2.2.1化学平衡状态 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1课时 化学平衡状态 化学平衡常数 1 【学习目标】 1. 通过化学平衡状态的建立过程，知道化学平衡是一种动态平衡，掌握判断化学平衡状态的标志。 2. 知道化学平衡常数的含义，能书写平衡常数表达式，能进行化学平衡常数、转化率的简单计算。 3. 了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。 1.可逆反应：在相同条件下能向正反应方向进行同时又能向逆反应方向进行的反应称为可逆反应。 (1)双向性：可逆反应分为方向相反的两个反应—正反应和逆反应。 (2)双同性：正、逆反应在相同条件下是同时进行的。 (3)共存性：反应物和生成物共存于同一体系中，反应物的转化率永远小于100%。 (4)相反性：能量转化时，若正反应放热，则逆反应吸热，且遵循能量守恒原理。 【思考】向含有2 mol SO2的容器中通入过量O2发生2SO2(g)＋O2(g) ⇌ 2SO3(g)　ΔH＝－Q kJ·mol－1(Q＞0)，充分反应后生成SO3的物质的量______(填“＜”“>”或“＝”，下同)2 mol，SO2的物质的量______0 mol，转化率______100%，反应放出的热量______ Q kJ。 ＜ ＜ ＜ > 一、化学平衡状态 【随堂练习】在密闭容器中进行反应：X2(g)＋3Y2(g) ⇌ 2Z2(g)，若X2、Y2、Z2的初始浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.2 mol·L－1，当反应达到平衡后，各物质的浓度可能是（ ） ①X2为0.2 mol·L－1　②Y2为0.1 mol·L－1 ③Z2为0.3 mol·L－1　④Y2为0.6 mol·L－1 A.①② B.②③ C.③④ D.①④ B 利用极端假设的解题思想 （1）定义：一定条件下的可逆反应里，正反应和逆反应的速率相等，反应体系中各物质的浓度保持不变的状态，称为化学平衡状态，简称化学平衡。 【判断正误】 (1)合成氨反应中，如果N2过量，则可以使H2完全消耗(　　) (2)对于可逆反应，若加入反应物，则反应先向正反应方向进行，停止后再向逆反应方向进行(　　) (3)只有可逆反应才存在平衡状态(　　) (4)化学平衡状态是一定条件下可逆反应进行到最大限度的结果(　　) (5)化学反应达到化学平衡状态时反应物和生成物的浓度相等(　　) (6)化学反应达到化学平衡状态时，反应混合物中各组分的浓度一定与化学方程式中对应物质的化学计量数成比例(　　) × × √ √ × × 2.化学平衡状态 5 （2）化学平衡状态的特征 条件改变，原平衡被破坏，发生移动，在新的条件下建立新的化学平衡（后续会讲） v(正)＝ v(逆) 动 动态平衡，v(正)＝ v(逆) ≠0 定 条件一定，平衡混合物中各物质的浓度一定（不是相等） 变 【交流讨论】这几个特征中，哪几个可作为化学平衡状态的判断标志？ 研究对象为可逆反应 逆 等 ①同一物质：生成速率＝消耗速率，即v正(A)＝v逆(A)。 ②不同物质：符合：bv正(A)=av逆(B) 正逆相等 同一个物质，消耗速率（量）等于生成速率（量） ③反应物与生成物在单位时间物质的量、质量、化学键的断裂和生成等的变化也能体现速率。 如:aA (g) ＋bB (g) ⇌ cC (g) （1）直接依据 —— 根据速率关系 3.化学平衡判断标志 【随堂练习】在恒温恒容的密闭容器中发生可逆反应 2NO2(g)⇌2NO(g) + O2(g)说明已达到平衡状态的是（ ） 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 ③2υ正(NO)=υ逆(O2 ) ④υ正(NO2 )=2υ逆(O2 ) ⑤单位时间内断开n mol NO中的N—O键的同时生成2n mol O＝O键 ⑥NO2减少的化学反应速率和NO减少的化学反应速率相等 ①④⑥ （2）间接依据——根据各组分的量 首先分析该量是“变量”还是“恒量”，如为“恒量”，即随反应的进行永远不变，则不能作为判断平衡状态的依据；如为“变量”，即该量随反应进行而改变，当其“不变”时，则为平衡状态。 a.各组分的质量、物质的量、物质的量浓度、质量分数、转化率、绝热容器温度等不随时间的延长而改变（一定可以）。 b.混合气体的总压强、总体积、总物质的量、混合气体的密度、平均摩尔质量、颜色不随时间的延长而改变（具体情况具体分析）。 变量不变 从反应开始到平衡之前始终变化，平衡后不再变 a.气体的总物质的量n、体积V、压强P A(g) + B(g)⇌ 2C(g) A(g) + B(g) ⇌C(g) 气体的总物质的量n 恒温恒容时的压强P 减少 不变 不变 减少 不变 减少 恒温恒压时的体积V 不能作为判断依据 能作为判断依据 b.恒温恒容时，气体的密度ρ不再变化时，要具体分析 ρ= m总 v 不会变 看各物质状态，若方程式中全是气体，则气体总质量 不会变。 c.混合气体的平均摩尔质量M,不再变化时，要具体分析 M= m总 n总 全气体反应，气体总质量不变 看气体系数  恒容绝热容器中 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H2(g) + I2(g) 2HI(g) ①气体的总物质的量不变     ②气体的总质量不变     ③气体的总压强不变     ④气体的密度不变     ⑤气体的平均相对分子质量不变     ⑥混合气体的颜色不变     ⑦体系的温度不变     判断下列条件能否说明该反应已达化学平衡？ √ × × × √ × × × √ × × √ √ √ 1.在一定温度，恒容的容器中发生反应A(s)+4B(g)⇌2C(g)+2D(g)，气体B有颜色，一段时间后，该反应达到化学平衡，下列能说明达到化学平衡状态的是_________________ (填序号)。 ①v正(B)＝2v逆(D) ②各气体的物质的量分数不再改变 ③混合气体的颜色不再改变 ④B、C和D的浓度之比为2∶1∶1 ⑤混合气体的总的物质的量不再改变 ⑥混合气体的压强不再改变 ⑦混合气体的密度不再改变 ⑧混合气体的平均相对分子质量不再改变 ① ② ③ ⑦ ⑧ 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 13 2.将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空容器中(假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计)，在恒定温度下使其达到分解平衡：H2NCOONH4(s)⇌2NH3(g)+CO2(g)。能判断该反应已经达到化学平衡的是 ①v(NH3)正=2v(CO2)逆 ②密闭容器中总压强不变 ③密闭容器中混合气体的密度不变 ④密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变 ⑤密闭容器混合气体的总物质的量不变 ⑥密闭容器中 CO2的体积分数不变 ⑦混合气体总质量不变 A．①②⑤⑦ B．①②③⑤⑦ C．①②③⑤⑥ D．全部 B 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 3.一定温度下，在2L的密闭容器中，M、N两种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示： (1)反应的化学方程式为___。 (2)反应达到最大限度的时间是___min，该时间内的平均反应 速率v(N)=__，v(M)=__。 (3)反应达到平衡状态时，放出6QkJ的热量，当容器中充入 1molN，反应放出的热量为__。 ①等于QkJ ②小于QkJ ③大于QkJ ④等于2QkJ 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 (4)判断该反应达到平衡状态的依据是__。 ①该条件下，正逆反应速率都为零 ②该条件下，混合气体的密度不再发生变化 ③该条件下，混合气体的压强不再发生变化 ④该条件下，单位时间内消耗2molN的同时，生成1molM (5)能加快反应速率的措施是___。 ①升高温度 ②容器体积不变，充入惰性气体Ar ③容器压强不变，充入惰性气体Ar ④使用催化剂 2N ⇌ M 6 0.5mol/(L·min) 0.25mol/(L·min) ② ③ ①④ 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 判断平衡状态的证据： 正逆相等 变量不变 知识回顾 温故知新 我们知道可逆反应到达平衡状态判断的方法 ： 定性 【思考】能否从定量的角度研究一个可逆反应是否达到平衡状态呢？ 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H2(g) + I2(g) ⇌2HI(g)总各物质的浓度 [ 查阅资料 ] 温度 177℃ 227℃ 425.6℃ 427℃ 120 80.3 54 48.2 通过分析实验数据得出： 结论3：温度改变，该常数也发生改变。 结论① c2(HI) c(H2) · c(I2) 为常数(K)。 结论② 常数与反应物的起始浓度大小无关； 与正向建立还是逆向建立平衡无关。 结论③ 温度改变，该常数也发生改变。 1.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时，以化学计量数为指数，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，称为化学平衡常数，简称平衡常数，用符号K 表示。 （2）表达式： 对于一般的可逆反应：mA(g)＋nB(g) ⇌ pC(g)＋qD(g)，当该反应在一定温度下达到平衡时， K = 生成物浓度幂之积 反应物浓度幂之积 = cp(C)·cq(D) cm(A)·cn(B) 注意： (2)固体或纯液体浓度看作常数“1”，不代入表达式； (1)其中c为各组分的平衡浓度 (3) 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 二、化学平衡常数 2.浓度商 （1）定义：对于一般的可逆反应：mA(g)＋nB(g) ⇌ pC(g)＋qD(g)， 在任意时刻的 ，称为 ，常用 表示， 即 浓度商 Q （2）Q与K的关系：当反应中有关物质的浓度商 平衡常数时，表明反应达到限度，即达到化学平衡状态。 等于 注意：其中c为各组分任意时刻的浓度. 例1：写出下列反应的平衡常数K的表达式 K 1 ) H ( c ) N ( c ) NH ( c 2 3 2 3 2 = K 2 ) NH ( c ) H ( c ) N ( c 3 2 2 3 2 = K 3 ) H ( c ) N ( c ) NH ( c / / 2 2 3 2 2 1 3 = ①N2+3H2 2NH3 ②2NH3 N2+3H2 N2 + H2 NH3 1 2 3 2 ③ 结论1：对于同一个化学反应，由于书写方式不同，各反应物、生成物的系数不同，平衡常数的表达式不同 。 ②K1 = K32。 ①K1= 1/K2。 ⇌ ⇌ ⇌ 例2：写出下列反应的平衡常数K的表达式,并找出K1和K2，K1和K3的关系 结论2：同一化学反应，正、逆反应的平衡常数互为倒数。 结论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。 2NO (g) + O2 (g) 2NO2 K1 2NO2 (g) N2O4 K2 2NO (g) +O2(g) N2O4 (g) K3 K1、K2、K3三者关系为K3 = K1∙K2 C (s) + H2O (g) CO (g) + H2 (g) K1 CO (g) +H2O (g) CO2 (g) + H2 (g) K2 C (s) + CO2(g) 2CO(g) K3 K1、K2、K3三者关系为K3 = K1 K2 结论4：化学方程式如果相加(或减)，则平衡常数则为两方程式平衡常数的乘积(或商)。 例3：写出下列反应的平衡常数K的表达式，找出K1、K2、K3三者关系 ⇌ ⇌ ⇌ ⇌ ⇌ ⇌ 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 K22 K1·K2 K12/K2 随堂训练 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 (1)内因：化学反应本身的性质。 (2)外因：在化学方程式一定的情况下，K只受 影响。与压强、起始浓度、起始方向均无关。 3.化学平衡常数的影响因素 温度 规律： 放热反应：T升高K减小 吸热反应： T升高K增大 温度 177℃ 227℃ 425.6℃ 427℃ 120 80.3 54 48.2 【思考】依据下列数据判断，H2(g) + I2(g) ⇌2HI(g)是放热反应还是吸热反应 4.化学平衡常数的应用 （1）判断可逆反应进行的程度 K = 生成物浓度幂之积 反应物浓度幂之积 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 25℃时，卤化氢生成反应的平衡常数 【注意事项】平衡常数数值大，不代表此温度下反应速率快，也不代表反应很容易发生。 [达标检测] 在相同的温度下，已知反应： ①N2(g)+O2(g) ⇌2NO(g) K=3.84×10-31 ②2SO2(g)+O2 (g)⇌2SO3 K=3.1×1026 则在该温度下，两个化学反应的反应程度之间的关系为（ ） A.①＞② B.①＜② C.① ＝② D.不能确定 B （2）判断平衡移动的方向 一定温度下，可逆反应：mA(g)＋nB(g) ⇌pC(g)＋qD(g) [达标检测] 已知反应C(s)＋H2O(g) ⇌CO(g)＋H2(g) 的平衡常数K＝1.0，某时刻H2O(g) CO(g)、H2(g)的浓度分别为1.0mol/L，2.0mol/L，1.5mol/L。试回答： （1）此时反应是否处于平衡状态？ （2）如果不平衡，此时反应朝哪个方向进行？ Q＞K，反应向逆方向进行。 【解析】 Q＝ c(CO)·c(H2) c(H2O) ＝ 2.0×1.5 1.0 ＝3.0≠K 5.化学平衡常数的计算 有关化学平衡计算的基本模式——“三段式法” （1）已知初始浓度和平衡浓度求平衡常数和平衡转化率 【例题1】在某温度下，将H2(g)和I2(g)各0.1mol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，求： (1)反应的平衡常数。 (2)在上述温度下，该容器中若通入H2(g)和I2(g)各0.2mol，试求达平衡时各物质的浓度。 (3)计算(1)、 (2)问条件下H2、I2的转化率，通过比较你有什么想法？ (1)：H2的转化率为20%，I2的转化率为20% (2)：H2的转化率为20%，I2的转化率为20% （2）已知平衡常数和初始浓度求平衡浓度及转化率 【例题2】在容积不变的密闭容器中，将2mol CO(g)与10mol H2O 加热到830℃，达到下列平衡： 此时该反应的K为1.0。 求：达平衡时CO转化为CO2的转化率。 某反应物B的转化率(α)＝ 该反应物已转化的量 该反应物的起始总量 ×100% ＝ CB(始）－CB (平) CB(始） ×100% c(CO) : c(H2O) = 1:1 时 CO + H2O CO2 + H2 起始c 1 1 0 0 转化c -x -x +x +x 平衡c 1-x 1-x x x 解得 x = 0.5 α(CO)= 50% α(H2O)= 50% c(CO) : c(H2O) = 1:4 时 CO + H2O CO2 + H2 起始c 1 4 0 0 转化c -x -x +x +x 平衡c 1-x 4-x x x 解得 x = 0.8 α(CO)= 80% α(H2O)= 20% 【随堂练习】已知CO(g) +H2O(g) ⇌ CO2 (g) +H2 (g) 800℃时K =1；求恒温恒容体系中，用c(CO):c(H2O)=1:1或1:4开始，达到平衡时CO和H2O(g)的转化率。 (1-x)(1-x ) x2 K = =1 (1-x)(4-x ) x2 K = =1 【结论】 增大一种反应物的浓度，能提高另一种反应物的转化率，而本身的转化率减小 C 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 D 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 C 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 等于 逆反应方向 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 C 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 C 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 B 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 B 对点训练 小杨老师 15521324728 版权归属于微信公众号：杨sir化学 侵权必究 1．下列关于化学平衡常数的叙述中正确的是(　　) A．在任何条件下，平衡常数是一个恒定值 B．改变反应物或生成物的浓度，可改变平衡常数 C．化学平衡常数随反应温度的改变而改变 D．平衡常数较大表示该反应速率较快 2．反应Ⅰ：H2(g)＋I2(g)2HI(g)的平衡常数为K1；反应Ⅱ：HI(g)eq \f(1,2)H2(g)＋eq \f(1,2)I2(g)的平衡常数为K2，上述反应的平衡常数为同温度下的测定值，则K1、K2的关系为(　　) A．K1＝K22　　　　　　B．K1＝eq \f(1,2)K2 C．K1＝K2　　　　　　D．K1＝eq \f(1,K22) 3．可逆反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)达到平衡状态时，在恒温恒容条件下向容器中加入一定量的O2。下列说法正确的是(K为平衡常数，Q为浓度商)(　　) A．Q不变，K变大，O2的转化率增大 B．Q不变，K变大，SO2的转化率减小 C．Q变小，K不变，O2的转化率减小 D．Q增大，K不变，SO2的转化率增大 eq \f(c（CO）·c（H2O）,c（CO2）·c（H2）) 4．在一个恒容密闭容器中发生反应CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，其平衡常数K和温度(T)的关系如表所示： 回答下列问题： (1)该反应的平衡常数表达式为K＝_________________。 (2)在830 ℃时，向容器中充入1 mol CO、5 mol H2O，保持温度不变，反应达到平衡后，其平衡常数______1.0(填“大于”“等于”或“小于”)。 (3)在1 200 ℃时，在某时刻反应混合物中CO2、H2、CO、H2O的浓度分别为2 mol·L－1、2 mol·L－1、4 mol·L－1、4 mol·L－1，则此时反应进行方向为______________(填“正反应方向”“逆反应方向”或“达到平衡”)。 5．将2 mol N2(g)与5 mol H2(g)放入2 L的密闭容器中，在一定条件下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0达到平衡，测得平衡时NH3(g)的浓度为1.0 mol·L－1。则此条件下反应：2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数K为(　　) A．2　　　　B．1　　　　C．0.5　　　　D．0.25 6．在密闭容器中，加热一氧化碳和水蒸气的气体混合物，在催化剂存在下发生反应：CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)。500 ℃时，平衡常数K＝9。若反应开始时，一氧化碳和水蒸气的浓度都是0.2 mol·L－1，则在此条件下CO的转化率为(　　) A．25%　　　　B．50%　　　　C．75%　　　　D．80% 7．在800 ℃时，体积为1 L的密闭容器中，可逆反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)达到化学平衡状态，已知CO(g)和H2O(g)的初始浓度均为0.01 mol·L－1时，H2(g)平衡浓度为0.005 mol·L－1。若此时再加入0.02 mol·L－1的H2O(g)，重新达到平衡时，H2(g)平衡浓度为(　　) A．0.025 mol·L－1　　　　　　 B．0.007 5 mol·L－1 C．0.005 mol·L－1　　　　　　 D．0.015 mol·L－1 8．加热N2O5依次发生的分解反应为①N2O5(g)N2O3(g)＋O2(g)，②N2O3(g)N2O(g)＋O2(g)。在容积为2 L的密闭容器中充入8.00 mol N2O5，加热到T ℃，达到平衡状态后O2的物质的量为9.00 mol，N2O3的物质的量为3.40 mol。则T ℃时反应①的平衡常数为(　　) A．10.7　　　　B．8.50　　　　C．9.60　　　　D．10.2 $$