专题复习 高考化学 考点40 化学平衡常数及转化率 讲义

这是一份专题复习 高考化学 考点40 化学平衡常数及转化率 讲义，共26页。试卷主要包含了化学平衡常数，转化率等内容，欢迎下载使用。
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，这个常数就是该反应的化学平衡常数（简称平衡常数），用K表示。
（2）表达式
对于一般的可逆反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，K=。
（3）应用
①判断反应进行的限度
K值大，说明反应进行的程度大，反应物的转化率高。K值小，说明反应进行的程度小，反应物的转化率低。
②判断反应是否达到平衡状态
化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)在任意状态时，浓度商均为Qc=。
Qc>K时，反应向逆反应方向进行；
Qc=K时，反应处于平衡状态；
QcK，说明平衡向逆反应方向进行，Qc＜K，说明平衡向正反应方向进行，Qc＝K，说明反应达到平衡，故正确；C．化学平衡常数只受温度影响，故错误；D．根据选项C分析，故错误。
1．在KI溶液中存在平衡，测得不同温度下该反应的平衡常数如表所示：
下列说法正确的是（ ）
A．反应的
B．利用该反应可以除去硫粉中少量的碘单质
C．在上述体系中加入苯，平衡不移动
D．25℃时，向溶液中加入少量KI固体，平衡常数K小于680
【答案】B
【详解】
A．由表中数据可知，温度越高，平衡常数越小，说明升高温度，平衡向逆反应方向移动，故正反应为放热反应，即，选项A错误；
B．硫难溶于水，而碘单质与形成而溶于水，可以达到除去硫粉中少量碘的目的，选项B正确；
C．加入苯，碘能溶于苯，使水中碘的浓度变小，平衡向逆反应方向移动，选项C错误；
D．加入KI固体，平衡向正反应方向移动，但平衡常数只受温度影响，与物质的浓度无关，选项D错误。
答案选B。
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。
考向二 化学平衡常数的计算与应用
典例2 在一定体积的密闭容器中，进行化学反应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：
回答下列问题：
（1）该反应的化学平衡常数表达式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 ml CO、5 ml 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。
（6）若1 200 ℃时，在某时刻平衡体系中CO2、H2、CO、H2O的浓度分别为2 ml·L−1、2 ml·L−1、4 ml·L−1、4 ml·L−1，则此时上述反应的平衡移动方向为 (填“正反应方向”“逆反应方向”或“不移动”)。
【答案】（1） QUOTE
（2）吸热 （3）700 ℃
（4）等于 （5）不
（6）逆反应方向
【解析】（1）根据化学方程式可写出K= QUOTE 。
（2）分析表中数据可知，随着温度的升高，K值逐渐增大，说明正反应是吸热反应。
（3）某温度下，由3c(CO2)·c(H2)=5c(CO)·c(H2O)得出 QUOTE = QUOTE =0.6=K，查表知K=0.6时对应温度是700 ℃。
（4）只要温度不变，K值就不变。
（5）830 ℃时达到平衡，扩大容器体积，由于反应前后气体的物质的量不变，则平衡不移动。
（6）该条件下Qc= QUOTE = QUOTE =4>K=2.6，故反应向逆反应方向移动。
2．（1）在一定条件下CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)，当CO与H2O(g)的起始物质的量之比为1∶5，达平衡时，CO转化了eq \f(5,6)。若a kg含Ca5(PO4)3F(相对分子质量为504)的质量分数为10%的磷尾矿，在上述过程中有b%的Ca5(PO4)3F转化为P4，将产生的CO与H2O(g)按起始物质的量之比1∶3混合，则在相同条件下达平衡时能产生H2________kg。[已知：4Ca5(PO4)3F＋18SiO2＋30C2CaF2＋30CO＋18CaSiO3＋3P4]
（2）乙苯催化脱氢制苯乙烯反应：
CH2CH3(g)CH=CH2(g)＋H2(g)
维持体系总压p恒定，在温度T时，物质的量为n、体积为V的乙苯蒸气发生催化脱氢反应。已知乙苯的平衡转化率为α，则在该温度下反应的平衡常数K＝________(用α等符号表示)。
【答案】（1）eq \f(ab,44 800)
（2）eq \f(α2,1－α2)peq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(或\f(nα2,（1－α2）V)))
【解析】（1）当CO和H2O(g)的起始物质的量之比为1∶5时，设CO为1 ml，则：
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
起始物质的量(ml) 1 5 0 0
改变物质的量(ml) eq \f(5,6) eq \f(5,6) eq \f(5,6) eq \f(5,6)
平衡物质的量(ml) eq \f(1,6) eq \f(25,6) eq \f(5,6) eq \f(5,6)
故此温度下，反应的平衡常数K＝eq \f(c（CO2）·c（H2）,c（CO）·c（H2O）)＝1。
由题意知，反应4Ca5(PO4)3F＋18SiO2＋30C2CaF2＋30CO＋18CaSiO3＋3P4，若a kg含Ca5(PO4)3F的质量分数为10%的磷尾矿，当有b%的Ca5(PO4)3F转化为P4时，产生的CO的物质的量为n＝ab/67.2 ml，将产生的CO和H2O(g)按起始物质的量之比为1∶3混合，设在相同条件下达到平衡时CO转化了x ml，则
CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)
起始物质的量(ml) n 3n 0 0
改变物质的量(ml) x x x x
平衡物质的量(ml) n－x 3n－x x x
故eq \f(x·x,（n－x）·（3n－x）)＝1，得x＝eq \f(3,4)n，则达到平衡时产生的氢气的物质的量为eq \f(ab,67.2)×eq \f(3,4) ml＝eq \f(ab,89.6) ml，氢气的质量为eq \f(ab,44.8) g＝eq \f(ab,44.8)×10－3 kg＝eq \f(ab,44 800) kg。
（2）从浓度角度求Kc：根据阿伏加德罗定律的推论，总压强p相同时，eq \f(V1,V2)＝eq \f(n1,n2)，乙苯的转化率为α，由此可得：eq \f(V,V反应后)＝eq \f(1,1＋α)，V反应后＝(1＋α)V，根据化学方程式及平衡常数的定义：Kc＝eq \f(\f(n2α2,V2（1＋α）2),\f(n（1－α）,V（1＋α）))＝eq \f(nα2,V（1－α）（1＋α）)＝eq \f(nα2,（1－α2）V)。
从压强角度求Kp：容器中氢气的物质的量为αn，苯乙烯的物质的量为αn，乙苯的物质的量为(1－α)n，气体的总物质的量为(1＋α)n，所以氢气的分压为eq \f(αn,（1＋α）n)p，苯乙烯的分压为eq \f(αn,（1＋α）n)p，乙苯的分压为eq \f(（1－α）n,（1＋α）n)p，因此Kp＝eq \f(\f(αn,（1＋α）n)p·\f(αn,（1＋α）n)p,\f(（1－α）n,（1＋α）n)p)＝eq \f(α2,1－α2)p。
考向三 转化率的计算与比较
典例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)＝1 ml·L－1，c(N)＝2.4 ml·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)＝4 ml·L－1，c(N)＝a ml·L－1；达到平衡后，c(P)＝2 ml·L－1，a＝________。
（3）若反应温度不变，反应物的起始浓度为c(M)＝c(N)＝b ml·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/(ml·L－1) 1 2.4 0 0
c转/(ml·L－1) 0.6 0.6 0.6 0.6
c平/(ml·L－1) 0.4 1.8 0.6 0.6
α(N)＝eq \f(0.6,2.4)×100%＝25%，K＝eq \f(0.6×0.6,0.4×1.8)＝0.5。
（2）eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(c始/(ml·L－1) 4 a 0 0,c平/(ml·L－1) 2 a－2 2 2))
由K＝eq \f(2×2,2×(a－2))＝0.5，解得a＝6。
（3）eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(c始/(ml·L－1) b b 0 0,c平/(ml·L－1) b(1－x) b(1－x) bx bx))
由K＝eq \f((bx)2,[b(1－x)]2)＝0.5，解得x≈0.41。
【答案】（1）25% （2）6 （3）41%
3．甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)用作全固态钙钛矿敏化太阳能电池的敏化剂，可由CH3NH2、PbI2及HI为原料合成，回答下列问题：
(1)上述反应中所需的甲醇工业上利用水煤气合成CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH0 平衡常数为K1；
反应② [O]＋O32O2 ΔH2000
【答案】BD
【解析】A．随温度升高NO的转化率先升高后降低，说明温度较低时反应较慢，一段时间内并未达到平衡，分析温度较高时，已达到平衡时的NO转化率可知，温度越高NO转化率越低，说明温度升高平衡向逆方向移动，根据勒夏特列原理分析该反应为放热反应，∆H=2000，故D正确；故选BD。
【点睛】解本题时需要注意：实线中在最高点之前反应没有达到平衡状态，主要讨论温度对化学反应速率的影响；最高点之后反应达到平衡状态，可以研究温度对化学平衡的影响。
4．[2018江苏]一定温度下，在三个容积相同的恒容密闭容器中按不同方式投入反应物，发生反应2SO2(g)+ O2(g)2SO3(g)(正反应放热)，测得反应的相关数据如下：
下列说法正确的是
A．v1< v2，c2< 2c1 B．K1> K3，p2> 2p3
C．v1< v3，α1(SO2 ) >α3(SO2 ) D．c2> 2c3，α2(SO3 )+α3(SO2 )K(400℃)；
由图像知，400℃时，HCl平衡转化率为84%，用三段式法对数据进行处理得：
起始（浓度） c0 c0 0 0
变化（浓度） 0.84c0 0.21c0 0.42c0 0.42c0
平衡（浓度）(1-0.84)c0 (1-0.21)c0 0.42c0 0.42c0
则K=；根据题干信息知，进料浓度比过低，氧气大量剩余，导致分离产物氯气和氧气的能耗较高；进料浓度比过高，HCl不能充分反应，导致HCl转化率较低；
（2）根据盖斯定律知，（反应I+反应II+反应III）×2得 ∆H=（∆H1+∆H2+∆H3）×2=-116kJ·ml-1；
（3）若想提高HCl的转化率，应该促使平衡正向移动，该反应为气体体积减小的反应，根据勒夏特列原理，可以增大压强，使平衡正向移动；也可以及时除去产物，减小产物浓度，使平衡正向移动；
7．[2017新课标Ⅰ节选]近期发现，H2S是继NO、CO之后的第三个生命体系气体信号分子，它具有参与调节神经信号传递、舒张血管减轻高血压的功能。回答下列问题：
（3）H2S与CO2在高温下发生反应：H2S(g)+CO2(g)COS(g) +H2O(g)。在610 K时，将0.10 ml CO2与0.40 ml H2S充入2.5 L的空钢瓶中，反应平衡后水的物质的量分数为0.02。
①H2S的平衡转化率=_______%，反应平衡常数K=________。
②在620 K重复试验，平衡后水的物质的量分数为0.03，H2S的转化率_____，该反应的H_____0。（填“>”“ > ③B
【解析】（3）① H2S(g) + CO2(g)COS(g)+ H2O(g)
开始 0.40ml 0.10ml 0 0
反应 x x x x
平衡 (0.40–x)ml (0.10–x)ml x x
解得x=0.01ml，所以H2S的转化率是
由于该反应是反应前后气体体积相等的反应，所以在该条件下反应达到平衡时化学平衡常数；
②根据题目提供的数据可知温度由610K升高到620K时，化学反应达到平衡，水的物质的量分数由0.02变为0.03，所以H2S的转化率增大。α2>α1；根据题意可知：升高温度，化学平衡向正反应方向移动，根据平衡移动原理：升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动，所以该反应的正反应为吸热反应，故△H>0；③A．增大H2S的浓度，平衡正向移动，但加入量远远大于平衡移动转化消耗量，所以H2S转化率降低，A错误；B．增大CO2的浓度，平衡正向移动，使更多的H2S反应，所以H2S转化率增大，B正确；C．COS是生成物，增大生成物的浓度，平衡逆向移动，H2S转化率降低，C错误；D．N2是与反应体系无关的气体，充入N2，不能使化学平衡发生移动，所以对H2S转化率无影响，D错误。答案选B。
8．[2016上海]随着科学技术的发展和环保要求的不断提高，CO2的捕集利用技术成为研究的重点。
完成下列填空：
（1）目前国际空间站处理CO2的一个重要方法是将CO2还原，所涉及的反应方程式为：
CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)
已知H2的体积分数随温度升高而增加。
若温度从300℃升至400℃，重新达到平衡，判断下列表格中各物理量的变化。（选填“增大”、“减小”或“不变”）
（2）相同温度时，上述反应在不同起始浓度下分别达到平衡，各物质的平衡浓度如下表：
a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为_________。
【答案】（1）
（2）
【解析】（1）H2的体积分数随温度的升高而增加，这说明升高温度平衡向逆反应方向进行，即正反应是放热反应。升高温度正逆反应速率均增大，平衡向逆反应方向进行，平衡常数减小，反应物的转化率减小。
（2）相同温度时平衡常数不变，则a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为。
9．[2016新课标全国Ⅲ节选]煤燃烧排放的烟气含有SO2和NOx，形成酸雨、污染大气，采用NaClO2溶液作为吸收剂可同时对烟气进行脱硫、脱硝。回答下列问题：
（2）在鼓泡反应器中通入含有SO2和NO的烟气，反应温度为323 K，NaClO2溶液浓度为5×10−3 ml·L−1。反应一段时间后溶液中离子浓度的分析结果如下表。
①写出NaClO2溶液脱硝过程中主要反应的离子方程式__________。增加压强，NO的转化率______（填“提高”、“不变”或“降低”）。
②随着吸收反应的进行，吸收剂溶液的pH逐渐______（填“增大”“不变”或“减小”）。
③由实验结果可知，脱硫反应速率______脱硝反应速率（填“大于”或“小于”）。原因是除了SO2和NO在烟气中的初始浓度不同，还可能是___________。
（3）在不同温度下，NaClO2溶液脱硫、脱硝的反应中，SO2和NO的平衡分压pe如图所示。
①由图分析可知，反应温度升高，脱硫、脱硝反应的平衡常数均______________（填“增大”、“不变”或“减小”）。
②反应ClO2−+22+Cl−的平衡常数K表达式为___________。
7．【答案】（2）①4OH−＋3＋4NO4＋3Cl−＋2H2O 提高 ②减小 ③大于 NO溶解度较低或脱硝反应活化能较高
（3）①减小 ②
【解析】（2）①亚氯酸钠具有氧化性，则NaClO2溶液脱硝过程中主要反应的离子方程式为4OH−＋3＋4NO4＋3Cl−＋2H2O；正反应是体积减小的，则增加压强，NO的转化率提高。
②根据反应方程式2H2O＋＋2SO22＋Cl−＋4H＋、2H2O＋3＋4NO4＋3Cl−＋4H＋可知随着吸收反应的进行氢离子浓度增大，吸收剂溶液的pH逐渐减小。
③由实验结果可知，在相同时间内硫酸根离子的浓度增加的多，因此脱硫反应速率大于脱硝反应速率。原因是除了SO2和NO在烟气中的初始浓度不同，还可能是二氧化硫的还原性强，易被氧化。
（3）在不同温度下，NaClO2溶液脱硫、脱硝的反应中，SO2和NO的平衡分压pe如图所示。①由图分析可知，反应温度升高，SO2和NO的平衡分压负对数减小，这说明反应向逆反应方向进行，因此脱硫、脱硝反应的平衡常数均减小。②根据反应的方程式ClO2−+22+Cl−可知平衡常数K表达式为。
K
105
反应程度
很难进行
反应可逆
反应可接近完全
反应类型
条件的改变
反应物转化率的变化
有多种反应物的可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
恒容时只增加反应物A的用量
反应物A的转化率减小，反应物B的转化率增大
同等倍数地增大（或减小）反应物A、B的量
恒温恒压条件下
反应物转化率不变
恒温恒容条件下
m+n>p+q
反应物A和B的转化率均增大
m+nn+p
反应物A的转化率增大
m