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考点4 化学平衡常数的意义、影响因素、变化规律和主要应用
1．意义及影响因素
意义 K值越大 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 ΔH<0，K值减小
ΔH>0，K值增大
【点拨】 一般地，当K＞105时，反应基本完全了。
2．主要应用
(1)判断可逆反应的反应方向以及反应是否达到平衡
Q＝K 体系处于平衡状态 v正=v逆
Q
v逆
Q>K 反应逆向进行 v正(2)判断可逆反应的反应热
升高温度 平衡右移，K值增大 正反应为吸热反应
平衡左移，K值减小 正反应为放热反应
降低温度 平衡右移，，K值增大 正反应为放热反应
平衡左移，K值减小 正反应为吸热反应
计算平衡浓度和平衡转化率
K越大，正反应进行的程度越大，反应物转化率越大；
K越小，正反应进行的程度越大，反应物转化率越大。
一般来说，K>105，可以认为反应进行得基本完全；K<10-5，则认为这个反应很难进行。
【点拨】使用化学平衡常数应注意的问题
(1)化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。
(2)反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
①若反应方向改变，则平衡常数改变，二者互为倒数。
②若化学方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。
如N2＋3H22NH3，K＝a则有：2NH3N2＋3H2，K′＝1/a。
N2＋H2NH3，K″＝。
3.化学平衡转化率
(1)表达式
对于反应：aA＋bBcC＋dD，反应物A的转化率可以表示为α(A)＝×100%＝×100%＝×100%。
(2)影响因素[以N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0为例]
①增大N2浓度，α(N2)减小，α(H2)增大。
②升高温度，α(N2)减小。
③增大压强，α(N2)增大。
典例1．对于反应C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH>0，下列有关说法正确的是( )
A．平衡常数表达式为K＝
B．增大体系压强，平衡常数K不发生变化
C．升高体系温度，平衡常数K减小
D．增加C(s)的量，平衡正向移动
【答案】B
【解析】固态物质浓度为“常数”，视为“1”，不需写入平衡常数表达式，A项错误；K只与温度有关，因此增大体系压强，平衡常数K不发生变化，B项正确；升温该反应正向进行，K增大，C项错误；增加C(s)的量，平衡不移动，D项错误。
典例2．已知反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s)和反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g)，在相同的某温度下的平衡常数分别为K1和K2，该温度下反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)的平衡常数为K。则下列说法正确的是( )
A．反应①的平衡常数K1＝
B．反应③的平衡常数K＝
C．对于反应③，恒容时，温度升高，H2浓度减小，则该反应的焓变为正值
D．对于反应③，恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小
【答案】B
【解析】在书写平衡常数表达式时，纯固体不写，A错误；由于反应③＝反应①－反应②，因此平衡常数K＝，B正确；反应③中，温度升高，H2浓度减小，则平衡左移，即逆反应为吸热反应，正反应为放热反应，因此ΔH<0，C错误；对于反应③，在恒温恒容下，增大压强，如充入惰性气体，则平衡不移动，H2的浓度不变，D错误。
典例3．可逆反应：2SO2＋O22SO3达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2。下列说法正确的是(K为平衡常数，Q为浓度商)( )
A．Q不变，K变大，O2转化率增大
B．Q不变，K变大，SO2转化率减小
C．Q变小，K不变，O2转化率减小
D．Q增大，K不变，SO2转化率增大
【答案】C
【解析】当可逆反应2SO2＋O22SO3达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2，平衡向右进行，但O2转化率减小，浓度商Q变小，K不变。
典例4．反应H2(g)＋I2(g) 2HI(g)的平衡常数为K1；反应HI(g) H2(g)＋I2(g)的平衡常数为K2，则K1、K2的关系式为(平衡常数为同温度下的测定值)( )
A．K1＝2K2 B．K1＝K C．K1＝ D．K1＝K2
【答案】C
【解析】K1＝c2(HI)/[c(H2)·c(I2)]，K2＝[c(H2)·c(I2)]/c(HI)，K1＝
典例5．(1)氢是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，因此氢能被称为人类的终极能源。氢气是一种绿色能源，又是一种重要的化工原料。如何将水中的氢释放出来是目前氢能研究的重要课题。
以生物材质(以C计)与水蒸气反应制取H2是一种低耗能、高效率的制H2方法。该方法由气化炉制造H2和燃烧炉再生CaO两步构成。气化炉中涉及的反应为
Ⅰ．C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g) K1；
Ⅱ．CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) K2；
Ⅲ．CaO(s)＋CO2(g) CaCO3(s) K3。
该工艺制H2总反应可表示为C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s) CaCO3(s)＋2H2(g)，用K1、K2、K3的代数式表示此反应的平衡常数K。
。
(2)在化学平衡体系中，各气体物质的分压(分压＝总压×该气体的体积分数或物质的量分数)代替浓度，计算的平衡常数叫做压强平衡常数。单位与表达式有关。
如反应aA(g)＋b(B)gcC(g)＋dD(g)，p(A)＝×p总，Kp＝。
对于在恒压容器中进行的反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，若起始投料为1 mol N2、3 mol H2，转化率为50%，压强平衡常数Kp是多少？(大气压为p0) 。
【解析】(1)已知：Ⅰ：C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g) K1，
Ⅱ：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) K2，
Ⅲ：CaO(s)＋CO2(g) CaCO3(s) K3，
反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之和为反应
C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s) CaCO3(s)＋2H2(g)，则K＝K1·K2·K3。
(2)列出“三段式”如下：
N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
起始 1 mol 3 mol 0
转化 0.5 mol 1.5 mol 1 mol
平衡 0.5 mol 1.5 mol 1 mol
则Kp＝＝＝。
6．一定条件下，反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g) ΔH>0，达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．压强：p1>p2
B．b、c两点对应的平衡常数：Kc>Kb
C．a点：2v正(NH3)＝3v逆(H2)
D．a点：NH3的转化率为
【答案】B
【解析】该反应为气体分子数增大的反应，恒温时，压强越大，N2的体积分数越小，则p1Kb，故B正确；反应速率之比等于化学计量数之比，3v正(NH3)＝2v逆(H2)，故C错误；对于反应2NH3N2(g)＋3H2()，假设反应前氨的物质的量为1 mol，反应的氨的物质的量为x mol，则＝0.1，解得x＝，因此氨的转化率为，故D错误。
7． 一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g)CH2==CH2(g)＋4H2O(g)；已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图，下列说法不正确的是( )
A．该反应的逆反应为吸热反应
B．平衡常数：KM>KN
C．生成乙烯的速率：v(N)一定大于v(M)
【答案】C
【解析】升高温度CO2的平衡转化率降低，说明平衡逆向移动，则逆反应为吸热反应，A正确；该反应的正反应是放热反应，升温平衡常数减小，B正确；化学反应速率随温度的升高而加快，催化剂在250 ℃时催化活性最高，温度继续升高，其催化效率降低，所以v(N)有可能小于v(M)，C错误，D正确。
8． Ⅰ.氮的固定是几百年来科学家一直研究的课题。
(1)下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分化学平衡常数K的值。
反应 大气固氮N2(g)＋O2(g) ??2NO(g) 工业固氮N2(g)＋3H2(g) ??2NH3(g)
温度/ ℃ 27 2 000 25 400 450
平衡常数K 3.84×10－31 0.1 5×108 0.507 0.152
①分析数据可知：大气固氮反应属于_______(填“吸热”或“放热”)反应。
②分析数据可知：人类不适合大规模模拟大气固氮的原因：
_________________________________________________。
(2)工业固氮反应中，在其他条件相同时，分别测定N2的平衡转化率在不同压强(p1、p2)下随温度变化的曲线，如图所示的图示中，正确的是________(填“A”或“B”)；比较p1、p2的大小关系：____________________________。
Ⅱ.目前工业合成氨的原理是N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。
(3)在一定温度下，将1 mol N2和3 mol H2混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8 mol。
①达平衡时，H2的转化率α＝__________。
②已知平衡时，容器压强为8 MPa，则平衡常数Kp＝____________________(用平衡分压代替浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
【答案】(1)①吸热 ②K值小，正向进行的程度小(或转化率低)，不适合大规模生产
(2)A p2>p1 (3)①60% ②或0.255或0.26
【解析】(1)①由表中数据可知随温度从27 ℃升高到2 000 ℃，K值增大，说明平衡向正反应方向移动，说明正反应是吸热反应；②大气固氮的K值小，转化率低。(2)工业固氮，随温度升高，K值减小，平衡向逆反应方向移动，N2的转化率降低，所以A正确。取相同的温度，p1→p2，N2的转化率升高，说明平衡向正反应方向移动，正反应是气体体积减小的反应，说明压强增大，p2>p1。
(3) N2 ＋ 3H22NH3
n(始)/mol 1 3 0
n(变)/mol a 3a 2a
n(平)/mol 1－a 3－3a 2a
有(1－a)＋(3－3a)＋2a＝2.8 mol，a＝0.6 mol，H2的转化率为60%，N2的平衡分压为×8 MPa，H2、NH3的平衡分压均为×8 MPa，Kp＝＝。
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考点4 化学平衡常数的意义、影响因素、变化规律和主要应用
1．意义及影响因素
意义 K值越大 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 ΔH<0，K值减小
ΔH>0，K值增大
【点拨】 一般地，当K＞105时，反应基本完全了。
2．主要应用
(1)判断可逆反应的反应方向以及反应是否达到平衡
Q＝K 体系处于平衡状态 v正=v逆
Qv逆
Q>K 反应逆向进行 v正(2)判断可逆反应的反应热
升高温度 平衡右移，K值增大 正反应为吸热反应
平衡左移，K值减小 正反应为放热反应
降低温度 平衡右移，，K值增大 正反应为放热反应
平衡左移，K值减小 正反应为吸热反应
计算平衡浓度和平衡转化率
K越大，正反应进行的程度越大，反应物转化率越大；
K越小，正反应进行的程度越大，反应物转化率越大。
一般来说，K>105，可以认为反应进行得基本完全；K<10-5，则认为这个反应很难进行。
【点拨】使用化学平衡常数应注意的问题
(1)化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。
(2)反应物或生成物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可看作“1”而不代入公式。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
①若反应方向改变，则平衡常数改变，二者互为倒数。
②若化学方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。
如N2＋3H22NH3，K＝a则有：2NH3N2＋3H2，K′＝1/a。
N2＋H2NH3，K″＝。
3.化学平衡转化率
(1)表达式
对于反应：aA＋bBcC＋dD，反应物A的转化率可以表示为α(A)＝×100%＝×100%＝×100%。
(2)影响因素[以N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0为例]
①增大N2浓度，α(N2)减小，α(H2)增大。
②升高温度，α(N2)减小。
③增大压强，α(N2)增大。
典例1．对于反应C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH>0，下列有关说法正确的是( )
A．平衡常数表达式为K＝
B．增大体系压强，平衡常数K不发生变化
C．升高体系温度，平衡常数K减小
D．增加C(s)的量，平衡正向移动
典例2．已知反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s)和反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g)，在相同的某温度下的平衡常数分别为K1和K2，该温度下反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)的平衡常数为K。则下列说法正确的是( )
A．反应①的平衡常数K1＝
B．反应③的平衡常数K＝
C．对于反应③，恒容时，温度升高，H2浓度减小，则该反应的焓变为正值
D．对于反应③，恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小
典例3．可逆反应：2SO2＋O22SO3达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2。下列说法正确的是(K为平衡常数，Q为浓度商)( )
A．Q不变，K变大，O2转化率增大
B．Q不变，K变大，SO2转化率减小
C．Q变小，K不变，O2转化率减小
D．Q增大，K不变，SO2转化率增大
典例4．反应H2(g)＋I2(g) 2HI(g)的平衡常数为K1；反应HI(g) H2(g)＋I2(g)的平衡常数为K2，则K1、K2的关系式为(平衡常数为同温度下的测定值)( )
A．K1＝2K2 B．K1＝K C．K1＝ D．K1＝K2
典例5．(1)氢是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，因此氢能被称为人类的终极能源。氢气是一种绿色能源，又是一种重要的化工原料。如何将水中的氢释放出来是目前氢能研究的重要课题。
以生物材质(以C计)与水蒸气反应制取H2是一种低耗能、高效率的制H2方法。该方法由气化炉制造H2和燃烧炉再生CaO两步构成。气化炉中涉及的反应为
Ⅰ．C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g) K1；
Ⅱ．CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) K2；
Ⅲ．CaO(s)＋CO2(g) CaCO3(s) K3。
该工艺制H2总反应可表示为C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s) CaCO3(s)＋2H2(g)，用K1、K2、K3的代数式表示此反应的平衡常数K 。
(2)在化学平衡体系中，各气体物质的分压(分压＝总压×该气体的体积分数或物质的量分数)代替浓度，计算的平衡常数叫做压强平衡常数。单位与表达式有关。
如反应aA(g)＋b(B)gcC(g)＋dD(g)，p(A)＝×p总，Kp＝。
对于在恒压容器中进行的反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，若起始投料为1 mol N2、3 mol H2，转化率为50%，压强平衡常数Kp是多少？(大气压为p0) 。
6．一定条件下，反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g) ΔH>0，达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A．压强：p1>p2
B．b、c两点对应的平衡常数：Kc>Kb
C．a点：2v正(NH3)＝3v逆(H2)
D．a点：NH3的转化率为
7． 一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g)CH2==CH2(g)＋4H2O(g)；已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图，下列说法不正确的是( )
A．该反应的逆反应为吸热反应
B．平衡常数：KM>KN
C．生成乙烯的速率：v(N)一定大于v(M)
8． Ⅰ.氮的固定是几百年来科学家一直研究的课题。
(1)下表列举了不同温度下大气固氮和工业固氮的部分化学平衡常数K的值。
反应 大气固氮N2(g)＋O2(g) ??2NO(g) 工业固氮N2(g)＋3H2(g) ??2NH3(g)
温度/ ℃ 27 2 000 25 400 450
平衡常数K 3.84×10－31 0.1 5×108 0.507 0.152
①分析数据可知：大气固氮反应属于_______(填“吸热”或“放热”)反应。
②分析数据可知：人类不适合大规模模拟大气固氮的原因：
_________________________________________________。
(2)工业固氮反应中，在其他条件相同时，分别测定N2的平衡转化率在不同压强(p1、p2)下随温度变化的曲线，如图所示的图示中，正确的是________(填“A”或“B”)；比较p1、p2的大小关系：____________________________。
Ⅱ.目前工业合成氨的原理是N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。
(3)在一定温度下，将1 mol N2和3 mol H2混合置于体积不变的密闭容器中发生反应，达到平衡状态时，测得气体总物质的量为2.8 mol。
①达平衡时，H2的转化率α＝__________。
②已知平衡时，容器压强为8 MPa，则平衡常数Kp＝____________________(用平衡分压代替浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
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