新教材2023-2024學年高中化學第2章化學反應的方向限度與速率第2節(jié)化學反應的限度第1課時化學平衡常數(shù)平衡轉化率課件魯科版選擇性必修1

第2章化學反應的方向、限度與速率第2節(jié)第1課時化學平衡常數(shù)平衡轉化率素養(yǎng)目標1.知道可逆反應在一定條件下達平衡狀態(tài),能判斷化學反應是否達到平衡狀態(tài),從而形成變化觀念與平衡思想的學科核心素養(yǎng)。2.能書寫平衡常數(shù)表達式,能進行平衡常數(shù)、轉化率的計算,形成證據(jù)推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)。3.能利用平衡常數(shù)和濃度商判斷平衡移動的方向,形成變化觀念與平衡思想的學科核心素養(yǎng)?；A落實?必備知識全過關重難探究?能力素養(yǎng)全提升目錄索引

基礎落實?必備知識全過關必備知識一、化學平衡常數(shù)1.定義:在一定溫度下,當一個可逆反應達到平衡狀態(tài)時,反應產(chǎn)物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值是一個常數(shù),這個常數(shù)就是該反應的化學平衡常數(shù)(簡稱平衡常數(shù)),用K表示。2.表達式

3.意義:K值越大,表示反應進行的程度越大,反應物轉化率越大。一般地,K>105(或106)時,認為該反應進行得較完全了。4.影響因素:平衡常數(shù)K只受溫度影響,與反應物和反應產(chǎn)物的濃度無關。二、平衡轉化率1.定義:平衡轉化率是指平衡時已轉化了的某反應物的物質的量與轉化前該反應物的物質的量之比。自我檢測判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)平衡常數(shù)表達式中,可以是物質的任一濃度。(

)(2)催化劑既能改變速率常數(shù),也能改變化學平衡常數(shù)。(

)(3)對于同一可逆反應,升高溫度,則化學平衡常數(shù)增大。(

)(4)增大反應物的濃度,平衡正向移動,化學平衡常數(shù)增大。(

)(5)可逆反應中反應物的轉化率不能達到100%。(

)××××√重難探究?能力素養(yǎng)全提升探究一化學平衡狀態(tài)的判斷標志問題探究1.化學反應達到平衡時,反應是否停止了?提示不是?；瘜W平衡是動態(tài)平衡,化學反應達到平衡時反應仍在進行,此時正、逆反應速率相等,但是不等于零。2.若反應體系的總壓強不變,該可逆反應一定達平衡了嗎?提示不一定。對反應前后氣體體積相等的反應,壓強不變不能作為反應達到平衡的判據(jù)。3.若某可逆反應體系的氣體密度不變,該可逆反應達平衡了嗎?提示不一定。若該可逆反應體系中的物質都是氣體,且容器的容積不變,則密度始終不變,因此密度不變不能作為反應達到平衡的判據(jù)。歸納拓展化學平衡狀態(tài)的判斷

化學反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡混合物體系中各成分的含量①各物質的物質的量或物質的量分數(shù)一定是②各物質的質量或質量分數(shù)一定是③各氣體的體積或體積分數(shù)一定是④總體積、總壓強、總物質的量一定不一定化學反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡正、逆反應速率之間的關系①單位時間內消耗了mmolA,同時也生成了mmolA是②單位時間內消耗了nmolB,同時也消耗了pmolC是③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q不一定④單位時間內生成了nmolB,同時也消耗了qmolD不一定壓強①其他條件一定、總壓強一定,且m+n≠p+q是②其他條件一定、總壓強一定,且m+n=p+q不一定混合氣體的平均相對分子質量①平均相對分子質量一定,且m+n≠p+q是②平均相對分子質量一定,且m+n=p+q不一定化學反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)是否平衡溫度任何化學反應都伴隨著能量變化,當體系溫度一定時是氣體密度(ρ)①只有氣體參加的反應,密度保持不變(恒容密閉容器中)不一定②m+n≠p+q時,密度保持不變(恒壓容器中)是③m+n=p+q時,密度保持不變(恒壓容器中)不一定顏色反應體系內有色物質的顏色穩(wěn)定不變(其他條件不變)是應用體驗視角1可逆反應的理解1.在下列反應CO+H2O

CO2+H2中,加入C18O后,則18O(

)A.只存在于CO和CO2中B.存在于CO、H2O、CO2中C.只存在于CO中D.存在于CO、H2O、CO2、H2中B解析

加入C18O后,反應后18O會進入CO2,可逆反應逆向進行,18O可能進入H2O或CO,故18O存在于CO、H2O、CO2中,故答案為B。2.一定條件下,起始濃度依次為0.4mol·L-1、0.6mol·L-1、0.9mol·L-1的SO2、O2、SO3,發(fā)生反應2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),反應達到平衡時下列數(shù)據(jù)合理的是(

)A.c平(SO3)=1.3mol·L-1B.c平(O2)=1.1mol·L-1C.c平(SO2)+c平(SO3)=1.2mol·L-1D.c平(O2)+c平(SO2)+c平(SO3)=1.9mol·L-1D解析

假設反應正向進行,設O2的轉化濃度為a

mol·

L-1,三段式為

2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)起始量/(mol·L-1)

0.4

0.6

0.9轉化量/(mol·L-1)

2a

a

2a平衡量/(mol·L-1)

0.4-2a

0.6-a

0.9+2a其中0.4-2a>0,0.9+2a>0,即-0.45<a<0.2。c平(SO3)=0.9+2a<1.3

mol·

L-1,A錯誤;c平(O2)=0.6-a<1.05

mol·

L-1,B錯誤;根據(jù)硫原子守恒,c平(SO2)+c平(SO3)=1.3

mol·

L-1,C錯誤;若加入起始濃度的各種物質之后剛好達到平衡狀態(tài),則c平(O2)+c平(SO2)+c平(SO3)=1.9

mol·

L-1,D正確。方法點撥

可逆反應中判斷物質濃度范圍的方法由于可逆反應中存在反應的限度,在判斷反應物或生成物濃度(或物質的量)范圍時,常用極端假設的方法,即“一邊倒”,假設全部轉化為反應物,可以確定反應物濃度的最大值、生成物濃度的最小值;假設全部轉化為生成物,可以確定反應物濃度的最小值、生成物濃度的最大值,從而確定反應物或生成物濃度的取值范圍。視角2化學平衡狀態(tài)的判斷3.下列標志可表明對應反應達到平衡狀態(tài)的是(

)選項反應條件可逆反應標志A恒溫恒容H2(g)+I2(g)

2HI(g)混合氣體的密度不變B恒溫恒容2NO(g)+O2(g)2NO2(g)混合氣體顏色不變C恒溫恒壓NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)NH3在混合氣體中的百分含量不變D恒溫恒壓2NO2(g)N2O4(g)c平(NO2)=2c平(N2O4)B解析

反應前后混合氣體的質量和容器容積均是不變的,混合氣體的密度一直不變,所以不一定是平衡狀態(tài),A錯誤。NO2為紅棕色氣體,容器內混合氣體的顏色不變,則NO2濃度不變,化學反應達到平衡狀態(tài),B正確。反應中生成的NH3和CO2物質的量之比始終為2∶1,故NH3在混合氣體中的百分含量始終保持不變,無法判斷反應是否達到平衡狀態(tài),C錯誤。c平(NO2)=2c平(N2O4),無法判斷正、逆反應速率相等,故無法判斷化學反應是否達到平衡狀態(tài),D錯誤。4.在一定溫度下,容積一定的密閉容器中發(fā)生反應A(s)+2B(g)C(g)+D(g),當下列物理量不再發(fā)生變化時,表明反應已達平衡的是(

)①混合氣體的密度②混合氣體的壓強③B的物質的量濃度④混合氣體的總物質的量A.只有①②

B.只有②③C.只有①③

D.只有①④C解析

①該容器的容積保持不變,根據(jù)質量守恒定律知,反應前后混合氣體的質量會變,所以容器內氣體的密度會變,當容器中氣體的密度不再發(fā)生變化時,能表明達到化學平衡狀態(tài),故正確;②該反應是反應前后氣體體積沒有變化的反應,容器中的壓強始終不發(fā)生變化,所以壓強不變不能證明達到了平衡狀態(tài),故錯誤;③B的物質的量濃度不變是平衡狀態(tài)的特征之一,此時能證明達到了平衡狀態(tài),故正確;④該反應是一個反應前后氣體體積不變的可逆反應,無論該反應是否達到平衡狀態(tài),混合氣體的總物質的量都不變,所以不能據(jù)此判斷反應是否達到平衡狀態(tài),故錯誤。規(guī)律方法

判斷化學平衡狀態(tài)的方法——“正逆相等,變量不變”5.一定條件下的密閉容器中,可逆反應2A(g)

B(g)+3C(g)在下列四種狀態(tài)中處于平衡狀態(tài)的是(

)D解析

根據(jù)v正(A)=2

mol·

L-1·min-1,可得v正(B)=1

mol·

L-1·min-1,而v逆(B)=2

mol·

L-1·min-1時,正、逆反應速率不相等,故未處于平衡狀態(tài),故A錯誤;根據(jù)v正(A)=1

mol·

L-1·min-1,可得v正(B)=0.5

mol·

L-1·min-1,而v逆(B)=1.5

mol·

L-1·min-1時,正、逆反應速率不相等,故未處于平衡狀態(tài),故B錯誤;根據(jù)v正(A)=2

mol·

L-1·min-1,可得v正(C)=3

mol·

L-1·min-1,而v逆(C)=1.5

mol·

L-1·min-1時,正、逆反應速率不相等,故未處于平衡狀態(tài),故C錯誤;v正(A)=2

mol·

L-1·min-1,v逆(A)=2

mol·

L-1·min-1,正、逆反應速率相等,故處于平衡狀態(tài),故D正確。6.(2023福建泉州高二期末統(tǒng)考)已知:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)

ΔH<0,一定條件下CO與H2O(g)反應的v-t圖像如下。30min、40min時分別只改變一個條件。下列說法錯誤的是(

)A.30min時,降低體系壓強B.40min時,增加CO2或H2的濃度C.平衡常數(shù):K(X)=K(Y)D.CO轉化率:α(X)<α(Y)D解析

由題干圖像可知,30

min時改變條件后,正、逆反應速率同等幅度地減小,平衡不移動,根據(jù)反應前后氣體的體積未改變可知,該條件為降低體系壓強或使用負催化劑,A正確;由題干圖像可知,40

min時改變條件后,逆反應速率突然增大,而后正反應速率逐漸增大,故該條件為增大生成物濃度即增加CO2或H2的濃度,B正確;由A、B分析可知,30

min和40

min時均未改變反應容器的溫度,溫度不變,平衡常數(shù)不變,故平衡常數(shù):K(X)=K(Y),C正確;由A、B分析可知,30

min時改變條件平衡不移動,而40

min時改變條件后平衡逆向移動,CO的轉化率減小,即CO轉化率:α(X)>α(Y),D錯誤。探究二化學平衡常數(shù)表達式的書寫與應用問題探究化學平衡常數(shù)與化學方程式書寫形式有什么關系?提示

(1)正、逆反應的平衡常數(shù)互為倒數(shù)。(2)若化學方程式中各物質的化學式前的系數(shù)都擴大至原來的n倍,則化學平衡常數(shù)變?yōu)樵瓉淼膎次冪。(3)兩個化學方程式相加得到新的化學方程式,新化學方程式對應反應的化學平衡常數(shù)是原來兩個化學方程式對應反應平衡常數(shù)的乘積。歸納拓展1.化學平衡常數(shù)表達式的書寫及注意事項

(2)化學平衡常數(shù)是指某一具體反應的平衡常數(shù),化學反應方向改變或化學式前的系數(shù)改變,化學平衡常數(shù)均發(fā)生改變。舉例如下:(3)注意事項。①K值越大,反應物的轉化率越高,正反應進行的程度越大。②K只受溫度影響,與反應物或反應產(chǎn)物的濃度變化無關。③催化劑能加快化學反應速率,但對化學平衡常數(shù)無影響。2.化學平衡常數(shù)的應用(1)判斷可逆反應進行的程度。K值大,說明反應進行的程度大,反應物的轉化率高;K值小,說明反應進行的程度小,反應物的轉化率低。(2)判斷化學反應進行的方向。

Q<K反應向正反應方向進行,v(正)>v(逆)Q=K反應處于化學平衡狀態(tài),v(正)=v(逆)Q>K反應向逆反應方向進行,v(正)<v(逆)(3)判斷可逆反應的熱效應。

應用體驗視角1平衡常數(shù)表達式的書寫C解析

平衡常數(shù)等于生成物濃度的冪次方乘積除以反應物的冪次方乘積;注意固體和純液體不寫在計算式中,則該反應的化學平衡常數(shù)

,答案選C。視角2平衡常數(shù)與反應的關系

A視角3平衡常數(shù)的計算與應用3.(判斷反應進行的程度)化學平衡常數(shù)K的數(shù)值大小是衡量化學反應進行程度的標志,在常溫下,下列反應的平衡常數(shù)的數(shù)值如下:以下說法正確的是(

)A.常溫下,NO分解產(chǎn)生O2的反應的平衡常數(shù)表達式為K1=c平(N2)·c平(O2)B.常溫下,2H2O(g)═2H2(g)+O2(g),此時平衡常數(shù)的數(shù)值約為5×10-82C.常溫下,NO、H2O、CO2三種物質分解放出O2的傾向由大到小的順序為H2O>NO>CO2D.常溫下,NO分解產(chǎn)生O2的反應進行的程度很大,因此NO不會造成大氣污染BB5.在一定溫度下,在1L的密閉容器中發(fā)生反應:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),平衡時測得C、H2O、CO、H2的物質的量都為0.1mol。(1)該反應的平衡常數(shù)K=

。

(2)若升高平衡體系的溫度,該反應的平衡常數(shù)會增大,則該反應的ΔH

(填“>”或“<”)0。

(3)相同條件下,向該密閉容器中充入各物質的起始量如下:①均為0.2mol,

②C(s)、H2O均為0.2mol,CO、H2均為0.1mol,判斷該反應進行的方向:①

,②

。

0.1mol·L-1>向逆反應方向進行

向正反應方向進行

(2)升高溫度平衡常數(shù)增大,說明平衡向右移動,則正反應為吸熱反應,ΔH>0。6.在一定容積的密閉容器中,進行如下化學反應:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),其化學平衡常數(shù)K和溫度T的關系如表所示:T/℃70080083010001200K0.60.91.01.72.6回答下列問題:(1)該反應的化學平衡常數(shù)表達式為K=

。

(2)該反應為

(填“吸熱”或“放熱”)反應。

(3)某溫度下,平衡濃度符合下式:c平(CO2)·c平(H2)=c平(CO)·c平(H2O),試判斷此時的溫度為

℃。

(4)在800℃時,發(fā)生上述反應,某一時刻測得容器內各物質的濃度分別為c(CO2)=2mol·L-1,c(H2)=1.5mol·L-1,c(CO)=1mol·L-1,c(H2O)=3mol·L-1,則正、逆反應速率的比較為v(正)

(填“>”“<”或“=”)v(逆)。

吸熱

830<解析(2)由題給數(shù)據(jù)可得,溫度越高,K值越大,說明升溫時平衡正向移動,則正向反應為吸熱反應。(3)由題意可得該溫度下的平衡常數(shù)K=1,根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知該溫度為830

℃。探究三“三段式”突破平衡常數(shù)(K)、轉化率的相關計算問題探究已知在密閉容器中發(fā)生可逆反應:M(g)+N(g)P(g)+Q(g)

ΔH>0。某溫度下,反應物的初始濃度分別為:c始(M)=2mol·L-1,c始(N)=4.8mol·L-1。1.若達到平衡后,M的轉化率為60%,此時N的轉化率為多少?該反應的平衡常數(shù)為多少?2.若升高反應溫度,該反應的平衡移動嗎?M的轉化率變化嗎?若在溫度不變時加入一定量的N,M的轉化率變化嗎?K如何變化?提示

該反應為吸熱反應,升高溫度,化學平衡向正反應方向移動,M的轉化率增大;若溫度不變時加入一定量的N,化學平衡向正反應方向移動,M的轉化率增大,K不變。歸納拓展1.常用解題模式——“三段式”2.明確三個量的關系(1)三個量:起始量、變化量、平衡量。(2)三個關系:①對于同一反應物,起始量-變化量=平衡量。②對于同一反應產(chǎn)物,起始量+變化量=平衡量。③各物質的轉化量之比等于化學方程式中各物質的化學式前面的系數(shù)之比。3.掌握四個公式

應用體驗1.氫氣是一種清潔能源。可由CO和水蒸氣反應制備,其能量變化如下圖所示。(1)上述反應為可逆反應。在800℃時,若CO的起始濃度為2.0mol·L-1,水蒸氣的起始濃度為3.0mol·L-1,達到化學平衡狀態(tài)后,測得CO2的濃度為1.2mol·L-1,則此反應的平衡常數(shù)為

,隨著溫度升高,該反應的化學平衡常數(shù)的變化趨勢是

。

1減小解析

根據(jù)“三段式”分析:

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)初始濃度/(mol·L-1)

2.0

3.0

0

0轉化濃度/(mol·L-1)

1.2

1.2

1.2

1.2平衡濃度/(mol·L-1)

0.8

1.8

1.2

1.2由于該反應為放熱反應,升高溫度時平衡常數(shù)減小。

(2)某溫度下,上述反應的平衡常數(shù)為K=。該溫度下在甲、乙、丙三個恒容密閉容器中投入H2O(g)和CO(g),其起始濃度如下表所示。下列判斷不正確的是

(填字母)。

起始濃度甲乙丙c始(H2O)/(mol·L-1)0.0100.0200.020c始(CO)/(mol·L-1)0.0100.0100.020A.反應開始時,丙中的反應速率最快,甲中的反應速率最慢B.平衡時,甲中和丙中H2O的轉化率均是25%C.平衡時,丙中c平(CO2)是甲中的2倍,是0.015mol·L-1D.平衡時,乙中H2O的轉化率大于25%CD解析

甲容器中反應物的濃度最小,丙容器中反應物的濃度最大,A正確;設平衡時甲中H2O的轉化率為x,

CO

+

H2O

CO2+

H2初始濃度/(mol·L-1)

0.01

0.01

0

0轉化濃度/(mol·L-1)

0.01x

0.01x

0.01x

0.01x平衡濃度/(mol·L-1)

0.01(1-x)

0.01(1-x)

0.01x

0.01x丙相當于甲中壓強增大一倍,平衡不移動,因而丙中H2O的轉化率仍為25%,B正確;丙中c平(CO2)=0.01

mol·L-1×25%×2=0.005

mol·L-1,C錯誤;乙相當于在甲的基礎上增大水蒸氣的濃度,平衡正向移動,CO的轉化率增大,但H2O的轉化率減小,因而H2O的轉化率小于25%,D錯誤?！咀兪皆O問】通過比較(2)中甲、乙容器中H2O、CO的轉化率,你能得出什么結論?提示

經(jīng)分析α甲(H2O)>α乙(H2O),α甲(CO)<α乙(CO)。結論:兩種反應物參加反應時,提高一種反應物的濃度,可以提高另一種反應物的轉化率,而該反應物的轉化率會降低。規(guī)律方法

有關平衡常數(shù)(K)、轉化率的解題思路(1)巧設未知數(shù):具體題目要具體分析,靈活設立,一般設某物質的轉化量為x。(2)確定三個量:列出各物質的起始量、轉化量及平衡量。(3)解決各問題:明確了“始”“變”“平”三個量的具體數(shù)值,再根據(jù)相應關系求平衡時某成分的濃度、反應物的轉化率等。2.H2S與CO2在高溫下發(fā)生反應:H2S(g)+CO2(g)OS(g)+H2O(g)。在610K時,將0.10molCO2與0.40molH2S充入2.5L的空鋼瓶中,反應達到平衡后水的物質的量分數(shù)為0.02。(1)H2S的平衡轉化率α1=

%,該反應平衡常數(shù)K=

。

(2)在620K重復實驗,平衡后水的物質的量分數(shù)為0.03,H2S的轉化率α2

α1,該反應的ΔH

(填“>”“<”或“=”)0。

(3)向反應器中再分別充入下列氣體,能使H2S轉化率增大的是_________

(填字母)。

A.H2S B.CO2C.COS D.N22.52.8×10-3>>B解析

(1)設平衡時轉化的H2S的物質的量為x,根據(jù)“三段式”分析:

H2S(g)+CO2(g)COS(g)+H2O(g)n(始)/

mol

0.40

0.10

0

0Δn/

mol

x

x

x

xn(平)/

mol

0.40-x

0.10-x

x

x根據(jù)題意可得解得:x=0.01

mol。

(2)升高溫度后水的物質的量分數(shù)增大,H2S的轉化率增大,平衡右移,則題給反應是吸熱反應,ΔH>0。(3)兩種反應物,增大一種反應物濃度,平衡右移,自身轉化率減小,另一反應物轉化率增大。3.工業(yè)合成氨的反應為N2(g)+3H2(g)2NH3(g),設在容積為2.0L的密閉容器中充入0.60molN2(g)和1.60molH2(g),反應在一定條件下達到平衡時,NH3的物質的量分數(shù)(NH3的物質的量與反應體系中總的物質的量之比)為

。計算:(1)該條件下N2的平衡轉化率為

。

(2)該條件下反應2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的平衡常數(shù)為

。66.7%0.005mol2·L-2解析設平衡時N2轉化的物質的量濃度為x

mol·L-1,根據(jù)“三段式”分析:

N2+

3H2

2NH3起始濃度/(mol·L-1)

0.3

0.8

0轉化濃度/(mol·L-1)

x

3x

2x平衡濃度/(mol·L-1)

0.3-x

0.8-3x

2x4.已知反應SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g),若在一定溫度下,將物質的量濃度均為2mol·L-1的SO2(g)和NO2(g)注入一密閉容器中,當反應達到平衡狀態(tài)時,測得容器中SO2(g)的轉化率為50%,試求:(1)在上述溫度下該反應的平衡常數(shù)。(2)在上述溫度下,若SO2(g)的初始濃度增大到3mol·L-1,NO2(g)的初始濃度仍為2mol·L-1,試求達到新化學平衡時各物質的濃度。答案(1)1

(2)c平(SO3)=c平(NO)=1.2mol·L-1,c平(SO2)=1.8mol·L-1,c平(NO2)=0.8mol·L-1解析(1)設平衡時SO2的濃度為x

mol·L-1,則:

SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)(2)設達新平衡時NO的濃度為y

mol·L-1,則:

SO2(g)+NO2(g)