学案导学设计高中化学 221 化学平衡常数学案 鲁科版选修4精品教案.docx

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学案导学设计高中化学221化学平衡常数学案鲁科版选修4精品教案

第2节　化学反应的限度

第1课时　化学平衡常数

[学习目标定位]　1.知道化学平衡常数的含义，会根据化学反应书写化学平衡常数表达式，知道化学平衡常数的影响因素。

2.能根据化学平衡常数表示的意义，判断反应进行的程度和方向。

1．化学平衡状态的概念：

如果外界条件（温度、浓度、压强等）不发生改变，当可逆反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率相等，反应物的浓度与生成物的浓度不再改变，达到一种表面静止的状态，称为“化学平衡状态”，简称化学平衡。

化学平衡研究的对象是可逆反应。

2．化学平衡状态的特征：

（1）等：

v正＝v逆≠0。

（2）动：

化学平衡状态是一种动态平衡。

达到平衡状态时，反应并没有停止，这时正反应和逆反应都依然在进行。

（3）定：

反应物的浓度和生成物的浓度不再改变。

（4）变：

外界条件（温度、浓度、压强等）一旦改变，化学平衡状态就会被破坏，并在新的条件下建立新的化学平衡。

3．一定温度下，在10L密闭容器中加入5molSO2和3molO2，当反应达到平衡时，有3molSO2发生了反应，则：

（1）生成了________molSO3。

（2）平衡时容器内气体的总物质的量为________。

（3）平衡时SO2的浓度是__________，O2的浓度是________________________________，

SO3的浓度是__________。

答案　

（1）3　

（2）6.5mol　（3）0.2mol·L－1

0．15mol·L－1　0.3mol·L－1

探究点一　化学平衡常数的概念及其表达式

1．二氧化氮、四氧化二氮的相互转化是一个可逆反应：

2NO2（g）N2O4（g），在298K，如果用不同起始浓度的二氧化氮或四氧化二氮进行反应，平衡后得到以下实验数据。

（1）请根据表中已知数据填写空格：

起始浓度/mol·L－1

平衡浓度/mol·L－1

平衡浓度关系

c（NO2）

c（N2O4）

[NO2]

[N2O4]

2.00×10－2

0

6.32×10－3

6.84×10－3

1.08

1.71×102

3.00×10－2

0

8.00×10－3

1.10×10－2

1.38

1.72×102

0

2.00×10－2

9.46×10－3

1.52×10－2

1.61

1.70×102

0

0.100

2.28×10－2

8.86×10－2

3.89

1.70×102

（2）化学平衡常数

①概念：

在一定温度下，当一个可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度以化学计量数为指数的幂的乘积与反应物浓度以化学计量数为指数的幂的乘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，用K表示）。

②表达式：

对于一般的可逆反应，mA（g）＋nB（g）pC（g）＋qD（g），当在一定温度下达到平衡时，K＝

。

2．下表为N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）的平衡常数与温度的关系

T/K

373

473

573

673

773

K（mol－2·L2）

3.35×109

1.00×107

2.45×105

1.88×104

2.99×103

由上表数据分析可知：

（1）温度升高，K值减小，则正反应为放热反应（填“吸热”或“放热”，下同）。

（2）温度升高，K值增大，则正反应为吸热反应。

[归纳总结]

使用平衡常数应注意的问题

（1）化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度无关。

（2）在平衡常数表达式中，水（液态）的浓度、固体物质的浓度不写。

C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）　K＝

；

FeO（s）＋CO（g）Fe（s）＋CO2（g）　K＝

。

（3）化学平衡常数表达式与化学方程式的书写有关。

例如：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）的平衡常数为K1，

N2（g）＋

H2（g）NH3（g）的平衡常数为K2，NH3（g）

N2（g）＋

H2（g）的平衡常数为K3；

写出K1和K2的关系式：

K1＝K

。

写出K2和K3的关系式：

K2·K3＝1。

写出K1和K3的关系式：

K1·K

＝1。

[活学活用]

1．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＝

B．K＝

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，其浓度可看作1，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。

2．高炉炼铁过程中发生的主要反应为

Fe2O3（s）＋CO（g）

Fe（s）＋CO2（g）

已知该反应在不同温度下的平衡常数如下：

温度/℃

1000

1150

1300

平衡常数

4.0

3.7

3.5

请回答下列问题：

该反应的平衡常数表达式K＝__________，ΔH______0（填“>”、“<”或“＝”）。

答案　

　<

解析　因Fe和Fe2O3均为固体，其浓度视为1，在平衡常数表达式中不写，故K＝

。

温度升高，K减小，说明平衡向左移动，故逆反应是吸热反应，正反应是放热反应，ΔH<0。

探究点二　化学平衡常数的意义及其应用

1．下表为298K时，卤化氢生成反应的平衡常数：

化学方程式

平衡常数K

F2＋H22HF

6.5×1095

Cl2＋H22HCl

2.57×1033

Br2＋H22HBr

1.91×1019

I2＋H22HI

8.67×102

请比较表中K值的相对大小，说明平衡常数的意义：

（1）平衡常数的大小反映了化学反应进行的程度（也叫反应的限度）。

K值越大，表示反应进行得越完全，反应物转化率越大；

K值越小，表示反应进行得越不完全，反应物转化率越小。

（2）判断正在进行的可逆反应是否平衡及反应向何方向进行：

对于可逆反应：

mA（g）＋nB（g）pC（g）＋qD（g），在一定的温度下的任意时刻，反应物的浓度和生成物的浓度有如下关系：

Q＝

，叫做该反应的浓度商。

Q

Q＝K，反应处于平衡状态

Q>K，反应向逆反应方向进行

2．对反应N2（g）＋O2（g）2NO（g），若298K时，K＝1×10－30，保持温度不变，测得反应进行的某一时刻，N2、O2、NO浓度分别为10mol·L－1、10mol·L－1、1×10－5mol·L－1，此时该反应未（填“已”或“未”）达到平衡状态，若要达到平衡，反应应向逆反应方向进行（填“正”或“逆”）。

解析　Q＝

＝1×10－12，Q≠K未达到平衡状态；Q>K，此时刻生成物的浓度大于平衡时生成物的浓度，反应应向逆反应方向进行。

[归纳总结]

化学平衡常数的应用

（1）K值的大小可反映化学反应进行的程度大小。

（2）比较Q和K的大小，可判断反应进行的方向。

（3）根据K值随温度变化规律，可判断可逆反应的反应热。

[活学活用]

3．恒温下，在容积为2L的恒容密闭容器A中通入1molN2与1molH2的混合气体，发生如下反应：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH<0，一段时间后，达到平衡，若平衡时氢气的物质的量为0.4mol。

（1）计算此温度时该反应的K值为__________。

（2）若降低A容器的温度，该反应K值________（填“增大”、“减小”或“不变”）。

（3）若在此温度下，向另一容积为1L的恒容密闭容器B中按物质的量分别为2mol、1mol、1mol充入N2、H2、NH3，此时，该反应是否处于平衡状态______（填“是”或“否”），此时若没有达到平衡，反应应向________（填“正反应”或“逆反应”）方向进行。

答案　

（1）12.5mol－2·L2　

（2）增大　（3）否　正反应

解析　

（1）　　　　　N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）

K＝

＝

＝12.5mol－2·L2

（2）K与温度有关，升高温度K不一定变大，当正反应为放热反应，升高温度K变小，当正反应为吸热反应，升高温度K变大。

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，也与反应方程式有关，但与起始浓度无关。

2．高温下，某反应达到平衡，平衡常数K＝

。

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

CO2＋H2

答案　A

解析　由平衡常数K＝

，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，ΔH>0，A正确；恒容时增大压强，H2的浓度不变，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．汽车尾气净化中的一个反应如下：

NO（g）＋CO（g）

N2（g）＋CO2（g）

ΔH＝－373.4kJ·mol－1

在恒容的密闭容器中，反应达平衡后，改变某一条件，下列示意图正确的是（　　）

答案　C

解析　ΔH＝－373.4kJ·mol－1，温度升高，平衡向逆反应方向移动，K减小，CO浓度增大，故A、B两项错；K只与温度有关，C项正确；增大N2的物质的量，平衡左移，则NO的浓度增大，所以D项错。

5．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的关系如下表所示：

T/℃

700

800

830

1000

1200

K

0.6

0.9

1.0

1.7

2.6

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）能判断该反应达到化学平衡状态的依据是________。

A．容器中压强不变B．混合气体中c（CO）不变

C．v正（H2）＝v逆（H2O）D．c（CO2）＝c（CO）

（4）某温度下，平衡浓度符合下式：

[CO2]·[H2]＝[CO]·[H2O]，试判断此时的温度为________℃。

答案　

（1）

（2）吸热　（3）BC　（4）830

解析　

（1）根据化学平衡常数的定义式即可得出：

K＝

。

（2）由表中数据可以看出温度越高，平衡常数越大，说明反应混合物中CO或水蒸气的浓度越大，即升温平衡向右移动，正反应为吸热反应。

（3）该反应为气体总物质的量不变的反应，反应过程中压强始终不变，与是否平衡无关。

（4）当[CO2]·[H2]＝[CO]·[H2O]时，K＝1.0，此时的温度由表中数据可知为830℃。

[基础过关]

一、化学平衡常数的含义

1．关于化学平衡常数的叙述正确的是（　　）

A．温度一定，一个化学反应的平衡常数不是一个常数

B．两种物质反应，不管怎样书写化学方程式，平衡常数不变

C．温度一定时，对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常数互为倒数

D．浓度商Q

答案　C

解析　K是温度的函数，平衡常数的表达式与化学方程式的书写方式有关。

正、逆反应的平衡常数互为倒数，如H2（g）＋I2（g）2HI（g），K正＝

，K逆＝

，所以K正＝

。

浓度商Qv逆。

2．化学平衡常数可以用K来表示，下列关于化学平衡常数的说法中正确的是（　　）

A．K与反应的压强有关

B．K与反应物的浓度有关

C．K与生成物的浓度有关

D．K与温度有关

答案　D

解析　一个确定的化学反应，其化学平衡常数只与反应体系的温度有关。

3．某温度下，可逆反应mA（g）＋nB（g）pC（g）的平衡常数为K，下列对K的说法正确的是（　　）

A．K值越大，表明该反应越有利于C的生成

B．若缩小反应器的容积，能使平衡正向移动，则K增大

C．温度越高，K一定越大

D．如果m＋n＝p，则K＝1

答案　A

解析　K越大，该反应正向进行的程度越大，越有利于C的生成，A正确；对于一个确定的化学反应，K只是温度的函数，温度一定，K一定，与压强无关，B错误；因该反应的热效应不确定，故C项错误；K＝

，故由m＋n＝p，无法判断K的大小。

4．当把晶体N2O4放入密闭容器中气化，并建立了N2O4（g）2NO2（g）平衡后，保持温度不变，再通入若干N2O4气体，待反应达到新的平衡时，则新平衡与旧平衡相比，其

值（　　）

A．变大B．不变C．变小D．无法确定

答案　B

解析　温度不变，K不变。

二、化学平衡常数的计算

5．将4molSO2与2molO2放入4L的密闭容器中，在一定条件下反应达到平衡：

2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g），测得平衡时SO3的浓度为0.5mol·L－1。

则此条件下的平衡常数K（单位为L·mol－1）为（　　）

A．4B．0.25

C．0.4D．0.2

答案　A

解析　　　　　　　　2SO2＋O22SO3

初始物质的量（mol）:

420

转化物质的量（mol）:

212

平衡物质的量（mol）:

212

平衡时各自的浓度[SO2]＝0.5mol·L－1，[O2]＝0.25mol·L－1，[SO3]＝0.5mol·L－1

K＝

L·mol－1＝4L·mol－1。

6．在一定温度下，反应

H2（g）＋

X2（g）HX（g）的平衡常数为10。

若将1.0mol的HX（g）通入体积为1.0L的密闭容器中，在该温度时HX（g）的最大分解率接近于（　　）

A．5%B．17%

C．25%D．33%

答案　B

解析　由题中的反应和数据可知：

HX（g）

H2（g）＋

X2（g）的平衡常数K＝0.1。

设在该温度下HX（g）的分解反应达平衡后其减小的浓度为xmol·L－1，则平衡时HX、H2、X2的浓度分别为（1.0－x）mol·L－1、0.5xmol·L－1、0.5xmol·L－1，代入K的表达式有

＝0.1，解得x≈0.17，故可知HX的分解率为

×100%＝17%。

三、化学平衡常数的综合应用

7．在淀粉KI溶液中存在下列平衡：

I2（aq）＋I－（aq）I

（aq）。

测得不同温度下该反应的平衡常数K如表所示：

t/℃

5

15

25

35

50

K/L·mol－1

1100

841

689

533

409

下列说法正确的是（　　）

A．反应I2（aq）＋I－（aq）I

（aq）的ΔH>0

B．其他条件不变，升高温度，溶液中[I

]减小

C．该反应的平衡常数表达式为K＝

D．25℃时，向溶液中加入少量KI固体，平衡常数K小于689

答案　B

解析　根据题中的表提供的数据知温度升高，平衡常数减小，则平衡向逆反应方向移动，逆反应为吸热反应，故正反应为放热反应，ΔH<0，A错；其他条件不变，升高温度，平衡向逆反应方向移动，溶液中[I

]减小，B对；该反应的平衡常数表达式为K＝

，C错；平衡常数只与温度有关，25℃时，向溶液中加入少量KI固体，虽然平衡向正方向移动，但平衡常数不变，D错。

8．某可逆反应正向反应过程中能

量变化如图所示，下列说法正确的是（　　）

A．该反应为吸热反应

B．当反应达到平衡时，降低温度，平衡向逆反应方向移动

C．升高温度，平衡常数K增大

D．加入催化剂，反应速率增大，E1减小，E2减小，反应热不变

答案　D

解析　由图中的信息可知反应后能量降低，故为放热反应；降低温度，平衡向正反应方向移动；升高温度，平衡向逆反应方向移动，K减小，故A、B、C错误；加入催化剂，可以降低反应的活化能，故D正确。

9．已知反应①：

CO（g）＋CuO（s）CO2（g）＋Cu（s）和反应②：

H2（g）＋CuO（s）Cu（s）＋H2O（g）在某同一温度下的平衡常数分别为K1和K2，该温度下反应③：

CO（g）＋H2O（g）CO2（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＝

B．反应③的平衡常数K＝

C．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＝

，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ΔH<0，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。

[能力提升]

10．相同温度下，体积均为0.25L的两个恒容密闭容器中发生可逆反应：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＝－92.6kJ·mol－1。

实验测得起始、平衡时的有关数据如下表所示：

容器编号

起始时各物质的物质的量/mol

达平衡时体系能量的变化

N2

H2

NH3

①

1

3

0

放出热量：

23.15kJ

②

0.9

2.7

0.2

放出热量：

Q

下列叙述错误的是（　　）

A．容器①、②中反应的平衡常数相等

B．平衡时，两个容器中NH3的体积分数均为

C．容器②中达平衡时放出的热量Q＝23.15kJ

D．若容器①的体积为0.5L，则平衡时放出的热量小于23.15kJ

答案　C

解析　对于给定反应，平衡常数只是温度的函数，温度相同，平衡常数相同，A正确；由①中放出的热量，可知参加反应的N2为0.25mol，则有

　　　　N2（g）　　＋　　3H2（g）2NH3（g）

n（始）/mol130

n（变）/mol0.250.750.5

n（平）/mol0.752.250.5

NH3的体积分数为

＝

因①和②建立的平衡为等效平衡，故B正确；②中N2转化了0.15mol，放出的热量为92.6×0.15＝13.89kJ，C不正确；若容器①的体积为0.5L，则体积增大，压强减小，平衡向逆反应方向移动，则平衡时放出的热量小于23.15kJ，D正确。

11．已知尿酸是一种有机酸（以HUr表示），能溶于水。

关节炎的原因归结于在关节滑液中形成了尿酸钠晶体（NaUr）。

发生的反应如下：

HUrUr－＋H＋①

Ur－（aq）＋Na＋（aq）NaUr（s）②

（1）关节炎大都是阴冷天气时发作，这说明反应②是__________（填“放热”或“吸热”）反应。

简述你得出该结论的理由：

_______________________________________________。

（2）当温度升高时，反应②的化学平衡常数________（填“增大”、“减小”或“不变”）。

（3）写出反应②的平衡常数表达式K＝____________________________。

答案　

（1）放热　阴冷天气易发病，说明温度降低，反应②平衡右移，有利于NaUr结晶，说明该反应为放热反应

（2）减小

（3）

解析　

（1）阴冷天气易发病，说明温度降低，利于生成NaUr晶体，说明该反应为放热反应。

（2）升温，有利于平衡向着吸热方向移动，K值应减小。

（3）NaUr是固体，不写入表达式中。

12．工业合成氨N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）反应过程中的能量变化如图所示，据图回答下列问题：

（1）该反应通常用活性铁作催化剂，加活性铁会使图中B点升高还是降低________，理由是________________________________________________________________________。

（2）该反应平衡常数表达式为K＝________，当浓度商Q______K（填“<”、“>”或“＝”）时，反应向右进行。

（3）450℃时该反应的平衡常数________（填“<”、“>”或“＝”）500℃时的平衡常数。

答案　

（1）降低　催化剂能降低反应活化能

（2）

　<　（3）>

解析　

（1）催化剂能降低反应的活化能。

（2）反应向右进行，说明Q

（3）该反应正向反应为放热反应，低温利于平衡正向移动，450℃时反应正向进行的程度大，即450℃对应的平衡常数K大。

[拓展探究]

13．某温度下，在一密闭容器中充入一定量CO2，并加入足量铁粉，发生

反应：

Fe（s）＋CO2（g）FeO（s）＋CO（g），测得CO2和CO浓度随时间的变化如图所示：

（1）0～8min，v（CO）＝__________mol·L－1·min－1。

（2）下列措施中，能够改变平衡时

的比值的是______（填字母序号）。

A．温度B．铁粉的量（足量）

C．压强D．CO的量

（3）已知：

反应Fe（s）＋CO2（g）FeO（s）＋CO（g）的平衡常数为K1；反应Fe（s）＋H2O（g）FeO（s）＋H2（g）的平衡常数为K2。

不同温度时K1、K2的值如下表：

温度/K

K1

K2

973

1.47

2.38

1173

2.15

1.67

根据表中数据，计算反应CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）的K。

①温度为973K时：

K＝

________________________________________________________________________；

②温度为1173K时：

K＝

________________________________________________________________________；

③反应CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）是________（填“吸热”或“放热”）反应。

答案　

（1）0.0625　

（2）A　（3）①0.62　②1.29　③吸热

解析　

（1）v（CO）＝

＝

＝0.0625mol·L－1·min－1。

（2）本题容易错选D。

其实是该反应的平衡常数表达式，而平衡常数只受温度影响，故只能选A。

（3）Fe（s）＋CO2（g）FeO（s）＋CO（g）

平衡常数K1＝

；

Fe（s）＋H2O（g）FeO（s）＋H2（g）

平衡常数K2＝