平衡浓度都知道:直接代入
如果平衡时每种物质的浓度(或分压)都测出来了,直接代入 K 的表达式就行。注意三点:用平衡时的值,不能用起始值;指数是计量数;题目给的是物质的量时,先除以体积换成浓度。
只知道一部分:用 ICE 表
常见的情况是知道起始浓度,只测出一种物质的平衡浓度。这时列一张ICE 表ICE table(人教版叫“三段式”):
- I(initial,起始):各物质的起始浓度;
- C(change,变化):设一个未知数 x,各物质的变化量 = 计量数 × x,反应物减少取负号,生成物增加取正号;
- E(equilibrium,平衡):起始 + 变化。
用测得的那种物质求出 x,再填出其余物质的平衡浓度,最后代入 K 的表达式。各物质的变化量之比等于计量数之比,但平衡浓度之比一般不是。
一步一步填表,最后和 OpenStax 给出的 K 比较:
用分压算 Kp 时,ICE 表的每一格写分压(atm),方法完全一样。
例题 1:由平衡浓度求 K
2000 °C 时,N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g) 达到平衡,测得 c(N₂) = c(O₂) = 0.36 mol/L,c(NO) = 7.3 × 10⁻³ mol/L。求 K。
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写出 K 的表达式。 生成物 NO 的计量数是 2,成为幂次:
-
代入平衡浓度。 题目给的已经是平衡浓度,直接代入:
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分别算分子和分母。
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相除。
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检查和解释。 与 OpenStax 给出的 2000 °C 时的 K 一致。K 远小于 1,平衡时反应物占优势,NO 很少:0.36 mol/L 的 N₂ 只对应 0.0073 mol/L 的 NO。
例题 2:用分压算 Kp
400 °C 时,往密闭容器中通入 H₂ 和 I₂(g),起始分压都是 0.200 atm。反应 H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) 达到平衡后,根据紫色的深浅测得 I₂ 的分压为 0.044 atm。求 Kp。
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列 ICE 表(分压,单位 atm)。 温度、体积不变时,分压和物质的量成正比,可以像浓度一样按计量数变化:
H₂ I₂ 2HI I 0.200 0.200 0 C −x −x +2x E 0.200 − x 0.200 − x 2x -
由测得的 I₂ 分压求 x。
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写出平衡分压。
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写出 Kp 并代入。
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检查。 与 OpenStax 给出的 400 °C 时的 K(50)一致。这个反应两边气体分子数相等(2 = 2),所以 Kp = Kc。
- N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃,设 N₂ 的变化为 −x。H₂ 的变化是?
H₂ 的计量数是 N₂ 的 3 倍。
- N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃,设 N₂ 的变化为 −x。NH₃ 的变化是?
生成 2 mol NH₃,取正号。
- 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃,设 O₂ 的变化为 −x。SO₂ 的变化是?
SO₂ 的计量数是 O₂ 的 2 倍。
- 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃,设 O₂ 的变化为 −x。SO₃ 的变化是?
生成物增加。
- N₂O₄ ⇌ 2NO₂,从 N₂O₄ 出发,设 N₂O₄ 的变化为 −x。NO₂ 的变化是?
每分解 1 个 N₂O₄ 生成 2 个 NO₂。
- N₂O₄ ⇌ 2NO₂,从 NO₂ 出发(向逆方向进行),设 N₂O₄ 的变化为 +x。NO₂ 的变化是?
向逆方向进行,NO₂ 减少。
- H₂ + I₂ ⇌ 2HI,设 H₂ 的变化为 −x。I₂ 的变化是?
计量数相同。
- CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂,设 CO 的变化为 −x。H₂ 的变化是?
生成物,计量数为 1。
常见误区
误区 1:“把起始浓度代入 K 的表达式。” K 只能用平衡浓度计算。起始浓度只用来填 ICE 表的 I 行。
误区 2:“直接用物质的量代入 K。” K 用的是浓度。只有两边气体的计量数相等时,体积才能约掉。
误区 3:“平衡浓度之比等于计量数之比。” 计量数之比只是变化量之比。平衡浓度还和起始浓度有关。
即时小测
某温度下 SO₂Cl₂(g) ⇌ SO₂(g) + Cl₂(g) 达到平衡,各物质的分压为 p(SO₂Cl₂) = 0.80 atm,p(SO₂) = p(Cl₂) = 0.40 atm。Kp 是?
Kp = 0.40 × 0.40 ÷ 0.80 = 0.20。A 只用了一个分压;B 把分子分母颠倒了;C 把两个分压相加了。
反应 2A(g) ⇌ B(g) 从 c(A) = 1.00 mol/L 开始,平衡时 c(B) = 0.30 mol/L。K 约为?
生成 0.30 mol/L B 要消耗 0.60 mol/L A,平衡时 c(A) = 0.40。K = 0.30 ÷ 0.40² = 1.9。A 忘了平方;C 按 1:1 消耗 A;D 把表达式颠倒了。
把纯 SO₃ 放入容器,起始 c(SO₃) = 0.200 mol/L,发生 2SO₃(g) ⇌ 2SO₂(g) + O₂(g)。平衡时 c(O₂) = 0.050 mol/L。K 是?
O₂ 增加 0.050,SO₂ 增加 0.100,SO₃ 减少 0.100。K = 0.100² × 0.050 ÷ 0.100² = 0.050。A 是忘了按计量数算变化量的结果。
学生把 N₂、H₂ 和 NH₃ 平衡时的物质的量(容器 2.0 L)直接代入 K = c²(NH₃) ÷ [c(N₂)·c³(H₂)]。他的结果:
分子有 2 个浓度,分母有 4 个,体积不能约掉。必须先除以 2.0 L。
用 ICE 表由实验数据求 K,下列数据中不需要的是?
K 只需要平衡浓度。速率常数描述反应快慢,与 K 的计算无关。
同一个反应在 25 °C 下做两次实验,起始浓度不同。算出的 K:
温度相同,K 相同。起始浓度不同,平衡浓度不同,但代入表达式得到同一个 K。
AP 自由作答题
某温度下,在 1.00 L 的密闭容器中放入 0.500 mol NOCl,发生 2NOCl(g) ⇌ 2NO(g) + Cl₂(g)。达到平衡时,测得 Cl₂ 为 0.0500 mol(示意数据)。
(a) 写出这个反应 Kc 的表达式。
(b) 列出 ICE 表,求平衡时各物质的浓度。
(c) 计算 Kc。
(d) 如果起始时放入的是 1.000 mol NOCl,温度不变,Kc 会改变吗?平衡时 Cl₂ 的浓度会是 0.100 mol/L 吗?说明理由。
(e) 平衡时 NO 的浓度是 Cl₂ 的 2 倍,而 NOCl 的浓度比 NO 大得多。哪一个比例是由计量数决定的?
参考答案与评分要点
(a) Kc = c²(NO)·c(Cl₂) ÷ c²(NOCl)。
(b) I:c(NOCl) = 0.500,c(NO) = 0,c(Cl₂) = 0。C:−2x、+2x、+x,x = 0.0500。E:c(NOCl) = 0.400,c(NO) = 0.100,c(Cl₂) = 0.0500 mol/L。
(c) Kc = (0.100)² × 0.0500 ÷ (0.400)² = 3.1 × 10⁻³。
(d) Kc 不变,因为温度不变。平衡时 Cl₂ 的浓度不会正好加倍:起始浓度加倍后,要使 Q 仍等于 Kc,各物质的平衡浓度不是按比例增大的(分子是浓度的三次方,分母是二次方)。
(e) NO 与 Cl₂ 的浓度之比 2 : 1 来自计量数(它们都从零开始,按 2 : 1 生成)。NOCl 与 NO 的比例取决于 K 和起始浓度,不由计量数决定。
评分要点: (a) 表达式;(b) ICE 表和计量数关系;(c) 数值;(d) K 只随温度变化、平衡浓度不按比例变化;(e) 区分变化量之比和平衡浓度之比。
小结
- K 用平衡浓度(或平衡分压)计算;物质的量要先换成浓度。
- ICE 表:起始 + 变化 = 平衡;变化量之比等于计量数之比,用测得的一种物质求出 x。
- K 只与温度有关,与起始浓度无关。
AP 提示: 写 ICE 表时把单位(mol/L 或 atm)写清楚,C 行写成“计量数 × x”的形式。最后代入时写出带数值的表达式,再给结果,这样即使算错也能得到过程分。