2020版高考新创新一轮复习化学通用版学案：第七章第三节化学平衡常数化学反应进行的方向


第三节　化学平衡常数
化学反应进行的方向


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1.了解化学平衡常数(K)的含义。
2.能利用化学平衡常数进行相关计算。
3.能正确计算化学反应的转化率(α)。

考点(一)　化学平衡常数　转化率 【点多面广精细研】

1．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(简称平衡常数)，用符号K表示。
(2)表达式
①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)。
②K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。
(3)实例
化学方程式
平衡常数
关系式
N2(g)＋3H2(g)
2NH3(g)
K1＝
K2＝(或
K1)
K3＝
N2(g)＋H2(g)
NH3(g)
K2＝
2NH3(g)
N2(g)＋3H2(g)
K3＝
(4)影响因素：温度。
(5)K值与可逆反应进行程度的关系
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
2.平衡转化率
对于上例反应中A(g)的平衡转化率可表示为α(A)＝×100%[c0(A)代表A的初始浓度，c平(A)代表A的平衡浓度]。

[小题练微点]
1．判断下列说法的正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)平衡常数表达式中，物质的浓度可以是任一时刻的浓度(　　)
(2)可逆反应2A(s)＋B(g) 2C(g)＋3D(g)的平衡常数为K＝(　　)
(3)化学平衡发生移动，平衡常数一定改变(　　)
(4)对于反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)，升高温度，K值减小，则ΔH<0(　　)
(5)平衡常数大的可逆反应的反应物的转化率一定大(　　)
答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×
2．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＝　0.062 5
[学霸微提醒]
(1)K只受温度的影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。
(2)计算平衡常数利用的是物质的平衡浓度，而不是任意时刻浓度，一般不能用物质的量代替浓度。
(3)催化剂能加快化学反应速率，但对化学平衡无影响，也不会改变平衡常数的大小。
(4)化学反应方向改变或化学计量数改变，平衡常数均发生改变。


平衡常数、转化率的有关计算
1.(2018·全国卷Ⅰ节选)F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25 ℃时N2O5(g)分解反应：

其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强p随时间t的变化如表所示[t＝∞时，N2O5(g)完全分解]：
t/min
0
40
80
160
260
1 300
1 700
∞
p/kPa
35.8
40.3
42.5
45.9
49.2
61.2
62.3
63.1
25 ℃时N2O4(g) 2NO2(g)反应的平衡常数Kp＝________kPa(Kp为以分压表示的平衡常数，计算结果保留1位小数)。
解析：时间无限长时N2O5完全分解，故由2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)知，此时生成的p＝2p＝2×35.8 kPa＝71.6 kPa，p＝0.5×35.8 kPa＝17.9 kPa。由题意知，平衡时体系的总压强为63.1 kPa，则平衡体系中NO2、N2O4的压强和为63.1 kPa－17.9 kPa＝45.2 kPa，设N2O4的压强为x kPa，则
　　　　　 N2O4(g) 2NO2(g)
初始压强/kPa 0 71.6
转化压强/kPa x 2x
平衡压强/kPa x 71.6－2x
则x＋(71.6－2x)＝45.2，解得x＝26.4,71.6 kPa－26.4 kPa×2＝18.8 kPa，Kp＝＝≈13.4 kPa。
答案：13.4
2．(2018·全国卷Ⅱ节选)CH4—CO2催化重整反应为CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)。某温度下，在体积为2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2 以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，其平衡常数为________mol2·L－2。
解析：　　　　　CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)
起始/(mol·L－1) 1 0.5 0 0
转化/(mol·L－1) 0.25 0.25 0.5 0.5
平衡/(mol·L－1) 0.75 0.25 0.5 0.5
K＝
＝＝ mol2·L－2。
答案：
3．(2018·全国卷Ⅲ节选)对于反应2SiHCl3(g)===SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g)，采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂，在323 K 和343 K 时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。

(1)343 K时反应的平衡转化率α＝________%。平衡常数K343 K＝________(保留2位小数)。
(2)在343 K下：要提高SiHCl3转化率，可采取的措施是________________；要缩短反应达到平衡的时间，可采取的措施有________________、________________。

解析：温度越高，反应速率越快，达到平衡的时间越短，点a所在曲线达到平衡的时间短，则点a所在曲线代表343 K时SiHCl3的转化率变化，点b所在曲线代表323 K时SiHCl3的转化率变化。
(1)由题图可知，343 K时反应的平衡转化率α＝22%。设起始时SiHCl3(g)的浓度为1 mol·L－1，则有
2SiHCl3(g)===SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g)
起始/(mol·L－1) 1 0 0
转化/(mol·L－1 ) 0.22 0.11 0.11
平衡/(mol·L－1 ) 0.78 0.11 0.11
则343 K时该反应的平衡常数
K343 K＝＝≈0.02。
(2)在343 K时，要提高SiHCl3转化率，可采取的措施是及时移去产物，使平衡向右移动；要缩短反应达到平衡的时间，需加快化学反应速率，可采取的措施有提高反应物压强或浓度、改进催化剂等。

答案：(1)22　0.02　(2)及时移去产物　改进催化剂　提高反应物压强(浓度)　(3)大于　1.3
方法规律
1．压强平衡常数(Kp)的计算
(1)Kp含义：在化学平衡体系中，用各气体物质的分压替代浓度，计算得到的平衡常数叫压强平衡常数，其单位与表达式有关。
例如，N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，压强平衡常数表达式为Kp＝。
(2)计算技巧：
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
根据分压计算公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
2.化学平衡计算模板
(1)分析三个量：即起始量、变化量、平衡量。
(2)明确三个关系：
①对于同一反应物，起始量－变化量＝平衡量。
②对于同一生成物，起始量＋变化量＝平衡量。
③各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。
(3)计算方法——三段式法
化学平衡计算模式：对于反应mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，设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：①K＝。
②c(A)平＝ mol·L－1。
③α(A)平＝×100%，α(A)∶α(B)＝∶＝。
④φ(A)＝×100%。
⑤＝。
⑥(混)＝(g·L－1)。
⑦＝(g·mol－1)。

平衡常数的应用
4.(2017·天津高考)常压下羰基化法精炼镍的原理为Ni(s)＋4CO(g) Ni(CO)4(g)。230 ℃时，该反应的平衡常数K＝2×10－5。已知：Ni(CO)4的沸点为42.2 ℃，固体杂质不参与反应。
第一阶段：将粗镍与CO反应转化成气态Ni(CO)4；
第二阶段：将第一阶段反应后的气体分离出来，加热至230 ℃制得高纯镍。
下列判断正确的是(　　)
A．增加c(CO)，平衡向正向移动，反应的平衡常数增大
B．第一阶段，在30 ℃和50 ℃两者之间选择反应温度，选50 ℃
C．第二阶段，Ni(CO)4分解率较低
D．该反应达到平衡时，v生成[Ni(CO)4]＝4v生成(CO)
解析：选B　增加c(CO)，平衡正向移动，但平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数不变，A项错误；第一阶段，50 ℃时，反应速率较快且Ni(CO)4为气态，能从反应体系中分离出来，B项正确；相同温度下，第二阶段与第一阶段的平衡常数互为倒数，则230 ℃时，第二阶段的平衡常数K′＝5×104，反应进行的程度大，故Ni(CO)4分解率较高，C项错误；该反应达到平衡时，4v生成[Ni(CO)4]＝v生成(CO)，D项错误。
5．(2019·湖北八校联考)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表所示：
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．在80 ℃时，测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 mol·L－1，则此时v正>v逆
解析：选D　根据题表数据分析，平衡常数随温度升高而减小，说明升高温度平衡逆向移动，逆向是吸热反应，正向是放热反应，故A正确；25 ℃时，反应Ni(CO)4(g) Ni(s)＋4CO(g)的平衡常数与Ni(s)＋4CO(g)Ni(CO)4(g)的平衡常数互为倒数，即平衡常数为＝2×10－5，故B正确；80 ℃达到平衡时，测得n(CO)＝0.3 mol，则c(CO)＝＝1 mol·L－1，依据平衡常数表达式K＝＝2，则Ni(CO)4的平衡浓度为2 mol·L－1，故C正确；在80 ℃时，测得某时刻Ni(CO)4、CO的浓度均为0.5 mol·L－1，Q＝＝＝8>2，说明反应逆向进行，则此时v正
平衡常数的4大应用
(1)利用K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，反应物的转化率大；K小说明反应进行的程度小，反应物的转化率小。
(2)利用K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)利用K判断化学平衡状态及反应的方向
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。Q＝。
Q 　　　　

1．高温下，某反应达到平衡状态，平衡常数K＝。恒容时，温度升高，H2的浓度减小。下列说法正确的是(　　)
A．该反应的化学方程式为CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)
B．该反应的焓变为正值
C．升高温度，逆反应速率减小
D．恒温恒容时，增大压强，H2的浓度一定减小
解析：选B　该反应的平衡常数K＝，可得化学方程式：CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)，A错误；恒容时，温度升高，H2的浓度减小，说明平衡正向移动，则该反应的ΔH>0，B正确；升高温度，正、逆反应速率均增大，C错误；恒温恒容时，若通过压缩气体体积增大压强，因为反应前后气体体积不变，平衡不发生移动，c(H2)增大，若充入“惰性”气体增大压强，平衡不发生移动，c(H2)不变，D错误。
2．若10 L恒容密闭容器中充入X(g)和Y(g)，发生反应X(g)＋Y(g) M(g)＋N(g)，所得实验数据如表所示：
实验
编号
温度
/℃
起始时物质的量/mol
平衡时物质的量/mol
n(X)
n(Y)
n(M)
Ⅰ
700
0.40
0.10
0.090
Ⅱ
800
0.10
0.40
0.080
Ⅲ
800
0.20
0.30
a
Ⅳ
900
0.10
0.15
b
下列说法正确的是(　　)
A．实验Ⅰ中，若5 min时测得n(M)＝0.050 mol，则0至 5 min 内，用N表示的平均反应速率v(N)＝1.0×10－2 mol·L－1·min－1
B．实验Ⅱ中该反应的平衡常数K＝2.0
C．实验Ⅲ中，达到平衡时，Y的为40%
D．实验Ⅳ中，达到平衡时，

点拨：①计算转化率→平衡时Y的物质的量→化学平衡常数→Ⅱ、Ⅲ的温度相同，则平衡常数相同。
②0.060实际上是将Ⅲ中a＝0.12减小一半得到的数据，但Ⅲ、Ⅳ温度不相等，由Ⅰ、Ⅱ数据可知Ⅰ中K＝2.6，Ⅱ中K＝1.0，即温度升高，K变小，平衡向逆反应方向移动，则Ⅳ中b<0.060。　　　　
解析：选C　实验Ⅰ 5 min时n(M)＝0.050 mol，则有0～5 min内，v(M)＝＝1×10－3 mol·L－1·min－1；据反应速率与化学计量数的关系可得：v(N)＝v(M)＝1×10－3 mol·L－1·min－1，A错误；利用“三段式法”计算实验Ⅱ中反应的平衡常数：
　　　　　　　　X(g)＋Y(g) M(g)＋N(g)
起始/(mol·L－1) 0.01 0.04 0 0
转化/(mol·L－1) 0.008 0.008 0.008 0.008
平衡/(mol·L－1) 0.002 0.032 0.008 0.008
则平衡常数K＝＝＝1.0，B错误；实验Ⅱ、Ⅲ的温度均为800 ℃，则化学平衡常数均为 1.0，设实验Ⅲ中Y的转化量为x mol，则有：
　　　　　　X(g)＋Y(g) M(g)＋N(g)
起始/mol 0.20 0.30 0 0
转化/mol x x x x
平衡/mol 0.20－x 0.30－x x x
则有K＝＝1.0，解得x＝0.12，故实验Ⅲ中Y的转化率为×100%＝40%，C正确；实验Ⅰ的温度为700 ℃，经计算平衡常数
K＝≈2.61，而800 ℃时平衡常数为1.0，说明温度升高，平衡逆向移动，化学平衡常数减小，则该反应的ΔH<0。实验Ⅳ的温度若为800 ℃，平衡时n(M)＝0.060 mol，而将温度由800 ℃升高到900 ℃，平衡逆向移动，n(M)减小，故b<0.060，D错误。
3．(2017·全国卷Ⅰ节选)H2S与CO2在高温下发生反应：H2S(g)＋CO2(g) COS(g)＋H2O(g)。在610 K时，将0.10 mol CO2与 0.40 mol H2S 充入2.5 L的空钢瓶中，反应平衡后为0.02。
(1)H2S的平衡转化率α1＝__________%，K＝________。
(2)在620 K重复实验，平衡后水的物质的量分数为0.03，H2S的转化率α2______α1，该反应的ΔH______0。(填“>”“<”或“＝”)
(3)向反应器中再分别充入下列气体，能使H2S转化率增大的是________(填标号)。
A．H2S　　　　　　　　　 B．CO2
C．COS D．N2

点拨：①水的物质的量分数＝。
②对于反应前后都是气体，且化学计量数相等的反应，可直接用物质的量代替浓度计算平衡常数。　　　　
解析：(1)用三段式法计算：该反应是等气体分子数反应，平衡时n(H2O)＝0.02×0.50 mol＝0.01 mol。
　 　　　　H2S(g)＋CO2(g) COS(g)＋H2O(g)
起始/mol 　0.40　 　0.10　　　0　　　　0
转化/mol 　0.01 0.01 0.01 0.01
平衡/mol 　0.39 0.09 0.01 0.01
α(H2S)＝×100%＝2.5%。对于等气体分子数反应，可直接用物质的量替代浓度计算平衡常数：K＝＝≈2.8×10－3。(2)总物质的量不变，H2O的物质的量分数增大，说明平衡向右移动，H2S的转化率增大。即升高温度，平衡向正反应方向移动，正反应是吸热反应。(3)平衡之后，再充入H2S，则CO2的转化率增大，H2S的转化率减小，A项错误；充入CO2，平衡向右移动，H2S的转化率增大，B项正确；充入COS，平衡向左移动，H2S的转化率减小，C项错误；充入N2，无论体积是否变化，对于气体分子数相等的反应，平衡不移动，H2S的转化率不变，D项错误。
答案：(1)2.5　2.8×10－3　(2)>　>　(3)B
考点(二)　化学反应进行的方向 【精讲精练快冲关】
[知能学通]
1．自发过程
(1)含义：在一定条件下，不需要借助光、电等外力作用就能自动进行的过程。
(2)特点
①高能量状态低能量状态。
②有序状态无序状态。
2．熵和熵变
(1)熵是量度体系混乱程度的物理量，符号为。
(2)影响熵大小的因素：
①相同条件下，物质不同熵不同。
②同一物质：S(g)>S(l)>S(s)。
(3)熵变(ΔS)＝生成物的总熵－反应物的总熵。
3．化学反应方向的判据


[题点练通]
1．下列反应过程中，ΔH>0且ΔS>0的是(　　)
A．NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)
B．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)
C．4Al(s)＋3O2(g)===2Al2O3(s)
D．HCl(aq)＋NaOH(aq)===NaCl(aq)＋H2O(l)
解析：选B　A是熵减的放热反应；C是熵减的放热反应；D是放热反应。
2．已知：(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)　ΔH＝74.9 kJ·mol－1。下列说法中正确的是(　　)
A．该反应中熵变小于0，焓变大于0
B．该反应是吸热反应，因此一定不能自发进行
C．碳酸盐分解反应中熵增加，因此任何条件下所有碳酸盐分解一定自发进行
D．判断反应能否自发进行需要根据ΔH与ΔS综合考虑
解析：选D　单一的焓变或熵变均不能准确判断反应能否自发进行。
3．分析下列反应在任何温度下均能自发进行的是(　　)
A．2N2(g)＋O2(g)===2N2O(g)　 ΔH＝＋163 kJ·mol－1
B．H2O2(l)===O2(g)＋H2O(l) ΔH＝－98 kJ·mol－1
C．HgO(s)===Hg(l)＋O2(g)　 ΔH＝＋91 kJ·mol－1
D．Ag(s)＋Cl2(g)===AgCl(s)　 ΔH＝－127 kJ·mol－1
解析：选B　A项，反应是熵减的吸热反应，ΔH＞0，ΔS＜0，在任何温度下都不能自发进行，错误；B项，反应是熵增的放热反应，ΔH＜0，ΔS＞0, 在任何温度下均能自发进行，正确；C项，反应是熵增的吸热反应，ΔH＞0，ΔS＞0，在低温下不能自发进行，错误；D项，反应是熵减的放热反应，ΔH＜0，ΔS＜0，在高温下不能自发进行，错误。
[归纳拓展]
复合判据ΔG＝ΔH－TΔS的应用
ΔH
ΔS
ΔG
反应情况
－
＋
<0
任何温度下均自发进行
＋
－
>0
任何温度下均非自发进行
＋
＋
低温>0、高温<0
低温时非自发，高温时自发
－
－
低温<0、高温>0
低温时自发，高温时非自发