2020版《名师导学》高考新课标化学第一轮总复习讲义:第7章第三节 化学平衡常数 化学反应进行的方向
展开第三节 化学平衡常数 化学反应进行的方向
[高考备考指南]
考纲定位 | 1.了解化学平衡常数(K)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(α)。 |
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3.了解化学反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。 |
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核心素养 | 1.变化观念——能利用化学平衡常数分析化学平衡的相关问题。 |
2.平衡思想——能用动态平衡的观点考察、分析化学反应,分析化学平衡常数的应用。 |
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3. 模型认知——构建“三段法”解题模型,进行化学平衡相关的计算(平衡常数、转化率),建立解决复杂化学问题的思维框架。 |
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4. 社会责任——能运用化学反应速率和化学平衡知识综合分析化学过程,认识相关知识在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。 |
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化学平衡常数
(对应复习讲义第86页)
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,用符号K表示。
2.表达式
对于反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),
K=。
实例:
化学方程式 | 平衡常数 | 关系式 |
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N2(g)+3H2(g) |
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2NH3(g) | K1= |
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N2(g)+H2(g) |
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NH3(g) | K2= |
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2NH3(g) |
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N2(g)+3H2(g) | K3= | K2= |
(或K1) |
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K3= |
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3.意义
(1)K值越大,正反应进行的程度越大,反应物的转化率越高。
(2)K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度变化无关。
[提醒] (1)计算化学平衡常数利用的是物质的平衡浓度,不是任意时刻浓度,也不能用物质的量。
(2)化学反应方向改变或化学计量数改变,化学平衡常数均改变。
(1)平衡常数表达式中,可以是物质的任一浓度。 ( )
(2)催化剂能改变化学反应速率,也能改变平衡常数。( )
(3)平衡常数不发生变化,化学平衡一定不发生移动。( )
(4)对于反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),升高温度,K值减小,则ΔH>0。 ( )
(5)对于一个可逆反应,化学计量数不同,化学平衡常数表达式也不同。( )
(6)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。( )
[提示] (1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)√
角度1 化学平衡常数及影响因素,平衡常数的应用
1.反应物和生成物均为气态的某平衡体系,平衡常数表达式为K=,有关该平衡体系的说法不正确的是( )
A.升高温度,该反应的平衡常数K的变化无法判断
B.增大压强,W的质量分数减小
C.该反应的化学方程式为3Z(g)+2W(g)X(g)+2Y(g)
D.增大X气体浓度,平衡向正反应方向移动
D [根据平衡常数表达式及所有反应物和生成物均为气态,知该反应的化学方程式为3Z(g)+2W(g)X(g)+2Y(g),C项正确;由于无法知道该反应是吸热反应还是放热反应,故升高温度无法判断化学平衡常数如何变化,A项正确;增大压强,平衡右移,W的质量分数减小,B项正确;增大X的浓度,平衡逆向移动,D项错误。]
2.(2019·武汉模拟)已知反应A(g)+B(g)C(g)+D(g)的平衡常数和温度的关系如下:
温度/℃ | 700 | 800 | 830 | 1 000 | 1 200 |
平衡常数 | 1.7 | 1.1 | 1.0 | 0.6 | 0.4 |
现有两个相同的2 L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器Ⅰ、Ⅱ,在Ⅰ中充入1 mol A和1 mol B,在Ⅱ中充入1 mol C和1 mol D,800 ℃条件下开始反应。达到平衡时,下列说法正确的是( )
A.容器Ⅰ、Ⅱ中的压强相等
B.容器Ⅰ、Ⅱ中反应的平衡常数相同
C.该反应的正反应是放热反应
D.容器Ⅰ中A的浓度比容器Ⅱ中的小
C [由题中平衡常数与温度的关系可得该反应的正反应是放热反应,C正确;由于反应体系是绝热体系,则容器Ⅰ达到平衡时的温度比容器Ⅱ高,故其平衡常数小,平衡时压强大,A、B错误;容器Ⅰ比容器Ⅱ温度高,故平衡时A的浓度容器Ⅰ大于容器Ⅱ,D错误。]
3.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的关系如下表所示。
T/℃ | 700 | 800 | 850 | 1 000 | 1 200 |
K | 0.6 | 0.9 | 1.0 | 1.7 | 2.6 |
请回答下列问题:
(1)升高温度,化学平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。
(2)能判断该反应达到化学平衡状态的依据是________。
A.c(CO2)=c(CO)
B.K不变
C.容器中的压强不变
D.v正(H2)=v正(CO2)
E.c(H2)保持不变
(3)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”)。
[解析] (1)由表格数据可得,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)A项,达到平衡时c(CO2)不一定等于c(CO),反之相等时也不一定处于平衡状态;B项,温度不变K不变;C项,此反应不论是否平衡,压强均不改变;D项,v正(CO2)与v正(H2)表示的反应方向一致,故不能判断是否达到平衡;E项,达到平衡时,各种反应物、生成物的浓度保持不变。(3)由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=≈0.94<1.0,故反应向正反应方向进行中。
[答案] (1)正反应 (2)E (3)850 ℃ 向正反应方向进行中
化学平衡常数三大应用 |
K
角度2 “三段式”突破化学平衡常数和转化率的计算
4.(2019·试题调研)已知T1温度下在容积为10 L的密闭容器中发生可逆反应X(g)+Y(g)2Z(g)+2W(s) ΔH,起始时充入15 mol X与15 mol Y,10 min时反应达到平衡状态,测得平均速率v(Z)=0.12 mol·L-1·min-1。下列有关说法正确的是( )
A.T1温度下该反应的平衡常数为2.56
B.平衡时再充入一定量的X,平衡正向移动,X的转化率增大
C.若T2>T1,T2时K=1.52,则该反应的ΔH>0
D.若其他条件不变,T3温度下,K=1.96,则Y的平衡转化率约为41.3%
D [根据Z的反应速率可知平衡时c(Z)=1.2 mol·L-1,则平衡时,c(X)=0.9 mol·L-1,c(Y)=0.9 mol·L-1,W为固体,平衡常数K==≈1.78,A项错误;平衡时,再充入一定量的X,平衡正向移动,但X的转化率减小,Y的转化率增大,B项错误;温度升高,平衡常数减小,平衡逆向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0,C项错误;T3温度下,K=1.96,则
X(g)+ Y(g)2Z(g)+2W(s)
起始/(mol·L-1) 1.5 1.5 0
起始/(mol·L-1) x x 2x
平衡/(mol·L-1) 1.5-x 1.5-x 2x
平衡常数K==1.96,解得x≈0.62,则Y的平衡转化率为×100%≈41.3%,D项正确。]
化学平衡常数和转化率计算模型 |
(1)一个模式——“三段式”
如mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为a mol·L-1、b mol·L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mx mol·L-1。
mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
c始/(mol·L-1) a b 0 0
c转/(mol·L-1) mx nx px qx
c平/(mol·L-1) a-mx b-nx px qx
K=。
(2)掌握四个公式
①反应物的转化率=×100%=×100%。
②生成物的产率:实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。产率=×100%。
一般来讲,转化率越大,原料利用率越高,产率越大。
③混合物组分的百分含量=×100%。
④某组分的体积分数=。
化学反应进行的方向
(对应复习讲义第88页)
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体系趋向于从高能量状态转变为低能量状态(体系对外部做功或放出能量)。
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.熵、熵变
(1)熵是量度体系混乱程度的物理量,符号为S。
(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=生成物的总熵-反应物的总熵。
3.化学反应方向的判据
放热过程中体系能量降低,ΔH<0,具有自发进行的倾向,但有些吸热反应也可以自发进行,故只用焓变来判断反应方向不全面体系的混乱度增大,即熵增,ΔS>0,反应有自发进行的倾向,但有些熵减的过程也可能自发进行,故只用熵变来判断反应方向也不全面ΔG=ΔH-TΔS
(1)凡是放热反应都是自发的,因为吸热反应都是非自发的。( )
(2)自发过程的熵一定增大,非自发过程的熵一定减小。( )
(3)焓变是影响反应是否具有自发性的一种重要因素。( )
(4)放热过程有自发进行的倾向性,但并不一定能自发进行,吸热过程没有自发进行的倾向性,但在一定条件下也可自发进行。( )
[提示] (1)× (2)× (3)√ (4)√
1.(2019·南昌模拟)常温下,下列反应中一定不能自发进行的是( )
A.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)===4Fe(OH)3(s)
ΔH=-444.3 kJ·mol-1 ΔS=-280.1 J·mol-1·K-1
B.2CO(g)===2C(s,石墨)+O2(g) ΔH=+221.0 kJ·mol-1 ΔS=-178.72 J·mol-1·K-1
C.2KClO3(s)===2KCl(s)+3O2(g) ΔH=-78.03 kJ·mol-1 ΔS=+1 110 J·mol-1·K-1
D.NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)===CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH=+37.301 kJ·mol-1 ΔS=+184.05 J·mol-1·K-1
B [常温下T=298 K,若反应的ΔH=-444.3 kJ·mol-1、ΔS=-280.1 J·mol-1·K-1,则有ΔH-TΔS=-444.3 kJ·mol-1-298 K×(-280.1×10-3kJ·mol-1·K-1)≈-360.83 kJ·mol-1<0,则该反应能自发进行,A正确;若反应的ΔH=+221.0 kJ·mol-1、ΔS=-178.72 J·mol-1·K-1,则有ΔH-TΔS=+221.0 kJ·mol-1-298 K×(-178.72×10-3kJ·mol-1·K-1)≈+274.26 kJ·mol-1>0,则该反应不能自发进行,B错误;若反应的ΔH=-78.03 kJ·mol-1、ΔS=+1 110 J·mol-1·K-1,则有ΔH-TΔS=-78.03 kJ·mol-1-298 K×(+1 110×10-3kJ·mol-1·K-1)=-408.81 kJ·mol-1<0,则该反应能自发进行,C正确;若反应的ΔH=+37.301 kJ·mol-1、ΔS=+184.05 J·mol-1·K-1,则有ΔH-TΔS=+37.301 kJ·mol-1-298 K×(+184.05×10-3kJ·mol-1·K-1)≈-17.55 kJ·mol-1<0,则该反应能自发进行,D正确。]
2.(2019·长郡模拟)氨催化氧化法制硝酸的原理为4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)。在浓氨水中通入空气,将炽热铂丝插入氨水中引发反应后,铂丝保持红热状态至反应停止。下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH>0、ΔS>0
B.该反应在较高温度下才能自发进行
C.该反应中正反应的活化能小于逆反应的活化能
D.该反应中,反应物的总键能大于生成物的总键能
C [将炽热铂丝插入氨水中引发反应后,铂丝保持红热状态至反应停止,说明该反应为放热反应,则有ΔH<0,该反应的正反应为气体总分子数增大的反应,则有ΔS>0,A错误;由于ΔH<0、ΔS>0,则有ΔH-TΔS<0,该反应在任何温度下都能自发进行,B错误;该反应的ΔH<0,则有ΔH=Ea(正反应)-Ea(逆反应)<0,即Ea(正反应)<Ea(逆反应),C正确;该反应的ΔH<0,则反应物的总键能小于生成物的总键能,D错误。]