2022高考化学一轮专题复习 第23讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向

这是一份2022高考化学一轮专题复习 第23讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向，共39页。

第23讲　化学平衡常数　化学反应进行的方向

目标要求
核心素养
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。
5.了解化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
1.变化观念与平衡思想：能从化学平衡常数的角度分析化学反应，运用化学平衡常数解决问题。能多角度、动态地分析化学反应的转化率，运用化学反应原理解决实际问题。
2.证据推理与模型认知：知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。能运用模型(Qc与K的关系)解释化学平衡的移动，揭示现象的本质和规律。
3.科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能运用化学平衡原理对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断。

考点1　化学平衡常数及其应用

授课提示：对应学生用书第158页


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，这个常数称为化学平衡常数，用符号K表示。
2．表达式
对于反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，
K＝(固体和纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。
3．意义及影响因素
(1)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。
(2)K只受温度的影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。
(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。
4．应用
(1)判断可逆反应进行的程度。
(2)判断化学反应进行的方向
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：
＝Q称为浓度商。
Q
(3)判断可逆反应的热效应


1．书写下列化学平衡的平衡常数表达式。
(1)Cl2＋H2OHCl＋HClO
(2)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)
(3)CH3COOH(g)＋C2H5OH(g)CH3COOC2H5(g)＋H2O(g)
(4)CO＋H2OHCO＋OH－
(5)CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)


提示：(1)K＝　(2)K＝
(3)K＝
(4)K＝
(5)K＝c(CO2)
2．一定温度下，分析下列三个反应的平衡常数的关系：
①N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　K1
②N2(g)＋H2(g)NH3(g)　K2
③2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)　K3
(1)K1和K2，K1＝________。
(2)K1和K3，K1＝________。
提示：(1)K　(2)

(1)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度。(×)
(2)增大反应物的浓度，平衡正向移动，化学平衡常数增大。(×)
(3)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。(√)
(4)对某一可逆反应，升高温度则化学平衡常数一定变大。(×)
(5)平衡常数发生变化，化学平衡必定发生移动。(√)
(6)反应A(g)＋3B(g)2C(g)达到平衡后，温度不变，增大压强，平衡正向移动，平衡常数增大。(×)

题组一　化学平衡常数及影响因素
1．对于反应C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH＞0，下列有关说法正确的是(　　)
A．平衡常数表达式为K＝
B．恒温条件下压缩容器的体积，平衡不移动，平衡常数K不发生变化
C．升高体系温度，平衡常数K减小
D．恒温恒压条件下，通入氦气，平衡正向移动，平衡常数K不发生变化
解析：固态浓度为“常数”，视为“1”，不需写入平衡常数表达式，A项错误；增大压强平衡逆向移动，B项错误；升温该反应正向进行，K增大，C项错误；恒压条件下，通入氦气，容器体积增大，平衡向气体体积增大的方向移动，即平衡正向移动，K只与温度有关，温度不变，K不发生变化，D项正确。
答案：D
2．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　O3O2＋[O]　ΔH＞0　平衡常数为K1；
反应②　[O]＋O32O2　ΔH＜0　平衡常数为K2；
总反应：2O33O2　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
解析：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。
答案：C
题组二　化学平衡常数的应用
3．在体积为1 L的密闭容器中，进行如下化学反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，化学平衡常数K与温度T的关系如表：
T/℃
700
800
850
1 000
1 200
K
0.6
0.9
1.0
1.7
2.6
回答下列问题：
(1)升高温度，化学平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。
(2)若某温度下，平衡浓度符合下列关系：
c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，此时的温度为________；在此温度下，若该容器中含有1 mol CO2、1.2 mol H2、0.75 mol CO、1.5 mol H2O，则此时反应所处的状态为________(填“向正反应方向进行中”“向逆反应方向进行中”或“平衡状态”)。
解析：(1)由表格数据可知，随着温度升高，平衡常数增大，说明化学平衡向正反应方向移动；(2)由c(CO2)·c(H2)＝c(CO)·c(H2O)，则计算出K＝1.0，即此时温度为850 ℃，此温度下Q＝＝≈0.94”或“”“2，b0
B．若该反应在T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2，则K1pB
D．在T2 ℃时，若反应体系处于状态D，则此时v正>v逆
解析：升高温度，NO的浓度增大，说明平衡左移，则该反应的ΔHpD＝pB，故C错误；在T2 ℃时，若反应体系处于状态D，达到平衡时NO的浓度要减小，反应正向进行，则此时v正>v逆，故D正确。
答案：D
8．(2020·安徽皖江各校联考)一定条件下，反应2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)　ΔH>0，达到平衡时N2的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．压强：p1>p2
B．b、c两点对应的平衡常数：Kc>Kb
C．a点：2v正(NH3)＝3v逆(H2)
D．a点：NH3的转化率为
解析：该反应为气体分子数增大的反应，恒温时，压强越大，N2的体积分数越小，则p1过程Ⅰ
C．n点时该反应的平衡常数K＝50
D．过程Ⅰ，t2时刻改变的反应条件可能是升高温度
解析：m点CO2的转化率不是最大，反应向正反应方向进行，因此v(正)>v(逆)，A项正确；过程Ⅰ首先达到平衡状态，说明反应速率快，因此活化能：过程Ⅱ>过程Ⅰ，B项正确；n点时CO2的转化率是80%，则可列“三段式”：
CO2(g)＋3H2(g)H2O(g)＋CH3OH(g)
0.5 1.4 0 0
0.4 1.2 0.4 0.4
0.1 0.2 0.4 0.4
所以该反应的平衡常数K＝＝200，C项错误；过程Ⅰ，t2时刻CO2的转化率降低，说明反应向逆反应方向进行，由于正反应放热，因此改变的反应条件可能是升高温度，D项正确。
答案：C
13．100 kPa时，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)中NO的平衡转化率与温度的关系曲线如图1，反应2NO2(g)N2O4(g)中NO2的平衡转化率与温度的关系曲线如图2。


(1)图1中A、B、C三点表示不同温度、压强下2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)达到平衡时NO的转化率，则________点对应的压强最大。
(2)100 kPa、25 ℃时，2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中N2O4的物质的量分数为________，N2O4的分压p(N2O4)＝________kPa，列式计算平衡常数KP＝________(KP用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
(3)100 kPa、25℃时，V mL NO与0.5V mL O2混合后最终气体的体积为________mL。
解析：(1)图1中曲线为等压线，A、C在等压线下方，B在等压线上方，温度不变时，A、C点相对于等压线，NO的平衡转化率减小，则平衡逆向移动，为减小压强所致，B点相对于等压线，NO的平衡转化率增大，则平衡正向移动，为增大压强所致，故压强最大的点为B点。(2)100 kPa、25 ℃时，NO2的平衡转化率为80%，设起始时NO2的浓度为a，则平衡时NO2的浓度为0.2a、N2O4的浓度为0.4a，故N2O4的物质的量分数为×100%≈66.7%。N2O4的分压p(N2O4)＝100 kPa×66.7%＝66.7 kPa。KP＝＝≈0.06。(3)100 kPa、25℃时，V mL NO与0.5V mL O2生成V mL NO2,2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中NO2的转化率为80%，知平衡时气体的体积为V mL×(1－80%)＋V mL×80%×＝0.6V mL。
答案：(1)B　(2)66.7%　66.7　＝≈0.06　(3)0.6V
14．对于可逆反应CO＋H2O(g)CO2＋H2，回答下列问题：
(1)830 K时，若起始时c(CO)＝2 mol·L－1，c(H2O)＝3 mol·L－1，平衡时CO的转化率为60%，水蒸气的转化率为________；平衡常数K的值为________。
(2)830 K时，若只将起始时c(H2O)改为6 mol·L－1，则水蒸气的转化率为________。
(3)若830 K时，起始浓度c(CO)＝a mol·L－1，c(H2O)＝b mol·L－1，H2的平衡浓度c(H2)＝c mol·L－1，则：
①a、b、c之间的关系式是____________；
②当a＝b时，a＝________c。
解析：(1)　　　　　　 CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) 2 3 0 0
转化浓度/(mol·L－1) 1.2 1.2 1.2 1.2
平衡浓度/(mol·L－1) 0.8 1.8 1.2 1.2
K＝＝1，α(H2O)＝×100%＝40%。
(2)设CO的转化浓度为x mol·L－1
　　　　　　　　 CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) 2 6 0 0
转化浓度/(mol·L－1) x x x x
平衡浓度/(mol·L－1) 2－x 6－x x x
K＝＝1，解得x＝1.5，
则α(H2O)＝×100%＝25%。
(3)　　　　　　　　　 CO＋H2O(g)CO2＋H2
起始浓度/(mol·L－1) a 　　b 0 0
转化浓度/(mol·L－1) c 　　c c c
平衡浓度/(mol·L－1) a－c 　b－c c c
＝1，化简得c＝，当a＝b时，a＝2c。
答案：(1)40%　1　(2)25%　(3)①c＝　②2






核心素养　专项提能

核心素养提升(七)　“化学反应速率、化学平衡图像”类型与突破

授课提示：对应学生用书第165页


一　 利用图像“断点”探究外因对反应速率的影响

1．当可逆反应达到一种平衡后，若某一时刻外界条件发生改变，都可能使速率­时间图像的曲线出现不连续的情况，根据出现“断点”前后的速率大小，即可对外界条件的变化情况作出判断。如图：

t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂或增大压强(仅适用于反应前后气体物质的量不变的反应)。
2．常见含“断点”的速率变化图像分析
图像




t1时刻所改变的条件
温度
升高
降低
升高
降低
正反应为放热的反应
正反应为吸热的反应
压强
增大
减小
增大
减小
正反应为气体物质的量增大的反应
正反应为气体物质的量减小的反应
[典例1]　某密闭容器中充入等物质的量的A和B，一定温度下发生反应A(g)＋xB(g)2C(g)，达到平衡后，在不同的时间段内反应物的浓度随时间的变化如图甲所示，正逆反应速率随时间的变化如图乙所示，下列说法中正确的是(　　)

A．30～40 min间该反应使用了催化剂
B．化学方程式中的x＝1，正反应为吸热反应
C．30 min时降低温度，40 min时升高温度
D．8 min前A的平均反应速率为0.08 mol·L－1·min－1
[解析]　若使用催化剂，则化学反应速率加快，故A错误；由甲图像可知，A、B的浓度变化相同，故A、B的化学计量数相同，都为1；由乙图像可知，30 min时改变的条件为减小压强，40 min时改变的条件为升高温度，且升高温度平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，故B、C错误；8 min前A的平均反应速率为＝0.08 mol·L－1·min－1，故D正确。
[答案]　D


二　 突破常规图像

1．图像类型及特点
(1)转化率(或质量分数等)－压强－温度图像

特点：表示两个外界条件同时变化时，A的转化率的变化规律。解决这类图像题，采用“定一议二”法，即把自变量(温度、压强)之一设为恒量，讨论另外两个变量的关系。

特点：曲线上的点表示平衡状态，而X、Y点表示未达平衡状态，使反应由X点达到平衡状态，反应需向B的百分含量减小的方向进行；要使反应由Y点达到平衡状态，反应需向B的百分含量增大的方向进行。
(2)质量分数－时间图像

特点：表示不同条件下反应速率的快慢以及平衡混合物中D的质量分数大小。解题方法是“先拐先平，数值大”，即曲线先出现拐点的首先达到平衡，反应速率快，以此判断温度或压强的高低，再依据外界条件对平衡的影响分析。
(3)特殊图像
①对于化学反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，M点前，表示从反应开始，v正>v逆；M点为刚达到平衡点(如图)；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔHv逆；则L线的右下方(F点)，v正b，A错误；b点只能说明该温度下，CO2和H2O的物质的量分数相等，不能说明v正(CO2)＝v逆(H2O)，B错误；从图像可知，a点H2和H2O的物质的量分数相等，故物质的量相等，C正确；其他条件恒定，充入更多H2，反应物浓度增大，正反应速率增大，v(CO2)也增大，D错误。
答案：C
4．以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示。250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是____________________________________________。

解析：在两条曲线中注意弄清每条曲线所表示的含义，分析两个量之间内在的联系。这里涉及影响反应速率的两个因素：催化剂和温度，弄清影响因素即可。所以，250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低。
答案：温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低
5．研究发现利用NH3可消除硝酸工业尾气中的NO污染。NH3与NO的物质的量之比分别为1∶3、3∶1、4∶1时，NO脱除率随温度变化的曲线如图所示。

(1)曲线a中，NO的起始浓度为6×10－4 mg·m－3，从A点到B点经过0.8 s，该时间段内NO的脱除速率为________mg·m－3·s－1。
(2)曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比是________，其理由是____________。
解析：(1)从A点到B点的浓度变化为(0.75－0.55)×6×10－4 mg·m－3＝1.2×10－4 mg·m－3，脱除速率为＝1.5×10－4 mg·m－3·s－1；(2)根据勒夏特列原理，NH3与NO的物质的量之比越大，NH3的量越多，促使平衡向正反应方向移动，NO的脱除率越大，再根据图像，可推得曲线b对应的NH3与NO的物质的量之比为3∶1。
答案：(1)1.5×10－4　(2)3∶1　NH3与NO的物质的量之比越大，NO的脱除率越大，a、b、c三曲线对应的NH3与NO的物质的量之比依次为4∶1、3∶1、1∶3

章末新素材命题(七)
授课提示：对应学生用书第168页

[命题新素材]
材料一　过氧化氢化学式为H2O2，其水溶液俗称双氧水。外观为无色透明液体，是一种强氧化剂，由于其还原产物为水，因此在工业上称为绿色氧化剂。其水溶液适用于医用伤口消毒及环境消毒和食品消毒。在一般情况下会分解生成水和氧气，但分解速度极慢，改变条件可以加快反应速度，例如升高温度、加入适当的催化剂(MnO2、某些金属离子如Fe3＋、Cu2＋等)。
[设题新角度]
问题1：0.1 g MnO2粉末加入50 mL H2O2溶液中，测得在标准状况下放出气体的体积和时间的关系如图所示。若溶液的体积保持50 mL不变，计算前3 min H2O2的平均速率。(素养角度——证据推理与模型认知)

问题2：为比较Fe3＋和Cu2＋对H2O2分解的催化效果，某实验小组的同学设计了如图所示的实验装置进行实验。

有同学认为上述实验设计不合理，不能得出相应的结论。请简述理由并提出改进措施。(素养角度——科学探究与创新意识)
问题1.提示：前3 min H2O2反应放出50 mL O2，H2O2的分解反应的化学方程式为2H2O22H2O＋O2↑，则Δn(H2O2)＝×2≈0.004 46 mol，
v(H2O2)＝≈0.03 mol·L－1·min－1。
问题2.提示：二者的阴离子不同，对实验会造成干扰。为消除阴离子不同造成的干扰，可将0.1 mol·L－1的FeCl3溶液改为0.05 mol·L－1的Fe2(SO4)3溶液，或者将0.1 mol·L－1的CuSO4溶液改为0.1 mol·L－1的CuCl2溶液。
[命题新素材]
材料二　温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。 自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列极其严重的问题，引起了全世界各国的关注。近年我国大力加强温室气体CO2催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展，其反应为3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－48.9 kJ·mol－1。
[设题新角度]
问题1：为提高CH3OH的产率，理论上应采用什么样的条件？(素养角度——变化观念与平衡思想)
问题2：250 ℃，在恒容密闭容器中由CO2(g)催化氢化合成CH3OH(g)，下图为不同投料比[n(H2)/n(CO2)]时某反应物X平衡转化率变化曲线。判断反应物X是CO2还是H2。(素养角度——证据推理与模型认知)

问题3：催化剂和反应条件与反应物转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，有如下四组实验数据：
实验编号
温度/K
催化剂
CO2转化率/%
甲醇选择性/%
A
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
B
543
Cu/ZnO纳米片
11.9
72.7
C
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
D
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
70.6
根据上表所给数据，判断用CO2生产甲醇的最佳选项。(素养角度——科学探究与创新意识)
问题1　提示：根据热化学方程式可知，生成CH3OH的方向是放热反应方向，也是气体体积减小的方向，因此提高CH3OH的产率，需要降低温度、增大压强。
问题2　提示：观察图中的横坐标，其物理量为，若假设n(CO2)为定值，则X的转化率随n(H2)的增大而增大，则X为CO2。
问题3　提示：选择性是指产物的专一性，在一个化学反应中若有多个产物，其中某一产物是目标产物，若这个物质的产率越高，说明该反应的选择性越好。观察四组数据，相比之下，B、D的选择性很高，且B的CO2转化率比D稍低些，但是B的CH3OH的选择性高出了不少，故最佳选项为B。
[命题新素材]
材料三　改革开放以来，我国的经济发展取得了辉煌成绩，人民生活水平不断提高，从20世纪70年代出行基本靠走到如今私家车进入千家万户，家庭出行交通工具发生了质的飞跃。汽车走进寻常百姓家，给人们的生活带来便利，车水马龙的车流让马路变得热闹。但是汽车保有量的增多也给我们的环境带来了严重的问题，尾气中的主要污染物有CxHy、NOx、CO、SO2及固体颗粒物等。研究汽车尾气的成分及其发生的反应，可以为更好地治理汽车尾气提供技术支持。
[设题新角度]
问题1：在T1、T2温度下，一定量的NO发生分解反应时，N2的体积分数随时间变化如图所示，根据图像判断反应N2(g)＋O2(g)2NO(g)是放热反应还是吸热反应。(素养角度——变化观念与平衡思想)
问题2：汽车排气装置中的三元催化装置，可以利用反应2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)实现气体的无害化排放。T ℃时，在恒容的密闭容器中通入一定量的CO和NO，能自发进行上述反应，测得不同时间CO和NO的浓度如下表：
时间/s
0
1
2
3
4
5
c(NO)/ (10－3mol·L－1)
1.00
0.45
0.25
0.15
0.10
0.10
c(CO)/ (10－3mol·L－1)
3.60
3.05
2.85
2.75
2.70
2.70
计算该温度下的反应的平衡常数K。(素养角度——证据推理与模型认知)

问题3：尾气中的NO2通常会发生反应2NO2(g)N2O4(g)，在100 kPa时NO2的平衡转化率与温度的关系曲线如图所示。
计算100 kPa、25 ℃时，反应2NO2(g)N2O4(g)的平衡常数Kp。(Kp用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)(素养角度——证据推理与模型认知)
问题1　提示：由温度高时反应速率快，达到平衡的时间短，判断T2＞T1，由图像可知，温度高时，N2的体积分数小，即升高温度会使平衡正向移动，则该反应的正反应为吸热反应，ΔH＞0。
问题2　提示：据表中数据，平衡时，c(NO)＝0.10×10－3 mol·L－1，c(CO)＝2.70×10－3 mol·L－1，根据化学反应方程式：2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)，则平衡时，c(N2)＝0.45×10－3 mol·L－1，c(CO2)＝0.9×10－3 mol·L－1，则平衡常数为
K＝＝＝5 000。
问题3.提示：100 kPa、25 ℃时，2NO2(g)N2O4(g)平衡体系中，由图可知，NO2的平衡转化率为80%，设NO2的起始量为1 mol，则其变化量为0.8 mol，N2O4的变化量为0.4 mol，NO2和N2O4的平衡量分别为0.2 mol和0.4 mol，则平衡体系中，NO2和N2O4的体积分数分别为和，因此，平衡常数Kp＝＝0.06。