07 化学反化学反应应速率和化学平衡速率和化学平衡 第25讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向 李仕才 1了解化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。了解化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。 2了解化学反应的方向与焓变和熵变的关系；能够利用焓变和熵变判断化学反应的了解化学反应的方向与焓变和熵变的关系；能够利用焓变和熵变判断化学反应的方向。方向。 本节在高考中的考点主要有两个：本节在高考中的考点主要有两个： 一是化学平衡常数的计算及利用化学平衡常数进行一是化学平衡常数的计算及利用化学平衡常数进行化学平衡移动方向的判断和反应是放热还是吸热等；化学平衡移动方向的判断和反应是放热还是吸热等；二是焓变、二是焓变、熵变与化学反应方向的关熵变与化学反应方向的关系。系。 考点一 化学平衡常数 知 识 梳 理 1化学平衡常数化学平衡常数 (1)定义：在一定温度下，当一个可逆反应达到定义：在一定温度下，当一个可逆反应达到 _ 时，生成物时，生成物_ 与与反应物反应物_ 的比值是一个常数，该常数就是该反应的化学平衡常数。的比值是一个常数，该常数就是该反应的化学平衡常数。 (2)表达式：表达式： 对于可逆反应对于可逆反应 mA(g)nB(g)c ? ?C? ?c ? ?D? ?pC(g)qD(g)，化学平衡常数，化学平衡常数 Km。 nc ? ?A? ?c ? ?B? ?pq如在一定温度下，如在一定温度下，4 mol A在在 2 L 的密闭容器中分解：的密闭容器中分解： A(g)2B(g) C(g)，达到平衡时测得已有，达到平衡时测得已有 50%的的 A 分解成分解成 B 和和 C，则该反应的平，则该反应的平衡常数为衡常数为_ 。 (3)影响因素：影响因素：K的大小与物质的浓度、压强等无关，只随的大小与物质的浓度、压强等无关，只随 _ 的变化而变化。的变化而变化。 (4)意义：意义： 一定温度下，一定温度下，K值越大说明反应进行程度越大，反应物转化率也越值越大说明反应进行程度越大，反应物转化率也越 _ 。 一般认为，一般认为，K10 时，反应进行得就基本完全了。时，反应进行得就基本完全了。 2平衡转化率平衡转化率 对于一般的化学反应：对于一般的化学反应：aAbBcCdD，达到平衡时反应物，达到平衡时反应物 A 的转化率为的转化率为 (A)5A的初始浓度的初始浓度A的平衡浓度的平衡浓度c0? ?A? ?c? ?A? ?100%100%c0(A)为为 A 的初始浓度，的初始浓度，c(A)c0? ?A? ?A的初始浓度的初始浓度为平衡时为平衡时 A 的浓度的浓度。 答案答案 1(1)平衡平衡 浓度幂之积浓度幂之积 浓度幂之积浓度幂之积 (2)4 (3)温度温度 (4)大大 基 础 自 测 1正误判断，正确的打正误判断，正确的打“”，错误的打，错误的打“”“”。 (1)C(s)H2O(g)c? ?CO? ?c? ?H2? ?CO(g)H2(g)的平衡常数表达式为的平衡常数表达式为 K( ) c? ?C? ?c? ?H2O? ?(2)可以用化学平衡常数定量描述化学反应的限度可以用化学平衡常数定量描述化学反应的限度( ) (3)对于对于 N2(g)3H2(g)2NH3(g)达到平衡，在温度不变、容积不变的密闭容器中充达到平衡，在温度不变、容积不变的密闭容器中充入入 N2，化学平衡常数不变，化学平衡常数不变( ) (4)一定温度下，一定温度下，2SO2(g)O2(g)11 O2(g)的的 K( ) 250 2SO3(g)的的 K50，那么该温度下那么该温度下 SO3(g)SO2(g)答案：答案：(1) (2) (3) (4) 2书写下列化学平衡的平衡常数表达式。书写下列化学平衡的平衡常数表达式。 (1)Cl2H2OHClHClO K_ 。 CO(g)H2(g) K_ 。 CH3COOC2H5H2O K_ 。 (2)C(s)H2O(g)(3)CH3COOHC2H5OH2(4)CO3H2OHCO3OH K_ 。 CaO(s)CO2(g) K_ 。 (5)CaCO3(s) c? ?HCl? ?c? ?HClO? ?c? ?CO? ?c? ?H2? ?答案：答案：(1) (2) c? ?Cl2? ?c? ?H2O? ?c? ?CH3COOC2H5? ?c? ?H2O? ?(3) c? ?CH3COOH? ?c? ?C2H5OH? ?c? ?OH ? ?c? ?HCO3? ?(4) 2c? ?CO3? ?(5)c(CO2) 3一定温度下，分析下列三个反应的平衡常数的关系。一定温度下，分析下列三个反应的平衡常数的关系。 N2(g)3H2(g)13 N2(g) H2(g)222NH3(g)2NH3(g) K1 NH3(g) K2 N2(g)3H2(g) K3 (1)K1和和 K2，K1_ 。 (2)K1和和 K3，K1_ 。 2答案：答案：(1)K2 (2)1/K3 考向探究 好题冲关 考向考向 1 化学平衡常数及其影响因素化学平衡常数及其影响因素 【例【例 1】 (2018年湖北黄冈高三质检年湖北黄冈高三质检)已知反应已知反应： CO(g)CuO(s)CO2(g)Cu(s)和反应和反应：H2(g)CuO(s)Cu(s)H2O(g)在相同的某温度下的平衡常数分别为在相同的某温度下的平衡常数分别为K1和和CO2(g)H2(g)的平衡常数为的平衡常数为 K。则下列说法正。则下列说法正K2，该温度下反应，该温度下反应：CO(g)H2O(g)确的是确的是( ) c? ?CO2? ?c? ?Cu? ?A反应反应的平衡常数的平衡常数 K1 c? ?CO? ?c? ?CuO? ?K1B反应反应的平衡常数的平衡常数 K K2C对于反应对于反应，若恒容时，温度升高，若恒容时，温度升高， H2浓度减小，则该反应平衡常数也会减小浓度减小，则该反应平衡常数也会减小 D对于反应对于反应，恒温恒容下，增大，恒温恒容下，增大 H2浓度，平衡常数浓度，平衡常数 K一定会减小一定会减小 【解析】【解析】 在书写平衡常数表达式时，在书写平衡常数表达式时，纯固体不能表示在平衡常数表达式中，纯固体不能表示在平衡常数表达式中，A 错误；错误；K1由于反应由于反应反应反应反应反应，因此平衡常数，因此平衡常数 K，B 正确；反应正确；反应中，温度升高，中，温度升高，K2H2浓度减小，则平衡右移，生成物浓度增大，因此浓度减小，则平衡右移，生成物浓度增大，因此 K2会增大，会增大，C 错误；对于反应错误；对于反应，在，在恒温恒容下，增大恒温恒容下，增大 H2浓度，平衡会向左移动，但由于温度没有发生变化，平衡常数浓度，平衡会向左移动，但由于温度没有发生变化，平衡常数 K不不变，变，D 错误。错误。 【答案】【答案】 B 好题冲关好题冲关 1(2018 年河南信阳监测年河南信阳监测)加热加热 N2O5，依次发生的分解反应为，依次发生的分解反应为 N2O5(g)N2O3(g)O2(g)，N2O3(g)N2O(g)O2(g)。在。在 2 L 密闭容器中充入密闭容器中充入 8 mol N2O5，加热到，加热到 t ，达到平衡状态后达到平衡状态后 O2为为 9 mol ，N2O3为为 3.4 mol ，则，则 t 时反应时反应的平衡常数为的平衡常数为( ) A8.5 C10.2 B9.6 D10.7 解析：解析： N2O5N2O3O2 N2O3N2OO2 n(始始)/mol 8 0 0 a 0 a n(变变)/mol a a a b b b n(平平)/mol 8a a a ab b ab 有有 ab9，ab3.4，得，得 a6.2 mol ，b2.8 mol ，平衡时，平衡时 c(N2O5)0.9 mol L，c? ?N2O3? ?c? ?O2? ?c(N2O3)1.7 mol L，c(O2)4.5 mol L，反应，反应的的 K8.5。 c? ?N2O5? ?11 1答案：答案：A 2 (2015年高考年高考天津卷天津卷)某温度下，某温度下， 在在 2 L 的密闭容器中，的密闭容器中， 加入加入 1 mol X(g) 和和 2 mol Y(g)3Z(g)， 平衡时，平衡时， X、 Y、 Z 的体积分数分别为的体积分数分别为 30%、 60%、 10%。发生反应：发生反应： X(g)mY(g)在此平衡体系中加入在此平衡体系中加入 1 mol Z(g) ，再次达到平衡后，再次达到平衡后，X、Y、Z 的体积分数不变。下列叙述的体积分数不变。下列叙述不正确的是不正确的是( ) Am2 B两次平衡的平衡常数相同两次平衡的平衡常数相同 CX 与与 Y 的平衡转化率之比为的平衡转化率之比为 11 D第二次平衡时，第二次平衡时，Z 的浓度为的浓度为 0.4 mol L 1 解析：解析：A 项，由题意可知两种条件下项，由题意可知两种条件下 X、Y、Z 的初始物质的量不同，而最终平衡状的初始物质的量不同，而最终平衡状态相同，态相同，则两种条件下建立的平衡为温度、则两种条件下建立的平衡为温度、容积不变时的等效平衡，容积不变时的等效平衡，故满足反应前后气态故满足反应前后气态物质计量数之和相等，则物质计量数之和相等，则 1m3，m2，正确；，正确；B 项，温度不变，平衡常数不变，正项，温度不变，平衡常数不变，正确；确；C 项，项，X、Y 的初始物质的量之比为的初始物质的量之比为 12，根据方程式可知参加反应的，根据方程式可知参加反应的 X、Y 的物的物质的量之比也为质的量之比也为 12，故，故 X 与与 Y 的平衡转化率之比为的平衡转化率之比为 11，正确；，正确；D 项，由方程式可知项，由方程式可知该反应反应前后气体的物质的量不变，所以第二次平衡时气体的总物质的量为该反应反应前后气体的物质的量不变，所以第二次平衡时气体的总物质的量为 4 mol ，则，则Z 的物质的量为的物质的量为 4 mol 10%0.4 mol ，Z 的浓度为的浓度为 0.4 mol 2 L0.2 mol L，错误。，错误。 1答案：答案：D 考向考向 2 化学平衡常数的应用化学平衡常数的应用 【例【例 2】 甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。工业上可利用工业上可利用 CO 或或 CO2来生产燃料甲醇。来生产燃料甲醇。 已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如已知制备甲醇的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如下表所示：下表所示： (1)据反应据反应与与可推导出可推导出 K1、K2与与 K3之间的关系，则之间的关系，则 K3_( 用用 K1、K2表示表示)。 (2)反应反应的的 H_( 填填“”或或“”)0。 c? ?CH3OH? ?【解析】【解析】 (1)K12， c ? ?H2? ?c? ?CO? ?c? ?CO? ?c? ?H2O? ?K2， c? ?H2? ?c? ?CO2? ?c? ?H2O? ?c? ?CH3OH? ?K33， c ? ?H2? ?c? ?CO2? ?K3K1K2。 (2)根据根据 K3K1K2,500 、800 时，反应时，反应的平衡常数分别为的平衡常数分别为 2.5,0.375 ；升温，；升温，K减小，平衡左移，正反应为放热反应，所以减小，平衡左移，正反应为放热反应，所以 H0。 【答案】【答案】 (1)K1K2 (2) 总结总结提升：提升： 化学平衡常数的应用化学平衡常数的应用 (1)利用利用 K 可以推测可逆反应进行的程度可以推测可逆反应进行的程度 K的大小表示可逆反应进行的程度，的大小表示可逆反应进行的程度，K越大说明反应进行程度越大，越大说明反应进行程度越大，反应物的转化率反应物的转化率越大。越大。K 越小说明反应进行的程度越小，反应物的转化率越小。越小说明反应进行的程度越小，反应物的转化率越小。 (2)借助平衡常数，可以判断一个化学反应是否达到化学平衡状态借助平衡常数，可以判断一个化学反应是否达到化学平衡状态 对于可逆反应对于可逆反应 aA(g)bB(g)cC(g)dD(g)，在一定温度下的任意时刻，反应物与，在一定温度下的任意时刻，反应物与生成物浓度有如下关系：生成物浓度有如下关系： c? ?C? ?c ? ?D? ?Qca bc ? ?A? ?c ? ?B? ? ?v? ?逆逆? ? ?Qc? ?K 反应处于化学平衡状态，反应处于化学平衡状态，v? ?正正? ?v? ?逆逆? ? ?K 反应向逆反应方向进行，反应向逆反应方向进行，v? ?正正? ?0。下列有。下列有关说法正确的是关说法正确的是( ) A加压有利于化学平衡向正反应方向移动加压有利于化学平衡向正反应方向移动 B该反应的化学平衡常数表达式为该反应的化学平衡常数表达式为 c ? ?N2H4? ?c ? ?NO2? ?K3 4c ? ?N2? ?c ? ?H2O? ?C升高温度可缩短反应达到平衡的时间但不能提高平衡转化率升高温度可缩短反应达到平衡的时间但不能提高平衡转化率 D使用催化剂可缩短反应达到平衡的时间但不能提高平衡转化率使用催化剂可缩短反应达到平衡的时间但不能提高平衡转化率 22 【解析】【解析】 加压，化学平衡向逆反应方向移动，加压，化学平衡向逆反应方向移动，A 项错误；平衡常数表达式中应该是项错误；平衡常数表达式中应该是生成物浓度的幂之积除以反应物浓度的幂之积，生成物浓度的幂之积除以反应物浓度的幂之积， B 项错误；该反应的正反应为吸热反应，项错误；该反应的正反应为吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，可以提高平衡转化率，升高温度，平衡向正反应方向移动，可以提高平衡转化率，C 项错误；加入催化剂只能缩项错误；加入催化剂只能缩短反应达到平衡的时间，化学平衡不移动，故不能提高平衡转化率，短反应达到平衡的时间，化学平衡不移动，故不能提高平衡转化率， D 正确。正确。 【答案】【答案】 D 好题冲关好题冲关 5羰基硫羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂，能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在可作为一种粮食熏蒸剂，能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在恒容密闭容器中，将恒容密闭容器中，将 CO 和和 H2S混合加热并达到下列平衡：混合加热并达到下列平衡： CO(g)H2S(g)COS(g) H2(g) K0.1 反应前反应前 CO 物质的量为物质的量为 10 mol，平衡后，平衡后 CO 物质的量为物质的量为 8 mol。下列说法正确的是。下列说法正确的是( ) A升高温度，升高温度，H2S浓度增加，表明该反应是吸热反应浓度增加，表明该反应是吸热反应 B通入通入 CO 后，正反应速率逐渐增大后，正反应速率逐渐增大 C反应前反应前 H2S物质的量为物质的量为 7 mol DCO 的平衡转化率为的平衡转化率为 80% 解析：解析：A 项，升高温度，项，升高温度，H2S浓度增大，说明平衡向逆反应方向移动，逆反应吸热，浓度增大，说明平衡向逆反应方向移动，逆反应吸热，正反应放热，错误；正反应放热，错误；B项，通入项，通入 CO 气体瞬间正反应速率增大，达到最大值，向正反应方气体瞬间正反应速率增大，达到最大值，向正反应方向建立新的平衡，向建立新的平衡，正反应速率开始减小，正反应速率开始减小，错误；错误；C 项，项，设反应前设反应前 H2S的物质的量为的物质的量为 n mol，容器的容积为容器的容积为 1 L，则，则 CO(g)H2S(g)COS(g) H2(g) K0.1 n(始始)/mol 10 n 0 0 n(转转)/mol 2 2 2 2 n(平平)/mol 8 n2 2 2 22因为该反应是反应前后气体体积不变的反应，因为该反应是反应前后气体体积不变的反应，所以有所以有 K0.1， 解得解得 n7，8? ?n2? ?正确；正确；D 项，根据上述计算可知项，根据上述计算可知 CO 的转化率为的转化率为 20%，错误。，错误。 答案：答案：C 6已知可逆反应：已知可逆反应：M(g)N(g)P(g)Q(g) H0，请回答下列问题：，请回答下列问题： 11(1)在某温度下，反应物的起始浓度分别为在某温度下，反应物的起始浓度分别为 c(M)1 mol L，c(N)2.4 mol L；达；达到平衡后，到平衡后，M 的转化率为的转化率为 60%，此时，此时 N 的转化率为的转化率为_ 。 (2)若反应温度升高，若反应温度升高，M 的转化率的转化率_( 填填“增大增大”“”“减小减小”或或“不变不变”)。 (3)若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为 c(M)4 mol L，c(N)a mol L；达到平衡后，达到平衡后，c(P)2 mol L，a_ 。 (4)若反应温度不变，反应物的起始浓度为若反应温度不变，反应物的起始浓度为 c(M)c(N)b mol L，达到平衡后，达到平衡后，M的转化率为的转化率为_ 。 1111 解析：解析：(1) M(g) N(g)1P(g)Q(g) 起始量起始量 mol L 1 2.4 0 0 变化量变化量 mol L 160% 160% 1 mol L60%因此因此 N 的转化率为的转化率为100%25%。 12.4 mol L(2)由于该反应的由于该反应的 H0，即该反应为吸热反应，因此升高温度，平衡右移，即该反应为吸热反应，因此升高温度，平衡右移， M 的转的转化率增大。化率增大。 11 (3)根据根据(1)可求出各平衡浓度：可求出各平衡浓度： c(M)0.4mol L，c(N)1.8 mol L， c(P)0.6 mol L，c(Q)0.6 mol L， c? ?P? ?c? ?Q? ?0.60.61因此化学平衡常数因此化学平衡常数 K c? ?M? ?c? ?N? ?0.41.82由于温度不变，因此由于温度不变，因此 K 不变，新状态达到平衡后不变，新状态达到平衡后 c(P)2 mol L，c(Q)2 mol L， 111111 c(M)2 mol L，c(N)(a2) mol L， 22c? ?P? ?c? ?Q? ?1K c? ?M? ?c? ?N? ?2? ?a2? ?2解得解得 a6。 (4)设设 M 的转化率为的转化率为 x，则达到平衡后各物质的平衡浓度分别为，则达到平衡后各物质的平衡浓度分别为 c(M)b(1x) mol L，c(N)b(1x) mol L， c(P)bx mol L，c(Q)bx mol L。 111111 c? ?P? ?c? ?Q? ?bxbx1K c? ?M? ?c? ?N? ?b? ?1x? ?b? ?1x? ?2解得解得 x41% 答案：答案：(1)25% (2)增大增大 (3)6 (4)41%