资源简介

(共91张PPT)
大单元六 化学反应速率　化学平衡
第21讲　化学平衡　化学平衡常数及计算
构建体系
能力自测 判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。
(1) (2025·苏北四市一模)向AgNO3溶液和淀粉KI溶液中分别滴加少量新制氯水，前者有白色沉淀，后者溶液变蓝色，证明氯气与水的反应存在化学反应限度(　 　)
×
×
×
√
×
×
×
√
考点研析
考点1　可逆反应与化学平衡
1
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。
2
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：
　　　　
可逆
相等
浓度
(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。
(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。
A. 从合成塔排出的气体中，n(N2)∶n(H2)>1∶2.8
B. 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
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。
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，若是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：
①③④⑦
⑤⑦
①③④⑤⑦
①②③④⑦
①②③
②④⑦
考点2　化学平衡常数及计算
1
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。
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) 温度与化学平衡常数的关系见下表(在横线上填“>”或“<”)：
温度变化 反应焓变ΔH 平衡常数K
升高 _____0 增大
_____0 减小
降低 _____0 减小
_____0 增大
(2) 温度对化学平衡的影响是通过改变化学平衡常数实现的。升高温度使吸热反应的平衡常数K增大，平衡向吸热反应方向移动；降低温度使放热反应的平衡常数K增大，平衡向放热反应方向移动。
温度
>
<
>
<
[注意事项]
其他条件不变，将温度升高至T′(T′>T)。若正反应ΔH > 0，则T′下反应的平衡常数K′>K。由于各物质浓度均未改变，故此时Q＝K5. 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_____(填“吸”或“放”，下同)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：
吸
放
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
倒数
n次幂
相乘
相除
3. “三段式”法计算平衡常数K
2
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。
3
常用计算公式
26
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，反应速率越快，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：在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。
250 ℃前NO的转化率随温度升高而升高的原因是___________________________________________________________。
250 ℃后NO的转化率随温度升高而降低的原因是______________________________________________________________________________________________________________。
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增大
催化剂活性下降，反应速率减小；反应的ΔH<0，温度升高使NO的平衡转化率降低(或温度升高使反应正向进行程度减小)
【思维建模】
【模型建构】
T0～T1：温度升高及温度升高导致催化剂活性增强，二者共同作用。
T1～T2：反应速率减小，可能原因为催化剂活性下降。
T2～T3：温度升高导致反应正向进行的程度减小。
T3～　：催化剂失活或发生副反应。
【总结】 ① 条件变化对反应物转化率的影响，需弄清是讨论反应速率还是讨论平衡；
② 转化率(或去除率)受多个因素影响；
③ 先分析每个因素对转化率的影响(一般是相反的影响)；
④ 再根据结论推断哪个因素对反应起决定作用还是共同作用。
例2　(2023·江苏卷)金属硫化物(MxSy)催化反应为CH4(g)＋2H2S(g)===CS2(g)＋4H2(g)，该反应既可以除去天然气中的H2S，又可以获得H2。下列说法正确的是(　 　)
1
化学平衡常数表达式
C
例3　(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＝
________________________________________。
已知：Ksp(MnF2)＝1.2×10－3，Ksp(CaF2)＝1.6×10－10。
2
化学平衡常数的计算及应用
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
(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”“＞0”或“＜0”)。
<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______________________________________________________________。
提高CO2的转化率，抑制尿素水解，抑制尿素缩合生成缩二脲
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CO2的转化率。
例4　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。
3
化学平衡常数综合应用
(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_____(填“>”或“<”)0。
(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_____(填“>”“＝”或“<”)v逆。
K1·K2
<
<
反应时间/min 0 1 2 3 4
n(CH3OH)/mol 1.02 0.62 0.42 0.32 0.32
① 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_________。
0.075 mol/(L·min)
1.2
化学平衡常数的计算
1. 压强平衡常数(Kp)
(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。
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)。
2. 多重平衡的平衡常数计算
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)。
反应Ⅰ
3. 速率常数与平衡常数
Ⅰ. 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。
时间/s 0 1 2 3 4 5
n(NO)/mol 0.20 0.10 0.08 0.07 0.06 0.06
n(O2)/mol 0.10 0.05 0.04 0.035 0.03 0.03
0.03
363
>
质量测评
B
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＝6.4
D. 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
D
(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 CO2
B. 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)的体积之比保持不变
AD
(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＝________。
>
2 700
4. (1) 已知：室温下Ksp(MnS)＝2.6×10－13、Ksp[Mn(OH)2]＝2.0×10－13、H2S的电离常数Ka1＝1.1×10－7、Ka2＝1.3×10－13。Mn(OH)2在工业上可用于去除溶液中HS－，反应为Mn(OH)2＋HS－===MnS＋OH－＋H2O，其平衡常数K＝______。
(2) (2025·苏州三中)水解反应TiO2＋＋2H2O===TiO(OH)2↓＋2H＋的平衡常数K＝___________{已知：该温度下Kw＝1×10－12，Ksp[TiO(OH)2]＝1×10－29}。
(4) 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”)。
10
1×105
1×1024
几乎完全反应
练习1　化学平衡状态
1. 现向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2，在一定条件下使该反应发生。下列说法正确的是(　 　)
A. 若生成3 mol H—H的同时生成6 mol N—H，说明该反应已处于平衡状态
B. 达到化学平衡状态时，N2、H2和NH3的物质的量浓度一定相等
C. N2、H2和NH3的反应速率之比为1∶3∶2，说明反应达到平衡状态
D. 达到化学平衡状态时，正反应和逆反应速率都为0
【解析】 生成3 mol H—H的同时生成6 mol N—H，即生成3 mol H2的同时又生成2 mol NH3，说明该反应已处于平衡状态，A正确；达到化学平衡状态时，N2、H2和NH3的物质的量浓度不一定相等，B错误；反应过程中，N2、H2和NH3的反应速率之比始终为1∶3∶2，不能说明该反应已处于平衡状态，C错误；达到化学平衡状态时，正、逆反应速率相等但不为0，D错误。
A
A. c(SO2)与c(O2)之比不变
B. n(SO2)与n(SO3)之比不变
C. 混合气体的总压强保持不变
D. 单位时间内生成2n mol SO2同时生成n mol O2
B
【解析】 起始c(SO2)∶c(O2)＝2∶1，反应时消耗c(SO2)∶c(O2)＝2∶1，故体系中c(SO2)与c(O2)之比始终是2∶1，A错误；反应正向进行，n(SO2)与n(SO3)之比减小，n(SO2)与n(SO3)之比不变说明达到平衡状态，B正确；恒压密闭容器，混合气体的总压强保持不变，C错误；单位时间内生成2n mol SO2同时生成n mol O2，不能说明正、逆反应速率相等，D错误。
A. 混合气体的总物质的量不再变化
B. 混合气体的密度保持不变
C. 单位时间内生成3 mol H2同时消耗2 mol NH3
D. c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)＝1∶3∶2
【解析】 气体总物质的量是变量，混合气体的总物质的量不再变化，说明达到平衡状态，A正确；气体总质量不变，容器容积不变，混合气体的密度始终保持不变，B错误；单位时间内生成3 mol H2同时消耗2 mol NH3，不能说明正、逆反应速率相等，C错误；c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)＝1∶3∶2，不能判断浓度是否还发生改变，反应不一定平衡，D错误。
A
A. 高温下反应①可以自发正向进行
B. 当恒温恒容容器中气体压强不变时，该反应已达到平衡
C. 反应①的活化能为300 kJ/mol
D. 选择合适的催化剂，可以降低反应②的活化能，加快总反应的反应速率
C
【解析】 由图可知，反应①的ΔH＞0，ΔS＞0，高温下ΔH－TΔS＜0，反应自发进行，A正确；总反应是气体分子数增加的反应，当恒温恒容容器中气体压强不变时，说明反应达到平衡，B正确；反应①的活化能为[－300－(－477)]kJ/mol＝177 kJ/mol，C错误；反应②的活化能大于反应①的活化能，则反应②是总反应的决速步骤，选择合适的催化剂，降低反应②的活化能，加快总反应的反应速率，D正确。
A. 前10 min平均反应速率v(N2)＝0.2 mol/(L·min)
B. E(N≡N)＋3E(H—H)>6E(N—H)(E表示键能)
C. 当容器内气体密度不再改变时反应到达平衡
D. 该温度下，若起始向容器中通入0.5 mol N2、0.5 mol H2、1.0 mol NH3，反应向逆方向进行
D
AC
① 气体的压强不变
② v正(N2O4)＝2v逆(NO2)
③ K不变
④ 容器内颜色不变
⑤ 容器内气体的密度不变
①④
① 单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2
② 单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO
③ 混合气体的颜色不再改变
④ 混合气体的密度不再改变的状态
⑤ 混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
⑥ 混合气体中NO与O2的物质的量之比保持恒定
⑦ 混合气体中NO与NO2的物质的量之比保持恒定
①③⑤⑦
练习2　化学平衡常数及计算
B. 其他条件不变时，反应单位时间，NO2去除率随温度升高而增大的原因可能是平衡常数变大
C. 其他条件不变，在低温下使用高效催化剂可提高CH4的平衡转化率
D. 反应中若采用高分子分离膜及时分离出水蒸气，可以使反应的平衡常数增大
C
【解析】 水为气体，应列入平衡常数表达式中，A错误；该反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，K减小，B错误；其他条件不变，降低温度平衡右移，可提高CH4的平衡转化率，而催化剂可以加快反应速率，更快达到平衡，C正确；K只与温度有关，D错误。
2. (2025·海门中学)Fe2O3可以催化脱除H2S，脱除反应为Fe2O3(s)＋3H2S(g)=== S(s)＋2FeS(s)＋3H2O(g)，脱除过程如下图所示。下列说法正确的是(　 　)
D
A. 该反应的ΔH＜0，ΔS＞0
B. 用V2O5催化时，反应①的速率大于反应②
C. 温度升高，上述反应化学平衡常数增大
D. 该反应中消耗1 mol SO2，转移电子的数目约为4×6.02×1023
B
【解析】 由图可知，该反应的ΔH＜0，由化学方程式可知，该反应的ΔS<0，A错误；反应①的活化能小于反应②，反应①的速率大于反应②，B正确；正反应放热，升高温度，平衡向左移动，K减小，C错误；由化学方程式可知，反应消耗 1 mol SO2转移2 mol电子，D错误。
A. 该反应任何条件下都能自发
B. 粉碎矿物和增大压强都能提高钼的平衡产率
C. T1 ℃下达平衡时，c2(CO)·c4(H2O)＝c4(H2)
D. 该反应中每制得1 mol Mo，转移电子的数目约为4×6.02×1023
C
5. (1) (2025·南通一模)已知：N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔS>0；25 ℃下，该反应的K＝5×10－31。燃油车高温发动机内发生上述反应，此时K_____(填“>”“＝”或“<”)5×10－31。
2.8×10－8
>
10－9.12
0.011
6. (2025·盐城八校期初)随着我国“碳达峰”“碳中和”目标的确定，含碳化合物的综合利用备受关注。回答下列问题：
① 该反应在______(填“高温”“低温”或“任意温度”)下可自发进行。
低温
② 如图是合成尿素的历程及能量变化，TS表示过渡态。
其中决速步骤的化学方程式为_________________________________________________________________________________。
HOOCNH2―→HN==C==O＋H2O(或NH3＋HOOCNH2―→NH3＋HN==C==O＋H2O)
(2) 以焦炭为原料，在高温下与水蒸气反应可制得水煤气，涉及反应如下：
① ΔH1＝__________ kJ/mol。
② 在T ℃、50 MPa反应条件下，向某容器中加入3 mol C(s)和4 mol H2O(g)，发生上述三个反应，达到平衡时，测得容器中C(s)的物质的量为1 mol，CO(g)和H2O(g)的物质的量均为0.5 mol，则平衡时H2的物质的量为_________ mol。
＋131.3
3.5
③ 保持总压不变，随着温度的变化，平衡常数Kp发生变化，上述三个反应的平衡常数关系如图所示，表示Kp2、Kp3的曲线分别是_____、_____。
b
d
① 实验测得v正＝k正·c(CH4)·c(CO2)，v逆＝k逆·c2(CO)·c2(H2)，其中k正、k逆为仅与温度有关的速率常数，平衡后若将温度由T1升高到T2，则速率常数增大的倍数：k正_____k逆 (填“>”“<”或“＝”)。
② 0～10 min，用CH4表示的平均反应速率为______ mol/(L·min)。
＞
0.05
7. CO2和H2制备甲醇，反应体系中涉及以下两个反应：
将CO2和H2按物质的量之比1∶3混合通入刚性密闭容器中，在催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，容器内压强随时间的变化如下表所示：
时间/min 0 20 40 60 80
压强/MPa p0 0.95p0 0.92p0 0.90p0 0.90p0
反应Ⅰ的速率可表示为v＝k·p(CO2)·p3(H2)(k为常数)，平衡时p(H2O)＝0.15p0，则反应在60 min时反应Ⅰ的速率v＝________________(用含p0、k的式子表示)，反应Ⅱ的Kp＝_________。
0.3

展开更多......

收起↑