第5章化学平衡

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,5,章 化学平衡,本章,教学目标,1.,理解化学平衡状态，掌握经验平衡常数、平衡转化率、标准平衡常数的意义和表示方法。,2,掌握利用反应商和平衡常数的关系判断化学反应进行的方向。,3.,掌握标准平衡常数和吉布斯自由能变的关系，化学反应等温式及相关计算。,4,理解勒沙特列原理，掌握浓度、压力、温度对化学平衡移动的影响及有关计算。,5-1,化学平衡状态,绝大多数化学反应都有一定的可逆性，可逆反应在一定条件下，正反应速率等于逆反应速率时，各种物质的浓度将不再改变，此时反应体系所处的状态，称为“,化学平衡状态,”。,化学平衡状态是,热力学概念,，指系统内发生的化学变化没有向正向或逆向进行的自发性时的状态。,化学平衡是一种“,动态平衡,”。即在化学反应达到平衡时，反应物和生成物的浓度或者分压都不再改变，但本质上，无论正反应还是逆反应，都进行着。,说明：,1.,只有在,恒温,条件下，封闭体系中进行的可逆反应，才能建立化学平衡，这是建立平衡的,前提,。,2.,正、逆反应速率相等是平衡建立的,条件,。,3.,平衡状态是封闭体系中可逆反应进行的最大限度。反应物和生成物的浓度或者分压都不再随时间改变，这是化学平衡的,标志,。,4.,化学平衡是,有条件的平衡,，当外界因素发生改变时，正、逆反应速率发生改变，原有平衡将遭到破坏，直到建立新的动态平衡。,5-1-1,经验平衡常数,例如,N,2,O,4,NO,2,体系，在恒温,373K,条件下，起始状态不同，浓度的变化不同，平衡浓度也不同。但是,NO,2,2,/N,2,O,4,大致相同的，此值就是,373K,时,N,2,O,4,(g),2NO,2,(g),的平衡常数。,NO,2,2,N,2,O,4,0.37,0.070,0.160,0.030,0.060,0.100,0.100,N,2,O,4,NO,2,III,0.37,0.014,0.072,0.014,0.028,0.000,0.100,N,2,O,4,NO,2,II,0.36,0.040,0.120,0.060,0.120,0.100,0.000,N,2,O,4,NO,2,I,平衡浓度,mol/L,浓度变化,mol/L,起始浓度,mol/L,实验次序,a,A,+b B g,G,+h,H,T,对于任一可逆反应：,在一定温度下达到平衡时：,K,就称为,经验,(,实验,),平衡常数,，它与物质的初始浓度无关，与反应是从正向开始还是逆向开始无关。在一定温度下，最终达到的平衡状态都存在此关系。,不同的反应方程式,K,的单位不同。,b,a,h,g,B,A,H,G,K,=,用浓度表示的经验平衡常数称为,浓度平衡常数,，用,K,c,表示。,书写平衡常数关系式时应注意：,1,.,固体和纯液体的浓度不写在关系式中,(,因为它们的浓度固定不变,),，只包括气态物质和溶液中溶质的浓度。,2.,稀溶液中进行的反应，如有水参加，水的浓度也不必写在平衡关系式中，但非水溶液中的反应，如有水参加，则必须表示在平衡式中。,K,p,和,K,c,一般不相等，但表示同一平衡时，,K,c,和,K,p,之间可以相互换算：,K,p,=,K,c,(RT,),(g,),对于气相反应,a,A(g),+b,B(g),g,G(g),+h,H(g),T,在一定温度下达到平衡时，还可用平衡时气体的分压来表示平衡常数，称为,分压平衡常数,：,若是复相反应，即,反应物或生成物中同时存在,溶液状态、气体状态、固体状态时,，,纯液相和纯固相不出现在平衡常数表达式中，该反应平衡常数表达式中,气体用分压,表示，,溶液用浓度,表示，,平衡常数,K,，称为混合平衡常数。,例：,Zn(s,)+2H,+,(,aq,)H,2,(g)+Zn,2+,(,aq,),K,=,说明：,1.,同一化学反应，用不同方程式表达时，有各自的经验平衡常数关系式。,当化学反应方程式中计量系数扩大,n,倍时，平衡常数,K,变成,K,n,。,正逆反应的平衡常数互为倒数。,偶联反应是指两个化学平衡组合起来，形成一个新的反应。两个反应方程式相加（相减）时，所得的反应的平衡常数，等于原来两个方程式的平衡常数相乘（相除）得到。,2.,偶联反应的平衡常数,这被称为,多重平衡规则,，注意应用时，所有平衡常数必须在同一个温度。,例如：,2NO(g)+O,2,(g)2NO(g),K,1,+)2NO,2,(g)N,2,O,4,(g),K,2,2NO(g)+O,2,(g)N,2,O,4,(g),K,3,=,K,1,K,2,5-1-2,平衡常数与平衡转化率,平衡转化率,(,a,),是指实现化学平衡时，已转化的反应物占起始总量的百分比。化学平衡状态是反应进行的最大限度，,平衡时具有最大的转化率,。,例,5-1,：某温度下，反应,CO(g,),H,2,O(g),H,2,(g,),CO,2,(g),的,K,c,9,，若,CO,和,H,2,O,的起始浓度皆为,0.02,moldm,3,，求,CO,的平衡转化率。,K,c,=9,，,a,=75%,；,K,c,=4,，,a,=67%,；,K,c,=1,，,a,=50%,。,其他条件相同时，,K,c,越大，平衡转化率越大。,5-2,化学反应进行的方向,5-2-1,标准平衡常数,对溶液反应：,aA(aq,)+,bB(aq,),gG(aq),+,hH(aq,),平衡时,对气相反应：,a,A(g,)+,bB,(g)g,G(g,)+h,H(g,),平衡时,b,P,p,a,P,p,h,P,p,g,p,p,),(,),(,),(,),(,K,B,A,H,G,q,q,q,q,=,q,（,1,）,c,为标准浓度,1molL,-1,，,p,为标准压力,100k,Pa,（,2,）纯液体和固体的浓度为,1,，不用写出,（,3,）,K,是量纲为,1,的常数 例,5-2,（,4,）,K,c,与,K,数值上相等，但,K,量纲为,1,，,K,p,与,K,无论数值还是单位都不相同。,（,5,）,K,与初始浓度无关，只与反应本身和温度有关,（,6,）,K,与反应方程式写法有关,（,7,）偶联反应的,K,也符合多重平衡规则,标准平衡常数,K,的有关说明：,例：已知在,673 K,下,3H,2,(g)+N,2,(g)2NH,3,(g),的平衡常数为,K,(673K)=5.7,10,4,，求反应,3/2H,2,(g)+1/2N,2,(g,),NH,3,(g,),的平衡常数。,解：,3H,2,(g)+N,2,(g)2NH,3,(g),K,(673K)=p(NH,3,)/p,2,p(H,2,)/p,3,p(N,2,)/p,1,3/2H,2,(g)+1/2N,2,(g)NH,3,(g),K,(673K)=p(NH,3,)/p,p(H,2,)/p,3/2,p(N,2,)/p,1/2,=,K,(673K),1/2,=,2.4,10,2,例,在同一个容器中发生下面的反应：,C(s,),1/2 O,2,(g),=,CO(g,),CO(g,),1/2 O,2,(g),=,CO,2,(g),(3),C(s,),O,2,(g),=,CO,2,(g),由于反应,(3),反应,(1),反应,(2),K,3,=,K,1,K,2,5-2-2,判断化学反应的方向,对于可逆反应,a,A,b,B,g,G,h,H,，自发进行的方向除了用,G,来判断外，还可用某一时刻的反应商,Q,与标准平衡常数,K,进行判断。,判据：,Q,=,K,时，达到平衡状态；,Q,K,时，,逆反应自发进行。,同理，利用,K,p,和,K,c,与相应的反应商比较，也可判断反应方向，但必须注意,K,与,Q,的一致性。,r,G,m,=,r,G,m,+R,T,ln,Q,r,G,m,表示与反应商对应时刻的反应摩尔自由能改变量，当物质不处于标准状态时，它是反应进行方向的判据。,5-3,化学反应等温式,当体系处于平衡时，,r,G,m,=0,，同时,Q,=,K,所以,r,G,m,=,R,T,ln,K,例,5-3,将,r,G,m,=,R,T,ln,K,代入,r,G,m,=,r,G,m,+R,T,ln,Q,可得：,r,G,m,=,R,T,ln,K,+R,T,ln,Q,=,R,T,ln,Q,/K,Q,=,K,时，,r,G,m,0,，达到平衡状态；,Q,K,时，,r,G,m,K,时，,r,G,m,0,，逆,反应自发进行。,5-4,化学平衡的移动,勒沙特列原理,(Le,Chatelier,Rule),如果改变影响平衡的条件之一，如温度、压力或浓度，平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。,注意：,1.,勒沙特列原理只适用于已经达到平衡的系统。对于非平衡系统，其变化方向只有一个，那就是自发地向着平衡状态的方向移动。,2.,只有改变维持平衡的条件，平衡才会移动。,3.,只能说明平衡移动的方向，平衡移动的结果是打破旧的平衡，建立新的平衡，而决非恢复到原来的状态。,a,A,+,bB,g,G,+,h,H,增加,a,A+,bB,g,G,+,h,H,降低,在其它条件不变的情况下，增加反应物的浓度或减少生成物的浓度，化学平衡向着正反应方向移动；增加生成物的浓度或减少反应物的浓度，化学平衡向着逆反应的方向移动。,5-4-1,浓度对平衡的影响,a,A+,bB,g,G,+,h,H,增加,a,A+,bB,g,G,+,h,H,降低,5-4-2,压强对平衡的影响,某温度下，增大总压强，平衡向气体分子数减少的方向移动；减压，则平衡向气体分子数增加的方向移动。,例：,平衡体系的总压增加至原来的,2,倍，各组分的分压为原来的,2,倍。,分子数减少的方向,加压,减压,分子数,减少,方向,分子数,增加,方向,平衡不变,aA+bB,g,G,+,h,H,体积变化的影响可以归为浓度或压强来讨论，体积增大相当于浓度减小或压强减小，而,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。温度对平衡的影响是由于改变了,K,。,5-4-3,温度对平衡的影响,T,T,T,T,放热反应,吸热反应,本章作业：,3,，,5,，,13,，,16,