1、第二单元 化学反应的方向与限度第3课时u 教材分析通过本节课的学习了解如何定量描述化学反应进行的限度，引导学生从化学平衡状态的定义来理解化学平衡常数，学会利用数据分析和解决化学平衡中出现的问题，进而总结规律。本节课先介绍了化学平衡常数的定义、公式、表达时的注意事项、意义以及相关的计算方法。“平衡转化率”作为描述化学反应进行限度的另一种方式，是对化学平衡常数的一种补充。通过本节课的学习，学生可以更好地理解化学反应的限度问题，同时能更好地完成平衡转化率与化学平衡常数之间的计算。u 教学目标证据推理与模型认知：构建化学平衡常数、平衡转化率的相关计算思维模型(三段式法)，理清计算的思路，灵活解答各类问
2、题，培养模型认知的核心素养。u 教学重难点【教学重点】1.认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义。2.能书写平衡常数表达式，能进行化学平衡常数、转化率的简单计算。【教学难点】化学平衡常数、转化率的相关计算。u 教学过程一、导入新课【讲述】研究表明，可逆反应在适当条件下进行一段时间后一定会达到化学平衡状态。给定条件下，可逆反应达到化学平衡状态是反应所能达到的最大程度，即该反应的限度。 在研究化学反应的限度时，我们需要知道可逆反应达到化学平衡状态，有多少反应物转化成了生成物，以及它们浓度间关系。二、讲授新课【交流讨论】二氧化氮、四氧化二氮的相互转化是一个可逆反应：2NO2(
3、g) N2O4(g)，如果用不同起始浓度的二氧化氮或四氧化二氮进行反应，平衡后得到表中实验数据。根据表中已知数据填写空格，并总结归纳平衡时反应物和生成物的物质的量浓度之间的关系。 二氧化氮、四氧化二氮体系中各物质的物质的量浓度(25)起始浓度/(molL-1)平衡浓度/(molL-1)平衡浓度关系c(NO2)c(N2O4)c(NO2)c(N2O4)c（N2O4）c（NO2）c（N2O4）c2（NO2）2.0010-206.3210-36.8410-31.081.711023.0010-208.0010-31.1010-21.381.7210202.0010-29.4610-31.5210-21
4、.611.7010200.1002.2810-28.8610-23.891.70102【结论】25，不同起始浓度反应平衡后的c（N2O4）c2（NO2）近似相等。【新课讲解】化学平衡常数【讲解】1.定义在一定温度时，当一个可逆反应达到化学平衡状态时，生成物平衡浓度的幂之积与反应物平衡浓度的幂之积的比值是一个常数，这个常数称为化学平衡常数（简称平衡常数），用符号 K 表示。【讲解】2.表达式对于可逆反应：a A(g)b B(g) c C(g)d D(g)K=【注意】对于有纯固体或纯液体参与的反应，纯固体或纯液体不列入平衡常数的表达式中。【讲解】3.化学平衡常数的意义K的大小反映了化学反应进行的程
5、度。K值越大，表示反应正向进行得越完全；K值越小，表示反应进行得越不完全。【思考】根据表格中卤化烃生成反应的平衡常数(25)数据你能得出什么结论？化学方程式平衡常数KF2+H22HF6.51095Cl2+H22HCl2.571033Br2+H22HBr1.911019I2+H22HI8.67102【结论】根据表中数据可知，生成卤代烃的平衡常数K值从上到下依次减小，反应进行的程度也依次减小。生成氟化氢的反应进行得最为完全。【观察思考】1.结合表中数据，思考可逆反应平衡常数的特点和使用条件。N2 +3H22NH3 H0合成氨反应的平衡常数与温度的关系T / K373473573673773K3.3
6、51091.001072.451051.881042.99103结论：化学平衡常数随反应温度的变化而变化，在使用平衡常数时应注明温度。2.写出下表中各反应的平衡常数表达式化学方程式平衡常数表达式2NO2N2O4NO2N2O42Fe3+Fe3Fe2+Br2+H2OH+Br-+HBrO结论：K与化学方程式的书写形式有关固体浓度可看作1，不代入公式纯液体浓度可看作1，不代入公式【归纳总结】化学平衡常数的书写规则（1）在平衡常数表达式中，物质的浓度是指平衡时的浓度，而不是任意时刻物质的浓度。（2）对于有纯液体或纯固体参与的反应，纯固体或纯液体不列入平衡常数表达式中。如C(s)+H2O(l) CO(g)
7、+H2(g)，K=。（3）对于在稀溶液中进行的反应，如果有水参与，水一般也不列入平衡常数表达式中。如Cr2O72-(aq)+H2O(l) 2CrO42-(aq)+2H+(g)，K=。（4）对于在非水溶液中进行的反应，若有水参与或生成，则水应列入平衡常数表达式中。如CH3COOH(l)+CH3CH2OH(l)CH3COOCH2CH3(l)+H2O(l)， K=。【注意】使用化学平衡常数应注意的问题(1)平衡常数表示反应进行的程度，不表示反应的快慢，即速率大，K值不一定大。(2) K值与浓度、压强无关，只随温度的变化而变化。计算K值必须指明温度，反应必须达到平衡状态。(3)固体和纯液体的浓度可看作
8、“1”，不代入公式。(4)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。若反应方向改变，则新的K值与原K值互为倒数关系。如：N2(g)+H2(g)2NH3(g) K1；2NH3(g) N2(g)+H2(g) K2；则K1 K2 =1若方程式中各物质的化学计量数均扩大n倍，平衡常数变为原来的n次方倍，即K2=K1n【学科提炼】化学平衡化学反应研究的“参照系” 在一定温度下，化学反应达到平衡状态，正、逆反应速率相等，平衡混合物各组分的物质的量或浓度不在随时间发生变化，此时由反应物转化为生成物的量达到最大值，可用化学平衡常数K表示反应的限度。 以化学平衡为“参照系”，可以判断某温度下该反应的限度，通过改变
9、温度来改变平衡状态，提高或降低反应物转化为产物的程度。【新课讲解】平衡转化率【讲解】除化学平衡常数外，平衡转化率也可以表示一定温度下某反应的限度。某一反应转化率等于该物质在反应中已转化的量(如物质的量、物质的量浓度等)与该物质起始总量的比值，可表示为：【例1】某温度下，向10L真空容器中注入1.00mol H2(g)和1.00mol I2(g)，反应达平衡状态后I2(g)的浓度为0.020 0molL-1。试求该温度下H2(g)+I2(g) 2HI(g)的平衡常数。【解题步骤】第一步，根据题目信息列出初始浓度和部分平衡浓度；第二步，根据反应物或生成物的转化浓度按比例列出其他的转化浓度，接着把所
10、有的初始浓度、转化浓度、平衡浓度全部列出来；第三步，根据公式进行相关计算【解题过程】解：依据题意可知，起始时c(H2)=c(I2) =0.100 molL-1，平衡时c(I2) = 0.0200molL-1 H2(g) + I2(g) 2HI(g)起始时各物质的浓度(molL-1) 0.100 0.100 0转化的各物质的浓度(molL-1) 0.0800 0.0800 0.160平衡时各物质的浓度(molL-1) 0.0200 0.0200 0.160答：平衡常数为64.0。【例2】在一密闭容器中，CO与H2O混合加热到800达到下列平衡：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
11、K=1.00若反应开始时CO和H2O的浓度均为0.200 molL-1，求达到平衡时CO转化为CO2的转化率。【方法引导】在化学平衡计算中，平衡浓度的求算是非常关键的环节，解题思路如下：设反应物转化的量为x；用含x的式子表示出各物质的平衡浓度；通过平衡常数表达式列出方程式；求解所列方程式。【解题过程】解：设达到平衡时被转化的CO的物质的量浓度为x molL-1 CO(g) + H2O(g) CO2(g)+H2(g)起始时各物质的浓度(molL-1) 0.200 0.200 0 0平衡时各物质的浓度(molL-1) 0.200-x 0.200-x x x解方程得x = 0.100。平衡时CO转化
12、为CO2的转化率为。答：平衡时CO转化为CO2的转化率为50%。【思考】问题1：若向例1的10 L真空密闭容器中注入2.00 mol HI，保持与例1相同的温度，达到平衡时，容器中H2和I2的浓度是否也是0.020 0 molL-1？为什么？请利用例1的结果验证你的结论。答案：采用极限假设法，通过可逆反应的化学计量数比换算成同一半边的物质的物质的量浓度，与原平衡相等，则达到平衡时，容器中H2和I2的浓度是否也是0.020 0 molL-1 。像这样的问题，我们称之为“等效平衡”。【讲解】等效平衡1.概念：在一定条件下(恒温、恒容或恒温、恒压)，对同一可逆反应体系，起始时加入物质的物质的量不同，
13、而达到化学平衡时，同种物质的百分含量相同。2.运用： (1)外界条件相同：通常可以是恒温、恒容，恒温、恒压。(2)平衡状态只与始态有关，而与途径无关。即：无论反应从正反应方向开始，还是从逆反应方向开始、投料是一次还是分成几次、反应容器经过扩大缩小或缩小扩大的过程。在比较时都可运用“一边倒”的方法回到起始状态进行比较。【思考】问题2：若将例2 中H2O的起始浓度增大至0.400 molL-1，其他条件不变，则CO的平衡转化率会发生什么变化？请参考例2，计算验证你的结论。解：设达到平衡时被转化的CO的物质的量浓度为x molL-1 CO(g) + H2O(g) CO2(g)+H2(g)起始时各物质
14、的浓度(molL-1) 0.200 0.400 0 0平衡时各物质的浓度(molL-1) 0.200-x 0.400-x x x解方程得x 0.133。平衡时CO转化为CO2的转化率为100% = 66.5%。答：平衡时CO转化为CO2的转化率为66.7%。【结论】（1）两种反应物参加反应时，提高一种反应物的浓度，可以提高另一种反应物的转化率，而该反应物的转化率会降低。（2）当两种反应物按照方程式系数比进行投料时，平衡时反应物的平衡转化率相等。【应用】根据这一原理，在化工生产中常常通过增大某一种价廉、易得的反应物的浓度来提高另一种昂贵、稀缺的反应物的转化率，从而降低生产成本；或提高对环境可能造
15、成污染的反应物的转化率，从而减少污染。【意义】化学平衡常数和平衡转化率可以指导我们选择反应的条件，预测一定条件下反应的限度，调控化学工艺过程，对提高化工生产的效益有直接的指导意义。三、课堂练习1.在一定条件下，在容积为2L的密闭容器中，将2mol气体M和3molN气体混合，发生如下反应：2M（g）3N（g）xQ（g）3R（g），该反应达平衡时，生成2.4molR，并测得Q的浓度为0.4mol/L，下列有关叙述正确的是（）A.x值为2B.反应前与平衡时容器内气体的压强之比为21:25C.N的平衡转化率为80%D.向容器中再充入1mol气体M，平衡时M的转化率约为86.7%【解析】A.该反应达平衡
16、时，生成2.4mol R，并测得Q的浓度为0.4mol/L，则Q的物质的量为0.4mol/L2L0.8mol， Q、R的物质的量之比等于化学计量数之比，则0.8:2.4x:3，解得x1，故A错误；B. 2M（g）3N（g）xQ（g） 3R（g），起始量/mol 2 3 0 0转化量/mol 1.6 2.4 0.8 2.4平衡量/mol 0.4 0.6 0.8 2.4根据上述分析，反应前与平衡时容器内气体的压强之比=气体的总物质的量之比=（2+3）：（0.4+0.6+0.8+2.4）=25:21，故B错误；C.根据上述分析可知，转化的N为2.4mol，则N的转化率为80%，故C正确；D.初始投料
17、比等于化学计量数之比，所以M的转化率为80%，向容器中继续充入1molM气体，提高了M气体的浓度，反应重新达到平衡时M的转化率将低于80%，故D错误。故选C。2.用H2还原CO2可以在一定条件下合成CH3OH（不考虑副反应）CO2（g）3H2（g）CH3OH（g）H2O（g）H0某温度下，恒容密闭容器中，CO2和H2的起始浓度分别为a molL1和3a molL1，反应平衡时， CH3OH的产率为b，该温度下反应平衡常数的值为 。（用含a、b的代数式表示）【解析】 CO2（g）3H2（g）CH3OH（g）H2O（g）H0起始浓度/(molL-1) a 3a 0 0转化浓度/(molL-1) a
18、b 3ab ab ab 平衡浓度/(molL-1) a(1-b) 3a(1-b) ab ab【答案】3. Deacon发明的直接氧化法为：4HCl(g)O2(g)2Cl2(g)2H2O(g)。如图为刚性容器中，进料浓度比c(HCl):c(O2)分别等于1:1、4:1、7:1时HCl平衡转化率随温度变化的关系：设HCl初始浓度为c0，根据进料浓度比c(HCl):c(O2)1:1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 。【解析】温度一定时进料浓度比c(HCl):c(O2)越
19、大，HCl的转化率越小，所以400进料浓度比c(HCl):c(O2)1:1时，HCl的转化率为最上边曲线，HCl转化率为84%， 4HCl(g)O2(g)2Cl2(g)2H2O(g)起始浓度(mol/L) c0 c0 0 0转化浓度(mol/L) 0.84c0 0.21c0 0.42c0 0.42c0平衡浓度(mol/L) 0.16c0 0.79c0 0.42c0 0.42c0化学平衡常数K=进料浓度比c(HCl):c(O2)过低，使O2和Cl2分离能耗较高、过高时HCl转化率较低。【答案】；进料浓度比c(HCl):c(O2)过低，使O2和Cl2分离能耗较高、过高时HCl转化率较低4.碳酸钠作
20、为固硫剂并用氢气还原辉钼矿（主要成分为MoS2）的原理为MoS2(s)4H2(g)2Na2CO3(s)Mo(s)2CO(g)4H2O(g)2Na2S(s)。实验测得平衡时气体的体积分数随温度变化曲线如图，已知A点压强为0.1MPa，则该点对应的平衡常数Kp为(提示：用平衡分压代替平衡浓度计算，分压总压气体的体积分数)( )A.4104(Mpa)2 B.4103(Mpa)2C.2102(Mpa)2 D.2102MPa【解析】图中A点H2和H2O的体积分数相等，均为40%，而由反应方程式可知CO的体积分数为水蒸气的一半，即为20%，说明氢气、一氧化碳和水蒸气的物质的量之比为2：1：2，已知A点压强
21、为0.1MPa，所以p(H2) 0.1MPa=0.04MPa；p(H2O) 0.1MPa=0.04MPa；p(CO)=0.1MPa=0.02MPa；Kp (MPa)2410-4 (MPa)2故选A。四、课堂小结u 板书设计化学平衡常数、平衡转化率都可以用来定量描述化学反应的限度。关系：可以利用化学平衡常数计算化学反应中某反应的平衡转化率，也可以由实验测定的平衡转化率计算化学平衡常数。一、化学平衡常数：1.定义：在一定温度时，当一个可逆反应达到化学平衡状态时，生成物平衡浓度的幂之积与反应物平衡浓度的幂之积的比值是一个常数，这个常数称为化学平衡常数（简称平衡常数），用符号 K 表示。2.符号表达：K=，注意表达式的书写规则3.化学平衡常数的相关计算4.影响因素：温度二、平衡转化率：1.表达式：（溶液体系和恒容的气态反应体系也可用物质的量浓度表示）2.计算：巧用“三段式”法解题步骤：（1）列出已知物质的物质的量（或物质的量浓度）（2）求算平衡物质的量（或浓度），及其他未知物质的物质的量（或浓度）（3）根据公式进行相关计算3.应用：提高一种反应物的浓度，可以提高另一种反应物的转化率 12 / 12
