K 的性质(反转、乘系数、相加)Properties of 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 40 分钟

学习目标

  • 说明方程式反过来写时 K 变为倒数,系数乘 n 时 K 变为 Kⁿ
  • 说明两个方程式相加得到的反应,K 等于两个 K 的乘积
  • 组合已知反应的 K,求出目标反应的 K,并和 ΔH 的组合规则对照

前置知识

  • 计算平衡常数(U7.4)
  • 盖斯定律(U6.9)

三条规则

K 的表达式是浓度幂的乘除,所以方程式怎么变,K 就跟着怎么变:

  • 反过来写:分子和分母对调,新的 K = 1 ÷ K;
  • 系数乘 n:每个浓度的指数都乘 n,新的 K = Kⁿ(乘 ½ 就是开平方);
  • 两个方程式相加:表达式相乘,新的 K = K₁ × K₂。

这三条和盖斯定律中 ΔH 的规则一一对应(U6.9),只是运算“升了一级”:ΔH 变号、K 取倒数;ΔH 乘 n、K 取 n 次方;ΔH 相加、K 相乘。

改写一个方程式,或者把两个方程式相加,看 K 怎样变:

动手试试:方程式变了,K 怎样变?

例题 1:反过来写再乘 ½

400 °C 时 H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) 的 K = 50(OpenStax)。求同温度下 HI(g) ⇌ ½H₂(g) + ½I₂(g) 的 K。

分步解析
  1. 对照目标。 原方程式中 HI 在右边、计量数为 2;目标中 HI 在左边、计量数为 1。所以目标 = 原方程式反过来写,再乘 ½。

  2. 反过来写:K 取倒数。 2HI(g) ⇌ H₂(g) + I₂(g):

    K′=1K=150=0.020K' = \frac{1}{K} = \frac{1}{50} = 0.020
  3. 乘 ½:K 开 ½ 次方。 HI(g) ⇌ ½H₂(g) + ½I₂(g):

    K′′=(K′)1/2=0.020=0.14K'' = (K')^{1/2} = \sqrt{0.020} = \boxed{0.14}
  4. 用表达式检查。 写出三个方程式的表达式,看它们的关系:

    K=c2(HI)c(HX2) c(IX2)K′′=c1/2(HX2) c1/2(IX2)c(HI)=(1K)1/2\begin{aligned} K &= \frac{c^2(\ce{HI})}{c(\ce{H2})\,c(\ce{I2})} \\ K'' &= \frac{c^{1/2}(\ce{H2})\,c^{1/2}(\ce{I2})}{c(\ce{HI})} = \left(\frac{1}{K}\right)^{1/2} \end{aligned}

    目标的表达式正好是原表达式倒数的平方根,和第 2、3 步的做法一致。

例题 2:两个方程式相加

25 °C 时 HF 的 Ka = 6.4 × 10⁻⁴,CH₃COOH 的 Ka = 1.8 × 10⁻⁵(OpenStax)。求 HF(aq) + CH₃COO⁻(aq) ⇌ F⁻(aq) + CH₃COOH(aq) 的 K。

分步解析
  1. 第一个方程式:HF 的电离,照原样用。 HF 在目标的左边,F⁻ 在右边:

    HF⇌HX++FX−K1=6.4×10−4\begin{gathered} \ce{HF <=> H+ + F-} \\ K_1 = 6.4 \times 10^{-4} \end{gathered}
  2. 第二个方程式:醋酸的电离,反过来写。 目标中 CH₃COO⁻ 在左边、CH₃COOH 在右边,与醋酸的电离方向相反,所以 K 取倒数:

    HX++CHX3COOX−⇌CHX3COOHK2=11.8×10−5=5.6×104\begin{gathered} \ce{H+ + CH3COO- <=> CH3COOH} \\ K_2 = \frac{1}{1.8 \times 10^{-5}} = 5.6 \times 10^{4} \end{gathered}
  3. 两式相加。 H⁺ 在两边各出现一次,抵消,正好得到目标方程式 HF + CH₃COO⁻ ⇌ F⁻ + CH₃COOH。

  4. 方程式相加,K 相乘。

    K=K1×K2=(6.4×10−4)×(5.6×104)=36\begin{aligned} K &= K_1 \times K_2 \\ &= (6.4 \times 10^{-4}) \times (5.6 \times 10^{4}) \\ &= \boxed{36} \end{aligned}

    也可以一步写成 K = Ka(HF) ÷ Ka(CH₃COOH) = 6.4 × 10⁻⁴ ÷ 1.8 × 10⁻⁵ = 36。

  5. 意义。 K > 1,生成物占优势:较强的酸 HF 把质子交给较强的碱 CH₃COO⁻,生成较弱的酸 CH₃COOH 和较弱的碱 F⁻。

练一练:400 °C 时 N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) 的 K = 0.50。同温度下,下面这些方程式的 K 是多少?
  1. 2NH₃ ⇌ N₂ + 3H₂
  2. ½N₂ + 3/2H₂ ⇌ NH₃
  3. 2N₂ + 6H₂ ⇌ 4NH₃
  4. NH₃ ⇌ ½N₂ + 3/2H₂
  5. 4NH₃ ⇌ 2N₂ + 6H₂
  6. 3H₂ + N₂ ⇌ 2NH₃
  7. N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃,在更大的容器中进行
  8. 2NH₃ ⇌ N₂ + 3H₂ 的方程式再乘 2

常见误区

误区 1:“系数乘 2,K 也乘 2。” 系数是表达式中的指数,系数乘 2,K 要平方。乘以一个数是 ΔH 的规则。

误区 2:“方程式反过来写,K 变成负值。” K 永远是正数。反过来写,K 变为倒数。

误区 3:“两个方程式相加,K 也相加。” 表达式相乘,所以 K 相乘。

即时小测

某反应的 K = 4.0 × 10⁻³。同温度下,把它的逆反应的各计量数都减半,K 是?

把一个平衡方程式的所有系数乘 3,新的 K 是原来的:

反应 ① 的 K₁ = 2.0,反应 ② 的 K₂ = 5.0 × 10⁻³。① + ② 得到的反应的 K 是?

25 °C 时 H₂CO₃ 的 Ka₁ = 4.3 × 10⁻⁷,Ka₂ = 4.7 × 10⁻¹¹(OpenStax)。CO₃²⁻(aq) + 2H⁺(aq) ⇌ H₂CO₃(aq) 的 K 约为?

25 °C 时 HCN 的 Ka = 4.9 × 10⁻¹⁰。CN⁻(aq) + H₂O(l) ⇌ HCN(aq) + OH⁻(aq) 的 K(即 CN⁻ 的 Kb)是?(Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴)

把两个反应相加。下列关于 ΔH 和 K 的说法正确的是?

AP 自由作答题

AP 风格自由作答题

25 °C 时,NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq) 的 Kb = 1.8 × 10⁻⁵,H₂O(l) ⇌ H⁺(aq) + OH⁻(aq) 的 Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴,HNO₂(aq) ⇌ H⁺(aq) + NO₂⁻(aq) 的 Ka = 4.6 × 10⁻⁴(OpenStax)。

(a) 说明怎样组合上面的方程式得到 NH₄⁺(aq) ⇌ NH₃(aq) + H⁺(aq),并求它的 K(即 NH₄⁺ 的 Ka)。

(b) 写出 NH₃(aq) + H⁺(aq) ⇌ NH₄⁺(aq) 的 K。

(c) 求 NH₃(aq) + HNO₂(aq) ⇌ NH₄⁺(aq) + NO₂⁻(aq) 的 K,并判断平衡时哪一边占优势。

(d) 如果把 (c) 的方程式所有系数乘 2,K 是多少?

(e) 如果已知 (c) 中两个步骤的 ΔH,怎样得到 (c) 的 ΔH?与求 K 的方法对比。

参考答案与评分要点

(a) 把水的电离写出来,再减去(即反过来写后加上)NH₃ 与水的反应:H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻(Kw)加上 NH₄⁺ + OH⁻ ⇌ NH₃ + H₂O(1/Kb),得 NH₄⁺ ⇌ NH₃ + H⁺。Ka = Kw ÷ Kb = 1.0 × 10⁻¹⁴ ÷ 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰。

(b) K = 1 ÷ (5.6 × 10⁻¹⁰) = 1.8 × 10⁹。

(c) HNO₂ 的电离加上 (b) 的反应,H⁺ 抵消:K = 4.6 × 10⁻⁴ × 1.8 × 10⁹ = 8.3 × 10⁵。K ≫ 1,生成物占优势。

(d) K = (8.3 × 10⁵)² = 6.9 × 10¹¹。

(e) 两个 ΔH 相加(反过来写的步骤 ΔH 变号)。K 是相乘(反过来写的取倒数),乘系数时 ΔH 乘 n、K 取 n 次方。

评分要点: (a) 正确组合并得到 Kw/Kb;(b) 倒数;(c) K 相乘和判断;(d) 平方;(e) ΔH 相加与 K 相乘的对比。

小结

  • 反过来写:K → 1/K;系数乘 n:K → Kⁿ;两个方程式相加:K = K₁ × K₂。
  • 对照 ΔH:变号、乘 n、相加。
  • 常用的组合:Ka × Kb = Kw;多元弱酸的总电离 K = Ka₁ × Ka₂。

AP 提示: 组合 K 时,在每个已知方程式旁边写出你做的操作(反过来、乘几)和新的 K,最后相乘。先用方程式检查抵消的物质,再算数。

练一练这一章:Unit 7 · 平衡 · 12 道题练一练这个 topic:U7.6 · K 的性质(反转、乘系数、相加) · 5 道题

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