版高考化学一轮复习第七章第三节化学平衡常数化学反应进行的方向学案.docx

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版高考化学一轮复习第七章第三节化学平衡常数化学反应进行的方向学案

第三节

化学平衡常数　化学反应进行的方向

考点

（一）　化学平衡常数　转化率【点多面广精细研】

1．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，称为化学平衡常数（简称平衡常数），用符号K表示。

（2）表达式

①对于反应mA（g）＋nB（g）

pC（g）＋qD（g），K＝（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）。

②K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。

（3）实例

化学方程式

平衡常数

关系式

N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）

K1＝

K2＝（或

）

K3＝

N2（g）＋H2（g）

NH3（g）

K2＝

2NH3（g）

N2（g）＋3H2（g）

K3＝

（4）影响因素：

温度。

（5）K值与可逆反应进行程度的关系

K

<10－5

10－5～105

>105

反应程度

很难进行

反应可逆

反应可接近完全

2.平衡转化率

对于上例反应中A（g）的平衡转化率可表示为α（A）＝×100%[c0（A）代表A的初始浓度，c平（A）代表A的平衡浓度]。

[小题练微点]

1．判断下列说法的正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）平衡常数表达式中，物质的浓度可以是任一时刻的浓度（　　）

（2）可逆反应2A（s）＋B（g）

2C（g）＋3D（g）的平衡常数为K＝（　　）

（3）化学平衡发生移动，平衡常数一定改变（　　）

（4）对于反应2SO2（g）＋O2（g）

2SO3（g），升高温度，K值减小，则ΔH<0（　　）

（5）平衡常数大的可逆反应的反应物的转化率一定大（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）×

2．已知反应A（g）＋3B（g）

3C（g）在一定温度下达到平衡，该反应的平衡常数表达式为____________。

若各物质的平衡浓度分别为c（A）＝2.0mol·L－1、c（B）＝2.0mol·L－1、c（C）＝1.0mol·L－1，则K＝________。

答案：

K＝　0.0625

[学霸微提醒]

（1）K只受温度的影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。

（2）计算平衡常数利用的是物质的平衡浓度，而不是任意时刻浓度，一般不能用物质的量代替浓度。

（3）催化剂能加快化学反应速率，但对化学平衡无影响，也不会改变平衡常数的大小。

（4）化学反应方向改变或化学计量数改变，平衡常数均发生改变。

1.（2018·全国卷Ⅰ节选）F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25℃时N2O5（g）分解反应：

其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。

体系的总压强p随时间t的变化如表所示[t＝∞时，N2O5（g）完全分解]：

t/min

0

40

80

160

260

1300

1700

∞

p/kPa

35.8

40.3

42.5

45.9

49.2

61.2

62.3

63.1

25℃时N2O4（g）

2NO2（g）反应的平衡常数Kp＝________kPa（Kp为以分压表示的平衡常数，计算结果保留1位小数）。

解析：

时间无限长时N2O5完全分解，故由2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）知，此时生成的p＝2p＝2×35.8kPa＝71.6kPa，p＝0.5×35.8kPa＝17.9kPa。

由题意知，平衡时体系的总压强为63.1kPa，则平衡体系中NO2、N2O4的压强和为63.1kPa－17.9kPa＝45.2kPa，设N2O4的压强为xkPa，则

　　　　　N2O4（g）

2NO2（g）

初始压强/kPa071.6

转化压强/kPax2x

平衡压强/kPax71.6－2x

则x＋（71.6－2x）＝45.2，解得x＝26.4,71.6kPa－26.4kPa×2＝18.8kPa，Kp＝＝≈13.4kPa。

答案：

13.4

2．（2018·全国卷Ⅱ节选）CH4—CO2催化重整反应为CH4（g）＋CO2（g）===2CO（g）＋2H2（g）。

某温度下，在体积为2L的容器中加入2molCH4、1molCO2以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，其平衡常数为________mol2·L－2。

解析：

　　　　　CH4（g）＋CO2（g）===2CO（g）＋2H2（g）

起始/（mol·L－1）10.500

转化/（mol·L－1）0.250.250.50.5

平衡/（mol·L－1）0.750.250.50.5

K＝

＝＝mol2·L－2。

答案：

3．（2018·全国卷Ⅲ节选）对于反应2SiHCl3（g）===SiH2Cl2（g）＋SiCl4（g），采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂，在323K和343K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。

（1）343K时反应的平衡转化率α＝________%。

平衡常数K343K＝________（保留2位小数）。

（2）在343K下：

要提高SiHCl3转化率，可采取的措施是________________；要缩短反应达到平衡的时间，可采取的措施有________________、________________。

（3）比较a、b处反应速率大小：

va____________vb（填“大于”“小于”或“等于”）。

反应速率v＝v正－v逆＝

－

，k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数，x为物质的量分数，计算a处的＝________（保留1位小数）。

解析：

温度越高，反应速率越快，达到平衡的时间越短，点a所在曲线达到平衡的时间短，则点a所在曲线代表343K时SiHCl3的转化率变化，点b所在曲线代表323K时SiHCl3的转化率变化。

（1）由题图可知，343K时反应的平衡转化率α＝22%。

设起始时SiHCl3（g）的浓度为1mol·L－1，则有

2SiHCl3（g）===SiH2Cl2（g）＋SiCl4（g）

起始/（mol·L－1）100

转化/（mol·L－1）0.220.110.11

平衡/（mol·L－1）0.780.110.11

则343K时该反应的平衡常数

K343K＝＝≈0.02。

（2）在343K时，要提高SiHCl3转化率，可采取的措施是及时移去产物，使平衡向右移动；要缩短反应达到平衡的时间，需加快化学反应速率，可采取的措施有提高反应物压强或浓度、改进催化剂等。

（3）温度越高，反应速率越快，a点温度为343K，b点温度为323K，故反应速率：

va＞vb。

反应速率v＝v正－v逆＝

－

，则有v正＝

，v逆＝

，343K下反应达到平衡状态时v正＝v逆，即

＝

，此时SiHCl3的平衡转化率α＝22%，经计算可得SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.78、0.11、0.11，则有k正×0.782＝k逆×0.112，＝≈0.02。

a处SiHCl3的平衡转化率α＝20%，此时SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.8、0.1、0.1，则有＝

＝·

＝0.02×≈1.3。

答案：

（1）22　0.02　

（2）及时移去产物　改进催化剂　提高反应物压强（浓度）　

（3）大于　1.3

1．压强平衡常数（Kp）的计算

（1）Kp含义：

在化学平衡体系中，用各气体物质的分压替代浓度，计算得到的平衡常数叫压强平衡常数，其单位与表达式有关。

例如，N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g），压强平衡常数表达式为Kp＝。

（2）计算技巧：

第一步

根据“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度

第二步

计算各气体组分的物质的量分数或体积分数

第三步

根据分压计算公式求出各气体物质的分压，某气体的分压＝气体总压强×该气体的体积分数（或物质的量分数）

第四步

根据平衡常数计算公式代入计算

2.化学平衡计算模板

（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：

对于反应mA（g）＋nB（g）

pC（g）＋qD（g），设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）＋nB（g）

pC（g）＋qD（g）

起始/molab00

转化/molmxnxpxqx

平衡/mola－mxb－nxpxqx

则有：

①K＝。

②c（A）平＝mol·L－1。

③α（A）平＝×100%，α（A）∶α（B）＝∶＝。

④φ（A）＝×100%。

⑤＝。

⑥（混）＝（g·L－1）。

⑦＝（g·mol－1）。

4.（2017·天津高考）常压下羰基化法精炼镍的原理为Ni（s）＋4CO（g）

Ni（CO）4（g）。

230℃时，该反应的平衡常数K＝2×10－5。

已知：

Ni（CO）4的沸点为42.2℃，固体杂质不参与反应。

第一阶段：

将粗镍与CO反应转化成气态Ni（CO）4；

第二阶段：

将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230℃制得高纯镍。

下列判断正确的是（　　）

A．增加c（CO），平衡向正向移动，反应的平衡常数增大

B．第一阶段，在30℃和50℃两者之间选择反应温度，选50℃

C．第二阶段，Ni（CO）4分解率较低

D．该反应达到平衡时，v生成[Ni（CO）4]＝4v生成（CO）

解析：

选B　增加c（CO），平衡正向移动，但平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数不变，A项错误；第一阶段，50℃时，反应速率较快且Ni（CO）4为气态，能从反应体系中分离出来，B项正确；相同温度下，第二阶段与第一阶段的平衡常数互为倒数，则230℃时，第二阶段的平衡常数K′＝5×104，反应进行的程度大，故Ni（CO）4分解率较高，C项错误；该反应达到平衡时，4v生成[Ni（CO）4]＝v生成（CO），D项错误。

5．（2019·湖北八校联考）在300mL的密闭容器中，放入镍粉并充入一定量的CO气体，一定条件下发生反应：

Ni（s）＋4CO（g）

Ni（CO）4（g），已知该反应平衡常数与温度的关系如表所示：

温度/℃

25

80

230

平衡常数

5×104

2

1.9×10－5

下列说法不正确的是（　　）

A．上述生成Ni（CO）4（g）的反应为放热反应

B．25℃时，反应Ni（CO）4（g）

Ni（s）＋4CO（g）的平衡常数为2×10－5

C．80℃达到平衡时，测得n（CO）＝0.3mol，则Ni（CO）4的平衡浓度为2mol·L－1

D．在80℃时，测得某时刻Ni（CO）4、CO的浓度均为0.5mol·L－1，则此时v正>v逆

解析：

选D　根据题表数据分析，平衡常数随温度升高而减小，说明升高温度平衡逆向移动，逆向是吸热反应，正向是放热反应，故A正确；25℃时，反应Ni（CO）4（g）

Ni（s）＋4CO（g）的平衡常数与Ni（s）＋4CO（g）

Ni（CO）4（g）的平衡常数互为倒数，即平衡常数为＝2×10－5，故B正确；80℃达到平衡时，测得n（CO）＝0.3mol，则c（CO）＝＝1mol·L－1，依据平衡常数表达式K＝＝2，则Ni（CO）4的平衡浓度为2mol·L－1，故C正确；在80℃时，测得某时刻Ni（CO）4、CO的浓度均为0.5mol·L－1，Q＝＝＝8>2，说明反应逆向进行，则此时v正

平衡常数的4大应用

（1）利用K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，K大说明反应进行的程度大，反应物的转化率大；K小说明反应进行的程度小，反应物的转化率小。

（2）利用K判断反应的热效应

若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应；若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。

（3）利用K的表达式确定化学方程式

根据平衡常数的书写原则确定出反应物、生成物以及各物质的化学计量数。

（4）利用K判断化学平衡状态及反应的方向

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，通过浓度商与K的相对大小来确定反应是否达到平衡状态。

Q＝。

Q　　　　

1．高温下，某反应达到平衡状态，平衡常数K＝。

恒容时，温度升高，H2的浓度减小。

下列说法正确的是（　　）

A．该反应的化学方程式为CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）

B．该反应的焓变为正值

C．升高温度，逆反应速率减小

D．恒温恒容时，增大压强，H2的浓度一定减小

解析：

选B　该反应的平衡常数K＝，可得化学方程式：

CO2（g）＋H2（g）

CO（g）＋H2O（g），A错误；恒容时，温度升高，H2的浓度减小，说明平衡正向移动，则该反应的ΔH>0，B正确；升高温度，正、逆反应速率均增大，C错误；恒温恒容时，若通过压缩气体体积增大压强，因为反应前后气体体积不变，平衡不发生移动，c（H2）增大，若充入“惰性”气体增大压强，平衡不发生移动，c（H2）不变，D错误。

2．若10L恒容密闭容器中充入X（g）和Y（g），发生反应X（g）＋Y（g）

M（g）＋N（g），所得实验数据如表所示：

实验

编号

温度

/℃

起始时物质的量/mol

平衡时物质的量/mol

n（X）

n（Y）

n（M）

Ⅰ

700

0.40

0.10

0.090

Ⅱ

800

0.10

0.40

0.080

Ⅲ

800

0.20

0.30

a

Ⅳ

900

0.10

0.15

b

下列说法正确的是（　　）

A．实验Ⅰ中，若5min时测得n（M）＝0.050mol，则0至5min内，用N表示的平均反应速率v（N）＝1.0×10－2mol·L－1·min－1

B．实验Ⅱ中该反应的平衡常数K＝2.0

C．实验Ⅲ中，达到平衡时，Y的为40%

D．实验Ⅳ中，达到平衡时，

点拨：

①计算转化率→平衡时Y的物质的量→化学平衡常数→Ⅱ、Ⅲ的温度相同，则平衡常数相同。

②0.060实际上是将Ⅲ中a＝0.12减小一半得到的数据，但Ⅲ、Ⅳ温度不相等，由Ⅰ、Ⅱ数据可知Ⅰ中K＝2.6，Ⅱ中K＝1.0，即温度升高，K变小，平衡向逆反应方向移动，则Ⅳ中b<0.060。

解析：

选C　实验Ⅰ5min时n（M）＝0.050mol，则有0～5min内，v（M）＝＝1×10－3mol·L－1·min－1；据反应速率与化学计量数的关系可得：

v（N）＝v（M）＝1×10－3mol·L－1·min－1，A错误；利用“三段式法”计算实验Ⅱ中反应的平衡常数：

　　　　　　　　X（g）＋Y（g）

M（g）＋N（g）

起始/（mol·L－1）0.010.0400

转化/（mol·L－1）0.0080.0080.0080.008

平衡/（mol·L－1）0.0020.0320.0080.008

则平衡常数K＝＝＝1.0，B错误；实验Ⅱ、Ⅲ的温度均为800℃，则化学平衡常数均为1.0，设实验Ⅲ中Y的转化量为xmol，则有：

　　　　　　X（g）＋Y（g）

M（g）＋N（g）

起始/mol0.200.3000

转化/molxxxx

平衡/mol0.20－x0.30－xxx

则有K＝＝1.0，解得x＝0.12，故实验Ⅲ中Y的转化率为×100%＝40%，C正确；实验Ⅰ的温度为700℃，经计算平衡常数K＝≈2.61，而800℃时平衡常数为1.0，说明温度升高，平衡逆向移动，化学平衡常数减小，则该反应的ΔH<0。

实验Ⅳ的温度若为800℃，平衡时n（M）＝0.060mol，而将温度由800℃升高到900℃，平衡逆向移动，n（M）减小，故b<0.060，D错误。

3．（2017·全国卷Ⅰ节选）H2S与CO2在高温下发生反应：

H2S（g）＋CO2（g）

COS（g）＋H2O（g）。

在610K时，将0.10molCO2与0.40molH2S充入2.5L的空钢瓶中，反应平衡后为0.02。

（1）H2S的平衡转化率α1＝__________%，K＝________。

（2）在620K重复实验，平衡后水的物质的量分数为0.03，H2S的转化率α2______α1，该反应的ΔH______0。

（填“>”“<”或“＝”）

（3）向反应器中再分别充入下列气体，能使H2S转化率增大的是________（填标号）。

A．H2S　　　　　　　　　　B．CO2

C．COSD．N2

点拨：

①水的物质的量分数＝。

②对于反应前后都是气体，且化学计量数相等的反应，可直接用物质的量代替浓度计算平衡常数。

解析：

（1）用三段式法计算：

该反应是等气体分子数反应，平衡时n（H2O）＝0.02×0.50mol＝0.01mol。

　　　　　H2S（g）＋CO2（g）

COS（g）＋H2O（g）

起始/mol　0.40　0.10　　　0　　　0

转化/mol　0.010.010.010.01

平衡/mol　0.390.090.010.01

α（H2S）＝×100%＝2.5%。

对于等气体分子数反应，可直接用物质的量替代浓度计算平衡常数：

K＝＝≈2.8×10－3。

（2）总物质的量不变，H2O的物质的量分数增大，说明平衡向右移动，H2S的转化率增大。

即升高温度，平衡向正反应方向移动，正反应是吸热反应。

（3）平衡之后，再充入H2S，则CO2的转化率增大，H2S的转化率减小，A项错误；充入CO2，平衡向右移动，H2S的转化率增大，B项正确；充入COS，平衡向左移动，H2S的转化率减小，C项错误；充入N2，无论体积是否变化，对于气体分子数相等的反应，平衡不移动，H2S的转化率不变，D项错误。

答案：

（1）2.5　2.8×10－3　

（2）>　>　（3）B

考点

（二）　化学反应进行的方向【精讲精练快冲关】

[知能学通]

1．自发过程

（1）含义：

在一定条件下，不需要借助光、电等外力作用就能自动进行的过程。

（2）特点

①高能量状态

低能量状态。

②有序状态无序状态。

2．熵和熵变

（1）熵是量度体系混乱程度的物理量，符号为。

（2）影响熵大小的因素：

①相同条件下，物质不同熵不同。

②同一物质：

S（g）>S（l）>S（s）。

（3）熵变（ΔS）＝生成物的总熵－反应物的总熵。

3．化学反应方向的判据

[题点练通]

1．下列反应过程中，ΔH>0且ΔS>0的是（　　）

A．NH3（g）＋HCl（g）===NH4Cl（s）

B．CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g）

C．4Al（s）＋3O2（g）===2Al2O3（s）

D．HCl（aq）＋NaOH（aq）===NaCl（aq）＋H2O（l）

解析：

选B　A是熵减的放热反应；C是熵减的放热反应；D是放热反应。

2．已知：

（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）＋NH3（g）　ΔH＝74.9kJ·mol－1。

下列说法中正确的是（　　）

A．该反应中熵变小于0，焓变大于0

B．该反应是吸热反应，因此一定不能自发进行

C．碳酸盐分解反应中熵增加，因此任何条件下所有碳酸盐分解一定自发进行

D．判断反应能否自发进行需要根据ΔH与ΔS综合考虑

解析：

选D　单一的焓变或熵变均不能准确判断反应能否自发进行。

3．分析下列反应在任何温度下均能自发进行的是（　　）

A．2N2（g）＋O2（g）===2N2O（g）　ΔH＝＋163kJ·mol－1

B．H2O2（l）===O2（g）＋H2O（l）ΔH＝－98kJ·mol－1

C．HgO（s）===Hg（l）＋O2（g）　ΔH＝＋91kJ·mol－1

D．Ag（s）＋Cl2（g）===AgCl（s）　ΔH＝－127kJ·mol－1

解析：

选B　A项，反应是熵减的吸热反应，ΔH＞0，ΔS＜0，在任何温度下都不能自发进行，错误；B项，反应是熵增的放热反应，ΔH＜0，ΔS＞0,在任何温度下均能自发进行，正确；C项，反应是熵增的吸热反应，ΔH＞0，ΔS＞0，在低温下不能自发进行，错误；D项，反应是熵减的放热反应，ΔH＜0，ΔS＜0，在高温下不能自发进行，错误。

[归纳拓展]

复合判据ΔG＝ΔH－TΔS的应用

ΔH

ΔS

ΔG

反应情况

－

＋

<0

任何温度下均自发进行

＋

－

>0

任何温度下均非自发进行

＋

＋

低温>0、高温<0

低温时非自发，高温时自发

－

－

低温<0、高温>0

低温时自发，高温时非自发