第二节 化学平衡
第1课时 化学平衡状态 化学平衡常数
课后·训练提升
基础巩固
1.在一定条件下,某密闭容器中发生可逆反应2X(g)+2Y(g)3Z(g)+2W(g),X、Y的初始浓度分别为
2.5 mol·L-1和2.0 mol·L-1,达到平衡后,下列各生成物的浓度数据中肯定错误的是 ( )。
A.c(Z)=1.5 mol·L-1
B.c(Z)=2.4 mol·L-1
C.c(W)=1.6 mol·L-1
D.c(W)=2.0 mol·L-1
答案:D
解析:可逆反应中,反应物不可能完全转化。因为反应中X、Y按物质的量之比1∶1反应,所以X过量,若Y完全反应,则c(Z)=3.0 mol·L-1,c(W)=2.0 mol·L-1。但Y不可能完全反应,所以02.对可逆反应4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g),下列叙述正确的是( )。
A.达到化学平衡时,4v正(O2)=5v逆(NO)
B.若单位时间内生成x mol NO的同时消耗x mol NH3,则反应达到平衡状态
C.达到化学平衡时,若增大容器容积,则正反应速率减小,逆反应速率增大
D.化学反应速率的关系是2v正(NH3)=3v正(H2O)
答案:A
解析:根据用不同物质表示同一反应速率时的关系可知,v逆(O2)∶v逆(NO)=5∶4,v逆(NO)=v逆(O2),代入A项中表达式知v正(O2)=v逆(O2),A项正确;NO的生成与NH3的消耗同时表示正反应速率,B项不正确;达到平衡时,增大容器容积,反应物、生成物浓度同时减小,正、逆反应速率同时减小,C项不正确;在反应的任意状态总有v正(NH3)∶v正(H2O)=4∶6,即3v正(NH3)=2v正(H2O),D项不正确。
3.工业上常用煤和水作原料经过多步反应制得氢气,其中一步反应的原理为CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),下列能说明反应达到平衡状态的是( )。
A.恒温恒容条件下,混合气体的压强不再发生变化
B.两个H—O断裂的同时有两个CO断裂
C.在恒容密闭容器中,气体密度不再发生变化
D.混合气体的平均摩尔质量不再发生变化
答案:B
解析:该反应是一个反应前后气体物质的量不变的反应,恒温恒容条件下,混合气体的压强不变,无法说明反应达到平衡状态,A项错误;两个H—O断裂表示的是正反应速率,两个CO断裂表示的是逆反应速率,正、逆反应速率相等,说明反应达到平衡状态,B项正确;在恒容密闭容器中,混合气体的质量和体积始终不变,则混合气体的密度始终不变,所以反应容器内的气体密度不再发生变化不能说明反应达到平衡状态,C项错误;该反应是反应前后气体的物质的量不变的可逆反应,根据可知,混合气体的平均摩尔质量始终不发生变化,所以混合气体的平均摩尔质量不变不能说明反应达到平衡状态,D项错误。
4.生产硫酸的工艺流程中,反应之一是2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-190 kJ·mol-1。下列描述中能说明上述反应已达到平衡状态的是( )。
A.v正(O2)=2v逆(SO3)
B.容器中气体的平均摩尔质量不随时间而变化
C.如果容器容积是固定的,那么混合气体的密度不随时间而变化
D.单位时间内生成n mol SO3的同时生成n mol O2
答案:B
解析:达到化学平衡状态的标志:正反应速率等于逆反应速率。v正(O2)=2v逆(SO3)时,正、逆反应速率不相等,A项错误;容器中气体的平均摩尔质量不随时间而变化,说明平衡混合物中各组分含量不变,反应达到平衡状态,B项正确;气体的密度=,根据质量守恒定律,反应过程中气体的总质量不变,容器容积不变,气体的密度不会发生变化,故容器中气体的密度不随时间而变化,不能说明反应达到平衡,C项错误;生成n mol SO3的同时生成n mol O2,正、逆反应速率不相等,反应没有达到平衡状态,D项错误。
5.在一定温度下,反应H2(g)+X2(g)HX(g)的平衡常数为10。若将1.0 mol的HX(g)通入容积为1.0 L的密闭容器中,在该温度时HX(g)的最大分解率接近于( )。
A.5% B.17%
C.25% D.33%
答案:B
解析:相同温度下,反应H2(g)+X2(g)HX(g)的平衡常数为10,则HX(g)H2(g)+X2(g)的平衡常数为。设达到平衡时氢气的浓度为x mol·L-1。
HX(g) H2(g)+ X2(g)
c始/(mol·L-1) 1 0 0
c变/(mol·L-1) 2x x x
c平/(mol·L-1) 1-2x x x
,x=,
得出HX的分解率为≈17%。
6.已知下列反应的平衡常数:
H2(g)+S(s)H2S(g) K1
S(s)+O2(g)SO2(g) K2
则反应H2(g)+SO2(g)O2(g)+H2S(g)的平衡常数为( )。
A.K1+K2 B.K1-K2
C.K1K2 D.
答案:D
解析:由平衡常数的定义可知:K1=,K2=,反应H2+SO2O2+H2S的平衡常数K=,可知K=。
7.某温度下,反应SO2(g)+O2(g)SO3(g)的平衡常数K1=50,在同一温度下,反应2SO3(g)2SO2(g)+O2(g)的平衡常数K2的值为( )。
A.2 500 B.100
C.4×10-4 D.2×10-2
答案:C
解析:K2===4×10-4。
8.在一个绝热的恒容密闭容器中通入CO(g)和H2O(g),一定条件下使反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)达到平衡状态,正反应速率随时间变化的示意图如图所示。由图可得出的结论正确的有( )。
①反应物浓度:A点小于C点
②反应物的总能量高于生成物的总能量
③反应过程中压强始终不变
④Δt1=Δt2时,H2的产率:AB段小于BC段
⑤C点时反应进行的程度最大
A.1项 B.2项
C.3项 D.4项
答案:B
解析:A点到C点正反应速率增大,反应物浓度随时间不断减小,所以反应物浓度:A点大于C点,故①错误;A点到C点正反应速率增大,之后正反应速率减小,说明反应刚开始时温度升高对正反应速率的影响大于浓度减小对正反应速率的影响,说明该反应为放热反应,反应物的总能量高于生成物的总能量,故②正确;该反应为气体体积不变的反应,该容器为绝热容器,温度升高,压强增大,故③错误;随着反应的进行,正反应速率增大,氢气的产率也逐渐增大,Δt1=Δt2时,H2的产率:AB段小于BC段,故④正确;化学平衡状态的标志是各物质的浓度不再改变,其实质是正反应速率等于逆反应速率,C点对应的正反应速率显然还在改变,反应一定未达平衡,故⑤错误。
9.一定温度下,在容积为y L的密闭容器中进行反应:aN(g)bM(g),M、N的物质的量随时间的变化曲线如图所示:
(1)此反应的化学方程式中= 。
(2)t1到t2时刻,以M的浓度变化表示的平均反应速率为 。
(3)下列叙述中能说明上述反应已达到平衡状态的是 。
A.反应中M与N的物质的量之比为1∶1
B.混合气体的总质量不随时间的变化而变化
C.混合气体的总物质的量不随时间的变化而变化
D.单位时间内每消耗a mol N,同时生成b mol M
答案:(1)2 (2) mol·L-1·min-1 (3)C
解析:(1)=2。
(2)v(M)== mol·L-1·min-1。
(3)该反应反应前后气体体积发生改变,因此混合气体的总物质的量会发生改变,当混合气体的总物质的量不变时反应达到平衡状态。
10.现有反应PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g),523 K时,将10 mol PCl5注入容积为2 L的密闭容器中,平衡时压强为原来的1.5倍。
(1)该温度下该反应的平衡常数K为 ;
(2)PCl5的平衡转化率为 。
答案:(1)2.5 (2)50%
解析:设达到平衡时PCl5的转化浓度为x mol·L-1,则
PCl5(g) PCl3(g)+ Cl2(g)
起始浓度/(mol·L-1) 5 0 0
变化浓度/(mol·L-1) x x x
平衡浓度/(mol·L-1) 5-x x x
由题意可知,=1.5,解得x=2.5。K==2.5;
PCl5的平衡转化率为×100%=50%。
能力提升
1.将固体NH4I置于密闭容器中,在一定温度下发生下列反应:
①NH4I(s)NH3(g)+HI(g)
②2HI(g)H2(g)+I2(g)
达到平衡时,c(H2)=0.5 mol·L-1,c(HI)=4 mol·L-1,则此温度下,反应①的平衡常数为( )。
A.9 B.16
C.20 D.25
答案:C
解析:平衡时,c(H2)=0.5 mol·L-1,则②中HI的变化浓度为1 mol·L-1,而此时c(HI)=4 mol·L-1,所以①反应生成了c(HI)=(1+4)mol·L-1=5 mol·L-1,且生成的NH3和HI的浓度相等,故反应①的平衡常数为c(NH3)·c(HI)=5×4=20。
2.已知某化学反应的平衡常数表达式为K=,在不同的温度下该反应的平衡常数如表所示:
t/℃ 700 800 830 1 000 1 200
K 1.67 1.11 1.00 0.60 0.38
下列有关叙述不正确的是( )。
A.该反应的化学方程式是CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
B.温度越高,反应进行的程度越小
C.若在1 L的密闭容器中通入CO2和H2各1 mol,5 min后温度升高到830 ℃,此时测得CO为0.4 mol,则该反应达到平衡状态
D.若平衡浓度符合下列关系式:,则此时的温度为1 000 ℃
答案:C
解析:平衡常数的表达式中,分子中的物质是生成物,分母中的物质是反应物,A项正确;由表中数据可知该反应的平衡常数随着温度的升高而减小,B项正确;利用化学方程式确定各种物质的物质的量,代入平衡常数表达式可知该反应没有达到平衡,C项不正确;将所给关系式进行变形,可知该条件下平衡常数为0.60,D项正确。
3.在恒温条件下,向盛有食盐的2 L恒容密闭容器中加入0.2 mol NO2、0.2 mol NO和0.1 mol Cl2,发生两个反应:
①2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+NOCl(g) ΔH1<0 K1 ②2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g) ΔH2<0 K2 10 min时反应达到平衡,测得容器内体系的压强减少20%,10 min内用NOCl(g)表示的平均反应速率v(NOCl)=7.5×10-3 mol·L-1·min-1。下列说法不正确的是( )。
A.反应4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)的平衡常数为
B.平衡后c(Cl2)=2.5×10-2 mol·L-1
C.其他条件保持不变,反应在恒压条件下进行,则平衡常数K2增大
D.平衡时NO2的转化率为50%
答案:C
解析:4NO2(g)+2NaCl(s)2NaNO3(s)+2NO(g)+Cl2(g)可由反应①×2-②得到,根据平衡常数计算规律可得此反应平衡常数为,A项正确;10 min 时反应达到平衡,测得容器内体系的压强减少20%,则平衡时混合气体总物质的量为(0.2+0.2+0.1) mol×(1-20%)=0.4 mol,10 min内用NOCl(g)表示的平均反应速率v(NOCl)=7.5×10-3 mol·L-1·min-1,则平衡时n(NOCl)=7.5×10-3 mol·L-1·min-1×10 min×2 L=0.15 mol,设达到平衡时反应①中消耗的NO2为x mol,反应②中消耗的Cl2为y mol,根据方程式①和②可得,反应①中生成的NOCl(g)为0.5x mol,反应②中消耗的NO(g)为2y mol,生成的NOCl(g)为2y mol。根据已知信息可列方程
解得x=0.1,y=0.05,
故平衡后c(Cl2)==2.5×10-2 mol·L-1,B项正确;平衡常数只受温度影响,其他条件保持不变,反应在恒压条件下进行,平衡常数K2不变,C项错误;平衡时NO2转化0.1 mol,故转化率为50%,D项正确。
4.(1)活性炭还原NO2的反应为2NO2(g)+2C(s)N2(g)+2CO2(g),在恒温条件下,1 mol NO2和足量活性炭发生该反应,测得平衡时NO2和CO2的物质的量浓度与平衡总压的关系如图所示:
①A、B、C三点中NO2的转化率最高的是 (填“A”“B”或“C”)点。
②计算C点时该反应的压强平衡常数Kp= (Kp是用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(2)以CO作还原剂与磷石膏反应,不同反应温度下可得到不同的产物。向盛有CaSO4的真空恒容密闭容器中充入CO,反应体系起始总压强为0.1a MPa,不同温度下反应后所得固体成分的物质的量如图所示。在低于800 ℃时主要反应的化学方程式为 ;1 150 ℃下,反应CaSO4+COCaO+CO2+SO2达到平衡时,c平衡(SO2)=8.0×10-5mol·L-1,CO的转化率为80%,则
c初始(CO)= mol·L-1,该反应的压强平衡常数Kp= (用含a的代数式表示;用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数;忽略副反应)。
答案:(1)①A ②4 (2)CaSO4+4COCaS+4CO2 1.0×10-4 0.32a
解析:(1)①增大压强,平衡左移,NO2的转化率减小,所以A点NO2的转化率最高。
②设C点时NO2的浓度为x mol·L-1,则CO2的浓度也为x mol·L-1
2NO2(g)+2C(s)N2(g) + 2CO2(g)
x mol·L-1 x mol·L-1 x mol·L-1
p(NO2)=20 MPa×=8 MPa,
p(N2)=20 MPa×=4 MPa,
p(CO2)=20 MPa×=8 MPa,
Kp==4。
(2)在低于800 ℃时,固体产物为CaS,
所以此时反应的化学方程式为CaSO4+4COCaS+4CO2
c初始(CO)==1.0×10-4 mol·L-1
CaSO4+ CO CaO +CO2 +SO2
平衡(mol·L-1) 2.0×10-5 8.0×10-5 8.0×10-5
平衡时总压强:0.1a MPa×=0.18a MPa
p(CO2)=p(SO2)=0.18a MPa×=0.08a MPa
p(CO)=0.18a MPa×=0.02a MPa
Kp==0.32a。
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第1课时 化学平衡状态 化学平衡常数
目 标 素 养
1.能描述化学平衡的建立过程及化学平衡状态的特征。
2.知道化学平衡常数的含义;能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算,能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及反应进行的方向。
3.能认知平衡图像及应用。
4.能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化,能讨论化学反应条件的选择和优化。
知 识 概 览
一、化学平衡状态
1.建立过程。
很多化学反应是可逆的。一定条件下,对于可逆反应,可以从 正反应 方向开始建立化学平衡状态,可以从 逆反应 方向开始建立化学平衡状态,也可以从正、逆反应双向建立化学平衡状态。
2.定义。
在一定条件下的可逆反应体系中,当正、逆反应的速率
相等 时,反应物和生成物的 浓度 均保持不变,即体系的组成不随时间而改变,反应中物质的转化达到了 “限度” 。
3.五大特征。
微判断1 (1)一定条件下,可逆反应正向进行才能达到平衡状态。( )
(2)可逆反应达到平衡状态时,反应体系中各组分的浓度相等。
( )
(3)合成氨反应在一定条件下进行,当v正(N2)=v逆(H2)时反应达到平衡状态。( )
(4)在一定温度下进行反应2NO2(g,红棕色) N2O4(g,无色),当颜色不变时说明反应达到平衡状态。( )
×
×
×
√
(5)在已达到平衡的可逆反应:2SO2+O2 2SO3中,充入18O2一段时间后,18O只存在于SO2和SO3中。( )
×
二、化学平衡常数
1.对于可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),在任意时刻的
称为浓度商,符号为 Q ;在一定温度下达到平衡时刻的 称为化学平衡常数,符号为 K 。
2.化学平衡常数是表明化学反应 限度 的一个特征值,通常只受 温度 影响。当 Q=K 时,可逆反应达到限度,即达到 化学平衡状态 。
3.通常,K越大,说明平衡体系中生成物所占的比例 越大 ,正反应进行的程度 越大 ,即该反应进行得越 完全 ,平衡时反应物的转化率越 大 ;反之,K越小,该反应进行得越不完全,平衡时反应物的转化率越 小 。一般来说,当 K>105 时,该反应就进行得基本完全了。
提示:K1·K2=1。
微判断2 (1)对于一个可逆反应,平衡正向移动时,平衡常数增大。( )
(2)平衡常数的大小只与温度有关,而与浓度、压强、催化剂等无关。( )
(4)增大生成物浓度,平衡常数增大;增大反应物浓度,平衡常数减小。( )
×
√
×
×
(5)通常情况下,K越大,说明反应正向进行的程度越大,反应进行得越完全。( )
√
×
一、化学平衡状态判断的依据
问题探究
将一定量纯净的碳酸铵固体置于特制的密闭真空容器中(假设容器容积不变,固体试样体积忽略不计),在恒定温度下使其达到分解平衡:(NH4)2CO3 2NH3↑+CO2↑+H2O。
1.密闭容器中总压强不变,能说明该反应达到平衡状态吗
提示:能。反应正向进行则压强增大,总压强不变时,说明反应达到平衡状态。
2.密闭容器中混合气体的密度不变,能说明反应达到平衡状态吗
提示:能。恒容条件下,混合气体的密度ρ=m (气)/V (容器),反应正向进行时,m (气)增大, V (容器)不变,气体的密度增大。因此密度不变,说明 m (气)不变,反应达到平衡状态。
3.容器内NH3、CO2 和H2O分子数之比为2∶1∶1 ,能说明反应达到化学平衡状态吗
提示:不能。NH3、CO2 和H2O的分子数之比始终为2∶1∶1 。
4.混合气体的平均相对分子质量不变能说明反应达到平衡吗
提示:不能。因为混合气体中NH3、CO2 和H2O的体积比始终为 2∶1∶1,故混合气体的平均相对分子质量始终不变。
归纳总结
1.直接依据(正、逆相等)。
v正=v逆。
2.间接依据(变量不变)。
以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例进行说明。
比较项目 可能的情况举例 是否已
达平衡
混合体系
中各成分
的含量 各物质的物质的量(或物质的量分数)一定 是
各物质的质量(或质量分数)一定 是
各气体的体积(或体积分数)一定 是
总体积、总压强或总物质的量一定 不一定
比较项目 可能的情况举例 是否已达平衡
正、逆反
应速率的
关系 在单位时间内消耗了m mol A,同时生成了m mol A 是
在单位时间内消耗了n mol B,同时消耗了p mol C 是
v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q 不一定
在单位时间内生成了n mol B,同时消耗了q mol D 不一定
压强 m+n≠p+q时,总压强不变(其他条件一定) 是
m+n=p+q时,总压强不变(其他条件一定) 不一定
比较项目 可能的情况举例 是否已达平衡
混合气体的平均相对分子质量 当m+n≠p+q时, 不变 是
当m+n=p+q时, 不变 不一定
气体的密度 密度不变 不一定
颜色 反应体系内存在有色物质时,体系颜色保持不变 是
温度 绝热体系中温度不变 是
典例剖析
【例1】 有下列两个可逆反应。
反应1:在容积固定的密闭容器中进行可逆反应2NO2(g) 2NO(g)+O2(g),其中NO2是红棕色气体。
反应2:在容积固定的密闭容器中进行可逆反应H2(g)+I2(g)
2HI(g),其中I2(g)是紫色气体。
以上两个反应过程中,有下列情况:
①同一物质正反应速率等于逆反应速率。②混合气体的颜色不再改变。③混合气体的密度不再改变。④混合气体的压强不再改变。⑤混合气体的平均相对分子质量不再改变。⑥对于反应1,单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2。⑦对于反应2,用H2、I2和HI表示的反应速率之比为1∶1∶2。
(1)上述情况中能作为反应1达到平衡状态标志的是 。
(2)上述情况中能作为反应2达到平衡状态标志的是 。
答案:(1)①②④⑤⑥ (2)①②
解析:(1)对于反应2NO2(g) 2NO(g)+O2(g),当同一物质的正、逆反应速率相等,即v正=v逆时,反应处于平衡状态,①正确;混合气体的颜色不再改变时,说明c(NO2)一定,故反应处于平衡状态,②正确;气体的密度 ,其中气体的质量和容器的容积是定值,故气体的密度不变不能作为达到平衡状态的标志, ③错误;由于该反应为反应前后气体体积变化的反应,故密闭容器中的压强不变,表明反应处于平衡状态,④正确;
混合气体的相对分子质量可借助 来计算,该反应中气体的质量始终保持不变,而气体的物质的量为变量,故平均相对分子质量为变量,当变量保持不变时,表明反应处于平衡状态,⑤正确;单位时间内生成O2和生成NO2的反应方向相反,且两者的物质的量变化之比为1∶2,故反应处于平衡状态,⑥正确。
(2)对于反应H2(g)+I2(g) 2HI(g),当同一物质的正、逆反应速率相等时,反应处于平衡状态,①正确;混合气体的颜色不再改变时,说明c(I2)一定,反应处于平衡状态,②正确;由于气体的质量和容器的容积是定值,故气体的密度不变不能作为反应达到平衡状态的标志,③错误;
由于该反应为反应前后气体体积不变的反应,容器中气体的物质的量保持不变,则容器中的压强不变,反应不一定处于平衡状态,④错误;由于该反应气体的质量、气体的物质的量是定值,故气体的平均相对分子质量不变时,不能判断反应是否处于平衡状态,⑤错误;反应的任何时刻,用H2、I2和HI表示的反应速率之比均为1∶1∶2,⑦错误。
【拓展延伸】根据上题。
(1)对于反应1,当v正(NO2)=v逆(O2)时,反应是否达到平衡状态
(2)对于反应2,当I2(g)为I2(s),平均相对分子质量不改变时,反应是否达到平衡状态
答案:(1)否 (2)是
方法归纳 平衡思想:平衡状态的判定标志。 判断化学反应是否达到化学平衡状态,关键是看给定条件下题中提供的物理量是“变量”还是“恒量”。当“变量”达到不变时,表明反应达到平衡状态,而“恒量”不变不能说明反应是否达到平衡状态。
学以致用
1.用Cl2生产某些含氯有机物时会生成副产物HCl,利用下列反应可实现氯的循环利用:
4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH=-115.65 kJ·mol-1。在恒温恒容的密闭容器中,充入一定量的反应物发生上述反应,能充分说明该反应达到化学平衡状态的是( )。
A.气体的质量不再改变
B.n(HCl)∶n(O2)∶n(Cl2)∶n(H2O)=4∶1∶2∶2
C.断开4 mol H—Cl的同时生成4 mol H—O
D.气体的平均摩尔质量不再改变
答案:D
解析:该反应中各物质均为气态,气体的质量一直不变,A项错误;各物质的物质的量满足反应方程式中化学计量数之比,不能说明反应达到化学平衡状态,B项错误;断开4 mol H—Cl的同时生成4 mol H—O,都表示的是正反应速率,不能说明反应达到化学平衡状态,C项错误;气体的质量不变,但该反应前后气体分子数不相等,气体的平均摩尔质量随反应的进行而改变,不再改变则达到平衡状态,D项正确。
2.已知:N2O4(g) 2NO2(g) ΔH>0,现将1 mol N2O4充入一恒压密闭容器中,下列示意图不能说明反应达到平衡状态的是( )。
答案:B
解析:B项,对于一个特定反应,ΔH固定不变,不能作为判断反应是否达到平衡状态的依据;C项,在t1时刻,2v正(N2O4)=v逆(NO2),反应达到平衡状态。
二、化学平衡常数
问题探究
汽车尾气中的主要污染物有CxHy、NOx、CO、SO2及固体颗粒物等。研究汽车尾气的成分及其发生的反应,可以为更好地治理汽车尾气提供技术支持。
1.利用反应6NO2(g)+8NH3(g) 7N2(g)+12H2O(g)可处理NO2。已知该反应平衡常数(K)与温度(T)的关系如图所示。写出该反应的平衡常数表达式,并判断此反应ΔH的符号。
提示:根据反应的化学方程式可写出该反应的化学平衡常数K= ;由图示知升高温度平衡常数减小,因此该反应为放热反应,ΔH<0。
2.汽车排气装置中的三元催化装置,可以利用反应2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g)实现气体的无害化排放。T ℃时,在恒容的密闭容器中通入一定量的CO和NO,能自发进行上述反应,测得不同时间的CO和NO的浓度如表:
计算该温度下反应的平衡常数K。
提示:据表中数据,平衡时,c(NO)=0.1×10-3 mol·L-1,
c(CO)=2.70×10-3 mol·L-1,
归纳总结
使用化学平衡常数应注意的问题。
(1)通常情况下,化学平衡常数只与温度有关,使用化学平衡常数数值时,必须注明对应的温度。
(2)化学平衡常数表达式中各物质的浓度必须是平衡状态下的浓度。
(3)化学平衡常数不表示反应的快慢,即化学反应速率大,K值不一定大。
(4)K的单位一般不作要求。
(5)书写平衡常数表达式时,固体、纯液体(如水、乙醇等)的浓度视为常数,不写入表达式。
(6)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,改变前后两个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计量数成比例扩大或缩小,尽管是同一反应,平衡常数也会改变。
(7)利用平衡常数计算反应物的转化率等。
依据可逆反应方程式和平衡常数,利用三段式可以计算体系中各组分的平衡浓度、起始浓度或变化浓度,从而计算反应物的转化率、从反应开始到平衡时的化学反应速率等。
典例剖析
【例2】 在830 K时,在密闭容器中发生可逆反应:
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH<0。试回答下列问题:
(1)若起始时c(CO)=2 mol·L-1,c(H2O)=3 mol·L-1,4 s后达到平衡,此时CO的转化率为60%,则在该温度下,该反应的平衡常数K= ,H2O的转化率为 。
(2)若起始时c(CO)=3 mol·L-1,c(H2O)=3 mol·L-1,则在该温度下达到平衡后,CO的转化率为 ,H2O的转化率为 。
答案:(1)1 40% (2)50% 50%
解析:(1) CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
c始/(mol·L-1) 2 3 0 0
c变/(mol·L-1) 1.2 1.2 1.2 1.2
c平/(mol·L-1) 0.8 1.8 1.2 1.2
(2)设c变(CO)=x mol·L-1,则
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
c始/(mol·L-1) 3 3 0 0
c变/(mol·L-1) x x x x
c平/(mol·L-1) 3-x 3-x x x
方法归纳 平衡常数和平衡转化率的相关计算方法:三段式法。
达到化学平衡状态时各反应物、生成物物质的量(浓度)与起始量、变化量的关系如下:
反应物:n(平)=n(始)-n(变);
生成物:n(平)=n(始)+n(变)。
对于可逆反应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,达到平衡状态后,A的消耗量为mx mol·L-1。
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3.下列有关平衡常数的说法中正确的是( )。
A.改变条件,反应物的转化率增大,平衡常数一定增大
B.反应:2NO2(g) N2O4(g) ΔH<0,增大c(N2O4),该反应的平衡常数增大
C.对于给定的可逆反应,温度一定时,其正、逆反应的平衡常数相等
答案:D
解析:改变条件,反应物的转化率增大,若温度不变,则平衡常数不变,A项错误;
增大c(N2O4),温度不变,K不变,B项错误;
对于给定的可逆反应,温度一定时,其正、逆反应的平衡常数互为倒数,C项错误;
4.工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g),反应在一定条件下达到平衡状态时,NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中气体的总物质的量之比)为 。请完成下列计算。
(1)该条件下N2的转化率为 。
(2)该条件下,H2的转化率为 ,H2的物质的量分数为 。
(3)该条件下反应2NH3(g) N2(g)+3H2(g)的平衡常数为 。
答案:(1)66.7% (2)75% (或0.286) (3)0.005
解析:(1)设N2转化的物质的量浓度为x mol·L-1。
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.30 0.80 0
转化浓度/(mol·L-1) x 3x 2x
平衡浓度/(mol·L-1) 0.30-x 0.80-3x 2x
1.在一定条件下,向某容器中充入N2和H2合成NH3,以下叙述错误的是( )。
A.开始反应时,正反应速率最大,逆反应速率为0
B.随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后减小为0
C.随着反应的进行,逆反应速率逐渐增大,最后保持恒定
D.随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后与逆反应速率相等且都保持恒定
答案:B
解析:随着反应的进行,反应物浓度逐渐减小,正反应速率逐渐减小,最后保持恒定,但不为0,B项错误。
2.一定条件下,向2 L恒容密闭容器中充入1 mol COCl2(g),发生反应COCl2(g) Cl2(g)+CO(g),反应过程中测得的有关数据如表所示,下列说法不正确的是( )。
t/s 0 2 4 6 8
n(Cl2)/mol 0 0.30 0.39 0.40 0.40
A.6 s之后反应达到平衡状态,容器内的压强不再随时间而改变
B.6 s时,反应停止,不再进行
C.8 s时,反应容器中各物质的浓度不再发生变化
D.生成Cl2的平均反应速率:v(0~2 s)>v(2~4 s)
B
解析:6 s之后氯气的物质的量不再改变,化学反应达到平衡状态,容器内气体的总物质的量保持不变,因而压强不再变化,A项正确;6 s时达到平衡状态,反应不会停止,仍在进行,B项错误;8 s时反应处于平衡状态,反应容器中各物质的浓度不再发生变化,C项正确;0~2 s生成氯气0.30 mol,2~4 s生成氯气0.09 mol,可知0~2 s内生成Cl2的平均反应速率大,D项正确。
3.用氮化硅(Si3N4)陶瓷代替金属制造发动机的耐热部件,能大幅度提高发动机的热效率。工业上用化学气相沉积法制备氮化硅,其反应为3SiCl4(g)+ 2N2(g)+6H2(g) Si3N4(s)+12HCl(g)。一定条件下,在恒容密闭容器中,能表示上述反应达到化学平衡状态的是( )。
A.3v(N2)=v(H2)
B.v正(HCl)=4v正(SiCl4)
C.混合气体的密度保持不变D.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6
C
解析:根据化学反应速率之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比,可以确定v正(H2)=3v逆(N2),说明反应达到平衡状态,A项中没有指明是正反应速率还是逆反应速率,A项描述错误;B项中都表示正反应速率,不能说明反应达到平衡状态,B项描述错误;在恒容密闭容器中,混合气体的密度保持不变说明混合气体的总质量不变,因反应有固体产物生成,可以说明反应达到平衡状态,C项描述正确;平衡时浓度关系与起始浓度、转化率有关,不能说明反应达到平衡状态,D项描述错误。
4.在一个绝热的、容积固定的密闭容器中,发生可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)(m、n、p、q为任意正整数)。下列能说明该可逆反应达到平衡状态的是( )。
①混合气体的密度不再发生变化 ②体系的温度不再发生变化 ③A的转化率不再改变 ④各组分的百分含量不再改变 ⑤反应速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q ⑥qv正(A) =mv逆(D)
A.②③④⑥ B.①③⑥ C.①③④⑥ D.①②④⑤
A
解析:根据化学平衡状态的特征解答,当反应达到平衡状态时,正、逆反应速率相等,各物质的浓度、百分含量不变,以及由此衍生的一些量也不发生变化。①混合气体的密度一直不变,故①不符合题意;②体系的温度不再改变,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故②符合题意;③A的转化率不再改变,说明A的消耗速率与生成速率相等,反应达到平衡状态,故③符合题意;④各组分的百分含量不再改变,说明正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,故④符合题意;
⑤只要反应发生,反应速率就满足v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)= m∶n∶p∶q,故⑤不符合题意;⑥平衡时正反应速率和逆反应速率之比等于化学计量数之比,故qv正(A)=mv逆(D)可以证明反应达到平衡,故⑥符合题意。
6.硫酸生产中,SO2催化氧化生成SO3:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0。回答下列问题。
(1)反应达到平衡时,平衡常数表达式K= ,升高温度, K (填“改变”或“不变”)。
(2)①某温度下,将2.0 mol SO2和1.0 mol O2置于10 L密闭容器中,SO2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示。反应达到平衡后,体系总压强为0.10 MPa。该反应的平衡常数为 。
②平衡状态由A变到B时,平衡常数K(A) (填“>”“<”或“=”)K(B)。
解析:(1)对于题述反应,升高温度,K值改变。
(2)①由图可知,0.10 MPa时,
c(SO2)=2.0 mol×(1-0.80)÷10 L=0.04 mol·L-1,
