人教版高中新课程选修4化学反应速率与化学平衡课件

第三节（第第三节（第2 2课时）课时）化学平衡常数化学平衡常数（Equilibrium constant）人教版高中新课程选修人教版高中新课程选修4 4化学反应原理化学反应原理第二章化学反应速率与化学平衡第二章化学反应速率与化学平衡课时分析与安排课时分析与安排人教版化学选修4化学反应原理第二章化学反应速率与化学平衡第一节化学反应速率；（一课时）第二节影响化学反应速率的因素；（一课时）第三节化学平衡；（两课时）第四节化学反应进行的方向；（一课时）归纳与总结；（一课时）一、新课知识背景说明一、新课知识背景说明新课知识背景说明新课知识背景说明新课知识背景说明新课知识背景说明新课知识背景说明新课知识背景说明新课知识背景说明新课知识背景说明发生反应的两个基本前提：发生反应的两个基本前提：1 1、发生碰撞的分子应有足够高的能量（即活化分子）、发生碰撞的分子应有足够高的能量（即活化分子）2 2、活化分子发生碰撞的几何方位要适当、活化分子发生碰撞的几何方位要适当一、碰撞理论一、碰撞理论例如：反应)()()()(223gOgNOgNOgO+化学反应过程中能量变化曲线及活化能化学反应过程中能量变化曲线及活化能Ea(逆逆)(正正)(正正)Ea(逆逆)EacEac二、影响化学反应速率的因素二、影响化学反应速率的因素浓度影响：浓度影响：当温度一定，某反应的活化能也一定时当温度一定，某反应的活化能也一定时,浓度增大浓度增大,分子总数增加，活化分子数随之增多，反分子总数增加，活化分子数随之增多，反应速率增大。应速率增大。温度影响：温度影响：当浓当浓度一定，温度升度一定，温度升高，活化分子分高，活化分子分数增多数增多,反应速反应速率增大。率增大。催化剂对反应活化能的影响催化剂对反应活化能的影响三、化学平衡状态平衡状态(chemical equilibrium state)化学平衡状态的建立化学平衡状态的建立化学平衡状态的移动化学平衡状态的移动2HI(g)(g)I(g)H22旧的平衡破坏了，又会建立起新的平衡旧的平衡破坏了，又会建立起新的平衡.如果改变维持化学平衡的如果改变维持化学平衡的条件（浓度、压力和温度），条件（浓度、压力和温度），平衡就会向着减弱这种改变的平衡就会向着减弱这种改变的方向移动方向移动.Le Chatelier原理适用于原理适用于处于平衡状态的体系，也适用处于平衡状态的体系，也适用于相平衡体系于相平衡体系.18481848年，法国著名科学家年，法国著名科学家Le Chatelier 提出：提出：勒沙特列勒沙特列（Le Chatelier）原理原理勒沙特列勒沙特列(Le Chatelier H,1850-1936)法国无机化学家法国无机化学家巴黎大学教授巴黎大学教授.1、并不是改变任何条件，化学平衡都会移动，而、并不是改变任何条件，化学平衡都会移动，而只有改变维持平衡的条件，平衡才会移动。只有改变维持平衡的条件，平衡才会移动。2、勒沙特列原理指明的只是平衡移动的方向。、勒沙特列原理指明的只是平衡移动的方向。3、Le Chatelier原理只是说的是热力学的自发趋原理只是说的是热力学的自发趋势，是一种可能性。势，是一种可能性。4、勒沙特列原理不能首先判断体系是否处于平衡、勒沙特列原理不能首先判断体系是否处于平衡状态，不能进行定量计算。状态，不能进行定量计算。注意：正确使用勒沙特列（注意：正确使用勒沙特列（Le Chatelier）原理）原理对于一般的化学反应：对于一般的化学反应：,反应级数：反应级数：若若=1，A为一级反应；为一级反应；=2，B为二级反应，为二级反应，则则+=3，总反应级数为总反应级数为3。，必须通过实验确定其值，可以必须通过实验确定其值，可以为正整数，负整数或分数。通常为正整数，负整数或分数。通常a,b。k 反应速率系数：反应速率系数：零级反应零级反应 molL-1 s-1；一级反应一级反应 s-1；二级反应二级反应 (molL-1)-1 s-1；k 不随浓度而变，但受温度的影响，不随浓度而变，但受温度的影响，通常温度升高，通常温度升高，k 增大。增大。BAckc=一、化学动力学部分知识支撑一、化学动力学部分知识支撑（The Basis of Chemical Dynamics）aA+bB eE+f F 该式称为反应速率方程或质量作用定律（该式称为反应速率方程或质量作用定律（mass action law）1、质量作用定律：、质量作用定律：lnk-1/T 图Arrhenius方程：方程：)/-exp(aRTEAk=A指前参量，又叫指前因子指前参量，又叫指前因子Ea实验活化能，单位为实验活化能，单位为kJmol-1。k-T 图2、反应速率与温度的关系（、反应速率与温度的关系（The Relationship of Rates and Temperature）1lnln()aEkART1a011/lnlnRTEkkTT时，两式相减，整理得到：Arrhenius方程方程式的应用式的应用2a022/lnlnRTEkkTT时，21a1211lnTTREkk)1-1(303.2lg1221TTREkka=二、化学热力学部分（二、化学热力学部分（The Basis of Chemical Thermodynamics）1、范特霍夫（Vant Hoff）等温方程，即非标准状态下的自由能变化（G）（自由焓变）计算式：bBaAdDgGmrmrccccccccRTTGTG /ln()()()()bBaAdDgGcccccccccQ/=()()cmrmrQRTTGTGln+=R反应的等温式：R浓度商：q对于稀溶液中进行的反应：aA(aq)+bB(aq)dD(aq)+eE(aq)Vant Hoff 方程的另一表达式：RSRTHTKmrmr ln211212TTTTRHKKmr lnv改变浓度或压力能使平衡点改变。温度的变化，却可以导致改变浓度或压力能使平衡点改变。温度的变化，却可以导致平衡常数数值的改变。平衡常数数值的改变。v温度对化学平衡的影响可以归纳如下：升高温度，使平衡向温度对化学平衡的影响可以归纳如下：升高温度，使平衡向吸热方向移动；降低温度，使平衡向放热方向移动。吸热方向移动；降低温度，使平衡向放热方向移动。2、标准平衡常数标准平衡常数(standard equilibrium constant)当反应达到平衡状态时当反应达到平衡状态时()()0ln=+=cmrmrQRTTGTG)(ln-)(:,:TKRTTGKQmrc=于是此时()()RTTGTKmrln:=所以vrGm(T)负值越大，则K值越大，正反应进行的程度越大；若rGm(T)正值越大，则K值越小，正反应进行的程度越小。v在一定的温度（T）时，上式中rGm(T)、R和T都是定值，即K是一个常数，称为标准平衡常数；v将任意给定态时物质的Qc或Qp与K进行比较，可用来判断反应自发进行的方向：若Qc或Qp K，则rGm K，则rGm 0，反应逆向自发进行qK 是无量纲的量；是无量纲的量；qK 是温度的函数，与浓度、分压无关；是温度的函数，与浓度、分压无关；q标准平衡常数表达式必须与化学反应计量式相对应；标准平衡常数表达式必须与化学反应计量式相对应；qp是标态压力，是标态压力，p是各气体的分压；是各气体的分压；qC是标态浓度，是标态浓度，C是溶液中各物质浓度；是溶液中各物质浓度；q纯物质（包括纯固体或纯液体）不写在平衡常数表达式中！纯物质（包括纯固体或纯液体）不写在平衡常数表达式中！3、化学平衡常数的表达式、化学平衡常数的表达式（The general equilibrium equation）对于一般的化学反应：对于一般的化学反应：aA(g)+bB(aq)+cC(s)mX(g)+dY(aq)+eZ(l)bampAppXpKc(B)/c/)(c(Y)/c/)(d=本节内容教材展示本节内容教材展示【例【例1】向】向20mL6.8molL-1的的CaCl2溶液中加入溶液中加入1.0molL-1的的Na2SO4溶液至不再产生沉淀为止，静置，将浊液过滤，向滤液溶液至不再产生沉淀为止，静置，将浊液过滤，向滤液中加入中加入1.0molL-1的的Na2CO3溶液，发现仍产生了白色沉淀，继溶液，发现仍产生了白色沉淀，继续加入续加入Na2CO3溶液直至过量，最后将所得沉淀过滤、烘干并称溶液直至过量，最后将所得沉淀过滤、烘干并称重得沉淀质量为重得沉淀质量为5.44g。（1）试解释以上现象产生的原因；试解释以上现象产生的原因；（2）此实验中）此实验中CaCl2在第一步实验中的转化率为多少？在第一步实验中的转化率为多少？【提问提问】1、原料的利用率与可逆反应正向反应的进行程度之间有何关系？、原料的利用率与可逆反应正向反应的进行程度之间有何关系？2、在工业生产中常采取何种措施提高价格较高原料的转化率，以在工业生产中常采取何种措施提高价格较高原料的转化率，以降低生产的成本？降低生产的成本？3、平衡体系可能用转化率进行描述，但很不方便（各不相同），、平衡体系可能用转化率进行描述，但很不方便（各不相同），是否可以建立其他更方便的描述形式呢？是否可以建立其他更方便的描述形式呢？反反应应物物的的起起始始浓浓度度应应物物的的平平衡衡浓浓度度反反应应物物的的起起始始浓浓度度反反转转化化率率100)(起始浓度起始浓度/moldm-3 平衡浓度平衡浓度/moldm-3222HCOOHCO【例【例2】填写下表中所缺数据，并从中找出规律：】填写下表中所缺数据，并从中找出规律：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)1473K CO2 H2 CO H2 CO2 H2 CO H2O（1)0.01 0.01 0 0 0.004 0.004 （2)0.01 0.02 0 0 0.0078 0.0078 （3)0.01 0.01 0.001 0 0.0041 0.0041 （4)0 0 0.02 0.02 0.0118 0.0118 CO2 H2 CO H2 CO2 H2 CO H2O（1)0.01 0.01 0 0 0.004 0.004 0.006 0.006 2.3（2)0.01 0.02 0 0 0.0022 0.0122 0.0078 0.0078 2.3（3)0.01 0.01 0.001 0 0.0041 0.0041 0.0069 0.0059 2.4（4)0 0 0.02 0.02 0.0082 0.0082 0.0118 0.0118 2.1【结论】结论】1473K时，虽然时，虽然CO2、H2、CO和和H2O(g)的起始浓度的起始浓度各不相同，但反应达到平衡后各不相同，但反应达到平衡后 却是大致相等的。却是大致相等的。222HCOOHCO【例【例3】下表是】下表是 500oC时的合成氨反应达到平衡后所测得的一时的合成氨反应达到平衡后所测得的一组数据，试填出表中空白处的数据：组数据，试填出表中空白处的数据：再次再次“兵棋推演兵棋推演”，是否仍有以上规，是否仍有以上规律：律：0.3760.751.471.271.852.430.4121.151.350.0871.000.510.2610.751.1523223NHNHkc=33dmmolNH./32dmmolN./32dmmolH./2231NHNHk=5.93x10-26.08x10-26.00 x10-26.05x10-25.98x10-2(g)2NH (g)(g)3H322N+0.3410.2650.1700.3030.282【结论】结论】500oC时，合成氨反应达到不同的平衡状态后时，合成氨反应达到不同的平衡状态后 却是大致相等的。却是大致相等的。23223NHNH师生一起分析教材表格数据：师生一起分析教材表格数据：2HI(g)(g)(g)H22I+457.6时，以上反应体系中各物质的浓度的有关数据：时，以上反应体系中各物质的浓度的有关数据：KBcAcDcCcnmgp=)()()()(对于一般可逆反应对于一般可逆反应:mA(g)+nB(g)pC(g)+gD(g)，当它在一定温度下达到当它在一定温度下达到平衡时，可以得出平衡时，可以得出：qK只是温度的函数，与反应物或生成物的浓度或分压无关；只是温度的函数，与反应物或生成物的浓度或分压无关；q平衡常数表达式必须与化学反应计量式相对应；平衡常数表达式必须与化学反应计量式相对应；qc是反应达到平衡时各物质对应的平衡浓度，单位为是反应达到平衡时各物质对应的平衡浓度，单位为molL-1；q纯物质（包括纯固体或纯液体）不写在平衡常数表达式中！纯物质（包括纯固体或纯液体）不写在平衡常数表达式中！1、化学平衡常数的表达式、化学平衡常数的表达式（The general equilibrium equation）对于一般的化学反应：对于一般的化学反应：aA(aq)+bB(aq)+cC(s)mX(aq)+dY(aq)+eZ(l)bamAcXcKc(B)(c(Y)(d=2、书写的平衡常数表达式应注意的几个问题、书写的平衡常数表达式应注意的几个问题CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)()()(2722224+=OCrcHcCrOcKc K=c(CO2)q在应用平衡常数表达式时，稀溶液中的水分子浓度可不写在应用平衡常数表达式时，稀溶液中的水分子浓度可不写,水的浓度是一个常数，此常数可归并到平衡常数中去水的浓度是一个常数，此常数可归并到平衡常数中去。例如：。例如：Cr2O72-+H2O 2CrO42-+2H+对于非水溶液中的反应，水的浓度要写入平衡表达式中，例如：对于非水溶液中的反应，水的浓度要写入平衡表达式中，例如：当反应中有固体物质参加时，固体的当反应中有固体物质参加时，固体的“浓度浓度”常常作为常数归并作为常数归并入平衡常数表达式中，例如：入平衡常数表达式中，例如：K=c4(H2O)/c4(H2)C2H5OH+CH3COOH CH3COOC2H5+H2O)()()()(3522523COOHCHcOHHCcOHcHCOOCCHcK=Fe3O4+4H2 3Fe+4H2O【例【例4】实验测得氯气溶于水后约有三分之一的实验测得氯气溶于水后约有三分之一的Cl2发生歧化转发生歧化转化为盐酸和次氯酸，求该反应的平衡常数。化为盐酸和次氯酸，求该反应的平衡常数。293K下氯气在水中下氯气在水中的溶解度为的溶解度为0.09molL-1。起始起始/molL-1 0.09 0 0 0平衡平衡/molL-1 0.09-x x x xx=1/30.09=0.03molL-1Cl2(l)+H2O(l)Cl-(aq)+HClO(aq)+H+(aq)42105.403.009.003.003.003.009.0)()()()(=+xxxxClcHClOcClcHcKqK愈大，反应进行得愈完全，反应物的转化率越大；q当K值不太大也不太小(如 10-3 K 105时，常认为该反应基本完全进行；q值得广大教师注意的是选修值得广大教师注意的是选修4中的化学平衡常数还仅仅只是中的化学平衡常数还仅仅只是一种平衡常数的初级形式，即涉及到的反应对象要么全为气态，一种平衡常数的初级形式，即涉及到的反应对象要么全为气态，要么全为溶液态，至于混合态的情况，我们暂不要求学生了解，要么全为溶液态，至于混合态的情况，我们暂不要求学生了解，因此也就不需要讲解，但老师自己要清楚！因此也就不需要讲解，但老师自己要清楚！3、平衡常数的意义、平衡常数的意义q只要知道一定温度下某一反应的平衡常数,并且知道反应物及生成物的浓度,就能判断该反应是处于平衡状态,还是向某一方向进行。9)-02.0(22222=xxOHCOCOHK解解:CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)t0 0.02 0.02 0 0t平平 0.02x 0.02x x x【例【例5】反应】反应CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)，某温度时，某温度时，K=9。CO和和H2O的起始浓度皆为的起始浓度皆为0.02 moldm-3 时，求时，求 CO 的的平衡转化率。平衡转化率。)(015.0,3-02.03-dmmolxxx=已转化掉的已转化掉的 CO为为0.015mol dm-3，所以所以CO此时的转化率为：此时的转化率为：%75%10002.0015.0%100COCO0t转化二、反应商二、反应商(reaction quotient)bamAcXcQc(B)(c(Y)(d=对于一般的化学反应：对于一般的化学反应：aA(aq)+bB(aq)+cC(s)mX(aq)+dY(aq)+eZ(l)任意状态下：任意状态下：【设问】反应商有什么样的作用呢？【设问】反应商有什么样的作用呢？Q称为反应商称为反应商(reaction quotient)Q K时：反应逆向进行时：反应逆向进行反应商反应商(reaction quotient)Q可作为反应进行方向的判据可作为反应进行方向的判据.25.2222=HCOOHCOK【例【例6】已知】已知1473K时，下述反应时，下述反应K=2.25。试根据下表中所列试根据下表中所列数据，确定反应可能进行的方向：数据，确定反应可能进行的方向：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)1473K CO2 H2 CO H2 （1）0.004 0.004 0.006 0.006 （2）0.062 0.084 0.039 0.279 （3）0.182 0.086 0.098 0.359 （4）0.078 0.142 0.280 0.120 某一状态时各物质的浓度某一状态时各物质的浓度/moldm-3对于（对于（1）：）：Q=2.25=K，所以反应正好处于平衡状态；所以反应正好处于平衡状态；对于（对于（2）：）：Q=2.09 K，所以反应逆向进行所以反应逆向进行；平衡因浓度的改变而被破坏时，平衡因浓度的改变而被破坏时，Q Q发生变化：发生变化：9)005.0()015.0(2323222=KdmmoldmmolOHCOHCOK解：解：。KQQdmmoldmmoldmmolOHCOHCOQ所以平衡向右移动由于,:045.01005.0)015.0(3323222=1、浓度变化对化学平衡的影响、浓度变化对化学平衡的影响 【例例 7】反应：反应：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)，某温度下某温度下达到平衡时达到平衡时 CO=H2O=0.005mol dm-3，CO2=H2=0.015 mol dm-3。向平衡体系中加向平衡体系中加H2O(g)，使使H2O=1moldm-3。试试判断平衡移动的方向，并求重新平衡时判断平衡移动的方向，并求重新平衡时 CO 的转化率的转化率。%75.99%10002.000495.0015.0%,7502.01=+=的转化率而此时率只有的转化第一次达到平衡时算起若从CO，CO，LmolCOq改变浓度将使平衡移动，增加一种反应物的浓度，可使另一改变浓度将使平衡移动，增加一种反应物的浓度，可使另一种反应物的转化率提高。种反应物的转化率提高。这是工业上一项重要措施。这是工业上一项重要措施。%99%100005.000495.0)(00495.0:9)1)(005.0()015.0(32222=+=的转化率解得COdmmolxxxxOHCOHCOKc CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)t0/mol dm-3 0.005 1 0.015 0.015 t/mol dm-3 0.005-x 1-x 0.015+x 0.015+x)(H)c()(23232NcNHcK=根据气体状态方程，可知温度恒定时将体系总压扩大两倍时，根据气体状态方程，可知温度恒定时将体系总压扩大两倍时，各对应物质的浓度均扩大为原来的两倍；各对应物质的浓度均扩大为原来的两倍；所以平衡向右移动由于,:4141824)2)(2()2(323232223223223ppHNNHHNNHHNNHKQKcccccccccQ=解：设原平衡时各物质的浓度分别为：解：设原平衡时各物质的浓度分别为：c(NH3)、c(H2)和和c(N2)，对对应温度时的平衡常数为应温度时的平衡常数为K，于是有：于是有：【结论】压强变化的影响可以归结为浓度变化的影响。【结论】压强变化的影响可以归结为浓度变化的影响。【例例8】某温度下，反应：】某温度下，反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)在一密闭在一密闭容器中达到了平衡，现在温度恒定不变时将该体系压缩至原来总容器中达到了平衡，现在温度恒定不变时将该体系压缩至原来总压的两倍，试判断此时平衡移动的方向？压的两倍，试判断此时平衡移动的方向？2、压强变化对化学平衡的影响、压强变化对化学平衡的影响