-新教材高中化学第2章化学反应的方向限度与速率第2节化学反应的限度第1课时化学平衡常数平衡转化率课件鲁科版选择性必修

第1课时化学平衡常数平衡转化率第2章内容索引0102基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升03学以致用•随堂检测全达标素养目标1.知道可逆反应在一定条件下达平衡状态,能判断化学反应是否达到平衡状态,从而形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。2.能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的计算,形成证据推理与模型认知的学科核心素养。3.能利用平衡常数和浓度商判断平衡移动的方向,形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。基础落实•必备知识全过关知识铺垫1.化学平衡研究的对象——可逆反应

2.化学平衡状态(1)定义: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,反应物的浓度和反应产物的浓度不再改变,我们称为化学平衡状态,简称化学平衡。(2)建立过程:在一定条件下,把某一可逆反应的反应物加入固定容积的密闭容器中。反应过程如下:以上过程可用下图表示:(3)平衡特点:必备知识一、化学平衡常数1.定义:在一定温度下,当一个可逆反应达到平衡状态时,反应产物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,这个常数就是该反应的化学平衡常数(简称平衡常数),用K表示。2.表达式

3.意义:K值越大,表示反应进行的程度越大,反应物转化率越大。一般地,K>105(或106)时,认为该反应进行得较完全了。4.影响因素:平衡常数K只受温度影响,与反应物和反应产物的浓度无关。二、平衡转化率1.定义:平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的物质的量与转化前该反应物的物质的量之比。自我检测判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)平衡常数表达式中,可以是物质的任一浓度。(

)(2)催化剂既能改变速率常数,也能改变化学平衡常数。(

)(3)对于同一可逆反应,升高温度,则化学平衡常数增大。(

)(4)增大反应物的浓度,平衡正向移动,化学平衡常数增大。(

)(5)可逆反应中反应物的转化率不能达到100%。(

)××××√重难探究•能力素养全提升探究一化学平衡状态的判断标志问题探究1.化学反应达到平衡时,反应是否停止了?提示不是。化学平衡是动态平衡,化学反应达到平衡时反应仍在进行,此时正、逆反应速率相等,但是不等于零。2.若反应体系的总压强不变,该可逆反应一定达平衡了吗?提示不一定。对反应前后气体体积相等的反应,压强不变不能作为反应达到平衡的判据。3.若某可逆反应体系的气体密度不变,该可逆反应达平衡了吗?提示不一定。若该可逆反应体系中的物质都是气体,且容器的容积不变,则密度始终不变,因此密度不变不能作为反应达到平衡的判据。归纳拓展化学平衡状态的判断

化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡混合物体系中各成分的含量①各物质的物质的量或物质的量分数一定是②各物质的质量或质量分数一定是③各气体的体积或体积分数一定是④总体积、总压强、总物质的量一定不一定化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡正、逆反应速率之间的关系①单位时间内消耗了mmolA,同时也生成了mmolA是②单位时间内消耗了nmolB,同时也消耗了pmolC是③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q不一定④单位时间内生成了nmolB,同时也消耗了qmolD不一定压强①其他条件一定、总压强一定,且m+n≠p+q是②其他条件一定、总压强一定,且m+n=p+q不一定混合气体的平均相对分子质量①平均相对分子质量一定,且m+n≠p+q是②平均相对分子质量一定,且m+n=p+q不一定化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡温度任何化学反应都伴随着能量变化,当体系温度一定时是气体密度(ρ)①只有气体参加的反应,密度保持不变(恒容密闭容器中)不一定②m+n≠p+q时,密度保持不变(恒压容器中)是③m+n=p+q时,密度保持不变(恒压容器中)不一定颜色反应体系内有色物质的颜色稳定不变(其他条件不变)是应用体验【典例1】在一定温度下,容积一定的密闭容器中发生反应A(s)+2B(g)C(g)+D(g),当下列物理量不再发生变化时,表明反应已达平衡的是(

)①混合气体的密度②混合气体的压强③B的物质的量浓度④混合气体的总物质的量A.只有①②B.只有②③C.只有①③D.只有①④答案

C解析

①该容器的容积保持不变,根据质量守恒定律知,反应前后混合气体的质量会变,所以容器内气体的密度会变,当容器中气体的密度不再发生变化时,能表明达到化学平衡状态,故正确;②该反应是反应前后气体体积没有变化的反应,容器中的压强始终不发生变化,所以压强不变不能证明达到了平衡状态,故错误;③B的物质的量浓度不变是平衡状态的特征之一,此时能证明达到了平衡状态,故正确;④该反应是一个反应前后气体体积不变的可逆反应,无论该反应是否达到平衡状态,混合气体的总物质的量都不变,所以不能据此判断反应是否达到平衡状态,故错误。规律方法

判断化学平衡状态的方法——“正逆相等,变量不变”变式训练1下列说法可以证明反应H2(g)+I2(g)2HI(g)已达平衡状态的是

(填序号)。

①单位时间内生成nmolH2的同时,生成nmolHI

②一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂③百分含量w(HI)=w(I2)

④反应速率v(H2)=v(I2)=v(HI)

⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1

⑥容积一定时,某一生成物浓度不再变化⑦温度和容积一定时,容器内压强不再变化⑧条件一定,混合气体的平均相对分子质量不再变化⑨温度和容积一定时,混合气体颜色不再变化⑩压强一定时,混合气体的密度不再变化答案②⑥⑨解析对于反应前后气体分子总数相等的可逆反应,可从化学反应速率、化学键断裂、物质的量浓度、转化率、颜色、温度等方面判断反应是否达到平衡状态。探究二化学平衡常数表达式的书写与应用问题探究化学平衡常数与化学方程式书写形式有什么关系?提示(1)正、逆反应的平衡常数互为倒数。(2)若化学方程式中各物质的化学式前的系数都扩大至原来的n倍,则化学平衡常数变为原来的n次幂。(3)两个化学方程式相加得到新的化学方程式,新化学方程式对应反应的化学平衡常数是原来两个化学方程式对应反应平衡常数的乘积。归纳拓展1.化学平衡常数表达式的书写及注意事项

(2)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数,化学反应方向改变或化学式前的系数改变,化学平衡常数均发生改变。举例如下:(3)注意事项。①K值越大,反应物的转化率越高,正反应进行的程度越大。②K只受温度影响,与反应物或反应产物的浓度变化无关。③催化剂能加快化学反应速率,但对化学平衡常数无影响。2.化学平衡常数的应用(1)判断可逆反应进行的程度。K值大,说明反应进行的程度大,反应物的转化率高;K值小,说明反应进行的程度小,反应物的转化率低。(2)判断化学反应进行的方向。

Q<K反应向正反应方向进行,v(正)>v(逆)Q=K反应处于化学平衡状态,v(正)=v(逆)Q>K反应向逆反应方向进行,v(正)<v(逆)(3)判断可逆反应的热效应。

应用体验【典例2】在一定温度下,在1L的密闭容器中发生反应:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),平衡时测得C、H2O、CO、H2的物质的量都为0.1mol。(1)该反应的平衡常数K=

。

(2)若升高平衡体系的温度,该反应的平衡常数会增大,则该反应的ΔH

(填“>”或“<”)0。

(3)相同条件下,向该密闭容器中充入各物质的起始量如下:①均为0.2mol,

②C(s)、H2O均为0.2mol,CO、H2均为0.1mol,判断该反应进行的方向:①

,②

。

答案(1)0.1mol·L-1

(2)>

(3)①向逆反应方向进行②向正反应方向进行

变式训练2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的关系如表所示:T/℃70080083010001200K0.60.91.01.72.6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,平衡浓度符合下式:c平(CO2)·c平(H2)=c平(CO)·c平(H2O),试判断此时的温度为

℃。

(4)在800℃时,发生上述反应,某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)=2mol·L-1,c(H2)=1.5mol·L-1,c(CO)=1mol·L-1,c(H2O)=3mol·L-1,则正、逆反应速率的比较为v(正)

(填“>”“<”或“=”)v(逆)。

(3)830

(4)<解析(2)由题给数据可得,温度越高,K值越大,说明升温时平衡正向移动,则正向反应为吸热反应。(3)由题意可得该温度下的平衡常数K=1,根据表中数据可知该温度为830

℃。探究三“三段式”突破平衡常数(K)、转化率的相关计算问题探究已知在密闭容器中发生可逆反应:M(g)+N(g)P(g)+Q(g)

ΔH>0。某温度下,反应物的初始浓度分别为:c始(M)=2mol·L-1,c始(N)=4.8mol·L-1。1.若达到平衡后,M的转化率为60%,此时N的转化率为多少?该反应的平衡常数为多少?2.若升高反应温度,该反应的平衡移动吗?M的转化率变化吗?若在温度不变时加入一定量的N,M的转化率变化吗?K如何变化?提示该反应为吸热反应,升高温度,化学平衡向正反应方向移动,M的转化率增大;若温度不变时加入一定量的N,化学平衡向正反应方向移动,M的转化率增大,K不变。归纳拓展1.常用解题模式——“三段式”如反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),若A、B起始物质的量浓度分别为amol·L-1、bmol·L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为axmol·L-1。

aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)初始浓度/(mol·L-1) a

b 0 0转化浓度/(mol·L-1) ax

bx

cx

dx平衡浓度/(mol·L-1) a-ax

b-bx

cx

dx2.明确三个量的关系(1)三个量:起始量、变化量、平衡量。(2)三个关系:①对于同一反应物,起始量-变化量=平衡量。②对于同一反应产物,起始量+变化量=平衡量。③各物质的转化量之比等于化学方程式中各物质的化学式前面的系数之比。3.掌握四个公式

应用体验【典例3】氢气是一种清洁能源。可由CO和水蒸气反应制备,其能量变化如下图所示。(1)上述反应为可逆反应。在800℃时,若CO的起始浓度为2.0mol·L-1,水蒸气的起始浓度为3.0mol·L-1,达到化学平衡状态后,测得CO2的浓度为1.2mol·L-1,则此反应的平衡常数为

,随着温度升高,该反应的化学平衡常数的变化趋势是

。

(2)某温度下,上述反应的平衡常数为K=。该温度下在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中投入H2O(g)和CO(g),其起始浓度如下表所示。下列判断不正确的是

(填字母)。

起始浓度甲乙丙c始(H2O)/(mol·L-1)0.0100.0200.020c始(CO)/(mol·L-1)0.0100.0100.020A.反应开始时,丙中的反应速率最快,甲中的反应速率最慢B.平衡时,甲中和丙中H2O的转化率均是25%C.平衡时,丙中c平(CO2)是甲中的2倍,是0.015mol·L-1D.平衡时,乙中H2O的转化率大于25%答案(1)1减小(2)CD解析(1)根据“三段式”分析:

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)初始浓度/(mol·L-1)

2.0

3.0

0

0转化浓度/(mol·L-1)

1.2

1.2

1.2

1.2平衡浓度/(mol·L-1)

0.8

1.8

1.2

1.2由于该反应为放热反应,升高温度时平衡常数减小。

(2)甲容器中反应物的浓度最小,丙容器中反应物的浓度最大,A正确;设平衡时甲中H2O的转化率为x,

CO

+

H2O

CO2+

H2初始浓度/

(mol·L-1)

0.01

0.01

0

0转化浓度/

(mol·L-1)

0.01x

0.01x

0.01x

0.01x平衡浓度/

(mol·L-1)

0.01(1-x)

0.01(1-x)

0.01x

0.01x丙相当于甲中压强增大一倍,平衡不移动,因而丙中H2O的转化率仍为25%,B正确;丙中c平(CO2)=0.01

mol·L-1×25%×2=0.005

mol·L-1,C错误;乙相当于在甲的基础上增大水蒸气的浓度,平衡正向移动,CO的转化率增大,但H2O的转化率减小,因而H2O的转化率小于25%,D错误。【变式设问】通过比较(2)中甲、乙容器中H2O、CO的转化率,你能得出什么结论?提示

经分析α甲(H2O)>α乙(H2O),α甲(CO)<α乙(CO)。结论:两种反应物参加反应时,提高一种反应物的浓度,可以提高另一种反应物的转化率,而该反应物的转化率会降低。规律方法

有关平衡常数(K)、转化率的解题思路(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:列出各物质的起始量、转化量及平衡量。(3)解决各问题:明确了“始”“变”“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、反应物的转化率等。变式训练3H2S与CO2在高温下发生反应:H2S(g)+CO2(g)OS(g)+H2O(g)。在610K时,将0.10molCO2与0.40molH2S充入2.5L的空钢瓶中,反应达到平衡后水的物质的量分数为0.02。(1)H2S的平衡转化率α1=

%,该反应平衡常数K=

。

(2)在620K重复实验,平衡后水的物质的量分数为0.03,H2S的转化率α2

α1,该反应的ΔH

(填“>”“<”或“=”)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

(填字母)。

A.H2S B.CO2C.COS D.N2答案(1)2.5

2.8×10-3

(2)>

>

(3)B解析(1)设平衡时转化的H2S的物质的量为x,根据“三段式”分析:

H2S(g)+CO2(g)COS(g)+H2O(g)n(始)/

mol

0.40

0.10

0

0Δn/

mol

x

x

x

xn(平)/

mol

0.40-x

0.10-x

x

x根据题意可得解得:x=0.01

mol。

(2)升高温度后水的物质的量分数增大,H2S的转化率增大,平衡右移,则题给反应是吸热反应,ΔH>0。(3)两种反应物,增大一种反应物浓度,平衡右移,自身转化率减小,另一反应物转化率增大。学以致用•随堂检测全达标1.在一定温度下,将2molSO2和1molO2充入一定容积的密闭容器中,在催化剂作用下发生反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)

ΔH=-197kJ·mol-1,当反应达到化学平衡状态时,下列说法中正确的是(

)A.v正(O2)=2v逆(SO2)B.SO2和SO3共2molC.放出197kJ热量D.SO2和O2浓度相等答案B解析题给反应存在反应限度,当正、逆反应速率相等时,反应达到平衡状态,此时存在2v正(O2)=v逆(SO2),故A错误;在化学反应中各元素的原子遵循原子守恒,所以达到化学平衡状态时二氧化硫和三氧化硫中硫原子的物质的量之和等于反应初始时二氧化硫的物质的量,故B正确;可逆反应存在反应限度,反应物不可能完全转化为反应产物,当正、逆反应速率相等时,反应达到平衡状态,所以将2

mol

SO2和1

mol

O2充入一定容积的密闭容器中,SO2和O2不可能完全转化为三氧化硫,放出的热量小于197

kJ,故C错误;可逆反应达到平衡时,各组分浓度不再变化,但是将2

mol

SO2和1

mol

O2充入一定容积的密闭容器中,二者按照2∶1的比例反应,达到平衡时,二者的浓度一定不相等,故D错误。2.(2021福建莆田第十五中学高二期末)850K时,在一密闭反应器中充入一定量的SO2和O2,当反应达到平衡后测得SO2、O2、SO3的浓度分别为0.0020mol·L-1、0.0025mol·L-1、0.0020mol·L-1,则该温度下反应的2SO2+O2

2SO3平衡常数为(

)(mol·L-1)-1A.25 B.0.0025 C.40 D.400答案

D解析

对于反应2SO2+O22SO3,当反应达到平衡后测得SO2、O2、SO3的浓度分别为0.002

0

mol·L-1、0.002

5

mol·L-1、0.002

0

mol·L-1,K=

=400

mol-1·L,故选D。3.在一个6L的密闭容器中放入3molX和2molY,在一定条件下发生反应4X(g)+3Y(g)2Q(g)+nR(g),达到平衡后,容器内的压强比原来增加5%,X浓度减小,则该反应化学方程式中的n值是(

)A.3 B.4 C.5 D.6答案D解析平衡体系存在于一个恒容的容器中,根据阿伏加德罗定律可知气体的物质的量之比等于压强之比。压强比原来增加5%,说明物质的量比原来增加5%,初始时有3

mol

X和2

mol

Y,X浓度减小

,说明反应中消耗X的物质的量为1

mol,根据方程式由差量法可知,当消耗4

mol

X时,气体物质的量增加(2

mol+n

mol)-(4

mol+3

mol)=(n-5)mol,所以

=(2+3)×5%,解得n=6。4.工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g),设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g),反应在一定条件下达到平衡时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为

。计算:(1)该条件下N2的平衡转化率为

。

(2)该条件下反应2NH3