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鲁科版高考化学一轮总复习第6章第1节第1课时化学反应进行的方向化学平衡常数课时学案
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这是一份鲁科版高考化学一轮总复习第6章第1节第1课时化学反应进行的方向化学平衡常数课时学案，共20页。
第1节 化学反应的方向与限度
第1课时 化学反应进行的方向 化学平衡常数
考试评价解读
1．了解化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。
2．能正确计算化学反应的转化率。
核心素养达成
变化观念
与
平衡思想
能从化学平衡常数的角度分析化学反应，运用化学平衡常数解决问题。能多角度、动态地分析化学反应的转化率，运用化学反应原理解决实际问题。
证据推理
与
模型认知
知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。能运用模型(Q与K的关系)解释化学平衡的移动，揭示现象的本质和规律。
化学反应的方向
[以练带忆]
1．下列几个过程中，属于熵值减小变化的是( )
A．干冰的升华
B．NaCl溶于水
C．NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)
D．2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑
C 解析：只有C项是气体分子数减少的反应。
2．已知反应：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)。设ΔH和ΔS不随温度而变，下列说法中正确的是( )
A．低温下是自发反应
B．高温下是自发反应
C．低温下是非自发反应，高温下是自发反应
D．任何温度下都是非自发反应
D 解析：碳燃烧生成CO为放热反应，则CO分解生成碳和O2为吸热反应，即ΔH>0；该反应气体的物质的量减少，则ΔS<0；则化学反应方向的判据ΔH－TΔS总大于0，因此在任何温度下，该反应都不能自发进行。
3．已知①碳酸钙的分解CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g) ΔH1仅在高温下自发进行；②氯酸钾的分解2KClO3(s)===2KCl(s)＋3O2(g) ΔH2在任何温度下都自发进行，下面有几组焓变数据，其中可能正确的是( )
A．ΔH1＝－178.32 kJ·mol－1 ΔH2＝－78.3 kJ·mol－1
B．ΔH1＝＋178.32 kJ·mol－1 ΔH2＝－78.3 kJ·mol－1
C．ΔH1＝－178.32 kJ·mol－1 ΔH2＝＋78.3 kJ·mol－1
D．ΔH1＝＋178.32 kJ·mol－1 ΔH2＝＋78.3 kJ·mol－1
B 解析：碳酸钙的分解ΔS>0，反应仅高温自发，说明该反应ΔH1>0；氯酸钾的分解ΔS>0，反应在任何温度下都自发进行，说明该反应ΔH2<0，B正确。
[练后梳理]
1．自发过程和自发反应
(1)自发过程：在一定条件下，不需要借助外力作用就能自动进行的过程。
(2)自发反应：在一定条件下无需外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。外界帮助包括电能、光能等，注意加热不属于外界帮助，加热是保持反应温度的条件。
(3)自发过程的特点
①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或放出热量)。
②在密闭条件下，体系有从有序转变为无序的倾向性(无序体系更加稳定)。
2．化学反应方向的判据
(1)焓判据
放热过程中体系能量降低，ΔH<0，具有自发进行的倾向。
(2)熵判据
①熵：描述体系混乱程度的物理量，符号为S。熵值越大，体系混乱度越大。
②常见的熵增过程
a．气体的扩散；
b．同一物质不同状态：S(g)>S(l)>S(s)；
c．反应后有气体产生的反应；
d．反应后气体的物质的量增加的反应。
③熵判据：体系的混乱度增大，ΔS>0，反应有自发进行的倾向。
(3)复合判据
①在温度、压强一定的条件下，化学反应进行的方向是反应的焓变和熵变共同影响的结果，反应方向的复合判据为ΔH－TΔS。
当ΔH－TΔS
②反应自发进行的规律：
ΔH<0，ΔS>0，反应任何温度下均自发进行；
ΔH>0，ΔS<0，反应任何温度下均不能自发进行；
ΔH>0，ΔS>0，反应高温自发进行；
ΔH<0，ΔS<0，反应低温自发进行。
化学平衡常数
[以练带忆]
1．放热反应CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)在温度t1时达到平衡，c1(CO)＝c1(H2O)＝1.0 mol·L－1，其平衡常数为K1。反应体系的温度升高至t2时，反应物的平衡浓度分别为c2(CO)和c2(H2O)，平衡常数为K2，则下列说法正确的是( )
A．K2和K1的单位均为mol·L－1
B．K2＞K1
C．c2(CO)＝c2(H2O)
D．c1(CO)＞c2(CO)
C 解析：K＝，因此K的单位不可能为mol·L－1，A项错误；该反应是放热反应，升高温度平衡左移，K2＜K1，B项错误；温度t1时CO(g)和H2O(g)的浓度相等，且CO(g)和H2O(g)按物质的量之比1∶1生成，因此c2(CO)＝c2(H2O)，C项正确；升高温度平衡左移，因此c2(CO)比c1(CO)大，D项错误。
2．在1 L密闭容器中，把1 mol A和1 mol B混合发生如下反应：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(g)，当反应达到平衡时，生成0.4 mol D，并测得C的平衡浓度为0.4 mol·L－1，下列叙述中不正确的是( )
A．x的值为2
B．A的转化率为40%
C．B的平衡浓度为0.8 mol·L－1
D．D的体积分数为20%
B 解析：设平衡时转化B的物质的量为y，则
3A(g)＋ B(g) xC(g)＋2D(g)
初始： 1 mol 1 mol 0 0
转化： 3y y xy 2y
平衡： 1 mol－3y 1 mol－y 0.4 mol 0.4 mol
则2y＝0.4 mol，则y＝0.2 mol；
xy＝0.4 mol，x＝2。
平衡时n(B)＝1 mol—0.2 mol＝0.8 mol，
c(B)＝0.8 mol·L－1。
α(A)＝×100%＝60%。
该反应为气体的物质的量不变的可逆反应，则平衡时D的体积分数为×100%＝20%。
3．在一定温度下，已知以下三个反应的平衡常数：
反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s) K1
反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g) K2
反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) K3
(1)反应①的平衡常数表达式为______________。
(2)反应③的K3与K1、K2的关系是K3＝________。
解析：(2)K3＝，
K2＝，
结合K1＝，可知K3＝。
答案：(1)K1＝ (2)
[练后梳理]
1．概念
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，反应产物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，用符号K表示。
2．表达式
对于反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，K＝(固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。
如①C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式K＝；
②Fe3＋(aq)＋3H2O(l)Fe(OH)3(s)＋3H＋(aq)的平衡常数表达式K＝。
3．意义及影响因素
(1)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行得程度越大。
(2)K只受温度影响，与反应物或反应产物的浓度变化无关。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
4．应用
(1)判断可逆反应进行的程度。
(2)判断反应是否达到平衡或向哪一方向进行。
对于化学反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的任意状态，浓度商：Q＝。
Q＜K，反应向正反应方向进行；
Q＝K，反应处于平衡状态；
Q＞K，反应向逆反应方向进行。
(3)判断反应的热效应：若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应；若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。
平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度(即反应限度)，平衡常数的数值越大，说明反应进行得越完全。 一般认为，K>105时，反应就基本进行完全；K<10－5时，正反应基本不能进行。
考点1 “三段式”突破K的综合计算
[抓本质·悟考法]
羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂，能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在恒容密闭容器中，将CO和H2S混合加热并达到下列平衡：
CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g) K＝0.1
反应前CO的物质的量为10 mol，平衡后CO的物质的量为8 mol。下列说法正确的是( )
A．升高温度，H2S浓度增大，表明该反应是吸热反应
B．通入CO后，正反应速率逐渐增大
C．反应前H2S物质的量为7 mol
D．CO的平衡转化率为80%
【解题关键点】 (1)反应CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g)的平衡常数K＝0.1。
(2)反应前后CO的物质的量。
【易错失分点】 题中已知反应前后CO的物质的量，没有告诉容器的容积，在计算平衡常数时容易错把物质的量当成浓度代入计算，虽可得正确答案，但原理错误。
[自主解答]
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C 解析：A项，升高温度，H2S浓度增大，说明平衡向逆反应方向移动，逆反应吸热，正反应放热，错误；B项，通入CO气体瞬间正反应速率增大，达到最大值，向正反应方向建立新的平衡，正反应速率又逐渐减小，错误；C项，设反应前H2S的物质的量为n mol，容器的容积为 V L，则
CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g) K＝0.1
n(始)/mol 10 n 0 0
n(转)/mol 2 2 2 2
n(平)/mol 8 n－2 2 2
K＝＝0.1，解得n＝7，正确；D项，根据题意可知CO转化了 2 mol，则CO的转化率为×100%＝20%，错误。
[多角度·突破练]
⊳角度1 平衡常数的概念辨析
1．(2020·济南模拟)已知，相关数据见下表：
编号
化学方程式
平衡常数
不同温度下的平衡常数
979 K
1 173 K
Ⅰ
Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)
K1
1.47
2.15
Ⅱ
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
K2
1.62
b
Ⅲ
Fe(s)＋H2O(g)FeO(s)＋H2(g)
K3
a
1.68
根据以上信息判断，下列结论错误的是( )
A．a>b
B．增大压强，平衡状态Ⅱ不移动
C．升高温度，平衡状态Ⅲ向正反应方向移动
D．反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应
C 解析：由Ⅰ＋Ⅱ＝Ⅲ，得K3＝K1·K2，则a>2，b <1，a>b，A项正确；Ⅱ是等体积反应，增大压强，平衡不移动，B项正确；由a>2，b<1，可知随温度升高，K2、K3均减小，故反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应，D项正确；升温时反应Ⅱ、Ⅲ均向逆反应方向移动，C项不正确。
2．(2020·山东模拟)反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均会在工业生产硝酸过程中发生，其中反应Ⅰ、Ⅱ发生在氧化炉中，反应Ⅲ发生在氧化塔中，不同温度下各反应的化学平衡常数如下表所示。下列说法正确的是( )
温度
(K)
化学平衡常数
反应Ⅰ：4NH3＋5O24NO＋6H2O
反应 Ⅱ ：4NH3＋3O22N2＋6H2O
反应Ⅲ：2NO＋O22NO2
500
1.1×1026
7.1×1034
1.3×102
700
2.1×1019
2.6×1025
1.0
A．使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可增大氧化炉中NO的含量
B．通过改变氧化炉的温度可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
C．通过改变氧化炉的压强可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
D．氧化炉出气在进入氧化塔前应进一步提高温度
A 解析：使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，进而增大氧化炉中NO的含量，故A正确；升高温度，反应Ⅰ和反应Ⅱ的K值均减小，则正反应均为放热反应，无法通过改变氧化炉的温度促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，故B错误；反应Ⅰ和反应Ⅱ的正反应均为气体体积增大的反应，无法通过改变氧化炉的压强促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，故C错误；反应Ⅲ是放热反应，氧化炉出气在进入氧化塔前应降低温度，促进反应Ⅲ正向进行，故D错误。
3．甲醇是一种重要的化工原料。利用CO、CO2和H2在催化剂的作用下合成甲醇，有关反应的反应焓变与平衡常数表示如下：
反应1：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH1 K1
反应2：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH2 K2
反应3：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH3 K3
(1)①ΔH3＝________(用ΔH1、ΔH2表示)。
②K3＝________(用K1、K2表示)。
(2)平衡常数K随温度变化的曲线如图所示：
①ΔH2________(填“大于”“小于”或“等于”)ΔH3，理由是_______________。
②温度为T1 K时，体系建立起化学平衡状态，测得c(H2)＝0.1 mol·L－1，＝________。
解析：(1)①分析已知的三个热化学方程式的特点及相互关系，由盖斯定律可得ΔH3＝ΔH1＋ΔH2；
②K3＝
＝
＝K1·K2。(2)①由图可知，随温度升高，K1增大，故ΔH1>0，又ΔH3＝ΔH1＋ΔH2，则ΔH2<ΔH3。②由图可知，T1 K时，K1＝K3，由K3＝K1·K2得K2＝1，而K2＝，故＝c(H2)＝0.12＝0.01。
答案：(1)①ΔH1＋ΔH2 ②K1·K2
(2)①小于 由图可知随着温度升高，K1增大，则ΔH1>0，根据盖斯定律知ΔH3＝ΔH1＋ΔH2，所以ΔH2<ΔH3 ②0.01
多个化学反应叠加时K与ΔH变化
在利用多个方程式求算K时，要注意K与焓变(ΔH)的区别：方程式相加减，焓变相加减，平衡常数相乘除；方程式乘以某个系数x，焓变也需乘以该系数，平衡常数变为原来的x次方。
⊳角度2 化学平衡常数的计算与应用
4．在300 mL的密闭容器中，放入镍粉并充入一定量的CO气体，一定条件下发生反应：Ni(s)＋4CO(g)Ni(CO)4(g)，已知该反应平衡常数与温度的关系如下表：
温度/ ℃
25
80
230
平衡常数
5×104
2
1.9×10－5
下列说法不正确的是( )
A．上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应
B．25 ℃时反应Ni(CO)4(g)Ni(s)＋4CO(g)的平衡常数为2×10－5
C．80 ℃达到平衡时，测得n(CO)＝0.3 mol，则Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L－1
D．80 ℃时，测得某时刻，Ni(CO)4、CO浓度均为0.5 mol·L－1，则此时v(正)>v(逆)
D 解析：随着温度的升高，平衡常数逐渐减小，说明升高温度，平衡向逆反应方向移动，因此正反应是放热反应，A正确；逆反应的平衡常数是正反应的倒数，B正确；选项C中，根据80 ℃时平衡常数的表达式可知，Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L－1，C正确；80 ℃时，测得某时刻，Ni(CO)4、CO浓度均为 0.5 mol·L－1，则此时＝8>2，反应向逆反应方向进行，则此时v(正)
(1)计算在20～40 s时间内，NO2的平均生成速率为________mol·L－1·s－1。
(2)①该反应的化学平衡常数表达式为___________________。
②该温度下平衡常数的值为________。
(3)达到平衡状态时N2O4的转化率为________。
(4)求平衡时容器内气体压强与反应前的压强之比为________(填最简整数比)。
解析：(1)根据图像，20～40 s时间内，N2O4的浓度变化量是0.020 mol·L－1，则v(N2O4)＝＝0.001 mol·L－1·s－1，根据化学方程式可知，NO2的速率是N2O4速率的2倍，故v(NO2)＝0.002 mol·L－1·s－1。(2)①根据平衡常数的定义，可直接写出表达式。②60 s后反应达到平衡，此时N2O4的浓度是0.040 mol·L－1，则N2O4的浓度变化量是0.060 mol·L－1，NO2的浓度是0.120 mol·L－1，代入平衡常数表达式可计算出数值。(3)N2O4的转化率为×100%＝60%。(4)平衡时容器内气体的总浓度为0.040 mol·L－1＋0.120 mol·L－1＝0.160 mol·L－1，故平衡时与反应前的压强比为0.160 mol·L－1∶0.100 mol·L－1＝8∶5。
答案：(1)0.002 (2)①K＝ ②0.36
(3)60% (4)8∶5
应用化学平衡常数时应注意的四个问题
(1)化学平衡常数是在一定温度下一个反应本身固有的内在性质的定量体现。
(2)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。
(3)反应物或反应产物中有固体和纯液体存在时，其浓度可看作一个常数，不计入平衡常数表达式中。
(4)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系数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。
考点2 压强平衡常数Kp的计算方法
[抓本质·悟考法]
一定量的CO2与足量的C在恒压密闭容器中发生反应：C(s)＋CO2(g)2CO(g) ΔH＝＋173 kJ·mol－1，若压强为p kPa，平衡时体系中气体体积分数与温度的关系如图所示，回答下列问题：
(1)650 ℃时CO2的平衡转化率为________。
(2)t1 ℃时平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)；该温度下达平衡后若再充入等物质的量的CO和CO2气体，则平衡________(填“正向”“逆向”或“不”)移动，原因是________________________________________
解析：(1)设CO2的起始量为a mol，反应消耗x mol。
C(s)＋CO2(g) 2CO(g)
起始 a mol 0
Δn x mol 2x mol
平衡 (a－x)mol 2x mol
×100%＝40%
x＝，故α(CO2)＝×100%＝25%。
(2)t1 ℃时CO与CO2的体积分数相等，均为0.5，
Kp＝＝0.5p。再充入等物质的量的CO和CO2时，二者的体积分数不变，平衡不移动。
答案：(1)25% (2)0.5p 不 再充入等物质的量的CO和CO2，平衡体系中二者的体积分数仍相同，平衡不移动
【解题关键点】 (1)根据“三段式”计算出平衡时各组分的物质的量。
(2)根据信息“分压＝总压×物质的量分数”计算出各组分的分压。
【易错失分点】 (1)忽视了不能将固体带入平衡常数表达式。
(2)不能根据图像得出t 1 ℃时两种气体的含量都为50%。
[自主解答]
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[多角度·突破练]
⊳角度1 压强平衡常数的计算
1．活性炭也可用于处理汽车尾气中的NO，在1 L恒容密闭容器中加入0.100 0 mol NO和2.030 mol固体活性炭，生成A、B两种气体，在不同温度下测得平衡体系中各物质的物质的量以及容器内压强如下表：
温度
活性炭/mol
NO/mol
A/mol
B/mol
p/MPa
200 ℃
2.000
0.040 0
0.030 0
0.030 0
3.93
335 ℃
2.005
0.050 0
0.025 0
0.025 0
p
根据上表数据，写出容器中发生反应的化学方程式：______________________________________，判断p________(填“>”“<”或“＝”)3.93 MPa。计算反应体系在200 ℃时的平衡常数Kp＝________。
答案：C＋2NON2＋CO2 >
2．无色气体N2O4是一种强氧化剂，为重要的火箭推进剂之一。N2O4与NO2转换的热化学方程式为N2O4(g)2NO2(g) ΔH＝＋24.4 kJ·mol－1。
上述反应中，正反应速率v正＝k正·p(N2O4)，逆反应速率v逆＝k逆·p2(NO2)，其中k正、k逆为速率常数，p为平衡分压，则Kp为________(以k正、k逆表示)。若将一定量的N2O4投入真空容器中恒温恒压分解(温度298 K、压强100 kPa)，已知该条件下k正＝4.8×104 s－1，当N2O4分解10%时，v正＝________kPa·s－1。
解析：上述反应中，正反应速率v正＝k正·p(N2O4)，逆反应速率v逆＝k逆·p2(NO2)，其中k正、k逆为速率常数，平衡时，v正＝v逆，k正·p(N2O4)＝k逆·p2(NO2)，Kp＝＝。若将一定量N2O4投入真空容器中恒温恒压分解(温度298 K、压强 100 kPa)，已知该条件下k正＝4.8×104 s－1，当N2O4分解10%时，v正＝4.8×104 s－1×100 kPa×≈3.9×106 kPa·s－1
答案： 3.9×106
3．一定温度下，等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应(g)＋I2(g)===(g)＋2HI(g) ΔH＝＋89.3 kJ·mol－1，初始总压为 105 Pa，平衡时总压增加了20%，环戊烯的转化率为________，该反应的平衡常数Kp＝________Pa。达到平衡后，欲增加环戊烯的平衡转化率，可采取的措施有________(填标号)。
A．通入惰性气体 B．提高温度
C．增加环戊烯浓度 D．增加碘浓度
解析：设容器中起始加入I2(g)和环戊烯的物质的量均为a，平衡时转化的环戊烯的物质的量为x，列出三段式：
(g)＋I2(g)===(g)＋2HI(g)
初始/mol: a a 0 0
转化/mol: x x x 2x
平衡/mol: a－x a－x x 2x
根据平衡时总压强增加了20%，且恒温恒容时，压强之比等于气体物质的量之比，得＝，解得x＝0.4a，则环戊烯的转化率为×100%＝40%。平衡时(g)、I2(g)、(g)、HI(g)的分压分别为、、、，则Kp＝＝p总，根据p总＝1.2×105 Pa，可得Kp＝×1.2×105 Pa≈3.56×104 Pa。通入惰性气体，对该反应的平衡无影响，A项不符合题意；该反应为吸热反应，提高温度，平衡正向移动，可提高环戊烯的平衡转化率，B项符合题意；增加环戊烯浓度，能提高I2(g)的平衡转化率，但环戊烯的平衡转化率降低，C项不符合题意；增加I2(g)的浓度，能提高环戊烯的平衡转化率，D项符合题意。
答案：40% 3.56×104 BD
压强平衡常数Kp与计算方法
(1)含义：在化学平衡体系中，用各气体物质的分压代替浓度计算的平衡常数。
(2)计算步骤
第一步，根据“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度；
第二步，计算各气体组分的物质的量分数或体积分数；
第三步，根据分压计算式求出各气体物质的分压，某气体的分压＝气体总压强×该气体的体积分数(或物质的量分数)；
第四步，根据平衡常数计算公式代入计算。例如：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，压强平衡常数表达式为Kp＝。
⊳角度2 转化率的判断与计算
4．将等物质的量的X、Y气体充入某密闭容器中，在一定条件下，发生反应并达到平衡：X(g)＋3Y(g)2Z(g) ΔH<0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时，表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是( )
选项
改变条件
新平衡与原平衡比较
A
升高温度
X的转化率变小
B
增大压强
X的浓度变小
C
充入一定量Y
Y的转化率增大
D
使用适当催化剂
X的体积分数变小
A 解析：升高温度，平衡逆向移动，X的转化率变小，A正确；增大压强，平衡正向移动，但容器的体积减小，X的浓度增大，B错误；充入一定量Y，X的转化率增大，而Y的转化率减小，C错误；使用适当催化剂，只能加快反应速率，不能改变平衡移动方向，X的体积分数不变，D错误。
5．某温度下，在一个2 L的密闭容器中，加入4 mol A和2 mol B，发生反应3A(g)＋2B(g)4C(s)＋2D(g)，反应一段时间后达到平衡状态，测得生成1.6 mol C。下列说法正确的是( )
A．该反应的平衡常数表达式为K＝
B．B的平衡转化率是40%
C．增大压强，化学平衡常数增大
D．增加B的量，B的平衡转化率增大
B 解析：化学平衡常数的表达式中不能出现固体或纯液体，而物质C是固体，A项错误；根据化学方程式可知，平衡时B减少的物质的量＝1.6 mol×0.5＝0.8 mol，故B的平衡转化率为＝40%，B项正确；化学平衡常数只与温度有关，增大压强化学平衡常数不变，C项错误；增加B的量，平衡向正反应方向移动，但B的增加量比平衡的移动量幅度大，故A的转化率增大，而B的转化率减小，D项错误。
平衡转化率的分析与判断方法
(1)反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的转化率分析
①若反应物初始物质的量之比等于系数之比，达到平衡后，它们的转化率相等。
②若只增加A的量，平衡正向移动，B的转化率提高，A的转化率降低。
③若按原比例同倍数地增加(或降低)A、B的浓度，等效于压缩(或扩大)容器体积，气体反应物的转化率与系数有关。同倍增大c(A)和c(B)
(2)反应mA(g)nB(g)＋qC(g)的转化率分析在T、V不变时，增加A的量，等效于压缩容器体积，A的转化率与系数有关。
增大c(A)
1．(命题情境：化学平衡与新能源开发问题)氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能应用自200年前就产生了兴趣。从20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。科学家研究以太阳能为热源分解Fe3O4，最终循环分解水制H2，其中一步重要反应为2Fe3O4(s) 6FeO(s)＋O2(g) ΔH＝a kJ·mol－1。在一定压强下，Fe3O4的平衡转化率随温度变化的α(Fe3O4)－T曲线如图所示。下列有关说法不正确的是( )
A．a>0
B．压强p1>p2
C．升高温度，该反应的平衡常数增大
D．将体系中O2分离出去，能提高Fe3O4的转化率
B 解析：根据图像分析，压强一定，温度升高，Fe3O4的平衡转化率升高，该反应为吸热反应，ΔH>0，即a>0，A项正确；温度一定时，压强增大，平衡逆向移动，Fe3O4的平衡转化率降低，故p1
(1)①从反应开始到恰好达到平衡时，H2的平均反应速率v(H2)＝________。
②300 ℃时，反应的平衡常数K＝________。
③保持温度不变，向平衡后的容器中再充入2 mol CO2和8 mol H2，重新达到平衡时CH4的浓度________(填标号)。
A．等于0.8 mol·L－1
B．等于1.6 mol·L－1
C．0.8 mol·L－1
(2)300 ℃时，如果该容器中有1.6 mol CO2、2.0 mol H2、5.6 mol CH4、4.0 mol H2O(g)，则v正________(填“>”“<”或“＝”)v逆。
(3)已知：200 ℃时，该反应的平衡常数K＝61.8 mol－2·L2。则ΔH________(填“>”“<”或“＝”)0。
解析：(1)①从反应开始到恰好达到平衡时，H2的平均反应速率v(H2)＝4v(CH4)＝4×＝0.32 mol·L－1·min－1。
② CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)
初始浓度/(mol·L－1) 1 4 0 0
转化浓度/(mol·L－1) 0.8 3.2 0.8 1.6
平衡浓度/(mol·L－1) 0.2 0.8 0.8 1.6
300 ℃时，反应的平衡常数K＝＝25 mol－2·L2。③保持温度不变，向平衡后的容器中再充入2 mol CO2和8 mol H2，相当于增大压强，平衡正向移动，则重新达到平衡时CH4的浓度大于1.6 mol·L－1。(2)Q＝＝14(mol－2·L2)v逆。(3)200 ℃时，该反应的平衡常数K＝61.8 mol－2·L2，说明升高温度，平衡常数减小，平衡逆向移动，正反应为放热反应，则ΔH<0。
答案：(1)①0.32 mol·L－1·min－1
②25 mol－2·L2 ③D (2)> (3)<
3．(命题情境：化学平衡常数与环境污染治理)“绿水青山就是金山银山”。近年来，绿色发展、生态保护成为我国展示给世界的一张新“名片”。汽车尾气是造成大气污染的重要原因之一，减少氮的氧化物在大气中的排放是环境保护的重要内容之一。请回答下列问题：
(1)已知：N2(g)＋O2(g)===2NO(g) ΔH1＝＋180.5 kJ·mol－1
C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH2＝－393.5 kJ·mol－1
2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH3＝－221 kJ·mol－1
若某反应的平衡常数表达式为K＝，则此反应的热化学方程式为________________________________________。
(2)N2O5在一定条件下可发生分解反应：2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)，某温度下向恒容密闭容器中充入一定量N2O5，测得N2O5浓度随时间的变化如下表：
t/min
0
1
2
3
4
5
c(N2O5)/
(mol·L－1)
1.00
0.71
0.50
0.35
0.25
0.17
①反应开始时体系压强为p0，第2 min时体系压强为p1，则p1∶p0＝________。2～5 min内用NO2表示的该反应的平均反应速率为________。
②一定温度下，在恒容密闭容器中充入一定量N2O5进行该反应，能判断反应已达到化学平衡状态的是________(填标号)。
a．NO2和O2的浓度比保持不变
b．容器中压强不再变化
c．2v正(NO2)＝v逆(N2O5)
d．气体的密度保持不变
(3)如图是密闭反应容器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料后，在200 ℃、400 ℃、600 ℃下，合成NH3反应达到平衡时，混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线，已知该反应为放热反应。
①曲线a对应的温度是________。
②M点对应的H2的转化率是________。
解析：(1)若某反应的平衡常数表达式为K＝，则其化学方程式为2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)，将题中3个已知热化学方程式依次编号为①②③，根据盖斯定律，由②×2－①－③可得：2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g) ΔH＝(－393.5 kJ·mol－1)×2－(＋180.5 kJ·mol－1)－(－221 kJ·mol－1)＝－746.5 kJ·mol－1。
(2)①根据题表中数据列三段式
2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)
初始/(mol·L－1) 1.00 0 0
转化/(mol·L－1) 0.50 1.00 0.25
2 min时/(mol·L－1) 0.50 1.00 0.25
该反应在恒温恒容条件下发生，反应前后气体的压强之比等于物质的量之比，也等于物质的量浓度之比，所以p1∶p0＝(0.50＋1.00＋0.25)mol·L－1∶1.00 mol·L－1＝7∶4。2～5 min内，v(N2O5)＝＝0.11 mol·L－1·min－1，v(NO2)＝2v(N2O5)＝0.22 mol·L－1·min－1。②反应过程中NO2和O2的浓度比始终保持不变，a项不能说明反应已经达到化学平衡状态；该反应在反应前后气体分子数不相等，反应过程容器中压强为变量，容器中压强不再变化可以说明反应已经达到化学平衡状态，b项符合题意；v正(NO2)＝2v逆(N2O5)时，正、逆反应速率相等，而2v正(NO2)＝v逆(N2O5)时，正、逆反应速率不相等，c项不能说明反应已经达到化学平衡状态；反应物和反应产物均为气体，气体总质量不变，而容器恒容，故反应过程中气体密度始终不变，d项不能说明反应已经达到化学平衡状态。(3)①合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，NH3的产率降低，NH3的物质的量分数减小，曲线a、b、c中，在相同条件下曲线a对应NH3的物质的量分数最高，其反应温度最低，所以曲线a对应的温度为 200 ℃。②M点NH3的物质的量分数为60%，设NH3为0.6a mol，则N2、H2共为0.4a mol，因为反应器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料，故M点时H2为0.3a mol，结合N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)可知，转化的H2的物质的量为0.9a mol，所以M点对应H2的转化率＝×100%＝75%。
答案：(1)2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g) ΔH＝－746.5 kJ·mol－1
(2)①7∶4(或1.75∶1) 0.22 mol·L－1·min－1 ②b (3)①200 ℃ ②75%
第1节 化学反应的方向与限度
第1课时 化学反应进行的方向 化学平衡常数
考试评价解读
1．了解化学平衡常数的含义，能利用化学平衡常数进行相关计算。
2．能正确计算化学反应的转化率。
核心素养达成
变化观念
与
平衡思想
能从化学平衡常数的角度分析化学反应，运用化学平衡常数解决问题。能多角度、动态地分析化学反应的转化率，运用化学反应原理解决实际问题。
证据推理
与
模型认知
知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。能运用模型(Q与K的关系)解释化学平衡的移动，揭示现象的本质和规律。
化学反应的方向
[以练带忆]
1．下列几个过程中，属于熵值减小变化的是( )
A．干冰的升华
B．NaCl溶于水
C．NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)
D．2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑
C 解析：只有C项是气体分子数减少的反应。
2．已知反应：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)。设ΔH和ΔS不随温度而变，下列说法中正确的是( )
A．低温下是自发反应
B．高温下是自发反应
C．低温下是非自发反应，高温下是自发反应
D．任何温度下都是非自发反应
D 解析：碳燃烧生成CO为放热反应，则CO分解生成碳和O2为吸热反应，即ΔH>0；该反应气体的物质的量减少，则ΔS<0；则化学反应方向的判据ΔH－TΔS总大于0，因此在任何温度下，该反应都不能自发进行。
3．已知①碳酸钙的分解CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g) ΔH1仅在高温下自发进行；②氯酸钾的分解2KClO3(s)===2KCl(s)＋3O2(g) ΔH2在任何温度下都自发进行，下面有几组焓变数据，其中可能正确的是( )
A．ΔH1＝－178.32 kJ·mol－1 ΔH2＝－78.3 kJ·mol－1
B．ΔH1＝＋178.32 kJ·mol－1 ΔH2＝－78.3 kJ·mol－1
C．ΔH1＝－178.32 kJ·mol－1 ΔH2＝＋78.3 kJ·mol－1
D．ΔH1＝＋178.32 kJ·mol－1 ΔH2＝＋78.3 kJ·mol－1
B 解析：碳酸钙的分解ΔS>0，反应仅高温自发，说明该反应ΔH1>0；氯酸钾的分解ΔS>0，反应在任何温度下都自发进行，说明该反应ΔH2<0，B正确。
[练后梳理]
1．自发过程和自发反应
(1)自发过程：在一定条件下，不需要借助外力作用就能自动进行的过程。
(2)自发反应：在一定条件下无需外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。外界帮助包括电能、光能等，注意加热不属于外界帮助，加热是保持反应温度的条件。
(3)自发过程的特点
①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或放出热量)。
②在密闭条件下，体系有从有序转变为无序的倾向性(无序体系更加稳定)。
2．化学反应方向的判据
(1)焓判据
放热过程中体系能量降低，ΔH<0，具有自发进行的倾向。
(2)熵判据
①熵：描述体系混乱程度的物理量，符号为S。熵值越大，体系混乱度越大。
②常见的熵增过程
a．气体的扩散；
b．同一物质不同状态：S(g)>S(l)>S(s)；
c．反应后有气体产生的反应；
d．反应后气体的物质的量增加的反应。
③熵判据：体系的混乱度增大，ΔS>0，反应有自发进行的倾向。
(3)复合判据
①在温度、压强一定的条件下，化学反应进行的方向是反应的焓变和熵变共同影响的结果，反应方向的复合判据为ΔH－TΔS。
当ΔH－TΔS
②反应自发进行的规律：
ΔH<0，ΔS>0，反应任何温度下均自发进行；
ΔH>0，ΔS<0，反应任何温度下均不能自发进行；
ΔH>0，ΔS>0，反应高温自发进行；
ΔH<0，ΔS<0，反应低温自发进行。
化学平衡常数
[以练带忆]
1．放热反应CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)在温度t1时达到平衡，c1(CO)＝c1(H2O)＝1.0 mol·L－1，其平衡常数为K1。反应体系的温度升高至t2时，反应物的平衡浓度分别为c2(CO)和c2(H2O)，平衡常数为K2，则下列说法正确的是( )
A．K2和K1的单位均为mol·L－1
B．K2＞K1
C．c2(CO)＝c2(H2O)
D．c1(CO)＞c2(CO)
C 解析：K＝，因此K的单位不可能为mol·L－1，A项错误；该反应是放热反应，升高温度平衡左移，K2＜K1，B项错误；温度t1时CO(g)和H2O(g)的浓度相等，且CO(g)和H2O(g)按物质的量之比1∶1生成，因此c2(CO)＝c2(H2O)，C项正确；升高温度平衡左移，因此c2(CO)比c1(CO)大，D项错误。
2．在1 L密闭容器中，把1 mol A和1 mol B混合发生如下反应：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(g)，当反应达到平衡时，生成0.4 mol D，并测得C的平衡浓度为0.4 mol·L－1，下列叙述中不正确的是( )
A．x的值为2
B．A的转化率为40%
C．B的平衡浓度为0.8 mol·L－1
D．D的体积分数为20%
B 解析：设平衡时转化B的物质的量为y，则
3A(g)＋ B(g) xC(g)＋2D(g)
初始： 1 mol 1 mol 0 0
转化： 3y y xy 2y
平衡： 1 mol－3y 1 mol－y 0.4 mol 0.4 mol
则2y＝0.4 mol，则y＝0.2 mol；
xy＝0.4 mol，x＝2。
平衡时n(B)＝1 mol—0.2 mol＝0.8 mol，
c(B)＝0.8 mol·L－1。
α(A)＝×100%＝60%。
该反应为气体的物质的量不变的可逆反应，则平衡时D的体积分数为×100%＝20%。
3．在一定温度下，已知以下三个反应的平衡常数：
反应①：CO(g)＋CuO(s)CO2(g)＋Cu(s) K1
反应②：H2(g)＋CuO(s)Cu(s)＋H2O(g) K2
反应③：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) K3
(1)反应①的平衡常数表达式为______________。
(2)反应③的K3与K1、K2的关系是K3＝________。
解析：(2)K3＝，
K2＝，
结合K1＝，可知K3＝。
答案：(1)K1＝ (2)
[练后梳理]
1．概念
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，反应产物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，用符号K表示。
2．表达式
对于反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，K＝(固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。
如①C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式K＝；
②Fe3＋(aq)＋3H2O(l)Fe(OH)3(s)＋3H＋(aq)的平衡常数表达式K＝。
3．意义及影响因素
(1)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行得程度越大。
(2)K只受温度影响，与反应物或反应产物的浓度变化无关。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
4．应用
(1)判断可逆反应进行的程度。
(2)判断反应是否达到平衡或向哪一方向进行。
对于化学反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的任意状态，浓度商：Q＝。
Q＜K，反应向正反应方向进行；
Q＝K，反应处于平衡状态；
Q＞K，反应向逆反应方向进行。
(3)判断反应的热效应：若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应；若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。
平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度(即反应限度)，平衡常数的数值越大，说明反应进行得越完全。 一般认为，K>105时，反应就基本进行完全；K<10－5时，正反应基本不能进行。
考点1 “三段式”突破K的综合计算
[抓本质·悟考法]
羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂，能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在恒容密闭容器中，将CO和H2S混合加热并达到下列平衡：
CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g) K＝0.1
反应前CO的物质的量为10 mol，平衡后CO的物质的量为8 mol。下列说法正确的是( )
A．升高温度，H2S浓度增大，表明该反应是吸热反应
B．通入CO后，正反应速率逐渐增大
C．反应前H2S物质的量为7 mol
D．CO的平衡转化率为80%
【解题关键点】 (1)反应CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g)的平衡常数K＝0.1。
(2)反应前后CO的物质的量。
【易错失分点】 题中已知反应前后CO的物质的量，没有告诉容器的容积，在计算平衡常数时容易错把物质的量当成浓度代入计算，虽可得正确答案，但原理错误。
[自主解答]
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
C 解析：A项，升高温度，H2S浓度增大，说明平衡向逆反应方向移动，逆反应吸热，正反应放热，错误；B项，通入CO气体瞬间正反应速率增大，达到最大值，向正反应方向建立新的平衡，正反应速率又逐渐减小，错误；C项，设反应前H2S的物质的量为n mol，容器的容积为 V L，则
CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g) K＝0.1
n(始)/mol 10 n 0 0
n(转)/mol 2 2 2 2
n(平)/mol 8 n－2 2 2
K＝＝0.1，解得n＝7，正确；D项，根据题意可知CO转化了 2 mol，则CO的转化率为×100%＝20%，错误。
[多角度·突破练]
⊳角度1 平衡常数的概念辨析
1．(2020·济南模拟)已知，相关数据见下表：
编号
化学方程式
平衡常数
不同温度下的平衡常数
979 K
1 173 K
Ⅰ
Fe(s)＋CO2(g)FeO(s)＋CO(g)
K1
1.47
2.15
Ⅱ
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
K2
1.62
b
Ⅲ
Fe(s)＋H2O(g)FeO(s)＋H2(g)
K3
a
1.68
根据以上信息判断，下列结论错误的是( )
A．a>b
B．增大压强，平衡状态Ⅱ不移动
C．升高温度，平衡状态Ⅲ向正反应方向移动
D．反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应
C 解析：由Ⅰ＋Ⅱ＝Ⅲ，得K3＝K1·K2，则a>2，b <1，a>b，A项正确；Ⅱ是等体积反应，增大压强，平衡不移动，B项正确；由a>2，b<1，可知随温度升高，K2、K3均减小，故反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应，D项正确；升温时反应Ⅱ、Ⅲ均向逆反应方向移动，C项不正确。
2．(2020·山东模拟)反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均会在工业生产硝酸过程中发生，其中反应Ⅰ、Ⅱ发生在氧化炉中，反应Ⅲ发生在氧化塔中，不同温度下各反应的化学平衡常数如下表所示。下列说法正确的是( )
温度
(K)
化学平衡常数
反应Ⅰ：4NH3＋5O24NO＋6H2O
反应 Ⅱ ：4NH3＋3O22N2＋6H2O
反应Ⅲ：2NO＋O22NO2
500
1.1×1026
7.1×1034
1.3×102
700
2.1×1019
2.6×1025
1.0
A．使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可增大氧化炉中NO的含量
B．通过改变氧化炉的温度可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
C．通过改变氧化炉的压强可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ
D．氧化炉出气在进入氧化塔前应进一步提高温度
A 解析：使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，进而增大氧化炉中NO的含量，故A正确；升高温度，反应Ⅰ和反应Ⅱ的K值均减小，则正反应均为放热反应，无法通过改变氧化炉的温度促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，故B错误；反应Ⅰ和反应Ⅱ的正反应均为气体体积增大的反应，无法通过改变氧化炉的压强促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ，故C错误；反应Ⅲ是放热反应，氧化炉出气在进入氧化塔前应降低温度，促进反应Ⅲ正向进行，故D错误。
3．甲醇是一种重要的化工原料。利用CO、CO2和H2在催化剂的作用下合成甲醇，有关反应的反应焓变与平衡常数表示如下：
反应1：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH1 K1
反应2：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH2 K2
反应3：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH3 K3
(1)①ΔH3＝________(用ΔH1、ΔH2表示)。
②K3＝________(用K1、K2表示)。
(2)平衡常数K随温度变化的曲线如图所示：
①ΔH2________(填“大于”“小于”或“等于”)ΔH3，理由是_______________。
②温度为T1 K时，体系建立起化学平衡状态，测得c(H2)＝0.1 mol·L－1，＝________。
解析：(1)①分析已知的三个热化学方程式的特点及相互关系，由盖斯定律可得ΔH3＝ΔH1＋ΔH2；
②K3＝
＝
＝K1·K2。(2)①由图可知，随温度升高，K1增大，故ΔH1>0，又ΔH3＝ΔH1＋ΔH2，则ΔH2<ΔH3。②由图可知，T1 K时，K1＝K3，由K3＝K1·K2得K2＝1，而K2＝，故＝c(H2)＝0.12＝0.01。
答案：(1)①ΔH1＋ΔH2 ②K1·K2
(2)①小于 由图可知随着温度升高，K1增大，则ΔH1>0，根据盖斯定律知ΔH3＝ΔH1＋ΔH2，所以ΔH2<ΔH3 ②0.01
多个化学反应叠加时K与ΔH变化
在利用多个方程式求算K时，要注意K与焓变(ΔH)的区别：方程式相加减，焓变相加减，平衡常数相乘除；方程式乘以某个系数x，焓变也需乘以该系数，平衡常数变为原来的x次方。
⊳角度2 化学平衡常数的计算与应用
4．在300 mL的密闭容器中，放入镍粉并充入一定量的CO气体，一定条件下发生反应：Ni(s)＋4CO(g)Ni(CO)4(g)，已知该反应平衡常数与温度的关系如下表：
温度/ ℃
25
80
230
平衡常数
5×104
2
1.9×10－5
下列说法不正确的是( )
A．上述生成Ni(CO)4(g)的反应为放热反应
B．25 ℃时反应Ni(CO)4(g)Ni(s)＋4CO(g)的平衡常数为2×10－5
C．80 ℃达到平衡时，测得n(CO)＝0.3 mol，则Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L－1
D．80 ℃时，测得某时刻，Ni(CO)4、CO浓度均为0.5 mol·L－1，则此时v(正)>v(逆)
D 解析：随着温度的升高，平衡常数逐渐减小，说明升高温度，平衡向逆反应方向移动，因此正反应是放热反应，A正确；逆反应的平衡常数是正反应的倒数，B正确；选项C中，根据80 ℃时平衡常数的表达式可知，Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L－1，C正确；80 ℃时，测得某时刻，Ni(CO)4、CO浓度均为 0.5 mol·L－1，则此时＝8>2，反应向逆反应方向进行，则此时v(正)
(1)计算在20～40 s时间内，NO2的平均生成速率为________mol·L－1·s－1。
(2)①该反应的化学平衡常数表达式为___________________。
②该温度下平衡常数的值为________。
(3)达到平衡状态时N2O4的转化率为________。
(4)求平衡时容器内气体压强与反应前的压强之比为________(填最简整数比)。
解析：(1)根据图像，20～40 s时间内，N2O4的浓度变化量是0.020 mol·L－1，则v(N2O4)＝＝0.001 mol·L－1·s－1，根据化学方程式可知，NO2的速率是N2O4速率的2倍，故v(NO2)＝0.002 mol·L－1·s－1。(2)①根据平衡常数的定义，可直接写出表达式。②60 s后反应达到平衡，此时N2O4的浓度是0.040 mol·L－1，则N2O4的浓度变化量是0.060 mol·L－1，NO2的浓度是0.120 mol·L－1，代入平衡常数表达式可计算出数值。(3)N2O4的转化率为×100%＝60%。(4)平衡时容器内气体的总浓度为0.040 mol·L－1＋0.120 mol·L－1＝0.160 mol·L－1，故平衡时与反应前的压强比为0.160 mol·L－1∶0.100 mol·L－1＝8∶5。
答案：(1)0.002 (2)①K＝ ②0.36
(3)60% (4)8∶5
应用化学平衡常数时应注意的四个问题
(1)化学平衡常数是在一定温度下一个反应本身固有的内在性质的定量体现。
(2)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。
(3)反应物或反应产物中有固体和纯液体存在时，其浓度可看作一个常数，不计入平衡常数表达式中。
(4)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系数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。
考点2 压强平衡常数Kp的计算方法
[抓本质·悟考法]
一定量的CO2与足量的C在恒压密闭容器中发生反应：C(s)＋CO2(g)2CO(g) ΔH＝＋173 kJ·mol－1，若压强为p kPa，平衡时体系中气体体积分数与温度的关系如图所示，回答下列问题：
(1)650 ℃时CO2的平衡转化率为________。
(2)t1 ℃时平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)；该温度下达平衡后若再充入等物质的量的CO和CO2气体，则平衡________(填“正向”“逆向”或“不”)移动，原因是________________________________________
解析：(1)设CO2的起始量为a mol，反应消耗x mol。
C(s)＋CO2(g) 2CO(g)
起始 a mol 0
Δn x mol 2x mol
平衡 (a－x)mol 2x mol
×100%＝40%
x＝，故α(CO2)＝×100%＝25%。
(2)t1 ℃时CO与CO2的体积分数相等，均为0.5，
Kp＝＝0.5p。再充入等物质的量的CO和CO2时，二者的体积分数不变，平衡不移动。
答案：(1)25% (2)0.5p 不 再充入等物质的量的CO和CO2，平衡体系中二者的体积分数仍相同，平衡不移动
【解题关键点】 (1)根据“三段式”计算出平衡时各组分的物质的量。
(2)根据信息“分压＝总压×物质的量分数”计算出各组分的分压。
【易错失分点】 (1)忽视了不能将固体带入平衡常数表达式。
(2)不能根据图像得出t 1 ℃时两种气体的含量都为50%。
[自主解答]
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
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[多角度·突破练]
⊳角度1 压强平衡常数的计算
1．活性炭也可用于处理汽车尾气中的NO，在1 L恒容密闭容器中加入0.100 0 mol NO和2.030 mol固体活性炭，生成A、B两种气体，在不同温度下测得平衡体系中各物质的物质的量以及容器内压强如下表：
温度
活性炭/mol
NO/mol
A/mol
B/mol
p/MPa
200 ℃
2.000
0.040 0
0.030 0
0.030 0
3.93
335 ℃
2.005
0.050 0
0.025 0
0.025 0
p
根据上表数据，写出容器中发生反应的化学方程式：______________________________________，判断p________(填“>”“<”或“＝”)3.93 MPa。计算反应体系在200 ℃时的平衡常数Kp＝________。
答案：C＋2NON2＋CO2 >
2．无色气体N2O4是一种强氧化剂，为重要的火箭推进剂之一。N2O4与NO2转换的热化学方程式为N2O4(g)2NO2(g) ΔH＝＋24.4 kJ·mol－1。
上述反应中，正反应速率v正＝k正·p(N2O4)，逆反应速率v逆＝k逆·p2(NO2)，其中k正、k逆为速率常数，p为平衡分压，则Kp为________(以k正、k逆表示)。若将一定量的N2O4投入真空容器中恒温恒压分解(温度298 K、压强100 kPa)，已知该条件下k正＝4.8×104 s－1，当N2O4分解10%时，v正＝________kPa·s－1。
解析：上述反应中，正反应速率v正＝k正·p(N2O4)，逆反应速率v逆＝k逆·p2(NO2)，其中k正、k逆为速率常数，平衡时，v正＝v逆，k正·p(N2O4)＝k逆·p2(NO2)，Kp＝＝。若将一定量N2O4投入真空容器中恒温恒压分解(温度298 K、压强 100 kPa)，已知该条件下k正＝4.8×104 s－1，当N2O4分解10%时，v正＝4.8×104 s－1×100 kPa×≈3.9×106 kPa·s－1
答案： 3.9×106
3．一定温度下，等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应(g)＋I2(g)===(g)＋2HI(g) ΔH＝＋89.3 kJ·mol－1，初始总压为 105 Pa，平衡时总压增加了20%，环戊烯的转化率为________，该反应的平衡常数Kp＝________Pa。达到平衡后，欲增加环戊烯的平衡转化率，可采取的措施有________(填标号)。
A．通入惰性气体 B．提高温度
C．增加环戊烯浓度 D．增加碘浓度
解析：设容器中起始加入I2(g)和环戊烯的物质的量均为a，平衡时转化的环戊烯的物质的量为x，列出三段式：
(g)＋I2(g)===(g)＋2HI(g)
初始/mol: a a 0 0
转化/mol: x x x 2x
平衡/mol: a－x a－x x 2x
根据平衡时总压强增加了20%，且恒温恒容时，压强之比等于气体物质的量之比，得＝，解得x＝0.4a，则环戊烯的转化率为×100%＝40%。平衡时(g)、I2(g)、(g)、HI(g)的分压分别为、、、，则Kp＝＝p总，根据p总＝1.2×105 Pa，可得Kp＝×1.2×105 Pa≈3.56×104 Pa。通入惰性气体，对该反应的平衡无影响，A项不符合题意；该反应为吸热反应，提高温度，平衡正向移动，可提高环戊烯的平衡转化率，B项符合题意；增加环戊烯浓度，能提高I2(g)的平衡转化率，但环戊烯的平衡转化率降低，C项不符合题意；增加I2(g)的浓度，能提高环戊烯的平衡转化率，D项符合题意。
答案：40% 3.56×104 BD
压强平衡常数Kp与计算方法
(1)含义：在化学平衡体系中，用各气体物质的分压代替浓度计算的平衡常数。
(2)计算步骤
第一步，根据“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度；
第二步，计算各气体组分的物质的量分数或体积分数；
第三步，根据分压计算式求出各气体物质的分压，某气体的分压＝气体总压强×该气体的体积分数(或物质的量分数)；
第四步，根据平衡常数计算公式代入计算。例如：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，压强平衡常数表达式为Kp＝。
⊳角度2 转化率的判断与计算
4．将等物质的量的X、Y气体充入某密闭容器中，在一定条件下，发生反应并达到平衡：X(g)＋3Y(g)2Z(g) ΔH<0。当改变某个条件并维持新条件直至新的平衡时，表中关于新平衡与原平衡的比较正确的是( )
选项
改变条件
新平衡与原平衡比较
A
升高温度
X的转化率变小
B
增大压强
X的浓度变小
C
充入一定量Y
Y的转化率增大
D
使用适当催化剂
X的体积分数变小
A 解析：升高温度，平衡逆向移动，X的转化率变小，A正确；增大压强，平衡正向移动，但容器的体积减小，X的浓度增大，B错误；充入一定量Y，X的转化率增大，而Y的转化率减小，C错误；使用适当催化剂，只能加快反应速率，不能改变平衡移动方向，X的体积分数不变，D错误。
5．某温度下，在一个2 L的密闭容器中，加入4 mol A和2 mol B，发生反应3A(g)＋2B(g)4C(s)＋2D(g)，反应一段时间后达到平衡状态，测得生成1.6 mol C。下列说法正确的是( )
A．该反应的平衡常数表达式为K＝
B．B的平衡转化率是40%
C．增大压强，化学平衡常数增大
D．增加B的量，B的平衡转化率增大
B 解析：化学平衡常数的表达式中不能出现固体或纯液体，而物质C是固体，A项错误；根据化学方程式可知，平衡时B减少的物质的量＝1.6 mol×0.5＝0.8 mol，故B的平衡转化率为＝40%，B项正确；化学平衡常数只与温度有关，增大压强化学平衡常数不变，C项错误；增加B的量，平衡向正反应方向移动，但B的增加量比平衡的移动量幅度大，故A的转化率增大，而B的转化率减小，D项错误。
平衡转化率的分析与判断方法
(1)反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的转化率分析
①若反应物初始物质的量之比等于系数之比，达到平衡后，它们的转化率相等。
②若只增加A的量，平衡正向移动，B的转化率提高，A的转化率降低。
③若按原比例同倍数地增加(或降低)A、B的浓度，等效于压缩(或扩大)容器体积，气体反应物的转化率与系数有关。同倍增大c(A)和c(B)
(2)反应mA(g)nB(g)＋qC(g)的转化率分析在T、V不变时，增加A的量，等效于压缩容器体积，A的转化率与系数有关。
增大c(A)
1．(命题情境：化学平衡与新能源开发问题)氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能应用自200年前就产生了兴趣。从20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。科学家研究以太阳能为热源分解Fe3O4，最终循环分解水制H2，其中一步重要反应为2Fe3O4(s) 6FeO(s)＋O2(g) ΔH＝a kJ·mol－1。在一定压强下，Fe3O4的平衡转化率随温度变化的α(Fe3O4)－T曲线如图所示。下列有关说法不正确的是( )
A．a>0
B．压强p1>p2
C．升高温度，该反应的平衡常数增大
D．将体系中O2分离出去，能提高Fe3O4的转化率
B 解析：根据图像分析，压强一定，温度升高，Fe3O4的平衡转化率升高，该反应为吸热反应，ΔH>0，即a>0，A项正确；温度一定时，压强增大，平衡逆向移动，Fe3O4的平衡转化率降低，故p1
(1)①从反应开始到恰好达到平衡时，H2的平均反应速率v(H2)＝________。
②300 ℃时，反应的平衡常数K＝________。
③保持温度不变，向平衡后的容器中再充入2 mol CO2和8 mol H2，重新达到平衡时CH4的浓度________(填标号)。
A．等于0.8 mol·L－1
B．等于1.6 mol·L－1
C．0.8 mol·L－1
(2)300 ℃时，如果该容器中有1.6 mol CO2、2.0 mol H2、5.6 mol CH4、4.0 mol H2O(g)，则v正________(填“>”“<”或“＝”)v逆。
(3)已知：200 ℃时，该反应的平衡常数K＝61.8 mol－2·L2。则ΔH________(填“>”“<”或“＝”)0。
解析：(1)①从反应开始到恰好达到平衡时，H2的平均反应速率v(H2)＝4v(CH4)＝4×＝0.32 mol·L－1·min－1。
② CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)
初始浓度/(mol·L－1) 1 4 0 0
转化浓度/(mol·L－1) 0.8 3.2 0.8 1.6
平衡浓度/(mol·L－1) 0.2 0.8 0.8 1.6
300 ℃时，反应的平衡常数K＝＝25 mol－2·L2。③保持温度不变，向平衡后的容器中再充入2 mol CO2和8 mol H2，相当于增大压强，平衡正向移动，则重新达到平衡时CH4的浓度大于1.6 mol·L－1。(2)Q＝＝14(mol－2·L2)
答案：(1)①0.32 mol·L－1·min－1
②25 mol－2·L2 ③D (2)> (3)<
3．(命题情境：化学平衡常数与环境污染治理)“绿水青山就是金山银山”。近年来，绿色发展、生态保护成为我国展示给世界的一张新“名片”。汽车尾气是造成大气污染的重要原因之一，减少氮的氧化物在大气中的排放是环境保护的重要内容之一。请回答下列问题：
(1)已知：N2(g)＋O2(g)===2NO(g) ΔH1＝＋180.5 kJ·mol－1
C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH2＝－393.5 kJ·mol－1
2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH3＝－221 kJ·mol－1
若某反应的平衡常数表达式为K＝，则此反应的热化学方程式为________________________________________。
(2)N2O5在一定条件下可发生分解反应：2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)，某温度下向恒容密闭容器中充入一定量N2O5，测得N2O5浓度随时间的变化如下表：
t/min
0
1
2
3
4
5
c(N2O5)/
(mol·L－1)
1.00
0.71
0.50
0.35
0.25
0.17
①反应开始时体系压强为p0，第2 min时体系压强为p1，则p1∶p0＝________。2～5 min内用NO2表示的该反应的平均反应速率为________。
②一定温度下，在恒容密闭容器中充入一定量N2O5进行该反应，能判断反应已达到化学平衡状态的是________(填标号)。
a．NO2和O2的浓度比保持不变
b．容器中压强不再变化
c．2v正(NO2)＝v逆(N2O5)
d．气体的密度保持不变
(3)如图是密闭反应容器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料后，在200 ℃、400 ℃、600 ℃下，合成NH3反应达到平衡时，混合物中NH3的物质的量分数随压强的变化曲线，已知该反应为放热反应。
①曲线a对应的温度是________。
②M点对应的H2的转化率是________。
解析：(1)若某反应的平衡常数表达式为K＝，则其化学方程式为2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)，将题中3个已知热化学方程式依次编号为①②③，根据盖斯定律，由②×2－①－③可得：2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g) ΔH＝(－393.5 kJ·mol－1)×2－(＋180.5 kJ·mol－1)－(－221 kJ·mol－1)＝－746.5 kJ·mol－1。
(2)①根据题表中数据列三段式
2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)
初始/(mol·L－1) 1.00 0 0
转化/(mol·L－1) 0.50 1.00 0.25
2 min时/(mol·L－1) 0.50 1.00 0.25
该反应在恒温恒容条件下发生，反应前后气体的压强之比等于物质的量之比，也等于物质的量浓度之比，所以p1∶p0＝(0.50＋1.00＋0.25)mol·L－1∶1.00 mol·L－1＝7∶4。2～5 min内，v(N2O5)＝＝0.11 mol·L－1·min－1，v(NO2)＝2v(N2O5)＝0.22 mol·L－1·min－1。②反应过程中NO2和O2的浓度比始终保持不变，a项不能说明反应已经达到化学平衡状态；该反应在反应前后气体分子数不相等，反应过程容器中压强为变量，容器中压强不再变化可以说明反应已经达到化学平衡状态，b项符合题意；v正(NO2)＝2v逆(N2O5)时，正、逆反应速率相等，而2v正(NO2)＝v逆(N2O5)时，正、逆反应速率不相等，c项不能说明反应已经达到化学平衡状态；反应物和反应产物均为气体，气体总质量不变，而容器恒容，故反应过程中气体密度始终不变，d项不能说明反应已经达到化学平衡状态。(3)①合成氨反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，NH3的产率降低，NH3的物质的量分数减小，曲线a、b、c中，在相同条件下曲线a对应NH3的物质的量分数最高，其反应温度最低，所以曲线a对应的温度为 200 ℃。②M点NH3的物质的量分数为60%，设NH3为0.6a mol，则N2、H2共为0.4a mol，因为反应器中按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料，故M点时H2为0.3a mol，结合N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)可知，转化的H2的物质的量为0.9a mol，所以M点对应H2的转化率＝×100%＝75%。
答案：(1)2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g) ΔH＝－746.5 kJ·mol－1
(2)①7∶4(或1.75∶1) 0.22 mol·L－1·min－1 ②b (3)①200 ℃ ②75%
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