第20講化學(xué)平衡常數(shù)及轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

【化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)】

變化觀念與平衡思想：能從化學(xué)平衡常數(shù)的角度分析化學(xué)反應(yīng)，運(yùn)用化學(xué)平衡常數(shù)解決問(wèn)題。能多角

度、動(dòng)態(tài)地分析化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理解決實(shí)際問(wèn)題。

證據(jù)推理與模型認(rèn)知：知道可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的木質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互

關(guān)系，建立模型。能運(yùn)用模型解祥化學(xué)平衡的移動(dòng)，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)：具有可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念，能運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理對(duì)與化學(xué)有關(guān)的社

會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題做出正確的價(jià)值判斷。

【必備知識(shí)解讀】

一、化學(xué)平衡常數(shù)的概念及應(yīng)用

1.化學(xué)平衡常數(shù)

在一定溫度下，當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，生成物濃度轅之積與反應(yīng)物濃度暴之積的比值是一

個(gè)常數(shù)，用符號(hào)K表示。

2.表達(dá)式

⑴對(duì)于反應(yīng)mA(g)+〃B(g)=pC(g)+,/D(g),長(zhǎng)=君就苛(計(jì)算K利用的是物質(zhì)的平衡濃度，而不

是任意時(shí)刻濃度，也不能用物質(zhì)的最。固體和純液體物質(zhì)的濃度視為常數(shù)，通常不計(jì)入平衡常數(shù)表達(dá)式中)。

(2)化學(xué)平衡常數(shù)是指某一具體反應(yīng)的平衡常數(shù),化學(xué)反應(yīng)方向改變或化學(xué)計(jì)量數(shù)改變，化學(xué)平衡常數(shù)

均發(fā)生改變。舉例如下：

化學(xué)方程式平衡常數(shù)關(guān)系式

;

C(NH3)

N(g)+3H(g)=2NE(g)K,-

22C(N2).?(H2)

C(NH3)e限

；N2(g)+%(g)=NH3(g)

C1(N2)-C1(H2)

K3~KX

C(N)-C3(H)

2NHKg)lN2(g)+3H2(g)。22

r(NH3)

3.注意事項(xiàng)

(1)K值越大，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化更越高，正反應(yīng)進(jìn)行的程度越大。

(2)K只受溫度影響，與反應(yīng)物或生成物的濃度變化無(wú)關(guān)。

⑶催化劑能加快化學(xué)反應(yīng)速率，但對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)無(wú)影響。

4.應(yīng)用

(1)判斷可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度

K值大，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度大，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率高；K值小，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度小，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化

率低。

K<10-510—5?1()5>105

反應(yīng)程度很難講行反應(yīng)可逆反應(yīng)可接近完全

(2)判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向

對(duì)于可逆反應(yīng)4A(g)+〃B(g)=cC(g)+</D(g),在一定溫度下的任意時(shí)刻，反應(yīng)物與生成物濃度有如

下關(guān)系：

。=筮器，稱為濃度商，

Q<K反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，u正>^逆

Q=K反應(yīng)處于化學(xué)平衡狀態(tài)，口正=力正

Q>K反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，ViE<Viff

(3)判斷可逆反應(yīng)的熱效應(yīng)

二、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的方向

1.自發(fā)過(guò)程

⑴含義

不用借助外力就可以自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程。

⑵特點(diǎn)

①體系趨向于從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)(體系對(duì)外部做功或放出熱量)。

②在密閉條件下，體系有從有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序的傾向性(無(wú)序體系更加穩(wěn)定)。

2.嫡與牖變

(1)烯

描述體系混亂程度的物理量，符號(hào)為S。

牖值越大，體系混亂度越大。

(2)端變

AS=S(反應(yīng)產(chǎn)物)一S(反應(yīng)物)。

3.反應(yīng)進(jìn)行的方向

⑴判據(jù)

(2)規(guī)律

①A”V(),ASAO的反應(yīng)任何溫度卜都能自發(fā)進(jìn)行；

②A">0,AS<0的反應(yīng)任何溫度下都不能自發(fā)進(jìn)行；

③△”和AS的作用相反，且相差不大時(shí)，溫度對(duì)反應(yīng)的方向起決定性作用。當(dāng)A"VO,ASVO時(shí)，低

溫下反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行；當(dāng)△”>(),AS〉。時(shí)，高溫下反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。

【特別提醒】對(duì)于一個(gè)特定的氣相反應(yīng)，端變的大小取決于反應(yīng)前后的氣體物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)大小。

【方法技巧】熔變、嫡變和溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)方向的影響

△S反應(yīng)情況

—+永遠(yuǎn)是負(fù)值在任何溫度下均自發(fā)進(jìn)行

+—永遠(yuǎn)是正值在任何溫度下均非自發(fā)進(jìn)行

++低溫為正，高溫為負(fù)低溫時(shí)非自發(fā)，高溫時(shí)自發(fā)

——低溫為負(fù)，高溫為正低溫時(shí)自發(fā)，高溫時(shí)北自發(fā)

【關(guān)鍵能力拓展】

一、平衡常數(shù)和轉(zhuǎn)化率的相關(guān)計(jì)算

1.明確三個(gè)量——起始量、變化量、平衡量

N2+3H2?舒盧在2NH3

起始量130

變化量abc

平衡量1~a3~bc

①反應(yīng)物的平衡量=起始量一轉(zhuǎn)化量。

②生成物的平衡量=起始量+轉(zhuǎn)化量。

③各物質(zhì)變化濃度之比等于它們?cè)诨瘜W(xué)方程式中化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。變化濃度是聯(lián)系化學(xué)方程式、平衡

濃度、起始濃度、轉(zhuǎn)化率、化學(xué)反應(yīng)速率的橋梁.因此抓住變化濃度是解題的關(guān)鍵.

2.掌握四個(gè)公式

(1)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率=瞿條x1()()%=宏壽<100%。

(2)生成物的產(chǎn)率：實(shí)際產(chǎn)量(指生成物)占理論產(chǎn)量的百分?jǐn)?shù),?般來(lái)講，轉(zhuǎn)化率越大，原料利用率越高，

產(chǎn)率越大。產(chǎn)率

a+Z?=c+dA、B的轉(zhuǎn)化率不變

同倍增大

a-Vb>c+dA、B的轉(zhuǎn)化率增大

c(A)和c(B)

&+〃Vc+dA、B的轉(zhuǎn)化率減小

(2)反應(yīng)wA(g)〃B(g)+?(g)的轉(zhuǎn)化率分析

在7、V不變時(shí),增加A的量，等效于壓縮容器容積，A的轉(zhuǎn)化率與化學(xué)計(jì)量數(shù)有關(guān)。

A的轉(zhuǎn)化率不變

增大dA)A的轉(zhuǎn)化率增大

jn<n-\-qA的轉(zhuǎn)化率減小

【核心題型例解】

PH

F&IIIMXL體系部分物種分布圖

B.pH在9.570.5之間，含L的物種主要為L(zhǎng)?

47F

S

O

。

C.曲線①表示容器II的變化過(guò)程

高頻考點(diǎn)二化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用

D.反應(yīng)溫度為T1,當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)不變時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)

D.實(shí)際應(yīng)用中，加入尿素的量越多，柴油機(jī)車輛排放的尾氣對(duì)空氣污染程度越小

D.溶液中I元素與Hg元素的物質(zhì)的量之比始終為2:1

高頻考點(diǎn)三轉(zhuǎn)化率及其計(jì)算

【例3】（2023?全國(guó)甲卷第28題）甲烷選擇性氧化制備甲隔是一種原子利用率高的方法?；卮鹣铝袉?wèn)

題：

（1）已知下列反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：

0.6.7斗4.卜++'=*=+=*=

.6

Srj++1dL4T卜-卜：干笆Jr

。..JLJLi

(111X11/i11I0/T1

父4RI1J1fX；R1.T/flt，

()。

，iiiiiiI)iIridx?

o￥H-皿?金■A-

11019

w(。iiii?tt1X

0.3

t521I1X8I1/11I010

)。-

。。十b七*4,

rt

。44"j4T+

-十拜田省+十十步和6

月:TflfTiiiirniI)

306090120150

時(shí)間/s

100

：rz<

II/:1I:■

0100200300400500600700

r/℃

A.圖中曲線①表示平衡時(shí)H?產(chǎn)率隨溫度的變化

B.升高溫度，平衡時(shí)CO的選擇性增大

【方法技巧】轉(zhuǎn)化率大小變億分析

判斷反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的變化時(shí)，不要把平衡正向移動(dòng)與反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率提高等同起來(lái)，要視具體情況而定。

常見(jiàn)有以下幾種情形：

反應(yīng)類型條件的改變反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的變化

恒容時(shí)只增加反

反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率減小，反應(yīng)物B的轉(zhuǎn)化率增大

應(yīng)物A的用量

恒溫恒壓條件下反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率不變

有多種反應(yīng)物的可逆反應(yīng)物A和B的轉(zhuǎn)化率

反應(yīng)：，〃A(g)+〃B(g)同等倍數(shù)地增大均增大

x~5pC(g)+qD(g)反應(yīng)物A、B的恒溫恒容反應(yīng)物A和B的轉(zhuǎn)化率

量條件下均減小

反應(yīng)物A和B的轉(zhuǎn)化率

〃?+〃=p+q

均不變

恒溫恒壓

反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率不變

只有一種反應(yīng)物的可條件下

增加反應(yīng)物A的

逆反應(yīng)：〃2A(g),——反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率增大

用量怛溫恒容

〃B(g)+pC(g)反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率減小

條件下

反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率不變

II

a+2

a.

°lgc(NO2)^lgc(N2O4)

高頻考點(diǎn)四平衡常數(shù)與轉(zhuǎn)化率的相關(guān)計(jì)算

[例4](2023?新課標(biāo)卷第29題)氨是最重要的化學(xué)品之一，我國(guó)目前氨的生產(chǎn)能力位居世界首位。

回答下列問(wèn)題：

①圖中壓強(qiáng)由小到大的順序?yàn)?判斷的依據(jù)是o

②進(jìn)料組成中含有情性氣體Ar的圖是o

【變式探究JCO2技化為高附加值的產(chǎn)品是應(yīng)對(duì)氣候變化和能源高速消耗的有效措施，我國(guó)科學(xué)家研究

CO?加氫制備甲醇方面取得一定進(jìn)展。在一定溫度和壓強(qiáng)下，CO?加氫制備甲醉的過(guò)程中主要發(fā)生如下三個(gè)

反應(yīng)，反應(yīng)I、n、in對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)分別為《、&和Kc。

回答下列問(wèn)題：

(2)為提高甲醇的平衡產(chǎn)率，可通過(guò)(填“升高”或“降低”)溫度，(填“增大”或“減小”)

壓強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

A

ZCO2的平衡轉(zhuǎn)化

件率/%

(

127

8

(

2213

7.7

高頻考點(diǎn)五壓強(qiáng)平衡常數(shù)(%)的相關(guān)計(jì)算

【例5】(2023?全國(guó)乙卷第28題)硫酸亞鐵在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有許多用途，如可用作農(nóng)藥防治小麥黑穗

病，制造磁性氧化鐵、鐵催化劑等。回答下列問(wèn)題:

5.0

4.5

4.0

3.5

e3.0

（2.5

密2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

560600640680720760

77K

【方法技巧】

1.理解Kp含義

在化學(xué)平衡體系中，用各氣體物質(zhì)的分壓代替濃度，計(jì)算的平衡常數(shù)叫壓強(qiáng)平衡常數(shù)。

2.運(yùn)用計(jì)算技巧

【舉一反三】（2023?遼寧卷第18題）硫酸工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。

（1）我國(guó)古籍記載了硫酸的制備方法——“煉石膽（CuSO?5H2O）取精華法”。借助現(xiàn)代儀器分析，該制

備過(guò)程中CUSO4-5H2O分解的TG曲線（熱重）及DSC曲線（反映體系熱量變化情況,數(shù)值已省略）如下圖所示。

70CTC左右有兩個(gè)吸熱峰，則此時(shí)分解生成的氧化物有SO?、和（填化學(xué)式）。

（2）鉛室法使用了大容枳鉛室制備硫酸（76%以下,副產(chǎn)物為亞硝基硫酸，主要反應(yīng)如下：

NO2+SO2+H2O=NO+H2SO4

2NO+O2=2NO2

（i）上述過(guò)程中NO?的作用為o

（ii）為了適應(yīng)化工生產(chǎn)的需求，鉛室法最終被接觸法所代替，其主要原因是_______（答出兩點(diǎn)即可）。

（3）接觸法制硫酸的關(guān)鍵反應(yīng)為SO2的催化氧化：

SO2（g）+yO2（g）USO3（g）AW=98.9kJmol'

（i）為尋求固定投料比下不同反應(yīng)階段的最佳生產(chǎn)溫度，繪制相應(yīng)轉(zhuǎn)化率（。）下反應(yīng)速率（數(shù)值已略去）與

溫度的關(guān)系如下圖所示，下