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化学平衡常数


第二章 化学反应速率与化学平衡

第三节化学平衡

化学平衡常数

【学习目标】
1、理解化学平衡常数的含义 2、会运用化学平衡常数判断反应进行程度 3、能运用化学平衡常数进行计算

【联想· 质疑】

?怎样才能定量地描述化学反应的 限度? ?化学反应中反应物的转化

程度会 受到哪些因素的影响?

(457.6℃)

【交流· 研讨】
序 号 起始时浓度mol/L 698.6K

根据下表数据计算平衡时
的值并分析其中规律:

c 2 (HI) c(H2) · c(I2)

I2(g) + H2(g)

2HI(g)
平衡时浓度mol/L 698.6K
平衡时

c 2 (HI) c(H2) · c(I2)

c (H2)
1 2 3 4 0.0106 0.0113 0.0113 0

c(I2)
0.01196 0.00904 0.00751 0

c (HI)
0 0 0 0.0106

c[H2]
0.00183 0.00356 0.00456 0.00114

c[I2]
0.00312 0.00125 0.00073 0.00114

c[HI]
0.01767

54.5
0.01559

54.6
0.01354

54.45
0.00841

54.33

【探究】
结论1:

[ HI ] = 常数(K) [H 2 ] ?[I2 ]

2

结论2:常数和起始加入反应物的浓度无关

结论3:温度改变该常数也发生改变。

一.化学平衡常数 —— K
1、定义: 在一定温度下,当一个可逆反应达到平衡 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。这个常数就是该反 应的化学平衡常数(简称平衡常数)

符号:K

一、化学平衡常数

2、表达式及单位

mA+nB

pC+qD

c 均为平衡时的浓度

K=

cp (C) ·c q(D) cm (A) · c n(B)

单位为:(mol·L-1)?n
注意:① c 均为平衡时的浓度 ②平衡常数K只与反应温度有关与浓度,压强,催化剂无关

化学平衡常数

—— K

3、意义:反应本身固有性质,定量的衡量 化学反应进行的程度 (1)K值越大,表示正反应进行的程度越大,反应物 转化率也越大。
转化浓度 转化率(? ) ? ?100% 起始浓度

(2)K只受温度影响,而其它外界条件如: 浓度、 压强、催化剂等变化对其无影响。
(3)一般当K>105 时,该反应进行得基本完全, K <10-5 时则认为该反应很难进行(逆反应较完全)

化学平衡常数

—— K

4、使用平衡常数应注意的问题
(1)必须指明温度,反应必须达到平衡状态

(2)平衡常数表示反应进行的程度,不表示反应 的快慢,即速率大,K值不一定大 (3)在进行K值的计算时,固体或纯液体浓度视为常 数不作考虑,表达式中不需表达

如:Fe3O4(s) + 4H2(g)
一定温度下

高温
4

3Fe(s) + 4H2O(g)

c ( H 2O ) K? 4 c ( H2 )

化学平衡常数

—— K

4、使用平衡常数应注意的问题
(4)在进行K值的计算时,稀溶液中的H2O的浓度 可不表达

如:Cr2O72- + H2O
一定温度下:
2

2CrO42- + 2H+
2? 4 2 ?

c ( CrO ) ? c ( H ) K? 2? c( Cr2O7 )

化学平衡常数 —— K
4、使用平衡常数应注意的问题
(5)平衡常数的表达式与方程式的书写有关,若方向 变则K变;若系数扩大或缩小则K变

某温度下: N2+3H2
2NH3 1/2N2+3/2H2

K1 = 1/K2 = K32

c 2 ( NH 3 ) 2NH3 K1 ? c( N 2 ) ? c 3 ( H 2 ) 3 c ( N ) ? c ( H ) 2 2 N2+3H2 K 2 ? c 2 ( NH3 ) ) NH3 K 3 ? 1 / 2 c( NH33/ 2 c ( N2 )? c ( H2 )

化学平衡常数

—— K

4、使用平衡常数应注意的问题 (6)多重平衡规则 若干方程式相加(减),则总反应的平衡常数等于 分步平衡常数之乘积(商)。

例1: 2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g) 2NO (g) +O2(g)

2NO2 (g) K1 N2O4 (g) K2 N2O4 (g) K = K1 ? K2

化学平衡常数

—— K

4、使用平衡常数应注意的问题 (6)多重平衡规则
若干方程式相加 (减 ),则总反应的平衡常数等于 分步平衡常数之乘积(商)。

例2:
C (s) + CO2(g)
C (s) + H2O (g) CO (g) +H2O (g)

2CO(g)
CO (g) + H2 (g) CO2 (g) + H2 (g)

K = K1/ K2
K1 K2

化学平衡常数
练习:

—— K

试写出下列反应的浓度平衡常数的数学表达式:

2SO2(g)+O2(g)

催化剂

2SO3

C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) c 2 ( SO3 ) c(CO) ? c( H 2 ) K ? 2 K ? c ( SO2 ) ? c(O2 ) c ( H 2O ) 注意: 反应中的固体或纯溶剂不列入平衡常数的表达式中!

化学平衡常数 —— K
5、应用: (1)判断反应进行的程度

K 值越大,说明平衡体系中生成物所占比例越大,
正向反应进行的程度越大,即该反应进行得越完全, 反应物转化率越大;反之,就越不完全,转化率就 越小。 5
一般来说,K >10 ,认为正反应进行得较完全 K <10-5 认为 正反应很难进行(逆反应较完全) 10-5 ≤K ≤ 105 认为是可逆反应

(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。

化学平衡常数

—— K


例如:不同温度时,反应:H2(g)+I2(g) 平衡常数与温度的关系如下:

2HI(g),

温度
平衡常数

623K
66 .9

698K
54.4

763K
45.9

通过改变温度,平衡常数大小的变化趋势可以 判断上面可逆反应的正方向是 放热反应

化学平衡常数
(3)判断平衡移动方向

—— K

对于可逆反应,在一定温度下的任意时刻,反应物的 浓度和生成物的浓度有如下关系:

叫该反应的浓度商

(1)QC<K ,反应向正方向进行 (2)QC=K ,反应处于平衡状态

(3)QC>K ,反应向逆方向进行

化学平衡常数
5、应用: (4)计算转化率

—— K

依据起始浓度(或平衡浓度)和平衡常数可以计 算平衡浓度(或起始浓度),从而计算反应物的 转化率。

例题:
反应CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g)在749K达平衡, K=2.60,求:当CO、H2O (g)的起始浓度都为 2.0 mol/L达平衡 后,CO的转化率 。 解:设CO的转化率为α,则 CO(g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g) 起始浓度/ mol/L 2.0 2.0 0 0 转化浓度/ mol/L 2.0α 2.0α 2.0α 2.0α 平衡浓度/ mol/L 2.0(1-α) 2.0(1-α) 2.0α 2.0α K = C(CO2)C(H2) / C(CO)C(H2O) =[(2.0α)(2.0α)] / [2.0(1-α)×2.0(1-α)] =α2 / (1-α)2 = 2.6 ∴α= 62 %

课堂 练习:
450K时往一空容器中通入氮N2和H2,反应达平衡后, 测得C(N2)=3mol/L,C(H2)=9mol/L,C(NH3) =4 mol/L, 求K、N2和H2的起始浓度。 解: N2 + 起始浓度/mol/L 5 转化浓度/mol/L 2 平衡浓度/mol/L 3 3H2 15 6 9 2NH3 0 4 4

∴K= C(NH3)2/C(N2) (H2 ) 3 = 42/(3×93) =7.3×10-3

化学平衡常数

—— K

自学教材 P29-31,例1、例2。

① ② ③ ④


⑥ ⑦ ⑧

化学平衡常数

—— K

① ② ③

④ ⑤

1、对于3Fe(s)+4H2O(g)

Fe3O4(s)+4H2(g),反应

的化学平衡常数表达式为( D )

[ H 2O]4 (C ) K ? 4 [H 2 ]

[H 2 ] ( D) K ? 4 [ H 2O ]

4

2、在一定体积的密闭容器中,进行如下化学反应: CO2(g) + H2(g)=CO(g) + H2O(g),其化学平衡常数 K和温度t的关系如下表:
t℃ K 700 0.6 800 0.9 830 1.0 1000 1.7 1200 2.6

[CO][ H 2O] 回答下列问题: (1)该反应的化学平衡常数表达式K= [CO2 ][ H 2 ] 。 (2)该反应为 吸热 反应(选填“吸热”、“放热”)。 (3)能判断该反应是否达到化学平衡状态的依据是 BC 。 A. 容器中压强不变 B. 混合气体中c(CO)不变 C. V正(H2)=V逆(H2O) D. c(CO2)=c(CO) (4)某温度下,平衡浓度符合下式: c(CO2)· c(H2) = c(CO)· c(H2O),试判断此时的温度为 830 ℃。

3、高炉炼铁中发生的基本反应如下: FeO(s)+CO(g) Fe(s)+CO2(g)―Q。其平衡常数可表 达为: K=c(CO2)/c(CO),已知1100℃,K=0.263 (1) 若 平 衡 向 右 进 行 , 高 炉 内 CO2 和 CO 的 体 积 比 值 增大 增大 ________ ,平衡常数 K 值 ________( 填“增大”“减小” 或“不变”) (2)1100℃时,测得高炉中c(CO2)=0.025mol/L, c(CO)=0.1mol/L,在这种情况下该反应是否处于平衡状 否 态_______( 填“是”或“否”),此时化学反应速率是V正 大于 逆(填“大于”、“小于”或“等于”),其原因是 ____V
c(CO2)/c(CO)=0.25<0.263,说明不是平衡状态, 且向正反应方向进行



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课堂小结: (1) 平衡是有条件的、动态的。 (2) K不随起始浓度大而变。 (3) K与温度有关。 (4) K与方程式写法有关。 (5) K值大小标志反应能达到的最大限度, K值大,反应完全。

化学平衡的相关计算
⑴基本模式——“三段式” 例: m A + n B pC + 起始: a b 0 转化: mx nx px 平衡:a - mx b - nx px qD 0 qx qx

⑵基本关系 ①反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度 生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓度

化学平衡的相关计算
②转化率α
转化浓度 转化率( ? ) ? ?100% 起始浓度

③气体的平均分子量

m总 M? n总

M ? ? ?Vm

化学平衡的相关计算
④ 几点定律 a、如果保持P、T不变: 则气体的体积比等于物质的量之比,即 则气体的密度比等于摩尔质量之比,即

V1 n1 ? V2 n2

?1 M 1 ? ?2 M 2

b、如果保持V、T不变: P n1 1 ? 则气体的压强比等于气体物质的量之比,即 P2 n2

例题——常规计算

在一定温度下,容积为20L的容器中充入2molSO2和 1molO2发生反应: 2SO2 +O2 2SO3 ,达到平衡时, 容器内气体压强为开始时的70%。试求: 90% ①SO2的转化率 ②平衡时的O2浓度 ③SO3的体积分数 0.005mol/L 85.7%

④混合气体的平均相对分子量
⑤平衡时混合气体的密度 8g/L

76.2

练一 练 在一定温度和压强下,将平均分子相对质量 为8.5的N2和H2的混合气体,充入密闭容器 中反应,达到平衡后,混合气体的平均分子 量为10.0,则N2的转化率为30% ____。

例题——连续平衡
将固体NH4I置于密闭容器中,在某温度下发生下列 反应 NH4I(s) NH3(g)+HI(g) 2HI(g) H2(g)+I2(g)

当反应达到平衡时,c(H2)=0.5mol/L,c(HI)=4mol/L, 则NH3的浓度为( ) D
A. 3.5mol/L C. 4.5mol/L B. 4mol/L D. 5mol/L

练一 练
一定条件下,在容积为2L的密闭容器里加入一定 物质的量A,发生如下反应并建立平衡: A(g) 2B(g) , 2B(g) C(g) + 2D(g) 测得平衡时各物质的量浓度是: [A]=0.3mol/L, [B]=0.2mol/L, [C]= 0.05mol/L.最初向容器里 加入A的物质的量是 ( C ) A.0.5mol B.0.8mol C.0.9mol D.1.2mol


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