计算平衡常数Calculating the Equilibrium Constant

大思想 · 转化(TRA)AP 科学实践 5 · 数学运算AP 衔接 · Unit 7约 45 分钟

学习目标

  • 由平衡浓度或平衡分压计算 Kc 或 Kp
  • 已知起始浓度和一种物质的平衡浓度,用 ICE 表求出其余物质的平衡浓度和 K
  • 说明 K 只与温度有关,与起始浓度无关

前置知识

  • 化学计量(U4.5)
  • 反应商 Q 与平衡常数 K(U7.3)

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:

动手试试:由平衡数据求 K

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。

分步解析
  1. 写出 K 的表达式。 生成物 NO 的计量数是 2,成为幂次:

    K=c2(NO)c(NX2) c(OX2)K = \frac{c^2(\ce{NO})}{c(\ce{N2})\,c(\ce{O2})}
  2. 代入平衡浓度。 题目给的已经是平衡浓度,直接代入:

    K=(7.3×10−3)2(0.36)(0.36)K = \frac{(7.3 \times 10^{-3})^2}{(0.36)(0.36)}
  3. 分别算分子和分母。

    (7.3×10−3)2=5.33×10−5(0.36)(0.36)=0.130\begin{aligned} (7.3 \times 10^{-3})^2 &= 5.33 \times 10^{-5} \\ (0.36)(0.36) &= 0.130 \end{aligned}
  4. 相除。

    K=5.33×10−50.130=4.1×10−4K = \frac{5.33 \times 10^{-5}}{0.130} = \boxed{4.1 \times 10^{-4}}
  5. 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。

分步解析
  1. 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:

    H₂I₂2HI
    I0.2000.2000
    C−x−x+2x
    E0.200 − x0.200 − x2x
  2. 由测得的 I₂ 分压求 x。

    0.200−x=0.044x=0.156 atm\begin{aligned} 0.200 - x &= 0.044 \\ x &= 0.156\ \text{atm} \end{aligned}
  3. 写出平衡分压。

    p(HX2)=p(IX2)=0.044 atmp(HI)=2x=0.312 atm\begin{aligned} p(\ce{H2}) = p(\ce{I2}) &= 0.044\ \text{atm} \\ p(\ce{HI}) = 2x &= 0.312\ \text{atm} \end{aligned}
  4. 写出 Kp 并代入。

    Kp=p2(HI)p(HX2) p(IX2)=(0.312)2(0.044)(0.044)=0.09731.94×10−3=50\begin{aligned} K_p &= \frac{p^2(\ce{HI})}{p(\ce{H2})\,p(\ce{I2})} \\ &= \frac{(0.312)^2}{(0.044)(0.044)} \\ &= \frac{0.0973}{1.94 \times 10^{-3}} = \boxed{50} \end{aligned}
  5. 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。

练一练:在 ICE 表的 C 行,这种物质的变化量是多少?
  1. N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃,设 N₂ 的变化为 −x。H₂ 的变化是?
  2. N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃,设 N₂ 的变化为 −x。NH₃ 的变化是?
  3. 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃,设 O₂ 的变化为 −x。SO₂ 的变化是?
  4. 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃,设 O₂ 的变化为 −x。SO₃ 的变化是?
  5. N₂O₄ ⇌ 2NO₂,从 N₂O₄ 出发,设 N₂O₄ 的变化为 −x。NO₂ 的变化是?
  6. N₂O₄ ⇌ 2NO₂,从 NO₂ 出发(向逆方向进行),设 N₂O₄ 的变化为 +x。NO₂ 的变化是?
  7. H₂ + I₂ ⇌ 2HI,设 H₂ 的变化为 −x。I₂ 的变化是?
  8. CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂,设 CO 的变化为 −x。H₂ 的变化是?

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?

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?

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?

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:

用 ICE 表由实验数据求 K,下列数据中不需要的是?

同一个反应在 25 °C 下做两次实验,起始浓度不同。算出的 K:

AP 自由作答题

AP 风格自由作答题

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。

练一练这一章:Unit 7 · 平衡 · 12 道题练一练这个 topic:U7.4 · 计算平衡常数 · 5 道题

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