化学平衡精品PPT课件.pptx
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1、 在研究物质的变化时,人们不仅注意反应的在研究物质的变化时,人们不仅注意反应的方向和反应的速率,而且也十分关心化学反应可方向和反应的速率,而且也十分关心化学反应可以完成的程度,即在指定的条件下,反应物可以以完成的程度,即在指定的条件下,反应物可以转变成产物的最大限度。这就是我们要讨论的化转变成产物的最大限度。这就是我们要讨论的化学平衡问题。学平衡问题。 本章讨论的本章讨论的主要内容有:主要内容有: 1 1化学平衡和平衡常数的概念化学平衡和平衡常数的概念 2 2多重平衡规则多重平衡规则 3 3化学平衡的计算化学平衡的计算 4 4标准平衡常数与标准平衡常数与标准自由能变的关系标准自由能变的关系 5
2、 5化学平衡移动的原理。化学平衡移动的原理。 5-1 化学反应的可逆性和化学平衡化学反应的可逆性和化学平衡可逆反应:可逆反应:在一定条件下,一个化学反应即可从左在一定条件下,一个化学反应即可从左 向右进行,又可以从右向左进行的反应向右进行,又可以从右向左进行的反应 叫可逆反应。叫可逆反应。 例如:例如:CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2 (g) Ag +(aq) + Cl - (aq) AgCl (s) 化学反应的这种性质叫反应的可逆性。几乎所有化学反应的这种性质叫反应的可逆性。几乎所有的反应都具有可逆性,只是可逆性程度不同。习惯上,的反应都具有可逆性,只是可逆性程度不同。习
3、惯上,我们把可逆性显著的化学反应,称为可逆反应(用箭我们把可逆性显著的化学反应,称为可逆反应(用箭头表示);可逆性不显著的化学反应,称为不可逆反头表示);可逆性不显著的化学反应,称为不可逆反应(用平行线表示)。可逆反应最终将导致化学平衡应(用平行线表示)。可逆反应最终将导致化学平衡状态(即可逆化学反应可以完成的最大限度)。状态(即可逆化学反应可以完成的最大限度)。化学平衡:化学平衡:在可逆反应中,正反应速度与逆反应速在可逆反应中,正反应速度与逆反应速 度相等时的状态,称为化学平衡状态,度相等时的状态,称为化学平衡状态, 简称化学平衡。简称化学平衡。 在化学平衡状态下:反应并未停止,只是正逆在化
4、学平衡状态下:反应并未停止,只是正逆反应速度相等。即反应速度相等。即 v正正 = v逆逆 ,因此化学平衡是一种动,因此化学平衡是一种动态平衡。态平衡。 H2(g) + I2(g) 2HI(g) 平衡条件包括体系各物质的浓度、温度、压力平衡条件包括体系各物质的浓度、温度、压力条件的改变,平衡将发生移动。条件的改变,平衡将发生移动。 化学平衡的特点化学平衡的特点 平衡是动态的平衡是动态的 到达平衡状态的途径是双向的到达平衡状态的途径是双向的 对上述反应,不论从哪个方向都能到达同一平衡状对上述反应,不论从哪个方向都能到达同一平衡状态。温度一经确定态。温度一经确定,CO2的平衡压力也就确定,在该的平衡
5、压力也就确定,在该压力下产生压力下产生CO2的速率等于它转化为的速率等于它转化为CaCO3的速率。的速率。 系统各组分无限期保持恒定并不意味着正、逆反系统各组分无限期保持恒定并不意味着正、逆反应的终止,只不过朝两个方向进行的速率相等而已。应的终止,只不过朝两个方向进行的速率相等而已。如反应:如反应: CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)平衡时,平衡时,CaCO3仍不断分解为仍不断分解为CaO和和CO2, CaO与与CO2仍在不断形成仍在不断形成CaCO3(用放射性同位素用放射性同位素14C标记法)标记法) 平衡状态是两种相反趋势导致的折中状态平衡状态是两种相反趋势导致的折中状态 两
6、种相反趋势是指系统总是趋向最低能量的趋两种相反趋势是指系统总是趋向最低能量的趋势和趋向最大混乱度的趋势。势和趋向最大混乱度的趋势。CaCO3的分解成气态的分解成气态CO2分子的混乱度更高。如果只有熵变这一因素,分子的混乱度更高。如果只有熵变这一因素,CaCO3将会完全分解。然而将会完全分解。然而CaCO3的分解为吸热过的分解为吸热过程,熵变有利的这一反应焓变却不利。逆反应的情程,熵变有利的这一反应焓变却不利。逆反应的情况恰好颠倒过来况恰好颠倒过来: 熵变不利而焓变却有利。可以认为,熵变不利而焓变却有利。可以认为,平衡系统中平衡系统中CO2的分压反映了两种趋势导致的折中的分压反映了两种趋势导致的
7、折中状态。状态。 化学平衡规律适用于各种平衡(电离平衡,酸碱化学平衡规律适用于各种平衡(电离平衡,酸碱平衡、沉淀平衡、氧化还原平衡、配位平衡)。平衡、沉淀平衡、氧化还原平衡、配位平衡)。5-2 平衡常数平衡常数 2-1 经验平衡常数经验平衡常数 参与反应的物质按一定比例组成反应混合物。参与反应的物质按一定比例组成反应混合物。平衡时,各组分的浓度不再改变。但反应混合物的平衡时,各组分的浓度不再改变。但反应混合物的组成不同时,平衡体系的组成并不相同。看如下的组成不同时,平衡体系的组成并不相同。看如下的反应数据:反应数据: CO2 H2 CO H2O CO2 H2 CO H2O 0.01 0.01
8、0 0 0.004 0.004 0.006 0.006 2.3 0.01 0.02 0 0 0.0022 0.0122 0.0078 0.0078 2.3 0.01 0.01 0.001 0 0.0041 0.0041 0.0069 0.0059 2.4 0 0 0.02 0.02 0.0082 0.0082 0.0118 0.0118 2.1CO2 (g) + H2(g) CO(g) + H2O(g) 起始浓度起始浓度 / moldm3 平衡浓度平衡浓度 / moldm3HCOOHCO222通过以上数据可以看出,无论反应从哪个方向开始,通过以上数据可以看出,无论反应从哪个方向开始,尽管平衡组
9、成不同,但尽管平衡组成不同,但 的值是不变的。的值是不变的。 据此可以得到结论,在一定温度下,可逆反应达据此可以得到结论,在一定温度下,可逆反应达平衡时,生成物浓度以反应方程式中计量系数为指数平衡时,生成物浓度以反应方程式中计量系数为指数幂的乘积与反应物浓度以反应方程式中计量系数为指幂的乘积与反应物浓度以反应方程式中计量系数为指数幂的乘积之比为一常数,称为可逆反应的数幂的乘积之比为一常数,称为可逆反应的经验平衡经验平衡常数常数 (或实验平衡常数)用(或实验平衡常数)用 Kc 表示。表示。 对任一可逆反应对任一可逆反应 aA +bB eE + dDHCOOHCO222Kc = Ee Dd Aa
10、Bb 方括号内表示的是物质的平衡浓度方括号内表示的是物质的平衡浓度 Kc 是用平衡浓度表示的平衡常数是用平衡浓度表示的平衡常数从经验平衡常数从经验平衡常数 Kc 的表达式中可以看出,的表达式中可以看出,Kc 的单的单位是:位是:mol dm3( e + d ) ( a + b)即为浓度的某次幂。即为浓度的某次幂。 当当 (e + d) = (a + b) 时,时, Kc 无单位无单位 对于气相反应:对于气相反应: a A (g) +b B (g) eE (g) + dD (g) 对于气相反应,用物质的平衡分压表示气态可逆对于气相反应,用物质的平衡分压表示气态可逆反应的经验平衡常数反应的经验平衡
11、常数 Kp。 对同一个反应:对同一个反应:Kc 和和Kp 数值可能不等,二者之数值可能不等,二者之间的关系:间的关系: Kp = Kc (RT) n n = (e+d) - (a+b) n = 0 Kp = Kc P:Pa ; V:m3 ; T:K ; R=8.314Jmol-1K-1 Kp = pEe PDd PAa PBb 在某一温度下达平衡:在某一温度下达平衡: 注意注意:(1 1)平衡状态,平衡体系各物质浓度保持不变,但各)平衡状态,平衡体系各物质浓度保持不变,但各 物质浓度值与初始浓度有关。物质浓度值与初始浓度有关。(2 2)平衡常数与各物质初始浓度无关但与温度有关。)平衡常数与各物
12、质初始浓度无关但与温度有关。2-2 平衡常数表达式的书写要求和多重平衡规则平衡常数表达式的书写要求和多重平衡规则1.1.平衡常数表达式的书写要求平衡常数表达式的书写要求 反应体系中纯固体,纯液体及水溶液中的水的反应体系中纯固体,纯液体及水溶液中的水的浓度不写入平衡常数表达式中。如浓度不写入平衡常数表达式中。如: Cr2O72-(aq) + H2O 2 CrO42-(aq) + 2H+(aq) H2O 为液相,不写入。为液相,不写入。 OCrHCrOKc2722224-+-= = 复相反应的经验平衡常数用复相反应的经验平衡常数用 K 表示,即不是表示,即不是KC也不是也不是KP例:例: CaCO
13、3(S) CaO(S) + CO2(g) 复相反应复相反应 K = PCO2 对非水溶液反应,如有水生成或有水参加,必对非水溶液反应,如有水生成或有水参加,必须写上。如醋酸和乙醇的酯化反应须写上。如醋酸和乙醇的酯化反应: : C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2O 同一化学反应,平衡常数关系式因化学方程式同一化学反应,平衡常数关系式因化学方程式的写法不同而异。的写法不同而异。Kc = CH3COOC2H5 H2O CH3COOH C2H5OH N2O4(g) 2NO2 (g) K1= 0.36 N2O4(g) NO2(g) K2 = K11/2 = 0.60 2NO
14、2(g) N2O4(g) K3 = 1/K1 = 2.78 因此要使用与反应方程式对应的平衡常数因此要使用与反应方程式对应的平衡常数2.2.多重平衡规则多重平衡规则 某个反应可以表示为两个反应的和某个反应可以表示为两个反应的和( (或差或差) ),则总,则总反应的平衡常数等于各分反应平衡常数之积反应的平衡常数等于各分反应平衡常数之积( (或商或商) )。这个关系称为多重平衡规则。这个关系称为多重平衡规则。(1) H2(g) + O2 H2O(g) K1 (2) CO2(g) CO(g) + O2 K2 (3) H2(g) + CO2(g) H2O(g) + CO(g) K3 (3) = (1)
15、 + (2) 同理:同理: (1)= (3)- - (2) K1 = K3 / K2注意:在处理多重平衡关系中注意:在处理多重平衡关系中, ,所有平衡常数必须在所有平衡常数必须在 同一个温度。同一个温度。2-3 平衡常数与化学反应的程度平衡常数与化学反应的程度 体系达平衡时,体系中各物质浓度不再随时间体系达平衡时,体系中各物质浓度不再随时间而改变,这时反应物已最大限度地转变为产物。而改变,这时反应物已最大限度地转变为产物。 平衡常数平衡常数 KC 越大,反应进行程度越大。越大,反应进行程度越大。 我们可以用转化率我们可以用转化率 来标志化学反应在某个具来标志化学反应在某个具体条件下的完成程度。
16、体条件下的完成程度。 K3 = = = K1 K2H2OCOH2CO2H2OH2O2O2COCO2 转化率转化率%=已转化为产物的总量已转化为产物的总量/ /反应物起始的总量反应物起始的总量 例:例:反应反应 CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)在在 773K 时时, ,平衡常数平衡常数 Kc = 9,如反应开始时,如反应开始时CO和和H2O的浓度都是的浓度都是0.020 molL-1,计算在这条件下,计算在这条件下,CO的转化率最大是多少?的转化率最大是多少? 解:设平衡时解:设平衡时CO2和和H2的浓度为的浓度为x molL-1 CO(g) + H2O(g) CO2(g) +
17、 H2(g)初始浓度初始浓度: : 0.020 0.020 0 0平衡浓度平衡浓度: : 0.020-x 0.020-x x x 解得解得: :x = 0.015 (molL-1 ) 转化率转化率 = 0.015/ 0.020 100 = 75 % K = = 9x2(0.020-x)2 利用同样的方法,可以分别求得当利用同样的方法,可以分别求得当 Kc = 4 和和 Kc = 1 时,时,CO的平衡转化率分别为的平衡转化率分别为 67% 和和 50%,可,可以说,在其它条件相同时以说,在其它条件相同时 Kc 越大,平衡转化率越高。越大,平衡转化率越高。 虽然虽然Kc和转化率都可以表示反应进行
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