.006 0.008 0.044
c平2(SO3)
c平2(SO2) c平(O2)
K＝
(0.044mol·L－1)2
×0.008mol·L－1
(0.006mol·L－1)2
＝
＝6.7× 103 mol－1·L
c始(SO2) － c平 (SO2)
c始(SO2)
α（SO2）＝
×100%
0.050mol·L－1－0.006mol·L－1
0.050mol·L－1
＝
×100%
＝88%
化学反应2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) 是硫酸制造工业的基本反应。将0.050 mol SO2(g) 和0.030 mol O2(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 mol SO3 (g)，求该温度下反应的平衡常数及SO2、O2 的平衡转化率。
初始浓度/(mol·L-1)
解：
2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
转化浓度/(mol·L-1)
平衡浓度/(mol·L-1)
0.050 0.030 0
0.044 0.022 0.044
0.006 0.008 0.044
c始(O2) － c平 (O2)
c始(O2)
α（O2）＝
×100%
0.030mol·L－1－0.008mol·L－1
0.030mol·L－1
＝
×100%
＝73%
化学反应2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) 是硫酸制造工业的基本反应。将0.050 mol SO2(g) 和0.030 mol O2(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 mol SO3 (g)，求该温度下反应的平衡常数及SO2、O2 的平衡转化率。
初始浓度/(mol·L-1)
解：
2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
转化浓度/(mol·L-1)
平衡浓度/(mol·L-1)
0.050 0.030 0
0.044 0.022 0.044
0.006 0.008 0.044
对于1 200 ℃时的反应H2(g) + CO2(g) H2O(g) + CO(g)，观察、分析表2-2-2中数据，你能得出什么结论？
表2-2-2　反应物的初始浓度及相应的平衡转化率
初始浓度（mol·L－1） 平衡浓度（mol·L－1） c始(H2) c始(CO2) α(H2) α(CO2)
A 0.010 0 0.010 0 60 60
B 0.012 0 0.010 0 54 65
C 0.008 0 0.010 0 66 53
有两种反应物，增加一种反应物的初始浓度，降低了自己的平衡转化率，提高另一种反应反应物的平衡转化率。
观察·思考
1、判断反应进行的程度
K 越大，反应进行的程度越大，转化率越大。
2、判断平衡移动方向
Q = K 体系处于化学平衡。
温度相同时 Q ＜ K 反应正向进行。
Q ＞ K 反应逆向进行。
3、运用“三段式”结合K进行相关计算。
K ＜ Q ＜ K
三、化学平衡常数的应用
平衡常数(K)
化学平衡状态
一定条件下
定量表达
只受温度影响
可逆反应
与Q 比较判断是否达到平衡
计算平衡时各物质的浓度和转化率

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