化学平衡和平衡移动原理.ppt

1 第三章化学平衡和平衡移动原理 章总目录 要求 平衡常数与转化率 利用平衡常数的计算 2 3 1化学平衡 3 1 1可逆反应在一定的条件下 既可向正反应方向进行又能向逆反应方向进行的反应称为可逆反应 3 3 1 2化学平衡 在可逆反应中 正反应和逆反应的速率相等时 反应物和生成物的浓度不再随时间而改变的状态称为化学平衡 如 CO g H2O g CO2 g H2 g 正逆反应达动态平衡 4 平衡态的特点 1 v正 v逆 动态 2 反应物和产物的浓度不再改变 3 化学平衡是有条件的平衡 5 C为平衡时的浓度 对气相反应 平衡浓度也可用各气体分压表示 此时平衡常数用Kp表示 根据理想气体分压与浓度的关系 p nRT V cRT Kp Kc RT n aA bB gG hH 3 1 3化学 经验 平衡常数 6 例1 2006 配制KI 0 100mol L 1 I2的水溶液 用0 100mol L 1Na2S2O3标准溶液测得c I3 I2 4 85 10 3mol L 1 量取50 0mLKI I2溶液和50 0mLCCl4置于分液漏斗中振荡达平衡 分液后测知CCl4相中c I2 2 60 10 3mol L 1 已知实验温度下CCl4从水溶液中萃取I2的分配比为85 1 求水溶液中I2 I I3 的平衡常数 答 先求c I2 设萃取平衡时 水溶液中c I2 为x c I2 CCl4 c I2 H2O 2 60 10 3mol L 1 x 85x 2 60 10 3mol L 1 85 3 06 10 5mol L 1水溶液中I2 I I3 平衡浓度 mol L 1 I2 3 06 10 5 I3 4 85 2 60 10 3 3 06 10 5 2 22 10 3I 0 100 2 22 10 3 0 098K 2 22 10 3 0 098 3 06 10 5 7 4 102L mol 1 讨论 未考虑萃取对平衡的影响 平衡移动不影响c I3 I2 7 ABCD1图中的纵坐标表示 填入物理量 下同 横坐标表示 X和Y的摩尔百分数 2平衡常数K最小的图是 A3平衡常数K最大的图是 B4平衡常数K 1的图是 C 8 例3 2006 有人设计了如下甲醇 methanol 合成工艺 其中 1 为甲烷气源 压强250 0kPa 温度25 流速55 0m3 s 1 2 为水蒸气源 压强200 0kPa 温度150 流速150 0m3 s 1 合成气和剩余反应物的混合物经管路 6 进入25 的冷疑器 condenser 冷凝物由管路 7 流出 在B中合成的甲醇和剩余反应物的混合物经 6 进入25 冷凝器 甲醇冷凝后经管路 8 流出 其密度为0 791g mL 1 1分别写出在步骤A和步骤B中所发生的化学反应的方程式 CH4 g H2O g CO g 3H2 g CO g 2H2 g CH3OH g 2假定 所有气体皆为理想气体 在步骤A和B中完全转化 气液在冷凝器中完全分离 计算经步骤A和步骤B后 在一秒钟内剩余物的量 n CH4 250 0 103 55 0 8 314 298 5 55 103 mol n H2O g 200 0 103 150 0 8 314 423 8 53 103 mol 经步骤A后在 中过量的H2O g 8 53 103 5 55 103 2 98 103mol 9 在步骤A中生成的CO和H2的摩尔比为1 3 而在步骤B中消耗的CO和H2的摩尔比为1 2 故经步骤B后剩余的H2为5 55 103mol 3实际上 在步骤B中CO的转化率只有三分之二 计算在管路 中CO H2和CH3OH的分压 总压强为10 0MPa 4当甲醇反应器足够大 反应达到平衡 计算平衡常数 热力学平衡常数 10 标准生成自由能与非标准生成自由能的关系 范托夫等温方程 fG fG RTlna式中a为活度 对气体 a p p 对溶液 a c c rGm n fGm 产 n fGm 反 对反应 aA dDgG hH等温等压下 推得 rG rG RTln aGgaHh aAaaDd 式中 aGgaHh aAaaDd Q 活度商 3 1 4标准平衡常数 11 气体反应 aA dDgG hH等温等压下 反应达平衡时 G 0 12 在稀溶液中进行的反应 同理 平衡时 G 0 13 14 15 3 2化学平衡的移动 3 2 1浓度对平衡移动的影响aA dBgG hH 影响平衡的因素有浓度 压力 温度 平衡时 16 若增大反应物的浓度或减少产物的浓度 反应正向进行 直到Qc Kc2 若增大产物的浓度或减少反应物的浓度 反应逆向进行 直到Qc Kc 17 例 合成氨的反应 N2 g 3H2 g 2NH3 g 平衡时 若体系的总压力增大到原来的2倍 QP KP 反应正向进行 到QP KP止 3 2 2压力对平衡的影响有气体参加的反应 18 反之 总压力减小为原来的二分之一 则 QP KP 反应逆向进行 直到QP KP止 19 例 CO g H2O g CO2 g H2 g 平衡时 无论增大总压力还是减小总压力 增大体系的总压力 平衡向气体分子数减小的方向移动 反之 减小体系的总压力 平衡向气体分子数增大的方向移动 20 3 2 3温度对化学平衡的影响 21 22 23 结论 在其它条件不变时 升温平衡向吸热反应方向移动 降温平衡向放热反应方向移动 吕查德里原理 平衡移动原理 对平衡体系施加外力 平衡将沿着减少此外力的方向移动 24 3 2 4催化剂与化学平衡催化剂使正逆反应速度增大的倍数相同 因此它只能缩短到达平衡的时间 而不能使平衡发生移动 25 例 1994 在等温等容条件下 某气体反应aA g bB g gC g hD g 达平衡 现考虑达平衡的两条途径 和 A B起始时的物质量分别为a摩 b摩 A B起始时的物质量分别为2a摩 2b摩论问 当a b g h时 两条途径最终实现的平衡态是否相同 为什么 不相同 略 例 1995 某密闭容器中放入一定量的NO2 发生反应2NO2 N2O4 Q 达平衡后 若分别单独改变下列条件 重新达到平衡后 能使混和气体平均分子量增大的是 C A通入N2 B通入NO2 C通入N2O4 D升高温度 26 例 1989 1 写出Fe 和I 在溶液中的反应现象和反应方程式 2 有足量F 时 Fe 不和I 反应 请说出原因 3 往1 的溶液中加足量F 有什么现象 原因何在 4 在足量2mol dm3HCl溶液中加Fe I F 请说出反应现象 它可能和实验2的现象有何不同 答1 2Fe3 2I 或3I 2Fe2 I2 或I3 棕色溶液 2 Fe3 和F 配合使Fe3 浓度降低 3 因F 和Fe3 残余 配合 使平衡向在移动 棕色变浅 4 因F 和H 生成HF 使F 的浓度降低 一定程度上不利于Fe3 和F 的配合 因此 有少量Fe3 将与I 发生反应 即可能出现浅的黄棕色 27 例 2000 今年是勒沙特列 LeChatelier1850 1936 诞生150周年 请用勒沙特列原理解释如下生活中的常见现象 打开冰镇啤酒瓶把啤酒倒入玻璃杯 杯中立即泛起大量泡沫 答 1 啤酒瓶中二氧化碳气体与啤酒中溶解的二氧化碳达到平衡 CO2 气 CO2 溶液 Q打开啤酒瓶 二氧化碳气体的压力下降 平衡向放出二氧化碳气体的方向移动 2 玻璃杯的温度比冰镇啤酒的温度高 平衡应向减弱温度升高的方向移动 即向吸热方向移动 因而 应从溶液中放出二氧化碳气体 28 例 2002 Xe和F2反应 可得三种氟化物 视反应条件而定 下图表述的是将0 125mol LXe和1 225mol LF2为始态得到的生成物在平衡体系内的分压与反应温度的关系 10 1 应在什么温度下制备XeF6和XeF4 约550K约850K 10 2 Xe和F2生成XeF6和XeF4 哪个反应放热更多 生成XeF6的反应放热更多 理由 Xe 2F2 Q1 XeF4Xe 3F2 Q2 XeF6XeF4 F2 XeF6 Q10 3 为有效地制备XeF2 应在什么反应条件下为好 简述理由 在上图条件下必须在高温下才能制备XeF2 但高温要求的技术问题太多 因而 应降低投料中F2 Xe的比值 可有效制备XeF2 29