第第3 3讲化学平衡常数化学反应的方向与调控讲化学平衡常数化学反应的方向与调控第七章第七章【课程标准课程标准】1.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。2.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平衡移动的方向。3.知道化学反应是有方向的,知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。4.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。5.针对典型的案例,能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。强基础强基础 增分策略增分策略一、化学平衡常数1.表达式 固固体体或或纯液体液体浓度不度不变,不能写入平衡常数表达式不能写入平衡常数表达式对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),在一定温度下达到平衡时:平衡常数。2.意义及影响因素平衡常数大小只能平衡常数大小只能说明反明反应趋势,不能不能说明反明反应进行的快慢行的快慢意义 K值越大正反应进行的程度越大反应物的转化率越大K105时,反应可接近完全影响因素内因反应物本身的性质外因温度升高H0,K值增大3.应用(1)利用化学平衡常数,判断反应是否达到平衡状态,以及平衡向哪个方向进行。对于化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)的任意状态,浓度商Qv(逆)。Q=K,反应处于平衡状态,v(正)=v(逆)。QK,反应向逆反应方向进行,v(正)T1,升高温度,A降低,平衡逆向移动,则正反应为放热反应。图乙中,p1p2,增大压强,A升高,平衡正向移动,则正反应为气体体积减小的反应。图丙中,a表示使用了催化剂或增大压强(反应前后气体分子数相等的可逆反应)。注意:若纵坐标表示A的百分含量,则甲中正反应为吸热反应,乙中正反应为气体体积增大的反应。2.恒温线(或恒压线)图像 控制控制变量量,讨论条件条件对化学平衡的影响化学平衡的影响已知不同温度下的转化率压强图像或不同压强下的转化率温度图像,推断反应的热效应或反应前后气体物质间化学计量数的关系。以反应aA(g)+bB(g)cC(g)中反应物A的转化率(A)为例说明。解答这类图像题时应注意以下两点:(1)“定一议一”原则:可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应方程式中反应物与生成物气体物质间的化学计量数的大小关系。如图甲中任取一条温度曲线研究可知,压强增大,A增大,平衡向正反应方向移动,正反应为气体体积减小的反应;乙中任取横坐标一点作横坐标的垂直线,也能得出相应的结论。(2)通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向,从而确定反应的热效应。如在甲图中作横坐标的垂直线可看出,温度越高,A越小,则平衡向逆反应方向移动,正反应为放热反应;乙中任取一条压强曲线,也能分析出正反应为放热反应。3.几种特殊图像(1)同一时间段内,不同温度(或压强)图像图像中的极像中的极值点未必是平衡点点未必是平衡点,但极但极值点之后点之后为平衡移平衡移动趋势图对于化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),下图中M点前,表示化学反应从反应物开始,则v(正)v(逆);M点为刚达到的平衡点。M点后为平衡受温度的影响情况,即升温时A%增大(C%减小),平衡逆向移动,Hv(逆);同理,右下方F点v(正)p1,正反应为气体体积增大的反应。()(2)图表示随温度升高,吸热反应的平衡常数变化。()(3)若图中p2p1,则对应可逆反应的正反应为吸热、气体体积减小的反应。()三、化学反应的方向化学反应的调控1.自发反应 自自发反反应,并不一定会并不一定会发生生,也不一定速率很快也不一定速率很快(1)含义:在温度和压强一定的条件下无需借助外力就能自发进行的反应称为自发反应。(2)特点体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或释放热量)。在密闭条件下,体系有从有序转变为无序的倾向性(无序体系更加稳定)。2.判断化学反应方向的依据 3.合成氨反应条件的原理分析(1)反应原理:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)H=-92.4kJmol-1。(2)反应特点反应为可逆反应;正反应是气体体积减小的反应;H0。(3)影响因素增大合成氨反应速率的措施:升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂等。提高平衡混合气体中氨含量的措施:降低温度、增大压强、增大反应物浓度等。4.实际合成氨工业中选择的生产条件(1)压强:工业上合成氨一般采用的压强为10MPa30 MPa。(2)温度:一般采用的温度为400500。(3)催化剂:工业上合成氨普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂,又称铁触媒。易错辨析易错辨析 判断正误:正确的画“”,错误的画“”。(1)凡是放热反应都是自发的,吸热反应都是非自发的。()(2)某吸热反应能自发进行,则该反应是熵增反应。()(3)通过判断过程的自发性能够确定过程是否一定发生和确定过程发生的速率。()(4)H0的反应,一定是自发反应。()(5)吸热且熵增加的反应,当温度升高时,反应一定能自发进行。()(6)反应的自发性不仅能够用于判断过程的方向,还能确定过程是否一定能发生。()(7)合成氨反应中,压强越大越有利于增大反应速率和使平衡正向移动。()(8)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率。()应用提升应用提升 对于一个特定的气相反应,熵变的大小取决于反应前后气体物质的化学计量数的大小。增素能增素能 精准突破精准突破考点一考点一化学平衡常数化学平衡常数考向考向1.化学平衡常数化学平衡常数应用及其影响因素用及其影响因素典例突破已知反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的平衡常数K与温度的关系如下表:温度/400500830平衡常数K1091(1)该反应的H(填“”“=”或“”)0。(2)500时,若CO和H2O的起始浓度均为0.060molL-1,则在该条件下,CO的平衡转化率为。(3)在1000时,平衡常数K=0.5,当CO、H2O(g)、CO2、H2的物质的量浓度相等时,该反应 (填“达到平衡状态”“正向进行”或“逆向进行”)。CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)答案(1)(2)75%(3)逆向进行解析(1)由表格中数据可知,温度越高,平衡常数K越小,说明温度升高,反应逆向进行,正反应为放热反应,H0。(2)500时,K=9。假设平衡时,CO的转化浓度为xmolL-1,则有针对训练1.有研究认为,强碱性环境下反应:I-+ClO-IO-+Cl-可能分如下三步进行:第一步:ClO-+H2OHClO+OH-K1=3.310-10第二步:K2=第三步:HIO+OH-IO-+H2OK3=2.3103下列说法正确的是()A.第二步反应的平衡常数表达式为B.由K值大小可以判断第三步反应比第一步快C.升高温度会使K1变小、K3变大D.OH-是该反应的催化剂答案A解析总反应式减去第一步和第三步反应即可得第二步反应式为HClO+I-HIO+Cl-,平衡常数表达式为,故A项正确;平衡常数只能体现反应进行的程度,无法判断反应的速率大小,即由K不能确定第三步反应比第一步快,故B项错误;温度升高使吸热反应平衡正向移动,K值增大,未知第一步和第三步的反应热,则升高温度不确定K1、K3变化,故C项错误;OH-参与该反应的进行,是中间产物,故D项错误。2.(2023浙江绍兴模拟)在恒温条件下,向盛有食盐的2L恒容密闭容器中加入0.2molNO2、0.2molNO和0.1molCl2,发生如下两个反应:2NO2(g)+NaCl(s)NaNO3(s)+ClNO(g)H10平衡常数为K12NO(g)+Cl2(g)2ClNO(g)H2K,平衡向逆反应方向移动。Q=K,平衡不移动。Q”“”“(4)4min时的v正(CH3OH)4min时的v逆(CH3OH)。(4)若将钢瓶换成同容积的绝热钢瓶,重复题述实验,则反应放出的热量不能散发,会使体系温度上升,平衡逆向移动,甲醇物质的量分数将减小,所以小于10%。针对训练1.内酯在化工、医药、农林等领域有广泛的应用。内酯可以通过有机羧酸异构化制得。某羧酸A在0.2molL-1盐酸中转化为内酯B的反应可表示为A(aq)B(aq),忽略反应前后溶液体积变化。一定温度下,当A的起始浓度为amolL-1时,A的转化率随时间的变化如表所示。t/min0213650(A)/%013.320.027.8t/min6580100(A)/%33.340.045.075.0(1)反应进行到100min时,B的浓度为molL-1。(2)v正(t=50min)(填“”“(3)不变(4)325%(5)盐酸是催化剂,浓度减小,反应速率减小,催化剂不影响化学反应的限度解析(1)100min时,A的转化率为45.0%,所以c(B)=0.45amolL-1。(2)一定温度下,化学反应速率受反应物浓度影响,在反应建立平衡的过程中,反应物浓度不断减小,所以v正(t=50min)v正(t=min)=v逆(t=min)。(3)A(aq)B(aq)起始/(molL-1)a0转化/(molL-1)aa平衡/(molL-1)a-aaA(aq)B(aq)起始/(molL-1)0a转化/(molL-1)xx平衡/(molL-1)xa-x2.(2022湖南卷,节选)在一定温度下,向容积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1molH2O(g),起始压强为0.2MPa时,发生下列反应生成水煤气:.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)H1=+131.4kJmol-1.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)H2=-41.1kJmol-1反应平衡时,H2O(g)的转化率为50%,CO的物质的量为0.1mol。此时,整个体系(填“吸收”或“放出”)热量kJ,反应的平衡常数Kp=(以分压表示,分压=总压物质的量分数)。答案吸收31.20.02Mpa解析反应达到平衡时,H2O(g)的转化率为50%,则水的变化量为0.5mol,水的平衡量也是0.5mol,由于CO的物质的量为0.1mol,CO和CO2中的O均来自H2O中,根据O原子守恒可知CO2的物质的量为0.2mol,生成0.2molCO2时消耗了0.2molCO,故反应实际生成了0.3molCO。根据相关反应的热化学方程式可知,整个体系的热量变化为(+131.4kJmol-1)0.3mol-41.1kJmol-10.2mol=31.2kJ;由H原子守恒可知,平衡时H2的物质的量为0.5mol,CO的物质的量为0.1mol,CO2的物质的量为0.2mol,水的物质的量为0.5mol,则平衡时气体的总物质的量为0.5mol+0.1mol+0.2mol+0.5mol=1.3mol,在同温同体积条件下,气体的总压之比等于气体的总物质的量之比,则平衡体系的总压为0.2MPa=0.26MPa,反应归纳总结(1)有关化学平衡常数和转化率的计算步骤(2)掌握四个公式考点二考点二化学反化学反应速率和化学平衡速率和化学平衡图像像考向考向1.“断点断点”类化学反化学反应速率和化学平衡速率和化学平衡图像像典例突破某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,在不同的时间段内物质浓度随时间的变化如图甲所示,正、逆反应速率随时间的变化如图乙所示,下列说法正确的是()A.3040min间该反应使用了催化剂B.化学方程式中的x=1,正反应为吸热反应C.30min时降低温度,40min时升高温度D.前8minA的平均反应速率为0.08molL-1min-1答案D解析若使用催化剂,30min时,物质的浓度不会发生突变,A项错误;由图甲可知,A、B的浓度变化相同,故A、B的化学计量数相同,都为1,由图乙可知,30min时改变的条件为减小压强,40min时改变的条件为升高温度,且升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,B、C