1、第21讲化学反应进行的方向和限度【课标要求】1.了解化学平衡常数的含义并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()。3.了解化学反应的方向与化学反应的焓变与熵变的关系。考点1化学平衡常数及其应用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，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只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关
2、。(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：Qc，称为浓度商。Qc(3)判断可逆反应的热效应(1)平衡常数和转化率都能体现可逆反应进行的程度。()(2)化学平衡发生移动，平衡常数一定改变。()(3)CH3COOHC2H5OHCH3COOC2H5H2O的平衡常数表达式为K。()(4)反应物和生成物相同的同一类型的化学方程式，如果化学计量数不同，但K值可能完全相同。()(5)平衡常数发生变化，化学平衡不一定发生移动。()答
3、案：(1)(2)(3)(4)(5)1书写下列化学平衡的平衡常数表达式。(1)Cl2H2OHClHClO(2)C(s)H2O(g) CO(g)H2(g)(3)CH3COOHC2H5OHCH3COOC2H5H2O(4)COH2OHCOOH(5)CaCO3(s) CaO(s)CO2(g)答案：(1)K(2)K(3)K(4)K(5)Kc(CO2)2一定温度下，分析下列三个反应的平衡常数的关系N2(g)3H2(g) 2NH3(g)K1N2(g)H2(g) NH3(g)K22NH3(g) N2(g)3H2(g)K3(1)K1和K2，K1_。(2)K1和K3，K1_。答案：(1)K(2)题组一化学平衡常数及
4、影响因素1(双选)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O3O2OH0平衡常数为K1；反应OO32O2H0平衡常数为K2；总反应：2O33O2HT1，从图像的纵坐标分析可得温度降低，平衡向正反应方向移动，则正反应为放热反应，C错误；处于A点的反应体系从T1变到T2的过程中，平衡向逆反应方向移动，则c(H2)增大，而c(CH3OH)减小，达到平衡时应该增大，D正确。答案：D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
5、)H2O(g)，化学平衡常数K与温度T的关系如下表：T/7008008501 0001 200K0.60.91.01.72.6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)由表格数据可得，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；
6、(2)由c(CO2)c(H2)c(CO)c(H2O)，则计算出K1.0，即此时温度为850 ，此温度下Qc0.94 S (l) S (s)。熵变的含义熵变是反应前后体系熵的变化，用S表示，化学反应的S越大，越有利于反应自发进行。(3)判断化学反应方向的判据GHTSG0时，反应不能自发进行。2化工生产适宜条件选择的一般原则(1)从化学反应速率分析，既不能过快，又不能太慢。(2)从化学平衡移动分析，既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性。(3)从原料的利用率分析，增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本。(4)从实际生产能力分析，如设备承受高温、高压
7、能力等。(5)注意催化剂的活性对温度的限制。3平衡类问题需综合考虑的几个方面(1)原料的来源、除杂，尤其考虑杂质对平衡的影响。(2)原料的循环利用。(3)产物的污染处理。(4)产物的酸碱性对反应的影响。(5)气体产物的压强对平衡造成的影响。(6)改变外界条件对多平衡体系的影响。考能突破练1灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以制造器皿。现把白锡制成的器皿放在0 、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用(已知在0 、100 kPa条件下白锡转化为灰锡反应的焓变和熵变分别为H2.180 9 kJmol1，S6.6 Jmol1K1，当HTS0时能自发反应)()A会变
8、B不会变C不能确定 D升高温度才会变解析：反应自发进行需要满足HTS0，由0 为273 K、H2.180 9 kJmol1、S6.6 Jmol1K1代入公式：HTS2.180 9103 Jmol1273 K6.6 Jmol1K1379.1 Jmol10的是反应_。答案：反应均为放热量大的反应3CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应H_(填“”或“”)0。实际生产条件控制在250 、1.3104 kPa左右，选择此压强的理由是_。答案：0如图所示，反应在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的Ta
9、S2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1_(填“”“”或“”)T2。上述反应体系中循环使用的物质是_。答案：I25(2021福建省泉州检测)合成氨是人类科学技术发展史上的一项重大突破，目前工业上用氢气和氮气直接合成氨。(1)固氮一直是科学家致力研究的重要课题，有关热力学数据如下：反应大气固氮：N2(g)O2(g)2NO(g)工业固氮：N2(g)3H2(g)2NH3(g)温度/252 00025350400450平衡常数(K)3.8410310.151081.8470.5040.152常温下，大气固氮的倾向_(填“大于”或“小于”)工业固氮。(2
10、)N2(g)与H2(g)反应的能量变化如图所示。则N2(g)与H2(g)制备NH3(l)的热化学方程式为_。(3)T 时，在2 L恒容密闭容器中加入1.2 mol N2和2 mol H2模拟一定条件下工业固氮N2(g)3H2(g)2NH3(g)，体系中n(NH3)随时间的变化如图。前2分钟内的平均反应速率v(NH3)_molL1min1。下列情况能说明该反应已达到平衡状态的是_(填字母)。A混合气体的密度不变B单位时间内断裂n mol NH键的同时形成n mol HH键C容器内的总压强不再变化D3v正(H2)2v逆(NH3)有关工业固氮的说法正确的是_(填字母)。A使用催化剂可提高反应物的转化
11、率B循环使用N2、H2可提高NH3的产率C温度控制在500 左右有利于反应向正方向进行D增大压强有利于加快反应速率，所以压强越大越好T 时，该反应的平衡常数为_。(4)研究表明某些过渡金属催化剂可以加速氨气的分解，某温度下，用等质量的不同金属分别催化等浓度的氨气，测得氨气分解的初始速率(单位：mmolmin1)与催化剂的对应关系如表所示。催化剂FePdRuRhPtNi初始速率0.51.87.94.02.23.0在不同催化剂的催化作用下，氨气分解反应中的活化能最大的催化剂是_(填化学式)。解析：(1)根据表格数据可知：在相同温度下，大气固氮平衡常数远小于工业固氮，化学平衡常数越大，说明反应正向进
12、行的程度越大，因此常温下，大气固氮的倾向小于工业固氮。(2)根据图示可知反应物总能量比生成物总能量高，因此该反应为放热反应，0.5 mol N2完全反应变为NH3(l)时放出热量为Q300 kJ20 kJ254 kJ66 kJ，故该反应的热化学方程式可表示为N2(g)3H2(g)2NH3(l)H132 kJmol1。(3)在前2 min内NH3的物质的量增加了0.45 mol，反应容器为2 L，则根据v可得用NH3表示的反应速率v(NH3)0.112 5 molL1min1；A.反应在恒容密闭容器中进行，反应混合物都是气体，气体的质量不变，容器的容积不变，则反应混合气体的密度始终不变，因此不能
13、据此判断反应是否处于平衡状态，A不符合题意；B.单位时间内断裂n mol NH键的同时形成n mol HH键表示的反应都是逆向进行，不能据此判断反应处于平衡状态，B不符合题意；C.该反应是在恒容密闭容器中进行的反应前后气体体积改变的反应，若容器内的总压强不再变化，说明气体的物质的量不变，反应达到平衡状态，C符合题意；D.在任何情况下，2v正(H2)3v正(NH3)，若3v正(H2)2v逆(NH3)，则9v正(NH3)4v逆(NH3)，反应逆向进行，未处于平衡状态，D不符合题意；A.使用催化剂对正、逆反应速率的影响相同，平衡不发生移动，因此不能提高反应物的转化率，A错误；B.循环使用N2、H2，
14、可使更多的反应物变为生成物，因此能够提高NH3的产率，B正确；C.该反应的正反应是放热反应，温度降低平衡正向移动有利于反应向正方向进行，温度控制在500 左右，是因为在该温度下催化剂的活性最大，反应速率较快，C错误；D.反应物是气体，该反应的正反应是气体体积减小的反应，从理论上讲增大压强有利于加快反应速率，提高物质平衡转化率，但压强越高，需要的动力越大，对设备的材料承受的压力要求也越高，所以不是压强越大就越好，D错误。(4)物质发生反应时的活化能越大，反应进行的化学速率就越小。根据表格数据可知：以Fe作催化剂时反应速率最小，则氨分解反应的活化能最大，故在不同催化剂的催化作用下，氨气分解反应中的
15、活化能最大的催化剂是Fe。答案：(1)小于(2)N2(g)3H2(g)2NH3(l)H132 kJmol1(3)0.112 5CB6.25(4)Fe1(2019高考全国卷)水煤气变换CO(g)H2O(g)=CO2(g)H2(g)是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题：(1)Shibata曾做过下列实验：使纯H2缓慢地通过处于721 下的过量氧化钴CoO(s)，氧化钴部分被还原为金属钴Co(s)，平衡后气体中H2的物质的量分数为0.025 0。在同一温度下用CO还原CoO(s)，平衡后气体中CO的物质的量分数为0.019 2。根据上述实验结果判断，还原Co
16、O(s)为Co(s)的倾向是CO_(填“大于”或“小于”)H2。(2)721 时，在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2的物质的量分数为_(填标号)。A.0.25B0.25C0.250.50D0.50E0.50解析：(1)根据题目提供的实验数据可知用H2还原CoO制取金属Co，反应的化学方程式为H2(g)CoO(s)Co(s)H2O(g)，平衡混合气体中H2的物质的量分数为0.025 0, K1c(H2O)/c(H2)(10.025 0)/0.025 039；CO还原CoO制取金属Co的化学方程式为CO(g)CoO(s)Co(s)C
17、O2(g)，平衡混合气体中CO的物质的量分数为0.019 2，K2c(CO2)/c(CO)(10.019 2)/0.019 2 51.08。K1K2，说明还原CoO制取金属Co的倾向CO大于H2。(2)H2(g)CoO(s)Co(s) H2O(g)CO(g)CoO(s)Co(s) CO2(g)可得CO(g)H2O(g)CO2(g) H2(g)设起始CO、H2O的物质的量为a mol，转化的物质的量为x mol，容器容积为1 L，则：CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g) a a 0 0 x x x x ax ax x x则该反应的Kx2/(ax)2K2/K1 1.31，求得：x0.534
18、a，则平衡时H2的物质的量分数约为0.267。答案：(1)大于(2)C2(2018高考全国卷)对于反应2SiHCl3(g)=SiH2Cl2(g)SiCl4(g)，采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂，在323 K和343 K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。343 K时反应的平衡转化率_%。平衡常数K343K_(保留2位小数)。解析：温度越高，反应速率越快，达到平衡的时间越短，曲线a达到平衡的时间短，则曲线a代表343 K时SiHCl3的转化率变化，曲线b代表323 K时SiHCl3的转化率变化。由题图可知，343 K时反应的平衡转化率22%。设起始时SiHCl3(g)的浓度为1 molL1，则有2SiHCl3(g)=SiH2Cl2(g)SiCl4(g)起始浓度/(molL1) 1 0 0转化浓度/(molL1) 0.22 0.11 0.11平衡浓度/(molL1) 0.78 0.11 0.11则343 K时该反应的平衡常数K343 Kc(SiH2Cl2)c(SiCl4)/c2(SiHCl3)(0.11 molL1)2/(0.78 molL1)20.02。答案：220.02
