1、第二单元 化学反应的方向与限度,一 化学反应方向的综合判据和化学平衡状态,二 化学平衡常数,教材研读,突破一 化学平衡状态的判断与分析,突破二 化学平衡常数的综合应用,重难突破,一、化学反应方向的综合判据和化学平衡状态 (一)化学反应方向的综合判据 影响反应自发性的因素有焓变(H)、熵变(S)和温度(T)。要正确判断 一个化学反应能否自发进行,必须综合考虑H、S和T这三个因素。 在恒温恒压时,有如下判据:,教材研读,这个判据用文字可表述为:在温度、压强一定的条件下,自发反应总是 向H-TS0的方向进行,直到达到平衡状态。注意 用H-TS0来判断反应的自发性,只能用于判断反应的方向, 不能确定反
2、应是否一定会发生,也不能确定反应发生的速率。,(二)化学平衡状态 1.可逆反应与不可逆反应 (1)可逆反应 相同条件下,既能向 正反应方向 (向右)进行,同时又能向 逆反 应方向 (向左)进行的反应,叫可逆反应。 (2)不可逆反应 有些反应的逆反应程度很小,可忽略,这类反应叫不可逆反应。在化学 方程式中通常用“ ”。例如:Ba2+S BaSO4、H+OH-,H2O等。,反应开始时,体系中反应物的浓度最大,生成物的浓度最小,所以v(正) v(逆)。 反应过程中,反应物浓度逐渐 减小 v(正)逐渐 减小 ;生成 物浓度逐渐 增大 v(逆)逐渐 增大 。 达到平衡时,v(正) = v(逆),从反应开
3、始至达到平衡所需的时间为 t1 。,(3)特征 等:即v(正)=v(逆)0。 动:即动态平衡,反应仍在进行。 定:即反应混合物中各组分的质量(或浓度)保持不变。 变:外界条件改变,平衡也随之改变。 同:外界条件一定时,一定量的反应物和生成物,不论是从正反应开始,还 是从逆反应开始,达到的平衡状态是相同的。,二、化学平衡常数 1.化学平衡常数表达式及定义 对于一般的可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),在一定温度下,有: K= ,K即平衡常数。 上述内容可用语言描述为:在一定温度下,当一个可逆反应达到 化 学平衡 时,生成物的 浓度幂之积 与反应物的 浓度幂之积 的比值是一个常
4、数,这个常数就是该反应的化学平衡常数(简称 平 衡常数 ),用符号 K 表示。 在外界条件中,化学平衡常数只受 温度 影响,与浓度等无关。,2.化学平衡常数的应用 (1)利用K可推测可逆反应进行的限度 K值的大小可以反映反应进行的最大程度(反应的限度):K值越大,说明 平衡体系中生成物所占的比例越 大 ,向正反应进行的程度越 大 ,反应物的平衡转化率越 大 。(当K105时,一般就认为 反应完全了) (2)利用K可以判断化学反应是否达到化学平衡 对于反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),在一定温度下的任意时刻,Qc= ,其中Qc叫做该反应的浓度商。,QcK,反应向 逆 反应方向进
5、行。 (3)利用K可判断反应的热效应 因升温平衡向吸热反应方向移动,所以有: 若升高温度,K值增大,则正反应为 吸 热反应; 若升高温度,K值减小,则正反应为 放 热反应。,1.对于化学反应方向的判断,下列说法中正确的是 ( B ) A.温度、压强一定时,放热的熵减小的反应一定能自发进行 B.温度、压强一定时,焓因素和熵因素共同决定一个化学反应的方向 C.反应焓变是决定反应能否自发进行的唯一因素 D.反应熵变是决定反应能否自发进行的唯一因素,2.在密闭容器中充入0.5 mol N2和1.5 mol H2发生反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H=-92.4 kJmol-1,充分反应
6、后放出的热量 ( D ) A.等于92.4 kJ B.等于46.2 kJ C.大于46.2 kJ D.小于46.2 kJ,3.对于达到平衡状态的可逆反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),下列有关叙 述正确的是 ( D ) A.N2和NH3的质量分数相等 B.N2、H2、NH3的浓度之比为132 C.断裂1 mol氮氮叁键的同时,有3 mol氢氢键断裂 D.氮气的体积分数保持不变,4.已知热化学方程式:aX(g)+3Y(g) bZ(g) H0。现向2 L的密闭 容器中加入0.9 mol X和1 mol Y,当Y的物质的量减少0.75 mol时,达到平 衡状态,此时X、Z的物质的量浓度分
7、别是0.2 mol/L和0.5 mol/L,该温度 下的平衡常数为 ( A ) A.800 B. C.35 D.20,突破一 化学平衡状态的判断与分析,重难突破,1.判断化学平衡状态的常用方法,注:体系中某反应物的转化率或某生成物的产率达到最大值且不再 随时间而变化,则反应达到平衡。,2.分析化学平衡移动时需要注意的问题 (1)不要把v正增大与平衡向正反应方向移动等同起来,只有v正v逆时,才使 平衡向正反应方向移动。 (2)不要把平衡向正反应方向移动与原料转化率的提高等同起来,当反 应物总量不变时,平衡向正反应方向移动,该反应物的转化率提高。,3.化学平衡移动与气体平均摩尔质量的关系 混合气体
8、的平均摩尔质量( )= 规律一:平衡体系中只有气体参与,则平衡移动前后混合气体的总质量 不变,由 = 可知,n增大, 减小;n减小, 增大;n不变, 也不变。 规律二:平衡体系中有固体或液体参与,平衡移动后,若气体的分子总数 不变,由 = 可知, 随m而变化,m增大, 增大;m减小, 减小;m不变, 也不变。,规律三:平衡体系中有固体或液体参与,平衡移动后,若气体的分子总数 发生变化, 的变化由m、n共同决定。如果原平衡混合气体中各组分 的体积分数能确定,则 的变化也能确定。,典例1 (2018浙江4月选考,14,2分)反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H 0,若在恒压绝热容器中发
9、生,下列选项表明反应一定已达平衡状态的 是 ( A ) A.容器内的温度不再变化 B.容器内的压强不再变化 C.相同时间内,断开HH键的数目和形成NH键的数目相等 D.容器内气体的浓度c(N2)c(H2)c(NH3)=132,解析 题述反应在恒压绝热容器中发生且反应放热,容器内的温度不再 变化则表明反应达到平衡状态,故A正确;反应在恒压容器中发生,容器 内的压强一直不变,故B错误;断开HH键和形成NH键都表示向正反 应方向进行,故C错误;容器内气体的浓度c(N2)c(H2)c(NH3)=13 2,无法判断反应是否达到平衡,故D错误。,1-1 (2017浙江11月选考,16,2分)已知:N2(g
10、)+3H2(g) 2NH3(g) H= -92.4 kJmol-1。起始反应物为N2和H2,物质的量之比为13,且总物质的 量不变,在不同压强和温度下,反应达到平衡时,体系中NH3 的物质的量 分数如下表:,物质的量分数,压强,下列说法正确的是 ( B ) A.体系中NH3的物质的量分数越大,则正反应速率越大 B.反应达到平衡时,N2和H2的转化率之比均为1 C.反应达到平衡时,放出的热量均为92.4 kJ D.600 、30 MPa下反应达到平衡时,生成NH3的物质的量最多,解析 分析表中数据不难发现,在其他条件相同时,NH3的物质的量分数 随温度升高而减小,随压强增大而增大,而反应速率随温
11、度升高而增大, 随压强增大而增大,故体系中NH3的物质的量分数最大时,正反应速率不 是最大,A错误;因起始时反应物N2和H2的物质的量之比为13,而反应 时消耗的N2和H2的物质的量之比也为13,故反应达到平衡时,N2和H2 的转化率相等,B正确;由热化学方程式可知,1 mol N2(g)与3 mol H2(g)完 全转化为2 mol NH3(g)时放出的热量才为92.4 kJ,不同条件下生成的NH3 物质的量不等,则放出的热量不相同,C错误;表中数据显示,400 、30,MPa下反应达到平衡时,生成NH3的物质的量最多,D错误。,1-2 一定条件下,将1 mol A和3 mol B充入恒容密
12、闭容器中,发生反应: A(g)+3B(g) 2C(g),下列不能说明该反应已经达到平衡状态的是 ( A ) A.气体的密度不再改变 B.混合气体中A的体积分数不再变化 C.混合气体的总压不再变化 D.单位时间内生成a mol A,同时生成2a mol C,解析 反应前后气体质量不变,容器体积不变,气体密度不变,密度不变 不能说明反应达到平衡状态,A符合题意;A的体积分数不变,说明反应达 到平衡状态,B不符合题意;反应前后气体体积减小,压强不变,说明反应 达到平衡状态,C不符合题意;单位时间内生成a mol A,同时生成2a mol C,说明正、逆反应速率相等,能说明反应达到平衡状态,D不符合题
13、意。,突破二 化学平衡常数的综合应用(1)平衡常数只与温度有关,与其他因素无关。即在一定温度下,不 论反应物的初始浓度如何,也不管反应从哪一个方向进行,化学平衡常 数是一定值。 (2)若可逆反应的正反应为吸热反应,升高温度,平衡正移,K值增大;降低 温度,平衡逆移,K值减小。若可逆反应的正反应为放热反应,升高温度, 平衡逆移,K值减小;降低温度,平衡正移,K值增大。,(3)对一定温度下的可逆反应而言,在建立平衡的整个过程中,反应物在 平衡状态时的转化率最大。 (4)在写平衡常数的数学表达式时要特别注意:如果反应中有固体或 纯液体参加,它们的浓度不应写在平衡常数的表达式中,因为它们的浓 度是定值
14、,化学平衡常数表达式中只包含气态物质和溶液中各溶质的浓 度。如: CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) K=c(CO2) Cl2+H2O H+Cl-+HClO,K= 稀溶液中进行的反应,如有水参加,水的浓度不必写在平衡常数表达 式中。如: Cr2 +H2O 2Cr +2H+ K= 非水溶液中的反应,如有水生成或有水参加的反应,此时的水的浓度 不可视为常数,必须表示在平衡常数表达式中。如乙醇和乙酸的反应: C2H5OH+CH3COOH CH3COOC2H5+H2O,K= 在平衡常数的表达式中一定是反应物和生成物的平衡浓度,不能是物 质的量。 (5)同一化学反应,可以用不同的化学方程式表示
15、,每个化学方程式都有 自己的平衡常数表达式及相应的平衡常数。例如,373 K(100 )时,N2O 4和NO2的平衡体系: N2O4 2NO2 K1=,N2O4 NO2 K2= 2NO2 N2O4 K3= 显然,K1= = 。因此,要注意使用与反应方程式相对应的平衡常数表 达式。,典例2 已知下列反应的平衡常数:H2(g)+S(s) H2S(g) K1;S(s) +O2(g) SO2(g) K2,则反应H2(g)+SO2(g) O2(g)+H2S(g)的平衡 常数是 ( D ) A.K1+K2 B.K1-K2 C.K1K2 D.,解析 反应的平衡常数K1= ,反应的平衡常数K2= ,反应 的平
16、衡常数K3= ,故K3= 。,2-1 一定条件下,化学反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)的化学平衡 常数K=1,相同条件下,向容器中通入一定量的CO2、H2进行反应,当c(CO2)=0.5 molL-1、c(H2)=0.5 molL-1、c(CO)=1 molL-1、c(H2O)=1 molL-1 时,下列说法正确的是 ( B ) A.处于平衡状态,正、逆反应速率相等 B.反应逆向进行,正反应速率小于逆反应速率 C.CO2的转化率为50% D.该条件下,化学平衡常数K=4,解析 一定条件下,CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)的化学平衡常数K= 1,相同条件下
17、,当c(CO2)=0.5 molL-1、c(H2)=0.5 molL-1、c(CO)=1 molL-1、 c(H2O)=1 molL-1时,浓度商Qc= =4K=1,反应逆向进行,正、逆 反应速率不同,故A错误;依据A中计算可知反应逆向进行,正反应速率小 于逆反应速率,故B正确;CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) 起始量(molL-1) 1.5 1.5 0 0 变化量(molL-1) 1 1 1 1,某时刻(molL-1) 0.5 0.5 1 1,二氧化碳的转化率= 100%66.7%,故C错误;温度不变,平衡 常数不变,故D错误。,2-2 近几年,利用CO2合成二甲醚已成为人
18、们所关注的热点。其反应原 理如下: 反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(l) H1=-49.01 kJ/mol 反应2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(l) H2=-24.52 kJ/mol 反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(l) H3 请回答: (1)CO2转化为二甲醚的反应原理为:反应2CO2(g)+6H2(g) CH3 OCH3(g)+3H2O(l) H4= 。,(2)下列不能说明反应在298 K、恒容条件下达到化学平衡状态的是 。 A.v正(H2)=v逆(H2O) B.n(CO2)n(H2)n(CO)n(H2O)=1111 C.混合气
19、体的密度不变 D.混合气体的平均相对分子质量不变 E.容器内的压强不变 (3)写出反应在500 K时平衡常数的表达式: 。,(4)下图表示起始投料量H2/CO2=4时,反应、中CO2的平衡转化率随 反应温度的变化关系图,根据图示回答下列问题:,H3 0(填写“”“” 或“=”)。 (填写“高温”或“低温”) 有利于提高反应二甲醚的产率,请简 述理由: 。,若起始投料量H2/CO2=4,起始温度为298 K,反应在503 K时达到平 衡,请在下图画出CO2的转化率随温度升高的变化曲线。,答案 (1)-122.54 kJ/mol (2)ABD (3)K= (4) 低温 较低温度下,反应中CO2的平
20、衡转化率较小而反应较大,所 以低温对反应有利,二甲醚的产率较高,解析 (1)根据盖斯定律,2+可得:2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g) +3H2O(l) H4=(-49.01 kJ/mol)2+(-24.52 kJ/mol)=-122.54 kJ/mol。 (2)水是纯液体,浓度始终不变,v正(H2)=v逆(H2O)不能说明反应达到了平 衡状态,故A错误;n(CO2)n(H2)n(CO)n(H2O)=1111,不能说 明各组分的浓度不再变化,无法判断是否达到平衡状态,故B错误;该反 应属于气体质量减小的反应,而容器的容积不变,在恒容条件下,反应过 程中混合气体的密度始终发生变化
21、,所以混合气体的密度不变说明各组 分浓度不再变化,已经达到平衡状态,故C正确;该反应属于气体质量减,小的反应,气体的总物质的量也减小,反应前后混合气体的平均相对分 子质量可能变化,可能不变,不能说明达到平衡状态,故D错误;该反应是 气体体积缩小的反应,若容器的压强不变,说明正、逆反应速率相等,已 经达到平衡状态,故E正确。 (3)500 K时水呈气态,2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)的平衡常数 表达式为:K= 。 (4)根据图像可知,升高温度后二氧化碳的转化率增大,说明升高温度 平衡正向移动,则正反应为吸热反应,所以H30;,由于反应为吸热反应,反应为放热反应,所以在较低温度下,反应 中CO2的平衡转化率较小而反应较大,故低温对反应有利,二甲醚 的产率较高; 反应在503 K时达到平衡,则从298 K开始,二氧化碳的转化率逐渐 增大,当温度达到503 K时,二氧化碳的转化率达到最大,当温度大于503 K后,二氧化碳的转化率会减小,则CO2转化率随温度升高的变化曲线如 下。,
