高中鲁科版 (2019)第2节 化学反应的限度第2课时导学案及答案

第2课时　平衡转化率

学习目标

通过三段式解题模式的学习,掌握平衡常数、转化率的简单计算。

学习任务1　探究平衡转化率

1.平衡转化率概念:达到平衡时转化为生成物的某反应物的物质的量占初始状态时该物质的物质的量的百分比。

2.计算式:α(A)=×100%[或恒容,×100%]。

微点拨:(1)平衡常数表示反应限度比较抽象,在实际工业生产中常用平衡转化率表示可逆反应的限度。(2)工业上还经常使用产率的概念:产率=×100%(理论产量是假定反应不可逆完全反应生成的某产物的量)。

甲醇是非常重要的化工原料,工业上CO2用于生产燃料甲醇,既能缓解温室效应,也为甲醇的合成寻找了新渠道。合成甲醇的反应为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH<0。把2 mol CO2和5 mol H2放入某恒温、恒容的10 L密闭容器内发生上述反应,据此探究H2的平衡转化率。

探究　平衡转化率及其影响因素

问题1:上述反应达到平衡后测得c(H2)=0.2 mol·L-1,此时α(H2)为多少?平衡常数K为多少?

提示:α(H2)=60%;K==12.5 L2·mol-2。

问题2:升高温度,α(H2)如何变化?平衡常数如何变化?

提示:由于ΔH<0,该反应为放热反应,所以升温后,平衡左移,α(H2)降低,K减小。

问题3:上述平衡加压,把容器体积压缩为5 L,计算Q,判断平衡移动方向,此时α(H2)如何变化?平衡常数如何变化?

提示:容器体积压缩为5 L后,Q=3.125 L2·mol-2<K,平衡右移,α(H2)升高,K不变。

问题4:上述平衡再次通入2 mol CO2,平衡移动方向是什么?α(H2)如何改变?平衡常数如何改变?

提示:通入CO2导致Q<K,平衡右移,α(H2)升高,K不变。

问题5:上述平衡再次通入5 mol H2,此时平衡如何移动?再次平衡时,α(H2)相较于原来会如何变化?

提示:平衡右移;α(H2)减小。因为后加的5 mol H2,CO2浓度比原来的低,同时甲醇、水蒸气的浓度比第一次的大,这都会抑制氢气转化。

平衡常数仅与温度有关,而平衡转化率不但与温度有关,还与浓度、压强等因素有关。一般两种物质(A、B)反应,增加A浓度,则α(B)增大,增大B浓度,α(B)反而会减小。

1.某温度下,在容积固定为2 L的密闭容器中进行反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH1=-90.7 kJ·mol-1,将1 mol CO和2 mol H2混合,测得不同时刻的反应前后压强关系如下表:

则达到平衡时CO的转化率为　　　　   。 

解析:依据阿伏加德罗定律可知,=0.7,则反应后气体的总物质的量n(后)=3 mol×0.7=2.1 mol,气体减小的物质的量=3 mol-2.1 mol=0.9 mol。

参加反应的CO物质的量为=0.45 mol,则CO的转化率为×100%=45%。

答案:45%

2.已知在某压强下,反应2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH<0。在不同温度、不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时,CO2的转化率如图所示。从图中可得出三条主要规律:

①增大投料比,CO2的转化率增大;

②　                                               ;

③　                                          。

答案:升高温度,CO2的转化率降低　温度越低,增大投料比使CO2的转化率增大的越显著(答案合理即可)

转化量之比等于化学方程式系数之比。但起始量不一定相同,所以各反应物平衡转化率不一定相同。只有起始物质的量之比等于系数之比时,各物质平衡转化率才相同。

学习任务2　三段式法进行平衡相关计算

　化学平衡计算题具有数据多而且数据是平衡不同时段的特征,数据之间关系非常复杂。为了更好地梳理数据之间关系,涉及平衡计算可运用一种独特的方法“三段式法”。三段式指的是反应初始时刻、反应进行时段、反应平衡时刻(或某一时刻)这三个时刻或时段各物质的物质的量或浓度数据。

　某实验室运用气体传感器检测SO2与O2反应中c(O2)变化。在恒容的密闭容器中通入5 mol的SO2和2 mol的O2,在催化剂、加热作用下进行反应,测得如下数据:

探究　“三段式法”解题模式

问题1:该容器体积为多少?初始时c(SO2)为多少?

提示:根据0 min时c(O2)为0.4 mol·L-1,可知容器体积为5 L。初始c(SO2)为1 mol·L-1。

问题2:5 min时O2反应消耗的浓度为多少?SO2反应消耗的浓度为多少?此时α(SO2)为多少?此时反应是否达到平衡?

提示:O2反应消耗的浓度为0.1 mol·L-1;SO2反应消耗的浓度为0.2 mol·L-1;α(SO2)=20%;根据表格数据,5 min时反应并未达到平衡。

问题3:何时反应达到平衡?此时O2总共反应消耗的浓度是多少?SO2总共反应消耗的浓度是多少?此时α(SO2)为多少?平衡常数为多少?

提示:10～15 min之间某时刻达到平衡;O2总共反应消耗的浓度为0.2 mol·L-1;SO2总共反应消耗的浓度为0.4 mol·L-1;α(SO2)=40%;平衡常数约为2.2。

问题4:用三段式分别表示问题2、问题3的过程。

提示:　　　　　　　　　2SO2+O22SO3

初始浓度/(mol·L-1) 1 0.4 0

转化浓度/(mol·L-1) 0.2 0.1 0.2

5 min时浓度/(mol·L-1) 0.8 0.3 0.2

　　　　　　　　　　　2SO2+O22SO3

初始浓度/(mol·L-1) 1 0.4 0

转化浓度/(mol·L-1) 0.4 0.2 0.4

平衡浓度/(mol·L-1) 0.6 0.2 0.4

“三段式”法解题规律总结

(1)单位要统一(三段式中各种物质数据要么都用物质的量浓度,要么都用物质的量)。

(2)平衡量=起始量-转化量。

(3)转化率=×100%。

(4)平衡常数根据“第三行”数据(必须为浓度)计算。

(5)第二行数据之比等于化学方程式系数之比。

1.(2021·江苏南通月考)某温度下,将含有H2和I2各0.10 mol的气态混合物充入容积为10 L的密闭容器中,发生反应H2(g)+I2(g)2HI(g),达到平衡后测得c(H2)=0.008 0 mol·L-1,则此温度下该反应的平衡常数为(　A　)

A.0.25 B.0.5 C.2 D.4

解析:　　　　　　　 H2(g)+I2(g)2HI(g)

起始浓度/(mol·L-1) 0.010 0.010 0

改变浓度/(mol·L-1) 0.002 0 0.002 0 0.004 0

平衡浓度/(mol·L-1) 0.008 0 0.008 0 0.004 0

此时K===0.25,A项正确。

2.(2021·安徽芜湖期中)在容积不变的密闭容器中,将2 mol CO(g)与3 mol H2O(g)混合加热到一定温度,发生反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),反应达到平衡时,该反应的平衡常数K为1.0。下列说法正确的是(　D　)

A.该反应的平衡常数表达式为K=

B.反应达到平衡时,c(CO2)+c(H2O)+c(H2)=4.2 mol·L-1

C.CO的平衡转化率为40%

D.不管反应进行到何种程度,容器中原子个数之比N(H)∶N(C)∶N(O)=6∶2∶5保持不变

解析:该反应中H2O为气态,也应写在平衡常数表达式中,即K=,A错误;由于体积未知,无法计算各物质的浓度,B错误;假设平衡时,CO转化了x mol,由题意列三段式:

　　　　　CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)

起始/mol 2 3 0 0

转化/mol x x x x

平衡/mol 2-x 3-x x x

则平衡常数K===1,解得x=1.2。则CO的平衡转化率为×100%=60%,C错误;根据原子守恒知,H、C、O的个数之比始终等于起始三者个数之比,即6∶2∶5,D正确。

凡是涉及“平衡”计算,应该马上意识到可运用三段式法进行数据整理,然后进行计算。

【知识整合】

三段式法解题模型总结

　　　　　　mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)

起始量/mol a b 0 0

转化量/mol mx nx px qx

平衡量/mol a-mx b-nx px qx

对于反应物: n(平)=n(始)-n(转)

对于生成物: n(平)=n(始)+n(转)

则:①平衡常数K=。

②平衡时:c(A)= mol·L-1。

③平衡时:α(A)=×100%,A、B的转化率之比为α(A)∶α(B)=∶。

④平衡时:(A)=×100%。

⑤平衡时和开始时的压强之比:=。

⑥混合气体的密度:ρ(混)= g·L-1。

⑦平衡时:(混)= g·mol-1。

【易错提醒】

1.误认为平衡转化率越大,反应的平衡常数越大。其实不然,平衡常数只与温度有关,平衡转化率除了受温度影响,还受浓度、压强等因素影响。

2.误认为转化率就是平衡转化率。其实不然,一个平衡从建立之初某反应物转化率为0%一直到平衡达到该条件下最大,是一直在变化的,平衡转化率是外界条件一定下的最大转化率。

3.误认为平衡时各物质物质的量之比或浓度之比等于系数之比。其实不然,只有“转化量”之比才等于系数之比,平衡量之比还取决于起始量,平衡量之比可以是任意值。