2020年高考化学一轮总复习文档：第七章第23讲化学平衡常数化学反应进行的方向 学案

第23讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向

一、化学平衡常数

1．概念

在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，称为化学平衡常数，用符号K表示。

2．表达式

对于反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(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)。

3．实例

4．意义

(1)K值越大，平衡时反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。

(2)K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。

(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。

5．平衡转化率

平衡转化率是指平衡时已转化了的某反应物的量与转化前该反应物的量之比，用来表示反应限度。对于反应：aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，反应物A的转化率可以表示为α(A)＝×100%。

二、化学反应进行的方向

1．自发过程

(1)含义：不用借助于外力就可以自动进行的过程。

2．熵与熵变

(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

①同一种物质的不同状态：S(g)＞S(l)＞S(s)。

②反应后气体物质的量增加的反应。

3．化学反应方向的判据

1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。

(1)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式为K＝。(×)

错因：固体和纯液体通常不计入平衡常数表达式中。

(2)恒温、恒容条件下，发生反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)达到平衡，向容器中再充入1 mol SO2，平衡正向移动，化学平衡常数增大。(×)

错因：K仅与温度有关。

(3)改变条件，使反应物的平衡转化率都增大，该可逆反应的平衡常数一定增大。(×)

错因：K仅与温度有关。

(4)改变条件，平衡右移，则反应物的转化率一定增大。(×)

错因：在合成氨的反应中，其他条件不变时，增加N2的量，但N2的转化率减小。

(5)反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0。(√)

错因：_______________________________________________________

(6)因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或熵变均可以单独作为反应自发性的判据。(×)

错因：焓变或熵变不全面，需由复合判据ΔG＝ΔH－TΔS来判定反应的自发性。

2．教材改编题

(据人教选修四P32 T2)已知反应A(g)＋3B(g)3C(g)在一定温度下达到平衡，该反应的平衡常数表达式为____________。若各物质的平衡浓度分别为c(A)＝2.0 mol·L－1、c(B)＝2.0 mol·L－1、c(C)＝1.0 mol·L－1，则K＝________。

答案　K＝　

3．教材改编题

(据人教选修四P36 T1)下列过程的熵变的判断不正确的是(　　)

A．溶解少量食盐于水中，ΔS>0

B．纯碳和氧气反应生成CO(g)，ΔS>0

C．H2O(g)变成液态水，ΔS>0

D．CaCO3(s)加热分解为CaO(s)和CO2(g)，ΔS>0

答案　C

考点　化学平衡常数及应用

[典例1]　(2018·西安市铁一中学质检)O3是一种很好的消毒剂，具有高效、洁净、方便、经济等优点。O3可溶于水，在水中易分解，产生的[O]为游离氧原子，有很强的杀菌消毒能力。常温常压下发生的反应如下：

反应①　O3O2＋[O]　ΔH>0　平衡常数为K1；

反应②　[O]＋O32O2　ΔH<0　平衡常数为K2；

总反应：2O33O2　ΔH<0　平衡常数为K。

下列叙述正确的是(　　)

A．降低温度，总反应K减小

B．K＝K1＋K2

C．适当升温，可提高消毒效率

D．压强增大，K2减小

解析　降温，总反应平衡向右移动，K增大，A项错误；K1＝、

K2＝、K＝＝K1·K2，B项错误；升高温度，反应①平衡向右移动，c([O])增大，可提高消毒效率，C项正确；对于给定的反应，平衡常数只与温度有关，D项错误。

答案　C

名师精讲

1．平衡常数的几个易错点

(1)正、逆反应的平衡常数互为倒数；若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。

(2)固体与纯液体以及溶液中H2O的浓度可看为常数，不能代入平衡常数表达式。

(3)两反应加和得到的新反应，其化学平衡常数是两反应平衡常数的乘积；两反应相减，得到的新反应，其化学平衡常数是两反应平衡常数相除得到的商。

2．化学平衡常数的应用

(1)利用K可以推测可逆反应进行的程度

K的大小表示可逆反应进行的程度，K大说明反应进行的程度大，反应物的平衡转化率大；K小说明反应进行的程度小，反应物的平衡转化率小。

(2)利用K可判断反应的热效应

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。

(3)利用K的表达式确定化学反应方程式

根据平衡常数的书写原则确定出反应物、生成物以及各物质的化学计量数。

(4)借助平衡常数，可以判断一个化学反应是否达到化学平衡状态以及反应的方向

对于可逆反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)，在一定温度下的任意时刻，通过浓度商与K的相对大小来确定反应是否达到平衡状态。Qc＝。

Qc

1．已知在600 ℃时，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____________，反应④2CO(g)＋2CuO(s)2CO2(g)＋2Cu(s)的平衡常数K4与K1的关系是____________。

(2)反应②的K值随着温度升高而增大，则反应②的反应热ΔH________0。

(3)反应③的K3值与K1、K2的关系是____________。

(4)若其他条件不变，向反应③所在的密闭容器中充入H2O(g)，则平衡将向________移动，该反应的平衡常数________(填“变大”“变小”或“不变”)。

答案　(1)K1＝　K4＝K　(2)＞

(3)K3＝　(4)正反应方向　不变

解析　(1)由反应①依据平衡常数的计算公式K1＝，反应①中固体物质浓度按常数1处理，由反应①系数×2即得题干方程式，则K4＝K。

(2)温度升高，可逆反应向吸热方向进行，而K值增大，平衡正向移动，则正向为吸热的方向，故ΔH＞0。

(3)反应③＝反应①－反应②，则K3＝。

(4)依据平衡移动原理，平衡将向正反应方向移动，由于K值仅受温度影响，故K值不变。

2．(2018·合肥高三模拟)在体积为1 L的密闭容器中，进行如下化学反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，化学平衡常数K与温度T的关系如下表：

回答下列问题：

(1)升高温度，化学平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。

(2)若某温度下，平衡浓度符合下列关系：c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，此时的温度为________；在此温度下，若该容器中含有1 mol CO2、1.2 mol H2、0.75 mol  CO、1.5 mol H2O，则此时反应所处的状态为__________________(填“向正反应方向进行中”“向逆反应方向进行中”或“平衡状态”)。

答案　(1)正反应　(2)850 ℃　向正反应方向进行中

解析　(1)由表格数据，可知随着温度升高，平衡常数增大，说明化学平衡向正反应方向移动。

(2)c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，则计算出K＝1.0，即此时温度为850 ℃，此温度下＝<1.0，故反应向正反应方向进行中。

考点　化学平衡常数的计算

[典例2]　(2018·潍坊统考)温度为T0时，在容积固定的密闭容器中发生反应aX(g)＋bY(g)cZ(g)，4 min时达到平衡，各物质浓度随时间变化的关系如图a所示。其他条件相同，温度分别为T1、T2时发生反应，Z的浓度随时间变化的关系如图b所示。下列叙述正确的是(　　)

A．发生反应时，各物质的反应速率大小关系为v(X)＝v(Y)＝2v(Z)

B．图a中反应达到平衡时，Y的转化率为37.5%

C．T0时，该反应的平衡常数为33.3

D．该反应正反应的反应热ΔH<0

解析　根据图a可知，0～4 min，X、Y的浓度分别减少0.25 mol·L－1、0.25 mol·L－1，Z的浓度增加0.5 mol·L－1，则反应方程式为X(g)＋Y(g)2Z(g)，同一反应中各物质的反应速率之比等于化学计量数之比，则v(X)＝v(Y)＝v(Z)，A项错误；图a中，Y的起始浓度为0.4 mol·L－1，平衡浓度为0.15 mol·L－1，则Y的转化率为×100%＝62.5%，B项错误；达到平衡时c(X)＝0.05 mol·L－1，c(Y)＝0.15 mol·L－1，c(Z)＝0.5 mol·L－1，则平衡常数K＝＝≈33.3，C项正确；根据图b可知，T1条件下反应先达到平衡，则T1>T2，温度升高，c(Z)增大，则平衡向正反应方向移动，故正反应为吸热反应，ΔH>0，D项错误。

答案　C

名师精讲

 “三段式法”解答有关平衡常数、转化率的计算

“三段式法”是有效解答化学平衡计算题的“万能钥匙”。解题时，要注意条理清楚地列出起始量、转化量、平衡量，按题目要求进行计算，同时还要注意单位的统一。

(1)解题步骤

①写出涉及的可逆反应的化学方程式。

②找出起始量、转化量和平衡量中哪些是已知量，哪些是未知量，按“三段式”列出。

③根据问题建立相应的关系式进行计算。

(2)具体方法

①分析三个量：即起始量、转化量、平衡量。

②明确三个关系

a．对于同一反应物，起始量－转化量＝平衡量。

b．对于同一生成物，起始量＋转化量＝平衡量。

c．各变化量之比等于各物质的化学计量数之比。

③计算模式

对于反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量(mol)分别为a、b，达到平衡后，A的消耗量为mx，容器容积为V L。

　　　　　　     mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)

起始(mol)　　　　　a　　　b　　　　0　　　0

转化(mol)　　　　　mx　　 nx　　　px　　　qx

平衡(mol)　　　　a－mx　　b－nx　　px　　　qx

则有：a.平衡常数：

b．A的平衡浓度：c(A)平＝ mol·L－1。

c．A的转化率：α(A)平＝×100%，α(A)∶α(B)＝∶＝。

d．A的体积分数：φ(A)＝×100%。

e．平衡与起始压强之比：＝。

3．将固体NH4I置于密闭容器中，在一定温度下发生下列反应：①NH4I(s)NH3(g)＋HI(g)，②2HI(g)H2(g)＋I2(g)。达到平衡时：c(H2)＝0.5 mol·L－1，c(HI)＝4 mol·L－1，则此温度下反应①的平衡常数为________。

答案　20

解析　由平衡时H2的浓度，可求得反应②分解消耗HI的浓度，c分解(HI)＝0.5 mol·L－1×2＝1 mol·L－1，故①式生成c(HI)＝c平衡(HI)＋c分解(HI)＝4 mol·L－1＋1 mol·L－1＝5 mol·L－1，则c平衡(NH3)＝5 mol·L－1，根据平衡常数表达式K＝c平衡(NH3)·c平衡(HI)＝5×4＝20。

4．已知可逆反应：M(g)＋N(g)P(g)＋Q(g)　ΔH＞0。请回答下列问题：

(1)在某温度下，反应物的起始浓度分别为：c(M)＝1 mol·L－1，c(N)＝2.4 mol·L－1；达到平衡后，M的转化率为60%，此时N的转化率为________。

(2)若反应温度升高，M的转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(3)若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为：c(M)＝4 mol·L－1，c(N)＝a mol·L－1；达到平衡后，c(P)＝2 mol·L－1，a＝________。

(4)若反应温度不变，反应物的起始浓度为：c(M)＝c(N)＝b mol·L－1，达到平衡后，M的转化率为________。

答案　(1)25%　(2)增大　(3)6　(4)41%

解析　(1)由化学方程式知反应消耗N与M的物质的量相等，则N的转化率为×100%＝25%。

(2)因为正反应是吸热反应，温度升高，平衡右移，所以M的转化率增大。

(3)反应温度不变，平衡常数不变，由(1)中数据

　　　　　　   M(g)＋N(g)　　P(g)＋Q(g)

起始(mol·L－1)　 1　 　2.4　 　 　 0　　  0

变化(mol·L－1)　 0.6 　　0.6　 　  0.6　  0.6

平衡(mol·L－1)　1－0.6　2.4－0.6　 0.6　  0.6

K＝＝，

　　　　　　   M(g)＋N(g)P(g)＋Q(g)

起始(mol·L－1)　 4 　 　a　　　 0　　 0

变化(mol·L－1)　 2 　 　2　 　　2　　 2

平衡(mol·L－1)　 4－2　a－2　　2　　 2

则＝，解得a＝6。

(4)同(3)的方法，解得M的转化率为41%。

考点　化学反应进行的方向

[典例3]　灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以制造器皿，现把白锡制成的器皿放在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用？____________________________。

已知：在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡的反应焓变和熵变分别为ΔH＝－2180.9 J·mol－1、ΔS＝－6.61 J·mol－1·K－1。

解析　ΔH－TΔS＝－2.1809 kJ·mol－1－273 K×(－6.61×10－3 kJ·mol－1·K－1)≈－0.38 kJ·mol－1<0，能自发进行。

答案　会自发变成灰锡，不能再继续使用

名师精讲

焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响

5．下列说法正确的是(　　)

A．凡是放热反应都是自发的，因为吸热反应都是非自发的

B．自发反应的熵一定增大，非自发反应的熵一定减小

C．常温下，反应C(s)＋CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH>0

D．反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则该反应的ΔH>0

答案　C

解析　若ΔH<0，ΔS>0，则一定自发，若ΔH>0，ΔS<0，则一定不能自发，若ΔH<0，ΔS<0或ΔH>0，ΔS>0，反应能否自发，和温度有关，A、B错误；C项中反应的ΔS>0，若ΔH<0，则一定自发，现常温下不自发，说明ΔH>0，正确；D项中反应的ΔS<0，能自发，说明ΔH<0，错误。

6．已知反应FeO(s)＋C(s)===CO(g)＋Fe(s)的ΔH＞0(假设ΔH、ΔS不随温度变化而变化)，下列叙述中正确的是(　　)

A．低温下为自发过程，高温下为非自发过程

B．高温下为自发过程，低温下为非自发过程

C．任何温度下为非自发过程

D．任何温度下为自发过程

答案　B

解析　已知ΔH＞0，固固反应生成气体的反应ΔS＞0，化学反应能自发进行的判据是ΔH－TΔS＜0，即TΔS＞ΔH，因此此反应只能是高温自发，B正确。