届高考化学一轮复习化学平衡常数 化学反应进行的方向学案.docx
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届高考化学一轮复习化学平衡常数化学反应进行的方向学案
第22讲 化学平衡常数 化学反应进行的方向
考纲要求
名师点拨
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)。
3.了解化学反应的方向与化学反应的焓变与熵变的关系。
4.掌握化学反应在一定条件下能否自发进行的判断依据,能够利用化学反应的焓变和熵变判断化学反应的方向。
本讲内容是高考的重点与热点,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和反应是放热还是吸热等;二是焓变、熵变与化学反应方向的关系。
化学平衡常数及转化率的理解和应用是压轴题,特别是涉及二者的计算更是重点和难点,通常结合图象加以分析,并联系生产、生活实际考查学生知识运用能力,特别是用平衡分压等代替平衡浓度来表示平衡常数的题目更应加以关注。
考点一 化学平衡常数
1.化学平衡常数
(1)定义
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,简称__平衡常数__,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,平衡常数
K=
。
平衡常数表达式中,各物质的浓度均为平衡时的浓度。
其书写形式与化学方程式的书写有关。
(3)意义及应用。
①K值越大,正反应进行的程度__越大__,反应物的转化率__越大__。
当K>__105__时,可以认为反应进行得较完全。
②K值越小,正反应进行的程度__越小__,反应物的转化率__越小__。
当K<__10-5__时,认为反应很难进行。
(4)影响因素。
①内因:
__反应物本身__的性质。
②外因:
只受__温度__影响,与__浓度__、压强、__催化剂__等外界因素无关。
即在一定温度下,平衡常数保持不变。
2.化学平衡常数的应用
(1)判断、比较可逆反应进行的程度
一般来说,一定温度下的一个具体的可逆反应:
K值
正反应进行
的程度
平衡时生
成物浓度
平衡时反应物
浓度
反应物
转化率
越大
__越大__
__越大__
__越小__
__越高__
越小
__越小__
__越小__
__越大__
__越低__
(2)判断正在进行的可逆反应的方向以及反应是否达到平衡
对于可逆反应:
mA(g)+n(B)(g)pC(g)+qD(g),若浓度Qc=
,则将浓度商和平衡常数作比较可得可逆反应所处的状态。
(3)判断可逆反应的反应热
升高温度,若K值增大,则正反应为__吸热__反应;若K值减小,则正反应为__放热__反应。
降低温度,若K值减小,则正反应为__吸热__反应。
若K值增大,则正反应为__放热__反应。
3.化学平衡的计算方法——“三段式法”
化学平衡的计算模式可采取“三段式”的方式,依题意,列出化学方程式,并计算。
“三段式法”是有效解答化学平衡计算题的“万能钥匙”。
解题时要注意清楚有条理地列出起始量、转化量、平衡量,按题目要求进行计算,同时还要注意单位统一。
(1)计算步骤:
—写出有关化学平衡的化学方程式。
|
—标示出各物质的起始量、转化量、平衡量。
|
—
(2)具体方法:
可按下列模式进行计算:
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)
起始/(mol·L-1)ab00
变化/(mol·L-1)mxnxpxqx
平衡/(mol·L-1)a-mxb-nxpxqx
相关计算:
①平衡常数:
K=
。
②A的平衡转化率:
α(A)平=
×100%。
③A的物质的量分数:
w(A)=
×100%
④混合气体的密度:
ρ混=
。
⑤混合气体的平均相对分子质量:
=
。
(3)注意事项:
①注意反应物和生成物的浓度关系。
反应物:
c(平)=c(始)-c(变);生成物:
c(平)=c(始)+c(变)。
②利用ρ混=
和
=
计算时要注意m总应为气体的质量,V应为反应容器的体积,n总应为气体的物质的量。
③起始浓度之比、平衡浓度之比不一定与化学计量数成正比,但物质之间是按化学计量数之比反应和生成的,故各物质的浓度变化之比一定等于化学计量数之比,这是计算的关键。
(4)化学平衡常数计算“四要求”
有关K的计算要明确题目要求,一般有四种情况:
①写出K的表达式——只要求写出化学平衡常数的表达式。
②写出K的计算式——只要求写出K的计算式而不要求计算结果。
③列式计算K——写出K的计算式(计算过程)并求出最后计算结果。
④求K的数值——只要直接给出K的计算结果即可。
另外,还要注意看计算时是否要求带单位,若无特别要求,一般不用带单位。
特别提醒:
使用化学平衡常数应注意的问题
(1)化学平衡常数K值的大小是可逆反应进行程度的标志,它能够表示可逆反应进行的程度。
一个反应的K值越大,表明平衡时生成物的浓度越大,反应物的浓度越小,反应物的转化率也越大。
可以说,化学平衡常数是在一定温度下一个反应本身固有的内在性质的定量体现。
(2)化学平衡常数只与温度有关,与反应物或生成物的浓度无关。
(3)反应物或生成物中有固体和纯液体存在时,其浓度可看作“1”,而不计入平衡常数表达式中。
如H2O(l)的浓度,固体物质的浓度均不写,但水蒸气浓度要写。
(4)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
若反应方向改变,则平衡常数改变;若化学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。
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)反应SO2(g)+2CO(g)2CO2(g)+S(l) ΔH<0在恒容的密闭容器中进行,平衡前,随着反应的进行,容器内压强始终不变( × )
提示:
反应前后气体分子数不等,平衡前容器内压强逐渐变小。
(2)对某一可逆反应,升高温度则化学平衡常数一定变大( × )
提示:
对于正反应吸热的反应,升高温度平衡正向移动,K增大;对于正反应放热的反应,升高温度平衡逆向移动,K变小。
(3)增大反应物的浓度,平衡正向移动,化学平衡常数增大( × )
提示:
增大反应物的浓度,平衡向正反应方向移动,但K不变化,因为K只受温度的影响,温度不变,K不变。
(4)可根据K随温度的变化情况判断反应的热效应( √ )
(5)化学平衡常数和转化率都能体现反应进行的程度( √ )
提示:
化学反应达平衡时,各反应物的转化率达最大。
化学平衡常数本身就是化学平衡时各物质浓度的关系。
故平衡常数和转化率是从两个不同的角度来反映化学反应进行的程度。
(6)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)的平衡常数表达式为K=
( × )
(7)反应A(g)+3B(g)2C(g),达平衡后,温度不变,增大压强,平衡正向移动,平衡常数K值增大( × )
(8)对于一个可逆反应,化学计量数不同,化学平衡常数表达式及数值也不同( √ )
(9)平衡常数发生变化,化学平衡一定发生移动( √ )
(10)化学平衡发生移动,平衡常数一定发生变化( × )
提示:
不一定,平衡常数只与温度有关。
(11)平衡常数表达式中,物质的浓度可以是任一时刻的浓度( × )
(12)可逆反应2A(s)+B(g)2C(g)+3D(g)的平衡常数为K=
( × )
(13)对于反应:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),升高温度,K值减小,则ΔH<0( √ )
(14)化学平衡常数大的可逆反应的反应物的转化率一定大( × )
2.对于N2+3H22NH3 K1
NH3
N2+
H2 K2
试分别写出平衡常数表达式,并判断其关系。
答案:
K1=
K2=
K1=
1.(2019·新题预选)温度为T1时,在三个容积均为1L的恒容密闭容器中发生反应:
2NO2(g)2NO(g)+O2(g)(正反应吸热)。
实验测得:
v正=v(NO2)消耗=k正c2(NO2),v逆=v(NO)消耗=2v(O2)消耗=k逆c2(NO)·c(O2),k正、k逆为速率常数,受温度影响。
下列说法正确的是( D )
容器
编号
物质的起始浓度(mol·L-1)
物质的平衡浓度(mol·L-1)
c(NO2)
c(NO)
c(O2)
c(O2)
Ⅰ
0.6
0
0
0.2
Ⅱ
0.3
0.5
0.2
Ⅲ
0
0.5
0.35
A.T1时该反应的平衡常数K=0.4
B.容器Ⅱ向逆反应方向达到平衡
C.达到平衡时,容器Ⅲ中NO的体积分数大于50%
D.当温度改变为T2时,若k正=k逆,则T2>T1
[解析] A项,容器Ⅰ中平衡时,c(O2)=0.2mol·L-1,则c(NO)=2×0.2mol·L-1=0.4mol·L-1,c(NO2)=0.6mol·L-1-2×0.2mol·L-1=0.2mol·L-1,则平衡常数K=0.8,错误;B项,Ⅱ中反应开始时Qc≈0.56<0.8,反应向正反应方向进行,错误;C项,若容器Ⅲ在某时刻,NO的体积分数为50%,设反应中c(O2)减小了amol·L-1,
2NO2(g)2NO(g)+O2(g)
起始(mol·L-1)00.50.35
转化(mol·L-1)2a2aa
平衡(mol·L-1)2a0.5-2a0.35-a
则0.5-2a=2a+(0.35-a),a=0.05,此时Qc=
=4.8>K,反应继续向逆反应方向进行,NO进一步减少,达到平衡的NO的体积分数小于50%,错误;D项,容器Ⅰ中,T1时,平衡常数为K=0.8,T2时,k正=k逆,反应达平衡时,v正=v逆,即k正c2(NO2)=k逆c2(NO)·c(O2),得c2(NO2)=c2(NO)·c(O2),K=
=1,平衡常数增大,反应正向移动,该反应为吸热反应,则应升高温度,即T2>T1,正确。
2.(2019·衡水检测)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( D )
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2倍
[解析] 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(原)]2,D项错误。
3.(2019·天津高三检测)某温度下2L密闭容器中三种气体起始状态和平衡状态时的物质的量(n)如表所示,下列说法正确的是( B )
X
Y
W
n(起始状态)/mol
2
1
0
n(平衡状态)/mol
1
0.5
1.5
A.该温度下,此反应的平衡常数表达式是K=
B.其他条件不变,升高温度,若W的体积分数减小,则此反应ΔH<0
C.其他条件不变,使用催化剂,正、逆反应速率和平衡常数均增大,平衡不移动
D.其他条件不变,当密闭容器中混合气体密度不变时,表明反应已达到平衡
[解析] 由表知,X、Y是反应物,W是生成物,且Δn(X)∶Δn(Y)∶Δn(W)=2∶1∶3,化学方程式为2X+Y3W,反应的平衡常数表达式是K=
,A错误;升高温度,若W的体积分数减小,说明平衡向逆反应方向移动,则此反应的ΔH<0,B正确;使用催化剂,平衡常数不变,C错误;混合气体密度一直不变,不能说明反应已达到平衡,D错误。
萃取精华:
平衡常数的几个易错点
(1)正、逆反应的平衡常数互为倒数;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。
(2)能代入平衡常数表达式的为气体、非水溶液中的H2O、溶液中的溶质,固体与纯液体以及溶液中H2O的浓度可看为常数,不能代入。
4.(2019·河南郑州三模)
汽车尾气脱硝脱碳的主要原理为:
2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH<0。
在一定条件下的密闭容器中,用传感器测得该反应在不同时间NO和CO的浓度如下表:
时间/s
0
1
2
3
4
c(NO)/mol·L-1
9.50×10-3
4.50×10-3
2.50×10-3
1.50×10-3
1.50×10-3
c(CO)/mol·L-1
9.00×10-3
4.00×10-3
2.00×10-3
1.00×10-3
1.00×10-3
下列说法正确的是( B )
A.一定温度下,从开始到平衡,该反应的平衡常数逐渐增大
B.前2s内的平均反应速率v(N2)=1.75×10-3mol·L-1·s-1
C.达到平衡时,CO的转化率为11.11%
D.3s时反应停止进行
[解析] A项,温度不变,平衡常数K不变;B项,前2s内的v(N2)=
v(CO)=
×
=
×
=1.75×10-3mol·L-1·s-1,B正确;C项,达到平衡时,CO的转化率为
×100%≈88.89%;D项,3s时反应达到平衡状态,反应并没有停止。
5.(2019·河北衡水模拟)N2O5是一种新型硝化剂,在一定温度下可发生以下反应:
2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g) ΔH>0
T1℃时,向密闭容器中通入N2O5,部分实验数据见下表:
t/s
0
500
1000
1500
c(N2O5)/(mol·L-1)
5.00
3.52
2.50
2.50
下列说法中不正确的是( C )
A.500s内N2O5分解速率为2.96×10-3mol·L-1·s-1
B.T1℃下的平衡常数K1=125,平衡时N2O5的转化率为50%
C.T1℃的平衡常数为K1,T2温度下的平衡常数为K2,若T1>T2,则K1 D.达到平衡后其他条件不变,将容器的容积压缩到原来的 ,则再次平衡时c(N2O5)>5.00mol·L-1 [解析] 500s内N2O5的分解速率为v(N2O5)= =2.96×10-3mol·L-1·s-1,A项正确; 2N2O5(g)4NO2(g) + O2(g) 5.0000 2.505.001.25 2.505.001.25 N2O5的转化率为 ×100%=50%,平衡常数K= =125,B项正确;由于正反应是吸热反应,故温度升高平衡常数增大,C项错误;缩小容积为原来的 ,平衡逆向移动,N2O5浓度将大于原平衡时的二倍,D项正确。 6.(2019·南京检测)已知反应CO(g)+H2OCO2(g)+H2(g)的平衡常数K与温度的关系如下表: 温度 400 500 830 平衡常数K 10 9 1 (1)该反应的ΔH__<__(选填“>”“=”或“<”)0。 (2)500℃时,若CO和H2O的起始浓度均为0.060mol·L-1,则在该条件下,CO的最大转化率为__75%__。 (3)在1000℃时,平衡常数K=0.5,当CO、H2O(g)、CO2、H2的物质的量浓度相等时,该反应__逆向进行__(填“达到平衡状态”或“正向进行”或“逆向运行”)。 [解析] (1)由表格中数据可知,温度越高,平衡常数K越小,说明温度升高,反应逆向进行,正反应为放热反应,ΔH<0。 (2)500℃时,K=9。 假设平衡时,CO的转化浓度为xmol·L-1, CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g) 0.0600.06000 xxxx 0.060-x0.060-xxx 根据平衡常数的表达式,则 =9,x=0.045 故CO的转化率为 ×100%=75%。 (3)Qc= =1>K,故反应逆向进行。 7.(2019·经典习题选萃)已知可逆反应: M(g)+N(g)P(g)+Q(g) ΔH>0,请回答下列问题: (1)在某温度下,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__25%__。 (2)若反应温度升高,M的转化率__增大__(填“增大”“减小”或“不变”)。 (3)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=__6__。 (4)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__41%__。 [解析] (1) M(g) + N(g)P(g) +Q(g) 12.400 1×60%1×60% 因此N的转化率为 ×100%=25%。 (2)由于该反应的ΔH>0,即该反应为吸热反应,因此升高温度,平衡右移,M的转化率增大。 (3)根据 (1)可求出各平衡浓度: c(M)=0.4mol·L-1 c(N)=1.8mol·L-1 c(P)=0.6mol·L-1 c(Q)=0.6mol·L-1 因此化学平衡常数K= = = 由于温度不变,因此K不变,新状态达到平衡后 c(P)=2mol·L-1 c(Q)=2mol·L-1 c(M)=2mol·L-1 c(N)=(a-2)mol·L-1 K= = = 解得a=6。 (4)设M的转化率为x,则达到平衡后各物质的平衡浓度分别为 c(M)=b(1-x)mol·L-1 c(N)=b(1-x)mol·L-1 c(P)=bxmol·L-1 c(Q)=bxmol·L-1 K= = = 解得x≈41%。 考点二 化学反应进行的方向 1.自发过程 (1)定义: 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__。 熵值越大,体系混乱度__越大__。 (2)影响熵大小的因素 ①相同条件下,物质不同熵不同。 ②同一物质的熵: 气态(g)__>__液态(l)__>__固态(s)。 (3)熵变: ΔS=S(反应产物)-S(反应物)。 (4)常见的熵增过程 ①同一种物质的不同状态: S(g)__>__S(l)__>__S(s)。 ②反应后气体物质的量增加的反应。 3.化学反应方向的判据 1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。 (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)NH4HCO3(g)===NH3(g)+H2O(g)+CO2(g) ΔH=+185.57kJ·mol-1能自发进行,原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向( √ ) (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( √ ) (5)焓变是影响反应是否具有自发性的唯一因素( × ) (6)ΔH<0、ΔS>0时,反应能自发进行( √ ) (7)熵增的反应一定能自发进行( × ) (8)CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g)是一个熵增加的过程( √ ) (9)放热的反应一定能够自发进行,吸热的反应不能自发进行( × ) (10)-10℃的水结成冰,可用熵变的判据来解释反应的自发性( × ) (11)ΔH<0、ΔS>0的反应在温度低时不能自发进行( × ) 提示: ΔH<0、ΔS>0时,则ΔG<0,任何温度下反应都能自发进行。 (12)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( × ) 提示: 用焓变和熵变判断反应的自发性,都有例外,故都不能单独作为反应自发性的判据,而应用复合判据。 (13)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( × ) 提示: 使用催化剂只能降低反应的活化能,不能改变反应的方向。 (14)CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH<0( × ) 提示: CaCO3(s)分解为吸热反应,ΔH>0。 (15)需要加热的反应,一定不能自发进行( × ) (16)由能量判据和熵判据组合而成的复合判据,将更适合于所有的过程( √ ) 2.分析下列反应,在任何温度下均能自发进行的是( D ) A.2N2(g)+O2(g)===2N2O(g) ΔH=+163kJ·mol-1 B.Ag(s)+ Cl2(g)===AgCl(s) ΔH=-127kJ·mol-1 C.HgO(s)===Hg(l)+ O2(g) ΔH=+91kJ·mol-1 D.H2O2(l)=== O2(g)+H2O(l) ΔH=-98kJ·mol-1 提示: A项,该反应ΔH>0、ΔS<0,在任何温度下都不能自发进行;B项,该反应ΔH<0、ΔS<0,在高温下不能自发进行;C项,该反应ΔH>0、ΔS>0,在低温下不能自发进行;D项,该反应ΔH<0、ΔS>0,在任何温度下都能自发进行。 3.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问题。 1.(2019·新题选萃)某反应2AB(g)C(g)+3D(g)在高温时能自发进行,其逆反应在低温时能自发进行,则该反应的ΔH、ΔS应为( C ) A.ΔH<0、ΔS>0B.ΔH<0、ΔS<0 C.ΔH>0、ΔS>0D.ΔH>0、ΔS<0 [解析] 由ΔH-TΔS<0时反应能自发进行推知: ΔH<0、ΔS>0,反应在任何温度下都能自发进行;ΔH>0、ΔS<0,反应在任何温度下都不能自发进行;ΔH>0、ΔS>0,反应在较高温度下能自发进行;ΔH<0、ΔS<0,反应在较低温度下能自发进行。 2.(2019·山东潍坊检测)已知: (NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)+NH3(g) ΔH=+74.9kJ·mol-1。 下列说法中正确的是( D ) A.该反应熵变小于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] 该反应的焓变ΔH>0,因为反应后有气体生成,反应物为固体,所以混乱度增加,熵变大于0,A错误;吸热的熵增反应可能自发进行,B
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