第5章化学平衡ppt课件

1、可逆可逆勒夏特里勒夏特里第第5章章化学平衡化学平衡工程师的工程师的困惑？困惑？5-1 化学平衡形状5-2 化学反响进展的方向5-3 规范平衡常数K 与r G m的关系5-4 化学平衡的挪动5-1 化学平衡形状5-1-1 阅历平衡常数5-1-2 平衡常数与平衡转化率N2O4加热加热N2O4NO2N2O4NO2平衡平衡5-1-1 5-1-1 阅历平衡常数阅历平衡常数N2O4(g)2NO2(g)浓度浓度速率速率时间时间时间时间化学平衡：化学平衡：一切反响物和产物的浓一切反响物和产物的浓度不再随时间而改动时，度不再随时间而改动时，即正、逆反响速度相等即正、逆反响速度相等时，体系所处的形状称时，体系所处

2、的形状称为化学平衡。为化学平衡。可逆反响：可逆反响：在同一条件下，既能向在同一条件下，既能向正反响方向又能向逆正反响方向又能向逆反响方向进展的反响反响方向进展的反响称可逆反响。称可逆反响。讨论讨论1氢气和氧气生成水与电解水能否可氢气和氧气生成水与电解水能否可逆反响？逆反响？2二次电池充放电能否可逆反响？二次电池充放电能否可逆反响？化学平衡的几个重要特点：建立平衡的前提建立平衡的前提恒温；封锁体恒温；封锁体系；可逆反响。系；可逆反响。平衡建立的条件平衡建立的条件正、逆反响速正、逆反响速度相等。度相等。建立平衡的标志建立平衡的标志各物质浓度都各物质浓度都不再随时间改动不再随时间改动.N2O4NO2

3、平衡平衡化学平衡是有条件的平衡。当外界化学平衡是有条件的平衡。当外界要素改动时要素改动时,原有平衡将遭到破坏，直原有平衡将遭到破坏，直到建立新的动态平衡。到建立新的动态平衡。N2O4(g)2NO2(g)一一 阅历平衡常数阅历平衡常数平衡常数平衡常数(K)表示出一个可逆的表示出一个可逆的化学反响可以进展的最大限制。化学反响可以进展的最大限制。PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)PCl3Cl2PCl5=K对于再复杂些的可逆反响：对于再复杂些的可逆反响：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)哈伯过程：数百个大气压、催化剂、几百摄氏度。分压分压分压分压时间时间时间时间1864年，年，C.M.Gu

4、ldbeng和和P.Waage质质量作用定律量作用定律aA+bBgG+hH在一定温度下达平衡在一定温度下达平衡时，都有如下关系：时，都有如下关系：阅历平衡常数阅历平衡常数GgHhAaBb=K实验平衡常数实验平衡常数平衡常数平衡常数在一定温度下，可逆反响达在一定温度下，可逆反响达平衡时，生成物的浓度以平衡时，生成物的浓度以反响方程式中计量数为指反响方程式中计量数为指数的幂的乘积与反响物的数的幂的乘积与反响物的浓度以反响方程式中计量浓度以反响方程式中计量数为指数的幂的乘积之比数为指数的幂的乘积之比是一个常数。是一个常数。讨论讨论(1)Kc与物质的初始浓度有关吗？与物质的初始浓度有关吗？(2)Kc与

5、反响开场的方向有关吗？与反响开场的方向有关吗？(3)Kc与反响机理有关吗？与反响机理有关吗？(4)Kc与反响温度有关吗？与反响温度有关吗？(5)Kc与体系中能否存在除反响物和与体系中能否存在除反响物和生成物以外的其它物质有关吗？生成物以外的其它物质有关吗？留意点：留意点：(1)Kc和物质的初始浓度无关。和物质的初始浓度无关。(2)Kc与反响开场的方向无关。与反响开场的方向无关。(3)方括号用来表示平衡时物质的方括号用来表示平衡时物质的浓度。浓度。(4)习惯上将生成物写在分子项上，习惯上将生成物写在分子项上，而反响物写在分母项上而反响物写在分母项上.(5)(5)平衡常数的表达只取决于反平衡常数的

6、表达只取决于反响的化学计量，与反响机理响的化学计量，与反响机理无关。无关。(6)Kc(6)Kc随反响温度不同而改动。随反响温度不同而改动。(7)Kc(7)Kc与体系中能否存在除反响与体系中能否存在除反响物和生成物以外的其它物质物和生成物以外的其它物质无关。无关。1.1.有固体和纯液体参与的反响，有固体和纯液体参与的反响，其浓度不应写在平衡关系式中，其浓度不应写在平衡关系式中，化学平衡关系式中只包括气态物化学平衡关系式中只包括气态物质和溶液中各溶质的浓度。质和溶液中各溶质的浓度。二二平衡常数关系式书写规那平衡常数关系式书写规那么么CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)Kc=CO2CaCO3C

7、aCO3CaOCaO=CaOCaCO3CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(l)COCO2H2Kc=2.稀溶液中进展的反响，如有稀溶液中进展的反响，如有水参与，水的浓度也不用写水参与，水的浓度也不用写在平衡关系中。在平衡关系中。Cr2O72-+H2O2CrO42-+2H+CrO42-2H+2Cr2O72-Kc=但是，非水溶液中的反响，如但是，非水溶液中的反响，如有水生成或有水参与反响，必有水生成或有水参与反响，必需表示在平衡关系式中。需表示在平衡关系式中。C2H5OH+CH3COOHCH3COOC2H5+H2OCH3COOC2H5H2OC2H5OHCH3COOHKc=3.3.同一化学反响

8、，可以用不同同一化学反响，可以用不同的化学反响方程式来表示，每的化学反响方程式来表示，每个化学方程式都有本人的平衡个化学方程式都有本人的平衡常数关系式及相应的平衡常数。常数关系式及相应的平衡常数。 例，例，373K时，时，N2O4和和NO2的平衡体系的平衡体系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对于气体反响，对于气体反响，可以用平衡时的浓可以用平衡时的浓度度

9、(物质的量物质的量)表示，表示，也可以用平衡时各也可以用平衡时各气体的分压来表示。气体的分压来表示。例如：例如：N 2 ( g ) + 3 H 2 ( g )2NH3(g)NH32N2H23Kc=P2NH3Kp=pN2p3H2请试导出请试导出Kc与与Kp的关系式：的关系式：Kp=Kc(RT)n提示：提示：PAV=nARTPA=ARTaA+bBdD+eEn=(d+e)(a+b)三、平衡常数的单位通常情况下，通常情况下，Kc、Kp是有量纲单位是有量纲单位的物理量。的物理量。假设浓度单位以假设浓度单位以molL-1表示，表示，Kc的单的单位为位为(molL-1)n；假设压强单位分别以假设压强单位分别

10、以atm、Pa表示表示，Kp的单位分别为的单位分别为atmn、Pan。当当n=0时，时，Kc、Kp无量纲。无量纲。平衡常数的单位还与化学反响方程式的平衡常数的单位还与化学反响方程式的写法有关。写法有关。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)-1四四平衡常数的意义平衡常数的意义1平衡常数数值的大平衡常数数值的大小可以判别反响进展的程小可以判别反响进展的程度、估计

11、反响的能够性。度、估计反响的能够性。由于平衡形状是反响进展由于平衡形状是反响进展的最大限制的最大限制。K很小的平衡体系，很小的平衡体系，阐明平衡时产物的浓度很小阐明平衡时产物的浓度很小.N2(g)+O2(g)=2NO(g)Kc=NO2/N2O2=110-30(298K)如：如：2Cl(g)Cl2(g)(298K)Kc=Cl2/Cl2=11038平衡常数很大的反响，平衡常数很大的反响，平衡混合物中几乎平衡混合物中几乎全部是产物分子。全部是产物分子。平衡常数非常大或非常平衡常数非常大或非常小的反响通常就以为是小的反响通常就以为是向一个方向进展的不可向一个方向进展的不可逆反响。逆反响。平衡常数不太大

12、也不太小的反响平衡常数不太大也不太小的反响N2O4(g)2NO2(g)Kc=NO22/N2O4=0.36(373K)接近接近1.反响物和产物的浓度相差不会太悬反响物和产物的浓度相差不会太悬殊，不论反响从哪边开场，正向殊，不论反响从哪边开场，正向反响和逆向反响都进展不完全。反响和逆向反响都进展不完全。这是典型的可逆反响这是典型的可逆反响 . .请留意请留意:1 1利用利用K K的大小比较的大小比较不同化学反响进展的倾不同化学反响进展的倾向和程度时，各反响必向和程度时，各反响必需采用一样的单位。需采用一样的单位。2平衡常数数值的平衡常数数值的大小，只能指示一个大小，只能指示一个可逆反响的正向反响可

13、逆反响的正向反响所能进展的最大程度，所能进展的最大程度，并不能预示反响到达并不能预示反响到达平衡所需求的时间。平衡所需求的时间。如如2SO2+O2=2SO3(g)(298K)Kp=3.61024虽然平衡常数很大，但由于反响速虽然平衡常数很大，但由于反响速度太慢，常温时，几乎不发生反度太慢，常温时，几乎不发生反响。响。3 3平衡常数数值平衡常数数值极小的反响极小的反响, ,阐明正阐明正反响在该条件下不能反响在该条件下不能够进展够进展. . 如如N2+O2=2NOKc=10-30由于平衡常数数值极小，阐明常由于平衡常数数值极小，阐明常温下，用这个反响固定氮是不温下，用这个反响固定氮是不能够的。能够

14、的。H2(g)+1/2O2(g)H2O(g)K1=H2O/H2O21/2CO2(g)CO(g)+1/2O2(g)K2=COO21/2/CO2将两个方程相加，消去将两个方程相加，消去1/2O2，得，得H2(g)+CO2(g)=H2O(g)+CO(g)K3=H2OCO/H2CO2K1K2=H2O/H2O21/2COO21/2/CO2=H2OCO/H2CO2=K3两个反响式相加相减时，两个反响式相加相减时，平衡常数的关系平衡常数的关系两个反响方程式相加相减时两个反响方程式相加相减时所得平衡常数，可由原来的两个所得平衡常数，可由原来的两个反响方程式的平衡常数相乘相反响方程式的平衡常数相乘相除得到。除得

15、到。 转化率：平衡转化率转化率：平衡转化率是指平衡时已转化了是指平衡时已转化了的某反响物的量与转的某反响物的量与转化前该反响物的量之化前该反响物的量之比。比。5-1-2 5-1-2 平衡常数与平衡转化率平衡常数与平衡转化率P59,例例3P62例例51.写出化学反响方程式写出化学反响方程式;2.写出反响物的起始浓度写出反响物的起始浓度;3.写出各物质的平衡浓度写出各物质的平衡浓度;4.写出平衡常数表达式写出平衡常数表达式;5.将各物质的浓度代入将各物质的浓度代入平衡常数表达式中平衡常数表达式中;6.解方程解方程.5-2 5-2 化学反响进展的方向化学反响进展的方向5-2-1规范平衡常数规范平衡常

16、数5-2-2判别化学反响的方向判别化学反响的方向aA+bBgG+hH(G/c)g(H/c)hK=5-2-1规范平衡常数规范平衡常数(A/c)a(B/c)b规范平衡规范平衡常数常数相对浓度相对浓度规范浓度规范浓度aA+bBgG+hH(PG/p)g(PH/p)hK=(PA/p)a(PB/p)b规范平衡规范平衡常数常数相对分压相对分压规范分压规范分压规范平衡常数规范平衡常数K无量纲。无量纲。规范浓度规范浓度c=1moldm-3规范分压规范分压p=1.0105Pa相对浓度相对浓度=平衡浓度平衡浓度/c相对分压相对分压=平衡分压平衡分压/pNationalchemistryweek(ACS)5-2-2判

17、别化学反响的方向判别化学反响的方向aAhH(C(H)/C)hQ=反响商反响商Q:某一化学反响产物浓度系数次方的某一化学反响产物浓度系数次方的乘积与反响物浓度系数次方乘积乘积与反响物浓度系数次方乘积之比之比.(C(A)/C)a非平衡非平衡浓度浓度aAhH(C(H)/C)h=K(C(A)/C)aQ平平=反响到达平衡时的反响商反响到达平衡时的反响商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假设假设留意：留意：Q表达式中各物质的浓度是恣表达式中各物质的浓度是恣意形状下的浓度，其商值是意形状下的浓度，其商值

18、是恣意的；恣意的；K表达式中各物质的浓度是表达式中各物质的浓度是平衡时的浓度，其商值在一平衡时的浓度，其商值在一定温度下为一常数。定温度下为一常数。5-3 5-3 规范平衡常数规范平衡常数K K 与与r G mr G m的的关系关系5-3-1 5-3-1 化学反响等温式化学反响等温式5-3-2 5-3-2 几种热力学数据之间的关系几种热力学数据之间的关系rGm= r G m +RT lnQR, 摩尔气体常数8.314 Jmol-1 K-1 ;T, 热力学温度;Q,反响商.5-3-1 5-3-1 化学反响等温式化学反响等温式aA (aq)+ bB (aq) gG (aq) + hH (aq) C

19、GgCHhCAaCBbQ=化学反响处于平衡形状时，rGm= 0, Q = K , rGm=-RTlnK可借助热力学函数求算化学平衡常数。可借助热力学函数求算化学平衡常数。那么那么rGm= r G m +RT lnQ0 = r G m +RT ln K 在等温下在等温下所得K称为热力学平衡常数，是无量纲量。 数值上 Kc =K 普通地，KpK非平衡形状时化学反响吉布斯自在能变化与平衡常数的关系。化学反响等温式对研讨化学反响非常重要。由于利用它能判别等温等压下化学反响的方向和限制，并能为控制反响方向提供根据。rGm=-RTlnK+RTlnQQ = K ，rGm = 0 反响达平衡。Q K ，rGm

20、 0， 逆反响自发进展。Q K ，rGm 0， 正反响自发进展。 rGm=-RTlnK+RTlnQ5-3-2 5-3-2 几种热力学数据之间的关系几种热力学数据之间的关系rGm=ifGm(产物产物)-ifGm(反反响物响物)物质的规范摩尔生成吉布斯自在能物质的规范摩尔生成吉布斯自在能可查热力学数据表得到可查热力学数据表得到反响的规范摩尔吉布斯自在能改动量反响的规范摩尔吉布斯自在能改动量aA+bB=dD+eErGm=dfGm(D)+efGm(E)产产-afGm(A)+bfGm(B)反反反响的规范摩尔焓改动量反响的规范摩尔焓改动量rHm：aA+bB=dD+eErH=dfH(D)+efH(E)产产-

21、afH(A)+bfH(B)反反rHm=ifHm(产物产物)-ifHm(反响物反响物)物质的规范摩尔生成热物质的规范摩尔生成热可查热力学数据表得到可查热力学数据表得到反响的规范摩尔熵改动量反响的规范摩尔熵改动量rSm：aA+bB=dD+eErSm=dSm(D)+eSm(E)产产-aSm(A)+bSm(B)反反rSm=iSm(产产物物)-iSm(反响物反响物)物质的规范熵查热力学数据表物质的规范熵查热力学数据表aA+bB=dD+eErGm=rHm-TrSm留意：不是热力学数据表中的留意：不是热力学数据表中的.fGm,规范摩尔生成吉布斯规范摩尔生成吉布斯自在能自在能fHm,规范摩尔生成热规范摩尔生成

22、热Sm,规范熵规范熵用公式 处置问题需求留意两点：1该式是经近似处置而得，所以求得数值为近似值。2是指反响物和产物皆处于规范形状的情况。rGm=rHm-TrSm5-4 化学平衡的挪动什么是化学平衡挪动？ 5-4-1 浓度对平衡的影响5-4-2 压强对平衡的影响5-4-3 温度对平衡的影响5-4-1 浓度对平衡的影响体系处于化学平衡形状时，体系处于化学平衡形状时，添加某一物质的浓度，添加某一物质的浓度，平衡就会向减少这一物质平衡就会向减少这一物质所添加的浓度的方向挪动。所添加的浓度的方向挪动。旧平衡旧平衡新平衡新平衡N2(g)+3H2(g)2NH3(g)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)绝绝

23、热热膨膨胀胀U=Q-W由由Q=0故故U=-W膨膨当继续减少当继续减少NH3或添加或添加N2、H2时时C2NH3/CN2C3H2=QKN2(g)+3H2(g)2NH3(g)在其它条件不变的情况下，在其它条件不变的情况下，添加反响物浓度或减少生成添加反响物浓度或减少生成物浓度，化学平衡向着正反物浓度，化学平衡向着正反响方向挪动。响方向挪动。aA+bBdD+eEaA+bBdD+eE添加生成物浓度或者减少添加生成物浓度或者减少反响物的浓度，反响物的浓度，化学平衡向着逆反响的方化学平衡向着逆反响的方向挪动。向挪动。棕色棕色NO2N2O4P增大增大5-4-2 压强对平衡的影响N2O4(g)2NO2(g)无

24、色无色对于气体反响，理想混合气体中各组分气体的活度为: B=PB/PB=PB/P B:物质物质B，PB:组分气体的分压组分气体的分压Pa，P:规范压力即规范压力即105Pa。稀溶液中稀溶液中,活度活度浓度。浓度。一、有气体参与，但反响前后气一、有气体参与，但反响前后气体分子数目不等的反响。体分子数目不等的反响。如：如：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)P2NH3PN2P3H2=KpN2(g)+3H2(g)2NH3(g)假设平衡体系的总压力添加到原假设平衡体系的总压力添加到原来的两倍：来的两倍：QpKpQp=1/4Kp(2PNH3)2(2PH2)3(2PN2)=4/16(P2NH3/P3H2

25、PN2)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)假设将平衡体系的压力降低到原来的一假设将平衡体系的压力降低到原来的一半，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)在等温下，增大总压力，平衡向在等温下，增大总压力，平衡向气体分子数减少的方向挪动；气体分子数减少的方向挪动；减小总压力，平衡向气体分子数减小总压力，平衡向气体分子数添加的方向挪动。添加的方向挪动。二、有气体参与，但反响前后气二、有气体参与，但反响前后气体分子数相等的反响。体分子数相等

26、的反响。CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)PCO2PH2/PCOPH2O=KpCO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)当体系压力添加到原来两倍时，当体系压力添加到原来两倍时，Qp=2PCO22PH2/2PCO2PH2O=4PCO2PH2/4PCOPH2O=Kp在有气体参与的可逆反响中，在有气体参与的可逆反响中，假设气态反响物的总分子数假设气态反响物的总分子数和气态生成物总分子数相等，和气态生成物总分子数相等，在等温下，添加或降低总压在等温下，添加或降低总压力，对平衡没有影响。力，对平衡没有影响。三、对于溶液中进展的三、对于溶液中进展的反响，改动总压力对平反响，改动总压力对平衡几乎没有什么影响。衡几乎没有什么影响。由于压力对液体的体积由