高中化学 2.2.2 化学平衡状态 化学平衡常数课件 苏教版选修4.ppt

第2课时化学平衡状态化学平衡常数 目标定位 1 掌握化学平衡状态的特征及标志 2 了解化学平衡常数的含义 表达式及影响因素 能够利用平衡常数进行简单计算 3 了解平衡转化率的含义 4 认识化学平衡常数与反应限度 转化率的关系 基础清单 一 化学平衡状态1 概念 在一定条件下 可逆反应 的 反应物和生成物的浓度不再随时间而发生变化的状态 正反应速率和逆反应速 率相等 2 建立过程中物质浓度和反应速率的变化 1 物质浓度随时间的变化 图1 2 反应速率随时间的变化 图2 3 特点 五大特征 可逆 动态 质量或浓度 二 化学平衡常数 1 表达式 在一定温度下 对于下列可逆反应aa bbcc dd 无论反应物的起始浓度如何 反应达到平衡后 各物质的物质的量浓度存在以下关系 k k为定值 称为化学平衡常数 2 影响因素 1 内因 反应物本身的 2 外因 反应体系的 性质 温度 3 应用 1 k值的大小能说明反应进行的程度 k值 表示反应进行得越完全 2 利用化学平衡常数可预测一定温度和起始浓度下反应进行的限度 越大 三 平衡转化率1 概念 某一反应物的转化率等于该物质在反应中 的量与该物质 的比值 2 表达式 可逆反应在一定条件下达到平衡时 某一反应物的平衡转化率可表示为 100 3 意义 反应的平衡转化率表示在一定温度和一定起始浓度下反应进行的限度 已转化 总量 思考辨析 1 判断正误 1 一定温度下的反应a g 3b g 2c g 若单位时间内生成amola 同时生成3amolb 表示反应达到了平衡状态 分析 反应物a和b的生成都代表了逆反应速率 不能表示反应达到了平衡状态 2 化学平衡常数与反应物和生成物的浓度有关 分析 化学平衡常数只与温度有关 与反应物和生成物的浓度无关 3 化学平衡常数k越大表示反应进行得越彻底 分析 k的大小反映了反应进行的程度 k越大表示反应进行得越彻底 4 同一个化学反应中的两种反应物的转化率一定相等 分析 反应物的转化率与初始充入的量及转化的量有关 同一个化学反应中的两种反应物的转化率不一定相等 5 平衡常数k值越大 表明该反应越有利于生成物的生成 反应物的转化率越大 分析 平衡常数k的大小与反应物的转化率无关 2 问题思考 1 各物质的浓度相等时 反应一定达到平衡状态了吗 分析 不一定 各物质的浓度相等时 正逆反应速率不一定相等 反应不一定达到平衡状态 反应达到平衡状态时 各物质的浓度不一定相等 2 对合成氨的反应 加入n2后平衡移动 平衡常数变化吗 分析 平衡移动 平衡常数不一定变化 平衡常数只受温度影响 与浓度 压强等无关 知识链接 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 叫做可逆反应 绝大部分的反应都存在可逆性 化学平衡常数可逆反应无论从正反应开始 还是从逆反应开始 也不管反应物起始浓度大小 最后达到平衡时 各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值都是个常数 一 化学平衡状态的判断1 v 正 v 逆 1 同种物质 v 生成 v 消耗 2 不同物质 遵循正 逆反应速率数值之比等于其化学计量数之比的规律 但必须一个是v 正 一个是v 逆 2 变量不变 1 各组分的浓度 某一组分的物质的量 物质的量浓度 质量 体积分数等不变时即反应达到平衡 2 恒容反应体系中的压强 反应前后气体体积相等的反应 不能根据体系中的压强来判断反应是否达到平衡 因为容器中的压强一直不变 反应前后气体体积发生变化的反应 压强不变时 反应达到平衡 3 容器内气体的密度 恒容容器中 反应前后都为气体的反应不能根据气体密度不变判断反应是否达到平衡 恒容容器内反应前后有非气态物质的 容器内密度不变 反应达到平衡 恒压容器内反应前后气体分子数不变的反应 不能根据气体密度不变判断反应是否达到平衡状态 恒压容器内反应前后气体分子数不相等的反应 气体密度不变时 反应达到平衡 4 有色物质的颜色 有色物质的颜色深浅与有色物质的浓度大小有关 容器内有色物质的颜色不变 反应达到平衡 5 平均摩尔质量 m 反应前后都为气体且气体的物质的量没有发生变化的反应 反应前后气体的总质量和总物质的量不变 不能根据平均摩尔质量不变判断反应是否达到平衡 反应前后气体的物质的量不相等的反应或有非气态物质参加的反应 若平均摩尔质量不变 反应达到平衡 思 悟 对于可逆反应n2 3h22nh3 1 若反应体系的压强不再发生变化 此时反应是否达到平衡状态 对于反应h2 i22hi呢 提示 对于反应n2 3h22nh3 反应发生 气体体积发生变化 当体系的压强不再发生变化时 各组分含量不再发生变化 已达到平衡状态 而对于反应h2 i22hi 反应前后气体体积不变 压强始终不变 所以当体系的压强不再发生变化时 无法确定该反应是否已达到平衡状态 2 若混合气体的平均相对分子质量不再发生变化 此时反应是否达到平衡状态 对于反应h2 i22hi呢 提示 对于反应n2 3h22nh3 若混合气体的平均相对分子质量不再发生变化 则已达到平衡状态 而对于反应h2 i22hi 反应过程中平均相对分子质量是保持不变的 若混合气体的平均相对分子质量不再发生变化 无法确定是否已达到平衡状态 3 在恒压容器内若混合气体的密度不再发生变化 此时反应是否达到平衡状态 对于反应h2 i22hi呢 提示 对于反应n2 3h22nh3 若混合气体的密度不再发生变化 则已达到平衡状态 而对于反应h2 i22hi 若混合气体的密度不再发生变化 则无法确定是否已达到平衡状态 知识备选 其他情况的化学平衡状态判断 1 对于容积不变的密闭容器中的反应ma s nb g pc g qd g 各组成成分的质量或质量分数不变表明反应达到平衡 各组成成分的物质的量或物质的量分数或体积分数不变表明反应达到平衡 各组成成分的物质的量浓度保持不变表明反应达到平衡 各反应物的转化率 各产物的产率保持不变表明反应达到平衡 气体密度不变 表明反应达到平衡 若n p q 气体的总物质的量不变或压强不变或气体的平均相对分子质量不变 不能表明反应达到平衡 若n p q 气体的总物质的量不变或压强不变或气体的平均相对分子质量不变 能表明反应达到平衡 2 对于反应ma g nb g pc g qd g 反应在恒温恒压的密闭容器中进行 若m n p q 气体的密度不变 不能说明反应达到平衡状态 若m n p q 气体的密度不变 能说明反应达到平衡状态 3 对于绝热的密闭容器中的可逆反应 若体系的温度保持不变 则说明反应已达平衡状态 4 特殊情况 反应a s b g c s 气体的相对分子质量不变化 不能说明反应达到平衡状态 反应a g b g c s a的体积分数不变 不能说明反应达到平衡状态 5 对于有有色物质参加的可逆反应 体系的颜色不变 如2no2 g 2no g o2 g 2hi g h2 g i2 g 等反应体系的颜色不变 则表明有色气体no2 i2的浓度不变 反应达到平衡 二 化学平衡常数与转化率1 化学平衡常数 1 平衡常数的表达式 书写形式与化学方程式的书写有关 同一个化学反应 化学方程式书写形式不同 平衡常数表达式不同 对于给定的化学反应 正 逆反应的平衡常数互为倒数 即k正 k逆 1 如 2so2 g o2 g 2so3 g k1 2so3 g 2so2 g o2 g k2 so2 g o2 g so3 g k3 平衡常数中的浓度专指气体或溶液的物质的量浓度 单位为mol l 1 固体和纯液体的浓度可看做常数 不列入表达式 如fe2o3 s 3co g 2fe s 3co2 g k 2 化学平衡常数的影响因素 虽然化学平衡常数可用各组分的平衡浓度计算得到 但化学平衡常数只与温度有关 与各组分的浓度无关 当温度一定时 可逆反应无论从正反应开始 还是从逆反应开始 又无论反应物起始浓度是多少 k是一个常数 若温度发生变化 k值有可能变大也有可能变小 若温度变化使得化学平衡正向移动时 平衡常数增大 使化学平衡逆向移动时 则平衡常数减小 3 平衡常数的计算 平衡常数是用化学反应中各组分的平衡浓度计算的 表达式中各物质的浓度必须是平衡状态下的值 不能是任一时刻的浓度值 2 转化率 1 转化率的表达式 反应物a的平衡转化率 该条件最大转化率 可表示为 a 100 100 或 a 100 2 转化率的影响因素 化学平衡发生移动时 反应物的平衡转化率也会发生变化 对于容积不变的密闭容器中的反应ma g nb g pc g qd g 向上述反应的平衡体系中再加入a 会增大b的转化率 会使a的转化率变小 思 悟 1 若反应h2 g i2 g 2hi g 的平衡常数为k 则反应2hi g h2 g i2 g h2 g i2 g hi g 的平衡常数分别为多少 提示 反应2hi g h2 g i2 g 的平衡常数为 h2 g i2 g hi g 的平衡常数为 2 已知 加入2mola和2molb在1l的容器内发生反应4a g b g 2c g d s 当其一定条件下达到平衡时 测得生成0 25mold 则物质a与b平衡转化率相同吗 提示 不同 由方程式和题意得平衡时n a 1mol n b 1 75mol 则 a 100 100 50 b 100 100 12 5 三 化学平衡的计算 三段式 法有关化学平衡的计算问题 可按下列步骤建立模式 确定关系进行计算 如可逆反应ma g nb g pc g qd g 假定反应物a b的起始加入量分别为amol l 1 bmol l 1 达到平衡时 设a物质转化的物质的量浓度为mxmol l 1 1 模式 ma g nb g pc g qd g 起始量 mol l 1 ab00变化量 mol l 1 mxnxpxqx平衡量 mol l 1 a mxb nxpxqx对于反应物 c 平 c 始 c 变 对于生成物 c 平 c 始 c 变 2 基本解题思路 1 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 模式 列出 3 解答题设问题 明确了 始 变 平 三个量的具体数值 再根据相应关系求反应物转化率 混合气体的密度 平均相对分子质量等 给出题目答案 思 悟 1 化学反应中各物质的变化量与化学方程式中的化学计量数有什么关系 提示 各物质的变化量之比等于化学方程式中的化学计量数之比 2 化学反应中各物质的平衡量与化学方程式中的化学计量数有什么关系 提示 各物质的平衡量取决于起始量和变化量 与化学方程式中的化学计量数无直接关系 类型一化学平衡状态的判断 典例 2013 梅州高二检测 在体积固定的密闭容器中进行可逆反应 2no22no o2 下列情况中能作为反应达到平衡状态标志的是 单位时间内生成nmolo2的同时生成2nmolno2 单位时间内生成nmolo2的同时生成2nmolno 用no2 no o2表示的反应速率之比为2 2 1 混合气体的颜色不再改变 混合气体的密度不再改变 混合气体的压强不再改变 混合气体的平均相对分子质量不再改变a b c d 全部 解题指南 解答本题时应注意以下3点 1 利用相同时间内不同物质的变化量判断是否达到平衡时 注意表示的是同方向还是不同方向 2 该反应为在恒容容器中进行的反应前后气体体积不相等的反应 3 反应物no2为有色气体 解析 选a 生成o2为正反应速率 生成no2为逆反应速率 两者的速率之比等于1 2 证明反应达到平衡 对 生成o2和no都是正反应速率 错 no2 no o2的反应速率在任何时刻都是2 2 1 错 混合气体的颜色不再发生变化 说明no2的浓度不再发生变化 说明反应达到了平衡状态 对 因为反应前后都是气体 气体的密度在恒容容器中始终不变 错 因为反应前后气体的体积不等 当容器内气体的压强不再发生变化 说明容器内气体的物质的量不再发生变化 则反应达到平衡状态 对 该反应是气体物质的量变化的反应 混合气体的平均相对分子质量不发生变化 反应达到了平衡状态 对 因此a项正确 互动探究 1 中怎样用no和o2的速率关系表示反应达到平衡状态 提示 单位时间内生成2molno的同时消耗1molo2 2 若该反应在恒压容器内进行 则 中能够证明反应达到平衡的有哪些 提示 有正 逆反应速率 且反应速率之比等于化学计量数之比 对 错 任何情况都符合 错 混合气体颜色不变 说明反应达到平衡 对 因为容器的体积可变 密度不变 说明反应达到平衡 对 恒压容器压强一直不变 错 气体的平均相对分子质量不变 说明气体的物质的量不再发生变化 反应达到平衡 对 名师点评 讲解本题时要注意以下两点 1 引导学生注意分析清楚反应特点 因为反应不同 反应达到平衡的条件不同 2 引导学生注意分析清楚速率特点 只有v 正 v 逆 时才能确定反应达到平衡状态 题目中可能利用 两个同向的速率相等 设置干扰项 方法规律 判断反应达到平衡状态的方法平衡状态强调两方面 各组成成分的百分含量保持不变 正反应速率等于逆反应速率 例如 对于反应a2 g b2 g 2ab g 1 不变 若说不变 则是指含量 或能表明含量的叙述 可以是a2 b2 ab的体积分数 物质的量分数 质量分数以及分子数之比不变 a2 b2的转化率不变 体系的温度不变 体系的颜色不变 对于反应前后气体体积发生变化的反应 还可以是体系平均相对分子质量 压强 总物质的量等不变 2 相等 若说相等 则是指正 逆反应速率相等 例如 生成ab的速率与ab分解的速率相等 单位时间内 反应掉a2的分子数与生成a2的分子数相等 有些叙述肯定不对 如生成b2的速率与反应掉ab的速率相等 反应掉a2的速率与反应掉b2的速率相等 a2的浓度与b2的浓度相等 b2与ab的体积分数相等 a2与b2的转化率相等 变式训练 2014 湖州高二检测 在一定温度下的某容积可变的密闭容器中 建立下列化学平衡 c s h2o g co g h2 g 不能确定上述可逆反应在一定条件下已达到化学平衡状态的是 a 体系的压强不再发生变化b v正 co v逆 h2o c 生成nmolco的同时生成nmolh2d 1molh h键断裂的同时断裂2molh o键 解析 选c 反应无论达到平衡 还是未达到平衡 生成nmolco的同时都会生成nmolh2 变式备选 一定条件下反应2ab g a2 g b2 g 达到平衡状态的标志是 a 单位时间内生成nmola2 同时消耗2nmolabb 容器内 3种气体ab a2 b2共存c ab的消耗速率等于a2的消耗速率d 容器中各组分的物质的量分数不随时间变化 解析 选d a项均表示正反应方向 b项是可逆反应的特点 无法判断反应是否达到平衡 c项表示的正 逆反应速率的大小不符合化学计量数之比 d项 反应达到化学平衡时 各组分的百分含量保持不变 故只有d正确 类型二化学平衡常数的应用 典例 2014 丽水高二检测 在一定体积的密闭容器中 进行如下化学反应 co2 g h2 g co g h2o g 其化学平衡常数k和温度t的关系如下表 回答下列问题 1 该反应的化学平衡常数表达式为k 2 某温度下 各物质的平衡浓度符合下式 3c co2 c h2 5c co c h2o 试判断此时的温度为 3 若830 时 向容器中充入1molco 5molh2o 反应达到平衡后 其化学平衡常数k1 0 填 大于 小于 或 等于 解题指南 解答本题时要注意以下两点 1 根据k随温度的变化可判断正反应为吸热反应还是放热反应 2 计算平衡常数 然后与表中所给数据对比可判断反应的温度 解析 1 根据反应方程式co2 g h2 g co g h2o g 可知 该反应的平衡常数表达式为k 2 某温度下 各物质的平衡浓度有如下关系3c co2 c h2 5c co c h2o 根据平衡常数表达式k 可知 k 0 6 平衡常数只与温度有关 温度一定 平衡常数为定值 所以此时对应的温度为700 3 化学平衡常数只与温度有关 与反应物和生成物的浓度无关 所以只要在830 条件下 平衡常数的数值都为1 0 答案 1 2 700 3 等于 误区警示 分析化学平衡常数的变化时 一定要牢记对于给定的反应 化学平衡常数只与温度有关 否则会造成错答 变式训练 某温度下 在一个2l的密闭容器中 加入4mola和2molb进行如下反应 3a g 2b g 4c s 2d g 反应一段时间后达到平衡 测得生成1 6molc 则下列说法正确的是 a 该反应的化学平衡常数表达式是k b 此时 b的平衡转化率是40 c 增大该体系的压强 化学平衡常数增大d 增加b b的平衡转化率增大 解析 选b c是固体 不出现在平衡常数的表达式中 生成1 6molc时 消耗了0 8molb b的平衡转化率是40 增大该体系的压强 化学平衡常数不变 增加b b的平衡转化率减小 类型三化学平衡的计算 典例 2013 新课标全国卷 节选 在1 0l密闭容器中放入0 10mola g 在一定温度进行如下反应 a g b g c g h 85 1kj mol 1反应时间 t 与容器内气体总压强 p 的数据见下表 回答下列问题 1 由总压强p和起始压强p0计算反应物a的转化率 a 的表达式为 平衡时a的转化率为 列式并计算反应的平衡常数k 2 由总压强p和起始压强p0表示反应体系的总物质的量n总和反应物a的物质的量n a n总 mol n a mol 下表为反应物a浓度与反应时间的数据 计算 a 分析该反应中反应物的浓度c a 变化与时间间隔 t 的规律 得出的结论是 由此规律推出反应在12h时反应物的浓度c a 为 mol l 1 解题指南 由题目所给信息可知该反应为全气相反应 正反应是一个气体体积增加的吸热反应 该题目涉及化学平衡的移动 化学平衡常数的计算 以及化学平衡计算常用到的三段式等 解析 1 设到达平衡时a减少了xmol 则由三段式有 a g b g c g 起始量0 10mol00变化量xmolxmolxmol平衡量 0 10 x molxmolxmol 根据阿伏加德罗定律可得 0 10 0 10 x x x p0 p 求得a的转化率表达式为 a x 0 10 100 p p0 1 100 将题目中数据p0 4 91 100kpa p 9 53 100kpa代入表达式求得平衡时a的转化率为94 1 将x 0 0941代入上面的三段式中可以求得该反应的平衡常数为k c b c c c a 0 0941 0 0941 0 10 0 0941 1 5 2 由以上三段式知平衡时n 总 0 10 x mol n a 0 10 x mol 将 1 问中的x代入即可得到n 总 0 10 p p0mol n a 0 10 2 p p0