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第二節(jié) 化學(xué)平衡 課時(shí)2
第二章 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡
1.知道化學(xué)平衡常數(shù)的含義，會(huì)根據(jù)化學(xué)反應(yīng)書寫化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式。
2.能夠利用化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行簡單的計(jì)算。
3.知道反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率計(jì)算方法。
在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室中，人們會(huì)遇到各種各樣的可逆反應(yīng)，如合成氨反應(yīng)：
N2(g)＋3H2(g)??? 2NH3(g)
該反應(yīng)在一定條件下不可能進(jìn)行完全，即存在一定的限度。而反應(yīng)限度的大小對(duì)于生產(chǎn)和生活實(shí)際有著直接影響。因此還需關(guān)注化學(xué)反應(yīng)的限度。那么怎樣才能定量地描述化學(xué)反應(yīng)的限度呢！化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化程度會(huì)受到哪些因素的影響呢！
化化學(xué)平衡的改變，有規(guī)律可循嗎？不同的化學(xué)平衡狀態(tài)，反應(yīng)物和生成物的濃度之間有什么關(guān)系呢？
800 ℃，在容積不變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
序號(hào) 起始時(shí)的濃度 （×10－2 mol·L-1） 平衡時(shí)的濃度 （×10－2 mol·L-1） 平衡時(shí)
c(CO) c(H2O) c(CO2) c(H2) c(CO) c(H2O) c(CO2) c(H2)
1 1 1 0 0 0.5 0.5 0.5 0.5
2 1 3 0 0 0.25 2.25 0.75 0.75
3 0.25 3 0.75 0.75 0.21 2.96 0.79 0.79
1.0
1.0
1.0
表1 800 ℃時(shí)反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度
一、化學(xué)平衡常數(shù)
【小結(jié)】在一定溫度下，表1中的反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，生成物濃度的乘積與反應(yīng)物濃度的乘積的比值是一個(gè)定值。
該結(jié)論適用于其他可逆反應(yīng)嗎？
序號(hào) 起始時(shí)的濃度 （×10－3 mol·L-1） 平衡時(shí)的濃度 （×10－3 mol·L-1） 平衡時(shí)
c(H2) c(I2) c(HI) c(H2) c(I2) c(HI)
1 11.97 6.944 0 5.617 0.594 12.70
2 12.28 9.964 0 3.841 1.524 16.87
3 12.01 8.403 0 4.580 0.973 14.86
4 0 0 15.20 1.696 1.696 11.81
5 0 0 12.87 1.433 1.433 10.00
6 0 0 37.77 4.213 4.213 29.34
3806
2882
3335
4106
4870
1653
表2 457.6 ℃ 時(shí)反應(yīng)體系H2(g) + I2(g) 2HI(g)中各物質(zhì)的濃度
值不是定值。
c(CO2) c(H2)
c(CO) c(H2O)
是定值
不是定值
c (HI)
c(H2) c(I2)
比較兩個(gè)反應(yīng)，結(jié)果的不同可能跟什么因素有關(guān)？
H2(g) + I2(g) HI(g) + HI(g)
H2(g) + I2(g) 2HI(g)
CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
化學(xué)計(jì)量數(shù)？
是定值？
c (HI) c(HI)
c(H2) c(I2)
是定值？
c2 (HI)
c(H2) c(I2)
即
序號(hào) 起始時(shí)的濃度 （×10－3 mol·L-1） 平衡時(shí)的濃度 （×10－3 mol·L-1） 平衡時(shí)
c(H2) c(I2) c(HI) c(H2) c(I2) c(HI)
1 11.97 6.944 0 5.617 0.594 12.70
2 12.28 9.964 0 3.841 1.524 16.87
3 12.01 8.403 0 4.580 0.973 14.86
4 0 0 15.20 1.696 1.696 11.81
5 0 0 12.87 1.433 1.433 10.00
6 0 0 37.77 4.213 4.213 29.34
表3 457.6 ℃ 時(shí)反應(yīng)體系H2(g) + I2(g) 2HI(g)中各物質(zhì)的濃度
48.38
48.61
49.54
48.48
48.71
48.81
【小結(jié)】在一定溫度下，表3中的反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，生成物濃度的冪之積與反應(yīng)物濃度的冪之積的比值是一個(gè)定值。
2.表達(dá)式
對(duì)于一般的可逆反應(yīng)mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),平衡常數(shù)的表達(dá)式為：
3.意義及影響因素
(1)K越大,說明正反應(yīng)進(jìn)行的程度越大,平衡時(shí)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越大。
(2)K只受溫度影響,與反應(yīng)物或生成物的濃度變化無關(guān)。
(3)常數(shù)K與正向建立平衡還是逆向建立平衡無關(guān)，即：K與平衡建立的過程無關(guān)。
1.定義
在一定溫度下,當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值是一個(gè)常數(shù),這個(gè)常數(shù)就是該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù),通常用符號(hào)K表示。
化學(xué)平衡常數(shù)
提示:一般來說,當(dāng)K＞105時(shí),該反應(yīng)就進(jìn)行得基本完全了。
提示:計(jì)量系數(shù)次冪。
工業(yè)合成氨的反應(yīng)N2+3H22NH3，某溫度下，在同一密閉容積中發(fā)生該過程，可以表示出以下三個(gè)反應(yīng)方程式：
①N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H1,平衡常數(shù)為K1;
②N2(g)+H2(g)NH3(g) △H2,平衡常數(shù)為K2;
③NH3(g)N2(g)+H2(g) △H3,平衡常數(shù)為K3。
三個(gè)平衡常數(shù)是否相等 請(qǐng)找出它們之間的關(guān)系。
c (NH3)
c1/2(N2) c3/2(H2)
K2=
c 2(NH3)
c(N2) c3(H2)
K1=
c (NH3)
c1/2(N2) c3/2(H2)
K3=
K1=, K2·K3=1,K1·=1。
不相等,
Fe3O4(s) + 4H2(g) 3Fe(s) + 4H2O(g)
高溫
c4(H2)
c4(H2O)
K =
寫一寫
注：化學(xué)平衡常數(shù)是生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值。
①表達(dá)式中的各物質(zhì)的濃度必須為平衡濃度。
②平衡常數(shù)表達(dá)式與化學(xué)方程式的書寫一一對(duì)應(yīng)。
③固體、液體純物質(zhì)的濃度視為常數(shù)，在表達(dá)式中不出現(xiàn)。
寫出下列可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式。
濃度商
對(duì)于一般的可逆反應(yīng)mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)，在任意時(shí)刻下，生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值，稱為濃度商，用Q表示。
c p(C)·cq(D)
cm(A) cn(B)
Q =
Q與K的關(guān)系：
QQ＝K時(shí)，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；
Q>K時(shí)，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行。
二、化學(xué)平衡常數(shù)相關(guān)計(jì)算
在某溫度下，將H2和I2各0.1 mol的氣態(tài)混合物充入10 L的密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)H2(g)＋I(xiàn)2(g) 2HI(g)，連續(xù)測定c(I2)的變化，5 s 時(shí)測定c(H2)＝0.008 0 mol/L并保持不變。則此溫度下，平衡常數(shù)值為多少？
【解】依題意可知，平衡時(shí)c(H2)＝0.008 0 mol/L，消耗c(H2)＝0.002 0 mol/L，生成c(HI)＝0.004 0 mol/L。
H2(g) ＋ I2(g) 2HI(g)
起始濃度(mol/L) 0.010 0.010 0
變化濃度(mol/L) 0.002 0 0.002 0 0.004 0
平衡濃度(mol/L) 0.008 0 0.008 0 0.004 0
K = = = 0.25
c 2(HI)
c(H2) c(I2)
0.004 2
0.0082
本書暫不考慮K的單位。
平衡轉(zhuǎn)化率
注：n轉(zhuǎn)化表示已轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量。
n始表示該物質(zhì)起始時(shí)的物質(zhì)的量。
c轉(zhuǎn)化表示已轉(zhuǎn)化的該物質(zhì)的濃度。
c始表示起始時(shí)該物質(zhì)的濃度。
平衡轉(zhuǎn)化率是指某一可逆化學(xué)反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的某種原料的量占該種原料起始量的百分?jǐn)?shù)
某指定反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 α =
1.在一定體積的密閉容器中,進(jìn)行如下化學(xué)反應(yīng):CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)。其化學(xué)平衡常數(shù)K和溫度T的關(guān)系如表所示:
練一練
T/℃ 700 800 830 1000 1200
K 0.6 0.9 1.0 1.7 2.6
某溫度下,平衡濃度符合下式:c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O),試判斷此時(shí)的溫度為　　　　 ℃。該溫度下加入2 mol CO2(g)和10mol H2(g)充分反應(yīng),達(dá)到平衡時(shí),求CO2的轉(zhuǎn)化率？
【解】依題意可知，該反應(yīng)平衡常數(shù)表達(dá)式為：
c(CO2)·c(H2)
c(CO)·c(H2O)
K=
已知：c(CO2)·c(H2)=c(CO)·c(H2O)，
∴K=1
查表可知對(duì)應(yīng)溫度為830 ℃
830
該溫度下加入2 mol CO2(g)和10mol H2(g)充分反應(yīng),達(dá)到平衡時(shí),求CO2的轉(zhuǎn)化率？
CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
起始量(mol) 2 10 0 0
變化量(mol) x x x x
平衡量(mol) 2-x 10-x x x
設(shè)容器體積為V L，達(dá)到平衡時(shí)CO2的變化量為x mol
c(CO2)·c(H2)
c(CO)·c(H2O)
K=
= = 1
·
解得：x=
CO2的轉(zhuǎn)化率為：α= ×100%=83%
mol
2mol
答：CO2的轉(zhuǎn)化率為83%。
2.已知可逆反應(yīng):M(g)+N(g) P(g)+Q(g)　ΔH>0,請(qǐng)回答下列問題:
(1)在某溫度下,反應(yīng)物的初始濃度分別為c0(M)=1 mol·L-1,c0(N)=2.4 mol·L-1;達(dá)到平衡后,M的平衡轉(zhuǎn)化率為60%,此時(shí)N的平衡轉(zhuǎn)化率為　　　　　;
(2)若反應(yīng)溫度不變,反應(yīng)物的初始濃度分別為c0(M)=4 mol·L-1,c0(N)=a mol·L-1;達(dá)到平衡后,c(P)=2 mol·L-1,a=　　　　　。
解:(1)根據(jù)題意:
　　　　　　　 M(g) + N(g) P(g) + Q(g)
初始濃度/(mol·L-1) 　1 2.4 0 0
轉(zhuǎn)化濃度/(mol·L-1) 　0.6 0.6 0.6 0.6
平衡濃度/(mol·L-1) 　0.4 1.8 0.6 0.6
25%
6
3 .合成氨反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)在某溫度下達(dá)到平衡時(shí),各物質(zhì)的濃度是c(N2)=3 mol·L-1,c(H2)=9 mol·L-1,c(NH3)=4 mol·L-1,則:
(1)該溫度時(shí)的平衡常數(shù)為　　　　　;起始濃度c(N2)=　 　　　。
(2)H2的轉(zhuǎn)化率為　　　　。
7.3×10-3
5 mol·L-1　
40%
[解析] (1)K==≈7.3×10-3。
設(shè)起始時(shí)N2、H2的濃度分別為x、y。
　　　N2　　　+　　 3H2　 　 2NH3
起始　x　　　　　　　 y　　　　 　0
平衡　3 mol·L-1　　 9 mol·L-1　　 4 mol·L-1
Δc　　x-3 mol·L-1　 y-9 mol·L-1　 4 mol·L-1
=,則x=5 mol·L-1;= ,則y=15 mol·L-1。
(2)H2的轉(zhuǎn)化率=×100%=40%。

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