第三章化学平衡与化学反应速率课件.ppt
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- 第三 化学平衡 化学反应 速率 课件
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1、.化学反应问题:化学反应问题:1、化学反应在给定条件下能否进行?如果不能进行,其能进行的条件是什么?2、可以自发进行的反应,其进行程度如何?3、可以进行的反应,其反应速率如何?化学热力学G判断化学平衡化学动力学化学反应速率.第一节第一节 化学平衡化学平衡化学平衡化学平衡平衡常数表达式平衡常数表达式平衡常数与吉布斯自由能变平衡常数与吉布斯自由能变.一、可逆反应一、可逆反应 化学平衡化学平衡 同一条件下,既能向正反应方向进行,又能向逆反应方向进行的反应。一般化学反应都具有一定的可逆性。例:装密N2O4气体的闭容器内气体颜色。P106. 0 0.0100 0.0100 0 7.60106 02000
2、 0.00397 0.00397 0.0121 1.20106 2.04107 4850 0.00213 0.00213 0.0157 3.45 107 3.43107 t/s正逆11sLmol1Lmol/c反应开始 :c(H2),c(I2)最大,c(HI) = 0, 较大, 为0;反应进行: c(H2),c(I2)减小, 减小, c(HI)增大, 增大;某一时刻: 系统组成不变,达到平衡状态。正逆0逆正逆正2HI(g) (g)I(g)H22. 在一定条件下,可逆反应处于化学平衡状态:0正逆特征:(1)系统的组成不再随时间而变。(2)化学平衡是动态平衡。(3)化学平衡状态随外界条件而变化。(4
3、)平衡组成与达到平衡的途径无关。.二、化学二、化学平衡常数平衡常数 一定条件下,当系统处于化学平衡状态时,系统内各组成不再随时间变化,各相关物质浓度也不随时间变化。 它们之间是否存在一定的关系呢? 实验表明,不论各物质的初始浓度如何,体系达到平衡状态时,各物质浓度之间存在这某种特定关系。可逆反应:eEdDbBaA一定温度下的平衡状态,各浓度存在下列关系: cbeqaeqeeqdeqKBcAcEcDc)()()()(Kc称为化学实验平衡常数,或经验平衡常数称为化学实验平衡常数,或经验平衡常数.化学平衡定律: 一定温度下,某可逆反应达到平衡状态时,产物浓度系数次方的乘积与反应物浓度系数次方的乘积之
4、比是一个常数。明确两点: 1、化学平衡常数只与温度有关,而与相关物质的浓度无关。 2、利用化学平衡常数可以计算某平衡状态各物的浓度。例题:P108.书写化学平衡常数的规则:书写化学平衡常数的规则:1、反应中若有固体和纯液体参加,其浓度不写在平衡关系式中。平衡关系式只包括气态物质和溶液中各溶质的浓度。例题:P1092、稀的水溶液中进行的反应,水的浓度不写在平衡关系式中。若是非水溶液中进行的反应有水参加或生成,则必须表示在平衡关系式中。例题:P1093、同一化学反应采用不同的化学反应方程式时,其平衡常数关系式及相应的平衡常数有不同值。例题:P110.222HI(g) (g)I21(g)H21K12
5、2 2HI(g) (g)I(g)HKppppppK/I/H/HI2221 2112122122)(/I/H/HIKppppppK322 (g)I(g)H HI(g)2K 112223)(/HI/I/HKppppppK. 对于有气体参加的反应在平衡态时,其平衡常数关系式除对于有气体参加的反应在平衡态时,其平衡常数关系式除用浓度表示外,还可用平衡时各气体的分压来表示。用浓度表示外,还可用平衡时各气体的分压来表示。对一般的气体反应达到平衡状态时:eEdDbBaA平衡常数为: beqaeqeeqdeqcBcAcEcDcK)()()()(对于理想气体:RTpVncnRTpVRTEpEcRTDpDcRTB
6、pBcRTApAceqeqeqeq)()(,)()(,)()(,)()(. )()()()()()()()()()()(edbabeqaeqeeqdeqbeqaeqeeqdeqcRTBpApEpDp BcAcEcDcK )()()()()()()(baedcbeqaeqeeqdeqpRTK BpApEpDpK. 将实验平衡常数表达式中各物质的浓度或分压分别用相对浓度或分压代替,即得到标准平衡常数(热力学平衡常数)。其单位为1,表达式如下:)()()()(leEgdDsbBaqaAdacAcpDpK)()(其中,c是热力学的标准浓度,其值为1.0 moL.L-1。 p是热力学的标准压力,其值为1
7、00 kPa。.)2HI(g(g)I(g)H22/ )I (/ )H(/ )HI(222ppppppK对于气相反应:232224FeSnFeSn/cc /cc/cc /ccK对于溶液中的反应: Sn2+(aq)+2Fe3+(aq) Sn4+ (aq)+2Fe2+(aq).对于一般的化学反应: b a y x ccppccppK zyxcba/B/A/Y/XZ(l)Y(aq)X(g) C(s)B(aq)A(g)(1)K是温度的函数,与浓度、分压无关。(2)单位与书写的公式有关(3)生成的水不用写出(4)要注意温度条件,一般默认时298K(5)标准平衡常数表达式必须与化学反应计量式相对应。. 例例
8、 反应反应 A ( g ) 2 B ( g ) 在某温度达到平衡在某温度达到平衡时,各组分的分压均为时,各组分的分压均为 1.013 10 5 Pa,求其经验平衡常数,求其经验平衡常数 Kp 和标准平衡常数和标准平衡常数 K 。 Pa10013. 1Pa10013. 1)Pa10013. 1 (ppK5525A2Bp 解:解:111Pa510013.1Pa510013.1Pa510013.1Pa510013.12pp2pp)()(KAB.平衡常数的实验测定:平衡常数的实验测定:例题 :恒温恒容条件下,GeO(g)与W2O6 (g) 反应生成GeWO4 (g) : 2GeO (g) +W2O6
9、(g) 2 GeWO4 (g) 若反应开始时,GeO和W2O6 的分压均为100.0kPa,平衡时 GeWO4 (g) 的分压为98.0kPa。求平衡时GeO和W2O6的分压以及反应的标准平衡常数。.解: 2GeO (g) + W2O6 (g) 2 GeWO4 (g)开始pB/kPa: 100.0 100.0 0变化pB/kPa: -98.0 -98.0/2 98.0平衡pB/kPa: 100.0-98.0 100.0- 98.0/2 98.0 p(GeO)=100.0 kPa - 98.0 kPa =2.0kPa p(W2O6)=100.0 kPa - 98.0/2kPa=51.0 kPa
10、104.71000 .511000 .21000 .98 /OW/GeO/GeWO32262224ppppppK.化学平衡常数的意义:化学平衡常数的意义:1、平衡常数的数值大小可以判断反应可能进行的程度。 Kc很小的平衡体系,其平衡产物的浓度很小,说明反应进行的程度较小。 Kc很大的平衡体系,产物浓度大,反应程度较大。 Kc不大也不小时,反应物和产物浓度都不可忽略,是典型的可逆反应。.2、利用体系中有关物质的浓度商与Kc比较可判断反应方向。浓度商(Qc):反应中产物浓度系数次方的乘积与反应物浓度系数次方的乘积之比。 baedcBcAcEcDcQ)()()(.)(如果Qc Kc,说明反应达到平衡
11、;如果Qc Kc,反应未达到平衡状态,正在逆向进行;如果Qc Kc,反应未达到平衡状态,正在正向进行。.%49%100kPa0.100kPa0.510.100OW%98%100kPa0.100kPa0.20.100GeO)(62:见前例例如3、利用Kc可以计算平衡转化率。BBBB0eq0defnnn练习题:P140习题1、2、3.023. 0051. 045. 0213KKK例题:已知25时反应(1)2BrCl(g) Cl2(g) + Br2(g) 的 = 0.45(2)I2(g) + Br2(g) 2IBr(g) 的 = 0.051计算反应(3)2BrCl (g) + I2(g) 2IBr(
12、g)+ Cl2(g)的 。1K2K3KP141 习题6多多 重重 平平 衡衡 原原 理理解:反应(1)+ (2)得: 2BrCl (g)+ I2(g) 2IBr(g)+ Cl2(g).三、三、平衡常数与吉布斯自由能变平衡常数与吉布斯自由能变 化学等温方程式。用该式可以求出化学等温方程式。用该式可以求出 任意状态下体任意状态下体系的系的 rGm , 做为非标准态下化学反应进行方向的判据。做为非标准态下化学反应进行方向的判据。 rGm (T) = rG m (T) + RTlnQ 化学热力学认为:化学反应进行到任意时刻时,体系化学热力学认为:化学反应进行到任意时刻时,体系的的 rGm、标准吉布斯自
13、由能标准吉布斯自由能 rG m、和反应商、和反应商Q 之间存在之间存在下列关系:下列关系: 前面讨论了体系在等温等压条件下的标准吉布斯自由能可以用来判断标准状态下化学反应的方向。但在实际反应中,各物质不会总是处于标准状态,更多地处于非标准状态。这种情况下的吉布斯自由能与标准吉布斯自由能存在怎样的关系呢? 0 非自发非自发.反应商反应商Q Q与标准平衡常数与标准平衡常数K K 的异同:的异同:同:两者的书写形式和注意事项是一致的;异:Q代表反应在任意时刻时,系统内各物质数量间的关系; K仅代表反应达到平衡状态时,系统内各物质数量间的关系。当体系处于平衡时:当体系处于平衡时: rGm (T) =
14、0 ,同时同时Q = K 故化学反应等温式故化学反应等温式 rGm (T) = rG m (T) + RTlnQ 变为:变为: 0 = rG m(T) + RTln K 即即: rG m (T) = RTln K . 这一公式极为重要,它将两个重要的热力学数据这一公式极为重要,它将两个重要的热力学数据 rG m 和和 K 联系起来。联系起来。 将将 rG m = RTlnK 代入化学等温式,得代入化学等温式,得: rGm = RTlnK + RTlnQKQlnRTrGm即即这个式子将非标准态下的两种判据联系起来:这个式子将非标准态下的两种判据联系起来: Q K 时,时, rGm (T) K 时
15、,时, rGm (T) 0,反应逆向进行反应逆向进行; Q = K 时,时, rGm (T) = 0,反应达到平衡反应达到平衡。.例题:P115116例1、例2练习题:P142习题10、11、12.第二节第二节 化学平衡的移动及影响因素化学平衡的移动及影响因素化学平衡的移动: 当外界条件改变时,化学平衡被破坏,化学反应从一种平衡状态逐渐转变到另一种平衡状态,平衡发生了移动。化学平衡的特点: 动态性、相对性、有条件性、暂时性平衡移动的影响因素是多方面的,包括浓度、温度、压力等。. 根据化学等温方程式:根据化学等温方程式: 体系达到平衡状态时, 反应商 Q = K当c(反应物)增大,或c(生成物)
16、减小时, Q K , 平衡向逆向移动。KQlnRTrGm一、浓度对化学平衡的影响一、浓度对化学平衡的影响.在其它条件不变的情况下,增加反应物的浓度或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;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。着逆反应的方向移动。在可逆反应中,为了尽可能利用某一反应物,经在可逆反应中,为了尽可能利用某一反应物,经常用过量的另一种物质和它作用。常用过量的另一种物质和它作用。不断将生成物从反应体系中分离出来,则平衡将
17、不断将生成物从反应体系中分离出来,则平衡将不断向生成产物的方向移动。不断向生成产物的方向移动。.例题:例题: 25oC时,反应 Fe2+(aq)+ Ag+(aq) Fe3+(aq) +Ag(s) 的K=3.2。 (1)当c(Ag+)=1.00 10-2 molL-1, c(Fe2+)= 0.100 molL-1, c(Fe3+)= 1.00 10-3 molL-1时,反应向哪一方向进行? (2)平衡时, Ag+ ,Fe2+,Fe3+的浓度各为多少? (3) Ag+ 的转化率为多少? (4)如果保持Ag+ ,Fe3+的初始浓度不变,使c(Fe2+)增大至0.300 molL-1,求Ag+ 的转化
18、率。.解: (1)计算反应商,判断反应方向:00.11000.1100.01000.1 /Ag/Fe/Fe2323ccccccQ Q K, 反应正向进行.开始cB/(molL-1) : 0.100 1.0010-2 1.0010-3 变化cB/(molL-1) : -x -x x平衡cB/(molL-1) : 0.100-x 1.0010-2-x 1.0010-3+x(2)计算平衡组成: Fe2+(aq)+ Ag+(aq) Fe3+(aq) +Ag(s).xxxccccccK23231000.1100.01000.12.3/Ag/Fe/Fe所以平衡时各物质浓度分别为: c(Ag+)=8.4 1
19、0-3molL-1 c(Fe2+)=9.8410-2 molL-1 c(Fe3+)= 2.6 10-3molL-1 解得: x=1.610-3.(3)求 Ag+ 的转化率: %16 %1001000.1106.1 AgAgAgAg23001ccceq.说明平衡向右移动。AgAg%4311000. 11000. 1300. 01000. 1101.002 . 312222-22-2-2-3 (4) 设达到新的平衡时Ag+ 的转化率为2 Fe2+(aq) + Ag+(aq) Fe3+(aq) +Ag(s) 平衡 0.300- 1.0010-2 1.0010-3+ cB/(molL-1) 1.001
20、0-22 (1- 2) 1.0010-2 2. 实际生产生活中常加大廉价反应物的量或不断取走生产物,使平衡朝有利方向进行。 如合成氨工业生产中,采取不断取走氨的方法,促使反应不断进行; 而在碳燃烧过程中,常通过鼓风提供充足的氧,促进生成二氧化碳气体。.二、温度对化学平衡的影响二、温度对化学平衡的影响RSRTH RTSTHRTGInKmrmrmrmrmr 温度变化范围不是非常大时,H和S受温度影响不大,近似看成常数。上式对温度求导得:2RTHdTdInKmr.升高温度,平衡向吸热方向移动;升高温度,平衡向吸热方向移动; 降低温度,平衡向放热方向移动。降低温度,平衡向放热方向移动。 对于吸热反应,
21、 , 当 温度升高时, K增大,即平衡正向移动。0mrH0dTdInK 显然,显然,KK( (T T) )是温度的函数。是温度的函数。 温度变化将引起温度变化将引起KK( (T T) )的的变化,导致化学平衡发生移动。变化,导致化学平衡发生移动。0mr H0dTdInK 对于放热反应, , 当温度升高时,K减小,即平衡逆向移动。.21mr1211303.2lgTTRHKK例题:P120例4练习:P141习题9 根据前式,可以由某温度下的标准平衡常数求算另一温度下的标准平衡常数。公式变换后得到下列方程式:21mr1211TTRHKKIn或者:.三、压力对化学平衡的影响三、压力对化学平衡的影响等温
22、下,增大总压强,平衡向气体分子数减少等温下,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的方向移动;减压,则平衡向气体分子数增加的方向移动。如:向移动。如:673K时反应:时反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)如果气态反应物的总分子数和气态生成物总分如果气态反应物的总分子数和气态生成物总分子数相等,在等温下,增加或降低总压强,对平衡子数相等,在等温下,增加或降低总压强,对平衡没有影响。如:没有影响。如:773K时反应:时反应: CO+H2OH2+CO2.1. 部分物种分压的变化部分物种分压的变化 如果保持温度、体积不变,增大反应物的分压或减小生成物的分压
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