平衡常数K专题解析
平衡常数K 专题
化学平衡常数统领化学平衡移动的结果分析,堪称化学平衡的精灵,是高考试题的宠儿。纵观各地高考试题,放在一起,经过排序之后,发现很美妙的一件事情,平衡常数的不同层面像一首美妙的歌曲呈现在考试题中。
一、序曲----化学平衡常数的常规考查
1、前奏---化学平衡常数的常规计算
例1.(2014·重庆理综化学卷,T11节选)氢能是最重要的新能源。储氢作为氢能利用的关键技术,是当前关注的热点之一。储氢可借助有机物,如利用环已烷和苯之间的可逆反应来实现脱氢和加氢。
FeSO 4/Al 2O 3
高温
+3H 2(g)
-1在某温度下,向恒容容器中加入环己烷,其起始浓度为amol ·L ,平衡时苯的浓度为
bmol ·L -1,该反应的平衡常数K
=
解析:利用三段式解题
FeSO 4/Al 2O 3
高温 +3H 2(g)
起始(mol/L) a 0 0
转化(mol/L) b b 3b
平衡(mol/L) a-b b 3b
化学平衡常数K= =mol 3/L3;
2、小插曲---固体物质在平衡常数表达式中处理的技巧
例2.(2014·福建理综化学卷,T24节选)铁及其化合物与生产、生活关系密切。 已知t ℃时,反应FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO 2(g)的平衡常数K =0.25。
①t ℃时,反应达到平衡时n (CO):n (CO2) =。
②若在1 L密闭容器中加入0.02 mol FeO(s),并通入xmolCO ,t ℃时反应达到平衡。此时FeO(s)转化率为50%,则x =。
解析:根据反应FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO 2(g),平衡常数K 为0.25,因为固体的浓度为1,则k=c(CO2)/c(CO)=0.25,体积相同,所以反应达到平衡时n (CO):n (CO2)=4:1,若在1 L
密闭容器中加入0.02 mol FeO(s),并通入xmolCO ,t ℃时反应达到平衡。此时FeO(s)转化率为率为50%,
FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO 2(g)
起始 0.02 x 0 0
变化 0.01 0.01 0.01 0.01
平衡时 0.01 x-0.01 0.01 0.01
因为温度不变,所以平衡常数K=0.25得:0.0.1/(x-0.01)=0.25 解得x=0.05。
二、深入考查-----化学平衡常数与平衡移动因素的辩证思维
1、平衡移动因素与化学平衡常数的辩证关系
例3.(2014·上海单科化学卷,T14)只改变一个影响因素,平衡常数K 与化学平衡移动的关系叙述错误的是
A .K 值不变,平衡可能移动
C .平衡移动,K 值可能不变 B .K 值变化,平衡一定移动 D .平衡移动,K 值一定变化
解析:A、K 值代表化学平衡常数,平衡常数只与温度有关系,K 值不变只能说明温度不改变,但是其他条件也可能发生改变,平衡也可能发生移动,A 正确;B 、K 值变化,说明反应的温度一定发生了变化,因此平衡一定移动,B 正确;C 、平衡移动,温度可能不变,因此K 值可能不变,C 正确;D 、平衡移动,温度可能不变,因此K 值不一定变化,D 错误。所以,答案为D
2、再强调----温度与化学平衡常数的关系
例4.(2014·北京理综化学卷,T26节选)NH 3经一系列反应可以得到HNO 3,2NO (g )+O22NO 2(g)。在其他条件相同时,分别测得NO 的平衡转化率在不同压强(P 1、P 2)下温度变化的曲线(如图)。
1、比较P 1、P 2的大小关系:________________。
2、随温度升高,该反应平衡常数变化的趋势是________________。
解析:1、控制单一变量,可以选取600℃,看纵坐标,P2对应的纵坐标大于P1对应的纵坐标,纵坐标为NO 的平衡转化率,即P2时NO 的平衡转化率大于P1时NO 的平衡转化率。分析反应的特点由2NO(g)+O 2(g) 2NO 2(g)可知该反应为气体体积减小的反应,温度相同,增大压强,平衡正向移动,NO 的平衡转化率增大,所以,p 1
3、当用平衡移动原理解释相互矛盾时,平衡常数的妙用
例5(2014·海南单科化学卷,T12)将BaO 2放入密闭真空容器中,反应2BaO 2(s) 2BaO(s)+O2(g)达到平衡,保持温度不变,缩小容器容积,体系重新达到平衡,下列说法正确的是( )
A 、平衡常数减小 B 、BaO 量不变 C 、氧气压强不变 D 、BaO 2量增加
解析:A 、化学平衡常数只与温度有关,温度不变,化学平衡常数不改变,A 错误;B 、由于该反应2BaO 2(s) 2BaO(s)+O2(g)的正反应是气体体积增大的反应,当温度保持不变时,缩小容器体积(相当于加压),平衡会向体积减小的方向即逆方向移动,所以BaO 量减小,B 错误;C 、缩小容器的体积,氧气的压强增大,平衡逆向移动,氧气的压强减小,到底增大的多,还是减少得多?用平衡移动原理无法判断,可借助平衡常数。温度不变,则化学平衡常数(k=c (O 2) )不变,所以c (O 2) 不变,所以氧气压强不变,C 正确;D 、由于该反应2BaO 2(s) 2BaO(s)+O2(g)的正反应是体积增大的反应,当温度保持不变时,缩小容器体积(相当于加压),平衡会向体积减小的方向即逆方向移动,所以BaO 2量增加,D 正确。【答案】CD
三、平衡常数在盖斯定律运用中的华丽变形
例6.(2014·山东理综化学卷,T29节选)研究氮氧化物与悬浮在大气中海盐粒子的相互作用时,涉及如下反应:
2NO 2(g )+NaCl(s )
2NO (g )+Cl2(g )
(1)4NO 2(g )+2NaCl(s )
K 1、K 2表示)。 NaNO 3(s )+ClNO(g ) K 1 ∆H
解析:(1)①×2-②即可得到4NO 2(g )+2NaCl(s )2NaNO 3(s )+2NO(g )+Cl2(g )。此方程式的平衡常数表达式为k 总=c(Cl)·c(NO)2/c(NO2) 4
请看平衡常数的变形过程:
如果①×2 ,则方程式变为4NO 2(g )+2NaCl(s )2NaNO 3(s )+2ClNO(g ),此时的平衡常数变为
22,方程式② 2NO (g )+Cl2(g )2ClNO (g )的K 12K 2=c(ClNO)/c(NO)。C(Cl2) ,由K 和K2相比,可得到K 总,所以平衡常数K=; K 2
四、高潮-----丰富多彩的化学平衡常数表达方式变形
例7.(2014·全国理综I 化学卷,T28节选)乙醇是重要的有机化工原料,可由乙烯气相直接水合法或间接水合法生产。回答下列问题:下图为气相直接水合法乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系(其中n (H2O) :n (C2H 4) =1:1)
①列式计算乙烯水合制乙醇反应(CH 2=CH 2+H 2O 催化剂
C 2H 5OH )在图中A 点(对
应的转化率为20%)的平衡常数Kp=_______(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
解析:A 点乙烯的平衡转化率是20%。
根据反应:CH 2=CH 2+H 2O 催化剂
C 2H 5OH
起始 1mol 1mol 0
转化 0.2mol 0.2mol 0.2mol
平衡 0.8mol 0.8mol 0.2mol
则平衡时乙烯的分压:P(C2H 4) =7.85Mpa×0.8mol/1.8mol=7.85Mpa×4/9
水蒸气的分压:P(H2O) =7.85Mpa×0.8mol/1.8mol=7.85Mpa×4/9
乙醇的分压:P(C2H 5OH) =7.85Mpa×0.2mol/1.8mol=7.85Mpa×1/9
则平衡常数
例8.(2014·浙江理综化学卷,T27节选)煤炭燃烧过程中会释放出大量的SO 2,严重破坏生态环境。采用一定的脱硫技术可以把硫元素以CaSO 4的形式固定,从而降低SO 2的排放。但是煤炭燃烧过程中产生的CO 又会与CaSO 4发生化学反应,降低脱硫效率。相关反应的热化学方程式如下:
CaSO 4(s)+CO(g)
CaSO 4(s)+4CO(g) CaO(s) + SO2(g) + CO2(g) ΔH 1=218.4kJ·mol -1(反应Ⅰ) CaS(s) + 4CO2(g) ΔH 2= -175.6kJ·mol 1(反应Ⅱ) -
请回答下列问题:对于气体参与的反应,表示平衡常数K p 时用气体组分(B)的平衡压强p(B)代替该气体物质的量浓度c (B),则反应Ⅱ的K p (用表达式表示) 。
p 4(CO 2) 解析:根据固体的浓度为常数,则反应的平衡常数为Kp=4; p (CO )
练习:
1.(2014·广东理综化学卷,T31)(16分)用CaSO 4代替O 2与燃料CO 反应,既可提高燃烧效率,又能得到高纯CO 2,是一种高效、清洁、经济的新型燃烧技术,反应①为主反应,反应②和③为副反应。 ①1CaSO 4(s)+CO(g) 41CaS(s)+CO2(g) ∆H 1= —47.3kJ∙mol-1 4
CaO(s)+CO2(g) +SO2(g) ∆H 2= +210.5kJ∙mol-1 ② CaSO4(s)+CO(g)
③ CO(g) 11C(s)+ CO 2(g) ∆H3= —86.2kJ∙mol-1 22
CaS(s)+ (1)反应2CaSO 4(s)+7CO(g)
CaO(s)+6CO2(g)+ C(s) +SO2(g)的∆H =
___________(用∆H 1、∆H 2和∆H 3表示)
(2)反应①-③的平衡常数的对数lgK 随反
应温度T 的变化曲线见图18,结合各反应的
∆H ,归纳lgK-T 曲线变化规律:
a)_______________________________;b)____________________________。
【解析】(1)根据盖斯定律,①×4+②+③×2得:2CaSO 4(s)+7CO(g)
C(s) +SO2(g),所以∆H =4∆H1+∆H2+2∆H3;
(2)结合图像及反应的∆H 可知,反应①③为放热反应,温度升高K 值减小,lgK 也减小,反应②为吸热反应,温度升高K 值增大,lgK 也增大。
(2)a) 反应②为吸热反应,温度升高K 值增大,lgK 也增大(2分)
b) 反应①③为放热反应,温度升高K 值减小,lgK 也减小(2分)
2.(2014·全国理综II 化学卷,T26节选)在容积为100L 的容器中,通入一定量的N 2O 4,发生反应N 2O 4g)
回答下列问题:
(1)反应的△H 0(填“大于”或“小于”);100℃时,体系中各物质浓度随时间变化如上图所示。在0~60s 时段,反应速率v (N2O 4) 为L
平衡常数K 1为
(2)100℃时达平衡后,改变反应温度为T ,以c (N2O 4) 以0.0020 mol·L
率降低,经10s 又达到平衡。
①T 100℃(填“大于”或“小于”),判断理由是 。
②列式计算温度T 时反应的平衡常数K 2。
【答案】
(1)大于 0.0010 0.36mol·L —1 -1-1CaS(s)+ CaO(s)+6CO2(g)+ 2NO 2 (g),随温度升高,混合气体的颜色变深。 ·s -1;反应的·s -1的平均速
(2)①大于 反应正方向吸热,反应向吸热方向进行,故温度升高 ②平衡时,
L —1+0.0020 mol·L —1·s —1×10s×2=0.16 mol·L —1,c (N2O 4)=0.040 mol·L —1-0.0020 c (NO2)=0.120 mol·
(0. 16 mol ⋅L —1) 2
mol·L ·s ×10s=0.020 mol·L ,则K 2==1.3 mol·L —1; —10. 020 mol ⋅L —1—1—1【解析】(1)根据题目提供的信息:随温度升高,混合气体的颜色变深(NO 2浓度增大),说明平衡N 2O 4g) 2NO 2 (g)向正方向移动,则说明正反应是吸热反应,∆H >0。
-
1根据图像可知,0~60s时间段内,NO 2的物质的量浓度变化量是0.120 mol·L ,所以
=0.0020 mol·L —1·s —1,根据各物质的化学反应速率之比等于化
学计量数之比,所以ν(N2O 4) =1L —1·s —1;由图像可知,100℃达到平v (NO 2) =0.0010 mol·2
衡时,c (NO2)= 0.120 mol·L —1,c (N2O 4)= 0.040 mol·L —1,所以化学平衡常数
(0. 120 mol ⋅L —1) 2
K 1==0.36mol·L —1; —10. 040 mol ⋅L
(2)改变反应温度为T ,以c (N2O 4) 以0.0020 mol·L
减低,平衡向着正方向移动,又因为该反应N 2O 4g)
温度意味着温度升高;②因为c (N2O 4) 以0.0020 mol·L -1-1·s -1的平均速率降低,说明c (N2O 4) 2NO 2 (g)的焓变∆H >0,说明反应·s -1,反应经过的时间是10s ,所以
△c (N2O 4)= 0.0020 mol·L —1·s —1×10s=0.020 mol·L —1,则△c (NO2)= 0.020 mol·L —1×2= 0.040 mol·L —1,所以平衡时c (N2O 4)= 0.040 mol·L —1-0.020 mol·L —1=0.020 mol·L —1,c (NO2)=0.120
(0. 16 mol ⋅L —1) 2
—1mol·L +0.040 mol·L =0.16 mol·L ,则K 2==1.3 mol·L ; —10. 020 mol ⋅L —1—1—1