平衡常数 转化率及其计算

一、重点梳理：

   平衡常数

1．化学平衡常数的定义：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，这个常数就是该反应的化学平衡常数（简称平衡常数），用符号K表示。

对于一般的可逆反应：aA + bB cC + dD

平衡常数的表达式为K=______________________________。

如果反应物和反应产物均为气体，平衡常数K表达式为                      。

2．K越大，说明平衡体系中生成物所占的比例越大，它的正向反应进行的程度越大，即该反应进行的越完全，反应物转化率越大；反之，就越不完全，转化率就越小。一般地说，K>10 ⁵时，该反应进行得就基本完全了。K只受      影响，与反应物或生成物得浓度变化       。

3．平衡常数表达式与化学方程式的书写方式有关。对于同一化学反应，由于书写方式不同，各反应物、生成物的系数不同，平衡常数的表达式就不同。对于给定的化学反应，正、逆反应的平衡常数互为            。

4．平衡常数只与温度有关，与浓度无关，对吸热反应，升高温度K值      。对放热反应，升高温度K值            。因此可据K值的变化判断反应的热效应。

5．中学化学里化学平衡常数可以只写一个纯数。

6．对于有固体或纯液体参加的反应，它们不列于平衡常数的表达式中。

 

 平衡转化率

1．  对于化学反应：aA + bB  cC + dD

反应物A的平衡转化率表示为a(A)=                     

2．  （1）对于一个已标明化学方程式的化学反应，在温度一定时虽然只有一个化学平衡常       数，但不同反应物的平衡转化率可能      。

     (2)提高一种反应物在原料气中的比例，可以提高另一种反应物的转化率。

     (3)化学平衡常数与平衡转化率时密切相关的，可以利用化学平衡常数计算化学反应中某反应物的平衡转化率，也可以由实验测定的平衡转化率计算化学平衡常数。

四、典例精析：

例1．将固体NH₄I置于密闭容器中，在一定温度下发生下列反应：

①NH₄I(s) NH₃(g)＋HI(g)；②2HI(g) H₂(g)＋I₂(g)

达到平衡时，c(H₂)=0.5mol·L^-1，c(H_I)=4mol·L^-1，则此温度下反应①的平衡常数为

A．9                       B．16                       C．20                      D．25

例2．黄铁矿(主要成分为FeS₂)是工业制取硫酸的重要原料，其煅烧产物为SO₂和Fe₃O₄。

(1)将0.050 mol SO₂(g)和0.030 mol O₂(g)放入容积为1 L的密闭容器中，反应2SO₂(g)＋O₂(g) 2SO₃(g)在一定条件下达到平衡，测得c(SO₃)＝0.040 mol/L。计算该条件下反应的平衡常数K和SO₂的平衡转化率(写出计算过程)。

 

 (2)已知上述反应是放热反应，当该反应处于平衡状态时，在体积不变的条件下，下列措施中有利于提高SO₂平衡转化率的有           (填字母)

A．升高温度         B．降低温度           C．增大压强

D．减小压强         E．加入催化剂         G．移出氧气

(3)SO₂尾气用饱和Na₂SO₃溶液吸收可得到重要的化工原料，反应的化学方程式为________________________________________________________________________。

(4)将黄铁矿的煅烧产物Fe₃O₄溶于H₂SO₄后，加入铁粉，可制备FeSO₄。酸溶过程中需保持溶液足够酸性，其原因是__________________________________________________。

 

五、课堂练习：

1．X、Y、Z三种气体，取X和Y按1︰1的物质的量之比混合，放入密闭容器中发生如下反应：X+2Y 2Z ，达到平衡后，测得混合气体中反应物的总物质的量与生成物的总物质的量之比为3︰2，则Y的转化率最接近于                          （　　）

A．33%                  B．40%                    C．50%                   D．66%

2．PCl₅的热分解反应为：PCl₅(g) PCl₃(g)＋Cl₂(g)

(1) 写出反应的平衡常数表达式：

(2) 已知某温度下，在容积为10.0 L的密闭容器中充入2.00 mol PCl₅，达到平衡后，测得容器内PCl₃的浓度为0.150 mol/L。计算该温度下的平衡常数。

 

3． 一定条件下，在体积为3 L的密闭容器中，一氧化碳与氢气反应生成甲醇(催化剂为Cu₂O/ZnO)：CO(g)＋2H₂(g) CH₃OH(g)

根据题意完成下列各题：

(1)反应达到平衡时，平衡常数表达式K＝        ，升高温度，K值        (填“增大”、“减小”或“不变”)。

(2)在500 ℃，从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v (H₂)＝              。

(3)在其他条件不变的情况下，对处于E点的体系体积压缩到原来的1/2，下列有关该体系的说法正确的是       

a．氢气的浓度减少        b．正反应速率加快，逆反应速率也加快

c．甲醇的物质的量增加    d．重新平衡时n(H₂)/n(CH₃OH)增大

(4)据研究，反应过程中起催化作用的为Cu₂O，反应体系中含少量CO₂有利于维持催化剂Cu₂O的量不变，原因是：_________________________________(用化学方程式表示)。

六、专题检测：

1．将H₂(g)和Br₂(g)充入恒容密闭容器，恒温下发生反应H₂（g）+Br₂(g) 2HBr（g）△H＜0，平衡时Br₂(g)的转化率为a；若初始条件相同，绝热下进行上述反应，平衡时Br₂(g)的转化率为b。a与b的关系是

A．a＞b                  B．a=b                     C．a＜b                   D．无法确定

 

2．碘钨灯比白炽灯使用寿命长。灯管内封存的少量碘与使用过程中沉积在管壁上的钨可以发生反应：W（s）+I₂（g）

T1

T2

WI₂（g） ΔH＜0（温度T₁＜T₂）。下列说法正确的是

 

A．灯管工作时，扩散到灯丝附近高温区的WI₂（g）会分解出W₁W重新沉积到灯丝上

B．灯丝附近温度越高，WI₂（g）的转化率越低

C．该反应的平衡常数表达式是

D．利用该反应原理可以提纯钨

3．一定条件下，合成氨反应达到平衡时，测得混合气体中氨气的体积分数为20.0％，与反应前的气体相比，反应后体积缩小的百分率是

A．16．7％     B．20.0%      C．80.0%     D．83.3%

4．在密闭容器中，将1.0molCO与1.0molH2O混合加热到80０℃，发生下列反应：

H₂O（g）＋CO（g） H₂（g）＋CO₂（g）。一段时间后该反应达到平衡，测得CO的物质的量为0.5mol。则下列说法正确的是

A．80０℃下，该反应的化学平衡常数为0.25

B．427℃时该反应的化学平衡常数为9.4，则该反应的△H＜0

C．同温下，若继续向该平衡体系中通入1.0mol的H₂O(g)，则平衡时CO转化率为66.7%

D．同温下，若继续向该平衡体系中通入1.0mol的CO(g)，则平衡时CO物质的量分数为33.3%

5．已知可逆反应：M(g)＋N(g) P(g)＋Q(g)，△H＞0

请回答下列问题：

（1）在某温度下，反应物的起始浓度分别为：c(M)= 1 mol·L^-1，c(N)=2.4 mol·L^-1，达到平衡后，M的转化率为60％，此时N的转化率为            ；

（2）若反应温度升高，M的转化率        （填“增大”“减小”或“不变”；）

（3）若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为：c(M)= 1 mol·L^-1,

c(N)=2.4 mol·L^-1;达到平衡后，c(P)=2 mol·L^-1，a=          ;

（4）若反应温度不变，反应物的起始浓度为：c(M)= 1 mol·L^-1，达到平衡后，M的转化率为               。

6．N₂O₅是一种新型硝化剂，其性质和制备收到人们的关注。

（1）N₂O₅与苯发生硝化反应生成的硝基苯的结构简式是___________________。

（2）一定温度下，在恒容密闭容器中N₂O₅可发生下列反应：

          2N₂O₅(g) 4NO₂(g)＋O₂(g) ；⊿H＞0

  ①反应达到平衡后，若再通入一定量氮气，则N₂O₅的转化率将______（填“增大”、“减小”或“不变”）。

  ②下表为反应在T₁温度下的部分实验数据：

则500s内N₂O₅的分解速率为______________。

 ③在T₂温度下，反应1000s时测得NO₂的浓度为4.98mol/L，则T₂________T₁。

（3）如下图所示装置可用于制备N₂O₅，则N₂O₅在电解池的___________区生成，其电极反应式为_________________________________________。

7．将一定量的SO和含0.7 mol氧气的空气（忽略CO₂）放入一定体积的密闭容器中，550 ℃时，在催化剂作用下发生反应：2SO₂+O₂  2SO₃（正反应放热）。反应达到平衡后，将容器中的混合气体通过过量NaOH溶液，气体体积减少了21.28 L；再将剩余气体通过焦性没食子酸的碱性溶液吸收O₂，气体的体积又减少了5.6 L（以上气体体积均为标准状况下的体积）。（计算结果保留一位小数）请回答下列问题：

（1）判断该反应达到平衡状态的标志是                   。（填字母）

a．SO₂和SO₃浓度相等             b．SO₂百分含量保持不变

c．容器中气体的压强不变          d．SO₃的生成速率与SO₂的消耗速率相等

e．容器中混合气体的密度保持不变

（2）欲提高SO₂的转化率，下列措施可行的是               。（填字母）

a．向装置中再充入N₂               b．向装置中再充入O₂

c．改变反应的催化剂               d．生高温度

（3）求该反应达到平衡时SO₃的转化率（用百分数表示）。

（4）若将平衡混合气体的5%通入过量的BaCl₂溶液，生成沉淀多少克？

 8．科学家一直致力研究常温、常压下“人工围氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N₂在催化剂（掺有少量Fe₂O₃的TiO₂）表面与水发生反应，生成的主要产物为NH₃。进一步研究NH₃生成量与温度的关系，部分实验数据见下表（光照、N₂压力1.0×10⁵Pa、反应时间3 h）：

 

T/K	303	313	323	353
NH3生成量/（10-6 mol）	4．8	5．9	6．0	2．0

 

相应的热化学方程式如下：

N₂(g)+3H₂O(1)=2NH₃(g)+ O₂(g)    ΔH=+765.2 kJ·mol^-1

回答下列问题：

（1）请在答题卡的坐标图中画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。

（2）与目前广泛使用的工业合成氨方法相比，该方法中固氮反应速率慢。请提出可提高其反应速率且增大NH₃生成量的建议：             。

（3）工业合成氨的反应为N₂(g)+3H₂(g) 2NH₃(g)。设在容积为2.0 L的密闭容器中充入0.60 mol N₂(g)和1.60 mol H₂(g)，反应在一定条件下达到平衡时，NH₃的物质的量分数（NH₃的物质的量与反应体系中总的物质的量之比）为 。计算

①该条件下N₂的平衡转化率；

②该条件下反应2NH₃(g) N₂(g)+3H₂(g)的平衡常数。

9． 氮化硅是一种新型陶瓷材料，它可由石英与焦炭在高温的氮气流中，通过以下反应制得：□SiO₂＋□C＋□N₂ □Si₃N₄＋□CO

(1) 配平上述反应的化学方程式(将化学计量数填在方框内)；

(2)该反应中的氧化剂是__________，其还原产物是_____________。

(3)该反应的平衡常数表达式为K =_______________________；