第5章化學平衡ppt課件

1、可逆可逆勒夏特里勒夏特里第第5章章化學平衡化學平衡工程師的工程師的困惑？困惑？5-1 化學平衡形狀5-2 化學反響進展的方向5-3 規(guī)范平衡常數(shù)K 與r G m的關系5-4 化學平衡的挪動5-1 化學平衡形狀5-1-1 閱歷平衡常數(shù)5-1-2 平衡常數(shù)與平衡轉化率N2O4加熱加熱N2O4NO2N2O4NO2平衡平衡5-1-1 5-1-1 閱歷平衡常數(shù)閱歷平衡常數(shù)N2O4(g)2NO2(g)濃度濃度速率速率時間時間時間時間化學平衡：化學平衡：一切反響物和產(chǎn)物的濃一切反響物和產(chǎn)物的濃度不再隨時間而改動時，度不再隨時間而改動時，即正、逆反響速度相等即正、逆反響速度相等時，體系所處的形狀稱時，體系所處

2、的形狀稱為化學平衡。為化學平衡?？赡娣错懀嚎赡娣错懀涸谕粭l件下，既能向在同一條件下，既能向正反響方向又能向逆正反響方向又能向逆反響方向進展的反響反響方向進展的反響稱可逆反響。稱可逆反響。討論討論1氫氣和氧氣生成水與電解水能否可氫氣和氧氣生成水與電解水能否可逆反響？逆反響？2二次電池充放電能否可逆反響？二次電池充放電能否可逆反響？化學平衡的幾個重要特點：建立平衡的前提建立平衡的前提恒溫；封鎖體恒溫；封鎖體系；可逆反響。系；可逆反響。平衡建立的條件平衡建立的條件正、逆反響速正、逆反響速度相等。度相等。建立平衡的標志建立平衡的標志各物質濃度都各物質濃度都不再隨時間改動不再隨時間改動.N2O4NO2

3、平衡平衡化學平衡是有條件的平衡。當外界化學平衡是有條件的平衡。當外界要素改動時要素改動時,原有平衡將遭到破壞，直原有平衡將遭到破壞，直到建立新的動態(tài)平衡。到建立新的動態(tài)平衡。N2O4(g)2NO2(g)一一 閱歷平衡常數(shù)閱歷平衡常數(shù)平衡常數(shù)平衡常數(shù)(K)表示出一個可逆的表示出一個可逆的化學反響可以進展的最大限制?；瘜W反響可以進展的最大限制。PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)PCl3Cl2PCl5=K對于再復雜些的可逆反響：對于再復雜些的可逆反響：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)哈伯過程：數(shù)百個大氣壓、催化劑、幾百攝氏度。分壓分壓分壓分壓時間時間時間時間1864年，年，C.M.Gu

4、ldbeng和和P.Waage質質量作用定律量作用定律aA+bBgG+hH在一定溫度下達平衡在一定溫度下達平衡時，都有如下關系：時，都有如下關系：閱歷平衡常數(shù)閱歷平衡常數(shù)GgHhAaBb=K實驗平衡常數(shù)實驗平衡常數(shù)平衡常數(shù)平衡常數(shù)在一定溫度下，可逆反響達在一定溫度下，可逆反響達平衡時，生成物的濃度以平衡時，生成物的濃度以反響方程式中計量數(shù)為指反響方程式中計量數(shù)為指數(shù)的冪的乘積與反響物的數(shù)的冪的乘積與反響物的濃度以反響方程式中計量濃度以反響方程式中計量數(shù)為指數(shù)的冪的乘積之比數(shù)為指數(shù)的冪的乘積之比是一個常數(shù)。是一個常數(shù)。討論討論(1)Kc與物質的初始濃度有關嗎？與物質的初始濃度有關嗎？(2)Kc與

5、反響開場的方向有關嗎？與反響開場的方向有關嗎？(3)Kc與反響機理有關嗎？與反響機理有關嗎？(4)Kc與反響溫度有關嗎？與反響溫度有關嗎？(5)Kc與體系中能否存在除反響物和與體系中能否存在除反響物和生成物以外的其它物質有關嗎？生成物以外的其它物質有關嗎？留意點：留意點：(1)Kc和物質的初始濃度無關。和物質的初始濃度無關。(2)Kc與反響開場的方向無關。與反響開場的方向無關。(3)方括號用來表示平衡時物質的方括號用來表示平衡時物質的濃度。濃度。(4)習慣上將生成物寫在分子項上，習慣上將生成物寫在分子項上，而反響物寫在分母項上而反響物寫在分母項上.(5)(5)平衡常數(shù)的表達只取決于反平衡常數(shù)的

6、表達只取決于反響的化學計量，與反響機理響的化學計量，與反響機理無關。無關。(6)Kc(6)Kc隨反響溫度不同而改動。隨反響溫度不同而改動。(7)Kc(7)Kc與體系中能否存在除反響與體系中能否存在除反響物和生成物以外的其它物質物和生成物以外的其它物質無關。無關。1.1.有固體和純液體參與的反響，有固體和純液體參與的反響，其濃度不應寫在平衡關系式中，其濃度不應寫在平衡關系式中，化學平衡關系式中只包括氣態(tài)物化學平衡關系式中只包括氣態(tài)物質和溶液中各溶質的濃度。質和溶液中各溶質的濃度。二二平衡常數(shù)關系式書寫規(guī)那平衡常數(shù)關系式書寫規(guī)那么么CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)Kc=CO2CaCO3C

7、aCO3CaOCaO=CaOCaCO3CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(l)COCO2H2Kc=2.稀溶液中進展的反響，如有稀溶液中進展的反響，如有水參與，水的濃度也不用寫水參與，水的濃度也不用寫在平衡關系中。在平衡關系中。Cr2O72-+H2O2CrO42-+2H+CrO42-2H+2Cr2O72-Kc=但是，非水溶液中的反響，如但是，非水溶液中的反響，如有水生成或有水參與反響，必有水生成或有水參與反響，必需表示在平衡關系式中。需表示在平衡關系式中。C2H5OH+CH3COOHCH3COOC2H5+H2OCH3COOC2H5H2OC2H5OHCH3COOHKc=3.3.同一化學反響

8、，可以用不同同一化學反響，可以用不同的化學反響方程式來表示，每的化學反響方程式來表示，每個化學方程式都有本人的平衡個化學方程式都有本人的平衡常數(shù)關系式及相應的平衡常數(shù)。常數(shù)關系式及相應的平衡常數(shù)。 例，例，373K時，時，N2O4和和NO2的平衡體系的平衡體系N2O4(g)2NO2(g)K1=NO22/N2O4=0.36(molL-1)1/2N2O4(g)NO2(g)K2=NO2/N2O41/2=0.60(molL-1)1/22NO2(g)N2O4(g)K3=N2O4/NO22=2.78(molL-1)-1K1=K22=1/K34對于氣體反響，對于氣體反響，可以用平衡時的濃可以用平衡時的濃度度

9、(物質的量物質的量)表示，表示，也可以用平衡時各也可以用平衡時各氣體的分壓來表示。氣體的分壓來表示。例如：例如：N 2 ( g ) + 3 H 2 ( g )2NH3(g)NH32N2H23Kc=P2NH3Kp=pN2p3H2請試導出請試導出Kc與與Kp的關系式：的關系式：Kp=Kc(RT)n提示：提示：PAV=nARTPA=ARTaA+bBdD+eEn=(d+e)(a+b)三、平衡常數(shù)的單位通常情況下，通常情況下，Kc、Kp是有量綱單位是有量綱單位的物理量。的物理量。假設濃度單位以假設濃度單位以molL-1表示，表示，Kc的單的單位為位為(molL-1)n；假設壓強單位分別以假設壓強單位分別

10、以atm、Pa表示表示，Kp的單位分別為的單位分別為atmn、Pan。當當n=0時，時，Kc、Kp無量綱。無量綱。平衡常數(shù)的單位還與化學反響方程式的平衡常數(shù)的單位還與化學反響方程式的寫法有關。寫法有關。N2O4(g)2NO2(g)n=1K1=N022/N204=0.36(molL-1)1/2N2O4(g)NO2(g)n=1/2K2=NO2/N2O41/2=0.60(mol.L-1)1/22NO2(g)N2O4(g)n=-1K3=N2O4/NO22=2.78(mol.L-1)-1四四平衡常數(shù)的意義平衡常數(shù)的意義1平衡常數(shù)數(shù)值的大平衡常數(shù)數(shù)值的大小可以判別反響進展的程小可以判別反響進展的程度、估計

11、反響的能夠性。度、估計反響的能夠性。由于平衡形狀是反響進展由于平衡形狀是反響進展的最大限制的最大限制。K很小的平衡體系，很小的平衡體系，闡明平衡時產(chǎn)物的濃度很小闡明平衡時產(chǎn)物的濃度很小.N2(g)+O2(g)=2NO(g)Kc=NO2/N2O2=110-30(298K)如：如：2Cl(g)Cl2(g)(298K)Kc=Cl2/Cl2=11038平衡常數(shù)很大的反響，平衡常數(shù)很大的反響，平衡混合物中幾乎平衡混合物中幾乎全部是產(chǎn)物分子。全部是產(chǎn)物分子。平衡常數(shù)非常大或非常平衡常數(shù)非常大或非常小的反響通常就以為是小的反響通常就以為是向一個方向進展的不可向一個方向進展的不可逆反響。逆反響。平衡常數(shù)不太大

12、也不太小的反響平衡常數(shù)不太大也不太小的反響N2O4(g)2NO2(g)Kc=NO22/N2O4=0.36(373K)接近接近1.反響物和產(chǎn)物的濃度相差不會太懸反響物和產(chǎn)物的濃度相差不會太懸殊，不論反響從哪邊開場，正向殊，不論反響從哪邊開場，正向反響和逆向反響都進展不完全。反響和逆向反響都進展不完全。這是典型的可逆反響這是典型的可逆反響 . .請留意請留意:1 1利用利用K K的大小比較的大小比較不同化學反響進展的傾不同化學反響進展的傾向和程度時，各反響必向和程度時，各反響必需采用一樣的單位。需采用一樣的單位。2平衡常數(shù)數(shù)值的平衡常數(shù)數(shù)值的大小，只能指示一個大小，只能指示一個可逆反響的正向反響可

13、逆反響的正向反響所能進展的最大程度，所能進展的最大程度，并不能預示反響到達并不能預示反響到達平衡所需求的時間。平衡所需求的時間。如如2SO2+O2=2SO3(g)(298K)Kp=3.61024雖然平衡常數(shù)很大，但由于反響速雖然平衡常數(shù)很大，但由于反響速度太慢，常溫時，幾乎不發(fā)生反度太慢，常溫時，幾乎不發(fā)生反響。響。3 3平衡常數(shù)數(shù)值平衡常數(shù)數(shù)值極小的反響極小的反響, ,闡明正闡明正反響在該條件下不能反響在該條件下不能夠進展夠進展. . 如如N2+O2=2NOKc=10-30由于平衡常數(shù)數(shù)值極小，闡明常由于平衡常數(shù)數(shù)值極小，闡明常溫下，用這個反響固定氮是不溫下，用這個反響固定氮是不能夠的。能夠

14、的。H2(g)+1/2O2(g)H2O(g)K1=H2O/H2O21/2CO2(g)CO(g)+1/2O2(g)K2=COO21/2/CO2將兩個方程相加，消去將兩個方程相加，消去1/2O2，得，得H2(g)+CO2(g)=H2O(g)+CO(g)K3=H2OCO/H2CO2K1K2=H2O/H2O21/2COO21/2/CO2=H2OCO/H2CO2=K3兩個反響式相加相減時，兩個反響式相加相減時，平衡常數(shù)的關系平衡常數(shù)的關系兩個反響方程式相加相減時兩個反響方程式相加相減時所得平衡常數(shù)，可由原來的兩個所得平衡常數(shù)，可由原來的兩個反響方程式的平衡常數(shù)相乘相反響方程式的平衡常數(shù)相乘相除得到。除得

15、到。 轉化率：平衡轉化率轉化率：平衡轉化率是指平衡時已轉化了是指平衡時已轉化了的某反響物的量與轉的某反響物的量與轉化前該反響物的量之化前該反響物的量之比。比。5-1-2 5-1-2 平衡常數(shù)與平衡轉化率平衡常數(shù)與平衡轉化率P59,例例3P62例例51.寫出化學反響方程式寫出化學反響方程式;2.寫出反響物的起始濃度寫出反響物的起始濃度;3.寫出各物質的平衡濃度寫出各物質的平衡濃度;4.寫出平衡常數(shù)表達式寫出平衡常數(shù)表達式;5.將各物質的濃度代入將各物質的濃度代入平衡常數(shù)表達式中平衡常數(shù)表達式中;6.解方程解方程.5-2 5-2 化學反響進展的方向化學反響進展的方向5-2-1規(guī)范平衡常數(shù)規(guī)范平衡常

16、數(shù)5-2-2判別化學反響的方向判別化學反響的方向aA+bBgG+hH(G/c)g(H/c)hK=5-2-1規(guī)范平衡常數(shù)規(guī)范平衡常數(shù)(A/c)a(B/c)b規(guī)范平衡規(guī)范平衡常數(shù)常數(shù)相對濃度相對濃度規(guī)范濃度規(guī)范濃度aA+bBgG+hH(PG/p)g(PH/p)hK=(PA/p)a(PB/p)b規(guī)范平衡規(guī)范平衡常數(shù)常數(shù)相對分壓相對分壓規(guī)范分壓規(guī)范分壓規(guī)范平衡常數(shù)規(guī)范平衡常數(shù)K無量綱。無量綱。規(guī)范濃度規(guī)范濃度c=1moldm-3規(guī)范分壓規(guī)范分壓p=1.0105Pa相對濃度相對濃度=平衡濃度平衡濃度/c相對分壓相對分壓=平衡分壓平衡分壓/pNationalchemistryweek(ACS)5-2-2判

17、別化學反響的方向判別化學反響的方向aAhH(C(H)/C)hQ=反響商反響商Q:某一化學反響產(chǎn)物濃度系數(shù)次方的某一化學反響產(chǎn)物濃度系數(shù)次方的乘積與反響物濃度系數(shù)次方乘積乘積與反響物濃度系數(shù)次方乘積之比之比.(C(A)/C)a非平衡非平衡濃度濃度aAhH(C(H)/C)h=K(C(A)/C)aQ平平=反響到達平衡時的反響商反響到達平衡時的反響商Q=KQK(C(H)/C)h(C(A)/C)a(H/C)h(A/C)aK(C(H)/C)h(C(A)/C)a(H/C)h(A/C)aaAhH假設假設留意：留意：Q表達式中各物質的濃度是恣表達式中各物質的濃度是恣意形狀下的濃度，其商值是意形狀下的濃度，其商值

18、是恣意的；恣意的；K表達式中各物質的濃度是表達式中各物質的濃度是平衡時的濃度，其商值在一平衡時的濃度，其商值在一定溫度下為一常數(shù)。定溫度下為一常數(shù)。5-3 5-3 規(guī)范平衡常數(shù)規(guī)范平衡常數(shù)K K 與與r G mr G m的的關系關系5-3-1 5-3-1 化學反響等溫式化學反響等溫式5-3-2 5-3-2 幾種熱力學數(shù)據(jù)之間的關系幾種熱力學數(shù)據(jù)之間的關系rGm= r G m +RT lnQR, 摩爾氣體常數(shù)8.314 Jmol-1 K-1 ;T, 熱力學溫度;Q,反響商.5-3-1 5-3-1 化學反響等溫式化學反響等溫式aA (aq)+ bB (aq) gG (aq) + hH (aq) C

19、GgCHhCAaCBbQ=化學反響處于平衡形狀時，rGm= 0, Q = K , rGm=-RTlnK可借助熱力學函數(shù)求算化學平衡常數(shù)?？山柚鸁崃W函數(shù)求算化學平衡常數(shù)。那么那么rGm= r G m +RT lnQ0 = r G m +RT ln K 在等溫下在等溫下所得K稱為熱力學平衡常數(shù)，是無量綱量。 數(shù)值上 Kc =K 普通地，KpK非平衡形狀時化學反響吉布斯自在能變化與平衡常數(shù)的關系?；瘜W反響等溫式對研討化學反響非常重要。由于利用它能判別等溫等壓下化學反響的方向和限制，并能為控制反響方向提供根據(jù)。rGm=-RTlnK+RTlnQQ = K ，rGm = 0 反響達平衡。Q K ，rGm

20、 0， 逆反響自發(fā)進展。Q K ，rGm 0， 正反響自發(fā)進展。 rGm=-RTlnK+RTlnQ5-3-2 5-3-2 幾種熱力學數(shù)據(jù)之間的關系幾種熱力學數(shù)據(jù)之間的關系rGm=ifGm(產(chǎn)物產(chǎn)物)-ifGm(反反響物響物)物質的規(guī)范摩爾生成吉布斯自在能物質的規(guī)范摩爾生成吉布斯自在能可查熱力學數(shù)據(jù)表得到可查熱力學數(shù)據(jù)表得到反響的規(guī)范摩爾吉布斯自在能改動量反響的規(guī)范摩爾吉布斯自在能改動量aA+bB=dD+eErGm=dfGm(D)+efGm(E)產(chǎn)產(chǎn)-afGm(A)+bfGm(B)反反反響的規(guī)范摩爾焓改動量反響的規(guī)范摩爾焓改動量rHm：aA+bB=dD+eErH=dfH(D)+efH(E)產(chǎn)產(chǎn)-

21、afH(A)+bfH(B)反反rHm=ifHm(產(chǎn)物產(chǎn)物)-ifHm(反響物反響物)物質的規(guī)范摩爾生成熱物質的規(guī)范摩爾生成熱可查熱力學數(shù)據(jù)表得到可查熱力學數(shù)據(jù)表得到反響的規(guī)范摩爾熵改動量反響的規(guī)范摩爾熵改動量rSm：aA+bB=dD+eErSm=dSm(D)+eSm(E)產(chǎn)產(chǎn)-aSm(A)+bSm(B)反反rSm=iSm(產(chǎn)產(chǎn)物物)-iSm(反響物反響物)物質的規(guī)范熵查熱力學數(shù)據(jù)表物質的規(guī)范熵查熱力學數(shù)據(jù)表aA+bB=dD+eErGm=rHm-TrSm留意：不是熱力學數(shù)據(jù)表中的留意：不是熱力學數(shù)據(jù)表中的.fGm,規(guī)范摩爾生成吉布斯規(guī)范摩爾生成吉布斯自在能自在能fHm,規(guī)范摩爾生成熱規(guī)范摩爾生成

22、熱Sm,規(guī)范熵規(guī)范熵用公式 處置問題需求留意兩點：1該式是經(jīng)近似處置而得，所以求得數(shù)值為近似值。2是指反響物和產(chǎn)物皆處于規(guī)范形狀的情況。rGm=rHm-TrSm5-4 化學平衡的挪動什么是化學平衡挪動？ 5-4-1 濃度對平衡的影響5-4-2 壓強對平衡的影響5-4-3 溫度對平衡的影響5-4-1 濃度對平衡的影響體系處于化學平衡形狀時，體系處于化學平衡形狀時，添加某一物質的濃度，添加某一物質的濃度，平衡就會向減少這一物質平衡就會向減少這一物質所添加的濃度的方向挪動。所添加的濃度的方向挪動。舊平衡舊平衡新平衡新平衡N2(g)+3H2(g)2NH3(g)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)絕絕

23、熱熱膨膨脹脹U=Q-W由由Q=0故故U=-W膨膨當繼續(xù)減少當繼續(xù)減少NH3或添加或添加N2、H2時時C2NH3/CN2C3H2=QKN2(g)+3H2(g)2NH3(g)在其它條件不變的情況下，在其它條件不變的情況下，添加反響物濃度或減少生成添加反響物濃度或減少生成物濃度，化學平衡向著正反物濃度，化學平衡向著正反響方向挪動。響方向挪動。aA+bBdD+eEaA+bBdD+eE添加生成物濃度或者減少添加生成物濃度或者減少反響物的濃度，反響物的濃度，化學平衡向著逆反響的方化學平衡向著逆反響的方向挪動。向挪動。棕色棕色NO2N2O4P增大增大5-4-2 壓強對平衡的影響N2O4(g)2NO2(g)無

24、色無色對于氣體反響，理想混合氣體中各組分氣體的活度為: B=PB/PB=PB/P B:物質物質B，PB:組分氣體的分壓組分氣體的分壓Pa，P:規(guī)范壓力即規(guī)范壓力即105Pa。稀溶液中稀溶液中,活度活度濃度。濃度。一、有氣體參與，但反響前后氣一、有氣體參與，但反響前后氣體分子數(shù)目不等的反響。體分子數(shù)目不等的反響。如：如：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)P2NH3PN2P3H2=KpN2(g)+3H2(g)2NH3(g)假設平衡體系的總壓力添加到原假設平衡體系的總壓力添加到原來的兩倍：來的兩倍：QpKpQp=1/4Kp(2PNH3)2(2PH2)3(2PN2)=4/16(P2NH3/P3H2

25、PN2)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)假設將平衡體系的壓力降低到原來的一假設將平衡體系的壓力降低到原來的一半，半， QpKp=16/4(P2NH3/P3H2PN2)=4KpQp=(1/2PNH3)2(1/2PH2)3(1/2PN2)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)在等溫下，增大總壓力，平衡向在等溫下，增大總壓力，平衡向氣體分子數(shù)減少的方向挪動；氣體分子數(shù)減少的方向挪動；減小總壓力，平衡向氣體分子數(shù)減小總壓力，平衡向氣體分子數(shù)添加的方向挪動。添加的方向挪動。二、有氣體參與，但反響前后氣二、有氣體參與，但反響前后氣體分子數(shù)相等的反響。體分子數(shù)相等

26、的反響。CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)PCO2PH2/PCOPH2O=KpCO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)當體系壓力添加到原來兩倍時，當體系壓力添加到原來兩倍時，Qp=2PCO22PH2/2PCO2PH2O=4PCO2PH2/4PCOPH2O=Kp在有氣體參與的可逆反響中，在有氣體參與的可逆反響中，假設氣態(tài)反響物的總分子數(shù)假設氣態(tài)反響物的總分子數(shù)和氣態(tài)生成物總分子數(shù)相等，和氣態(tài)生成物總分子數(shù)相等，在等溫下，添加或降低總壓在等溫下，添加或降低總壓力，對平衡沒有影響。力，對平衡沒有影響。三、對于溶液中進展的三、對于溶液中進展的反響，改動總壓力對平反響，改動總壓力對平衡幾乎沒有什么影響。衡幾乎沒有什么影響。由于壓力對液體的體積由