高中化学竞赛辅导课件_第04章_化学平衡.ppt

1、第四章 化学平衡 熵和Gibbs函数,4.5 Gibbs函数,4.4 自发变化和熵,4.3 化学平衡的移动,4.2 标准平衡常数的应用,4.1 标准平衡常数,4.1 标准平衡常数,4.1.4 标准平衡常数的实验测定,4.1.3 平衡常数与 反应速率系数的关系,4.1.2 标准平衡常数表达式,4.1.1 化学平衡的基本特征,4.1.1 化学平衡的基本特征,0 0.0100 0.0100 0 7.60 0,2000 0.00397 0.00397 0.0121 1.20 2.04,4850 0.00213 0.00213 0.0157 0.345 3.43,反应开始 ：c(H2),c(I2) 较大

2、, c(HI) = 0, 正较大,逆为 0；反应进行：c(H2),c(I2)减小, 正减小,c(HI)增大,逆增大；某一时刻：正= 逆，系统组成不变，达到平衡状态。,大多数化学反应都是可逆的。例如：,化学平衡：,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）平衡组成与达到平衡的途径无关。,在一定条件下，可逆反应处于化学平衡状态：,4.1.2 标准平衡常数表达式,对于溶液中的反应：,对于气相反应：,Sn2+(aq)+2Fe3+(aq) Sn4+ (aq)+2Fe2+(aq),对于一般的化学反应：, 是温度的函数，与浓度、分压无关。, 标准平衡常数表达式必须与化学反应

3、计量式相对应。,( )1/2,=( )-1,例题：已知25时反应,多重平衡原理,解：反应 + 得：,2BrCl (g)+ I2(g) 2IBr(g)+ Cl2(g)的 。,I2(g)+Br2(g) 2IBr(g)的 =0.051 计算反应,2BrCl(g) Cl2(g)+Br2(g)的 =0.45,2BrCl (g)+ I2(g) 2IBr(g)+ Cl2(g),4.1.3 平衡常数与 反应速率系数的关系,Vant Hoff 方程式：,或,例题：恒温恒容下，GeO(g)与W2O6 (g) 反应生成GeWO4 (g) ：,4.1.4 标准平衡常数的实验测定,若反应开始时，GeO和W2O6 的分压

4、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。,2GeO (g) +W2O6 (g) 2 GeWO4 (g),p(W2O6)=100.0 kPa - kPa=51.0 kPa,p(GeO)=100.0 kPa - 98.0 kPa =2.0kPa,解： 2GeO (g) + W2O6 (g) 2 GeWO4 (g),平衡pB/kPa 100.0-98.0 100.0- 98.0,开始pB/kPa 100.0 100.0 0,变化pB/kPa -98.0 - 98.0,平衡转化率：,4.2.1 判断反应的程度,4.

5、2 标准平衡常数的应用,4.2.3 计算平衡的组成,4.2.2 预测反应的方向,4.2.1 判断反应的程度,K 愈小，反应进行得愈不完全；,K 愈大，反应进行得愈完全；,K 不太大也不太小(如 10-3 K 103), 反应物部分地转化为生成物。,对于一般的化学反应：,4.2.2 预测反应的方向,任意状态下：,aA (g)+ bB(aq)+cC(s) xX(g)+yY(aq)+zZ(l),def,反应商：,反应商判据：,JK 反应正向进行；,J = K 系统处于平衡状态；,J K 反应逆向进行。,解：pV = nRT 因为T 、V 不变，pnB,p0(CO)=(0.03508.314373)k

6、Pa=08.5 kPa p0(Cl2)=(0.02708.314373)kPa=83.7 kPa,4.2.3 计算平衡的组成,反应开始时c0(CO)=0.0350molL-1， c0(Cl2)=0.0270molL-1， c0(COCl2)=0。计算373K反应达到平衡时各物种的分压和CO的平衡转化率。,例题：已知反应CO(g)+Cl2(g) COCl2(g) 在恒温恒容条件下进行,373K时K =1.5108。,开始cB/(molL-1) 0.0350 0.0270 0 开始pB/kPa 108.5 83.7 0 假设Cl2全部转化 108.5-83.7 0 83.7 又设COCl 2转化x

7、 x x -x 平衡pB/kPa 24.8+x x 83.7-x,解： CO(g)+Cl2 (g) COCl 2(g),平衡时:p(CO)=24.8kPa ，p(Cl2)=2.3 10-6 kPa p(COCl2)=83.7kPa,假设 83.7-x 83.7， 24.8+x 24.8 。,因为K 很大，x很小，,4.3.1 浓度对化学平衡的影响,4.3 化学平衡的移动,4.3.5 两个需要说明的问题,4.3.4 Le Chatelier 原理,4.3.3 温度对化学平衡的影响,4.3.2 压力对化学平衡的影响,化学平衡的移动：当外界条件改变时，化学反应从一种平衡状态转变到另一种平衡状态的过程

8、。,4.3.1 浓度对化学平衡的影响,对于溶液中的化学反应，平衡时，J = K,当c(反应物)增大或c(生成物)减小时,当c(反应物)减小或c(生成物)增大时,J K 平衡向正向移动。,J K 平衡向逆向移动。,(1)当c(Ag+)=1.00 10-2molL-1, c(Fe2+)=0.100 molL-1, c(Fe3+)= 1.00 10-3molL-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+ 的转化率。,

9、例题：25oC时，反应 Fe2+(aq)+ Ag+(aq) Fe3+(aq) +Ag(s) 的K =3.2。,解：(1)计算反应商，判断反应方向,JK , 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) Fe2+(aq)+Ag+(aq) Fe3+(aq)+Ag(s),c(Ag+)=8.4 10-3molL-1 c(Fe2+)=9.8410-2 molL-1 c(Fe3+)= 2.6 10-3molL-1,3.2x

10、21.352x2.210-3=0 x=1.610-3,(3)求 Ag+ 的转化率,平衡 0.300- 1.0010-2 1.0010-3+ cB/(molL-1) 1.0010-22 (1- 2) 1.0010-2 2,(4) 设达到新的平衡时Ag+ 的转化率为2,Fe2+(aq) + Ag+(aq) Fe3+(aq) +Ag(s),4.3.2 压力对化学平衡的影响,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，使J减小，导致J K ，平衡向逆向移动。,1.部分物种分压的变化,2.体积改变引起压力的变化,对于有气体参与的化学反应,aA (g) + bB(g) yY(g) + zZ

11、(g),对于气体分子数增加的反应， B 0，x B 1，JK ，平衡向逆向移动，即向气体分子数减小的方向移动。,对于气体分子数减小的反应 ，B 0， x B 1， J K ，平衡向正向移动，即向气体分子数减小的方向移动。,对于反应前后气体分子数不变的反应， B =0， x B =1， J = K ，平衡不移动。,在惰性气体存在下达到平衡后，再恒温压缩, B 0，平衡向气体分子数减小的方向移动, B =0，平衡不移动。,对恒温恒压下已达到平衡的反应，引入惰性气体，总压不变，体积增大，反应物和生成物分压减小，如果 B 0，平衡向气体分子数增大的方向移动。,对恒温恒容下已达到平衡的反应，引入惰性气体

12、，反应物和生成物pB不变，J= K ，平衡不移动。,3.惰性气体的影响,例题：某容器中充有N2O4(g) 和NO2(g)混合物，n(N2O4):n (NO2)=10.0:1.0。在308K， 0.100MPa条件下，发生反应：,(1)计算平衡时各物质的分压； (2)使该反应系统体积减小到原来的1/2，反应在308K，0.200MPa条件下进行，平衡向何方移动？在新的平衡条件下，系统内各组分的分压改变了多少？,N2O4(g) NO2(g)； K (308)=0.315,解：(1)反应在恒温恒压条件下进行。,平衡时pB/kPa,平衡时nB/mol 1.00-x 0.10+2x,开始时nB/mol

13、1.00 0.100,N2O4(g) 2NO2(g),以1molN2O4为计算基准。 n总=1.10+x,开 始 时 nB/mol 1.00 0.100,平衡()时pB/kPa,N2O4(g) 2NO2(g),平衡()时nB/mol 1.00-y 0.10+2,平衡逆向移动。,4.3.3 温度对化学平衡的影响,K (T)是温度的函数。 温度变化引起K (T)的变化，导致化学平衡的移动。,对于放热反应， K ，平衡向逆向移动。,对于吸热反应， 0，温度升高， K 增大，J K 。，平衡向正向移动。,如果改变平衡系统的条件之一（浓度、压力和温度），平衡就向能减弱这种改变的方向移动。 Le Chat

14、elier原理只适用于处于平衡状态的系统，也适用于相平衡系统。,1848年，法国科学家Le Chatelier 提出：,4.3.4 Le Chatelier 原理,1.催化剂不能使化学平衡发生移动。 催化剂使正、逆反应的活化能减小相同的量，同等倍数增大正、逆反应速率系数，但不能改变标准平衡常数，也不改变反应商。 催化剂只能缩短反应达到平衡的时间，不能改变平衡组成。,4.3.5 两个需要说明的问题,2. 化学反应速率与化学平衡的综合应用,低温、加压有利于平衡正向移动。但低温反应速率小。 在实际生产中，T =（460550），32MPa，使用铁系催化剂。,N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g

15、),以合成氨为例：,4.4.1 自发变化,4.4 自发变化和熵,4.4.5 化学反应熵变和 热力学第二定律,4.4.4 热力学第三定律和标准熵,4.4.3 混乱度、熵和微观态数,4.4.2 焓和自发变化,4.4.1 自发变化,水从高处流向低处； 热从高温物体传向低温物体； 铁在潮湿的空气中锈蚀； 锌置换硫酸铜溶液反应：,在没有外界作用下，系统自身发生变化的过程称为自发变化。,Zn(s)+Cu2+(aq) Zn2+(aq)+Cu(s),许多放热反应能够自发进行。例如：,最低能量原理（焓变判据）： 1878年，法国化学家 M.Berthelot和丹麦化学家 J.Thomsen提出：自发的化学反应趋

16、向于使系统放出最多的能量。,4.4.2 焓和自发变化,(298K) = -285.83kJmol-1,H2(g)+ O2(g) H2O(l),(298K) = -55.84kJmol-1,H+(aq) + OH-(aq) H2O(l),焓变只是影响反应自发性的因素之一，但不是唯一的影响因素。,有些吸热反应也能自发进行。例如：,H2O(l) H2O(g),NH4Cl (s) NH4+(aq)+Cl-(aq),= 9.76kJmol-1,= 178.32kJmol-1,= 44.0kJmol-1,1.混乱度,冰的融化 建筑物的倒塌,系统有趋向于最大混乱度的倾向，系统混乱度增大有利于反应自发地进行。

17、,4.4.3 混乱度、熵和微观态数,许多自发过程有混乱度增加的趋势。,熵是表示系统中微观粒子混乱度的一个热力学函数，其符号为S。 系统的混乱度愈大，熵愈大。 熵是状态函数。 熵的变化只与始态、终态有关，而与途径无关。,2.熵和微观状态数,2个分子在左边球内的概率为1/4,理想气体的自由膨胀,真空,3个分子在左边球内的概率为1/8,统计解释： 2个分子在左边球内的概率为1/4 3个分子在左边球内的概率为1/8 n个分子在左边球内的概率为1/2n 1mol个分子在左边球内的概率1/26.0221023 概率如此小，可见是一种不可能的状态。所以气体的自由膨胀是必然的。,理想气体的自由膨胀,微观状态数

18、：,3 分子 (3位置),3 分子 (4位置),2 分子 (4位置),粒子的活动范围愈大，系统的微观状态数愈多，系统的混乱度愈大。,熵与微观状态数：,1878年，L.Boltzman提出了熵与微观状态数的关系。 S=kln S-熵 -微观状态数 k- Boltzman常量,1.热力学第三定律 1906年，德W.H.Nernst提出，经德Max Planck 和美G.N.Lewis等改进。 纯物质完整有序晶体在0K时的熵值为零。 S *（完整晶体，0K）=0,4.4.4 热力学第三定律和标准熵,2.标准摩尔熵,S = ST - S 0 = ST ST-规定熵（绝对熵） 在某温度T 和标准压力下，单位物质的量的某纯物质B的规定熵称为B的标准摩尔熵。其符号为 ：,纯物质完整有序晶体温度变化 0K T K,(B,相态,T) ，单位是Jmol-1 K-1,(单质,相态,298.15K)0,标准摩尔熵的一些规律：,同一物质，298.15K时,结构相似，相对分子质量不同的物质， 随相对分子质量增大而增大。,相对分子质量相近，分子结构复杂的，其 大。,1.化学反应熵变的计算,4.4.5 化学反应熵变和热力学第二定律,0,有利于反应正向自发进行