2018-2019版高中化學 專題2 化學反應速率與化學平衡 第二單元 化學反應的方向和限度 第3課時學案 蘇教版選修4.doc

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第3課時　化學平衡常數(shù) [學習目標定位]　1.了解化學平衡常數(shù)的含義，會根據(jù)化學反應書寫化學平衡常數(shù)表達式。 2.能夠利用化學平衡常數(shù)進行簡單的計算。 一、化學平衡常數(shù) 1.數(shù)據(jù)分析 (1)NO2、N2O4的相互轉化是一個可逆反應：2NO2(g)N2O4(g)。在25 ℃時，如果用不同起始濃度的NO2或N2O4進行反應，平衡后得到以下實驗數(shù)據(jù)。請根據(jù)表中已知數(shù)據(jù)填寫空格： 起始濃度/molL－1 平衡濃度/molL－1 平衡濃度關系 c(NO2) c(N2O4) c(NO2) c(N2O4) 2.0010－2 0 6.3210－3 6.8410－3 1.08 1.71102 3.0010－2 0 8.0010－3 1.1010－2 1.38 1.72102 0 2.0010－2 9.4610－3 1.5310－2 1.62 1.71102 0 0.100 2.2810－2 8.8610－2 3.89 1.70102 (2)根據(jù)上表數(shù)據(jù)，判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“”) ①一定濃度下，N2O4和NO2的平衡濃度相等() ②一定濃度下，N2O4與NO2的平衡濃度之比相等() ③一定濃度下，平衡時近似相等(√) 2.化學平衡常數(shù)的概念與表達式 (1)概念 在一定溫度下，當一個可逆反應達到化學平衡時，生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值是一個常數(shù)(簡稱平衡常數(shù))，用K表示。 (2)表達式：對于一般的可逆反應，mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，當在一定溫度下達到平衡時，K＝。 (3)在平衡常數(shù)表達式中，水(液態(tài))的濃度、固體物質的濃度不寫。 例如：C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)，K＝。 FeO(s)＋CO(g)Fe(s)＋CO2(g)，K＝。 (4)化學平衡常數(shù)表達式與化學方程式的書寫有關 如： N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的平衡常數(shù)為K1＝； N2(g)＋H2(g)NH3(g)的平衡常數(shù)為K2＝； NH3(g)N2(g)＋H2(g)的平衡常數(shù)為K3＝。 寫出K1和K2的關系式：K1＝K。 寫出K2和K3的關系式：K2K3＝1。 寫出K1和K3的關系式：K1K＝1。 3.化學平衡常數(shù)的意義 已知：25 ℃時，鹵化氫生成反應的平衡常數(shù)： 化學方程式 平衡常數(shù)K F2＋H22HF 6.51095 Cl2＋H22HCl 2.571033 Br2＋H22HBr 1.911019 I2＋H22HI 8.67102 請比較表中K值的相對大小，說明平衡常數(shù)的意義： 平衡常數(shù)的大小反映了化學反應進行的程度(也叫反應的限度)。 K值越大，表示反應進行得越完全，反應物轉化率越大； K值越小，表示反應進行得越不完全，反應物轉化率越小。 4.化學平衡常數(shù)的影響因素及應用 已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH<0的平衡常數(shù)與溫度的關系如下： T/K 373 473 573 673 773 K 3.35109 1.00107 2.45105 1.88104 2.99103 由上表數(shù)據(jù)分析可知： (1)溫度升高，K值減小，則正反應為放熱(填“吸熱”或“放熱”，下同)反應。 (2)溫度升高，K值增大，則正反應為吸熱反應。 (1)化學平衡常數(shù)表達式書寫的注意事項 ①在平衡常數(shù)表達式中，水(液態(tài))的濃度、固體物質的濃度不寫。,②化學平衡常數(shù)表達式與化學方程式的書寫方式有關。 (2)對于給定的反應，化學平衡常數(shù)只受溫度影響，與反應物或生成物的濃度變化無關。 (3)由溫度、平衡常數(shù)的變化判斷反應熱 ①升高溫度，K值增大，ΔH＞0；K值減小，ΔH＜0。 ②降低溫度，K值增大，ΔH＜0；K值減小，ΔH＞0。 例1　(2017江陰青陽中學期中)1 000 K時，反應C(s)＋2H2(g)CH4(g)的K＝8.28107，當各氣體物質的量濃度分別為H2 0.7 molL－1、CH4 0.2 molL－1時，上述平衡(　　) A.向正反應方向移動 B.向逆反應方向移動 C.達到平衡 D.無法判斷移動方向 答案　A 解析　當各氣體物質的量濃度分別為H2 0.7 molL－1、CH4 0.2 molL－1時Q＝＝≈0.4，K＝8.28107>Q，平衡向正反應方向移動，A項正確。 例2　在一定體積的密閉容器中，進行如下化學反應：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，其化學平衡常數(shù)K和溫度T的關系如表所示： T/℃ 700 800 830 1 000 1 200 K 0.6 0.9 1.0 1.7 2.6 回答下列問題： (1)該反應的化學平衡常數(shù)表達式為K＝____________。 (2)該反應為________(填“吸熱”或“放熱”)反應。 (3)某溫度下，平衡濃度符合下式：c(CO2)c(H2)＝c(CO)c(H2O)，試判斷此時的溫度為________℃。該溫度下加入1 mol CO2(g)和1 mol H2(g)，充分反應，達到平衡時，CO2的轉化率為________。 (4)在800 ℃時，發(fā)生上述反應，某一時刻測得容器內各物質的濃度分別為c(CO2)為2 molL－1，c(H2)為1.5 molL－1，c(CO)為1 molL－1，c(H2O)為3 molL－1，則反應________(填“正向進行”“逆向進行”或“處于平衡狀態(tài)”)。 答案　(1)　(2)吸熱　(3)830　50%　(4)逆向進行 解析　(2)溫度越高，K值越大，說明升溫平衡正向移動，正反應為吸熱反應。 (3)由題意可得K＝1，查表可知溫度為830 ℃。設反應的CO2為x mol，則消耗掉的H2為x mol，生成的CO和H2O均是x mol(設體積為V L)，則 K＝＝1，整理得x＝0.5。 則CO2的轉化率為50%。 (4)Q＝＝＝1＞0.9， 則反應逆向進行。 考點　化學平衡常數(shù)的概念及其應用 題點　化學平衡常數(shù)的影響因素及應用 特別提醒　利用Q和K的相對大小判斷反應進行的方向 ①Qv逆 ②Q＝K　反應處于平衡　v正＝v逆 ③Q>K　反應逆向進行　v正”“<”或“＝”)。 答案　①2.5　0.002 85?、?　> 解析　對于反應 　　　　 H2S(g)＋CO2(g)COS(g)＋H2O(g) 初始(mol) 0.40 0.10 0 0 轉化(mol) x x x x 平衡(mol) 0.40－x 0.10－x x x 反應平衡后水的物質的量分數(shù)為0.02，則＝0.02，x＝0.01。 ①H2S的平衡轉化率α1＝100%＝2.5% 鋼瓶的體積為2.5 L，則平衡時各物質的濃度分別為c(H2S)＝0.156 molL－1，c(CO2)＝0.036 molL－1，c(COS)＝c(H2O)＝0.004 molL－1，則K＝≈0.002 85。 ②根據(jù)題目提供的數(shù)據(jù)可知溫度由610 K升高到620 K時，化學反應達到平衡后水的物質的量分數(shù)由0.02變?yōu)?.03，所以H2S的轉化率增大，α2>α1；根據(jù)題意可知：升高溫度，化學平衡向正反應方向移動，所以該反應的正反應為吸熱反應，故ΔH>0。 考點　化學平衡常數(shù)的概念及其應用 題點　化學平衡常數(shù)的綜合 [對點訓練] 題組一　化學平衡常數(shù)及其影響因素 1.只改變一個影響因素，平衡常數(shù)K與化學平衡移動的關系敘述正確的是(　　) A.K值不變，平衡不可能移動 B.平衡向右移動時，K值一定增大 C.K值有變化，平衡一定移動 D.相同條件下，同一個反應，其化學方程式的計量數(shù)增大2倍，K值也增大兩倍 答案　C 解析　平衡常數(shù)K是溫度的函數(shù)，只與溫度有關，溫度一定，平衡常數(shù)K值一定，溫度發(fā)生變化，平衡常數(shù)K值也發(fā)生變化。 考點　化學平衡常數(shù)的概念及其應用 題點　化學平衡常數(shù)的影響因素及應用 2.2 000 K時，反應CO(g)＋O2(g)CO2(g)的平衡常數(shù)為K，則相同溫度下反應2CO2(g)2CO(g)＋O2(g)的平衡常數(shù)K′為(　　) A. B.K2 C. D. 答案　C 解析　平衡常數(shù)與化學方程式的寫法有關，對于以上兩個反應：K＝，K′＝，所以K′＝。 考點　化學平衡常數(shù)的概念及其應用 題點　化學平衡常數(shù)表達形式 3.當把晶體N2O4放入密閉容器中氣化，并建立了N2O4(g)2NO2(g)平衡后，保持溫度不變，再通入若干N2O4氣體，待反應達到新的平衡時，則新平衡與舊平衡相比，其值(　　) A.變大 B.不變 C.變小 D.無法確定 答案　B 解析　溫度不變，K值不變。 考點　化學平衡常數(shù)的概念及其應用 題點　化學平衡常數(shù)的影響因素及應用 4.某可逆反應aA＋bBcC在某溫度下的平衡常數(shù)為K(K≠1)，反應熱為ΔH。保持溫度不變，將方程式的書寫作如下改變，則ΔH和K數(shù)值的相應變化為(　　) A.寫成2aA＋2bB2cC，ΔH值、K值均擴大了一倍 B.寫成2aA＋2bB2cC，ΔH值擴大了一倍，K值保持不變 C.寫成cCaA＋bB，ΔH值、K值變?yōu)樵瓉淼南喾磾?shù) D.寫成cCaA＋bB，ΔH值變?yōu)樵瓉淼南喾磾?shù)，K值變?yōu)樵瓉淼牡箶?shù) 答案　D 解析　A項、B項ΔH值擴大一倍，K變?yōu)樵瓉淼钠椒健? 考點　化學平衡常數(shù)的概念及其應用 題點　化學平衡常數(shù)表達形式與意義 題組二　化學平衡常數(shù)與轉化率的基本計算 5.將固體NH4I置于密閉容器中，在一定溫度下發(fā)生下列反應：①NH4I(s)NH3(g)＋HI(g)；②2HI(g)H2(g)＋I2(g)。達到平衡時，c(H2)＝0.5 molL－1，c(HI)＝4 molL－1，則此溫度下反應①的平衡常數(shù)為(　　) A.9 B.16 C.20 D.25 答案　C 解析　平衡時c(HI)＝4 molL－1，HI分解生成H2的濃度為0.5 molL－1，NH4I分解生成的HI的濃度為4 molL－1＋20.5 molL－1＝5 molL－1，所以NH4I分解生成的NH3的濃度為c(NH3)＝5 molL－1，所以反應①的平衡常數(shù)為K＝c(NH3)c(HI)＝54＝20。 考點　化學平衡常數(shù)的有關計算 題點　求算化學平衡常數(shù) 6.在一定溫度下，反應H2(g)＋X2(g)HX(g)的平衡常數(shù)為10。若將1.0 mol的HX(g)通入體積為1.0 L的密閉容器中，在該溫度時HX(g)的最大分解率接近于(　　) A.5% B.17% C.25% D.33% 答案　B 解析　由題中的反應和數(shù)據(jù)可知：HX(g)H2(g)＋X2(g)的平衡常數(shù)K＝0.1。設在該溫度下HX(g)的分解反應達平衡后其減小的濃度為x molL－1，則平衡時HX、H2、X2的濃度分別為(1.0－x) molL－1、0.5x molL－1、0.5x molL－1，代入K的表達式有＝0.1，解得x≈0.17，故可知HX的分解率為100%＝17%。 考點　化學平衡常數(shù)的有關計算 題點　平衡常數(shù)與轉化率計算的綜合 7.(2017啟東中學高二期中)在2 L的密閉容器中，起始時均投入2 mol CO，在不同條件下發(fā)生反應：CO(g) ＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH＜0。有關信息如圖所示，下列說法正確的是(　　) A.T1＜T2 B.T1時該反應的平衡常數(shù)為4.0 C.同一溫度下，n(H2)/n(CO)越大，平衡常數(shù)也越大 D.同條件下，n(H2)/n(CO)越大，CO和H2的轉化率也越大 答案　B 解析　此反應是放熱反應，降低溫度，平衡向正反應方向移動，CO的轉化率增大，即T1>T2，A項錯誤； 　　　　 CO(g) ＋2H2(g)CH3OH(g) 起始(mol): 2 3 0 變化(mol): 1 2 1 平衡(mol): 1 1 1 根據(jù)化學平衡常數(shù)的定義，K＝，代入數(shù)值，得出K＝4，B項正確；化學平衡常數(shù)只受溫度的影響，溫度不變，則化學平衡常數(shù)不變，C項錯誤；同條件下，n(H2)/n(CO)越大，可以認為n(H2)增大，n(CO)不變，即氫氣的轉化率降低，CO的轉化率增大，D項錯誤。 題組三　化學平衡常數(shù)的綜合考查 8.化學平衡常數(shù)K的數(shù)值大小是衡量化學反應進行程度的標志，在常溫下，下列反應的平衡常數(shù)的數(shù)值如下： 2NO(g)N2(g)＋O2(g)　K1＝11030 2H2(g)＋O2(g)2H2O(g)　K2＝21081 2CO2(g)2CO(g)＋O2(g)　K3＝410－92 以下說法正確的是(　　) A.常溫下，NO分解產生O2的反應的平衡常數(shù)表達式為K1＝c(N2)c(O2) B.常溫下，2H2O(g)===2H2(g)＋O2(g)，此時平衡常數(shù)的數(shù)值約為510－82 C.常溫下，NO、H2O、CO2三種物質分解放出O2的傾向由大到小的順序為H2O＞NO＞CO2 D.以上說法都不正確 答案　B 解析　A項，K1＝；B項，K＝＝＝510－82，正確；C項，平衡常數(shù)越大，放出O2的傾向越大，所以大小順序為NO＞H2O＞CO2。 9.溫度為T時，在體積為10 L的真空容器中通入1.00 mol氫氣和1.00 mol碘蒸氣，20 min后，反應達到平衡，此時測得碘蒸氣的濃度為0.020 molL－1。涉及的反應可以用下面的兩個化學方程式表示： ①H2(g)＋I2(g)2HI(g) ②2H2(g)＋2I2(g)4HI(g) 下列說法正確的是(　　) A.反應速率用HI表示時，v(HI)＝0.008 molL－1min－1 B.兩個化學方程式的意義相同，但其平衡常數(shù)表達式不同，不過計算所得數(shù)值相同 C.氫氣在兩個反應方程式中的轉化率不同 D.第二個反應中，增大壓強K增大 答案　A 解析　　　　　　　　　H2(g) ＋ I2(g)2HI(g) 初始濃度(molL－1) 0.100 0.100 0 轉化濃度(molL－1) 0.080 0.080 0.160 平衡濃度(molL－1) 0.020 0.020 0.160 所以，v(HI)＝0.160 molL－120 min＝0.008 molL－1min－1，A正確；K①＝＝64，而K②＝＝K＝642＝4 096，B錯；兩個化學方程式表示的是同一個反應，反應達到平衡時，氫氣的濃度相同，故其轉化率相同，C錯；壓強大小對化學平衡常數(shù)沒有影響，D錯。 10.在25 ℃時，密閉容器中X、Y、Z三種氣體的初始濃度和平衡濃度如下表： 物　質 X Y Z 初始濃度/molL－1 0.1 0.2 0 平衡濃度/molL－1 0.05 0.05 0.1 下列說法錯誤的是(　　) A.反應達到平衡時，X的轉化率為50% B.該反應可表示為X(g)＋3Y(g)2Z(g)，其平衡常數(shù)為1 600 C.增大壓強使平衡向生成Z的方向移動，平衡常數(shù)增大 D.改變溫度可以改變該反應的平衡常數(shù) 答案　C 11.已知某化學反應的平衡常數(shù)表達式為K＝，在不同的溫度下該反應的平衡常數(shù)如表所示： t/℃ 700 800 830 1 000 1 200 K 1.67 1.11 1.00 0.60 0.38 下列有關敘述不正確的是(　　) A.該反應的化學方程式是CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) B.上述反應的正反應是放熱反應 C.若在1 L的密閉容器中通入CO2和H2各1 mol,5 min后溫度升高到830 ℃，此時測得CO為0.4 mol，則該反應達到平衡狀態(tài) D.若平衡濃度符合下列關系式：＝，則此時的溫度為1 000 ℃ 答案　C 解析　由平衡常數(shù)表達式可判斷反應的化學方程式是CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，A正確；分析表中數(shù)據(jù)，平衡常數(shù)隨溫度升高而減小，說明升溫平衡逆向移動，逆反應是吸熱反應，正反應是放熱反應，B正確；依據(jù)化學平衡三段式： 　　　　 CO(g)?。2O(g)CO2(g)＋H2(g) 起始物質的量/mol 0 0 1 1 變化物質的量/mol 0.4 0.4 0.4 0.4 5 min末物質的量/mol 0.4 0.4 0.6 0.6 反應前后氣體總物質的量不變，可以用其物質的量代替濃度計算濃度商，Q＝＝2.25≠1.00，此時反應沒有達到平衡狀態(tài)，C錯誤；依據(jù)平衡常數(shù)表達式和平衡常數(shù)數(shù)值計算分析，溫度為1 000 ℃時平衡常數(shù)K＝＝0.60＝，若平衡濃度符合下列關系式：＝，說明反應達到平衡狀態(tài)，D正確。 考點　化學平衡常數(shù)的概念及其應用 題點　化學平衡常數(shù)的綜合 [綜合強化] 12.工業(yè)合成氨N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反應過程中的能量變化如圖所示，據(jù)圖回答下列問題： (1)該反應通常用活性鐵作催化劑，加活性鐵會使圖中B點________(填“升高”或“降低”)，理由是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)當某時刻______(填“<”“>”或“＝”)K時，反應向右進行。 答案　(1)降低　催化劑能降低反應的活化能 (2)< 13.在一體積為1 L的密閉容器中，通入一定量的CO和H2O，在850 ℃發(fā)生如下反應：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0。CO和H2O濃度變化如下圖： (1)0～4 min的平均反應速率v(CO)＝________ molL－1min－1。 (2)850 ℃時，平衡常數(shù)K＝________。 (3)850 ℃時，若向該容器中充入1.0 mol CO、3.0 mol H2O，則CO的平衡轉化率為________。 (4)能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的依據(jù)是________(填字母)。 a.v正(H2)＝v逆(H2O) b.c(CO2)＝c(CO) c.容器中氣體密度不變 答案　(1)0.03　(2)1　(3)75%　(4)a 解析　(1)0～4 min的平均反應速率v(CO)＝＝0.03 molL－1min－1。 (2)850 ℃時，平衡時各物質的濃度為c(CO)＝0.08 molL－1，c(H2O)＝0.18 molL－1，c(CO2)＝0.12 molL－1，c(H2)＝0.12 molL－1，所以平衡常數(shù)K＝＝1。 (3)　　　　　 CO(g)＋　H2O(g)CO2(g)＋H2(g) 起始/molL－1 1.0 3.0 0 0 變化/molL－1 x x x x 平衡/molL－1 1.0－x 3.0－x x x 850 ℃時，反應的平衡常數(shù)是1，有(1.0－x)(3.0－x)＝xx，解得x＝0.75，則CO的平衡轉化率為0.75/1100%＝75%。 (4)該反應是在固定容積的密閉容器中進行的反應，且反應前后氣體的物質的量不變，密度不變不能作為平衡的標志；c(CO2)＝c(CO)是一特定的狀態(tài)，不一定達到平衡。 14.在某溫度下，將H2和I2各0.1 mol的氣態(tài)混合物充入10 L的密閉容器中，發(fā)生反應H2(g)＋I2(g)2HI(g)，連續(xù)測定c(I2)的變化，5 s 時測定c(I2)＝0.008 0 molL－1并保持不變。則： (1)反應的平衡常數(shù)的表達式是K＝________。 (2)此溫度下，平衡常數(shù)值為________。 (3)若在此溫度下，在10 L的密閉容器中充入0.2 mol HI氣體，達到平衡時，HI的轉化率為________。 答案　(1)　(2)0.25　(3)80% 解析　(2)c(I2)＝0.008 0 molL－1 c(H2)＝0.008 0 molL－1 c(HI)＝0.004 0 molL－1 K＝＝0.25。 (3)設生成的H2的濃度為x molL－1， 　　　　　　 2HI(g)　　H2(g)＋I2(g) 起始/molL－1 0.02 0 0 轉化/molL－1 2x x x 平衡/molL－1 0.02－2x x x K′＝＝ x＝0.008 α(HI)＝100%＝80%。 考點　化學平衡常數(shù)的有關計算 題點　平衡常數(shù)與轉化率計算的綜合 15.已知下列兩個反應： 反應Ⅰ　I2＋I－I　ΔH1 反應Ⅱ　II2＋I－　ΔH2 反應Ⅰ的化學平衡常數(shù)K1與溫度的關系如表所示。 T/℃ 5 15 25 35 50 K1 1 100 841 689 533 409 請回答下列問題： (1)若反應Ⅱ的化學平衡常數(shù)為K2，在相同溫度下，K1K2＝________。 (2)反應Ⅰ的ΔH1________(填“＞”“＝”或“＜”)0，若采用升溫，則I2的溶解速率會________(填“加快”“減慢”或“不變”)。 (3)能判斷反應Ⅰ已達到平衡的依據(jù)是________(填字母)。 A.容器中的壓強不再改變 B.溶液的顏色不再改變 C.I－濃度不再變化 D.正、逆反應速率均為0 (4)某溫度下，反應Ⅰ的化學平衡常數(shù)為800。在該溫度下，向甲、乙、丙三個容積相同的容器中分別加入I2和I－，這兩種物質的起始濃度如下。 起始濃度(molL－1) 甲 乙 丙 c(I2) 0.1 0.2 0.2 c(I－) 0.2 0.1 0.2 反應速率最快的是________(填“甲”“乙”或“丙”，下同)，平衡時I2的轉化率最大的是________。 答案　(1)1　(2)＜　加快　(3)BC　(4)丙　甲 解析　(1)相同溫度下，正、逆反應的平衡常數(shù)的乘積為1。(2)由表格可知，升溫化學平衡常數(shù)減小，則正反應為放熱反應，即ΔH1<0，升溫I2的溶解速率會加快。(3)因為反應是在溶液中進行的，故其化學平衡不受壓強影響；溶液中只有I2有顏色，故顏色不再改變時反應達到平衡；I－濃度不再變化，則為平衡狀態(tài)；達到化學平衡時正、逆反應速率相等，但不等于0，故選BC。(4)濃度越大，化學反應速率越快，則丙最快；因為增大一種反應物濃度可以提高另一反應物的轉化率，而自身的轉化率降低，則平衡時I2的轉化率最大的是甲。 考點　化學平衡常數(shù)的概念及其應用 題點　化學平衡常數(shù)的綜合