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第三单元化学平衡的移动第一课时 化学反应原理专题2化学反应速率与化学平衡 复习回顾 化学平衡状态有什么特点 2 化学平衡状态被破坏后 会发生什么变化 化学平衡1v正 v逆 0 v 正 v 逆 0 平衡被破坏v 正 v 逆 化学平衡2v 正 v 逆 0 也就是说 条件变化 速率变化与化学平衡的移动 一 化学平衡的移动 哪些条件的变化会对化学平衡的移动产生影响 可能是浓度 温度 压强 催化剂 二 影响化学平衡移动的条件1 浓度的变化对化学平衡的影响 已知铬酸根和重铬酸根离子间存在如下平衡 溶液由黄色向橙色转变 溶液由橙色向黄色转变 增大氢离子浓度 可使化学平衡向逆反应方向移动 减小氢离子浓度 可使化学平衡向正反应方向移动 浓度引起平衡移动的v t图分析 1 浓度的变化对化学平衡的影响 V 正 V 逆平衡正向移动 结论 增加反应物浓度或减小生成物的浓度可使平衡正向移动 浓度引起平衡移动的v t图分析 1 浓度的变化对化学平衡的影响 V 逆 V 正平衡逆反应方向移动 结论 减少反应物的浓度或增加生成物的浓度可使平衡向逆反应方向移动 增大反应物A浓度的瞬间 c A 增大 c B c C c D 保持不变 则 平衡向正反应方向移动 平衡常数可表示为 减少反应物A浓度的瞬间 c A 减少 c B c C c D 保持不变 则 平衡向逆反应方向移动 从化学平衡常数角度分析 结论 其它条件不变的情况下 1 浓度的变化对化学平衡移动的影响 2 压强变化对化学平衡的影响 1 增大压强 对于有气体参加和气体生成的化学反应来讲 由于缩小了体积 气体的浓度增大 2 若两边都有气体 则改变压强 反应物和生产物的浓度均受影响 对于某些有气体参与的可逆反应 由于压强的改变引起了浓度的改变 有可能使平衡发生移动 请写出下列可逆反应的平衡常数表达式 利用反应物与生成物浓度的变化来解释增大或减小体系的压强对平衡的影响 结论及应用 平衡常数可表示为 若a b 即正反应方向是气体分子数目减少的反应 增大压强 平衡向正反应方向移动 若a b 即正反应方向是气体分子数目增多的反应 增大压强 平衡向逆反应方向移动 若a b 即反应前后气体分子数目不变的反应 改变反应体系的压强 平衡不发生移动 2 压强变化对化学平衡的影响 总结 1 增大压强 化学平衡向着气体分子数目减少的方向移动 2 减小压强 化学平衡向着气体分子数目增多的方向移动 3 对于反应前后气体分子数目不变的反应 改变压强平衡不移动 对于反应前后气体分子数目不变的反应 压强引起平衡移动的相关v t图分析 V 正 V 逆平衡不移动 V 小 V 大平衡向气体体积减小的方向移动 V 大 V 小平衡向气体体积增大的方向移动 结论 增加压强可使平衡向气体分子数目减小的方向移动 减小压强可使平衡向气体分子数目增大的方向移动 压强引起平衡移动的v t图分析 2 压强的变化对化学平衡的影响 反应前后气体分子数有变化的体系 3 温度变化对化学平衡的影响 3 温度变化对化学平衡的影响 温度的改变对正逆反应速率都会产生影响 但影响的程度不同 温度的变化对吸热反应的速率比放热反应的速率影响大 具体表现在 升高温度 正 逆反应速率都增大 但增大的倍数不一样 吸热反应增大的倍数大 降低温度 正 逆反应速率都减小 但降低的倍数不一样 吸热反应降低的倍数大 3 温度变化对化学平衡的影响 V吸 V放平衡向吸热方向移动 结论 其他条件不变 升高温度平衡向吸热反应方向移动 温度引起平衡移动的相关v t图分析 3 温度变化对化学平衡的影响 温度引起平衡移动的相关v t图分析 V放 V吸平衡向放热反应方向移动 结论 其他条件不变 降低温度平衡向放热反应方向移动 3 温度变化对化学平衡的影响 注意 温度的变化一定会影响化学平衡 使平衡发生移动 结论 在其他条件不变时 温度升高 会使化学平衡向吸热反应的方向移动 温度降低会使化学平衡向放热的方向移动 4 催化剂对化学平衡的影响 催化剂降低了反应的活化能 正反应的活化能降低 逆反应的活化能也降低 正反应的活化分子百分数增加几倍 逆反应的活化分子百分数也增加几倍 正逆反应速率增加的倍数相等 加催化剂 不能使平衡发生移动 只影响到达平衡的时间 催化剂同等程度的改变正 逆反应速率 V正 V逆 使用催化剂 对化学平衡无影响 正催化剂能缩短平衡到达的时间 4 使用催化剂对化学平衡的影响 总结 改变反应条件时平衡移动的方向 早在1888年 法国科学家勒夏特列就发现了这其中的规律 并总结出著名的勒夏特列原理 也叫化学平衡移动原理 如果改变影响平衡的一个条件 如浓度 温度 或压强等 平衡就向能够减弱这种改变的方向移动 化学平衡移动原理 勒夏特列原理 如果改变影响平衡的一个条件 如浓度 温度 或压强等 平衡就向能够减弱这种改变的方向移动 注意 是 减弱 这种改变 不是 消除 这种改变 勒夏特列原理适用于任何动态平衡体系 如 溶解平衡 电离平衡 沉淀平衡 水解平衡等 未平衡状态不能用此来分析 平衡移动原理只能用来判断平衡移动方向 但不能用来判断建立平衡所需时间 N2 g 3H2 g 2NH3 g H 92 4kJ mol 1 已知N2与H2反应合成NH3是一个可逆反应 其热化学方程式为 合成氨的工艺流程如图2 24所示 在工业生产中 可以通过以下途径来提高合成氨的产率 请利用有关知识分析采取这些措施的原因 1 向反应器中注入过量N2 2 采用适当的催化剂 3 在高压下进行反应 4 在较高温度下进行反应 科学成就翻阅诺贝尔化学奖的记录 就能看到处1916 1917年没有颁奖 因为这期间 欧洲正经历着第一次世界大战 1918年颁了奖 化学奖授予德国化学家哈伯 这引起了科学家的议论 英法等国的一些科学家公开地表示反对 他们认为 哈伯没有资格获得这一荣誉 这究竟是为什么 随着农业的发展 对氮肥的需求量在迅速增长 在19世纪以前 农业上所需氮肥的来源主要来自有机物的副产品 如粪类 种子饼及绿肥 1809年在智利发现了一个很大的硝酸钠矿产地 并很快被开采 一方面由于这一矿藏有限 另一方面 军事工业生产炸药也需要大量的硝石 因此解决氮肥来源必须另辟途径 一些有远见的化学家指出 考虑到将来的粮食问题 为了使子孙后代免于饥饿 我们必须寄希望于科学家能实现大气固氮 因此将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式 在20世纪初成为一项受到众多科学家注目和关切的重大课题 哈伯就是从事合成氨的工艺条件试验和理论研究的化学家之一 利用氮 氢为原料合成氨的工业化生产曾是一个较难的课题 从第一次实验室研制到工业化投产 约经历了150年的时间 19世纪下半叶 物理化学的巨大进展 使人们认识到由氮 氢合成氨的反应是可逆的 增加压力将使反应推向生成氨的方向 提高温度会将反应移向相反的方向 然而温度过低又使反应速度过小 催化剂对反应将产生重要影响 这实际上就为合成氨的试验提供了理论指导 当时物理化学的权威 德国的能斯特就明确指出 氮和氢在高压条件下是不能够合成氨的 并提供了一些实验数据 法国化学家勒夏特里第一个试图进行高压合成氨的实验 但是由于氮氢混和气中混进了氧气 引起了爆炸 使他放弃了这一危险的实验 在物理化学研究领域有很好基础的哈伯决心攻克这一令人生畏的难题 哈伯首先进行一系列实验 探索合成氨的最佳物理化学条件 在实验中他所取得的某些数据与能斯特的有所不同 他并不盲从权威 而是依靠实验来检验 终于证实了能斯特的计算是错误的 在一位来自英国的学生洛森诺的协助下 哈伯成功地设计出一套适于高压实验的装置和合成氨的工艺流程 这流程是 在炽热的焦炭上方吹入水蒸汽 可以获得几乎等体积的一氧化碳和氢气的混和气体 其中的一氧化碳在催化剂的作用下 进一步与水蒸汽反应 得到二氧化碳和氢气 然后将混和气体在一定压力下溶于水 二氧化碳被吸收 就制得了较纯净的氢气 同样将水蒸汽与适量的空气混和通过红热的炭 空气中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉 从而得到了所需要的氮气 氮气和氢气的混和气体在高温高压的条件下及催化剂的作用下合成氨 但什么样的高温和高压条件为最佳 以什么样的催化剂为最好 这还必须花大力气进行探索 哈伯终于在1909年取得了鼓舞人心的成果 这就是在600 的高温 200个大气压和锇为催化剂的条件下 能得到产率约为8 的合成氨 8 的转化率不算高 当然会影响生产的经济效益 哈伯知道合成氨反应不可能达到象硫酸生产那么高的转化率 在硫酸生产中二氧化硫氧化反应的转化率几乎接近于100 怎么办 哈伯认为若能使反应气体在高压下循环加工 并从这个循环中不断地把反应生成的氨分离出来 则这个工艺过程是可行的 于是他成功地设计了原料气的循环工艺 这就是合成氨的哈伯法 根据哈伯的工艺流程 他们找到了较合理的方法 生产出大量廉价的原料氮气 氢气 通过试验 他们认识到锇虽然是非常好的催化剂 但是它难于加工 因为它与空气接触时 易转变为挥发性的四氧化物 另外这种稀有金属在世界上的储量极少 哈伯建议的第二种催化剂是铀 铀不仅很贵 而且对痕量的氧和水都很敏感 为了寻找高效稳定的催化剂 两年间 他们进行了多达6500次试验 测试了2500种不同的配方 最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂 开发适用的高压设备也是工艺的关键 当时能受得住200个大气压的低碳钢 却害怕氢气的脱碳腐蚀 波施想了许多办法 最后决定在低碳钢的反应管子里加一层熟铁的衬里 熟铁虽没有强度 却不怕氢气的腐蚀 这样总算解决了难题 哈伯的合成氨的设想终于在1913年得以实现 一个日产30吨的合成氨工厂建成并投产 从此合成氨成为化学工业中发展较快 十分活跃的一个部分 合成氨生产方法的创立不仅开辟了获取固定氮的途径 更重要的是这一生产工艺的实现对整个化学工艺的发展产生了重大的影响 合成氨的研究来自正确的理论指导 反过来合成氨生产工艺的研试又推动了科学理论的发展 鉴于合成氨工业生产的实现和它的研究对化学理论发展的推动 决定把诺贝尔化学奖授予哈伯是正确的 哈伯接受此奖也是当之无愧的 1 根据图2 29的数据 分析温度和压强改变是如何影响合成氨的平衡的 N2 g 3H2 g 2NH3 g 三 化学平衡移动原理应用 合成氨工业 合成氨条件的选择 问题1 写出合成氨的化学反应方程式 并说明这个反应有什么特点 N2 3H22NH3 H 92 4kJ mol 1 特点 a 可逆反应b 正反应放热c 正反应是气体分子数目减小的反应 三 化学平衡移动原理应用 合成氨工业 合成氨条件的选择 问题2 请同学们分析工业生产主要要考虑哪些问题 主要 经济效益与社会效益 基本要求 a 反应快b 原料利用率高c 单位时间内产量高 三 化学平衡移动原理应用 合成氨工业 合成氨条件的选择 问题3 分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合成氨的合适条件 高温 高压 使用 高压 低温 无影响 从反应速率的角度看 温度越高 压强越大 化学反应越快 使用催化剂反应加快 单位时间内生成的产品越多 从化学平衡的角度看 高压低温 平衡时生成物NH3的百含量高 问题3 分别从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合