第2章 第2节 第1课时 化学平衡常数 学案（含答案）-高中化学鲁科版选择性必修1

第2节　化学反应的限度
第1课时　化学平衡常数
[学习目标]　1.理解化学平衡状态及其特征。2.会判断化学反应是否达到平衡状态。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的联系。
[重点难点]　1.化学平衡状态的判断依据。2.化学平衡常数的应用。
化学平衡状态及其判断
导学
1．化学平衡状态
在一定条件下可逆反应进行到一定程度时，反应物和反应产物的组成(浓度、百分含量)不再随时间的延续而变化，正反应速率和逆反应速率相等的状态。
2．化学平衡状态的特征
3．化学平衡状态的判断
(1)简单判据
①“等”
正反应速率与逆反应速率相等，即v正＝v逆。
a．同一种物质：该物质的生成速率等于它的消耗速率。
b．不同的物质：速率之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。
②“定”
反应体系中各组成成分的质量、物质的量、浓度百分含量(质量分数、物质的量分数、气体的体积分数等)保持恒定不变。
(1)本判据关于各组成成分的判断不适用于总质量、总物质的量、气体总体积等。
(2)本判据的核心为恒定不变，如2A(g)＋B(g)??3C(g)，c(A)∶c(B)∶c(C)＝2∶1∶3，并未体现出恒定不变，因此不能作为化学平衡状态的判据。
(2)“复杂”判据——“变量不变”时即为平衡
当反应过程中变化的量不再改变时，化学反应达到平衡状态，即反应前后始终不变的量不能作为判据。
在恒温恒容条件下，下列三个可逆反应的某些“量”不再随时间改变时，判断是否一定达到了平衡状态。
N2(g)＋3H2(g) 2NH3 H2(g)＋I2(g) ??2HI(g) C(s)＋CO2(g) ??2CO(g)
①混合气体的总质量m总 不一定 不一定 是
②混合气体的总物质的量n总 是 不一定 是
③混合气体的密度ρ 不一定 不一定 是
④体系的压强p 是 不一定 是
⑤混合气体的平均摩尔质量 是 不一定 是
⑥混合气体的颜色 是
导思
1．判断正误
(1)可逆反应平衡状态的建立可以加入反应物从正反应方向开始，也可以加入反应产物从逆反应方向开始(　　)
(2)在化学平衡建立过程中，v正一定大于v逆(　　)
(3)化学平衡状态是一定条件下可逆反应进行到最大限度的结果(　　)
(4)化学反应达到化学平衡状态后反应物和反应产物的浓度相等(　　)
(5)化学反应达到化学平衡状态后，反应混合物中各组分的浓度一定与化学方程式中对应物质的化学计量数成比例(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×
2．在恒温恒容的密闭容器中，当下列物理量不再发生变化时：①混合气体的压强，②混合气体的密度，③混合气体的总物质的量，④混合气体的平均相对分子质量，⑤混合气体的颜色，⑥各反应物或反应产物的反应速率之比都等于化学计量数之比。
(1)一定能证明2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)达到平衡状态的是________(填序号，下同)。
(2)一定能证明I2(g)＋H2(g)??2HI(g)达到平衡状态的是________。
(3)一定能证明A(s)＋2B(g)??C(g)＋D(g)达到平衡状态的是________。
答案　(1)①③④　(2)⑤　(3)②④
解析　混合气体的密度是混合气体的总质量与容器容积的比值，混合气体的平均相对分子质量是混合气体的总质量与总物质的量的比值，混合气体颜色的深浅与有色气体的浓度有关系。在任何时刻各反应物或反应产物的反应速率之比都等于化学计量数之比。
(1)反应2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)是反应前后气体体积减小的可逆反应，因此混合气体的压强、总物质的量和平均相对分子质量不变均可以说明反应达到平衡状态。
(2)反应I2(g)＋H2(g)??2HI(g)是反应前后气体体积不变的可逆反应，由于碘蒸气是有色气体，则混合气体的颜色不变可以说明反应达到平衡状态。
(3)反应A(s)＋2B(g)??C(g)＋D(g)是反应前后气体体积不变，但气体质量增加的可逆反应，因此混合气体的密度、混合气体的平均相对分子质量不变可以说明反应达到平衡状态。
导练
一定温度下，在2 L的恒容密闭容器内发生的反应中，M、N的物质的量随反应时间变化的曲线如图所示。
请回答下列问题：
(1)该反应的化学方程式为________________________________________________________。
(2)在t2时刻存在的等量关系是__________，此时反应是否达到化学平衡状态？________(填“是”或“否”)。
(3)在t3时刻v正________(填“＞”“＜”或“＝”)v逆，理由是_______________________。
答案　(1)2N??M
(2)n(M)＝n(N)　否
(3)＝　M和N的物质的量不再发生变化，反应已达到平衡状态，故v正＝v逆
解析　(1)当N减少4 mol时，M增加2 mol，所以化学方程式为2N??M。(2)t2时刻，n(M)＝n(N)＝4 mol，t2时刻后，N物质的量继续减小，M物质的量继续增加，故此时反应仍未达到平衡。(3)t3时刻，M和N的物质的量均不再发生变化，所以反应已达到平衡状态。
　　　　　　　化学平衡常数
导学
1．化学平衡常数是定量描述化学反应限度的物理量。
2．表达式
对于一般的可逆反应：mA(g)＋nB(g)??pC(g)＋qD(g)，K＝。温度一定时，K为常数，称为化学平衡常数，简称平衡常数。
注意　化学平衡常数表达式中各物质的浓度必须是平衡时的浓度，且纯固体、纯液体不列入平衡常数表达式中。
3．书写方法
(1)H2(g)＋I2(g)??2HI(g)，
K＝。
(2)C(s)＋H2O(g)??CO(g)＋H2(g)，
K＝。
(3)FeO(s)＋CO(g)??Fe(s)＋CO2(g)，
K＝。
(4)Cl2(aq)＋H2O(l)??H＋(aq)＋Cl－(aq)＋HClO(aq)，
K＝。
4．影响因素
K只受温度影响，与反应物或反应产物的浓度变化无关。
5．意义及应用
(1)判断可逆反应进行的程度
平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度(即反应限度)。
K值 <10－5 10－5～105 >105
反应程度 很难进行 可逆 进行得较完全
(2)判断可逆反应是否达到化学平衡状态及反应进行的方向
对于可逆反应mA(g)＋nB(g)??pC(g)＋qD(g)，在一定温度下的任意状态，反应物与反应产物的浓度有如下关系：
浓度商Q＝，
Q
导思
1．判断正误
(1)对于可逆反应，平衡常数就是反应产物的总浓度与反应物总浓度的比值(　　)
(2)K值越大，表明可逆反应正向进行的程度越大(　　)
(3)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度(　　)
(4)化学方程式中的固态或纯液态物质不能代入平衡常数表达式(　　)
(5)平衡常数是个比值，因而它没有单位(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×
2．写出下列反应的化学平衡常数表达式及单位，并回答下列问题。
(1)①N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)
K1＝，单位：(mol·L－1)－2或mol－2·L2。
②N2(g)＋H2(g)??NH3(g)
K2＝，单位：(mol·L－1)－1或mol－1·L。
③2NH3(g)??N2(g)＋3H2(g)
K3＝，单位：(mol·L－1)2或mol2·L－2。
(2)书写化学平衡常数表达式时应注意哪些问题？
提示　①对于有纯固体或纯液体参与的反应，纯固体或纯液体不列入化学平衡常数的表达式中；②对于某一化学反应，K的表达式不是唯一的，取决于化学方程式的系数。
(3)由化学方程式①②知，若化学方程式①的化学计量数变为原来的倍后成为化学方程式②，化学平衡常数K1、K2有何关系？
提示　K2＝。
(4)由化学方程式①③得出正向反应和逆向反应的平衡常数有何关系？
提示　互为倒数，即K1·K3＝1。
导练
在一定体积的密闭容器中进行化学反应：CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)，其化学平衡常数和温度的关系如下表所示：
T/℃ 700 800 830 1 000 1 200
K 0.6 0.9 1.0 1.7 2.6
回答下列问题：
(1)该反应的化学平衡常数表达式为K＝__________________________。
(2)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________℃。
(3)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)＝2 mol·L－1，c(H2)＝1.5 mol·L－1，c(CO)＝1 mol·L－1，c(H2O)＝3 mol·L－1，则反应________(填“正向”或“逆向”)进行。
答案　(1)　(2)830　(3)逆向
解析　(2)当c平(CO2)·c平(H2)＝c平(CO)·c平(H2O)时，即K＝1，对应表中温度为830 ℃。
(3)Q＝＝＝1>0.9，Q>K，反应逆向进行。
化学平衡常数与化学方程式的关系
(1)对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常数互为倒数；化学方程式的系数变为原来的n倍，平衡常数变为原来的n次方。
(2)化学方程式相加，平衡常数相乘，化学方程式相减，平衡常数相除。
1．一定温度下，在一容积不变的密闭容器中发生可逆反应：2X(g)??Y(g)＋Z(s)，以下不能说明该反应达到化学平衡状态的是(　　)
A．混合气体的密度不再变化
B．反应容器中Y的质量分数不变
C．X的分解速率与Y的消耗速率相等
D．单位时间内生成1 mol Y的同时消耗2 mol X
答案　CD
解析　X的分解速率与Y的消耗速率之比为2∶1时，才能说明反应达到平衡状态，故C项说明反应未达到平衡状态。
2．已知在一定温度下，下列各反应的焓变和平衡常数如下：
①C(s)＋CO2(g)??2CO(g)　ΔH1　K1
②CO(g)＋H2O(g)??H2(g)＋CO2(g)　ΔH2　K2
③C(s)＋H2O(g)??CO(g)＋H2(g)　ΔH3　K3
则ΔH1、ΔH2、ΔH3三者关系为ΔH3＝__________________________________________，
K1、K2、K3三者关系为K3＝________。
答案　ΔH1＋ΔH2　K1·K2
解析　化学方程式如果相加(或减)，则总热化学方程式的焓变应为两热化学方程式的焓变之和(或差)，而平衡常数则为两方程式平衡常数的乘积(或商)。