3第三章化学平衡

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,*,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,*,化学平衡,材料科学与工程学院,姚淑娟,反响方向确定后，反响进行到什么程度才停止呢？,第三章化学平衡,3.1 化学反响的可逆性与化学平衡,3.2 化学平衡常数,3.3 化学反响等温式,3.4 影响化学平衡的因素,第三章化学平衡,了解化学平衡的特征，掌握平衡常数的物理意义；,掌握标准吉布斯自由能变、平衡常数、化学平衡之间的关系及标准平衡常数的应用；,掌握有关化学反响等温式的计算；,了解化学平衡移动的各种因素,本章学习要求,3.1 化学反响的可逆性与化学平衡,可逆反应一般用“ ”表示,正反响：从左向右的反响,逆反响：从右向左的反响,第三章化学平衡,一、化学反响的可逆性,1.可逆反响,反响进行到一定程度，到达动态平衡,在同一条件下，即可向正反响方向进行，同时又可向逆反响方向进行的化学反响。,不是可逆反应,2、可逆反响的特点：,不同的化学反响，其可逆程度相差很大；,同一个反响，假设条件不同，可逆程度不同；,可逆反响的反响物不能全部转化为产物,第三章化学平衡,N,2,(g) + 3 H,2,(g) 2 NH,3,(g),Ag,+,(aq) + Cl,-,(aq) AgCl(s),CaO (s) + SO,3,(g) CaSO,4,(s),二、化学平衡,t/s,c,(mol/L),v,(mol/L,.,s),H,2,I,2,HI,v,+,v,-,0,0.0100,0.0100,0,76.0,0,2000,0.00397,0.00397,0.0121,12.0,2.04,4850,0.00213,0.00213,0.0157,3.45,3.43,第三章化学平衡,1、化学平衡状态：,2、化学平衡的特征,第三章化学平衡,在一定条件下的可逆反响中，,反响物和生成物的浓度或分压力,正反响和逆,反响速率相等时，,不随时间而变化,的状态。,(3) 平衡状态是可逆反响进行的最大限度,(1) 前提：封闭体系中进行的可逆反响,(2) 条件：,v,=,v,0，动态平衡,(4) 标志：反响物和生成物的浓度不随时间而变化,(5) 化学平衡是有条件的动态平衡,3.2 化学平衡常数,一、经验平衡常数,1、浓度平衡常数,K,c,第三章化学平衡,3、以摩尔分数表示的平衡常数,K,x,2、压力平衡常数,K,p,对任意化学反响,在一定温度下，当反响到达平衡时,第三章化学平衡,K,c,的大小表示反应进行的程度；,K,c,与反应物和生成物的初始浓度无关；,K,c,与反应方向无关，但与反应方程式的书写有关；,K,c,有单位，,2、压力平衡常数,对于均相气态反响：,K,p,的单位：,第三章化学平衡,3、以摩尔分数表示的平衡常数,K,x,K,x,无单位,第三章化学平衡,4,. K,c,K,p,和,K,x,之间的关系：,5、书写平衡常数的规那么,多相反响中，气体组分用平衡分压表示，溶液中的组,分用平衡浓度表示，纯固体和液体的浓度视为1，不,代入式中；,在水溶液中发生的反响，假设有水参加或生成，那么水的,浓度也视为1；,多相反响的平衡常数用符号K表示。,第三章化学平衡,二、标准平衡常数(,K,),1、标准平衡常数的表达式：,第三章化学平衡,相对浓度和相对分压都是,没有单位,的量,例： 浓度B = 5 mol L,1,相对浓度,为,分压 p,A,= 10, 1.0 10,5,Pa,相对分压,为,c,=1 mol.L,-1,p,=10,5,Pa,例如：,第三章化学平衡,对于任意复相反响：,K,称为,标准平衡常数,，无单位；,K,只是温度的函数，与浓度、分压无关；,K,的表达式必须与化学计量式相对应；, 写,K,表达式时，因,C,=1, 所以常省略不写,第三章化学平衡,(1) 多重平衡规那么,如果一个化学反响是假设干个分反响的代数和差，在相同温度下，这个化学反响的标准平衡常数就等于分反响的标准平衡常数的积商,2、平衡常数之间的关系：,第三章化学平衡,2 NO + O,2,2 NO,2,( 1 ),2 NO,2,N,2,O,4,( 2 ),2 NO + O,2,N,2,O,4,( 3 ),反响方程式相加(减)，平衡常数相乘(除)多重平衡规那么, ( 1 ) + ( 2 ) 得3, 而 K1 K2 = K3 ,例如,第三章化学平衡,N,2,+ 3 H,2,2 NH,3,1/2 N,2,+ 3/2 H,2,NH,3,(2)同一反响，计量数不同,互逆反响，其平衡常数互为倒数,(3) 互逆反响,K,1,= ( K,2,),2,，,计量数扩大 2 倍，,K,乘 2 次方,逆反应 b B a A,正反应 a A b B,第三章化学平衡,反响 CO ( g ) + H2O ( g ) H2 ( g ) + CO2 ( g ) 某温度时，K = 9。 CO 和 H2O 的起始浓度皆为 0.02 molL1 时，求 CO 的平衡转化率。,解: CO ( g ) + H,2,O ( g ) H,2,( g ) + CO,2,( g ),t,0,0.02 0.02 0 0,t,平,0.02x 0.02x x x,3、平衡常数与反响程度：,例：,第三章化学平衡,假设改变温度，使 K = 1，,求得转化率为 50 %,转化掉的, CO 为 0.015,mol L,1,转化率,说明,K 值越大，转化率越高，反响正向进行程度越高,若某化学反应,达平衡时,a A b B,任意时刻时， 物质A、B 都有具体的浓度值,3.3 化学反响等温式,Q称为反响商,令,化学反响 a A( aq ) + b B ( aq ) g G ( aq ) + h H ( aq ),vant Hoff,等温式, 0 正向反响不可能进行,一、化学反响等温式vant Hoff等温式,根据热力学原理，对于一个任意状态下的化学反响，rGm，Q 和 rGm 三者之间有如下的关系：,根据此式可判断任意时刻和非标准状态下反响的方向：,当化学反响处于平衡态时，rGm=0，此时Q = K，那么,当Q K时， rGm K时， rGm0, 反响难以正向自发进行,代入到 中，,第三章化学平衡,二、,K,与,r,G,m,的关系,三、K及化学反响等温式的应用,1、根据K的大小可以判断反响进行的程度,当,K,10,7,时，正向反应进行的比较彻底；,当,K,10,-7,时，正向反应难以进行；,当10,-7,K,10,7,时，典型的可逆反应；,2、根据,K,计算平衡浓度、平衡分压和转化率,第三章化学平衡,3、,K,和,r,G,m,的互算,解：,计算600K时的,297.04 0 -395.72,/kJ.mol,-1,248.11 205.3 256.65,/J.mol,-1,K,-1,例：求化学反应,在600K时的平衡常数,K,，并对结果进行评述.,第三章化学平衡,K=7.99106 600K,298.15K时,K,=3.3410,24,第三章化学平衡,T升高，K减小，该反响正向进行的程度减弱,说明,Question,空气压力p=101.325KPa，其中所含CO2的体积分数为0.030，试计算此条件下将潮湿Ag2CO3固体在110的烘箱中烘干时热分解反响的rGm。问此条件下， Ag2CO3(s) Ag2O(s)+CO2(g)的热分解反响能否自发进行?假设能发生有何方法阻止？,解：,Ag,2,CO,3,(s) AgO(s) + CO,2,(g),f,H,m,-505.8,-30.05,-393.509,KJ/mol,S,m,167.4 121.3 213.74 J/mol,k,可求得：,r,H,m,=82.24KJ/mol,r,S,m,=167.6J/mol,K,第三章化学平衡,CO,2,的分压为：,p,=101.3250.03030Pa,Ag2CO3固体在110的烘箱中烘干时分解反响的rGm为：,r,G,m,(383K)=,r,G,m,(383,K,) +,RT,ln,Q,82.24-3830.16768.31410,-3,383ln30/10,5,(18.0525.83) kJ/mol,7.78kJ/mol (该温度下碳酸银会分解),为了防止Ag2CO3的分解，应通入含CO2分压较大的气流进行枯燥：,r,G,m,(383K)= ,r,G,m,(383,K,) +,RT,ln,Q, 0,第三章化学平衡,3.4 影响化学平衡移动的因素,第三章化学平衡,旧的化学平衡,原平衡被破坏,新的化学平衡,浓度、压力(惰性气体),温度、催化剂等,此时,Q,=,K,假设使平衡发生移动，一般采取两种途径：,(1) 温度不变，改变反响物或产物的浓度或压力，使Q K,(2) 只改变温度，那么改变了K,条件变化,一定时间,一、浓度对平衡的影响,某温度下，平衡时：,Q = K,温度不变，增大反响物的浓度， Q K，平衡正向移动；,减小产物的浓度，,Q K,，平衡逆向移动；,第三章化学平衡,二、压强对平衡的影响,只对有气体参加的反响产生影响,第三章化学平衡,假设 B 0，QK，平衡逆向移动；,假设 B 0，Q 0，平衡正向移动, B0, K2 K1，正向移动；,结论：升高温度，平衡总是向吸热反响的方向移动,降低温度，平衡总是向放热反响的方向移动,第三章化学平衡,当温度升高，T,2,T,1,假设放热反响，DrHm0, K2 K1，逆向移动；,当温度降低，T,2,0, K2 K1，逆向移动；,假设放热反响，DrHm K1，正向移动；,五、催化剂对平衡的影响,第三章化学平衡,对于可逆反响，,催化剂能同等的改变,v,和,v,v,=,v,平衡不发生移动,也可根据, D,r,G,m,和K,均只与始、终态有关，,D,r,G,m,和K,不变，,平衡不移动,催化剂的使用不会改变始、终状态, 催化剂不会改变化学平衡，只会缩短平衡到达,的时间！,六、,勒夏特列(Le Chatelier )原理,第三章化学平衡,1888年，法国科学家Le Chatelier,提出：,如果改变平衡系统的条件之一(浓度、压力和温度), 平衡就向能减弱这种改变的方向移动.,反响I2g=2Ig达平衡时：,1升高温度，K ，,原因是,；,2压缩气体时，I2g的离解度 ，,原因是,；,3恒温恒容时参加N2，I2g的离解度 ，,原因是,；,4恒温恒压时参加N2，I2g的离解度 ，,原因是,.,第三章化学平衡,Question,第三章化学平衡,有关化学平衡的计算,第三章化学平衡,Question,在600K及催化剂作用下，CH3(CH2)3CH3发生以下气相异构化反响：,CH3(CH2)3CH3(g) CH3CH(CH3)CH2CH3(g) (1),CH3(CH2)3CH3(g) C(CH3)4(g) (2),600K时，各物质的标准摩尔生成Gibbs函数如下：,CH3(CH2)3CH3,CH3CH(CH3)CH2CH3,C(CH3)4,D,f,G,m,/kJ.mol-1,142.13,136.65,149.2,求平衡混合物的组成。,解：,D,r,G,m,1,=(136.65-142.13)kJ.mol,-1-1,D,r,G,m,2,=(149.2-142.13)kJ.mol,-1-1,第三章化学平衡,根据,设反响开始时， CH3(CH2)3CH3(g) 的物质的量为1mol，那么平衡时有,CH,3,(CH,2,),3,CH,3,(g) CH,3,CH(CH,3,)CH,2,CH,3,(g) (1),CH,3,(CH,2,),3,CH,3,(g) C(CH,3,),4,(g) (2),1-x-y,1-x-y,x,y,n,eq,(B)/mol,n,eq,(B)/mol,代入平衡常数表达式中，得,第三章化学平衡,解得：x=0.6713 mol, y=0.1049 mol, 1-x-y=0.2238 mol,即，,平衡时混合物中CH,3,(CH,2,),3,CH,3,的摩尔分数为0.2238， CH,3,CH(CH,3,)CH,2,CH,3,的摩尔分数为0.6713，,C(CH,3,),4,的摩尔分数为0.1049.,CH,3,(CH,2,),3,CH,3,的转化率为1-0.2238/1=77.62%,第三章化学平衡,Question,反响CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2O(g)在1000K时的K=1.43，假设反响在压力为600kPa下进行，计算:,(1)当原料气中CO:H2O=1:1时，CO的平衡转化率；,(2)假设CO:H2O=1:5时，CO的平衡转化率。,解：设CO的平衡分压为 x kPa,CO(g)+H,2,O(g) CO,2,(g)+H,2,O(g),P,始,/,kPa,300,300,0 0,P,eq,/kPa,300-x,300-x,x x,解得 x=163 kPa,(2) CO(g)+H,2,O(g) CO,2,(g)+H,2,O(g),P,始,/kPa 100 500 0 0,P,eq,/kPa 100-x 500-x x x,解得 x=87.2 kPa,中心内容是标准平衡常数 K,1. 根本概念： 可逆反响,化学平衡,平衡常数,平衡转化率.,2. 表达式：,K,与 Q 的异同；,平衡状态与非平衡状态,3. K,的计算:,表达式；,热力学计算:,多重平衡中K,的计算:,4、K的应用, 反响限度的判断； 物质浓度或分压的计算,本章总结,5. K,和Q受外界因素的影响：,作业：,化 学 平 衡,P155: 11, 13, 19, 27,