化学选择性必修1第2节 化学反应的限度第1课时学案及答案

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第1课时 化学平衡常数
eq \a\vs4\al(化学平衡常数的理解与应用)
[情境素材]
水煤气是气体燃料的一种。主要成分为氢和一氧化碳。由水蒸气和炽热的无烟煤或焦炭作用而得。将水蒸气通过高温的煤层可制得较洁净的水煤气(主要成分是CO和H2)，现象为火焰腾起更高，变为淡蓝色(H2和CO燃烧的颜色)。甲烷和水进行化合反应也可制得水煤气。
制取水煤气的反应之一为C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)；在一定条件下达到化学平衡后，其化学平衡常数(K)和温度(t)的关系如下表所示：
[情境探究]
1．该反应的化学平衡常数K的表达式是什么？
提示：K＝eq \f(c平（CO）·c平（H2）,c平（H2O）)。
2．想一想碳为什么没有出现在平衡常数表达式中？
提示：因为碳是固体。
3．该反应的ΔH＞0还是ΔH＜0?
提示：ΔH＞0，该反应为吸热反应，因K随温度升高而增大。
4．在1 000 ℃时，发生上述反应，某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO)＝2 ml·L－1、c(H2)＝1.5 ml·L－1、c(H2O)＝1.5 ml·L－1，则下一时刻，反应向哪个方向进行？
提示：向逆反应方向进行。判断反应进行的方向时，可根据Q与K的大小关系判断，此时刻下，Q＝eq \f(c（CO）·c（H2）,c（H2O）)＝eq \f(2 ml·L－1×1.5 ml·L－1,1.5 ml·L－1)＝2 ml·L－1>1.2 ml·L－1，所以反应向逆反应方向进行。
5．已知反应H2(g)＋I2(g)2HI(g)的平衡常数是K，则反应2HI(g)H2(g)＋I2(g)的平衡常数是什么？反应eq \f(1,2)H2(g)＋eq \f(1,2)I2(g)HI(g)的平衡常数又是什么？
提示：eq \f(1,K)；Keq \s\up6(\f(1,2))。
6．反应物或反应产物的浓度对平衡常数是否有影响？
提示：平衡常数只与温度有关，与反应物或反应产物的浓度无关。
1．对化学平衡常数的理解
(1)化学平衡常数只与温度有关，与反应物或反应产物的浓度无关。
(2)反应物或反应产物中有固体或纯液体存在时，由于其浓度可视为常数“1”而不列入表达式。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。若反应方向改变，则平衡常数改变；若化学方程式中各物质的化学计量数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。如
[名师点拨]
计算K利用的是物质的平衡浓度，而不是任意时刻浓度，也不能用物质的量。固体和纯液体物质的浓度视为常数，通常不列入平衡常数表达式中。
2．化学平衡常数的应用
(1)判断可逆反应进行程度的大小
(2)判断可逆反应的热效应
(3)判断可逆反应是否平衡及不平衡时的反应方向
计算某可逆反应在一定温度下的任意时刻的浓度商，
Q＝eq \f(cc（C）·cd（D）,ca（A）·cb（B）)eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(QK，反应向逆反应方向进行))
1．关于化学平衡常数，下列说法不正确的是( )
A．化学平衡常数不随反应物或反应产物浓度的改变而改变
B．对于一定温度下的同一个反应，其正反应和逆反应的化学平衡常数的乘积等于1
C．温度越高，K值越大
D．化学平衡常数随温度的改变而改变
解析：选C A选项，同一反应，化学平衡常数只受温度影响，与反应物或反应产物的浓度无关，故正确；B选项，同一可逆反应的正、逆反应平衡常数互为倒数，对于一定温度下的同一个反应，其正反应和逆反应的化学平衡常数的乘积等于1，故正确；C选项，平衡常数越大，说明可逆反应进行的程度越大，反应可能是吸热反应或放热反应，升温，平衡向吸热反应方向进行，平衡常数不一定增大，故错误；D选项，化学平衡常数只受温度影响，与反应物浓度、体系的压强无关，故正确。
2．在一定容积的密闭容器中，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的关系如表所示：
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________(填“吸热”或“放热”)反应。
(3)某温度下，平衡浓度符合下式：c平(CO2)·c平(H2)＝c平(CO)·c平(H2O)，试判断此时的温度为________℃。
(4)在800 ℃时，发生上述反应，某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)为2 ml·L－1，c(H2)为1.5 ml·L－1，c(CO)为1 ml·L－1，c(H2O)为3 ml·L－1，则正、逆反应速率的大小为v(正)________(填“＞”“＜”或“＝”)v(逆)。
解析：(2)温度越高，K值越大，说明升温平衡正向移动，正向为吸热反应。
(3)由题意可得K＝1.0，查表可知温度为830 ℃。
(4)Q＝eq \f(c（CO）·c（H2O）,c（CO2）·c（H2）)＝eq \f(1 ml·L－1×3 ml·L－1,2 ml·L－1×1.5 ml·L－1)＝1＞0.9，所以v(正)＜v(逆)。
答案：(1)eq \f(c平（CO）·c平（H2O）,c平（CO2）·c平（H2）) (2)吸热 (3)830 (4)＜
eq \a\vs4\al(平衡转化率)
1．平衡转化率表达式
平衡转化率可以直观地表示一定条件下的反应限度。对于化学反应aA＋bBcC＋dD，反应物A的平衡转化率为α(A)＝eq \f(初始时A的物质的量－平衡时A的物质的量,初始时A的物质的量)×100%。
2．计算反应物转化率的依据
依据起始浓度(或平衡浓度)和平衡常数可以计算平衡浓度(或起始浓度)，从而计算反应物的转化率。
3．化学平衡的“三段式”计算模式及解题思路
(1)计算模式
aA(g) ＋ bB(g)  cC(g)＋ dD(g)
eq \a\vs4\al( 起始/,（ml·L－1）) c1始 c2始 0 0
eq \a\vs4\al( 转化/,（ml·L－1）) c1始x eq \f(b,a)c1始x eq \f(c,a)c1始x eq \f(d,a)c1始x
eq \a\vs4\al( 平衡/,（ml·L－1）) c1始(1－x) c2－eq \f(b,a)c1始x eq \f(c,a)c1始x eq \f(d,a)c1始x
(2)解题思路
①巧设未知数：具体题目要具体分析，灵活设立，一般设某物质的转化量为x。
②确定三个量：根据反应物、反应产物及变化量的三者关系代入未知数确定平衡体系中各物质的起始量、变化量、平衡量并按(1)中的计算模式列出。
③解题设问题：明确了“始”“变”“平”三个量的具体数值，再根据相应关系求平衡时某成分的浓度、反应物转化率等，得出题目答案。
[名师点拨]
代入平衡常数表达式进行计算的是物质的平衡浓度而不是初始浓度和变化浓度。
1．已知反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)达到平衡时，NH3在混合气体中所占的体积分数为20%，则此时NH3的转化率为( )
A．40% B．80%
C．33.3% D．66.7%
解析：选D 假设该反应从NH3开始，且NH3的起始物质的量为2 ml，转化物质的量为x ml。
2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)
起始物质的量/ml 2 0 0
转化物质的量/ml x 0.5x 1.5x
平衡物质的量/ml 2－x 0.5x 1.5x
由题意得：eq \f(2－x,（2－x）＋0.5x＋1.5x)×100%＝20%，
解得x＝eq \f(4,3)。
则NH3的转化率为eq \f(\f(4,3) ml,2 ml)×100%≈66.7%。
2．某温度下，向容积为2 L 的密闭反应器中充入0.10 ml SO3，当反应器中的气体压强不再变化时测得SO3的转化率为20%，则该温度下反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的平衡常数为( )
A．3.2×103(ml·L－1)－1 B．1.6×103(ml·L－1)－1
C．8.0×102(ml·L－1)－1 D．4.0×102(ml·L－1)－1
解析：选A 2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)
初始浓度/(ml·L－1) 0 0 0.05
转化浓度/(ml·L－1) 0.01 0.005 0.01
平衡浓度/(ml·L－1) 0.01 0.005 0.04
K＝eq \f(ceq \\al(2,平)（SO3）,ceq \\al(2,平)（SO2）·c平（O2）)＝3.2×103(ml·L－1)－1。
3．在一定温度下的密闭容器中，加入1 ml CO和1 ml H2O 发生反应CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，达到平衡时测得n(H2)＝0.5 ml，下列说法不正确的是( )
A．在该温度下，反应的平衡常数K＝1
B．平衡常数与反应温度无关
C．CO的平衡转化率为50%
D．平衡时n(H2O)＝0.5 ml
解析：选B CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
起始物质的量/ml 1 1 0 0
转化物质的量/ml 0.5 0.5 0.5 0.5
平衡物质的量/ml 0.5 0.5 0.5 0.5
由化学方程式及以上数据判断可得，A、C、D项正确。平衡常数与反应温度有关，B项错误。
[分级训练·课课过关]_________________________________________________________
1．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，反应物的转化率越大
B．若降低温度，则K增大
C．温度越高，K一定越大
D．如果m＋n＝p，则K＝1
解析：选A K越大，该反应正向进行的程度越大，反应物的转化率越大，故A正确；对于一个确定的化学反应，K只与温度有关，温度一定，K一定，因该反应的热效应不确定，故B、C错误；K＝eq \f(ceq \\al(p,平)（C）,ceq \\al(m,平)（A）·ceq \\al(n,平)（B）)，由m＋n＝p不能判断K的大小，D错误。
2．1 000 K下，反应C(s)＋2H2(g)CH4(g)的平衡常数K＝8.28×107(ml·L－1)－1。当各气体的物质的量浓度分别为H2：0.7 ml·L－1，CH4：0.2 ml·L－1时，上述反应( )
A．正向进行 B．逆向进行
C．达到平衡 D．无法确定
解析：选A Q＝eq \f(0.2 ml·L－1,（0.7 ml·L－1）2)≈0.41(ml·L－1)－1＜K，故反应正向进行，A项正确。
3．某温度下，反应2A(g)＋B(g)2C(g)的平衡常数K1＝50(ml·L－1)－1，在同一温度下，反应2C(g)2A(g)＋B(g)的平衡常数K2为( )
A．2 500 ml·L－1 B．50 ml·L－1
C．0.02 ml·L－1 D．0.002 ml·L－1
解析：选C 反应2A(g)＋B(g)2C(g)的平衡常数K1＝eq \f(ceq \\al(2,平)（C）,ceq \\al(2,平)（A）·c平（B）)，而同一温度下，反应2C(g)2A(g)＋B(g)的平衡常数K2＝eq \f(ceq \\al(2,平)（A）·c平（B）,ceq \\al(2,平)（C）)＝eq \f(1,K1)＝0.02 ml·L－1。
4．将等物质的量的CH4(g)和H2O(g)充入1 L恒容密闭反应容器，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)，某温度下反应达到平衡，平衡常数K＝27(ml·L－1)2，此时测得CO的物质的量为0.10 ml，则CH4的平衡转化率(计算结果保留两位有效数字)是( )
A．61% B．71%
C．81% D．91%
解析：选D CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)
eq \a\vs4\al(起始浓度/,（ml·L－1）) n n 0 0
eq \a\vs4\al(转化浓度/,（ml·L－1）) 0.10 0.10 0.10 0.30
eq \a\vs4\al(平衡浓度/,（ml·L－1）) n－0.10 n－0.10 0.10 0.30
K＝eq \f(0.1×0.303,（n－0.10）2)(ml·L－1)2＝27(ml·L－1)2，n＝0.11，
转化率＝eq \f(0.10 ml,0.11 ml)×100%≈91%。
5．高炉炼铁中发生的基本反应之一如下： FeO(s)＋CO(g)Fe(s)＋CO2(g) ΔH>0
其平衡常数可表示为K＝eq \f(c平（CO2）,c平（CO）)，已知1 100 ℃时K＝0.263。化学平衡常数只与温度有关，不随浓度和压强的变化而变化。
(1)温度升高，化学平衡移动后达到新的平衡，高炉内CO2和CO的体积比________，平衡常数K________。(以上均填“增大”“减小”或“不变”)
(2)1 100 ℃时测得高炉中c(CO2)＝0.025 ml·L－1、c(CO)＝0.1 ml·L－1，在这种情况下，该反应是否处于化学平衡状态：________(填“是”或“否”，若填“是”，则后面问题可不答)，此时反应向__________(填“正反应”或“逆反应”)方向进行，其原因是________________________________________________________________________。
解析：若反应产物的浓度幂之积与反应物的浓度幂之积的比值Q＝K，则可逆反应达到平衡状态；若QK，反应向逆反应方向进行。
(1)FeO(s)＋CO(g)Fe(s)＋CO2(g) ΔH>0，正反应是吸热反应，升高温度，平衡常数增大，eq \f(c平（CO2）,c平（CO）)增大，则eq \f(V（CO2）,V（CO）)增大。
(2)1 100 ℃时测得高炉中c(CO2)＝0.025 ml·L－1，c(CO)＝0.1 ml·L－1，Q＝eq \f(0.025 ml·L－1,0.1 ml·L－1)＝0.25答案：(1)增大 增大
(2)否 正反应 Q＝eq \f(0.025 ml·L－1,0.1 ml·L－1)＝0.25<0.263＝K
明课程标准
扣核心素养
1.认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义。
2.能书写平衡常数表达式，能进行平衡常数、转化率的简单计算。
3.能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。
1.变化观念与平衡思想：认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义。了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系，发展变化观念与平衡思想的核心素养。
2.证据推理与模型认知：能利用平衡常数和浓度商的关系推断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向，形成证据推理与模型认知的体系。
t/℃
700
800
830
1 000
1 200
K/(ml·L－1)
0.4
0.5
0.8
1.2
2.4
化学方程式
平衡常数
关系式
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
K1＝eq \f(ceq \\al(2,平)（NH3）,c平（N2）·ceq \\al(3,平)（H2）)
K2＝eq \r(K1) K3＝eq \f(1,K1)
eq \f(1,2)N2(g)＋eq \f(3,2)H2(g)NH3(g)
K2＝eq \f(c平（NH3）,c\s\up6( \f(1,2))平（N2）·c\s\up6(\f(3,2))平（H2）)
2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)
K3＝eq \f(c平（N2）·ceq \\al(3,平)（H2）,ceq \\al(2,平)（NH3）)
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
T/℃
700
800
830
1 000
1 200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6