化学原理-化学平衡1-基本原理课件

第十一章第十一章 化学反应的方向与平衡化学反应的方向与平衡要点：要点：化学反应等温式化学反应等温式平衡常数平衡常数平衡移动平衡移动酸碱平衡与容量分析酸碱平衡与容量分析沉淀溶解平衡与重量分析沉淀溶解平衡与重量分析第十一章 化学反应的方向与平衡要点：化学反应等温式化学反应等温式封闭单相、不作非膨胀功、化学反应体系：封闭单相、不作非膨胀功、化学反应体系：化学进度化学进度 化学反应等温式封闭单相、不作非膨胀功、化学反应体系：化学进度化学原理-化学平衡1-基本原理课件判据：判据：标准平衡常数标准平衡常数（热力学平衡常数）（热力学平衡常数）特点：特点：标准平衡常数（热力学平衡常数）为什么化学反应通常不能进行到底？为什么化学反应通常不能进行到底？体系自由能在反应过程中的变化体系自由能在反应过程中的变化反应：反应：DE=2F为什么化学反应通常不能进行到底？体系自由能在反应过程中的变化标准摩尔反应吉布斯自由能的变化值标准摩尔反应吉布斯自由能的变化值标准摩尔反应吉布斯自由能的变化值标准摩尔反应吉布斯自由能的变化值的用途：1.计算热力学平衡常数计算热力学平衡常数 在温度在温度T时，当反应物和生成物都处于标准态，发生时，当反应物和生成物都处于标准态，发生反应进度为反应进度为1mol的的化学反应化学反应Gibbs自由能的变化值。自由能的变化值。2.计算实验不易测定的平衡常数计算实验不易测定的平衡常数3近似估计反应的可能性近似估计反应的可能性标准摩尔反应吉布斯自由能的变化值的用途：1.计算热力学平衡常等温物理变化中的等温物理变化中的 G对理想气体：对理想气体：(适用于任何物质适用于任何物质)等温物理变化中的G对理想气体：(适用于任何物质)标准摩尔生成吉布斯自由能标准摩尔生成吉布斯自由能 在标准压力下，由稳定单质生成在标准压力下，由稳定单质生成1mol化合物时化合物时吉布斯自由能的变化值：吉布斯自由能的变化值：（化合物，物态，温度）通常在通常在298.15K时的值有表可查。时的值有表可查。标准摩尔生成吉布斯自由能 在标准压力下，由稳定单质生成化学原理-化学平衡1-基本原理课件离子的标准摩尔生成吉布斯自由能离子的标准摩尔生成吉布斯自由能 电解质溶液溶质的浓度主要用质量摩尔浓度表电解质溶液溶质的浓度主要用质量摩尔浓度表示，用的标准态是示，用的标准态是 且具有稀溶且具有稀溶液性质的假想状态，这时规定的相对标准为：液性质的假想状态，这时规定的相对标准为：由此而得到其他离子的标准摩尔生成吉布斯自由由此而得到其他离子的标准摩尔生成吉布斯自由能的数值。能的数值。离子的标准摩尔生成吉布斯自由能 电解质溶液溶质的浓度主溶液中化学反应的吉布斯自由能变化计算溶液中化学反应的吉布斯自由能变化计算溶液中物质的标准态溶液中物质的标准态B（aq,c ）溶液中化学反应的吉布斯自由能变化计算溶液中物质的标准态B（a例题：求非均相反应在例题：求非均相反应在298K时的平衡常数。时的平衡常数。已知：例题：求非均相反应在298K时的平衡常数。已知：解：解：书书P342例题例题11.2解：书P342例题11.2复相化学反应平衡复相化学反应平衡称为 的解离压力 有气相和凝聚相（液相、固体）共同参与的反有气相和凝聚相（液相、固体）共同参与的反应称为复相化学反应应称为复相化学反应。其热力学平衡常数只与气态其热力学平衡常数只与气态物质的压力有关物质的压力有关。例如：例如：解离压力解离压力复相化学反应平衡称为 的解离压力 有气经验平衡常数经验平衡常数经验平衡常数平衡常数的测定平衡常数的测定测定化学平衡体系中各物质的浓度或分压测定化学平衡体系中各物质的浓度或分压直接计算。直接计算。判别平衡的常用方法：判别平衡的常用方法：在在不不同同时时间间多多次次测测定定体体系系中中各各物物质质的的浓浓度，其数值不变。度，其数值不变。任任意意改改变变参参加加反反应应各各物物质质的的最最初初浓浓度度，所测平衡常数应不变。所测平衡常数应不变。从从反反应应物物开开始始的的正正向向反反应应和和从从生生成成物物开开始的逆向反应最后测得平衡常数应相同。始的逆向反应最后测得平衡常数应相同。平衡常数的测定测定化学平衡体系中各物质的浓度或分压直接计算。平衡常数的测定平衡常数的测定 （1）物理方法）物理方法 直接测定与浓度或压力直接测定与浓度或压力呈线性关系的物理量，如折光率、电导率、颜呈线性关系的物理量，如折光率、电导率、颜色、光的吸收、定量的色谱图谱和磁共振谱等，色、光的吸收、定量的色谱图谱和磁共振谱等，求出平衡的组成。这种方法不干扰体系的平衡求出平衡的组成。这种方法不干扰体系的平衡状态。状态。（2）化学方法）化学方法 用骤冷、抽去催化剂或冲用骤冷、抽去催化剂或冲稀等方法使反应停止，然后用化学分析的方法稀等方法使反应停止，然后用化学分析的方法求出平衡的组成。求出平衡的组成。平衡常数的测定 （1）物理方法 直接测定与浓度或压平衡转化率的计算平衡转化率的计算 平衡转化率（平衡转化率（理论转化率）理论转化率），是达到平衡后，反，是达到平衡后，反应物转化为产物的百分数。应物转化为产物的百分数。工业生产中称的转化率是指反应结束时，反应物工业生产中称的转化率是指反应结束时，反应物转化为产物的百分数，因这时反应未必达到平衡，所转化为产物的百分数，因这时反应未必达到平衡，所以实际转化率往往小于平衡转化率。以实际转化率往往小于平衡转化率。平衡转化率的计算 平衡转化率（理论转化率），是达到平衡例题例题50oC下，用下，用KCl(s)与与O2(g)反应制备反应制备KClO3(s)，KCl(s)+3/2O2(g)=KClO3(s)，问：，问：氧气压力为氧气压力为时，反应能否进行？时，反应能否进行？要求氧气压力为多少时，反应才能进行？要求氧气压力为多少时，反应才能进行？例题 50 oC 下，用 KCl(s)与 O2(g)反应P348例题例题11.5反应反应在在523.2K、平衡后测得平衡混合物的密度为平衡后测得平衡混合物的密度为2.695kg m-3。计算的离解度；计算的离解度；反应的反应的和和。P348例题11.5反应 化学原理-化学平衡1-基本原理课件理想气体平衡常数的统计热力学计算理想气体平衡常数的统计热力学计算理想气体平衡常数的统计热力学计算计算反应的平衡常数：计算反应的平衡常数：计算反应的平衡常数：平衡的移动平衡的移动化学平衡常数不变化化学平衡常数不变化压力影响压力影响惰性气体影响惰性气体影响同时平衡同时平衡反应耦合反应耦合化学平衡常数变化（化学平衡常数变化（温度影响温度影响）反应物质影响反应物质影响平衡的移动化学平衡常数不变化压力影响惰性气体影响同时平衡反应等压物理变化中等压物理变化中 G的计算的计算(温度变化的影响温度变化的影响)等压物理变化中G的计算(温度变化的影响)吉布斯吉布斯-亥姆霍兹公式亥姆霍兹公式吉布斯-亥姆霍兹公式vant Hoff 公式对吸热反应，对吸热反应，升高温度，升高温度，增加，增加，对正反应有利。对正反应有利。对放热反应，对放热反应，升高温度，升高温度，降低，降低，对正反应不利。对正反应不利。若温度区间不大，若温度区间不大，可视为常数，得定积分式：可视为常数，得定积分式：vant Hoff 公式对吸热反应，升高温度，增加P350例例11.6解：考虑氧气溶解平衡：解：考虑氧气溶解平衡：可将亨利常数视为平衡常数：可将亨利常数视为平衡常数：因此该题实质上是讨论温度对平衡常数的影响因此该题实质上是讨论温度对平衡常数的影响293.2K时时O2在水中的亨利常数在水中的亨利常数km=3.93 106kPakgmol-1，求，求303.2K空气中空气中O2在水中的溶解度。已知在水中的溶解度。已知293.2303.2K之间之间O2在在水中的溶解热为水中的溶解热为-13.04kJmol-1。P350 例11.6解：考虑氧气溶解平衡：293.2K时O2化学原理-化学平衡1-基本原理课件近似计算近似计算1 的估算的估算当当 不大，或不要作精确计算时，设不大，或不要作精确计算时，设 ，则：，则：2 2估计反应的有利温度估计反应的有利温度 时的温度称转折温度，反应方向变化。时的温度称转折温度，反应方向变化。近似计算1 的估算当 不大，或不要作精确计算时，压力变化的影响压力变化的影响LeChatelier原理：原理：增加压力，反应向体积减小的方增加压力，反应向体积减小的方向进行向进行。理想气体，理想气体，仅是温度的函数仅是温度的函数仅是温度的函数仅是温度的函数压力变化的影响Le Chatelier原理：增加压力，反应向 与压力有关，与压力有关，气体分子数减少，加压，反气体分子数减少，加压，反应正向进行，反之亦然应正向进行，反之亦然。对凝聚相反应对凝聚相反应?与压力有关，气体分子数减少，加压，反应正例题例题400oC和和300下，合成甲醇反应为：下，合成甲醇反应为：CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)，若进料比为，若进料比为CO/H2=1/2，计，计算算CO平衡转化率和平衡转化率和CH3OH的浓度的浓度例题 400 oC和300 下，合成甲醇反应为：添加惰性气体的影响添加惰性气体的影响 例如：例如：，增加惰性气体，增加惰性气体，值增加，值增加，括号项下降。因为括号项下降。因为 为定值，则为定值，则 项应增加，项应增加，产物的含量会增加。产物的含量会增加。对于分子数增加的反应，加入水气或氮气，会使对于分子数增加的反应，加入水气或氮气，会使反应物转化率提高，使产物的含量增加。反应物转化率提高，使产物的含量增加。添加惰性气体的影响 例如：，增加惰性气体P353例题例题11.8 常压下乙苯脱氢制苯乙烯，已知在常压下乙苯脱氢制苯乙烯，已知在873K时，时，计算乙苯转化率，若原料计算乙苯转化率，若原料中加入水蒸气，乙苯：水蒸气中加入水蒸气，乙苯：水蒸气=1：9，再，再求乙苯转化率。求乙苯转化率。解：不加水蒸气，解：不加水蒸气，=0.389加入水蒸气，加入水蒸气，=0.728水蒸气的其他作用？水蒸气的其他作用？P353例题11.8 常压下乙苯脱氢制苯乙烯，已知在873K同时平衡同时平衡 在一个反应体系中，如果在一个反应体系中，如果同时发生同时发生几个反应，当到几个反应，当到达平衡态时，称为同时平衡。达平衡态时，称为同时平衡。在处理同时平衡时，要考虑每个物质的数量在各在处理同时平衡时，要考虑每个物质的数量在各个反应中的变化，并在各个平衡方程式中个反应中的变化，并在各个平衡方程式中同一物质的同一物质的数量应保持一致数量应保持一致。已知在600 K下，。今以等量今以等量的的 和和开始，求开始，求 的平衡转化率。的平衡转化率。同时平衡 在一个反应体系中，如果同时发生几个反应，当到将两个方程联立，解得将两个方程联立，解得 。的转化率为的转化率为4.8 。将两个方程联立，解得 例题例题在在25oC、101kPa下将含有少量下将含有少量CO2的的N2通过石通过石灰乳，计算平衡以后灰乳，计算平衡以后N2中残余中残余CO2的百分数。的百分数。提示：体系中以下平衡共存提示：体系中以下平衡共存例题在25oC、101kPa下将含有少量CO2的N2通过石灰600600o oC C、101.325kPa101.325kPa下由天然气制下由天然气制下由天然气制下由天然气制HH2 2(合成氨用合成氨用合成氨用合成氨用)无碳生成；（无碳生成；（6）（）（7）（）（8）小）小主要（主要（3）（）（4）600oC、101.325kPa下由天然气制H2(合成氨用)反应的耦合反应的耦合 设体系中发生两个化学反应，若一个反应设体系中发生两个化学反应，若一个反应的产物在另一个反应中是反应物之一，则这两的产物在另一个反应中是反应物之一，则这两个反应称为耦合反应。例如：个反应称为耦合反应。例如：利用利用 值很负的反应，将值很负的反应，将 值负值绝对值值负值绝对值较小甚至略大于零的反应带动起来。较小甚至略大于零的反应带动起来。反应的耦合 设体系中发生两个化学反应，若一个反应的产物例如：在例如：在298.15K时：时：反应反应(1)、(2)耦合，使反应耦合，使反应(3)得以顺利进行。得以顺利进行。例如：在298.15 K时：反应(1)、(2)耦合，使反应(乙烷脱氢乙烷脱氢乙烷脱氢C2H6conversionatdifferentCO2/C2H6ratiosC2H6 conversion at different C生物体中能量转换生物体中能量转换C6H12O6+O2 丙酮酸丙酮酸乙烯辅酶乙烯辅酶A CO2+H2O其中有：其中有：C6H12O6+H3PO46-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖+H2O G=13.8kJ/mol三磷酸腺苷三磷酸腺苷(ATP)+H2O二磷酸腺苷二磷酸腺苷(ADP)+H3PO4 G=-30.5kJ/mol耦合耦合C6H12O6+ATP6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖+ADP G=-16.7kJ/mol生物体中能量转换C6H12O6+O2 丙酮酸思考题思考题在什么条件下，平衡常数具有最大值在什么条件下，平衡常数具有最大值或最小值？或最小值？思考题在什么条件下，平衡常数具有最大值或最小值？