高考化学第22讲化学平衡常数化学反应进行的方向.docx
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高考化学第22讲化学平衡常数化学反应进行的方向
第22讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向
1.了解化学反应的方向与焓变和熵变的关系;能够利用焓变和熵变判断化学反应的方向。
2.了解化学平衡常数(K)的含义,能够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 化学平衡常数及其应用
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=
。
(注意:
固体、纯液体的浓度视为常数,不包含在化学平衡常数的表达式中)
3.意义
①K值越大,正反应进行的程度越大,反应物的转化率越大。
②一般认为,K>105时反应进行得就基本完全了。
4.影响因素
K只受温度影响,与反应物或生成物的浓度变化无关。
[想一想] 化学平衡常数只受温度的影响,温度升高,化学平衡常数是增大还是减小?
提示:
温度升高化学平衡常数的变化要视反应而定,若正反应是吸热反应,则温度升高K值增大,反之则减小。
5.三种应用
(1)利用化学平衡常数判断化学反应可能进行的程度。
(2)利用化学平衡常数判断化学平衡移动的方向,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,反应物与生成物浓度有如下关系:
=Qc,称为浓度商。
Qc
(3)利用化学平衡常数随温度的变化判断反应的热效应,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。
题组一 化学平衡常数表达式的书写
1.书写下列化学反应的平衡常数表达式。
(1)Cl2+H2OHCl+HClOK=
(2)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)K=
(3)CO
+H2OHCO
+OH-
K=
(4)CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)K=c(CO2)
(5)CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
K=
(1)固体、纯液体的浓度视为常数,不包含在化学平衡常数的表达式中;
(2)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数,同一反应化学方程式的书写形式不同,其平衡常数表达式也不相同。
题组二 影响化学平衡常数的因素
2.(2019·陕西西安质检)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 O3O2+[O] ΔH>0 平衡常数为K1;
反应② [O]+O32O2 ΔH<0 平衡常数为K2;
总反应:
2O33O2 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
C [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。
]
3.(2019·山东泰安检测)某温度下,可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)的平衡常数为K,下列对K的说法正确的是( )
A.K值越大,表明该反应越有利于C的生成,反应物的转化率越大
B.若缩小反应器的容积,能使平衡正向移动,则K增大
C.温度越高,K一定越大
D.如果m+n=p,则K=1
A [K越大,该反应正向进行的程度越大,反应物的转化率越大,A正确;对于一个确定的化学反应,K只是温度的函数,温度一定,K一定,与压强无关,B错误;因该反应的热效应不确定,故C项错误;K=
,由m+n=p,无法判断K的大小,D项错误。
]
题组三 化学平衡常数的应用
4.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/℃
700
800
830
1000
1200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题:
(1)该反应的化学平衡常数表达式为K=________________________________________________________________________。
(2)该反应为________反应(填“吸热”或“放热”)。
(3)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________℃。
该温度下加入1molCO2(g)和1molH2(g),充分反应,达到平衡时,CO2的转化率为________。
(4)在800℃时,发生上述反应,某一时刻测得容器内各物质的浓度分别为c(CO2)=2mol·L-1,c(H2)=1.5mol·L-1,c(CO)=1mol·L-1,c(H2O)=3mol·L-1,则正、逆反应速率的比较为v(正)________v(逆)(填“>”“<”或“=”)。
解析
(2)温度越高,K值越大,说明升温平衡正向移动,正反应为吸热反应。
(3)由题意可得K=1,查表可知温度为830℃,设反应了的CO2为xmol,则消耗掉的H2为xmol,生成的CO和H2O均是xmol(体积为VL)。
K=1=
,整理得x=0.5。
则CO2的转化率为50%。
(4)Qc=
=
=1>0.9,
所以v(正)<v(逆)。
答案
(1)
(2)吸热 (3)830 50% (4)<
考点二 有关化学平衡常数和转化率的计算
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amol·L-1、bmol·L-1,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为mxmol·L-1。
mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
c始/(mol·L-1) a b 00
c转/(mol·L-1) mx nx pxqx
c平/(mol·L-1) a-mxb-nxpxqx
K=
。
2.明确三个量的关系
(1)三个量:
即起始量、变化量、平衡量。
(2)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.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。
一般来讲,转化率越大,原料利用率越高,产率越大。
产率=
×100%。
(3)混合物组分的百分含量=
×100%。
(4)某组分的体积分数=
。
[填一填] 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)=0.5mol·L-1,c(HI)=4mol·L-1,则此温度下反应①的平衡常数为________。
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)=0.5mol·L-1×2=1mol·L-1,故①式生成c(HI)=c平衡(HI)+c分解(HI)=4mol·L-1+1mol·L-1=5mol·L-1,则c平衡(NH3)=5mol·L-1,根据平衡常数表达式K=c平衡(NH3)·c平衡(HI)=5×4=20。
答案 20
1.(2019·北京西城区模拟)在10L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),所得实验数据如下表:
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)
①
700
0.40
0.10
0.090
②
800
0.10
0.40
0.080
③
800
0.20
0.30
a
④
900
0.10
0.15
b
下列说法正确的是( )
A.实验①中,若5min时测得n(M)=0.050mol,则0~5min时间内,用N表示的平均反应速率v(N)=1.0×10-2mol·L-1·min-1
B.实验②中,该反应的平衡常数为K=2.0
C.实验③中,达到平衡时,X的转化率为60%
D.实验④中,达到平衡时,b>0.060
C [5min时测得n(M)=0.050mol,则有v(M)=v(N)=
=1.0×10-3mol·L-1·min-1,A错误。
实验②达到平衡时n(M)=0.080mol,则有
X(g) + Y(g)M(g) + N(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.01 0.04 0 0
转化浓度/(mol·L-1) 0.008 0.008 0.008 0.008
平衡浓度/(mol·L-1) 0.002 0.032 0.008 0.008
则该反应的平衡常数为K=
=
=1.0,B错误。
实验③和②的温度均为800℃,设反应中X的转化率为x,则有K=
=1.0,解得x=0.6,故有X的转化率为60%,C正确。
根据实验①数据求得平衡常数为K(700℃)≈2.6>K(800℃)=1.0,说明升高温度,平衡逆向移动,平衡常数减小,则该反应的ΔH<0;实验③达到平衡时n(M)=0.20mol×0.6=0.12mol,若实验④与③均在800℃下进行,经计算达到平衡时n(M)=0.06mol,而升高温度时,平衡逆向移动,n(M)=bmol<0.060mol,D错误。
]
2.(2019·江西临川联考)在2L恒容密闭容器中充入A(g)和B(g),发生反应A(g)+B(g)2C(g)+D(s),所得实验数据如下表:
实验
编号
温度/℃
起始时物质的量/mol
平衡时物质的量/mol
n(A)
n(B)
n(C)
①
600
0.30
0.20
0.30
②
700
0.20
0.30
0.24
③
800
0.10
0.10
a
下列说法不正确的是( )
A.实验①中,若5min时测得n(B)=0.050mol,则0~5min时间内平均反应速率为v(A)=0.015mol·L-1·min-1
B.实验②中达到平衡后,增大压强,A的转化率不变,平衡常数K不变
C.700℃时该反应的平衡常数K=4.0
D.实验③中,达到平衡时,a>0.10
D [实验①中,5min时测得n(B)=0.050mol,则消耗的n(A)=n(B)=0.20mol-0.050mol=0.15mol,故有v(A)=
=0.015mol·L-1·min-1,A正确。
反应前后气体分子总数不变,故增大压强,平衡不移动,则A的转化率不变,温度不变,平衡常数K不变,B正确。
700℃时,n(C)=0.24mol,则有
A(g) + B(g)2C(g)+D(s)
起始浓度/(mol·L-1) 0.10 0.15 0
转化浓度/(mol·L-1) 0.06 0.06 0.12
平衡浓度/(mol·L-1) 0.04 0.09 0.12
则700℃时该反应的平衡常数K=
=
=4.0,C正确。
①600℃时,n(C)=0.30mol,则有
A(g) + B(g)2C(g)+D(s)
起始浓度/(mol·L-1) 0.15 0.10 0
平衡浓度/(mol·L-1) 0.075 0.025 0.15
则有600℃时该反应的平衡常数K=
=
=12,对比实验①和②可知,升高温度,平衡常数减小,故实验③中K<4.0,因此K=
=
<4.0,推知a<0.10,D错误。
]
3.已知可逆反应:
M(g)+N(g)P(g)+Q(g) ΔH>0,请回答下列问题。
(1)某温度下,反应物的起始浓度分别为c(M)=1mol·L-1,c(N)=2.4mol·L-1;达到平衡后,M的转化率为60%,此时N的转化率为________。
(2)若反应温度不变,反应物的起始浓度分别为c(M)=4mol·L-1,c(N)=amol·L-1;达到平衡后,c(P)=2mol·L-1,a=________。
(3)若反应温度不变,反应物的起始浓度为c(M)=c(N)=bmol·L-1,达到平衡后,M的转化率为________。
解析 用“平衡三段式法”,借助平衡常数来串联计算:
(1) M(g)+N(g)P(g)+Q(g)
c始/(mol·L-1) 1 2.4 00
c转/(mol·L-1) 0.6 0.6 0.60.6
c平/(mol·L-1) 0.4 1.8 0.60.6
α(N)=
×100%=25%,K=
=0.5。
(2)
由K=
=0.5,解得a=6。
(3)
由K=
=0.5,解得x≈0.41。
答案
(1)25%
(2)6 (3)41%
考点三 化学反应进行的方向
1.自发反应
(1)含义
在一定条件下,无需外界帮助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(体系对外部做功或释放热量)。
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)。
[想一想] 能自发进行的反应一定能实际发生吗?
提示:
不一定,化学反应方向的判据指出的仅仅是在一定条件下化学反应自发进行的趋势,并不能说明在该条件下反应一定能实际发生,还要考虑化学反应的快慢等问题。
2.熵和熵变
(1)熵:
熵是衡量一个体系混乱度的物理量。
用符号S表示,单位为J·mol-1·K-1。
(2)熵变:
熵变是反应前后体系熵的变化,用ΔS表示,化学反应的ΔS越大,越有利于反应自发进行。
①同一条件下,不同物质有不同的熵值。
②熵的大小:
同种物质,熵值:
气态>液态>固态
③对于有气体参与的化学反应,气态物质的物质的量增大的化学反应,其熵变通常是正值,是熵增大的反应;气态物质的物质的量减小的化学反应,其熵变通常是负值,是熵减小的反应。
3.化学反应方向
(1)判据
(2)规律
①ΔH<0,ΔS>0的反应任何温度下都能自发进行;
②ΔH>0,ΔS<0的反应任何温度下都不能自发进行;
③ΔH和ΔS的作用相反,且相差不大时,温度对反应的方向起决定性作用。
当ΔH<0,ΔS<0时低温下反应能自发进行;当ΔH>0,ΔS>0时,高温下反应能自发进行。
1.(2019·湖南株洲模拟)下列过程一定不能自发进行的是( )
A.2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g) ΔH>0
B.2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH<0
C.(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)+NH3(g) ΔH>0
D.2CO(g)===2C(s)+O2(g) ΔH>0
D [A.ΔH>0,ΔS>0,在较高温度下可满足ΔH-T·ΔS<0,即在较高温度下反应能自发进行,故A不选;B.ΔH<0,ΔS<0,温度较低时即可满足ΔH-T·ΔS<0,能自发进行,故B不选;C.ΔH>0,ΔS>0,在较高温度下可满足ΔH-T·ΔS<0,即在较高温度下反应能自发进行,故C不选;D.ΔH>0,ΔS<0,一般情况下ΔG=ΔH-T·ΔS>0,不能自发进行,故选D。
]
2.在一定条件下,对于反应mA(g)+nB(g)cC(g)+dD(g),C物质的含量(C%)与温度、压强的关系如图所示。
下列判断正确的是( )
A.ΔH<0、ΔS>0 B.ΔH>0、ΔS<0
C.ΔH>0、ΔS>0 D.ΔH<0、ΔS<0
答案 A
3.(2019·江苏扬州调研)下列有关叙述中正确的是( )
选项
化学反应方程式
已知条件
预测
A
M(s)===X(g)+Y(s)
ΔH>0
它是非自发反应
B
W(s)+xG(g)===2Q(g)
ΔH<0,
自发反应
x可能等
于1、2、3
C
4X(g)+5Y(g)===
4W(g)+6G(g)
能自发
反应
ΔH一定小于0
D
4M(s)+N(g)+2W(l)
===4Q(s)
常温下,
自发进行
ΔH>0
B [该反应中固体分解生成气体和固体,则该反应熵增加,且为吸热反应,则有ΔH>0、ΔS>0,当温度升高时,使ΔH-TΔS<0,该反应能自发进行,A错误;该反应的ΔH<0,若为熵增加反应,任何温度下都能自发进行;若为熵减反应,在低温下能自发进行,故x可能等于1、2或3,B正确;该反应为熵增反应,即ΔS>0,当ΔH<0时,在任何温度下均能自发进行,当ΔH>0时,高温下可自发进行,C错误;该反应为熵减反应,常温下能自发进行,说明该反应一定是放热反应,则有ΔH<0,D错误。
]
1.下列说法正确的是( )
A.(2018·江苏卷,10B)反应4Fe(s)+3O2(g)===2Fe2O3(s)常温下可自发进行,该反应为吸热反应
B.反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的ΔH<0,ΔS>0
C.Na与H2O的反应是熵增的放热反应,该反应能自发进行
D.某吸热反应能自发进行,因此该反应是熵减反应
答案 C
2.(2017·天津卷,6)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)
B [A错:
增加c(CO),平衡正向移动,温度不变,反应的平衡常数不变。
B对:
第一阶段,生成的Ni(CO)4是气态,应选择高于其沸点的反应温度,故选50℃。
C错:
230℃时,化学平衡常数K=2×10-5,有利于反应逆向进行,Ni(CO)4分解率较高。
D错:
反应达到平衡时,4v生成[Ni(CO)4]=v生成(CO)。
]
3.(2018·全国卷Ⅰ,28)采用N2O5为硝化剂是一种新型的绿色硝化技术,在含能材料、医药等工业中得到广泛应用。
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的变化如下表所示[t=∞时,N2O5(g)完全分解]:
t/min
0
40
80
160
260
1300
1700
∞
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pNO2===2pN2O5=2×35.8kPa=71.6kPa,pO2=0.5×35.8kPa=17.9kPa。
由题意知,平衡时体系的总压强为63.1kPa,则平衡体系中NO2、N2O4的压强和为63.1kPa-17.9kPa=45.2kPa,设N2O4的压强为xkPa,则
N2O4(g)2NO2(g)
p始/kPa 0 71.6
p转/kPax 2x
p平/kPax 71.6-2x
则x+(71.6-2x)=45.2,解得x=26.4,71.6kPa-26.4kPa×2=18.8kPa,Kp=
=
≈13.4kPa。
答案 13.4
4.(2018·全国卷Ⅱ,27
(1))已知CH4-CO2催化重整反应为CH4(g)+CO2(g)===2CO(g)+2H2(g) ΔH=+247kJ·mol-1,某温度下,在体积为2L的容器中加入2molCH4、1molCO2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 达到平衡时CO2的转化率是50%,根据方程式知,参加反应的n(CO2)=n(CH4)=1mol×50%=0.5mol,生成的n(CO)=n(H2)=1mol,则
CH4(g)+CO2(g)===2CO(g)+2H2(g)
1 0.5 0 0
0.25 0.25 0.50.5
0.75 0.25 0.50.5
化学平衡常数K=
=
=
mol2·L-2。
答案
课时作业(二十八) 化学平衡常数 化学反应进行的方向
1.(2019·浙江金华模拟)下列变化过程中,ΔS<0的是( )
A.氯化钠溶于水中
B.NH3(g)与HCl(g)反应生成NH4Cl(s)
C.干冰(CO2)的升华
D.CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)
B [A.氯化钠溶于水中,固体变成溶液,混乱度增大,ΔS>0,故A错误;B.NH3(g)与HCl(g)反应生成NH4Cl(s),气体体积减小,反应后熵变减小,ΔS<0,故B正确;C.干冰(CO2)的升华,混乱度增大,ΔS>0,故C错误;D.CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g),气体体积增大,混乱度增大,ΔS>0,故D错误。
]
2.(2019·江苏扬州月考)某反应2AB(g)C(g)+3D(g)在高温时能自发进行,其逆反应在低温下能自发进行,则该反应的正反应的ΔH、ΔS应为( )
A.ΔH<0,ΔS>0 B.ΔH<0,ΔS<0
C.ΔH>0,ΔS>0 D.ΔH>0,ΔS<0
C [反应2AB(g)C(g)+3D(g)的正反应为气体总分子数增加的反应,则有ΔS>0。
在高温时能自发进行,其逆反应在低温下能自发进行,说明正反应高温时的ΔH-TΔS<0,而低温时的ΔH-TΔS>0,从而可得ΔH>0。
]
3.只改变一个影响化学平衡的因素,平衡常数K与化学平衡移动的关系叙述不正确的是( )
A.K值不变,平衡可能移动
B.平衡向右移动时,K值不一定变化
C.K值有变化,平衡一定移动
D.相同条件下,同一个反应的方程式的化学计量数增大2倍,K值也增大两倍
D [因改变压强或浓度引起化学平衡移动时,K值不变,A项和B项均正确;K值只与温度有关,K值发生了变化,说明体系的温度改变,则平衡一定移动,C项正确;相同条件下,同一个反应的方程式的化学计量数增大2倍,K值应该变为K
,D项错误。
]
4.(2019·河北邢台模拟)将1molN2
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