高中化学 第3章 化学平衡课件

第三章化学平衡第一节 可逆反应与化学平衡第二节 标准平衡常数第三节 标准平衡常数与摩尔 第四节 标准平衡常数的应用第五节 化学平衡的移动 吉布斯函数变的关系 第 一 节 可 逆 反 应 与 化 学 平 衡一 、 可 逆 反 应二 、 化 学 平 衡 一 、 可 逆 反 应 有 些 化 学 反 应 几 乎 能 进 行 到 底 ， 反 应 物 基本 上 能 全 部 转 变 为 产 物 。 这 些 几 乎 进 行 到 底 的反 应 称 为 不 可 逆 反 应 。 实 际 上 ， 大 多 数 反 应 不 能 进 行 到 底 ， 只 有一 部 分 反 应 物 能 转 变 为 产 物 。 这 种 在 同 一 条 件下 能 同 时 向 两 个 相 反 方 向 进 行 的 化 学 反 应 称 为可 逆 反 应 。 为 了 表 示 反 应 的 可 逆 性 ， 在 化 学 方程 式 中 用 “ ” 代 替 “ ” 或 “ ” 。 在 可 逆 反 应 中 ， 把 从 左 向 右 进 行 的 反 应 称为 正 反 应 ， 从 右 向 左 进 行 的 反 应 称 为 逆 反 应 。 二 、 化 学 平 衡 在 可 逆 反 应 中 ， 正 反 应 的 反 应 速 率 等 于 逆反 应 的 反 应 速 率 时 系 统 所 处 的 状 态 称 为 化 学 平衡 。 化 学 平 衡 具 有 以 下 几 个 重 要 特 点 ： （ 1） 正 反 应 的 反 应 速 率 和 逆 反 应 的 反 应 速率 相 等 是 建 立 化 学 平 衡 的 条 件 。 （ 2） 化 学 平 衡 是 可 逆 反 应 进 行 的 最 大 限 度反 应 物 和 产 物 的 浓 度 都 不 再 随 时 间 变 化 ， 这 是建 立 化 学 平 衡 的 标 志 。 （ 3） 化 学 平 衡 是 相 对 的 和 有 条 件 的 动 态 平衡 ， 当 外 界 条 件 改 变 时 ， 原 来 的 化 学 平 衡 被 破坏 ， 直 至 在 新 条 件 下 又 建 立 起 新 的 化 学 平 衡 。 。 第 二 节 标 准 平 衡 常 数 对 于 任 意 可 逆 反 应 ： BB0 B BB,eqB ( )a defK 在 一 定 温 度 下 达 到 化 学 平 衡 时 ， 反 应 物 和 产物 的 活 度 都 不 再 随 时 间 变 化 ， 它 们 的 平 衡 活度 之 间 存 在 如 下 定 量 关 系 ： 书 写 标 准 平 衡 常 数 表 达 式 应 注 意 以 下 两 点 ： （ 1） 若 B 为 固 体 、 纯 液 体 或 稀 溶 液 中 的 溶 剂则 ； 若 B为 气 体 ,则 ； 若 B为 稀 溶 液 中 的 溶 质 ， 则 。 （ 2） 标 准 平 衡 常 数 表 达 式 和 数 值 与 化 学 反 应方 程 式 有 关 ， 同 一 可 逆 反 应 ， 如 果 用 不 同 的 化 学方 程 式 来 表 示 ， 则 标 准 平 衡 常 数 表 达 式 和 数 值 不同 。 例 题 B,eq B,eq /a p p B,eq=1a B,eq B,eq /a c c ， 例 3-1 写 出 下 列 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 表 达 式 ：（ 1） N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)（ 2） Sn2+(aq) + 2Fe3+(aq) Sn4+(aq) + 2Fe2+(aq)（ 3） ZnS(s) + 2H3O+(aq) Zn2+(aq) + H2S(g) + 2H2O(l)解 ： 上 述 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 表 达 式 分 别 为 ： 2eq 3 3eq 2 eq 2 (NH )/ (1) (N )/ (H )/ p pK p p p p 4+ 2+ 2eq eq2+ 3+ 2eq eq (Sn )/ (Fe )/ (2) (Sn )/ (Fe )/ c c c cK c c c c 2+eq eq 2 + 2eq 3 (Zn )/ (H S)/ (3) (H O )/ c c p pK c c 标 准 平 衡 常 数 可 以 通 过 实 验 测 定 。 只 要 知 道某 温 度 下 平 衡 时 反 应 物 和 产 物 的 浓 度 或 分 压 力 ，就 能 计 算 出 反 应 的 平 衡 常 数 。 通 常 是 测 定 反 应 物的 起 始 浓 度 或 分 压 力 及 平 衡 时 任 一 反 应 物 或 产 物的 浓 度 或 分 压 力 ， 根 据 化 学 反 应 方 程 式 推 算 出 其他 反 应 物 和 产 物 的 平 衡 浓 度 或 平 衡 分 压 力 ， 计 算出 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 。例 题 例 3-2 1133 K 时 ， 将 CO 和 H2 充 入 一 密 闭 容 器中 ， 发 生 下 列 反 应 ： CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g)已 知 CO 和 H2 的 初 始 分 压 力 分 别 为 101.0 kPa 和 203.0 kPa， 平 衡 时 CH4 的 分 压 力 为 13.2 kPa。 假定 没 有 其 他 化 学 反 应 发 生 ， 计 算 该 反 应 在 1133 K时 的 标 准 平 衡 常 数 。解 ： 在 等 温 等 容 下 ， 由 理 想 气 体 状 态 方 程 ： pV = nRT可 知 各 种 气 体 的 分 压 力 正 比 于 各 自 的 物 质 的 量 ，因 此 各 种 气 体 的 分 压 力 变 化 关 系 也 是 由 化 学 反 应方 程 式 中 的 化 学 计 量 数 决 定 的 。 由 化 学 反 应 方 程式 ， 反 应 物 和 产 物 的 平 衡 分 压 力 分 别 为 ： peq(H2O) = peq(CH4) = 13.2 kPa peq(CO) = p0(CO) peq(CH4) = 101.0 kPa 13.2 kPa = 87.8 kPa peq(H2)=p0(H2) 3peq(CH4) = 203.0 kPa 3 13.2 kPa = 163.4 kPa1133 K 时 ， 该 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 为 ： eq 4 eq 2 3eq eq 2 (CH )/ (H O)/ (CO)/ (H )/ p p p pK p p p p 330.132 0.132 4.55 100.878 (1.634) 第 三 节 标 准 平 衡 常 数 与 摩 尔 吉 布 斯函 数 变 的 关 系 对 于 任 意 化 学 反 应 0 ， 温 度 T 时 ：当 反 应 达 到 平 衡 状 态 时 ， ， 则 ：由 以 上 两 式 可 得 ： r m( )= ln lnG T RT K RT J - +例 题 BBr m r m( )= ( ) lnG T G T RT J + r m lnG RT K - r m( ) 0G T J K ， = B 例 3-3 298.15 K 时 ， SO2(g) ， SO3(g) 的 标 准 摩 尔生 成 吉 布 斯 函 数 分 别 为 -300.19 kJmol-1和 -371.06 kJmol 1。 计 算 该 温 度 下 下 列 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 。解 ： 298.15 K 时 ,反 应 的 标 准 摩 尔 吉 布 斯 函 数 变 为 : r m f m 3 f m 2 f m 21(SO ,g) (SO ,g) (O ,g)2G G G G 1 1 11 1371.06kJ mol ( 300.19kJ mol ) 0kJ mol270.87kJ mol 2 2 31SO (g) + O (g) SO (g)2 298.15 K 时 ， 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 为 ：r m 3 11 1 12ln 70.87 10 J mol8.314J mol K 298.15K28.592.6 10 GK RTK 第 四 节 标 准 平 衡 常 数 的 应 用一 、 判 断 反 应 进 行 的 程 度二 、 预 测 反 应 的 方 向三 、 计 算 平 衡 组 成 一 、 判 断 反 应 进 行 的 程 度 当 可 逆 反 应 达 到 平 衡 时 ， 反 应 物 转 化 为 产物 已 经 达 到 了 最 大 限 度 。 若 反 应 的 标 准 平 衡 常数 很 大 ， 则 平 衡 时 产 物 的 活 度 比 反 应 物 的 活 度要 大 得 多 ， 说 明 反 应 物 已 大 部 分 转 化 为 产 物 ，反 应 进 行 比 较 完 全 。 若 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 很小 ， 则 平 衡 时 产 物 的 活 度 比 反 应 物 的 活 度 要 小得 多 ， 说 明 反 应 物 只 有 一 小 部 分 转 化 为 产 物 ，反 应 进 行 程 度 很 小 。 可 逆 反 应 进 行 的 程 度 也 常 用 平 衡 转 化 率 来表 示 。 反 应 物 A 的 平 衡 转 化 率 定 义 为 ： 标 准 平 衡 常 数 和 平 衡 转 化 率 都 可 以 表 示 反应 进 行 的 程 度 。 在 通 常 情 况 下 ， 标 准 平 衡 常 数越 大 ， 反 应 物 的 平 衡 转 化 率 也 越 大 。Aa A,0 A,eqA,0n nndef 二 、 预 测 反 应 的 方 向 在 一 定 温 度 下 ， 比 较 标 准 平 衡 常 数 与 反 应 商的 相 对 大 小 ， 就 能 预 测 反 应 的 方 向 。 当 时 ， 化 学 反 应 正 向 自 发 进 行 ； 例 题 K JK JK J 当 时 ， 化 学 反 应 处 于 平 衡 状 态 ； 当 时 ， 化 学 反 应 逆 向 自 发 进 行 。 例 3-4 已 知 298.15 K 时 ， 可 逆 反 应 ：Pb2+(aq) + Sn(s) Pb(s) + Sn2+(aq)的 标 准 平 衡 常 数 ， 若 反 应 分 别 从 下 列 情况 开 始 ， 试 判 断 可 逆 反 应 进 行 的 方 向 。 （ 1） Pb2+和 Sn2+的 浓 度 均 为 0.10 molL-1； （ 2） Pb2+的 浓 度 为 0.10 molL-1， Sn2+ 的 浓 度为 1.0 molL-1。解 ： （ 1） 反 应 商 为 ： 2+1 2+ 1 11 1(Sn )/(Pb )/0.10mol L /1mol L 1.00.10mol L /1mol Lc cJ c c 2.2K 由 于 因 此 在 298.15 K 时 反 应 正 向 自 发进 行 。 （ 2） 反 应 商 为 ：由 于 因 此 在 298.15 K 时 反 应 逆 向 自 发进 行 。 1,K J 1 12 1 11.0mol L /1mol L 100.10mol L /1mol LJ 2,K J 三 、 计 算 平 衡 组 成 标 准 平 衡 常 数 确 定 了 平 衡 系 统 中 反 应 物 和 产物 的 浓 度 或 分 压 力 之 间 的 关 系 。 因 此 ， 可 利 用 标准 平 衡 常 数 计 算 反 应 物 和 产 物 的 平 衡 浓 度 或 平 衡分 压 力 。例 题 例 3-5 在 1000 时 ， 下 列 反 应 ：FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)的 标 准 平 衡 常 数 如 果 在 CO 的 分 压 力 为6000 kPa 的 密 闭 容 器 加 入 足 量 的 FeO， 计 算 CO和CO2 的 平 衡 分 压 。解 ： FeO(s) + CO(g) Fe(s)+CO2(g) p0/kPa 6000 0 + x p eq/kPa 6000-x x0.5,K /kPap x 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 表 达 式 为 ：将 平 衡 分 压 力 和 标 准 平 衡 常 数 数 值 代 入 上 式 得 ： CO 和 CO2 的 平 衡 分 压 力 分 别 为 ： eq 2eq(CO )/(CO)/p pK p p kPa/100kPa0.5 (6000 )kPa/100kPa2000 x xx eqeq 2(CO) (6000 )kPa (6000 2000)kPa 4000kPa(CO ) kPa 2000kPap xp x 第 五 节 化 学 平 衡 的 移 动 一 、 浓 度 对 化 学 平 衡 的 影 响 二 、 压 力 对 化 学 平 衡 的 影 响 三 、 温 度 对 化 学 平 衡 的 影 响 一 、 浓 度 对 化 学 平 衡 的 影 响 对 于 稀 溶 液 中 进 行 的 可 逆 反 应 ， 在 等 温 等 压 下 达 到 平 衡 时 ： 当 增 大 反 应 物 浓 度 或 减 小 产 物 浓 度 时 ， 反 应商 减 小 ， 则 ， 可 逆 反 应 正 向 进 行 ， 反 应 商逐 渐 增 大 ， 当 反 应 商 增 大 到 等 于 标 准 平 衡 常 数 时 ，系 统 又 建 立 了 新 的 平 衡 状 态 。 显 然 达 到 新 的 平 衡状 态 时 ， 产 物 的 浓 度 比 原 平 衡 状 态 时 增 大 了 ， 化学 平 衡 正 向 移 动 。 B0 B(aq)BB,eq( / )vJ c c K BK J B 同 理 ， 当 减 小 反 应 物 的 浓 度 或 增 大 产 物 浓 度时 ， 反 应 商 增 大 ， 使 ， 化 学 平 衡 逆 向 移动 ， 反 应 商 逐 渐 减 小 ， 直 至 反 应 商 重 新 等 于 标 准平 衡 常 数 时 ， 又 建 立 起 新 的 化 学 平 衡 。 浓 度 对 化 学 平 衡 的 影 响 可 归 纳 如 下 ： 在 其 他条 件 不 变 的 情 况 下 ， 增 大 反 应 物 浓 度 或 减 小 产 物浓 度 ， 化 学 平 衡 向 正 反 应 方 向 移 动 ； 增 大 产 物 浓度 或 减 小 反 应 物 浓 度 ， 化 学 平 衡 向 逆 反 应 方 向 移动 。 K J 二 、 压 力 对 化 学 平 衡 的 影 响 对 气 相 可 逆 反 应 ， 在 一 定 温 度下 达 到 化 学 平 衡 时 ： B0 B(g) B(g)B,eq( / )vJ p p K B B （ 一 ） 反 应 物 或 产 物 分 压 的 变 化 在 等 温 等 容 条 件 下 ， 改 变 平 衡 系 统 中 任 何 一种 反 应 物 或 产 物 的 分 压 力 ， 必 然 使 ， 导 致化 学 平 衡 发 生 移 动 。 当 增 大 反 应 物 的 分 压 力 或 减小 产 物 的 分 压 力 时 ， 反 应 商 减 小 ， 使 ， 化学 平 衡 向 正 反 应 方 向 移 动 。 同 理 ， 当 减 小 反 应 物 的 分 压 力 或 增 大 产 物 的分 压 力 时 ， 反 应 商 增 大 ， 使 ， 化 学 平 衡 向逆 反 应 方 向 移 动 。 K JK JK J 气 体 分 压 力 的 改 变 对 化 学 平 衡 的 影 响 可 归纳 如 下 ： 在 其 他 条 件 不 变 的 情 况 下 ， 增 大 反 应物 的 分 压 力 或 减 小 产 物 的 分 压 力 ， 化 学 平 衡 向正 反 应 方 向 移 动 ； 增 大 产 物 的 分 压 力 或 减 小 反应 物 的 分 压 力 ， 化 学 平 衡 向 逆 反 应 方 向 移 动 。 （ 二 ） 体 积 改 变 引 起 压 力 的 变 化 在 等 温 条 件 下 ， 将 系 统 的 体 积 压 缩 到 原 来的 ， 系 统 的 总 压 力 就 增 大 到 为 原 来 的N 倍 ， 反 应 物 和 产 物 的 分 压 力 增 大 到 为 原 来 的N 倍 ， B的 分 压 力 由 增 大 到 。 此 时反 应 商 为 ：1/ ( 1)N N B,eqp B,eqNp B (g)N K B(g)=NJ B,eq( /p p B g)B 若 ， 则 ，表 明 缩 小 体 积 增 大 压 力 时 ， 化 学 平 衡 不 发 生 移动 。 若 ， 则 ，表 明 缩 小 体 积 增 大 压 力 时 ， 化 学 平 衡 向 正 反 应（ 气 体 分 子 总 数 减 少 ） 方 向 移 动 。 若 ， 则 ，表 明 缩 小 体 积 增 大 压 力 时 ， 化 学 平 衡 向 逆 反 应（ 气 体 分 子 总 数 减 少 ） 方 向 移 动 。B (g)=1, =N J K B(g)0 1, N J K B (g) 1, N J K (g) 0B B(g) 0v B(g) 0v 改 变 反 应 系 统 的 体 积 引 起 总 压 力 的 变 化 对 化学 平 衡 的 影 响 归 纳 如 下 ： 在 一 定 温 度 下 ， 缩 小 反应 系 统 的 体 积 ， 总 压 力 增 大 ， 化 学 平 衡 向 气 体 分子 总 数 减 小 的 方 向 移 动 ； 增 大 反 应 系 统 的 体 积 ，总 压 力 减 小 ， 化 学 平 衡 向 气 体 分 子 总 数 增 大 的 方向 移 动 ； 对 于 的 反 应 ， 当 体 积 变 化而 改 变 总 压 力 时 ， 不 能 使 化 学 平 衡 发 生 移 动 。 B (g) 0B （ 三 ） 惰 性 气 体 的 影 响 （ 1） 在 温 度 和 总 压 力 不 变 条 件 下 加 入 惰 性 气体 ： 当 可 逆 反 应 在 一 定 温 度 下 达 到 平 衡 时 ， 加 入惰 性 气 体 ， 为 了 保 持 总 压 力 不 变 ， 系 统 的 体 积 相应 增 大 。 在 这 种 情 况 下 ， 反 应 物 和 产 物 的 分 压 力降 低 的 程 度 相 同 。 若 ， 则 ， 化 学平 衡 向 气 体 分 子 数 增 加 的 方 向 移 动 。 （ 2） 在 温 度 和 体 积 不 变 条 件 下 加 入 惰 性 气体 ： 可 逆 反 应 在 等 温 等 容 下 达 到 平 衡 后 ， 加 入 惰性 气 体 ， 系 统 的 总 压 力 增 大 ， 但 反 应 物 和 产 物 的分 压 力 不 变 ， ， 化 学 平 衡 不 发 生 移 动 。 B(g) 0v J K J K B 三 、 温 度 对 化 学 平 衡 的 影 响 们 之 间 的 关 系 为 ： 上 式 对 T 微 分 得 ： 对 于 吸 热 反 应 ， ， 则 ， 当 温 度 升 高 时 ， 增 大 ( )， 使 ， 化 学 平 衡 向 正 反 应 （ 吸 热 反 应 ） 方 向 移 动 ； 当 温 度 降 低 时 ， 减 小 ( ）使 ， 化 学 平 衡 向 逆 反 应 (放 热 反 应 ） 方 向 移 动 。 r m r mln ( / ) ( / )K S R H RT 2 r mdln /d /K T H RT dln /d 0K T(d 0)T (d 0)T dln 0Kdln 0Kr m 0H KK J KK J可 逆 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 是 温 度 的 函 数 ， 它 ， 对 于 放 热 反 应 ， ， 则 ，当 温 度 升 高 时 ， 减 小 ， 使 ， 化 学 平 衡 向逆 反 应 （ 吸 热 反 应 ） 方 向 移 动 ； 当 温 度 降 低 时 ，增 大 ， 使 ， 化 学 平 衡 向 正 反 应方 向 移 动 。 温 度 对 化 学 平 衡 的 影 响 可 归 纳 如 下 ： 在 其 他 条件 一 定 时 ， 升 高 温 度 ， 化 学 平 衡 向 吸 热 反 应 方 向 移动 ； 降 低 温 度 ， 化 学 平 衡 向 放 热 反 应 方 向 移 动 。 将 上 式 进 行 定 积 分 ， 可 得 ： 例 题 K J dln /d 0K TK J K Kr m 0H 2 r m 2 11 1 2( ) ( )ln ( )K T H T TK T RTT （ 放 热 反 应 ） 例 3-6 已 知 1048 K 时 ， CaCO3 的 分 解 压 力 为14.59 kPa， 分 解 反 应 的 标 准 摩 尔 焓 变 为 109.32kJmol-1。 计 算 1128 K 时 CaCO3 的 分 解 压 力 。解 ： CaCO3 分 解 反 应 为 ： CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) 1048 K 时 ， CaCO3 分 解 反 应 的 标 准 平 衡 常数 为 ： eq 2(CO ) 14.59kPa(1048K) 0.146100kPapK p 1128 K 时 CaCO3 分 解 反 应 的 标 准 平 衡 常 数 为 ： 1128 K 时 CaCO 3 分 解 压 力 为 ： r m 2 11 2 3 11 1( )ln (1128K) ln (1048K)109.32 10 J mol (1128K 1048K)8.314J mol K 1048K 1128Kln0.1461.03H T TK KRTT eq 2(CO ) (1128K) 100kPa 0.357 35.7kPap p K (1128K) 0.357K