2.2 第3课时 化学平衡常数 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第一册

2.2 第3课时　化学平衡常数
【学习目标】
1.知道化学平衡常数的含义,能书写平衡常数表达式,并能进行相应的简单计算。
2.了解平衡转化率的含义,能够进行有关平衡转化率的计算。
3.能根据一定条件下可逆反应的平衡常数和转化率描述反应的限度,认识平衡转化率对调控化工生产的重要意义。
【合作探究】
任务1　化学平衡常数及其应用
【学习情境】
我们知道,在一定条件下进行的可逆反应存在化学平衡状态。那么,当达到平衡状态时,究竟有多少反应物转化成了生成物,平衡体系中各物质的浓度之间是否有一定关系 能否从定量的角度研究可逆反应是否达到平衡状态呢
【新知生成】
1.浓度商及表达式
在任意时刻,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值,称为浓度商,常用Q表示。
对于基元反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)　浓度商Q=　　　
2.平衡常数及表达式
在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数(简称平衡常数),用符号K表示。
对于基元反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),K=　　　　　　　　　,式中A、B、C、D的浓度均为　　　　　的浓度。
3.意义
一定温度下,K值越大,表示反应进行得越　　　,反应物的转化率越　　　,反之亦然。
4.影响因素
(1)内因:不同的化学反应及方程式的书写形式是决定化学平衡常数的主要因素。
(2)外因:在化学方程式一定的情况下,K只受　　　　影响,与反应物或生成物的起始浓度无关。
【答案】1.　2.　平衡时
3.完全　高　4.(2)温度
【核心突破】
典例1　下列关于化学平衡常数的说法正确的是(　　)
A.在任何条件下,化学平衡常数都是一个定值
B.由化学平衡常数K可以推断一个可逆反应进行的限度
C.化学平衡常数K与温度、反应物浓度、体系的压强都有关
D.当改变反应物的浓度时,化学平衡常数一定会发生改变
【解析】化学平衡常数只受温度影响,同一反应温度不同,平衡常数不同,A项错误;化学平衡常数越大,说明可逆反应正向进行的程度越大,B项正确;化学平衡常数只受温度影响,与浓度、压强无关,C、D两项错误。
【答案】B
典例2　写出下表中各反应的平衡常数表达式,总结书写平衡常数表达式的注意事项。
序号 化学方程式 平衡常数表达式
① 2NO2N2O4
② NO2N2O4
③ 2Fe3++Fe3Fe2+
④ Br2+H2OH++Br-+HBrO
　　【答案】①K=　②K=　③K=　④K=
书写平衡常数表达式的注意事项:固体、纯液体、水溶液中水的浓度可视为定值,其浓度不列入平衡常数表达式中。
典例3　已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的平衡常数为K1,N2(g)+H2(g)NH3(g)的平衡常数为K2,NH3(g)N2(g)+H2(g)的平衡常数为K3,试写出下列关系式。
K1和K2的关系式:　　　　　　;K2和K3的关系式:　　　　　　;K1和K3的关系式:　　　　　　。
【答案】K1=　K2·K3=1　K1·=1
典例4　甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的平衡常数如表所示。
化学反应 平衡 常数 温度/℃
500 800
①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) K1 2.5 0.15
②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) K2 1.0 2.50
③3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g) K3
　　则K3=　　　　(用K1、K2表示)。
【答案】K1·K2
归纳总结：化学平衡常数表达式书写注意事项
(1)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。
(2)固体和纯液体物质的浓度视为常数,通常不写入平衡常数表达式中,但水蒸气需写入。
(3)在相同温度下,对于给定的可逆反应,正、逆反应的平衡常数互为倒数,即K正=。
(4)若化学方程式中各物质的化学计量数都变成n倍或倍,则化学平衡常数变为原来的n次方或次方。
(5)两方程式相加得总方程式,则总方程式的平衡常数等于两方程式平衡常数的乘积,即K总=K1·K2。
(6)两方程式相减得总方程式,则总方程式的平衡常数等于两方程式平衡常数的商,即K总=。
训练1　某温度下发生反应2C2H2(g)+5O2(g)4CO2(g)+2H2O(g)　ΔH=-2599kJ·mol-1,下列描述不正确的是(　　)
A.该反应是放热反应
B.增大c(O2),K增大
C.K值越大,反应进行得越完全
D.K=
【解析】由热化学方程式可知,ΔH<0,则正反应为放热反应,A项正确;平衡常数只受温度的影响,与浓度的改变无关,B项错误;根据平衡常数表达式判断,C项正确;K=,D项正确。
【答案】B
任务2　化学平衡常数、转化率的有关计算
【新知生成】
平衡转化率
(1)表达式
某一反应物的平衡转化率=　。
(2)意义:平衡转化率越大,反应越　　　　。
【答案】(1)×100%　(2)完全
【核心突破】
典例5　N2O5是一种新型硝化剂,在一定温度下可以发生反应:2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)　ΔH>0。T1时,向密闭容器中通入N2O5,部分实验数据见表:
时间/s 0 500 1000 1500
c(N2O5)/(mol·L-1) 5.00 3.52 2.50 2.50
下列说法不正确的是(　　)
A.500 s内,N2O5的分解速率为2.96×10-3 mol·L-1·s-1
B.T1温度下的平衡常数K1=125
C.平衡时N2O5的转化率为60%
D.T1时,4NO2(g)+O2(g)2N2O5(g)的平衡常数为
【解析】A项,500 s内,N2O5的浓度变化量为(5.00-3.52)mol·L-1=1.48mol·L-1,v(N2O5)==2.96×10-3 mol·L-1·s-1;B、C两项,分析如下:
　　　　　 　　　　　2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)
起始浓度/(mol·L-1)　 5.00　　　 　 　0　　　　 　0
转化浓度/(mol·L-1)　 2.50　　　 　5.00　　　 　1.25
平衡浓度/(mol·L-1)　 2.50　　　 　5.00　　　 　1.25
K1===125。
平衡时N2O5的转化率为50%。
【答案】C
典例6　一定温度下,将2 mol A和2 mol B两种气体混合通入体积为2 L的密闭刚性容器中,发生反应3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g),2 min末反应达到平衡,生成0.8 mol D,并测得C的物质的量浓度为0.4 mol·L-1,下列说法正确的是(　　)
A.此温度下该反应的平衡常数K等于0.5
B.A的平衡转化率为40%
C.x的值为1
D.A和B的平衡转化率相等
【解析】列三段式:
　　　　　　　　3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g)
开始/(mol·L-1) 　1 1 0 0
转化/(mol·L-1) 0.6 0.2 0.2x 0.4
平衡/(mol·L-1) 0.4 0.8 0.2x 0.4
0.2x=0.4　x=2,C项错误;
K===0.5,A项正确;A的平衡转化率= ×100%=60%,B的平衡转化率为×100%=20%,B、D两项错误。
【答案】A
归纳总结：计算模式——“三段式”法
如mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为a mol·L-1、b mol·L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mx mol·L-1。
则K=;α(A)平=×100%。
注意:各物质转化浓度之比等于它们在化学方程式中的化学计量数之比。转化浓度是联系化学方程式、平衡浓度、起始浓度、转化率、化学反应速率的桥梁。因此抓住转化浓度是解题的关键。
训练2　已知可逆反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),K为平衡常数,只与温度有关,与浓度无关。
(1)830K时,若起始浓度:CO为1 mol·L-1,H2O为1.5 mol·L-1,平衡时CO转化率为60%,则H2O的转化率为　　　　;K值为　　　　。
(2)830K时,若起始浓度CO为1 mol·L-1,H2O为3 mol·L-1,平衡时H2O的转化率为　　　　。
【解析】(1) 　　　CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
起始浓度/(mol·L-1) 1 1.5 0 0
转化浓度/(mol·L-1) 0.6 0.6 0.6 0.6
平衡浓度/(mol·L-1) 0.4 0.9 0.6 0.6
α(H2O)=×100%=40%
K===1
(2)设H2O(g)的转化浓度为x mol·L-1,则
　　　　　　　　　　CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
起始浓度/(mol·L-1) 　1 3 0 0
转化浓度/(mol·L-1) x x x x
平衡浓度/(mol·L-1) 1-x 3-x x x
=1
x=0.75
α(H2O)=×100%=25%
【答案】(1)40%　1　(2)25%
训练3　在一定温度下,将物质的量浓度均为2 mol·L-1的SO2(g)和NO2(g)通入一密闭容器中,发生反应SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g),当达到平衡状态时,测得容器中SO2(g)的转化率为50%,回答下列问题:
(1)此温度下反应的平衡常数为　　　　。
(2)此温度下,若SO2(g)的初始浓度增大到3 mol·L-1,NO2(g)的初始浓度仍为2 mol·L-1,达到化学平衡状态时,计算下列各物质的浓度及SO2和NO2的平衡转化率。
①c(SO3)=　　　 mol·L-1,c(SO2)=　　　mol·L-1。
②SO2的转化率为　　　　,NO2的转化率为　　　　。
【解析】(1)　 　SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)
初始浓度/(mol·L-1) 　2 　2 　0 　0
转化浓度/(mol·L-1) 　1 　1 　1 　1
平衡浓度/(mol·L-1) 　1 　1 　1 　1
K===1。
(2)设达平衡时NO的浓度为y mol·L-1
因为温度不变,平衡常数不变,则K==1,y=1.2。
①平衡浓度:c(SO3)=1.2 mol·L-1,c(SO2)=3 mol·L-1-1.2 mol·L-1=1.8 mol·L-1。
②SO2的转化率α(SO2)=×100%=40%;NO2的转化率α(NO2)=×100%=60%。
【答案】(1)1　(2)①1.2　1.8　②40%　60%
课堂小结
【随堂检测】
1.下列关于化学平衡常数的叙述正确的是(　　)
A.化学平衡常数表示反应进行的程度,与温度无关
B.两种物质反应,不管怎样书写化学方程式,平衡常数均不变
C.化学平衡常数等于任一时刻生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值
D.化学平衡常数不仅与反应的温度有关,还与反应本身有关
【答案】D
2.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不发生变化
D.增加C(s)的量,平衡常数K发生变化
【解析】固体浓度为常数,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;升温时K变化,C项错误;增加C(s)的量,K不变,D项错误。
【答案】B
3.下列关于反应CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)　ΔH=-206.3 kJ·mol-1说法正确的是(　　)
A.该反应的ΔS<0
B.4E(C—H)+2E(H—O)C.其他条件不变时,减小压强,的数值保持不变
D.当v(H2O)正=3v(H2)逆时,反应处于平衡状态
【解析】该反应是一个反应前后气体体积增大的反应,故ΔS>0,A项错误;ΔH=反应物的键能之和-生成物的键能之和,因ΔH<0,故4E(C—H)+2E(H—O)【答案】B
4.氨是最重要的氮肥原料,是产量最大的化工产品之一,其合成原理为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4kJ·mol-1。
(1)此反应平衡常数的表达式为K=　　　　。
(2)如果降低温度,该反应的正反应速率会　　　　(填“增大”、“减小”或“不变”,下同),逆反应速率会　　　　;若此时正反应速率>逆反应速率,平衡会向　　　　(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。
(3)某温度下,若把10 mol N2与30 mol H2置于体积为10 L的密闭容器内,在一定条件下反应达到平衡状态时,测得平衡混合气体中氨的体积分数为20%,则该温度下反应的平衡常数K=　　　　(可用分数表示)。
【答案】(1)　(2)减小　减小　正反应　(3)
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