2021高三全国统考化学（经典版）一轮学案：第7章第3节化学平衡常数　化学反应进行的方向


第3节　化学平衡常数　化学反应进行的方向
[考试说明]　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.了解利用焓变、熵变判断化学反应进行的方向。
[命题规律]　本节内容是高考的必考点。在高考中的考点主要有两个：一是化学平衡常数的计算及利用化学平衡常数进行化学平衡移动方向的判断；二是判断反应是放热还是吸热以及温度对平衡常数的影响等。
考点1　化学平衡常数及其应用
知识梳理
1.化学平衡常数
(1)概念
在一定温度下，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
对于一般的可逆反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在一定温度下达到平衡时：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)意义
①K值越大，反应物的转化率越高，正反应进行的程度越大，一般来说，K≥105认为反应进行的较完全。
②K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关，与压强变化、是否使用催化剂无关。
③化学平衡常数是指某一具体反应方程式的平衡常数。
(4)应用
①利用化学平衡常数，判断反应是否达到平衡或向何方向进行。
对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)的任意状态，浓度商Qc＝。
QcK，反应向逆反应方向进行。
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计算转化率：利用平衡常数计算转化率的主要途径是利用温度不变时，平衡常数不变列方程求解。
④计算相关反应的平衡常数
若反应方向改变，则平衡常数变为其倒数；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，平衡常数也会改变同次幂，但意义不变。
2．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%。

(1)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。
(2)不能把反应体系中固体、纯液体及稀溶液中水的浓度写入平衡常数表达式中。
如CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)　K＝c(CO2)
Cr2O(aq)＋H2O(l)2CrO(aq)＋2H＋(aq)
K＝
但水为气态时，水的浓度不可视为常数，应写入平衡常数表达式中。
如C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式为K＝。
(3)对于给定的化学反应，K只与温度有关，温度改变，平衡常数发生变化

1.判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，错误的指明错因。
(1)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式为K＝。(×)
错因：固体物质不写入平衡常数表达式。
(2)恒温、恒容条件下，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：化学平衡常数仅受温度影响，与浓度无关。
(3)化学平衡常数只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关；温度越高，化学平衡常数越大。(×)
错因：化学平衡常数受温度影响，与可逆反应吸放热有关，如可逆反应正向放热，则升高温度，平衡逆向移动，K值减小。
(4)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：平衡常数仅受温度影响，故改变条件，平衡常数不一定增大。
(5)改变条件，平衡右移，则反应物的转化率一定增大。(×)
错因：若增大某一反应物的浓度，平衡右移但其自身的转化率降低。
2．一定温度下，分析下列三个反应的平衡常数的关系
①N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　K1
②N2(g)＋H2(g)NH3(g)　K2
③2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)　K3
(1)K1＝________(用含K2的式子表示)。
(2)K1＝________(用含K3的式子表示)。
答案　(1)K　(2)
题组训练
题组一 化学平衡常数及其影响因素
1．在一个容积为2 L的密闭容器中，加入0.8 mol A2气体和0.6 mol B2气体，一定条件下发生反应：A2(g)＋B2(g)2AB(g)　ΔHCO2
D．温度升高，上述三个反应的平衡常数均增大
答案　C
解析　A项，NO(g)N2(g)＋O2(g)的平衡常数为＝1015，错误；B项，H2和O2之间的反应需要点燃才能进行，错误；C项，常温下，NO、H2O、CO2三种物质分解放出O2的平衡常数依次为1×1030、5×10－82、4×10－92，平衡常数越大，则反应进行的程度越大，正确；D项，反应②为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，错误。

平衡常数表达式的书写
(1)若化学反应为离子反应时，书写其化学平衡常数时应先改写成离子反应方程式再进行书写。如Cl2＋H2OH＋＋Cl－＋HClO的化学平衡常数为
K＝。
(2)对于同一可逆反应，正反应的平衡常数等于逆反应的平衡常数的倒数，即：K正＝。
(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。
(4)有气体参与的反应，可用平衡分压(总压乘以各自的物质的量分数)表示平衡常数。
如：2A(g)＋B(s)C(g)。若达到平衡时，n(A)＝n1，n(C)＝n2，密闭体系的压强为p，则
K＝＝。
考点2　有关化学平衡的计算
知识梳理
“三段式法”是解答化学平衡计算题的常用方法。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．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：①平衡常数：K＝。
②A的平衡浓度：c平(A)＝ mol·L－1。
③A的转化率：α平(A)＝×100%，α(A)∶α(B)＝∶＝。
④A的体积分数：φ(A)＝×100%。
⑤平衡与起始压强之比：＝。
⑥混合气体的平均密度
混＝ g·L－1。
⑦混合气体的平均摩尔质量
＝ g·mol－1。

(1)计算平衡常数时必须是各物质的平衡浓度(对于反应前后气体总体积不变的可用各物质平衡的物质的量)；平衡常数的单位是一个复合单位，可写，也可不写。
(2)转化率有平衡转化率和非平衡转化率之分。
题组训练
1.向一体积不变的密闭容器中加入2 mol A、0.6 mol C和一定量的B三种气体，在一定条件下发生反应，各物质浓度随时间变化的情况如图甲所示。图乙为t2时刻后改变反应条件，该平衡体系中反应速率随时间变化的情况，且四个阶段都各改变一种不同的条件。已知图乙中t3～t4阶段为使用催化剂；图甲中t0～t1阶段c(B)未画出。

下列说法不正确的是(　　)
A．该反应为吸热反应
B．B在t0～t1阶段的转化率为60%
C．t4～t5阶段改变的条件为减小压强
D．t1时该反应的化学平衡常数K＝
答案　B
解析　在图乙中t3～t4阶段为使用催化剂；t4～t5阶段正、逆反应速率均减小，但平衡不移动，这说明此阶段是减小压强，平衡不移动，说明反应前后体积不变，C正确；根据图甲可知，A是反应物，平衡时消耗A 0.2 mol·L－1，C是生成物，平衡时C增加了0.3 mol·L－1，因此B是反应物，该反应的化学方程式可表示为2A＋B3C。t5～t6阶段正、逆反应速率均增大，平衡向正反应方向移动，因此改变的条件是升高温度，故该反应是吸热反应，A正确；B的平衡浓度是0.4 mol·L－1，消耗了0.1 mol·L－1，因此B在t0～t1阶段的转化率为20%，B错误；t1时，达平衡时A、B、C的浓度分别是0.8 mol·L－1、0.4 mol·L－1、0.6 mol·L－1，故平衡常数K＝＝，D正确。
2．加热N2O5依次发生的分解反应为①N2O5N2O3＋O2，②N2O3N2O＋O2；在2 L密闭容器中充入8 mol N2O5，加热到t ℃，达到平衡状态后O2为9 mol，N2O3为3.4 mol，则t ℃时反应①的平衡常数为(　　)
A．10.7 B．8.5
C．9.6 D．10.2
答案　B
解析　设平衡时N2O5的浓度减小x，则
　　　　　　　　　N2O5N2O3＋O2，N2O3N2O＋O2
开始/(mol/L) 4 0 0 x x
转化/(mol/L) x x x
平衡/(mol/L) 4－x x x 1.7 4.5
所以4.5－x＝x－1.7，所以x＝3.1 mol/L，则t ℃时反应①的平衡常数为1.7×＝8.5，答案选B。
3．温度为T ℃时，向2.0 L恒容密闭容器中充入1.0 mol PCl5，反应PCl5(g)PCl3(g)＋Cl2(g)经过一段时间后达到平衡。反应过程中测定的部分数据如图。下列说法正确的是(　　)

A．反应在前50 s的平均速率v(PCl3)＝0.0032 mol·L－1·s－1
B．保持其他条件不变，升高温度，平衡时c(PCl3)＝0.11 mol·L－1，则反应的ΔH
　 v(逆)
答案　D
解析　由题图数据可知前50 s内，Δn(PCl3)＝0.16 mol，v(PCl3)＝＝0.0016 mol·L－1·s－1，A错误；由题图数据可知，平衡时n(PCl3)＝0.20 mol，保持其他条件不变，升高温度重新达到平衡时，c(PCl3)＝0.11 mol·L－1，则n′(PCl3)＝0.11 mol·L－1×2.0 L＝0.22 mol>0.20 mol，说明升高温度平衡正向移动，故正反应为吸热反应，ΔH >0，B错误；起始时向容器中充入2.0 mol PCl3和2.0 mol Cl2，与起始加入2.0 mol PCl5是等效平衡，与原平衡相比压强增大，则平衡向逆反应方向移动，平衡时的PCl5转化率较原平衡低，故平衡时PCl3的物质的量小于0.40 mol，即参加反应的PCl3的物质的量大于1.60 mol，故达到新的平衡时PCl3的转化率大于×100%＝80%，C错误；起始时PCl5的浓度为0.5 mol·L－1，根据图像平衡时PCl3的浓度为＝0.10 mol·L－1，则
　　　　　　　PCl5(g)PCl3(g)＋Cl2(g)
起始/mol·L－1 0.50 0 0
转化/mol·L－1 0.10 0.10 0.10
平衡/mol·L－1 0.40 0.10 0.10
所以平衡常数K＝＝0.025，起始时向容器中充入1.0 mol PCl5、0.20 mol PCl3和0.20 mol Cl2，起始浓度分别为0.50 mol·L－1、0.10 mol·L－1、0.10 mol·L－1，此时Qc＝＝0.02，Qcv(逆)，D正确。

平衡转化率的计算
(1)明确三个量——起始量、变化量、平衡量
　　　　　N2＋3H22NH3
起始量 1 3 0
变化量 a 3a 2a
平衡量 1－a 3－3a 2a
①反应物的平衡量＝起始量－变化量。
②生成物的平衡量＝起始量＋变化量。
③各物质变化浓度之比等于它们在化学方程式中化学计量数之比。变化浓度是联系化学方程式、平衡浓度、起始浓度、转化率、化学反应速率的桥梁。因此抓住变化浓度是解题的关键。
(2)掌握三个百分数
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。一般来讲，转化率越大，原料利用率越高，产率越大。
产率＝×100%。
③混合物各组分的百分含量＝×100%。
考点3　化学反应进行的方向
知识梳理
1.自发反应
(1)在一定条件下不借助外力就能自发进行的反应称为自发反应。
(2)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，ΔHS(l)>S(s)；
c．反应前无气体，反应后有气体产生的过程；
d．反应前后都有气体，但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。但有些熵减的过程也能自发进行，故只用熵变来判断反应方向也不全面。
(3)复合判据
在温度、压强一定的条件下，化学反应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ΔG＝ΔH－TΔS。
当ΔG＝ΔH－TΔS

(1)非自发反应不一定不能发生，有些在外力作用下可发生，如Cu＋H2SO4CuSO4＋H2↑。
(2)有些自发反应发生时需要引发，如2C＋O22CO，利用复合判据该反应任何温度下都能自发进行，而该反应发生时需先加热引发。

1.判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，错误的指明错因。
(1)ΔH0的反应在温度低时不能自发进行。(×)
错因：ΔH 0，任何温度下反应都能自发进行。
(2)NH4HCO3(s)===NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)
ΔH＝＋185.57 kJ·mol－1，该反应一定不能自发进行。(×)
错因：该反应的ΔS>0，在一定温度下也能自发进行。
(3)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：焓变或熵变单独判断反应自发性存在不全面性，因此应用ΔH －TΔS复合判据。
(4)在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，可以改变化学反应进行的方向。(×)
错因：在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，只改变反应速率，而不改变反应方向。
2．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(已知在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡反应的焓变和熵变分别为ΔH＝－2.1809 kJ·mol－1，ΔS＝－6.6 J·mol－1·K－1，当ΔH－TΔS＜0时能自发反应)(　　)
A．会变 B．不会变
C．不能确定 D．升高温度才会变
答案　A
解析　反应自发进行需要满足ΔH－TΔS＜0，由0 ℃为273 K、ΔH＝－2.1809 kJ·mol－1、ΔS＝－6.6 J·mol－1·K－1代入公式：ΔH－TΔS＝－2.1809×103 J·mol－1＋273 K×6.6 J·mol－1·K－1＝－379.1 J·mol－1＜0，所以反应在0 ℃能自发进行，即在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会变成灰锡而不能再继续使用。
题组训练
1.对于化学反应能否自发进行，下列说法中错误的是(　　)
A．若ΔH0，任何温度下都能自发进行
B．若ΔH>0、ΔS0
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ΔH0，则一定自发，若ΔH>0，ΔS0，若ΔH0，正确；D项中反应的ΔS