第3章-化学平衡课件

第三章第三章化学平衡化学平衡（Chemical Equilibrium）学时：学时：4主讲：主讲：郭红、王女郭红、王女第三章第三章 化学平衡（教材第五章）化学平衡（教材第五章）无机化学中学过的无机化学中学过的2定定T定定p反应处于平衡态时：反应处于平衡态时：(仅是仅是T的函数的函数)(也仅是也仅是T的函数的函数)等温方程：等温方程：任给态反应商：任给态反应商：自发自发平衡平衡GT,p=0第三章第三章 化学平衡（教材第五章）化学平衡（教材第五章）无机化学中学过的无机化学中学过的3J K时，时，Gm(T)K时，时，Gm(T)0 逆向反应自发；逆向反应自发；反应处于任意给定状态反应处于任意给定状态T改变时，改变时，K改变。改变。近似处理：近似处理：自发自发平衡平衡第三章第三章 化学平衡（教材第五章）化学平衡（教材第五章）43-1 3-1 化学势化学势目录目录3 3-2 -2 热力学平衡常数热力学平衡常数3 3-3 -3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理3 3-4 -4 化学平衡原理的应用化学平衡原理的应用（书中（书中5.55.7为不要求内容）为不要求内容）第三章第三章 化学平衡化学平衡5本章习题：本章习题：5-1、5-8(9)、5-9(10)、5-12(20)、5-16(22)、5-20(27)学习学习要求要求及及重点重点理解化学势及其判据理解化学势及其判据理解方程理解方程掌握平衡常数、平衡转化率的计算、掌握平衡常数、平衡转化率的计算、平衡移动的定性讨论平衡移动的定性讨论3-1 化学势（教材化学势（教材4.2、4.3）6知知识识点点什么是化学势什么是化学势化学势判据及其应用化学势判据及其应用化学势等温式化学势等温式之之前前学学过过的的判判据据函函数数隔离系统隔离系统定温定容封闭系统定温定容封闭系统定温定压封闭系统定温定压封闭系统3-1 化学势化学势一、化学势定义一、化学势定义7纯物质封闭系（纯物质封闭系（双变量系双变量系）：）：对组成可变的封闭系对组成可变的封闭系(k+2)变量系变量系：热力学热力学基本方程基本方程基本方基本方程程变为变为3-1 化学势化学势一、化学势定义一、化学势定义8组成可变的封闭系组成可变的封闭系(k+2)变量系变量系的基本方程：的基本方程：可以可以证明证明各项各项相等相等定义为化学势定义为化学势B3-1 化学势化学势一、化学势定义一、化学势定义9含义：定温定压除含义：定温定压除B以外物质的量都不变时，系统以外物质的量都不变时，系统G随随nB的变化率。或的变化率。或组成可变的封闭系组成可变的封闭系(k+2)变量系变量系的基本方程：的基本方程：3-1 化学势化学势二、化学势判据二、化学势判据及其应用及其应用10dG判据：判据：封闭系、定封闭系、定T 定定p条件下条件下自发自发平衡平衡dA判据：判据：封闭系、定封闭系、定T 定定V条件下条件下自发自发平衡平衡u以以为例：为例：u以以为例：为例：化化学学势势判判据据对对化化学学平平衡衡和和相相平平衡衡方方便便3-1 化学势化学势二、化学势判据二、化学势判据及其应用及其应用11例例1、相变化：、相变化：自发自发平衡平衡结论：封闭系中相变化总是向着化学势降低的方向结论：封闭系中相变化总是向着化学势降低的方向自发进行；自发进行；平衡时平衡时平衡时平衡时B B B B组分在两相的化学势相等组分在两相的化学势相等组分在两相的化学势相等组分在两相的化学势相等。自发自发平衡平衡自发自发平衡平衡3-1 化学势化学势二、化学势判据二、化学势判据及其应用及其应用12例例2、定温定压的化学变化、定温定压的化学变化结论：封闭系中化学变化总向着化学势降低的方向结论：封闭系中化学变化总向着化学势降低的方向自发进行。自发进行。自发自发平衡平衡自发自发平衡平衡自发自发平衡平衡aA+bByY+zZT,p3-1 化学势化学势四、化学势等温式四、化学势等温式131、纯理想气体、纯理想气体纯理气化学势等温式纯理气化学势等温式定定T下从下从p p理想气体的标准态理想气体的标准态(T,p)化学势化学势定温下定温下=f(p)、=f(c)基本方程基本方程3-1 化学势化学势四、化学势等温式四、化学势等温式142、混合理想气体中分压为、混合理想气体中分压为pB的组分的组分BpV=nRT，且：且：pBV=nBRT，相当于，相当于B独立存在：独立存在：混合理气中组分混合理气中组分B的标准态的标准态(T,pB=p)化学势化学势3-1 化学势化学势四、化学势等温式四、化学势等温式153、纯液体及纯固体、纯液体及纯固体定温下：定温下：l(T,p*)g(T,p*)或或 s(T,p*)g(T,p*)液态或固态物质的标准态化学势。液态或固态物质的标准态化学势。标准态标准态处于处于T，p下纯液体下纯液体(固体固体)4、溶液中各组分的化学势等温式、溶液中各组分的化学势等温式:=f(c)（见第四章）（见第四章）3-2 热力学平衡常数热力学平衡常数16深入理解平衡常数的含义深入理解平衡常数的含义知知识识点点化学势判据在化学平衡中的应用化学势判据在化学平衡中的应用 的导出及的导出及与与 关系的理解关系的理解 的计算的计算如何得到的？如何得到的？通过化学势判据推出通过化学势判据推出等温方程等温方程3-2 热力学平衡常数热力学平衡常数17一、等温方程一、等温方程及及K的的推导推导 以理想气体反应为例以理想气体反应为例T、p下反应：下反应：aA+bB yY+zZ 某状态下某状态下：pA pB pY pZ反应商反应商J J等温方程式等温方程式平平衡衡时时如如何何3-2 热力学平衡常数热力学平衡常数18一、等温方程一、等温方程及及K的的推导推导标准平标准平衡常数衡常数平衡平衡0几点说明：几点说明：u uK与与Gm所指状态不同；所指状态不同；uK与与Gm中所选物质的标准态必须一致；中所选物质的标准态必须一致；uK量纲为量纲为1，有别于实验，有别于实验K；uK平衡产率计算的依据；平衡产率计算的依据；平衡反应商平衡反应商J Jeqeq3-2 热力学平衡常数热力学平衡常数19二、理想气体反应平衡常数的几种表示二、理想气体反应平衡常数的几种表示实验平衡常数实验平衡常数显然：显然：T的函数的函数3-2 热力学平衡常数热力学平衡常数20三、平衡常数的求法三、平衡常数的求法1、实验测量法、实验测量法*：特点：直观；需特点：直观；需“冻结冻结”反应。反应。2、热力学计算法：、热力学计算法：标准生成标准生成Gibbs函数法：函数法：标准熵法：标准熵法：组合法：组合法：3-2 热力学平衡常数热力学平衡常数21四、分解压四、分解压 纯凝聚相与理想气体反应纯凝聚相与理想气体反应如：如：C(s)+O2(g)CO2(g)达平衡时，达平衡时，不含凝聚态不含凝聚态含凝聚态含凝聚态3-2 热力学平衡常数热力学平衡常数22四、分解压四、分解压T温度下，温度下，2FeO(s)2Fe(s)+O2(g)分解压大小反映了分解反应的程度，或是凝聚分解压大小反映了分解反应的程度，或是凝聚态物质的稳定性。态物质的稳定性。分解压只与分解压只与T 相关，与凝聚态物质的数量无关，相关，与凝聚态物质的数量无关，随随 T 升高，分解压增大；升高，分解压增大；CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)3-2 热力学平衡常数热力学平衡常数23四、分解压四、分解压 利用表中数据计算，利用表中数据计算，1000 K下使下使1molFeO的脱氧的脱氧,选择选择Mn、Si哪个更好？哪个更好？氧化物氧化物CuONiOFeOMnOSiO2Al2O3MgO分解压分解压p/kPa2.010-81.110-143.310-183.110-311.310-385.010-463.410-50热稳定性渐增热稳定性渐增3-3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理24深入理解深入理解勒勒夏夏特列特列(Le Chatelier，法，法,化学家化学家)原理原理假如改变平衡系统的假如改变平衡系统的条件之一，平衡就向能减弱这种改变条件之一，平衡就向能减弱这种改变的方向移动。的方向移动。知知识识点点化学反应等温方程式化学反应等温方程式化学反应等压方程式化学反应等压方程式定性讨论及定量计算定性讨论及定量计算勒夏特列特别感勒夏特列特别感兴趣的是科学和兴趣的是科学和工业之间的关系，工业之间的关系，以及怎样从化学以及怎样从化学反应中得到最高反应中得到最高的产率。他因于的产率。他因于18881888年发现了年发现了“勒夏特列原理勒夏特列原理”而闻名于世界。而闻名于世界。改变除改变除T T以外因素以外因素改变改变T T3-3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理25一、化学反应等温方程式一、化学反应等温方程式uJ/K=1时，时，Gm=0，系统处于平衡态；，系统处于平衡态；uJ/K1时，时，Gm0，系统偏离平衡态，移动；，系统偏离平衡态，移动；u平衡移动平衡移动特征特征K不变不变当当JK，GmK，Gm0，反应逆向自发；，反应逆向自发；自发自发平衡平衡浓度变化浓度变化总压变化总压变化局外气体局外气体讨论：讨论：3-3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理26一、化学反应等温方程式一、化学反应等温方程式u理想气体反应定理想气体反应定T下改变总压下改变总压0，K，平衡逆移；平衡逆移；p时，时，J；J 0，nB，J，J K，正移；，正移；K，逆移，逆移;=0，nB 改变，改变，J不变，对平衡无影响；不变，对平衡无影响；思考：恒思考：恒T恒恒V下加入局外气体？下加入局外气体？u理想气体反应恒理想气体反应恒T恒恒p加入局外气体：加入局外气体：nB 自发自发平衡平衡讨论：讨论：浓度变化浓度变化总压变化总压变化局外气体局外气体3-3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理28二、化学反应等压方程式二、化学反应等压方程式热力学重要关系热力学重要关系G-H方程：方程：温度变化温度变化 所以所以Hm的符号将决定的符号将决定 K 随随 T 变化的趋势。变化的趋势。3-3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理29二、化学反应等压方程式二、化学反应等压方程式(3)Hm的大小将决定的大小将决定 K 随随 T 变化的程度，变化的程度，即即|Hm|愈大，愈大，K受受T 的影响愈大。的影响愈大。温度变化温度变化讨论讨论微分求趋势：微分求趋势：3-3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理30二、化学反应等压方程式二、化学反应等压方程式温度变化温度变化积分求值：积分求值：或：或：测量常用测量常用视视Hm与与T无关无关直线关系？直线关系？3-3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理31勒勒夏夏特列特列原理原理改变平衡体系的条件之一，改变平衡体系的条件之一，平衡就向能平衡就向能减弱减弱这种这种改变改变的方向移动。的方向移动。浓度变化浓度变化总压变化总压变化局外气体局外气体温度变化温度变化u只改变反应系统状态只改变反应系统状态u不改变平衡位置，不改变平衡位置，K不变不变uGm改改变uK改变改变平衡转化率改变平衡转化率改变3-3 平衡移动的热力学原理平衡移动的热力学原理32小结：小结：自发自发平衡平衡浓度变化浓度变化总压变化总压变化局外气体局外气体温度变化温度变化3-4 化学平衡原理的应用化学平衡原理的应用33例例3-1、甲烷是钢铁表面进行渗碳处理时最好的渗碳、甲烷是钢铁表面进行渗碳处理时最好的渗碳剂之一剂之一(氨则是渗氮剂）。其高温反应为：氨则是渗氮剂）。其高温反应为：CH4(g)C(石墨石墨)2H2(g)估算估算 及及500时反应的时反应的 求求500平衡时平衡时CH4的分解百分率。设其总压力的分解百分率。设其总压力为为p和和1/2 p时时，且设体系中无局外气体。，且设体系中无局外气体。500,p总压下，分解前的甲烷中含有总压下，分解前的甲烷中含有50%惰性惰性气体，求气体，求CH4的分解百分率。的分解百分率。3-4 化学平衡原理的应用化学平衡原理的应用34例例3-1、定性讨论：、定性讨论：CH4(g)C(石墨石墨)2H2(g)总压总压，分解率，分解率加入局外气体，分解率加入局外气体，分解率比较：比较：吸热熵增吸热熵增升温有利升温有利 估算估算 及及500时反应的时反应的3-4 化学平衡原理的应用化学平衡原理的应用35例例3-1、CH4(g)C(石墨石墨)2H2(g)1-2 n总总=1+求求500时反应的时反应的 求求500平衡时平衡时CH4的分解百分率。设其总压力的分解百分率。设其总压力为为p和和1/2 p时时，且设体系中无局外气体。，且设体系中无局外气体。3-4 化学平衡原理的应用化学平衡原理的应用36例例3-1、CH4(g)C(石墨石墨)2H2(g)1-2 n总总=1+求求500平衡时平衡时CH4的分解百分率的分解百分率p1=100 kPa 500,p下，含下，含50%惰性原料气体的分解百分率惰性原料气体的分解百分率p2=50 kPa3-4 化学平衡原理的应用化学平衡原理的应用37例例3-2 中性或弱减性介质中，中性或弱减性介质中，Cr3+在水中存在平衡：在水中存在平衡：问：如何控制问：如何控制pH值，使排放水中残留的总值，使排放水中残留的总Cr离子含离子含量不大于量不大于(环保排放标准环保排放标准)0.5mg/L？解：解：pH-5-76810lgCr+3MNMN pH=5.69.5：排放标准：排放标准 pH=6.7时：时：Cr3+总总 2108mol/L (或或1103mg/L)为最佳排放条件。为最佳排放条件。3-4 化学平衡原理的应用化学平衡原理的应用38例例3-3、已知、已知Br2(g)的标准生成焓和标准生成吉布斯函的标准生成焓和标准生成吉布斯函数分别为数分别为30.71和和3.14 kJmol-1。(1)计算液态溴在计算液态溴在298 K时的蒸气压；时的蒸气压；(2)近似计算液态溴在近似计算液态溴在323 K时的蒸气压；时的蒸气压；(3)近似计算标准压力下液态溴的沸点。近似计算标准压力下液态溴的沸点。解题思路：解题思路：(1)(2)及及(3)等压方程：等压方程：3-4 化学平衡原理的应用化学平衡原理的应用39例例3-3、已知、已知Br2(g)的的(1)液态溴在液态溴在298 K时的蒸气压时的蒸气压=28.18 kPa(2)液态溴在液态溴在323 K时的蒸气压时的蒸气压=0.953(3)标准压力下液态溴的沸点标准压力下液态溴的沸点第三章第三章 化学平衡化学平衡学习要求及重点：学习要求及重点：40u理解理解及其判据、及其判据、K及其与及其与Gm的关系的关系；u掌握平衡常数及平衡转化率的计算掌握平衡常数及平衡转化率的计算u掌握平衡移动的定性讨论、定量计算掌握平衡移动的定性讨论、定量计算反应等反应等温、等压方程。温、等压方程。自发自发平衡平衡本章习题：本章习题：5-1、5-8(9)、5-9(10)、5-12(20)、5-16(22)、5-20(27)