2017-2018学年人教版高中化学选修4课堂学案：第二章-第三节-第4课时化学平衡常数-正式版

第4课时化学平衡常数[目标导航]1.知道化学平衡常数的含义，会写化学平衡常数表达式。2.会利用化学平衡常数进行反应程度的判断。3.能利用化学平衡常数进行简单计算。一、化学平衡常数1．定义在一定温度下，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，这个常数就是该反应的化学平衡常数(简称平衡常数)，符号用“K”表示。2．表达式对反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，K＝cp（C）·cq（D）cm（A）·cn（B）。例如，一定温度下，反应H2(g)＋I2(g)2HI(g)达平衡时的化学平衡常数K＝c2（HI）c（H2）·c（I2）。3．意义K值越大，反应进行的程度越大，反应物转化率越大。一般地，K＞105时，认为该反应进行得就基本完全了。4．影响因素K只受温度影响，与反应物和生成物的浓度无关。【合作探究】1．化学平衡常数表达式中，各物质的浓度是平衡浓度，还是某时刻的浓度？答案是平衡浓度。2．试书写下列可逆反应的化学平衡常数表达式，并归纳化学平衡常数表达式的书写要求。(1)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)(2)Cl2＋H2OHCl＋HClO答案(1)K＝c（CO）·c（H2）c（H2O）(2)K＝c（HCl）·c（HClO）c（Cl2）书写要求：①固体或纯液体不应写在平衡常数关系式中，平衡常数关系式中只包括气态物质和溶液中各溶质的浓度；②稀溶液中进行的反应，如有水参加，水也不写在平衡常数关系式中。3．书写下列两组可逆反应的化学平衡常数表达式，并判断其关系。(1)H2(g)＋I2(g)2HI(g)K12HI(g)H2(g)＋I2(g)K2(2)2SO2＋O22SO3K1SO2＋12O2SO3K2答案(1)K1＝c2（HI）c（H2）·c（I2）K2＝c（H2）·c（I2）c2（HI）K1＝1K2(2)K1＝c2（SO3）c2（SO2）·c（O2）K2＝c（SO3）c（SO2）·c12（O2）K1＝K22二、平衡转化率1．定义平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的量与转化前该反应物的量之比。2．表达式对于反应：aA＋bBcC＋dD，反应物A的转化率可以表示为α(A)＝A的初始浓度－A的平衡浓度A的初始浓度×100%＝c0（A）－c（A）c0（A）×100%＝反应物转化的物质的量（或浓度、体积）反应物起始的物质的量（或浓度、体积）×100%。【合作探究】1．化学平衡常数与平衡转化率有何异同？答案平衡常数和平衡转化率都可以表示可逆反应进行的程度，但是平衡转化率随着反应物起始浓度的不同而变化，而平衡常数却不受起始浓度的影响。因此，平衡常数更能反映出反应的本质。平衡常数与某反应物的平衡转化率之间是可以互相求算的。2．对于aA(g)bB(g)＋cC(g)，在恒温恒容条件下增加A的量，A的转化率怎样变化？答案①若a＝b＋c，A的转化率不变；②若a＞b＋c，A的转化率增大；③若a＜b＋c，A的转化率减小。3．对于aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，在恒温恒容条件下：(1)若只增加A的量，A、B的转化率怎样变化？(2)若同时同倍数增加A、B的量，A、B的转化率怎样变化？答案(1)A的转化率减小，B的转化率增大。(2)若a＋b＝c＋d，A、B的转化率不变；若a＋b＞c＋d，A、B的转化率均增大；若a＋b＜c＋d，A、B的转化率均减小。一、有关平衡常数的应用【例1】在一定体积的密闭容器中，进行如下化学反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，其化学平衡常数K和温度T的关系如表所示：T/℃70080083010001200K0.60.91.01.72.6回答下列问题：(1)该反应的化学平衡常数表达式为K＝________。(2)该反应为________反应(填“吸热”或“放热”)。(3)某温度下，平衡浓度符合下式：c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，试判断此时的温度为________℃。该温度下加入1molCO2(g)和1molH2(g)，充分反应，达到平衡时，CO2的转化率为________。(4)在800℃时，发生上述反应，某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)为2mol·L－1，c(H2)为1.5mol·L－1，c(CO)为1mol·L－1，c(H2O)为3mol·L－1，则正、逆反应速率的比较为v正________v逆(填“＞”、“＜”或“＝”)。解析(2)温度越高，K值越大，说明升温平衡正向移动，正向为吸热反应。(3)由题意可得K＝1，查表可知温度为830℃，设反应了的CO2为xmol，则消耗掉的H2为xmol，生成的CO和H2O均是xmol(体积为VL)。K＝1＝xV·xV1－xV·1－xV，整理得x＝0.5。则CO2的转化率为50%。(4)Qc＝c（CO）·c（H2O）c（CO2）·c（H2）＝1×32×1.5＝1＞0.9，所以v正＜v逆。答案(1)c（CO）·c（H2O）c（CO2）·c（H2）(2)吸热(3)83050%(4)＜【归纳总结】化学平衡常数的应用(1)判断反应进行的方向①Qc＜K反应正向进行；②Qc＝K反应处于平衡；③Qc＞K反应逆向进行。(2)判断反应的热效应变式训练1在0.5L的密闭容器中，一定量的氮气与氢气进行如下反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝akJ·mol－1，其化学平衡常数K与温度的关系如下：温度/℃200300400K1.00.860.5请回答下列问题。(1)写出该反应的化学平衡常数表达式：_____________________________________________，a________(填“大于”、“小于”或“等于”)0。(2)400℃时，2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的化学平衡常数为________，测得氨气、氮气、氢气的物质的量分别为3mol、2mol、1mol时，该反应的v正(N2)________(填“大于”、“小于”或“等于”)v逆(N2)。答案(1)K＝c2（NH3）c（N2）·c3（H2）小于(2)2大于解析(1)根据平衡常数的定义可写出该反应的平衡常数表达式为K＝c2（NH3）c（N2）·c3（H2）。由表中数据可知，温度升高，平衡常数减小，即平衡逆向移动，故正反应为放热反应，所以a＜0。(2)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)与2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数互为倒数，故400℃时2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的化学平衡常数K＝1/0.5＝2。当氨气、氮气、氢气的物质的量分别为3mol、2mol、1mol时，三者的浓度分别为6mol·L－1、4mol·L－1、2mol·L－1，此时的浓度商Qc＝4×2362＝89＜K，所以平衡正向移动，v正(N2)＞v逆(N2)。二、有关化学平衡常数的计算【例2】工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH3的物质的量分数(NH3的物质的量与反应体系中总的物质的量之比)为47。试计算：(1)该条件下N2的平衡转化率为________。(2)该条件下反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数为________。解析设N2转化的物质的量浓度为x，N2＋3H22NH3起始浓度(mol·L－1)0.30.80转化浓度(mol·L－1)x3x2x平衡浓度(mol·L－1)0.3－x0.8－3x2x所以2x（0.3－x）＋（0.8－3x）＋2x＝47，解得x＝0.2mol·L－1，N2的转化率为0.2mol·L－10.3mol·L－1×100%≈66.7%。反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)的平衡常数K＝c3（H2）·c（N2）c2（NH3）＝（0.8－3×0.2）3×（0.3－0.2）（2×0.2）2＝0.005。答案(1)66.7%(2)0.005【归纳总结】化学平衡的计算模式及解题思路(1)计算模式aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)c(初)(mol·L－1)n1n200Δc(mol·L－1)n1xban1xcan1xdan1xc(平)(mol·L－1)n1(1－x)n2－ban1xcan1xdan1x(2)解题思路①巧设未知数：具体题目要具体分析，灵活设立，一般设某物质的转化量为x。②确定三个量：根据反应物、生成物及变化量的三者关系代入未知数确定平衡体系中各物质的起始量、变化量、平衡量并按(1)中“模式”列表。③解题设问题：明确了“始”、“变”、“平”三个量的具体数值，再根据相应关系求平衡时某成分的浓度、反应物转化率等，得出题目答案。变式训练2在某密闭容器中把CO和H2O的混合物加热到800℃，存在平衡：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，且平衡常数K＝1。若在2L的密闭容器中充入1molCO和1molH2O的混合物并加热到800℃，则平衡时CO的转化率为()A．40%B．50%C．60%D．83.3%答案B解析设CO的转化率为x，则CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）n（始）（mol）：1100n（变）（mol）：xxxxn（平）（mol）：1－x1－xxx由K＝c（CO2）·c（H2）c（CO）·c（H2O）知：x2mol·L－1×x2mol·L－11－x2mol·L－1×1－x2mol·L－1＝1，解得：x＝50%。1．下列关于某一化学反应的平衡常数的说法中，正确的是()A．与该反应的压强有关B．与反应的温度有关，还与反应本身有关C．与化学反应本身和温度有关，并且会受到起始浓度的影响D．只与化学反应本身有关，与其他任何条件无关的一个不变的常数答案B解析K与反应温度有关，表达式与方程式的书写有关，但与起始浓度、压强无关。2．高温下，某反应达到平衡，平衡常数K＝c（CO）·c（H2O）c（CO2）·c（H2）。恒容时，温度升高，H2浓度减小。下列说法正确的是()A．该反应的焓变为正值B．恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小C．升高温度，逆反应速率减小D．该反应的化学方程式为CO＋H2O催化剂高温CO2＋H2答案A解析由平衡常数K＝c（CO）·c（H2O）c（CO2）·c（H2），可知反应为CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，D错误；温度升高时H2浓度减小，说明在恒容时平衡正向移动，ΔH0，A正确；恒容时增大压强，H2的浓度可能不变，B错误；升高温度，v正和v逆都增大，C错误。3．对于可逆反应：C(s)＋CO2(g)2CO(g)，在一定温度下，其平衡常数为K，下列条件的变化中，能使K发生变化的是()A．将C(s)的表面积增大B．增大体系的压强C．升高体系的温度D．使用合适的催化剂答案C解析K只与体系的温度有关，与反应物、生成物的起始浓度无关。4．对于反应3Fe(s)＋4H2O(g)Fe3O4(s)＋4H2(g)的平衡常数，下列说法正确的是()A．K＝c4（H2）·c（Fe3O4）c3（Fe）·c4（H2O）B．K＝c4（H2）c4（H2O）C．增大c(H2O)或减小c(H2)，会使该反应平衡常数减小D．改变反应的温度，平衡常数不一定变化答案B解析固体反应物或生成物，其浓度可视为常数，在平衡常数表达式中不写，故A错误，B正确；化学平衡常数是反应的特性常数，只与温度有关，而与反应物、生成物的浓度变化无关，故增大c(H2O)或减小c(H2)，该反应的平衡常数不变，但温度改变，平衡常数一定改变，故C、D错误。5．在25℃时，密闭容器中X、Y、Z三种气体的初始浓度和平衡浓度如下表：物质XYZ初始浓度/mol·L－10.10.20平衡浓度/mol·L－10.050.050.1下列说法错误的是()A．反应达到平衡时，X的转化率为50%B．反应可表示为X＋3Y2Z，其平衡常数为1600C．增大压强使平衡向生成Z的方向移动，平衡常数增大D．改变温度可以改变此反应