例析化学平衡常数的两种应用

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  1.可逆反应转化的程度比较和移动方向的判断
  化学平衡移动(勒夏特列)原理定义中减弱一词的含义较难理解,若使用化学平衡常数通过计算,定量进行比较,可以较好的突破平衡移动方向的判断这个难点。所以,平衡常数是将化学平衡移动原理定性的判断转化为定量的计算,从而使判断平衡移动更为准确。用平衡常数也可以快速的解决勒夏特列原理无法解释的问题。因此引入浓度商,一定温度的可逆反应在任意状态下,生成物浓度的系数次幂之积与反应物浓度系数次幂之积的比值,这个比值称为浓度商,一般用Q表示。若Q =K,体系处于化学平衡;若QK,反应向逆向进行。
  例1 (2017届盐城中学期末试题)一定温度下,向3个初始体积均为1.0 L的密闭容器中按表1所示投料,发生反应
  N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0
  达到平衡,下列说法错误的是( )。
  试题剖析 选项A需比较Ⅰ和Ⅱ反应物的转化率,则以Ⅰ为参考,由于正反应为放热反应,所以Ⅱ的绝热恒容体系建立平衡后体系温度更高,运用等效平衡理论,相当于对Ⅰ建立的平衡体系升高温度,则平衡逆向移动,反应物的转化率降低,则得出α1>α2,故A正确;选项B要判断平衡时NH3的物质的量b的值,还以Ⅰ为参考,运用等效平衡理论,将Ⅲ容器体积扩大至2.0 L,则平衡时NH3的物质的量为2.4 mol,再将Ⅲ容器体积缩小至1.0 L,相当于对Ⅰ建立的平衡体系增大压强,平衡正向移动,则Ⅲ容器达到平衡时NH3的物质的量b>2.4,故B错误;选项C达到平衡时容器Ⅱ的温度比容器Ⅰ高,容器Ⅱ中的反应速率比容器Ⅰ中的大,故C正确;选项D对Ⅰ容器中平衡时可计算出在该温度下的化学平衡常数K:
  N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)
  起始浓度130
  变化浓度0.61.81.2
  平衡浓度0.41.21.2
  则K=1.22/(0.4×1.23)=1.736
  保持温度不变,向容器Ⅰ中再充入0.1 mol N2、0.2 mol H2、0.2 mol NH3,则得c(N2)2=0.5 mol/L、c(H2)2=1.4 mol/L、c(NH3)2=1.4 mol/L,
  则浓度商Q=1.42/(0.5×1.43)=1.020  答案:B。
  2.判断反应的热效应
  因化学反应总伴随着能量变化,则反应前后就会有温度的变化,而温度变化是平衡状态、反应物转化率、影响化学平衡的移动主要因素之一,化學平衡常数只与温度有关,则有时需通过化学平衡常数来考查反应的热效应。
  例2 (2017届扬州中学期末试题,节选)煤化工通常通过研究不同温度下平衡常数以解决各种实际问题。已知等体积的CO和水蒸气进入反应器时,会发生如下反应:
  CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)该反应平衡常数随温度的变化见表2。
  (1)该反应的平衡常数的表达式为:。
  (2)该反应的正反应方向是反应(填“吸热”或“放热”),若在500℃时进行,设起始时CO和H2O的浓度均为0.020 mol·L-1,在该条件下CO的平衡转化率为。
  试题剖析 (1)考查化学平衡常数表达式书写,根据定义可写出K=c(CO2)·c(H2)c(H2O)·c(CO)。
  (2)由题中表示信息可知温度升高,平衡常数K减小,可推断平衡逆向移动,根据化学平衡移动原理:温度升高,平衡向吸热方向移动,因此逆反应为吸热反应,则正反应为放热反应;500℃时K=9,则设CO的浓度变化量为x,则
  CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)
  起始量(mol/L): 0.020.0200
  变化量(mol/L): xxxx
  平衡量(mol/L):0.02-x0.02-xxx
  由x×x(0.02-x)×(0.02-x)=9,解得x=0.015,故CO的转化率为0.015/0.02×100%=75%。
  (收稿日期:2017-05-18)
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