2.2.2 化学平衡常数 课件 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第二章 化学反应速率与化学平衡 第二节 化学平衡 第二课时 化学平衡常数 1 【思考】在一定温度下，化学平衡体系中反应物浓度与生成物浓度之间有什么关系呢？在457.6℃时反应体系I2(g) + H2(g) 2HI(g)中各物质的浓度如图所示 序号 起始时浓度mol/L 平衡时浓度mol/L 平衡时 c0(H2) c0(I2) c0(HI) c(H2) c(I2) c(HI) 1 0.01197 0.006944 0 0.005617 0.0005936 0.01270 48.37 2 0.01228 0.009964 0 0.003841 0.00125 0.01687 48.62 3 0.01201 0.008403 0.0 0.004580 0.0009733 0.01486 49.54 4 0 0 0.01520 0.001696 0.001696 0.01181 48.49 5 0 0 0.01287 0.001433 0.001433 0.01000 48.70 6 0 0 0.03777 0.004213 0.004213 0.02934 48.50 平均值 48.70 从正反应开始 从逆反应开始 计算公式 几乎相等 2 新课导入 （2）无论反应物或生成物的浓度如何改变，平衡时只要温度一定， 的值也 。 （1）无论该反应从正向进行还是从逆向进行，平衡时只要温度一定， 的值 。 近似相等 近似相等 （3）分析上表数据可知，该反应在457.6℃达到平衡时， 是一个 。 常数 化学平衡状态时浓度数据分析： 3 浓度商的概念与表达式 1 浓度商的概念与表达式 (2) 表达式 对于可逆反应mA(g) + nB(g) pC(g) + qD(g)，浓度商Qc ＝ (1) 浓度商的概念:在任意时刻，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值，称为浓度商，常用Qc表示。 4 化学平衡常数的概念与表达式 二、化学平衡常数的概念与表达式 1．化学平衡常数的概念 在一定温度下，当一个可逆反应达到平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，该常数就是该反应的化学平衡常数（简称平衡常数），用符号K表示。 2．表达式 例如：mA + nB ⇋ pC + qD = 生成物浓度幂之积 反应物浓度幂之积 = cp(C)·cq(D) cm(A)·cn(B) 其中c为各组分的平衡时浓度 【注意】固体或液体纯物质一般不列入浓度商和平衡常数。 H2O： 液态时，不能代入平衡常数表达式； 气态时，需要代入平衡常数表达式。 5 化学平衡常数的概念与表达式 3.化学平衡常数表达式和任意时刻浓度熵的区别 K= mA(g) + nB(g) ⇌ pC(g) + qD(g) 化学平衡常数： 浓度商： c 为平衡浓度 c 为任一时刻浓度 ①在任意时刻，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值，都为浓度商，而化学平衡常数，是在一定温度下，可逆反应达到平衡时的浓度商。 ②当反应中有关物质的浓度商等于平衡常数时，表明该反应已达到化学平衡状态。 6 化学平衡常数的概念与表达式 练习1：写出下列反应的平衡常数K的表达式。 ① C(s) + H2O(g) ⇋CO(g) + H2(g) ② FeO(s) + CO(g) ⇋Fe(s) + CO2(g) ③ 2KClO3(s) ⇋KCl(s) + 3O2(g) ④ Cr2O72-+H2O ⇋2CrO42-+2H+ 7 化学平衡常数的概念与表达式 练习2：写出下列反应的平衡常数K的表达式 ① N2(g) + 3H2(g) ⇋2NH3(g) ② N2(g) + H2(g) ⇋NH3(g) ③ 2NH3(g) ⇋N2(g) + 3H2(g) 注意观察三者之间的关系！ K1 = = K22 注意：化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。 ①若反应方向改变，则平衡常数改变。 ②若方程式中各物质的系数等倍扩大或缩小，尽管是同一个反应，平衡常数也会改变。 8 平衡常数与方程式的关系 注意：1．若干方程式相加，则总反应的平衡常数等于分步平衡常数之乘积；若干方程式相减，则总反应的平衡常数等于分步平衡常数之商； 2.对于同一可逆反应，正反应和逆反应的平衡常数互为倒数； 3．若化学方程式中各物质的化学计量数都扩大或缩小至原来的n倍，则化学平衡常数变为原来的 n 次幂或 1/n 次幂。 练习3：已知方程式A(g) ⇌ C(g) K1 和 B(g) ⇌ D(g) K2 用K1、K2表示下列反应的平衡常数。 （1）C(g) ⇌ A(g) K3 = __________ （2）2B(g) ⇌ 2D(g) K4 = __________ （3）A(g) + B(g) ⇌ C(g) + D(g) K5 = __________ （4）2A(g) + D(g) ⇌ B(g) + 2C(g) K6 = __________ 1/ K1 K1·K2 K2 2 K1/K2 2 9 平衡常数的影响因素及意义 化学方程式 平衡常数 ( K ) F2(g) + H2(g) 2HF(g) 6.5 ×1095 Cl2(g) + H2(g) 2HCl(g) 2.57 ×1033 Br2(g) + H2(g) 2HBr(g) 1.91 ×1019 I2(g) + H2(g) 2HI(g) 8.67 ×102 数据分析 结论：平衡常数的大小，与反应中物质的性质有关。（内因） 25 ℃ 时，生成卤化氢反应的平衡常数 10 平衡常数的影响因素及意义 数据分析 序号 起始浓度(×10-2 mol·L-1) 不同温度下的平衡常数(K ) c(H2) c(I2) c(HI) 457.6 ℃ 425.6 ℃ 25 ℃ 1 1.197 0.694 0 48.38 54.51 867 2 1.228 0.996 0 48.61 54.62 867 3 1.201 0.840 0 49.54 54.21 867 4 0 0 1.520 48.48 54.10 867 5 0 0 1.287 48.71 54.42 867 H2(g) + I2(g) 2HI(g) 在容积不变的密闭容器中发生反应： 结论：平衡常数不受浓度的影响，受温度影响。（外因） 11 平衡常数的影响因素及意义 K值越大，表示反应进行的程度越大，反应物转化率也越大 K = 生成物浓度幂之积 反应物浓度幂之积 下表为298K时，卤化氢生成反应的平衡常数： 化学方程式 平衡常数 K F2+H2 === 2HF 6.5×1095 Cl2+H2 === 2HCl 2.57×1033 Br2+H2 === 2HBr 1.91×1019 I2+H2 ⇋ 2HI 8.67×102 平衡常数的大小，与反应中物质的性质有关 K 值越大，说明平衡体系中生成物的比例越大，正反应进行的程度越大 ，即该反应进行得越完全，反应物的转化率越大。 K只受温度的影响，与反应物或生成物浓度无关。 12 平衡常数的影响因素及意义 化学平衡常数的大小反映了化学反应进行的程度 1.K值越大，表示反应进行得越完全，平衡时反应物的转化率越大。一般来说，对于同类型的化学反应，K≥105时可认为该反应进行得基本完全了。 2.K值越小，表示反应进行得越不完全，平衡时反应物的转化率越小。同样地，K ≤10-5则认为这个反应很难进行。 3.化学平衡常数的大小反映的是反应进行的程度大小，并不涉及反应时间和化学反应速率。也就是说，某个化学反应的平衡常数很大，可能化学反应速率却很小。 13 平衡常数的影响因素及意义 判断可逆反应的进行方向 Q＜K ，反应向正方向进行 Q＝K ，反应处于平衡状态 Q＞K ，反应向逆方向进行 在等温条件下，对于一般的可逆反应： mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)， Q= 14 平衡常数的影响因素及意义 判断可逆反应的热效应 在化学方程式一定的情况下，K只受温度影响。与压强、起始浓度、起始反方向均无关。 若升高温度,K增大，正反应是吸热反应； 若升高温度,K减小，正反应是放热反应。 【例】不同温度时，反应:H2(g)+I2(g)2HI(g),的平衡常数与温度的关系如表所示，可以判断该可逆反应的正方向是______反应。 温度 623K 698K 763K 平衡常数 66 .9 54.4 45.9 放热 15 化学平衡常数的相关计算 计算模型——三段式法 例：在某温度下，将H2和I2各0.10mol气态混合物充入10L的密闭容器中，充分反应，达到平衡后，测得c(H2)=0.0080mol/L (1)求该反应的平衡常数和H2的转化率； (2)在上述温度下，该容器中若通入H2和I2蒸气各0.20mol，试求达到化学平衡状态时各物质的浓度和H2的转化率。 已知初始浓度和平衡浓度求平衡常数和平衡转化率 知平衡常数和初始浓度求平衡浓度及转化率 巧设未知数：具体题目要具体分析，灵活设立，一般设某物质的转化量n或c为x。 16 化学平衡常数的相关计算 (1)计算平衡转化率 用平衡常数来表示反应的限度有时不够直观，常用平衡转化率α来表示反应限度。 对于可逆反应: mA(g)+nB (g) pC(g)+qD(g) 反应物A的平衡转化率（该条件最大转化率）可表示： 转化率是对反应物而言的 17 化学平衡常数的相关计算 (2)平衡时A的体积分数：φ(A)＝ (3)平衡时和开始时压强之比： ＝ (4)生成物产率＝×100% ×100% ＝ 18 其他类型平衡常数 1.压强平衡常数Kp 一定温度下，气相反应：aA(g)＋bB(g)　　cC(g)＋dD(g)达平衡时，气态生成物分压幂之积与气态反应物分压幂之积的比值为一个常数，称为该反应的压强平衡常数，用符号Kp表示。 混合气体中某组分的分压＝总压×该组分的物质的量分数，即pB＝p总× 分压定律：混合气体的总压等于相同温度下各组分气体的分压之和， 即p总＝pA＋pB＋pC＋… 19 其他类型平衡常数 例1、一定温度下，在1 L恒容密闭容器中充入2 mol NO(g)和1 mol Cl2(g)，起始总压强为P0，发生反应：2NO(g)+Cl2(g) 2NOCl(g) 达到平衡后，压强为原来的5/6。 该温度下反应的平衡常数Kc= 、Kp= 。 2 6/P0 例2、一定温度下，在初始体积为1L的恒压密闭容器中充入2 mol NO(g)和1 mol Cl2(g)，起始总压强为P0 Pa，发生反应： 2NO(g)+Cl2(g) 2NOCl(g) 达到平衡后，体积为原来的5/6。 该温度下反应的平衡常数Kc= 、Kp= 。 5/P0 Pa-1 友情提醒：(1)恒温恒容，P变，算Kp要小心；(2)恒温恒压，V变，算Kc要小心! 5/3 20 其他类型平衡常数 mA(g)+nB(g) eC(g)+fD(g) 达平衡时，令各物质的量分数分别为x(A)、x(B)、x(C)、x(D)， 则有物质的量分数平衡常数Kx= 2.物质的量分数平衡常数Kx 21 其他类型平衡常数 H2S与CO2在高温下发生反应： H2S(g)＋CO2(g) COS(g) ＋H2O(g)。在610 K时，将0.10 mol CO2与0.40 mol H2S充入2.5 L的空钢瓶中，压强为P0 Pa，反应平衡后水的物质的量分数为0.02。 H2S的平衡转化率α1＝ %， 反应平衡常数Kc＝ 、Kp＝ 、Kx＝ 。 2.5 2.8×10－3 2.8×10－3 结论：当△n(g)=0时，Kc=Kp=Kx 2.8×10－3 22 其他类型平衡常数 在该温度下，反应的标准平衡常数Kθ= 。(已知：分压=总压×该组分物质的量分数，对于反应dD(g)+eE(g) gG(g)+hH(g)， ，其中pθ=100kPa，p(G)、p(H)、p(D)、p(E)为各组分的平衡分压)。 某兴趣小组对反应2NH3(g) N2(g) ＋3H2(g)进行了实验探究。在一定温度和催化剂的条件下，将0.1molNH3通入3L的密闭容器中进行反应(此时容器内总压为200kPa)，各物质的分压随时间的变化曲线如图所示。 0.48 NH3 H2 N2 3.标准平衡常数Kθ 23 随堂训练 1．下列关于平衡常数K 的说法中，正确的是( ) ①平衡常数K 只与反应本身及温度有关　 ②改变反应物浓度或生成物浓度都会改变平衡常数K　 ③加入催化剂不改变平衡常数K　 ④平衡常数K 只与温度有关，与反应的本身及浓度、压强无关 A．①②　 B．②③ C．③④ D．①③ D 24 随堂训练 2. 3molA和2.5molB混合于2L的密闭容器中发生反应： 3A(g)+B(g) aC(g)+2D(g)， 5min后达到平衡，已知v(c)=0.05 mol /(min·L)，生成D为1 mol。下列选项正确的是（ ） A. v (A)=0.1 mol/(L·min) B. a=2 C.平衡时B的转化率为20% D.平衡时压强为起始时的0.8倍 C 25 随堂训练 3．对于下列反应，其反应过程的能量变化示意图如下： 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 下列说法正确的是(　　 ) A．K3＝K1＋K2 B．ΔH3＝ΔH1＋ΔH2 C．加催化剂，反应①的反应热降低，反应速率加快 D．增大压强，K1减小，K2增大，K3不变 B 26 随堂训练 4.五氯化磷(PCl5)是有机合成中重要的氯化剂，可以由三氯化磷(PCl3)氯化得到：PCl3(g)+Cl2(g)⇌PCl5(g)△H=-93.0kJ/mol。某温度下，在2.0L密闭容器中充入1.0molPCl3和0.5molCl2，一段时间后反应达平衡状态，实验数据如下表所示，下列说法不正确的是 A．0～150s内，PCl3的反应速率为0.0012mol/(L•s) B．反应至250s，该反应放出的热量为37.2kJ C．该温度下，此反应的化学平衡常数数值为40/3 D．在此温度下，该密闭容器中若初始充入1.0molPCl3、1molCl2、2.0molPCl5，则应向逆反应方向进行 t/s 0 50 150 250 350 n(PCl5)/mol 0 0.21 0.36 0.40 0.40 D 27 随堂训练 5.目前工业上有一种方法是用CO2生产燃料甲醇。一定条件下发生反应： CO2(g)＋3H2(g)⇋ CH3OH(g)＋H2O(g)。 (1)恒容容器中，对于以上反应，能加快反应速率的是________(填字母)。 A．升高温度　　　B．充入He C．加入催化剂 D．降低压强 (2)在容积为2 L的密闭容器中，充入1 mol CO2和3 mol H2，测得CO2的物质的量随时间变化如表所示。 t/min 0 2 5 10 15 n(CO2)/mol 1 0.75 0.5 0.25 0.25 ①从反应开始到5 min末，用H2浓度变化表示的平均反应速率v(H2)＝ ； ②反应达到平衡状态时，此时H2的转化率为________。 AC 0.15 mol/(L·min) 75% 28 随堂训练 (3)在相同温度、容积不变的条件下，能说明该反应已达平衡状态的是________(填字母)。 a．CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度均不再变化 b．v生成(CH3OH)＝v消耗(CO2) c．n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OH)∶n(H2O)＝1∶1∶1∶1 d．容器中混合气体的密度保持不变 e．H2的消耗速率与CH3OH的消耗速率之比为3∶1 5.目前工业上有一种方法是用CO2生产燃料甲醇。一定条件下发生反应：CO2(g)＋3H2(g)⇋ CH3OH(g)＋H2O(g)。 ae 29 THANKS 30 $$