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第2節 化學反應的限度 課時2
第2章 化學反應的方向、限度與速率
知道平衡轉化率的概念，能進行轉化率的簡單計算。
某溫度下，I2(g) +H2(g) 2HI(g)的平衡常數的數值為54，其反應物轉化程度是怎樣的呢？
聯想 · 質疑
聯想 · 質疑
用平衡常數表示反應的限度時不夠直觀，因此在實際應用中常用平衡轉化率α來表示一定條件下的反應限度。
對于化學反應： a A＋b B c C＋d D
一、平衡轉化率
反應物A的平衡轉化率可以表示為：
α(A)＝
初始時A的物質的量－平衡時A的物質的量
初始時A的物質的量
×100%
1.表達式
注：對于溶液體系和恒容的氣態反應體系，可以用物質的量濃度進行計算。
【例1】2SO2(g) +O2(g) 2SO3(g)是硫酸制造工業的基本反應。將0.050 molSO2(g)和0.030 molO2 (g)注入體積為1.0 L的密閉反應器，并將反應器置于某較高溫度下的恒溫環境中；達到化學平衡后，測得反應器中有0.044 molSO3 (g),求該溫度下反應的平衡常數及SO2 、O2的平衡轉化率。
解： 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
初始濃度／ (mol·L-1） 0.050 0.030 0
轉化濃度／ (mol·L-1)
平衡濃度／ (mol·L-1） 0.044
0.044
0.044 0.022
0.006 0.008
c平(SO2) c平(O2)
K＝
c平(SO3)
＝
2
2
(0.044 mol·L-1 )2
(0.006 mol·L-1 )2
× 0.008 mol·L-1
＝6.7×103 mol-1·L
解： 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
初始濃度／ (mol·L-1） 0.050 0.030 0
轉化濃度／ (mol·L-1)
平衡濃度／ (mol·L-1） 0.044
0.044
0.044 0.022
0.006 0.008
α(SO2)＝ ×100%
c始(SO2)－c平(SO2)
c始(SO2)
×100%
＝88%
0.050 mol·L-1－0.006 mol·L-1
0.050 mol·L-1
＝
解： 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
初始濃度／ (mol·L-1） 0.050 0.030 0
轉化濃度／ (mol·L-1)
平衡濃度／ (mol·L-1） 0.044
0.044
0.044 0.022
0.006 0.008
α(SO2)＝ ×100%
c始(SO2)－c平(SO2)
c始(SO2)
＝88%
答： 該溫度下反應的K為6.7×103mol-1·L，SO2的平衡轉化率為88%，O2的平衡轉化率為73%。
α(O2)＝
c始(O2)－c平(O2)
c始(O2)
×100%
＝73%
0.030 mol·L-1－0.008 mol·L-1
0.030 mol·L-1
＝
×100%
不同反應物的平衡轉化率可能不同。
歸納
化學平衡的計算方法——“三段式法”
a A(g)＋b B(g) c C(g)＋d D(g)
初始濃度／ (mol·L-1）
轉化濃度／ (mol·L-1)
平衡濃度／ (mol·L-1）
m
n
0
0
ax
bx
cx
dx
cx
dx
m－ax
n－bx
【例2】1200℃時測得反應H2(g)+CO2 (g) H2O(g)+CO(g)的平衡常數K 為2.25。若反應從H2(g)和CO2(g)開始，且H2(g)和CO2(g)的初始濃度均為0.0100 mol·L-1，請計算各物質的平衡濃度及H2和CO2的平衡轉化率。
解： H2(g) + CO2 (g) H2O(g) + CO(g)
初始濃度／(mol·L-1） 0.0100 0.0100 0 0
轉化濃度／(mol·L-1)
平衡濃度／(mol·L-1）
x
x
x
x
x
0.0100-x 0.0100-x
x
解方程得：x1=0.0060 mol·L-1,x2=0.0300 mol·L-1
c平(H2O).c平(CO)
K=
c平(H2).c平(CO2)
= 2.25
x2
(0.0100 mol·L-1 -x)2
=
x2＞c始(H2)不合理，舍去
解： H2(g) + CO2 (g) H2O(g) + CO(g)
初始濃度／(mol·L-1） 0.0100 0.0100 0 0
轉化濃度／(mol·L-1)
平衡濃度／(mol·L-1）
x
x
x
x
x
0.0100-x 0.0100-x
x
x1=0.0060 mol·L-1
c平(H2)=c平(CO2)=0.0100mol·L-1–x
= 0.0040mol·L-1
c平(H2O) =c平(CO)= x
= 0.0060mol·L-1
α(CO2)＝ ×100%
c始(CO2)－c平(CO2)
c始(CO2)
＝60%
α(H2)＝ ×100%
c始(H2)－c平(H2)
c始(H2)
＝60%
思考與交流
H2、CO2 轉化率相同，是必然還是偶然？
解： H2(g) + CO2 (g) H2O(g) + CO(g)
初始濃度／(mol·L-1） 0.0100 0.0100 0 0
轉化濃度／(mol·L-1)
平衡濃度／(mol·L-1）
x
x
x
x
x
0.0100-x 0.0100-x
x
α(CO2)＝
c始(CO2)－c平(CO2)
c始(CO2)
α(H2)＝
c始(H2)－c平(H2)
c始(H2)
反應物的初始濃度是1：1，轉化濃度按照化學計量數也是1：1；相當于初始濃度是m、m，轉化濃度是n、n，所以平衡轉化率都是n/m,平衡轉化率必然相同。
觀察 · 思考
觀察 · 思考
對于1200℃時的反應H2(g)+CO2 (g) H2O(g)+CO(g)，觀察、分析下表中數據，你能得出什么結論？
初始濃度／(mol·L-1） 平衡轉化率/%
c始(H2) c始(CO2) α(H2) α(CO2)
A 0.0100 0.0100 60 60
B 0.0120 0.0100 54 65
C 0.0080 0.0100 66 53
當增大氫氣在原料氣中的濃度，可使二氧化碳的平衡轉化率提高；減小氫氣在原料氣中的濃度，可使氫氣的平衡轉化率提高。
歸納
多種反應物參加反應時，提高一種反應物的物質的量，可以提高其他反應物的轉化率，而該反應物本身的轉化率會降低。
根據這一原理，在化工生產中常常通過增大某一種價廉、易得的反應物的濃度來提高另一種昂貴、稀缺的反應物的轉化率，從而降低生產成本；或提高對環境可能造成污染的反應物的轉化率，從而更加綠色環保。
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
高溫、高壓
催化劑
【練一練】
1.工業合成氨的反應為N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),設在容積為2.0 L的密閉容器中充入0.60 mol N2(g)和1.60 mol H2(g),反應在一定條件下達到平衡時,NH3的物質的量分數(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)的平衡常數為　　 　　　。
66.7%
0.005 mol2·L-2
2.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2.0 mol·L-1,水蒸氣的起始濃度為3.0 mol·L-1,達到化學平衡狀態后,測得CO2的濃度為1.2 mol·L-1,則此反應的平衡常數為　　　　　,隨著溫度升高,該反應的化學平衡常數的變化趨勢是　　　　　。
1
減小
(2)某溫度下,上述反應的平衡常數為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)。
A.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0.015 mol·L-1
D.平衡時,乙中H2O的轉化率大于25%
CD
3.H2S與CO2在高溫下發生反應：H2S(g)＋CO2(g)??COS(g)＋H2O(g)。在610 K時，將0.10 mol CO2與0.40 mol H2S充入2.5 L的空鋼瓶中，反應平衡后水的物質的量分數為0.02。
(1)H2S的平衡轉化率α1＝____%，反應平衡常數K＝________。
(2)在620 K時重復實驗，平衡后水的物質的量分數為0.03，H2S的轉化率α2______α1，該反應的ΔH______0。(填“>”“<”或“＝”)
(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. CO2 C．COS D．N2
　2.5　
0.002 85
>　 >
B
化學反應限度
的定量描述
化學平衡常數
平衡轉化率
表達式
計算（三段法）
影響因素

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