高三化学一轮 第七章 第3讲 化学平衡常数、化学反应进行的方向

第3讲化学平衡常数、化学反应进行的方向[考纲要求]1.理解化学平衡常数的定义并能进行简单计算。2.了解化学反应的方向与化学反应的焓变与熵变的关系。3.掌握化学反应在一定条件下能否自发进行的判断依据，能够利用化学反应的焓变和熵变判断化学反应的方向。考点一化学平衡常数1．概念在一定温度下，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，用符号K表示。2．表达式对于反应mA(g)＋npC(g)＋qD(g)，K＝cpcqcmcn(固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。3．意义(1)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。(2)K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。深度思考1．对于给定反应，正逆反应的化学平衡常数一样吗？是什么关系？答案正逆反应的化学平衡常数不一样，互为倒数关系。2．化学平衡常数只受温度的影响，温度升高，化学平衡常数是增大还是减少？答案温度升高化学平衡常数的变化要视反应而定，若正反应是吸热反应，则温度升高K值增大，反之则减小。3．对于一个可逆反应，化学计量数扩大或缩小，化学平衡常数表达式是否改变？是什么关系？转化率是否相同？试举例说明。答案对于一个可逆反应，化学计量数不一样，化学平衡常数表达式也就不一样，但对应物质的转化率相同。例如：(1)aA(g)＋bcC(g)K1＝cccacb(2)naA(g)＋nbncC(g)K2＝cnccnacnb＝Kn1或K1＝nK2无论(1)还是(2)，A或B的转化率是相同的。题组一化学平衡常数及其影响因素1．温度为t℃时，在体积为10L的真空容器中通入1.00mol氢气和1.00mol碘蒸气，20min后，反应达到平衡，此时测得碘蒸气的浓度为0.020mol·L－1。涉及的反应可以用下面的两个化学方程式表示：①H2(g)＋I2②2H2(g)＋2I2下列说法正确的是()A．反应速率用HI表示时，v(HI)＝0.008mol·L－1·min－1B．两个化学方程式的意义相同，但其平衡常数表达式不同，不过计算所得数值相同C．氢气在两个反应方程式中的转化率不同D．第二个反应中，增大压强平衡向生成HI的方向移动答案A解析H2(g)＋I2初始浓度(mol·L－1)0.1000.1000平衡浓度(mol·L－1)0.0200.0200.160转化浓度(mol·L－1)0.0800.0800.160所以，v(HI)＝0.160mol·L－1÷20min＝0.008mol·L－1·min－1，A正确；K①＝c2c2c2＝64，而K②＝c4c22c22＝K2①＝642＝4096，故选项B错；两个化学方程式表示的是一个反应，反应达到平衡时，氢气的浓度相同，故其转化率相同，C错；两个反应相同，只是表达形式不同，压强的改变对平衡的移动没有影响，D错。2．已知反应①：CO(g)＋2(g)＋Cu(s)和反应②：H2(g)＋＋H2O(g)在相同的某温度下的平衡常数分别为K1和K2，该温度下反应③：CO(g)＋H22(g)＋H2(g)的平衡常数为K。则下列说法正确的是()A．反应①的平衡常数K1＝c2cccB．反应③的平衡常数K＝K1K2C．对于反应③，恒容时，温度升高，H2浓度减小，则该反应的焓变为正值D．对于反应③，恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小答案B解析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，A错误；由于反应③＝反应①－反应②，因此平衡常数K＝K1K2，B正确；反应③中，温度升高，H2浓度减小，则平衡左移，即逆反应为吸热反应，正反应为放热反应，因此ΔH0，C错误；对于反应③，在恒温恒容下，增大压强，如充入惰性气体，则平衡不移动，H2的浓度不变，D错误。题组二由化学平衡常数判断化学平衡移动的方向3．已知可逆反应：M(g)＋＋Q(g)ΔH0，请回答下列问题：(1)在某温度下，反应物的起始浓度分别为c(M)＝1mol·L－1，c(N)＝2.4mol·L－1；达到平衡后，M的转化率为60%，此时N的转化率为________；(2)若反应温度升高，M的转化率________(填“增大”、“减小”或“不变”)；(3)若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为c(M)＝4mol·L－1，c(N)＝amol·L－1；达到平衡后，c(P)＝2mol·L－1，a＝________；(4)若反应温度不变，反应物的起始浓度为c(M)＝c(N)＝bmol·L－1，达到平衡后，M的转化率为________。答案(1)25%(2)增大(3)6(4)41%解析(1)M(g)＋P(g)＋Q(g)始态mol·L－112.400变化量mol·L－11×60%1×60%因此N的转化率为1mol·L－1×60%2.4mol·L－1×100%＝25%。(2)由于该反应的ΔH0，即该反应为吸热反应，因此升高温度，平衡右移，M的转化率增大。(3)根据(1)可求出各平衡浓度：c(M)＝0.4mol·L－1c(N)＝1.8mol·L－1c(P)＝0.6mol·L－1c(Q)＝0.6mol·L－1因此化学平衡常数K＝cccc＝0.6×0.60.4×1.8＝12由于温度不变，因此K不变，达到平衡后c(P)＝2mol·L－1c(Q)＝2mol·L－1c(M)＝2mol·L－1c(N)＝(a－2)mol·L－1K＝cccc＝2×2a－＝12解得a＝6。(4)设M的转化率为x，则达到平衡后各物质的平衡浓度分别为c(M)＝b(1－x)mol·L－1c(N)＝b(1－x)mol·L－1c(P)＝bxmol·L－1c(Q)＝bxmol·L－1K＝cccc＝bx·bxb－xb－x＝12解得x≈41%。4．在体积为1L的密闭容器中，进行如下化学反应：CO2(g)＋H2＋H2O(g)，化学平衡常数K与温度T的关系如下表：T/℃70080085010001200K0.60.91.01.72.6回答下列问题：(1)升高温度，化学平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。(2)能判断该反应达到化学平衡状态的依据是________。A．c(CO2)＝c(CO)B．K不变C．容器中的压强不变D．v正(H2)＝v正(CO2)E．c(H2)保持不变(3)若某温度下，平衡浓度符合下列关系：c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，此时的温度为__________；在此温度下，若该容器中含有1molCO2、1.2molH2、0.75molCO、1.5molH2O，则此时反应所处的状态为____________(填“向正反应方向进行中”、“向逆反应方向进行中”或“平衡状态”)。答案(1)正反应(2)E(3)850℃向正反应方向进行中解析(1)由表格数据可得，随着温度升高，平衡常数增大，说明化学平衡向正反应方向移动；(2)A项，达到平衡时c(CO2)不一定等于c(CO)，反之相等时也不一定处于平衡状态；B项，温度不变K不变，不正确；C项，此反应不论是否平衡，压强均不改变，故不正确；D项，v正(CO2)与v正(H2)表示的反应方向一致，故不能判断是否达到平衡；E项，达到平衡时，各种反应物、生成物的浓度保持不变。(3)由c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，则计算出K＝1.0，即此时温度为850℃，此温度下cc2c2c2＝0.75×1.51×1.2＝0.941.0，故反应向正反应方向进行中。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aA(g)＋bcC(g)＋dD(g)，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：cccdcacb＝Qc，称为浓度商。QcK反应向正反应方向进行，v正v逆＝K反应处于化学平衡状态，v正＝v逆K反应向逆反应方向进行，v正v逆考点二有关化学平衡的计算【思路梳理】1．分析三个量：即起始量、变化量、平衡量。2．明确三个关系：(1)对于同一反应物，起始量－变化量＝平衡量。(2)对于同一生成物，起始量＋变化量＝平衡量。(3)各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。3．计算方法：三段式法化学平衡计算模式：对以下反应：mA(g)＋npC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量(mol)分别为a、b，达到平衡后，A的消耗量为mx，容器容积为VL。mA(g)＋npC(g)＋qD(g)起始(mol)ab00变化(mol)mxnxpxqx平衡(mol)a－mxb－nxpxqx则有：(1)K＝pxVpqxVqa－mxVmb－nxVn(2)c平(A)＝a－mxV(mol·L－1)。(3)α(A)平＝mxa×100%，α(A)∶α(B)＝mxa∶nxb＝mbna。(4)φ(A)＝a－mxa＋b＋p＋q－m－nx×100%。(5)p平p始＝a＋b＋p＋q－m－nxa＋b。(6)ρ(混)＝a·M＋b·MV(g·L－1)。(7)M＝a·M＋b·Ma＋b＋p＋q－m－nx(g·mol－1)。题组一有关转化率、反应速率等的基本计算1．在100℃时，把0.5molN2O4通入体积为5L的真空密闭容器中，立即出现红棕色。反应进行到2s时，NO2的浓度为0.02mol·L－1。在60s时，体系已达平衡，此时容器内压强为开始时的1.6倍。下列说法正确的是()A．前2s以N2O4的浓度变化表示的反应速率为0.01mol·L－1·s－1B．在2s时体系内的压强为开始时的1.1倍C．在平衡时体系内含N2O40.25molD．平衡时，N2O4的转化率为40%答案B解析N2O4和NO2之间存在如下转化关系：N2O4(g)2NO2(g)起始(mol)0.50反应(mol)0.050.02×52s时(mol)0.5－0.050.02×5v(N2O4)＝0.05mol2s×5L＝0.005mol·L－1·s－1气体总的物质的量为0．5mol－0.05mol＋0.02mol·L－1×5L＝0.55mol2s时的压强与开始时压强之比为p2s∶p始＝0.55∶0.5＝1.1∶1。60s达到平衡时，设有xmolN2O4反应。则有N2O4(g)2NO2(g)起始(mol)0.50反应(mol)x2x平衡(mol)0.5－x2x平衡时，气体总的物质的量为0.5mol－xmol＋2xmol＝(0.5＋x)mol，所以有0.5＋xmol0.5mol＝1.6，解得x＝0.3。平衡体系中含0.2molN2O4，N2O4的转化率为0.3mol0.5mol×100%＝60%。2．某温度下，H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)的平衡常数K＝9/4，该温度下在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中，投入H2(g)和CO2(g)，其起始浓度如表所示：起始浓度甲乙丙c(H2)/mol·L－10.0100.0200.020c(CO2)/mol·L－10.0100.0100.020下列判断不正确的是()A．平衡时，乙中CO2的转化率大于60%B．平衡时，甲中和丙中H2的转化率均是60%C．平衡时，丙中c(CO2)是甲中的2倍，是0.012mol·L－1D．反应开始时，丙中的反应速率最快，甲中的反应速率最慢答案C解析甲：H2(g)＋CO22O(g)＋CO(g)起始量/mol·L－10.0100.01000变化量/mol·L－1xxxx平衡量/mol·L－10.010－x0.010－xxxK＝x2/(0.010－x)2＝9/4解得x＝0.0060mol·L－1c(H2)＝0.010－x＝c(CO2)＝0.0040mol·L－1c(H2O)＝c(CO)＝0.0060mol·L－1α(H2)＝0.0060mol·L－1/0.010mol·L－1×100%＝60%，又因乙组中H2的起始浓度大于甲组的，故乙组中的反应相当于在甲组平衡的基础上再加入0.010mol·L－1的H2，使平衡又继续正向移动，导致乙中CO2的转化率大于60%，因此A项正确；丙可看作是2个甲合并而成的，又因H2(g)＋CO22O(g)＋CO(g)是平衡不受压强影响的反