2024年高考化学一轮总复习 第6单元 第3讲　化学平衡常数　化学反应的方向 学案（含高考真题和课后作业）（教师版 ）

这是一份2024年高考化学一轮总复习 第6单元 第3讲　化学平衡常数　化学反应的方向 学案（含高考真题和课后作业）（教师版 ），共43页。学案主要包含了化学平衡常数的应用，化学平衡常数与转化率的计算等内容，欢迎下载使用。
第3讲　化学平衡常数　化学反应的方向
复习目标
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。
考点一　化学平衡常数

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
对于一般的可逆反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，当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，通常不列入化学平衡常数表达式中)。
3．意义及影响因素

意义
K值越大
正反应进行的程度越大
反应物的转化率越大
影响因素
内因
反应物本身的性质
外因
温度升高
ΔH0，K值增大
提醒：①K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。
②K值的大小只能预示某可逆反应向某方向进行的最大限度，不能预示反应达到平衡所需要的时间。
③当K>105时，可以认为反应进行完全。
4．平衡常数与反应方程式的关系
(1)在相同温度下，对于给定的可逆反应，正逆反应的平衡常数互为倒数，即K正＝。
(2)方程式乘以某个化学计量数x，则平衡常数变为原来的x次方。
(3)两方程式相加得总方程式，则总方程式的平衡常数等于两分方程式平衡常数的乘积，即K总＝K1·K2。
　请指出下列各说法的错因
(1)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。
(2)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。
(3)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，如从反应体系中移除生成物，反应物平衡转化率均增大，但平衡常数不变。
(4)平衡常数发生变化，化学平衡不一定发生移动。
错因：平衡常数发生变化，说明温度发生改变，化学平衡一定移动。
(5)增大反应物的浓度，平衡正向移动，化学平衡常数增大。
错因：K只受温度的影响，温度不变，K不变。

一、化学平衡常数的应用
1．判断反应是否达到平衡或向何方向进行
对于化学反应aA(g)＋bB(g)cC(g)＋dD(g)的任意状态，浓度商：Q＝。
Q＜K，反应向正反应方向进行；
Q＝K，反应处于平衡状态；
Q＞K，反应向逆反应方向进行。
2．判断可逆反应的热效应

二、化学平衡常数与转化率的计算
1． “三段式”法的应用
反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量分别为a mol、b mol，达到平衡后，A的消耗量为mx mol，容器容积为V L。
　　　　　mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)
起始/mol a b 0 0
变化/mol mx nx px qx
平衡/mol a－mx b－nx px qx
对于反应物：n(平)＝n(始)－n(变)
对于生成物：n(平)＝n(始)＋n(变)
则(1)平衡常数：K＝。
(2)A的平衡浓度：c平(A)＝ mol·L－1。
(3)A的转化率：α平(A)＝×100%。
(4)A的体积分数：φ(A)＝
×100%。
(5)混合气体的平均密度：ρ混＝
g·L－1。
(6)平衡时混合气体的平均摩尔质量：＝ g·mol－1。
(7)平衡时的压强与起始时的压强之比：＝。
2．掌握四个百分数
(1)转化率＝×100%＝×100%。
(2)生成物的产率：实际产量占理论产量的百分数。一般来说，转化率越高，原料利用率越高，产率也就越高。
产率＝×100%
(3)平衡时混合物中某组分的百分含量＝×100%。
(4)某组分的体积分数＝×100%。

角度一　化学平衡常数
1．在容积一定的密闭容器中，加入一定量的一氧化氮和足量碳发生化学反应：C(s)＋2NO(g)CO2(g)＋N2(g)，平衡时c(NO)与温度T的关系如图所示，则下列说法正确的是(　　)

A．该反应的ΔH＞0
B．若该反应在T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2，则K1＜K2
C．若状态B、C、D的压强分别为pB、pC、pD，则pC＝pD＞pB
D．在T2时，若反应体系处于状态D，则此时v正＞v逆
答案　D
解析　升高温度，NO的浓度增大，说明平衡左移，则该反应的ΔH＜0，故A错误；ΔH＜0，升高温度平衡常数减小，则K1＞K2，故B错误；反应中气体物质的量不变，压强与温度有关，温度越高压强越大，则pC＞pD＝pB，故C错误。
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的关系如表所示：
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　　　　(填“吸热”或“放热”)反应。
(3)某温度下，各物质的平衡浓度符合下式：3c(CO2)·c(H2)＝5c(CO)·c(H2O)，试判断此时的温度为　　　　 ℃。
(4)若830 ℃时，向容器中充入1 mol CO、5 mol H2O，反应达到平衡后，其化学平衡常数K　　　　(填“大于”“小于”或“等于”)1.0。
(5)830 ℃时，容器中的化学反应已达到平衡。在其他条件不变的情况下，扩大容器的体积。平衡　　　　(填“向正反应方向”“向逆反应方向”或“不”)移动。
答案　(1)　(2)吸热
(3)700　(4)等于　(5)不
角度二　化学平衡常数与转化率的计算
3．羰基硫(COS)可作为一种粮食熏蒸剂，能防止某些昆虫、线虫和真菌的危害。在恒容密闭容器中，将CO和H2S混合加热发生下列反应并达到平衡：CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g)　K＝0.1。反应前CO的物质的量为10 mol，平衡后CO的物质的量为8 mol。下列说法正确的是(　　)
A．升高温度，H2S浓度增大，表明该反应是吸热反应
B．通入CO后，正反应速率逐渐增大
C．反应前H2S物质的量为7 mol
D．CO的平衡转化率为80%
答案　C
解析　C项，设反应前H2S的物质的量为n mol，容器的容积为V L，则
CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g)
10 n 0 0
2 2 2 2
8 n－2 2 2
K＝＝0.1，解得n＝7，正确。
4．已知反应：CH2===CHCH3(g)＋Cl2(g)CH2===CHCH2Cl(g)＋HCl(g)。在一定压强下，按不同投料比w向密闭容器中充入氯气与丙烯。图甲表示平衡时，丙烯的体积分数(φ)与温度(T)、w的关系，图乙表示正、逆反应的平衡常数与温度的关系。则下列说法中错误的是(　　)

A．图甲中w2＞1
B．图乙中，A线表示逆反应的平衡常数
C．温度为T1、w＝2时，Cl2的转化率为50%
D．若在恒容绝热装置中进行上述反应，达到平衡时，装置内的气体压强增大
答案　C
解析　根据题中信息可知，增大n(Cl2)，w增大，平衡正向移动，丙烯的体积分数(φ)减小，故w2＞1，A正确；根据图甲可知，升高温度，丙烯的体积分数增大，说明平衡逆向移动，正反应为放热反应，则升高温度，正反应的平衡常数减小，逆反应的平衡常数增大，图乙中A线表示逆反应的平衡常数，B正确；由图乙知，温度为T1时，正、逆反应的平衡常数相等，平衡常数K＝1，当w＝2时，设CH2===CHCH3和Cl2的物质的量分别为a mol、2a mol，参加反应的Cl2的物质的量为b mol，则＝1，解得＝，则Cl2的转化率约为33.3%，C错误；该反应为反应前后气体体积不变的放热反应，反应向正反应方向进行，体系温度升高，气体膨胀，达到平衡时，装置内的气体压强将增大，D正确。
角度三　连续反应、竞争反应平衡常数的计算
5．加热N2O5依次发生的分解反应为①N2O5(g)N2O3(g)＋O2(g)，②N2O3(g)N2O(g)＋O2(g)。在容积为2 L的密闭容器中充入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N2O5的转化浓度为x mol·L－1，N2O3的转化浓度为y mol·L－1。
所以x＝3.1，y＝1.4
所以反应①的平衡常数为
K＝＝＝8.5。
6．CO2经催化加氢可以生成低碳烃，主要有以下两个竞争反应：
反应Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)
反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)
为分析催化剂对反应的选择性，在1 L密闭容器中充入2 mol CO2和4 mol H2，测得有关物质的物质的量随温度变化如图所示：

该催化剂在较低温度时主要选择　　　　　(填“反应Ⅰ”或“反应Ⅱ”)。520 ℃时，反应Ⅰ的平衡常数K＝　　　　　　　(只列算式不计算)。
答案　反应Ⅰ　
解析　温度较低时，CH4的物质的量多，所以该催化剂在较低温度时主要选择反应Ⅰ。520 ℃时，根据题给数据可得
CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)
0.2 0.8 0.2 0.4
2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)
0.4 1.2 0.2 0.8
c(CO2)＝(2－0.2－0.4) mol·L－1＝1.4 mol·L－1
c(H2)＝(4－0.8－1.2) mol·L－1＝2 mol·L－1
c(H2O)＝(0.4＋0.8) mol·L－1＝1.2 mol·L－1
所以520 ℃时，反应Ⅰ的
K＝＝。
微专题　压强平衡常数的计算

1．压强平衡常数(Kp)
(1)当把化学平衡常数K表达式中各物质的浓度用该物质的分压来表示时，就得到该反应的压强平衡常数Kp，其表达式的意义相同。
(2)Kp仅适用于气相发生的反应。
2．表达式
对于一般可逆反应mA＋nBpC＋qD，当在一定温度下达到平衡时，其压强平衡常数Kp＝，其中p(A)、p(B)、p(C)、p(D)表示反应物和生成物的分压，平衡分压计算方法如下：
分压＝总压×物质的量分数(或体积分数)。
p(总)＝p(A)＋p(B)＋p(C)＋p(D)；
＝＝。
3．计算方法
第一步：根据三段式法计算平衡体系中各组分的物质的量或物质的量浓度。
第二步：计算各气体组分的物质的量分数或体积分数。
第三步：根据分压计算公式求出各气体物质的分压。
第四步：根据平衡常数计算公式代入计算。
4．两种Kp的计算模板
(1)平衡总压为p0
N2(g)　＋　3H2(g)2NH3(g)
n(平) a b c
p(分压) p0 p0 p0
Kp＝
(2)刚性容器起始压强为p0，平衡转化率为α。
　　　　2NO2(g)　　N2O4(g)
p(始) p0 0
Δp p0α p0α
p(平) p0－p0α p0α
Kp＝

1．(2022·全国乙卷节选改编)在1470 K、100 kPa反应条件下，将n(H2S)∶n(Ar)＝1∶4的混合气进行H2S热分解反应2H2S(g)S2(g)＋2H2(g)。平衡时混合气中H2S与H2的分压相等，H2S平衡转化率为　　　　，平衡常数Kp＝　　　　kPa。
答案　50%　4.76
解析　假设在该条件下，硫化氢和氩的起始投料的物质的量分别为1 mol和4 mol，根据三段式可知：
　　　 2H2S(g)S2(g)＋2H2(g)
始/mol 1 0 0
变/mol x 0.5x x
平/mol 1－x 0.5x x
平衡时H2S和H2的分压相等，则二者的物质的量相等，即1－x＝x，解得x＝0.5，所以H2S的平衡转化率为×100%＝50%，所以平衡常数Kp＝＝≈4.76 kPa。
2．(2021·全国乙卷节选)一氯化碘(ICl)是一种卤素互化物，具有强氧化性，可与金属直接反应，也可用作有机合成中的碘化剂。回答下列问题：
(1)氯铂酸钡(BaPtCl6)固体加热时部分分解为BaCl2、Pt和Cl2，376.8 ℃时平衡常数Kp′＝1.0×104 Pa2。在一硬质玻璃烧瓶中加入过量BaPtCl6，抽真空后，通过一支管通入碘蒸气(然后将支管封闭)。在376.8 ℃，碘蒸气初始压强为20.0 kPa。376.8 ℃平衡时，测得烧瓶中压强为32.5 kPa，则pICl＝　　　　 kPa，反应2ICl(g)Cl2(g)＋I2(g)的平衡常数K＝
　　　　　　　　　　　(列出计算式即可)。
(2)McMorris测定和计算了在136～180 ℃范围内下列反应的平衡常数Kp：
2NO(g)＋2ICl(g)2NOCl(g)＋I2(g)　Kp1
2NOCl(g)2NO(g)＋Cl2(g)　Kp2
得到lg Kp1～和lg Kp2～均为线性关系，如图所示：

①由图可知，NOCl分解为NO和Cl2反应的ΔH　　　　0(填“大于”或“小于”)。
②反应2ICl(g)===Cl2(g)＋I2(g)的K＝　　　　(用Kp1、Kp2表示)；该反应的ΔH
　　　　0(填“大于”或“小于”)，写出推理过程_______________
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
答案　(1)24.8　
(2)①大于　②Kp1·Kp2　大于
设T′＞T，即＜，由图可知：
lg Kp2(T′)－lg Kp2(T)＞|lg Kp1(T′)－lg Kp1(T)|＝lg Kp1(T)－lg Kp1(T′)
则：lg [Kp2(T′)·Kp1(T′)]＞lg [Kp2(T)·Kp1(T)]，即K(T′)＞K(T)。
因此该反应正反应为吸热反应，即ΔH大于0
解析　(1)由题意知376.8 ℃时玻璃烧瓶中发生两个反应：BaPtCl6(s)BaCl2(s)＋Pt(s)＋2Cl2(g)、Cl2(g)＋I2(g)2ICl(g)。BaPtCl6(s)BaCl2(s)＋Pt(s)＋2Cl2(g)的平衡常数Kp′＝1.0×104 Pa2，则平衡时p2(Cl2)＝1.0×104 Pa2，平衡时p(Cl2)＝100 Pa，设到达平衡时I2(g)的分压减小p kPa，则
　　　　　　Cl2(g)＋I2(g)　　2ICl(g)
开始/kPa 20.0 0
变化/kPa p 2p
平衡/kPa 0.1 20.0－p 2p
376.8 ℃平衡时，测得烧瓶中压强为32.5 kPa，则0.1＋20.0＋p＝32.5，解得p＝12.4，则平衡时pICl＝2p kPa＝2×12.4 kPa＝24.8 kPa；则平衡时，I2(g)的分压为(20.0－p) kPa＝(20×103－12.4×103) Pa，pICl＝24.8 kPa＝24.8×103 Pa，p(Cl2)＝0.1 kPa＝100 Pa，因此反应2ICl(g)===Cl2(g)＋I2(g)的平衡常数K＝。
(2)①结合题图可知，温度越高，越小，lg Kp2越大，即Kp2越大，说明升高温度平衡2NOCl(g)2NO(g)＋Cl2(g)正向移动，则NOCl分解为NO和Cl2反应的ΔH大于0。
②Ⅰ.2NO(g)＋2ICl(g)2NOCl(g)＋I2(g)　Kp1
Ⅱ.2NOCl(g)2NO(g)＋Cl2(g)　Kp2
Ⅰ＋Ⅱ得2ICl(g)Cl2(g)＋I2(g)，则2ICl(g)Cl2(g)＋I2(g)的K＝Kp1·Kp2。
3.(2020·全国卷Ⅰ改编)工业生产硫酸过程中发生的一个反应为：SO2(g)＋O2(g)SO3(g)；将组成(物质的量分数)为2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的气体通入反应器，在温度t、压强p条件下进行反应。平衡时，若SO2转化率为α，则SO3压强为　　　　，平衡常数Kp＝　　　　　　　　　　(以分压表示，分压＝总压×物质的量分数)。
答案　　
解析　假设原气体的物质的量为100 mol，则SO2、O2和N2的物质的量分别为2m mol、m mol和q mol，则2m＋m＋q＝3m＋q＝100，SO2的平衡转化率为α，则有下列关系：
SO2(g) ＋ O2(g)SO3(g)
起始量(mol) 2m m 0
变化量(mo)) 2mα mα 2mα
平衡量(mol) 2m(1－α) m(1－α) 2mα
平衡时气体的总物质的量为n(总)＝[2m(1－α)＋m(1－α)＋2mα＋q] mol，则SO3的物质的量分数为×100%＝
×100%＝×100%。该反应在恒压容器中进行，因此，SO3的分压p(SO3)＝，p(SO2)＝，p(O2)＝，在该条件下，SO2(g)＋O2(g)SO3(g)的Kp＝
＝
＝。
4．在体积可变的恒压密闭容器中模拟CH4­CO2催化重整反应：CO2(g)＋CH4(g)2CO(g)＋2H2(g)。如图所示为气体进料比n(CO2)∶n(CH4)分别等于1∶1、2∶1、3∶1，体系压强为100 kPa时CO2平衡转化率(α)随温度变化的关系。

图中代表气体进料比n(CO2)∶n(CH4)为1∶1的是曲线　　　　(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)，根据图中点A计算该温度时反应的平衡常数Kp＝　　　　(kPa)2(以分压表示，分压＝总压×物质的量分数)。若曲线Ⅱ在恒容密闭容器中测定(其他条件不变)，则850 ℃时CO2的平衡转化率位于B点的　　　　方(填“上”或“下”)。
答案　Ⅰ　或×104　下
解析　其他条件相同时n(CO2)∶n(CH4)越大，CO2平衡转化率越小，故曲线Ⅰ表示n(CO2)∶n(CH4)为1∶1时CO2的平衡转化率随温度的变化关系。A点CO2平衡转化率为50%，设起始时CO2和CH4均为a mol，列“三段式”：
CO2(g)＋ CH4(g) 2CO(g)＋ 2H2(g)
起始量(mol a a 0 0
转化量(mol) 0.5a 0.5a a a
平衡量(mol) 0.5a 0.5a a a
则Kp＝＝(kPa)2＝×104 (kPa)2。该反应是一个气体分子数增大的反应，压强越小越有利于平衡正向移动，恒容条件下，随着反应的进行，压强逐渐增大，CO2的平衡转化率低于相同温度恒压条件下CO2的平衡转化率，故在B点下方。
考点二　化学反应的方向 反应条件的控制

一、化学反应方向的判定
1．自发反应
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．熵和熵变的含义
(1)熵的含义
熵是衡量一个体系混乱度的物理量。用符号S表示。同一条件下，不同物质有不同的熵值，同一物质在不同状态下熵值也不同，一般规律是S(g)≥S(l)≥S(s)。
(2)熵变的含义
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。
3．判断化学反应方向的判据
ΔG＝ΔH－TΔS
ΔG0时，反应不能自发进行。
二、反应条件的控制
1．控制反应条件的目的
(1)促进有利的化学反应
通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。
(2)抑制有害的化学反应
通过控制反应条件，可以减少甚至消除有害物质的产生或控制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。
2．控制反应条件的基本措施
(1)控制化学反应速率的措施
通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化剂等途径调控反应速率。
(2)提高转化率的措施
通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，从而提高转化率。
3．以工业合成氨为例，理解运用化学反应原理选择化工生产中的适宜条件
(1)反应原理：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
(2)
(3)从反应快慢和反应限度两个角度选择反应条件

(4)综合考虑——选择适宜的生产条件
①温度：400～500 ℃；
②压强：10～30 MPa；
③投料比：＝；
④以铁触媒作催化剂；
⑤采用循环操作提高原料利用率。
　请指出下列各说法的错因
(1)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、ΔH>0，在高温下能自发进行。
(2)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，应用ΔH－TΔS复合判据。
(3)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。
(4)－10 ℃的水结冰，可用熵判据来解释其自发性。
错因：水结冰是熵减的过程，根据熵判据则应是非自发过程。

　工业生产中选择适宜生产条件的原则

外界条件
有利于加快速率的条件控制
有利于平衡正向移动的条件控制
综合分析结果
浓度
增大反应物的浓度
增大反应物的浓度、减小生成物的浓度
不断地补充反应物、及时地分离出生成物
催化剂
加合适的催化剂
—
加合适的催化剂
温度
高温
ΔH0
高温
在设备条件和成本允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性
压强
高压(有气体参加)
Δvg0(反应前后气体分子数增加)
低压
兼顾速率和平衡，选取适宜的压强

角度一　化学反应方向的判定
1．下列判断错误的是(　　)
①反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH>0　②CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH0、ΔS>0　④ΔH0的反应在任何温度下都能自发进行
A．①③ B．②③
C．②④ D．①②
答案　D
2．(2022·湖南高考节选)已知ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG的值只决定于反应体系的始态和终态，忽略ΔH、ΔS随温度的变化。若ΔG