1、第24讲 化学平衡常数及转化率的计算【考情分析】1.了解化学反应的方向与焓变和熵变的关系；能够利用焓变和熵变判断化学反应的方向。2.了解化学平衡常数的含义，能够利用化学平衡常数进行相关计算。【核心素养分析】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。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。能运用模型解释化学平衡的移动，揭示现象的本质和规律。科学探究与创新意识：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能运用化学反应原理对与化学有关的社
2、会热点问题做出正确的价值判断。【重点知识梳理】知识点一 化学平衡常数 一、化学平衡常数的概念及应用1化学平衡常数在一定温度下，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(1)对于反应mA(g)nB(g) pC(g)qD(g)，K(计算K利用的是物质的平衡浓度，而不是任意时刻浓度，也不能用物质的量。固体和纯液体物质的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。(2)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，化学反应方向改变或化学计量数改变，化学平衡常数均发生改变。举例如下：化学方程式平衡常数关系式N2(g)3H2(g) 2NH3(g)K
3、1K2 K3N2(g)H2(g) NH3(g)K22NH3(g) N2(g)3H2(g)K33注意事项(1)K值越大，反应物的转化率越高，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。(3)催化剂能加快化学反应速率，但对化学平衡常数无影响。4应用(1)判断可逆反应进行的程度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。K105105105105反应程度很难进行反应可逆反应可接近完全 (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
4、系：Q，称为浓度商。QK反应向正反应方向进行，v正v逆QK反应处于化学平衡状态，v正v逆QK反应向逆反应方向进行，v正v逆(3)判断可逆反应的热效应二、平衡常数和转化率的相关计算1明确三个量起始量、变化量、平衡量 N23H22NH3起始量 1 3 0变化量 a b c平衡量 1a 3b c反应物的平衡量起始量转化量。生成物的平衡量起始量转化量。各物质变化浓度之比等于它们在化学方程式中化学计量数之比。变化浓度是联系化学方程式、平衡浓度、起始浓度、转化率、化学反应速率的桥梁。因此抓住变化浓度是解题的关键。2掌握四个公式(1)反应物的转化率100%100%。(2)生成物的产率：实际产量(指生成物)占
5、理论产量的百分数。一般来讲，转化率越大，原料利用率越高，产率越大。产率100%。(3)平衡时混合物组分的百分含量100%。(4)某组分的体积分数100%。3谨记一个答题模板反应：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的转化量为mx mol，容器容积为V L，则有以下关系： mA(g)nB(g) pC(g)qD(g)起始/mol a b 0 0转化/mol mx nx px qx平衡/mol amx bnx px qx对于反应物：n(平)n(始)n(转)对于生成物：n(平)n(始)n(转)则有：Kc平(A) molL1(A)平
6、100%，(A)(B)(A)100%混 gL1其中M(A)、M(B)分别为A、B的摩尔质量平衡时体系的平均摩尔质量： gmol1知识点二 化学反应进程的方向1自发过程(1)含义不用借助外力就可以自动进行的过程。(2)特点体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或放出热量)。在密闭条件下，体系有从有序转变为无序的倾向性(无序体系更加稳定)。2熵与熵变(1)熵描述体系混乱程度的物理量，符号为S。熵值越大，体系混乱度越大。(2)熵变SS(反应产物)S(反应物)。3反应进行的方向(1)判据(2)规律H0，S0的反应任何温度下都能自发进行；H0，S0的反应任何温度下都不能自发进行；H和S的作用
7、相反，且相差不大时，温度对反应的方向起决定性作用。当H0，S0时，低温下反应能自发进行；当H0，S0时，高温下反应能自发进行。【特别提醒】对于一个特定的气相反应，熵变的大小取决于反应前后的气体物质的化学计量数大小。【方法技巧】焓变、熵变和温度对化学反应方向的影响HSHTS反应情况永远是负值在任何温度下均自发进行永远是正值在任何温度下均非自发进行低温为正，高温为负低温时非自发，高温时自发低温为负，高温为正低温时自发，高温时非自发【典型题分析】高频考点一 化学平衡常数的含义【例1】（2020江苏卷）反应可用于纯硅的制备。下列有关该反应的说法正确的是A. 该反应 、B. 该反应的平衡常数C. 高温下
8、反应每生成1 mol Si需消耗D 用E表示键能，该反应【答案】B【解析】SiCl4、H2、HCl为气体，且反应前气体系数之和小于反应后气体系数之和，因此该反应为熵增，即S0，故A错误；根据化学平衡常数的定义，该反应的平衡常数K=,故B正确；高温不是标准状况下，因此不能直接用22.4Lmol1计算，故C错误；H=反应物键能总和生成物键能总和，即H=4E(SiCl)2E(HH)4E(HCl) 2E(SiSi)，故D错误；答案为B。【变式探究】（2020辽宁大连模拟）已知反应：CO(g)CuO(s) CO2(g)Cu(s)和反应：H2(g)CuO(s) Cu(s)H2O(g)在相同的某温度下的平衡
9、常数分别为K1和K2，该温度下反应：CO(g)H2O(g) CO2(g)H2(g)的平衡常数为K。则下列说法正确的是()A反应的平衡常数K1B反应的平衡常数KC对于反应，恒容时，温度升高，H2浓度减小，则该反应的焓变为正值D对于反应，恒温恒容下，增大压强，H2浓度一定减小【答案】B【解析】在书写平衡常数表达式时，纯固体物质不能出现在平衡常数表达式中，A错误；由于反应反应反应，因此平衡常数K，B正确；对于反应，温度升高，H2浓度减小，则平衡左移，即逆反应为吸热反应，正反应为放热反应，因此H0，C错误；对于反应，在恒温恒容下，增大压强，如充入惰性气体，则平衡不移动，H2的浓度不变，D错误。高频考点
10、二 化学平衡常数的应用【例2】(2020安徽合肥模拟)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
11、行”“向逆反应方向进行”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)计算出K1.0，即此时温度为850 ；因为体积为1 L，所以此温度下0.937 5”或“0。(3)Q0.2K0.1，反应向逆反应方向进行；Q0.05 (3)向逆反应方向向正反应方向高频考点三 外界条件对转化率大小的影响【例3】（2020江苏扬州模拟）反应X(g)Y(g) 2Z(g)H0，在密闭容器中充入0.1 mol X和0.1 mol Y，达到平衡时，下列说法不正确的是()A减小容器体积，平衡不移动，X的转化率不
12、变B增大c(X)，X的转化率减小C保持容器体积不变，同时充入0.1 mol X和0.2 mol Y，X的转化率增大D加入催化剂，正反应速率增大，Z的产率增大【答案】D【解析】A项，该反应为反应前后气体物质的量不变的反应，平衡不受压强影响，减小容器体积，平衡不移动，X的转化率不变，正确；B项，增大c(X)，平衡正向移动，Y的转化率增大，X的转化率减小，正确；C项，相当于只增加Y的浓度，X的转化率会增大，正确；D项，催化剂不能使平衡移动，不改变产物的产率，错误。【方法技巧】转化率大小变化分析判断反应物转化率的变化时，不要把平衡正向移动与反应物转化率提高等同起来，要视具体情况而定。常见有以下几种情形
13、：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mnpq反应物A和B的转化率均增大mnpq反应物A和B的转化率均减小mnpq反应物A和B的转化率均不变只有一种反应物的可逆反应：mA(g) nB(g)pC(g)增加反应物A的用量恒温恒压条件下反应物转化率不变恒温恒容条件下mnp反应物A的转化率增大mnp反应物A的转化率减小mnp反应物A的转化率不变【变式探究】（2020浙江宁波中学模拟）已知：3CH4
14、(g)2N2(g) 3C(s)4NH3(g)H0，在700 ，CH4与N2在不同物质的量之比时CH4的平衡转化率如图所示。下列说法正确的是()A.越大，CH4的平衡转化率越高B. 不变时，若升温，NH3的体积分数会增大Cb点对应的平衡常数比a点的大Da点对应的NH3的体积分数约为26%【答案】B【解析】CH4和N2的物质的量之比越大，CH4的转化率越低，A错误；CH4和N2的物质的量之比不变时，升温，平衡正向移动，NH3的体积分数增大，B正确；平衡常数只与温度有关，与反应物的物质的量无关，所以各点的平衡常数相同，C错误；a点CH4的平衡转化率为22%，0.75，则设甲烷为3 mol，氮气为4
15、mol， 3CH4(g)2N2(g) 3C(s)4NH3(g)起始量/mol 340转化量/mol 0.66 0.44 0.88平衡量/mol 2.34 3.56 0.88则NH3的体积分数为100%13%，D错误。高频考点四 平衡常数与转化率的相关计算【例4】（2019江苏卷）在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应相同时间，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是（ ）A反应2NO(g)+O2(g)=2NO2(g)的H0 B图中X点所示条件下，延长反应时间能提高NO转化率C图中Y点所示条件下，增加
16、O2的浓度不能提高NO转化率D380下，c起始(O2)=5.0104 molL1，NO平衡转化率为50%，则平衡常数K2000【答案】BD【解析】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。【举一反三】(2020河北衡水调研)某温度下，在2 L的密闭容器中，加入1 mol X(g)和 2 mol Y(g)发生反应：X(g)mY(g) 3Z(g)。平衡时，X、Y、Z的体积分数分别为30%
17、、60%、10%。在此平衡体系中加入1 mol Z(g)，再次达到平衡后，X、Y、Z的体积分数不变。下列叙述不正确的是()Am2B两次平衡的平衡常数相同CX与Y的平衡转化率之比为11D第二次平衡时，Z的浓度为0.4 molL1【答案】D【解析】A项，根据再次加入1 mol Z(g)，平衡后，X、Y、Z的体积分数不变，可知该反应是一个反应前后气体分子数相等的反应，因此m2。B项，由于温度没有变化，故两次平衡的平衡常数相同。C项，因为是按照化学方程式中化学计量数之比充入的反应物，因此二者的平衡转化率相等。D项，该反应前后气体分子数不变，因此反应后气体的物质的量与反应前一样，都为4 mol，而平衡后
18、Z的体积分数为10%，平衡时Z的物质的量为4 mol10%0.4 mol，容器体积为2 L，Z的浓度为0.2 molL1。高频考点五 压强平衡常数(Kp)的相关计算【例5】2019高考全国卷，28(1)(3)近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：(1)Deacon发明的直接氧化法为4HCl(g)O2(g)=2Cl2(g)2H2O(g)。下图为刚性容器中，进料浓度比c(HCl)c(O2)分别等于11、41、71时HCl平衡转化率随温度变化的关系：可知反应平衡常数K(300 )_K(400 )(填
19、“大于”或“小于”)。设HCl初始浓度为c0，根据进料浓度比c(HCl)c(O2)11的数据计算K(400 )_(列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗。进料浓度比 c(HCl)c(O2)过低、过高的不利影响分别是_、_。(2)在一定温度的条件下，进一步提高HCl的转化率的方法是_(写出两种)。【解析】(1)由题给HCl平衡转化率随温度变化的关系图可知，随温度升高，HCl平衡转化率降低，则此反应为放热反应，温度越高，平衡常数越小，即K(300 )大于K(400 )。结合题图可知，c(HCl)c(O2)11、400 时HCl的平衡转化率为84%，列出三段式：
20、4HCl(g)O2(g)=2Cl2(g)2H2O(g)起始 c0 c0 0 0转化 0.84c0 0.21c0 0.42c0 0.42c0平衡 (10.84)c0 (10.21)c0 0.42c0 0.42c0则K(400 )；进料浓度比c(HCl)c(O2)过低会使O2和Cl2分离的能耗较高，过高则会造成HCl转化率较低。(2)题述反应是气体体积减小的反应，增大反应体系压强，平衡正向移动，能提高HCl的转化率，及时分离出产物也能提高HCl的转化率。【答案】(1)大于O2 和Cl2 分离能耗较高HCl转化率较低(2)增大反应体系压强、及时分离出产物 【举一反三】（2018全国卷，28(2)(3
21、)）采用N2O5为硝化剂是一种新型的绿色硝化技术，在含能材料、医药等工业中得到广泛应用。回答下列问题：(2)F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25 时N2O5(g)分解反应：其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强p随时间t 的变化如下表所示t时，N2O5(g)完全分解：t/min040801602601 3001 700p/kPa35.840.342.545.949.261.262.363.1已知：2N2O5(g)=2N2O4(g)O2(g) H14.4 kJmol12NO2(g)=N2O4(g)H255.3 kJmol1则反应N2O5(g)=2NO2(
22、g)O2(g)的H_kJmol1。研究表明，N2O5(g)分解的反应速率v2103kPamin1。t62 min时，测得体系中2.9 kPa，则此时_kPa，v_kPamin1。若提高反应温度至35 ，则N2O5(g)完全分解后体系压强p(35 )_63.1 kPa(填“大于”“等于”或“小于”)，原因是_。25 时N2O4(g) 2NO2(g)反应的平衡常数Kp_(Kp为以分压表示的平衡常数，计算结果保留1位小数)。(3)对于反应2N2O5(g)4NO2(g)O2(g)，R.A.Ogg提出如下反应历程：第一步N2O5NO2NO3快速平衡第二步NO2NO3NONO2O2慢反应第三步NONO32
23、NO2快反应其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列表述正确的是_(填标号)。Av(第一步的逆反应)v(第二步反应)B反应的中间产物只有NO3C第二步中NO2与NO3的碰撞仅部分有效D第三步反应活化能较高【答案】(2)53.130.06.0102大于温度升高，体积不变，总压强升高；NO2二聚为放热反应，温度升高，平衡左移，体系物质的量增加，总压强升高13.4(3)AC【解析】(2)令2N2O5(g)=2N2O4(g)O2(g)H14.4 kJmol1a2NO2(g)=N2O4(g)H255.3 kJmol1b根据盖斯定律，a式b式可得：N2O5(g)=2NO2(g)O2(g)H53.1
24、 kJmol1由方程式2N2O5(g)=4NO2(g)O2(g)可知，62 min时，2.9 kPa，则减小的N2O5为5.8 kPa，此时35.8 kPa5.8 kPa30.0 kPa，则v(N2O5)210330.0 kPamin16.0102 kPamin1。时间无限长时N2O5完全分解，故由2N2O5(g)=4NO2(g)O2(g)知，此时生成的235.8 kPa71.6 kPa，0.535.8 kPa17.9 kPa。由题意知，平衡时体系的总压强为63.1 kPa，则平衡体系中NO2、N2O4的压强和为63.1 kPa17.9 kPa45.2 kPa，设N2O4的压强为x kPa，则
25、 N2O4(g) 2NO2(g)初始压强/kPa 0 71.6转化压强/kPa x 2x平衡压强/kPa x 71.62x则x(71.62x)45.2，解得x26.4,71.6 kPa26.4 kPa218.8 kPa，Kp13.4。(3)第一步反应快速平衡，说明正、逆反应速率很大，极短时间内即可达到平衡，A项正确；第二步反应慢，说明有效碰撞次数少，C项正确；由题给三步反应可知，反应的中间产物有NO3和NO，B项错误；反应快，说明反应的活化能较低，D项错误。【方法技巧】1理解Kp含义在化学平衡体系中，用各气体物质的分压代替浓度，计算的平衡常数叫压强平衡常数。2运用计算技巧【变式探究】（2020
26、山东实验中学模拟）一定量的CO2与足量的碳在体积可变的恒压密闭容器中反应：C(s)CO2(g) 2CO(g)。平衡时，体系中气体体积分数与温度的关系如图所示：已知：气体分压(p分)气体总压(p总)体积分数。下列说法正确的是()A550 时，若充入惰性气体，v正、v逆均减小，平衡不移动B650 时，反应达平衡后CO2的转化率为25.0%CT 时，若充入等体积的CO2和CO，平衡向逆反应方向移动D925 时，用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数Kp24.0p总【答案】B【解析】550 时，若充入惰性气体，v正、v逆均减小，由于保持了压强不变，相当于扩大了体积，平衡正向移动，A项错误。根据图示可
27、知，在650 时，CO的体积分数为40.0%，根据反应方程式：C(s)CO2(g) 2CO(g)，设开始加入1 mol CO2，反应掉了x mol CO2，则有C(s)CO2(g) 2CO(g)始态/mol1 0变化/mol x 2x平衡/mol 1x 2x因此有100%40.0%，解得x0.25，则CO2的平衡转化率为100%25.0%，B项正确。由题图可知，T 时，CO与CO2的体积分数相等，在等压下充入等体积的CO和CO2，对原平衡无影响，平衡不移动，C项错误。925 时，CO的体积分数为96.0%，故Kp23.04p总，D项错误。高频考点六 化学反应进行的方向【例6】（2020河北邢台模拟）下列说法不正确的是()AH0的反应在任何温度下都能自发进行BNH4HCO3(s)=NH3(g)H2O(g)CO2(g)H185.57 kJmol1能自发进行，原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向C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D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速率【答案】C【解析】反应的H0，则始终存在GHTS0、S0，则高温下存在HTS0，所以该反应一定不能自发进行。
