第2章 第2节 第2课时 化学平衡常数-【精彩三年】2024-2025学年高中化学选择性必修1课程探究与巩固Word教参（人教版2019）

第2课时　化学平衡常数 学习目标 评价目标 1．认识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 2．能书写平衡常数表达式，能进行平衡常数、转化率的简单计算 3．能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡状态 1．通过化学平衡状态时的浓度数据分析，认识化学平衡常数的概念，并能分析推测其相关应用 2．构建化学平衡常数相关计算的思维模型(三段式法)，理清计算的思路，灵活解答各类问题 知识点　化学平衡常数 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，称为化学平衡常数，简称平衡常数，用符号K表示。 2．浓度商与化学平衡常数的表达式 (1)浓度商：对于一般的可逆反应：mA(g)＋nB(g)⥫⥬pC(g)＋qD(g)，在任意时刻的称为　浓度商　，常用Q表示，即Q＝。 (2)化学平衡常数表达式：当在一定温度下达到化学平衡时，K＝。 固体或纯液体一般不列入浓度商和平衡常数表达式中。 (3)Q与K的关系：当反应中有关物质的浓度商　＝　(填“>”“<”或“＝”)平衡常数时，表明反应达到限度，即达到化学平衡状态。 3．化学平衡常数的意义 平衡常数的大小反映了化学反应进行的　程度　(也叫反应的限度)。 K越大，表示反应进行得越完全，平衡时反应物的转化率越　大　，当K＞　105　时，该反应就进行得基本完全了。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　。 4．影响因素 平衡常数K只受温度的影响，与反应物或生成物的浓度无关。 对ΔH<0的反应，升高温度，K值减小。 对ΔH>0的反应，升高温度，K值增大。 探本思辨 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)改变反应条件时，平衡常数可能会改变。(　√　) (2)K值越大，表明可逆反应正向进行的程度越大。(　√　) (3)K值越大，该可逆反应的速率越大。(　×　) (4)同一反应的浓度商和平衡常数的表达式相同，意义相同。(　×　) (5)K值越大，反应越容易进行。(　×　) 2．写出下表中各反应的平衡常数表达式。 化学方程式 平衡常数表达式 2NO2(g)⥫⥬N2O4(g) K＝　　 3Fe(s)＋4H2O(g)⥫⥬Fe3O4(s)＋4H2(g)　 K＝　　 Br2＋H2O⥫⥬H＋＋Br－＋HBrO K＝ 平衡常数及其应用 角度1：化学平衡常数与化学方程式书写形式之间的关系 编号 反应 K ① N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g) K1＝ ② 2NH3(g)⥫⥬N2(g)＋3H2(g) K2＝ ③ N2(g)＋H2(g)⥫⥬NH3(g) K3＝ ④ C(s)＋CO2(g)⥫⥬2CO(g) K4＝ ⑤ CO(g)＋H2O(g)⥫⥬H2(g)＋CO2(g) K5＝ ⑥ C(s)＋H2O(g)⥫⥬CO(g)＋H2(g) K6＝ (1)由反应①②判断，正、逆反应的平衡常数互为倒数，即K1＝。 (2)由反应①③可知，化学平衡常数与化学计量数存在次方关系，即K3＝。 (3)将反应④＋⑤可得反应⑥，则反应⑥的平衡常数为反应④⑤的平衡常数之积，即K6＝K4·K5。 例1 [2023·湖州中学检测]三个反应在常温时的平衡常数的数值如下，下列说法错误的是(　B　) 2NO(g)⥫⥬N2(g)＋O2(g)　K1＝1×1030 2H2(g)＋O2(g)⥫⥬2H2O(g)　K2＝2×1081 2CO2(g)⥫⥬2CO(g)＋O2(g)　K3＝4×10-92 A．常温下，NO分解产生O2的反应的平衡常数表达式为K1＝ B．常温下，水蒸气分解产生O2，此时平衡常数的数值约为5×10-80 C．常温下，NO、H2O、CO2三种化合物分解放出O2的倾向由大到小的顺序为NO>H2O>CO2 D．反应2CO(g)＋2NO(g)===N2(g)＋2CO2(g)的平衡常数K4＝ 【解析】 NO分解产生O2的反应为2NO(g)⥫⥬N2(g)＋O2(g)，所以该反应的平衡常数表达式为K1＝，A选项正确；水蒸气分解产生O2的反应为2H2O(g)⥫⥬2H2(g)＋O2(g)，与已知反应2H2(g)＋O2(g)⥫⥬2H2O(g)互换反应物和生成物，所以，该反应的平衡常数的数值K＝K＝(2×1081)-1＝5×10-82，B选项错误；平衡常数越大，表明该反应进行的程度越大，NO、H2O、CO2三种化合物分解反应的平衡常数分别为K1＝1×1030、K＝5×10-82、K3＝4×10-92，K1>K>K3，所以三种化合物分解放出O2的倾向由大到小的顺序为NO＞H2O＞CO2，C选项正确；反应2CO(g)＋2NO(g)⥫⥬N2(g)＋2CO2(g)可由反应2NO(g)⥫⥬N2(g)＋O2(g)减去反应 2CO2(g)⥫⥬2CO(g)＋O2(g)而得，所以该反应的平衡常数K4＝，D选项正确。 角度2：平衡常数的应用 (1)判断、比较可逆反应进行的程度 一般来说，一定温度下的一个具体的可逆反应： K 正反应进 行的程度 平衡时生 成物浓度 平衡时反应 物浓度 反应物 转化率 越大 越大 越大 越小 越大 越小 越小 越小 越大 越小 (2)判断正在进行的可逆反应是否达到平衡或反应进行的方向 对于可逆反应：mA(g)＋nB(g)⥫⥬pC(g)＋qD(g)，若浓度商Q＝，则将浓度商和平衡常数作比较可判断可逆反应所处的状态。若Q<K，则反应向正反应方向进行；若Q＝K，则反应处于平衡状态；若Q>K，则反应向逆反应方向进行。 (3)判断可逆反应的反应热 升高温度，若K增大，则正反应为吸热反应；若K减小，则正反应为放热反应。 例2 反应Fe(s)＋CO2(g)⥫⥬FeO(s)＋CO(g)，700 ℃时平衡常数为1.47，900 ℃时平衡常数为2.15。下列说法正确的是(　C　) A．升高温度，该反应的正反应速率增大，逆反应速率减小 B．该反应的化学平衡常数表达式为K＝　 C．该反应的正反应是吸热反应 D．增大CO2的浓度，平衡常数增大 【解析】 A项，升温，正、逆反应速率均增大，不正确；B项，Fe和FeO为固体，不列入平衡常数表达式，该化学反应平衡常数表达式为K＝，不正确；C项，升温，平衡常数增大，表明平衡向正反应方向移动，即正反应为吸热反应，正确；D项，增大反应物的浓度，平衡常数不变，不正确。 1．下列有关平衡常数的说法正确的是(　D　) A．改变条件，反应物的转化率增大，平衡常数一定增大 B．反应：2NO2(g)⥫⥬N2O4(g)　ΔH<0，增大c(N2O4)，该反应的平衡常数增大 C．对于给定的可逆反应，温度一定时，其正、逆反应的平衡常数相等 D．平衡常数为K＝的反应，化学方程式为CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) 【解析】 改变条件，反应物的转化率增大，若温度不变，则平衡常数不变，A项错误；增大c(N2O4)，温度不变，K不变，B项错误；对于给定的可逆反应，温度一定时，其正、逆反应的平衡常数互为倒数，C项错误；CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)的平衡常数表达式为K＝，D项正确。 2．在一定容积的密闭容器中，进行化学反应：CO2(g)＋H2(g)⥫⥬CO(g)＋H2O(g)，K为化学平衡常数，其中K和温度的关系如下表所示： T/℃ 700 800 830 1 000 1 200 K 0.6 0.9 1.0 1.7 2.6 根据以上信息推断下列说法正确的是(　C　) A. 升高温度，平衡向逆反应方向移动 B. 此反应只有达到平衡时，密闭容器中的压强才不会变化 C. 此反应在1 000 ℃时的反应速率比700 ℃时大 D. 该反应的化学平衡常数越大，反应物的转化率越低 【解析】 根据题干表格数据可知，温度升高，K增大，正反应为吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，故A错误；该可逆反应前后气体体积不变，反应过程中压强始终不变，故B错误；温度越高，反应速率越大，故C正确；化学平衡常数越大，反应物的转化率越高，故D错误。 3．[2023·柯桥中学检测]T ℃时，向2.0 L恒容密闭容器中充入1.0 mol SO3气体，发生反应：2SO3(g)⥫⥬2SO2(g)＋O2(g)。测定的部分数据如下表： t/s 0 50 150 250 350 n(SO2)/mol 0 0.16 0.19 0.20 0.20 下列说法正确的是(　D　) A．反应在前50 s的平均速率v(SO2)＝0.003 2 mol·L-1·s-1 B．平衡后向容器中充入1.0 mol He，平衡正向移动，平衡常数不变 C．相同温度下，起始时向容器中充入0.8 mol SO3、0.20 mol SO2和0.15 mol O2，反应达到平衡前v(正)＞v(逆) D．相同温度下，若起始时向容器中充入2.0 mol SO2和1.0 mol O2，达到平衡时，SO2的转化率大于80% 【解析】 反应在前50 s的平均速率v(SO2)＝＝0.001 6 mol·L-1·s-1，A错误；恒容条件下充入无关气体，反应体系中各物质浓度不变，平衡不移动，B错误；由表格数据可知，250 s时，反应达到平衡，此时SO2为0.2 mol，O2为0.1 mol，SO3为0.8 mol，则相同温度下，起始时向容器中充入0.8 mol SO3、0.20 mol SO2和0.15 mol O2，相当于在平衡的基础上再充入0.05 mol O2，则平衡逆向移动，反应达到平衡前v(正)＜v(逆)，C错误；根据等效平衡可知，恒温恒容条件下充入1.0 mol SO3气体与充入1.0 mol SO2和0.5 mol O2会建立完全一样的平衡状态，即充入1.0 mol SO2和0.5 mol O2，反应达到平衡状态时，SO2的转化率等于80%，恒温恒容下，若起始时向容器中充入2.0 mol SO2和1.0 mol O2，相对于充入1.0 mol SO2和0.5 mol O2来说，相当于加压，平衡逆向移动，则达到平衡时，SO2的转化率大于80%，D正确。 “三段式”法进行化学平衡的有关计算 可按下列步骤建立模式，确定关系式进行计算。如可逆反应：mA(g)＋nB(g)⥫⥬pC(g)＋qD(g)，在容积为V L的恒容密闭容器中，反应物A、B的初始加入量分别为a mol、b mol，达到化学平衡时，设A物质转化的物质的量为mx mol。 (1)模式 对于反应物：n(平)＝n(始)－n(转) 对于生成物：n(平)＝n(始)＋n(转) 则有①平衡常数K＝。 ②平衡时A的物质的量浓度： c(A)＝ mol·L-1。 ③平衡时A的转化率：α＝×100%，A、B的转化率之比α(A)∶α(B)＝∶。 ④平衡时A的体积分数： φ(A)＝×100%。 ⑤平衡时和开始时的压强之比： ＝。 ⑥混合气体的密度： ρ(混)＝ g·L-1。 ⑦平衡时混合气体的平均摩尔质量： ＝ g·mol-1。 ⑧生成物产率＝×100%。 (2)基本步骤 ①确定反应物和生成物的初始加入量； ②确定反应过程的转化量(一般设某物质的转化量为x)； ③确定平衡量。 例1 将4 mol SO2与2 mol O2放入4 L的密闭容器中，在一定条件下反应达到平衡：2SO2(g)＋O2(g)⥫⥬2SO3(g)，测得平衡时SO3的浓度为0.5 mol·L-1。则此条件下的平衡常数K为(　A　) A．4 B．0.25 C．0.4 D．0.2 【解析】 2SO2(g)＋O2(g)⥫⥬2SO3(g) 初始/mol 　4 　2 　0 转化/mol 　2 　1 　2 平衡/mol 　2 　1 　2 平衡时c(SO2)＝0.5 mol·L-1，c(O2)＝0.25 mol·L-1，c(SO3)＝0.5 mol·L-1，K＝＝4。 例2 在生产H2SO4中的一步反应是SO2催化氧化生成SO3：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，某温度下，体系在不同压强下达到平衡时，SO2的转化率(α)与体系压强(p)的关系如图所示。回答下列问题。 (1)将2.0 mol SO2和1.0 mol O2置于10 L密闭容器中，反应体系达到平衡后，体系的总压强为0.1 MPa，该反应的平衡常数为　800　。 (2)平衡状态由A变到B时，平衡常数K(A)　＝　(填“>”“<”或“＝”)K(B)。 【解析】 (1)由题干图示可知，当p＝0.1 MPa时，α＝0.80，列三段式： K＝＝＝800。 (2)平衡状态由A变到B时，温度不变，平衡常数不变，则K(A)＝K(B)。 1．在某密闭容器中把CO和H2O的混合物加热到800 ℃，存在平衡CO(g)＋H2O(g)⥫⥬CO2(g)＋H2(g)，且平衡常数K＝1。若在2 L的密闭容器中充入1 mol CO和1 mol H2O的混合物并加热到800 ℃，则平衡时CO的转化率为(　B　) A．40% B．50% C．60% D．83.3% 【解析】 设CO的转化率为x。则： 　　　CO(g)＋H2O(g)⥫⥬CO2(g)＋H2(g) n始/mol 1 1 0 0 n变/mol x x x x n平/mol 1－x 1－x x x 由K＝知：＝1，解得：x＝0.5。 2．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，反应平衡后水的物质的量分数为0.02。 (1)H2S的平衡转化率α1＝　2.5　%，反应的平衡常数K＝　2.8×10-3　。 (2)在620 K重复实验，平衡后水的物质的量分数为0.03，H2S的转化率α2　>　(填“>”“<”或“＝”，下同)α1，该反应的ΔH　>　0。 (3)向反应器中再分别充入下列气体，能使H2S转化率增大的是　B　(填字母)。 A．H2S B．CO2 C．COS D．N2 【解析】 (1)设平衡时H2S转化的物质的量为x mol，列三段式： 　　　　　H2S(g)＋CO2(g)⥫⥬COS(g)＋H2O(g) 初始/mol 0.40 0.10 0 0 转化/mol x x x x 平衡/mol 0.40－x 0.10－x x x 由题意得：＝0.02， 解得x＝0.01， H2S的平衡转化率α1＝×100%＝2.5%， K＝＝＝≈2.8×10-3。(2)温度升高，水的平衡物质的量分数增大，平衡右移，则H2S的转化率增大，故α2>α1。温度升高，平衡向吸热反应方向移动，故ΔH>0。(3)A项，充入H2S，H2S的转化率反而减小；B项，充入CO2，增大了一种反应物的浓度，能够提高另一种反应物的转化率，故H2S的转化率增大；C项，充入COS，平衡左移，H2S的转化率减小；D项，充入N2，对平衡无影响，不改变H2S的转化率。 3．CO2的综合利用是解决“温室效应”的有效途径。将CO2转化为甲醇也可以实现降碳。一定条件下发生反应CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g)。往2 L恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2，在甲、乙不同催化剂作用下，反应时间均为t min时，测得甲醇的物质的量分数随温度变化如图所示。 (1)相同温度下催化效果更好的催化剂是　甲　(填“甲”或“乙”)，T4温度下t min内甲醇的平均反应速率v＝　 mol·L-1·min-1　。 (2)在T2和T5温度下，平衡常数KT2　>　(填“>”“＜”或“＝”)KT5。下列能够说明该反应达到平衡状态的是　bd　(填字母)。 a. 混合气体的密度不变 b. 容器内压强不变 c. v正(CO2)＝3v逆(H2) d. 混合气体平均相对分子质量不变 (3)在甲催化作用下，甲醇的物质的量分数随温度的升高呈现如图变化的原因是　未达平衡前，温度升高反应速率增大，相同时间内生成甲醇的物质的量增多，甲醇的物质的量分数增大；该反应为放热反应，达到平衡后，温度升高平衡逆向移动，甲醇的物质的量分数减小　(不考虑催化剂失活问题)。 【解析】 (1)反应未达平衡状态前，相同温度条件下反应相同时间，甲对应的甲醇物质的量分数高于乙，可知甲催化效率高于乙；设T4温度下生成甲醇的物质的量为x mol，结合已知条件列三段式得： 　　　　　 　　CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g) 起始物质的量(mol) 　1 　3 　 0 0 转化物质的量(mol) 　x 　3x 　x x 平衡物质的量(mol) 1－x 3－3x 　x x 此时甲醇的物质的量分数为×100%＝30%，解得x＝0.75，t min内甲醇的平均反应速率v＝＝ mol·L-1·min-1。(2)温度大于T4后，甲醇的物质的量分数减小，可知该反应为放热反应，温度升高平衡逆向移动，K减小，因此KT2大于KT5；该反应中反应物和生成物均为气体，反应前后气体的总质量不变，且容器容积恒定，因此密度恒定，混合气体的密度不变不能说明反应达到平衡状态，故a不符合题意；该反应前后气体分子数减少，反应过程中压强减小，当容器内压强不变，反应达到平衡状态，故b符合题意；平衡时正反应速率等于逆反应速率，则3v正(CO2)＝v逆(H2)时反应达到平衡状态，故c不符合题意；反应过程中气体总质量不变，气体的物质的量减小，则混合气体平均相对分子质量增大，当其不变时反应达到平衡状态，故d符合题意。(3)根据催化剂只影响反应速率不影响平衡，可知甲、乙两种催化剂在相同的温度时达到相同的平衡状态，由此可知题图中c点时反应达到平衡，在达到平衡前随温度的升高反应速率增大导致甲醇的物质的量分数增大，达到平衡后继续升高温度，甲醇的物质的量分数减小是因为该反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动。 温馨说明：课后请完成高效作业8 学科网（北京）股份有限公司 $$