专题2 第2单元 第2课时 化学平衡状态 化学平衡常数(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中化学选择性必修1（苏教版2019）

第2课时　化学平衡状态　化学平衡常数 [学习目标]　1.了解化学反应的可逆性，了解可逆反应的概念。2.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。3.能根据化学平衡状态的特征，判断化学平衡状态的标志。4.理解化学平衡常数的概念及意义。5.能够利用化学平衡常数进行简单的计算。6.理解化学平衡常数对化学反应进行的程度判断。 知识点一　化学平衡状态 一、可逆反应 二、化学平衡状态 1．化学平衡的建立 (1)利用浓度变化理解化学平衡建立过程中速率的变化。 在一定条件下，把1 mol O2和2 mol SO2充入一密闭容器中，在一定条件下发生反应。根据要求填表： O2＋2SO22SO3 反应物浓度 v正 c(SO3) v逆 开始时 c(O2)最大 c(SO2)最大 最大 0 0 进行中 c(O2)减小 c(SO2)减小 减小 增大 增大 平衡时 c(O2)不变 c(SO2)不变 不变 不变 不变 (2)用浓度—时间(c－t)、速率—时间(v－t)图像表示以上过程(如下图)。 2．化学平衡状态 (1)定义：化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应，正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。 (2)化学平衡的特征 [注意]　自行车的骑行就是动态平衡。 1．v正＝v逆指的是同一种物质还是不同种物质？当v正＝v逆时，化学反应停止了吗？ 提示　(1)化学反应达到平衡状态时，正反应速率和逆反应速率相等是指同一种物质的消耗速率与生成速率相等，不同种物质的正、逆反应速率不一定相等。 (2)v正＝v逆，但二者均不为0，即反应没有停止。 2．化学平衡状态的建立，与反应途径是否有关？会不会因时间变化而变化？ 提示　化学平衡状态的建立与反应途径无关，对于一个给定的可逆反应，如果反应条件一定，不论采取何种途径(反应无论是从反应物开始还是从生成物开始)最后都能建立相同的化学平衡状态，该平衡状态也不会因时间的变化而变化。 1．对化学平衡状态的正确理解 (1)前提是“一定条件下的可逆反应”。 (2)实质是“正反应速率和逆反应速率相等”。 (3)特征是“反应混合物中各组分的浓度保持不变”。v(正)＝v(逆)≠0，是动态平衡。 (4)一定条件是指所处的外界状况：等温、等压或等温、等容等。 (5)化学平衡状态是可逆反应的最大限度。 2．判断可逆反应是否达到平衡状态的方法 (1)直接判断法 ①正反应速率＝逆反应速率>0； ②同一物质的消耗速率与生成速率相等； ③各组分的浓度保持不变。 (2)间接判断法 ①各组分的百分含量保持不变； ②各组分的物质的量保持不变； ③各气体的体积不随时间的改变而改变。 (3)以反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)为例来说明。 混合物体 系中各成 分的含量 ①各物质的物质的量、质量或物质的量分数、质量分数一定 平衡 ②各气体的体积或体积分数一定 平衡 ③总体积、总压强、总物质的量一定 不一定平衡 正、逆反 应速率的 关系 ①在单位时间内消耗了m mol A，同时也生成了m mol A，即v(正)＝v(逆) 平衡 ②在单位时间内消耗了n mol B的同时也消耗了p mol C，即v(正)＝v(逆) 平衡 ③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q，v(正)不一定等于v(逆)(平衡与否该式都成立) 不一定平衡 ④在单位时间内生成了n mol B的同时消耗了q mol D，均指v(逆) 不一定平衡 压强 ①m＋n≠p＋q时， 总压强一定(其他条件一定) 平衡 ②m＋n＝p＋q时，总压强一定(其他条件一定) 不一定平衡 混合气体 的平均相 对分子质 量 ①当m＋n≠p＋q时，一定 平衡 ②当m＋n＝p＋q时，一定 不一定平衡 温度 任何化学反应都伴随着能量的变化，当体系温度一定时(其他条件不变) 平衡 气体的密度(ρ) 密度一定 不一定平衡 颜色 反应体系内有有色物质时，颜色稳定不变 平衡 1．某温度下，将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)　ΔH＝－41.8 kJ/mol，下列能说明反应达到平衡状态的是(　　) A．体系压强保持不变 B．SO2和NO的体积比保持不变 C．每消耗1 mol SO3的同时生成1 mol NO2 D．v(NO2)＝v(SO3) 解析　A项，由于该反应为气体体积不变的反应，体系压强不变，压强不变时不一定是平衡状态，错误；B项，SO2和NO的体积比保持不变，说明各物质的量保持不变，正确；C项，消耗SO3和生成NO2为同一方向的反应，错误；D项，未指明正、逆反应，不一定是平衡状态，错误。 答案　B 2．可逆反应：2NO22NO＋O2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表示的反应速率的比为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 解析　依据v正＝v逆≠0判断：①单位时间内生成n mol O2的同时必消耗2n mol NO2，能说明反应已达到平衡；②描述的均是正反应速率，无法判断；③无论反应是否达到平衡，均有此关系；④NO2(红棕色)为有颜色的气体，颜色不变能说明反应体系中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，不能说明反应达到平衡；这是一个反应前后气体分子数发生改变的反应，⑥⑦均能说明反应已达平衡。 答案　A 判断化学平衡状态的方法——“正、 逆相等，变量不变” 　 知识点二　化学平衡常数 1．化学平衡常数的概念与表达式 (1)概念 在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，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(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)，当在一定温度下达到平衡时，K＝。 2．化学平衡常数的意义 平衡常数的大小定量反映了化学反应进行的程度(也叫反应的限度)。 K值越大，表示反应进行得越完全，当K＞105时，该反应进行完全。 K值越小，表示反应进行得越不完全，当K＜10－5时，该反应很难发生。 3．化学平衡常数的影响因素 (1)内因：不同的化学反应及方程式的书写形式是决定化学平衡常数的主要因素。 (2)外因：在化学方程式一定的情况下，K只受温度影响。 ①放热反应，温度升高，K值减小； ②吸热反应，温度升高，K值增大。 1．化学平衡常数表达式中，各物质浓度是平衡浓度还是某时刻浓度？ 提示　平衡浓度。 2．对一个可逆反应，平衡常数表达式是唯一的吗？ 提示　不唯一。它与化学方程式的书写形式有关。 3．结合平衡常数表达式分析，平衡常数的大小与正向反应进行的程度有何关系？平衡常数的大小与反应物的转化率大小有何关系？ 提示　对于一个具体的反应，平衡常数越大，说明平衡体系中生成物所占的比例越大，它的正向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。 1．使用化学平衡常数应注意的问题 (1)化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。 (2)反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。 (3)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若化学方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。 如N2＋3H22NH3，K＝a则有： 2NH3N2＋3H2，K′＝1/a； N2＋H2NH3，K″＝。 2．化学平衡常数的意义——判断反应进行的程度 化学平衡常数能够表示可逆反应进行的完全程度。一个反应的K值越大，表明平衡时生成物的浓度越大，反应物的浓度越小，反应物的转化率也越大。 1．下列能使反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的平衡常数改变的是(　　) A．升高温度　　　　　　 B．加催化剂 C．增大氮气的浓度 D．增大压强 答案　A 2．已知在一定温度下，下列各反应的焓变和平衡常数如下： ①C(s)＋CO2(g)2CO(g)　ΔH1　K1 ②CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)　ΔH2　K2 ③C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)　ΔH3　K3 则ΔH1、ΔH2、ΔH3三者关系为ΔH3＝______，K1、K2、K3三者关系式为K3＝__________。 答案　ΔH1＋ΔH2　K1·K2 知识点三　化学平衡常数的有关计算 1．平衡转化率 (1)含义：平衡时已转化了的某反应物的量与转化前(初始时)该反应物的量之比。 (2)表达式 对于可逆反应：aA＋bBcC＋dD αA＝×100%＝×100% αA＝×100%＝×100% 注意：平衡转化率与平衡常数均能表示化学反应进行的程度，但平衡常数不直观，转化率能更直观地表示化学反应进行的程度。 2．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 3．计算思路 (1)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为x。 (2)确定三个量：根据反应物、生成物及变化量的三者关系代入未知数确定平衡体系中各物质的起始量、变化量、平衡量并按2中“模式”列表。 (3)解题设问题：明确“始”“转”“平”三个量的具体数值，再根据相应关系求平衡时某成分的浓度、反应物转化率等，得出题目答案。 1．某温度下，向容积为2 L的密闭反应器中充入0.10 mol SO3，当反应器中的气体压强不再变化时，测得SO3的转化率为20%，则该温度下反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的平衡常数为(　　) A．3.2×103　　　　 B．1.6×103 C．8.0×102 D．4.0×102 答案　A 2．反应SO2(g)＋NO2(g)SO3(g)＋NO(g)，若在一定温度下，将物质的量浓度均为2 mol·L－1的SO2(g)和NO2(g)注入一密闭容器中，当达到平衡状态时，测得容器中SO2(g)的转化率为50%，则在该温度下： (1)此反应的平衡常数为________________。 (2)在上述温度下，若SO2(g)的初始浓度增大到3 mol·L－1，NO2(g)的初始浓度仍为2 mol·L－1，达到化学平衡状态时，计算下列各物质的浓度及SO2和NO2的平衡转化率。 ①c(SO3)＝____________mol·L－1， c(SO2)＝____________ mol·L－1。 ②α(SO2)＝__________，α(NO2)＝__________。 解析　(1)设平衡时SO2的浓度为x mol·L－1 　　　　　　SO2(g)＋NO2(g)SO3(g)＋NO(g) 2 2 0 0 x x 2－x 2－x 由题意可知×100%＝50%，x＝1， K＝＝＝1。 (2)设达平衡时NO的浓度为y mol·L－1 　　　　　　SO2(g)＋NO2(g)SO3(g)＋NO(g) 3 2 0 0 3－y 2－y y y 因为温度不变，平衡常数不变，K＝1 则＝1，y＝1.2 ①平衡浓度：c(SO3)＝1.2 mol·L－1，c(SO2)＝3 mol·L－1－1.2 mol·L－1＝1.8 mol·L－1。 ②α(SO2)＝×100%＝40%； α(NO2)＝×100%＝60%。 答案　(1)1　(2)①1.2　1.8　②40%　60% 1．下列为四个同学对“化学平衡状态”的理解，其中理解正确的是(　　) 答案　B 2．在密闭容器中发生反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)，若X、Y、Z起始浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1和0.2 mol·L－1，则平衡时各物质浓度可能是(　　) A．X为0.2 mol·L－1 B．Y为0.1 mol·L－1 C．Z为0.4 mol·L－1 D．Z为0.1 mol·L－1时，Y为0.4 mol·L－1 解析　化学反应的限度决定了可逆反应中的各种成分是不能完全转化的。所以，平衡时各物质的浓度范围为0＜c(X)＜0.2 mol·L－1,0＜c(Y)＜0.6 mol·L－1，0＜c(Z)＜0.4 mol·L－1。而当c(Z)＝0.1 mol·L－1时，c(Y)＝0.45 mol·L－1。 答案　B 3．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2NH3(g)＋CO2(g)。下列能判断该反应已经达到化学平衡的个数有(　　) ①v正＝2v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混合气体总质量不变 ⑥密闭容器中CO2的体积分数不变 ⑦密闭容器混合气体的总物质的量不变 A．4个　　　　　　　 B．5个 C．6个 D．7个 解析　v正(NH3)＝2v逆(CO2)，表明正逆反应速率相等，该反应达到平衡状态，故①正确；该反应为气体物质的量增大的反应，密闭容器中总压强为变量，当密闭容器中总压强不变时，该反应达到平衡状态，故②正确；H2NCOONH4(s)为固态，混合气体总质量为变量，则密闭容器中混合气体的密度为变量，当密闭容器中混合气体的密度不变时，表明达到平衡状态，故③正确；只有NH3(g)、CO2(g)为气体，且二者物质的量之比始终为2∶1，则混合气体的平均相对分子质量始终不变，不能根据密闭容器中混合气体的平均相对分子质量判断平衡状态，故④错误；H2NCOONH4(s)为固态，混合气体总质量为变量，当混合气体总质量不变时，表明达到平衡状态，故⑤正确；只有NH3(g)、CO2(g)为气体，且二者物质的量之比始终为2∶1，密闭容器中CO2的体积分数始终不变，不能根据密闭容器中CO2的体积分数判断平衡状态，故⑥错误；该反应为气体物质的量增大的反应，当密闭容器混合气体的总物质的量不变时，表明达到平衡状态，故⑦正确；根据分析可知，能判断该反应已经达到化学平衡的个数有5个，故选B。 答案　B 4．某温度下，将3 mol A和2 mol B充入2 L一密闭容器中，发生反应：A(g)＋B(g)C(g)＋D(g)，5 min后达到平衡。已知该温度下其平衡常数K＝1，下列选项正确的是(　　) A．C平衡浓度为1.2 mol/L B．速率v(B)＝0.08 mol/(L·min) C．A的转化率为40% D．B的转化率为40% 解析　设A的变化量为x mol/L，则 　　　　　　　A(g)　＋　B(g)C(g)＋D(g) 起始量(mol/L) 1.5 1 0 0 变化量(mol/L) x x x x 平衡量(mol/L) 1.5－x 1－x x x 则有＝1，解得x＝0.6。C平衡浓度为0.6 mol/L，速率v(B)＝＝0.12 mol/(L·min)，A的转化率为×100%＝40%，B的转化率为×100%＝60%。 答案　C 5．在一容积为1 L的密闭容器中，通入一定量的CO和H2O，在850 ℃发生如下反应： CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＜0，CO和H2O浓度变化如图所示： 850 ℃时物质浓度的变化 (1)0～4 min的平均反应速率v(CO)＝________mol·L－1·min－1。 (2)850 ℃时，平衡常数K＝________。 (3)850 ℃时，若向该容器中充入1.0 mol CO、3.0 mol H2O，则CO的平衡转化率为________。 解析　(1)0～4 min的平均反应速率v(CO)＝(0.20 mol·L－1－0.08 mol·L－1)/4 min＝0.03 mol·L－1·min－1。(2)850 ℃时，平衡时各物质的浓度分别为c(CO)＝0.08 mol·L－1、c(H2O)＝0.18 mol·L－1、c(CO2)＝0.12 mol·L－1、c(H2)＝0.12 mol·L－1，所以平衡常数K＝(0.12×0.12)/(0.18×0.08)＝1。(3)设平衡时CO的转化浓度为x mol·L－1， CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) 1.0 3.0 0 0 x x x x 1.0－x 3.0－x x x 850 ℃时，反应的平衡常数是1，有(1.0－x)×(3.0－x)＝x×x，解得x＝0.75，则CO的平衡转化率为×100%＝75%。 答案　(1)0.03　(2)1　(3)75% 学科网（北京）股份有限公司 $$