2023届一轮复习人教版 第23讲　化学平衡状态　化学平衡常数 学案（浙江专用）

1、第23讲化学平衡状态化学平衡常数内容要求1.了解可逆反应的含义。2.知道可逆反应在一定条件下能达到平衡状态。3.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。4.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。知识点1可逆反应与化学平衡状态一、可逆反应二、化学平衡状态1.概念一定条件下的可逆反应,当反应进行到一定程度时,正反应速率和逆反应速率相等,反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持不变的状态,称为化学平衡状态,简称化学平衡。2.特征1.反应2NaHCO3Na2CO3+CO2+H2O、Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3互为可逆反应。()2.在化学平衡建立

2、过程中,v正一定大于v逆。()3.化学反应达到平衡后,反应物和生成物的浓度或百分含量相等。()4.恒温恒容下进行的可逆反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),当SO2的消耗速率与SO3的消耗速率相等时,反应达到平衡状态。()5.在一定条件下,向密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2充分反应,生成2 mol NH3。()6.在1 L的密闭容器中发生反应:2NO(g)+O2(g)2NO2(g),当容器中气体的颜色保持不变时,说明反应已达到平衡状态。()答案:1.2.3.4.5.6.题点一“极值法”确定物质含量的范围1.一定条件下,对于可逆反应:X(g)+3Y(g)2Z(g),若X

3、、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零),达到平衡时,X、Y、Z的浓度分别为0.1 molL-1、0.3 molL-1、0.08 molL-1,则下列判断正确的是(D)A.c1c2=31B.平衡时,Y和Z的生成速率之比为23C.X、Y的转化率不相等D.c1的取值范围为0c10.14 molL-1解析:X和Y的化学计量数之比为13,平衡浓度之比为13,则转化浓度之比也为13,故c1c2=13,A、C两项不正确;平衡时,Y、Z的生成速率之比应为32,B项不正确;由可逆反应的特点可知,0c10.14 molL-1,D项正确。2.某密闭容器中进行反应:3X(g)+Y(g)2Z(g),若要使

4、平衡时反应物总物质的量与生成物总物质的量相等,且用X、Y作反应物,则X、Y的初始物质的量之比的范围应满足(D)A.1n(X)n(Y)3B.14n(X)n(Y)23C.23n(X)n(Y)4D.1n(X)n(Y)5解析:设X、Y的初始物质的量分别为a mol、b mol。假设X不足、Y过量,X完全反应,剩余Y为(b-a3)mol,生成Z为2a3mol,有b-a3=2a3,得a=b;假设Y不足、X过量,Y完全反应,剩余X为(a-3b)mol,生成Z为2b mol,有a-3b=2b,得a=5b,由于可逆反应不能进行到底,所以1n(X)n(Y)105时,可以认为该反应已经进行完全。2.判断可逆反应的热

5、效应1.对于可逆反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),在一定温度下达到平衡时,其平衡常数表达式K=c(CO)c(H2)c(C)c(H2O)。()2.对某一可逆反应,温度改变则化学平衡常数一定发生变化。()3.增大反应物的浓度,平衡正向移动,化学平衡常数增大。()4.平衡常数发生变化,化学平衡不一定发生移动。()5.一个可逆反应的正反应K正与逆反应K逆相等。()6.已知下列反应的平衡常数:S(s)+O2(g)SO2(g),K1;H2(g)+S(s)H2S(g),K2;则反应H2(g)+SO2(g)O2(g)+H2S(g)的平衡常数K=K2K1。()答案:1.2.3.4.5.6.题点一

6、化学平衡常数含义及影响因素1.在2 L恒容密闭容器中分别通入2 mol CO和1 mol O2。进行反应:2CO(g)+O2(g)2CO2(g)。在相同的时间段(5 min)内,测得CO的转化率与温度的关系如图所示。下列说法正确的是(D)A.化学平衡常数:K(b)K(c)K(c)K(d),故A错误;a点时,CO的转化率为0.7,则CO物质的量的变化量为2 mol0.7=1.4 mol,则CO的平均反应速率为1.4mol2 L5min=0.14 molL-1min-1,根据反应速率之比等于化学计量数之比,v正(O2)=12v正(CO)=0.14 molL-1min-112=0.07 molL-1

7、min-1,即5 min内,O2的平均反应速率为0.07 molL-1min-1,故B错误;a点的温度低,d点的温度高,温度越高,反应速率越快,则两点v正(CO)不相等,d点v正(CO)大于a点v正(CO),故C错误;50 时,CO的转化率为0.8,列三段式2CO(g)+O2(g)2CO2(g)起始/(molL-1) 1 0.5 0变化/(molL-1) 0.8 0.4 0.8平衡/(molL-1) 0.2 0.1 0.8该反应的化学平衡常数K=0.820.220.1=160,故D正确。2.在恒温条件下,向盛有食盐的2 L恒容密闭容器中加入0.2 mol NO2、0.2 mol NO和0.1

8、mol Cl2,发生如下两个反应:2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+ClNO(g)H10平衡常数K12NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g)H20 平衡常数K210 min时反应达到平衡,测得容器内体系的压强减少20%,10 min内用ClNO(g)表示的平均反应速率v(ClNO)=7.510-3 mol/(Lmin)。下列说法正确的是(A)A.平衡时NO2的转化率为50%B.平衡后c(NO)=2.510-2 molL-1C.其他条件保持不变,反应在恒压条件下进行,则平衡常数K2增大D.反应4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)的平衡常数

9、为K12-K2解析:10 min时反应达到平衡,测得容器内体系的压强减少20%,则平衡时混合气体总物质的量为(0.2+0.2+0.1)mol(1-20%)=0.4 mol,10 min内用ClNO(g)表示的平均反应速率v(ClNO)=7.510-3 mol/(Lmin),则平衡时n(ClNO)=7.510-3 mol/(Lmin)10 min2 L=0.15 mol,设中反应的NO2为x mol,中反应的Cl2为y mol,则2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+ClNO(g)起始/mol 0.2 0变化/mol x 0.5x平衡/mol 0.2-x0.5x2NO(g)+Cl2(g

10、)2ClNO(g)起始/mol 0.20.1 0变化/mol 2y y 2y平衡/mol 0.2-2y0.1-y 2y则0.5x+2y=0.15,(0.2-x)+(0.2-2y)+(0.1-y)+(0.5x+2y)=0.4,联立方程,解得x=0.1、y=0.05。A.由分析可知,平衡时NO2的转化率为0.2mol-0.1mol0.2mol100%=50%,正确;B.由分析可知,平衡后c(NO)=(0.2-20.05)mol2 L=0.05 molL-1,错误;C.平衡常数只受温度影响,温度不变,平衡常数不变,错误;D.2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+ClNO(g)H10 平衡常

11、数K1;2NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g)H20平衡常数K2;由盖斯定律可知,2-可得反应4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g),其平衡常数为K12K2,错误。 化学平衡常数的含义及影响因素含义K越大正反应进行的程度越大反应物的转化率越大影响因素内因反应物本身的性质外因温度升高H0,K增大题点二化学平衡常数的应用3.化学平衡常数K的大小是衡量化学反应进行程度的标志,在常温下,某些反应与其平衡常数如下:2NO(g)N2(g)+O2(g)K1=11030;2H2(g)+O2(g)2H2O(g)K2=21081;2CO2(g)2CO(g)+O2(g)K

12、3=410-92。下列说法中正确的是(B)A.常温下,CO2分解生成CO和O2的反应的平衡常数表达式K3=c2(CO)+c(O2)c2(CO2)B.常温下,NO、H2O、CO2三种化合物分解放出O2的进行程度由大到小的顺序为NOH2OCO2C.常温下,水分解产生O2,此时平衡常数约为510-80D.以上都不正确解析:A.常温下,CO2分解生成CO和O2的反应的平衡常数表达式K3=c2(CO)c(O2)c2(CO2),错误;B.常温下,NO、H2O、CO2三种化合物分解放出O2的化学平衡常数逐渐减小,则化学反应进行程度由大到小的顺序为NOH2OCO2,正确;C.2H2(g)+O2(g)2H2O(

13、g)K2=21081,所以2H2O(g)2H2(g)+O2(g)K=1K2=121081=510-82,错误。4.在一定容积的密闭容器中,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的关系如下表所示:T/ 7008008301 0001 200K0.60.91.01.72.6回答下列问题:(1)该反应的化学平衡常数表达式为K= 。(2)该反应为(填“吸热”或“放热”)反应。(3)某温度下,各物质的平衡浓度符合3c(CO2)c(H2)=5c(CO)c(H2O),试判断此时的温度为。(4)若1 200 时,在某时刻平衡体系中CO2、H2、CO、H2O

14、的浓度分别为2 molL-1、2 molL-1、4 molL-1、4 molL-1,则此时上述反应的平衡向(填“正反应方向”“逆反应方向”或“不”)移动。解析:(2)根据表中数据可知,随着温度的升高,平衡常数逐渐增大,这说明升高温度,平衡向正反应方向移动,所以该反应为吸热反应。(3)某温度下,各物质的平衡浓度符合3c(CO2)c(H2)=5c(CO)c(H2O),则此时K=c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)=0.6,所以此时的温度为700 。(4)若1 200 时,在某时刻平衡体系中CO2、H2、CO、H2O的浓度分别为2 molL-1、2 molL-1、4 molL-1、4 mol

15、L-1,则此时浓度商是c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)=42.6,所以题述反应的平衡向逆反应方向移动。答案:(1)c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)(2)吸热(3)700 (4)逆反应方向 利用Q与K的关系判断反应进行方向知识点3化学(压强)平衡常数的相关计算一、化学平衡常数的相关计算1.K的计算步骤2.明确三个量起始量、转化量、平衡量(1)对于同一反应物,起始量-转化量=平衡量。(2)对于同一生成物,起始量+转化量=平衡量。(3)各转化量之比等于各物质的化学计量数之比。3.掌握四个公式(1)反应物的转化率=n(转化)n(起始)100%=c(转化)c(起始)100%。(2

16、)生成物的产率:实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲,转化率越大,原料利用率越高,产率越大。产率=实际产量理论产量100%。(3)平衡时混合物中各组分的百分含量=平衡量平衡时各物质的总量100%。(4)混合气体某组分的体积分数=某组分的物质的量混合气体总的物质的量100%。二、压强平衡常数的意义及计算1.Kp的含义:在化学平衡体系中,用各气体物质的分压替代浓度计算的平衡常数叫压强平衡常数。2.Kp的计算步骤题点一化学平衡常数的相关计算1.(2021浙江6月选考节选)已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H=-198 kJmol-1850 K时,在一恒容密闭反应器中充入一定量的

17、SO2和O2,当反应达到平衡后测得SO2、O2和SO3的浓度分别为6.010-3 molL-1、8.010-3 molL-1和4.410-2 molL-1。(1)该温度下反应的平衡常数为。(2)平衡时SO2的转化率为。解析:(1)根据平衡时各组分的浓度可计算该温度下反应的平衡常数为(4.410-2molL-1)2(6.010-3molL-1)28.010-3molL-16.7103 Lmol-1。(2)平衡时生成c(SO3)=4.410-2 molL-1,即反应中消耗c(SO2)=4.410-2 molL-1,则起始c(SO2)=4.410-2 molL-1+6.010-3 molL-1=5.

18、010-2 molL-1,即平衡时SO2的转化率为4.410-2molL-15.010-2molL-1100%=88%。答案:(1)6.7103 Lmol-1(2)88%2.(2021浙江1月选考节选)在一定温度下,氯气溶于水的过程及其平衡常数为Cl2(g)Cl2(aq)K1=c(Cl2)/pCl2(aq)+H2O(l)H+(aq)+Cl-(aq)+HClO(aq)K2其中p为Cl2(g)的平衡压强,c(Cl2)为Cl2在水溶液中的平衡浓度。(1)平衡常数K2的表达式为K2= 。(2)氯气在水中的溶解度(以物质的量浓度表示)为c,则c=(用平衡压强p和上述平衡常数表示,忽略HClO的电离)。解

19、析:(2)Cl2在水中的溶解度c包括溶于水的Cl2和与H2O反应的Cl2,由K1=c(Cl2)/p得,溶于H2O的Cl2为c(Cl2)=K1p。设与H2O反应的Cl2为x molL-1,则K2=c(H+)c(Cl-)c(HClO)c(Cl2)=xxxK1p,得x3=K1K2p,x=(K1K2p)13,即c=K1p+(K1K2p)13。答案:(1)c(H+)c(Cl-)c(HClO)c(Cl2)(2)K1p+(K1K2p)133.CO2和H2在铁系催化剂作用下发生化学反应:.2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)H1.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)H20。在

20、容积为V L的密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2,在铁系催化剂作用下进行反应,CO2的平衡转化率随温度和压强的变化如图所示。图中点M(350,70),此时乙烯的选择性为57(选择性:转化的CO2中生成C2H4和CO的百分比)。计算该温度时,反应的平衡常数K=。解析:在密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2,反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),图中点M(350,70),即350 时二氧化碳的平衡转化率为70%,转化的二氧化碳的物质的量为1 mol70%=0.7 mol,乙烯的选择性为57,则转化为乙烯的二氧化碳的物质的量为570.7 mol=0.5

21、mol,转化为一氧化碳的二氧化碳的物质的量为0.7 mol-0.5 mol=0.2 mol,根据化学方程式,列出三段式CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)开始/mol 0 0变化/mol 0.20.20.20.2平衡/mol 0.20.22CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)开始/mol 0 0变化/mol 0.5 1.5 0.25 1平衡/mol 0.25 1平衡时一氧化碳的物质的量为0.2 mol,水蒸气的物质的量为0.2 mol+1 mol=1.2 mol,二氧化碳的物质的量为1 mol-0.2 mol-0.5 mol=0.3 mol,氢气的物质的量为3

22、mol-0.2 mol-1.5 mol=1.3 mol,反应的平衡常数K=0.2molVL1.2molVL0.3molVL1.3molVL=813(或0.62或0.615)。答案:813(或0.62或0.615) “三段式”法计算平衡常数如mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为a molL-1、b molL-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mx molL-1。mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)c始/(molL-1) a b 0 0c变/(molL-1) mx nx px qxc平/(molL-1) a-mxb-nx px qx则K=(px)p

23、(qx)q(a-mx)m(b-nx)n。题点二压强平衡常数的相关计算4.(2020浙江1月选考节选)已知:N2O4(g)2NO2(g)H0,将一定量N2O4气体充入恒容的密闭容器中,控制反应温度为T1。t1时刻反应达到平衡,混合气体平衡总压强为p,N2O4气体的平衡转化率为75%,则反应N2O4(g)2NO2(g)的平衡常数Kp=对于气相反应,用某组分B的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数,记作Kp,如p(B)=px(B),p为平衡总压强,x(B)为平衡系统中B的物质的量分数。解析:设起始加入N2O4为1 mol,由题给数据建立如下三段式N2O4(g)2NO2(g)起始/

24、mol 1 0转化/mol 0.75 1.5平衡/mol 0.25 1.5由三段式数据可知,N2O4的平衡分压为0.25mol1.75molp=p7,NO2的平衡分压为1.5mol1.75molp=6p7,则平衡常数Kp=(6p7)2p7=36p7。答案:367p5.氮及其化合物在工农业生产和生命活动中起着重要的作用,但同时又是环境污染的主要物质,研究其转化规律一直是科学家们关注的热点问题。(1)某温度下,反应的平衡常数如下:a.2NO2(g)N2(g)+2O2(g)K=6.71016b.2NO(g)N2(g)+O2(g)K=2.21030分解反应趋势较大的反应是(填“a”或“b”);反应2N

25、O(g)+O2(g)2NO2(g)的K=(保留小数点后一位)。(2)在恒温条件下,将2 mol Cl2和1 mol NH3充入某密闭容器中发生反应:2Cl2(g)+NH3(g)NHCl2(l)+2HCl(g),测得平衡时Cl2和HCl的物质的量浓度与平衡总压的关系如图所示。则A、B、C三点中Cl2转化率最高的是(填“A”“B”或“C”)点;计算C点时该反应的压强平衡常数Kp(C)=(Kp用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压物质的量分数)。解析:(1)平衡常数越大,反应越容易进行,b的平衡常数比a大,故b的反应趋势较大;反应b-a得到反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g),则反应2NO(g

26、)+O2(g)2NO2(g)的K=2.210306.710163.31013。(2)根据平衡时Cl2和HCl的物质的量浓度与平衡总压的关系,可知B点HCl的物质的量浓度最大,则A、B、C三点中Cl2转化率最高的是B点;设反应的NH3的物质的量为 x mol,列三段式2Cl2(g)+NH3(g)NHCl2(l)+2HCl(g)起始/mol2100变化/mol2xxx2x平衡/mol2-2x1-xx2xC点Cl2的浓度等于HCl的浓度,则2-2x=2x,解得x=0.5,反应后气体总物质的量为(3-3x+2x)mol=2.5 mol,总压强为10 MPa,则压强平衡常数Kp(C)=p2(HCl)p2

27、(Cl2)p(NH3)=(10 MPa12.5)2(10 MPa12.5)2(10 MPa0.52.5)=0.5 MPa-1。答案:(1)b 3.31013(2)B0.5 MPa-1当堂检测1.下列说法正确的是(B)A.H2(g)+I2(g)2HI(g),其他条件不变,缩小反应容器容积,正、逆反应速率不变B.C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g),碳的质量不再改变说明反应已达平衡C.若压强不再随时间变化能说明反应2A(?)+B(g)2C(?)已达平衡,则A、C不能同时是气体D.1 mol N2和3 mol H2反应达到平衡时H2转化率为10%,放出的热量为Q1;在相同温度和压强下,当 2

28、 mol NH3分解为N2和H2的转化率为10%时,吸收的热量为Q2,Q2不等于Q1解析:A.该可逆反应的反应前后气体分子数不发生变化,当缩小反应容器容积,相当于加压,正、逆反应速率同等程度增大,错误;B.在建立平衡前,碳的质量不断改变,达到平衡时,质量不变,因而碳的质量不再改变说明反应已达平衡,正确;C.若压强不再改变说明反应达到平衡,表明反应前后气体的分子数不相等,故A、C可能均为气体,错误;D.反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g) H,合成氨气实际参与反应的n(H2)=3 mol10%=0.3 mol,因而Q1=0.33|H|=0.1|H|,分解氨气时实际消耗的n(NH3)=2

29、mol10%=0.2 mol,Q2=0.22|H|=0.1|H|,则Q1=Q2,错误。2.关于反应CH3COOH(l)+C2H5OH(l)CH3COOC2H5(l)+H2O(l)H=-2.7 kJmol-1,下列说法正确的是(D)A.因为反应的化学方程式前后物质的化学计量数之和相等,所以反应的S等于0B.该反应的平衡常数K=c(CH3COOC2H5)c(CH3COOH)c(C2H5OH)C.加入高效吸水剂有利于平衡正向移动,该反应的平衡常数增大D.因为该反应的H接近于0,所以温度变化对平衡转化率的影响不大解析:A.乙醇、乙酸乙酯不能电离,乙酸的电离大于水的电离,则混乱度减小,反应的S小于0,错

30、误;B.因为题给反应体系是非水溶液,水的浓度不能看作1,该反应的平衡常数K=c(CH3COOC2H5)c(H2O)c(CH3COOH)c(C2H5OH),错误;C.因为平衡常数只与温度有关,与浓度、压强无关,加入高效吸水剂有利于平衡正向移动,但温度不变,该反应的平衡常数不变,错误;D.因为反应的H接近于0,温度对反应的平衡移动改变不明显,所以温度变化对平衡转化率的影响不大,正确。3.(2021广东卷节选)设Kpr为相对压力平衡常数,其表达式写法:在浓度平衡常数表达式中,用相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0=100 kPa)。反应a、c、e的 ln Kpr

31、随1T(温度的倒数)的变化如图所示。(1)反应a、c、e中,属于吸热反应的有(填字母)。(2)反应cCH4(g)C(s)+2H2(g)的相对压力平衡常数表达式为Kpr=。(3)在图中A点对应温度下、原料组成为n(CO2)n(CH4)=11、初始总压为100 kPa的恒容密闭容器中进行反应,体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率,写出计算过程:。解析:(1)由题图可知,反应a、c的Kpr随T升高而增大,故a、c均为吸热反应。反应e的Kpr随T升高而减小,故e为放热反应。(2)由于C(s)是固体,因此反应c的相对压力平衡常数表达式为Kpr=p(H2)p02p(CH4)p0=p2(H2)p(CH4)p0。(3)由题图可知,A点对应温度下反应c的ln Kpr=0,即Kpr=p2(H2)p(CH4)p0=1,p(CH4)=p2(H2)p0=(40 kPa)2100 kPa=16 kPa,根据反应条件可知,二氧化碳与甲烷物质的量之比等于压强之比,则p初始(CH4)=11+1100 kPa=50 kPa,则CH4的平衡转化率为50 kPa-16 kPa50 kPa100%=68%。答案:(1)ac(2)p2(H2)p(CH4)p0(3)由题图可知,A点对应温度下反