2.2.1 化学平衡状态　化学平衡常数(word教参)-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修第一册（人教版2019）

第二节　化学平衡 第1课时　化学平衡状态　化学平衡常数 目标导航 [知识导图] [课程标准] 1.认识到化学反应是有一定限度的，并能多角度、动态地分析可逆反应达到平衡状态时的各种表现。 2.能建立化学平衡“逆、等、动、定、变”的认知模型，并利用模型解决有关化学平衡的实际问题。 3.认识到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。能书写平衡常数表达式并能进行简单计算。 （见学生用书P34） 1　化学平衡 1.可逆反应 在　􀀁同一条件　下，既能向正反应方向进行，　􀀂同时　又能向逆反应方向进行的反应，叫作可逆反应。书写可逆反应的化学方程式时，不用“”，用“”。 2.化学平衡的建立 （1）在一定条件下的容积不变的密闭容器中进行反应，根据图示填写表格： 反应方 程式 N2＋3H22NH3 物质浓 度变化 图示 物理量 N2、H2浓度 v正 NH3浓度 v逆 开始时 􀀃最大 􀀄最大 􀀅0 􀀆0 进行中 􀀇减小 􀀈减小 􀀉增大 ⑩增大 平衡时 ⑪不变 ⑫不变 ⑬不变 ⑭不变 反应方 程式 2NH3N2＋3H2 物质浓 度变化 图示 物理量 N2、H2浓度 v正 NH3浓度 v逆 开始时 　⑮0　 　⑯0　 　⑰最大　 　⑱最大　 进行中 　⑲增大　 　⑳增大　 　㉑减小　 　㉒减小　 平衡时 　㉓不变　 　㉔不变　 　㉕不变　 　㉖不变　 v－t图 （2）化学平衡状态 化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应，正、逆反应的速率　㉗相等　，反应物和生成物的浓度均　㉘保持不变　，即体系的组成不随时间而　㉙改变　，这表明反应中　㉚物质的转化　达到了“限度”，这时状态被称为化学平衡状态，简称　㉛化学平衡　。 （3）化学平衡的特征 2　化学平衡常数 1.浓度商和化学平衡常数 （1）浓度商 对于一般的可逆反应mA（g）＋nB（g）pC（g）＋qD（g） ，在任意时刻的　㊲　　　　称为浓度商，常用　㊳Q　表示。 （2）化学平衡常数 ①当反应在一定温度下达到化学平衡时，c（A）、c（B）、c（C）、c（D）之间有＝K，其中K是　㊴常数　，称为化学平衡常数，简称　㊵平衡常数　。 ②K是表明化学反应　㊶限度　的一个特征值。当反应中有关物质的浓度商　㊷等于　平衡常数时，表明反应达到限度，即达到化学平衡状态。 2.化学平衡常数的意义 通常，K越大，说明平衡体系中生成物所占的比例越　㊸大　，正反应进行的程度越　㊹大　，即该反应进行得越　㊺完全　，平衡时反应物的转化率越　㊻大　；反之，K越小，该反应进行得越　㊼不完全　，平衡时反应物的转化率越　㊽小　。一般来说，当K＞　㊾105　时，该反应就进行得基本完全了。 3.化学平衡常数的影响因素 通常情况下只受　㊿温度　影响。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）既能向正方向进行又能向逆方向进行的反应均是可逆反应。（　×　） （2）在已达到平衡的可逆反应2SO2＋O22SO3中，充入18O2一段时间后，18O只存在于SO2和SO3中。（　×　） （3）化学平衡常数只受温度的影响，与反应物或生成物的浓度无关。（　√　） （4）对于反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g），其平衡常数的表达式K＝。（　×　） （5）温度一定，对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常数互为倒数。（　√　） （6）N2＋3H22NH3和N2＋H2NH3的平衡常数表达式相同。（　×　） 　 名师提醒 （1）可逆反应是指在相同条件下，正反应和逆反应同时进行的反应。 （2）达到化学平衡的反应，宏观物理量（颜色、浓度、总压强等）不再改变，但是反应仍然继续进行，只是v正＝v逆≠0。 （3）固体或液体纯物质一般不列入浓度商和平衡常数的计算。 （4）平衡常数表达式与化学方程式的书写方式有关。若反应方向改变、化学计量数等倍扩大或缩小，化学平衡常数都会相应改变。 （见学生用书P35） 1　化学平衡状态及其判断 反应条 件和可 逆反应 在体积固定的密闭容器中进行可逆反应 2NO2（g）2NO（g）＋O2（g） H2（g）＋I2（g）2HI（g） 物理量 ①同一物质正反应速率等于逆反应速率 ②混合气体的颜色不再改变 ③混合气体的密度不再改变 ④混合气体的压强不再改变 ⑤混合气体的平均相对分子质量不再改变 能够判 断反应 处于化 学平衡 状态的 标志 　①②④⑤　 　①②　 1.可逆反应的特征——“二同一不能” （1）正反应和逆反应在同一个条件下进行；否则，是非可逆反应。 （2）正、逆反应同时进行，即进行的时间、地点是相同的，反应物和生成物共存。 （3）无论一种反应物的投入量有多大，其他反应物都不能反应完全。即反应物不可能全部转化成生成物，即任何一种反应物的转化率均小于100％。 2.极端假设法确定可逆反应平衡时各物质浓度的范围 在密闭容器中进行反应，在一定条件下，反应达到平衡。可根据极端假设法判断，假设反应正向或逆向进行到底，求出各物质浓度的最大值和最小值，从而确定它们的浓度范围。 【例题1】密闭容器中发生可逆反应：X2（g）＋Y2（g） 2Z（g）。已知起始时X2、Y2、Z各物质的浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.2 mol·L－1，反应在一定条件下达到平衡时，各物质的物质的量浓度不可能是（　　） A. c（Z）＝0.3 mol·L－1 B. c（Y2）＝0.35 mol·L－1 C. c（X2）＝0.15 mol·L－1 D. c（Z）＝0.4 mol·L－1 思维导引： 答案　D　 解析　列“三段式”可得，若反应向右进行完全，则X2、Y2、Z三种物质的物质的量浓度依次是0 mol·L－1、0.2 mol·L－1、0.4 mol·L－1；若反应向左进行完全，则X2、Y2、Z三种物质浓度依次是0.2 mol·L－1、0.4 mol·L－1、 0 mol·L－1，平衡体系中各物质的浓度范围为0＜c（X2）＜0.2 mol/L，0.2 mol/L＜c（Y2）＜0.4 mol/L，0＜c（z）＜0.4 mol/L，故选D项。 【变式1】在一密闭容器中进行反应2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g），已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2 mol·L－1、0.1 mol·L－1、0.2 mol·L－1，当反应达到平衡时，可能存在的数据是（　　） A. SO2为0.4 mol·L－1，O2为0.2 mol·L－1 B. SO2为0.25 mol·L－1 C. SO2、SO3均为0.15 mol·L－1 D. SO3为0.4 mol·L－1 答案　B　 解析　A项数据表明，题中0.2 mol·L－1的SO3完全转化成了SO2和O2，即平衡时，c（SO3）＝0，这是不可能的；C项数据表明SO2、SO3的浓度都在原浓度基础上减少了0.05 mol·L－1，这也是不可能的；D项数据表明SO2完全转化成了SO3，即平衡时，c（SO2）＝0，c（O2）＝0，这也是不可能的。故选B项。 3.判断平衡状态的方法——“逆向相等，变量不变” （1）“逆向相等”：反应速率必须一个是正反应速率，一个是逆反应速率，且经过换算后，同一种物质的减少速率和生成速率相等。 （2）“变量不变”：如果一个量是随反应进行而改变的，当不变时为平衡状态；一个随反应的进行保持不变的量，不能作为是否是平衡状态的判断依据。以反应mA（g）＋nB（g）pC（g）＋qD（g）为例： 条件 达到平衡的标志 v正＝v逆 同一物质 生成速率等于消耗速率 不同物质 化学反应速率之比等于化学计量数之比，且表示不同方向（即“一正一逆”） 可变量达 不变 各物质的物理量 各组成成分的质量、物质的量、分子数、物质的量浓度保持不变 各物质的含量 各组成成分的质量分数、物质的量分数、气体的体积分数保持不变 气体的总物质的量 m＋n≠p＋q时，气体的总物质的量一定 恒容条件下的压强 m＋n≠p＋q时，总压强一定 恒压条件下气体的密度 m＋n≠p＋q时，ρ＝一定 混合气体的平均相对分子质量（） 当m＋n≠p＋q时，＝ 一定 有颜色变化的反应 气体的颜色不再变化 【例题2】可逆反应2NO2（g） 2NO（g）＋O2（g）在恒容的密闭容器中进行，达到平衡状态的标志是（　　） 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用NO2、NO、O2表示的反应速率之比为2：2：1的状态 ④混合气体的颜色不再改变的状态 ⑤混合气体的密度不再改变的状态 ⑥混合气体的压强不再改变的状态 ⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态 A.①④⑥⑦　　 B.②③⑤⑦ C.①③④⑤　　 D.全部 思维导引： 反应特点→恒容、反应前后气体系数和不等 ⇓ 等→分析①②③，①达平衡 ⇓ 定→分析④⑤⑥⑦，④⑥⑦达平衡 答案　A　 解析　①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2，能说明反应已达平衡；②描述的均是正方向，无法判断；③无论反应是否达平衡，均有此关系；④NO2为有颜色的气体（红棕色），颜色不变能说明NO2浓度一定，反应已达到平衡；⑤因ρ＝，反应前后，m、V均不变，ρ也不变，密度不变不能说明反应达到平衡；这是一个气体体积改变的反应，⑥⑦均能说明反应已达平衡。 【变式2】氨基甲酸铵（NH2CO2NH4）是合成尿素的一种中间产物。已知某温度下，往一恒容密闭容器中加入a mol NH2CO2NH4（s），反应NH2CO2NH4（s）CO（NH2）2（s）＋H2O（g）。在45 min时达到平衡。可判断该可逆反应达到化学平衡状态的标志是（　　） A.氨基甲酸铵的消耗速率不再发生变化 B.气体的体积分数不再改变 C.气体的平均摩尔质量不再改变 D.气体的密度不再改变 答案　D　 解析　氨基甲酸铵是固体，不能用单位时间固体浓度的变化表示速率，A项错误；该反应中只有水蒸气一种气体，故反应过程中气体的体积分数一直不变，气体的平均摩尔质量就是水分子的摩尔质量，故一直不变，B、C项错误；根据公式ρ＝，由已知可知：恒容密闭容器，气体体积不变，在平衡之前气体总质量变化，故气体的密度是平衡标志，D项正确。 2　化学平衡常数的理解与应用 2.可逆反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）的平衡常数表达式是什么？若保持其他条件不变，升高温度，K值增大，该反应是吸热反应还是放热反应？ K＝；吸热反应。 1.使用化学平衡常数应把握的技巧 （1）化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度、压强均无关。 （2）化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，与反应方程式的计量系数大小有关。 例如：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），其平衡常数为 K＝＝a； 2NH3（g）3H2（g）＋N2（g），其平衡常数为 K'＝＝； N2（g）＋H2（g）NH3（g），其平衡常数为 K″＝＝。 2.化学平衡常数的应用 （1）判断反应进行的程度 K值越大，反应进行得越完全，反应物转化率越大；反之，反应越不完全，转化率越小。 （2）判断反应的热效应 （3）计算转化率 依据起始浓度（或平衡浓度）和平衡常数可以计算平衡浓度（或起始浓度），从而计算反应物的转化率。 （4）判断平衡移动方向 利用平衡常数可从定量的角度解释恒温下浓度、压强对化学平衡移动的影响。 对于可逆反应mA（g）＋nB（g） pC（g）＋qD（g），在任意状态下，生成物的浓度和反应物的浓度之间的关系都可用Q＝表示，则： 当Q＝K时，反应处于平衡状态，v正＝v逆； 当Q＜K时，反应向正反应方向进行，v正＞v逆； 当Q＞K时，反应向逆反应方向进行，v正＜v逆。 【例题3】某温度下，可逆反应：mA（？）＋nB（s）pC（g）＋qD（g）的化学平衡常数为K，下列说法正确的是（　　） A. K＝ B.反应平衡后再加入A，平衡正向移动，K值增大 C. K越小，达到平衡时所需的时间就越短 D. K越大，达到平衡时反应正向进行的程度越大 思维导引：结合化学方程式写出相应的化学平衡常数表达式，并理解化学平衡常数的意义。 答案　D　 解析　由于A是否为气体不清楚，因此K＝不能说是平衡常数的表达式，A项错误；反应平衡后再加入A，平衡正向移动，K值不变，K只与温度有关，B项错误；K越小，表明达到平衡时反应的限度较小，与反应时间快慢无关，C项错误；K越大，达到平衡时反应正向进行的程度越大，表明反应的限度较大，D项正确。 【变式3】可逆反应2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g），某温度下的平衡常数为K（K≠1），反应热为ΔH。保持温度不变，将方程式的书写作如下改变，则ΔH和K的相应变化为（　　） A.写成4SO2（g）＋2O2（g）4SO3（g），ΔH、K均扩大了一倍 B.写成4SO2（g）＋2O2（g）4SO3（g），ΔH扩大了一倍，K保持不变 C.写成2SO3（g）2SO2（g）＋O2（g），ΔH、K变为原来的相反数 D.写成2SO3（g）2SO2（g）＋O2（g），ΔH变为原来的相反数，K变为原来的倒数 答案　D　 解析　写成4SO2（g）＋2O2（g）4SO3（g），方程式系数是原来的2倍，则ΔH扩大了一倍，K是原来的平方；写成2SO3（g）2SO2（g）＋O2（g），ΔH变为原来的相反数，K变为原来的倒数；D项符合题意。 3　有关化学平衡常数的计算 3.一定温度下，在体积为1 L的恒容密闭容器中放入1 mol N2和3 mol H2，发生反应：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。平衡时反应放出热量a kJ。试计算： （1）反应物N2的转化率； （2）化学平衡常数的计算式。 （1）1 mol N2完全反应时放出的热量为92.4 kJ，则放出a kJ热量时，反应掉 mol的N2，反应物N2的转化率为a/92.4×100％ （2）　　　　　　　N2　　＋　　3H2　　2NH3 初始（mol·L－1） 1 3 0 转化（mol·L－1） a/92.4 3a/92.4 2a/92.4 平衡（mol·L－1） 1－a/92.4 3－3a/92.4 2a/92.4 K＝ ＝ 1.计算模型——三段式法 　　　　　　　　　aA（g）＋bB（g）cC（g）＋dD（g） c（初）（mol·L－1） n1 n2 0 0 Δc（mol·L－1） x x x x c（平）（mol·L－1） n1－x n2－x x x 2.解答思路——三步骤 3.基本计算关系 （1）各物质的物质的量浓度变化之比＝物质的量变化之比＝化学计量数之比。 （2）反应物的转化率＝×100％＝×100％。 （3）生成物的产率＝×100％。 （4）平衡时某气体组分的体积分数＝该气体组分的物质的量分数＝×100％。 【例题4】在一定温度下的密闭容器中，加入1 mol CO和1 mol H2O发生反应CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g），达到平衡时测得n（H2）为0.5 mol。求： （1）该温度下的平衡常数； （2）CO的转化率。 思维导引：平衡时n（H2）的物质的量→各种物质转化的物质的量→确定平衡时其他物质的物质的量→代入计算式进行计算。 解析　依题意可列三段式： 　　　　CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g） 起始/mol 　1 　　1 　0 　0 转化/mol 0.5 　0.5 0.5 0.5 平衡/mol 0.5 　0.5 0.5 0.5 因体积相同，浓度比值等于物质的量的比值，由反应方程式及以上数据可得，K＝＝1，CO的转化率为×100％＝50％。 答案：（1）1　（2）50％ 【变式4】t ℃时，在体积为2 L的密闭容器中（容积不变）通入3 mol A和1 mol B，发生反应3A（g）＋B（g） xC（g）；经过2 min的时间该反应达到平衡状态（假设温度不变），剩余的B的物质的量为0.8 mol并测得C的浓度为0.4 mol·L－1。 请回答下列问题： （1）整个反应过程中，B的平均反应速率为　　　　。 （2）x＝　　　　，平衡常数K＝　　　　。 解析　（1）经过2 min的时间该反应达到平衡状态（假设温度不变），剩余的B的物质的量为0.8 mol，说明B改变量为0.2 mol，则B的反应速率为v（B）＝＝＝0.05 mol·L－1·min－1。（2）经过2 min的时间该反应达到平衡状态（假设温度不变），剩余的B的物质的量为0.8 mol，说明B改变量为0.2 mol，测得C的浓度为0.4 mol·L－1，则C的物质的量为0.4 mol·L－1×2 L＝0.8 mol，根据改变量之比等于计量系数之比，则x＝4，A的改变量为0.6 mol，剩余2.4 mol，则平衡常数K＝＝。 答案：（1）0.05 mol·L－1min－1　（2）4 学科网（北京）股份有限公司 $$