大专无机化学-化学反应速率与化学平衡

1、化学综合第三课 化学反应速率和化学平衡化学反应速率l化学反应速率：一定条件下单位时间内 某化学反应的反应物或生成物浓度的变化l反应 A+B Y+Zt：时间间隔，单位s（秒）、min（分）或h（小时）c(A)：在t时间间隔内A物质浓度的变化，molL-1c(Y)：在t时间间隔内Y物质浓度的变化，molL-1习惯上，反应速率为正值习惯上，反应速率为正值(A)(A)cvt (Y)(Y)cvt化学反应速率例如，在给定条件下，合成氨反应例如，在给定条件下，合成氨反应： N2 + 3H2 2NH3起始浓度起始浓度/molL-1 2.0 3.0 02s末浓度末浓度/mo1L-1 1.8 2.4 0.4该反应

2、平均速率若根据不同物质的浓度变化可分别表示为该反应平均速率若根据不同物质的浓度变化可分别表示为： 111-1-122-1-122-1-133(N )(1.8-2.0)mol L(N )0.1mol L2-0(H )(2.4-3.0)mol L(H )0.3mol L2-0(NH )(0.4-0)mol L(NH )0.2mol L2-0cvstscvstscvsts 化学反应速率22311(N )(H )(NH )32vvvN2 + 3H2 2NH3对于配平的反应对于配平的反应 aA+bB yY+zZ(A) (B) (Y) (Z)=a:b:y:zvvvv：a、b、y、z：化学计量数在表示反应速

3、率时必须指明具体物质在表示反应速率时必须指明具体物质平均速率与瞬时速率lt取无限小，则平均速率的极限值即为在某时刻反应的瞬时速率l瞬时速率是不断变化的l以后提到的反应速率都是瞬时速率例题l 对于合成氨反应N2 + 3H2 2NH3，在三个时刻测得的瞬时反应速率分别为：l 问：哪个时刻反应进行的最快？111-112-122-133(N )0.1mol L(H )0.27mol L(NH )0.15mol Lvsvsvs11-11222-132131(N )(H )0.09mol L31(N )=(NH )0.075mol L2vvsvvs影响反应速率的因素l首先是反应物的本性l浓度l温度l催化剂

4、l其他元反应和非元反应l元反应：一步就能完成的反应2NO2(g) 2NO(g) + O2(g)l非元反应：分几步进行的反应l2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g)第一步第一步 2NO+H2N2+H2O2第二步第二步 H2O2+H22H2O经验速率方程l对于元反应 aA+bByY+zZl反应速率l对于体积恒定的气体反应 vc(A)( )c(A)( )ababc Bkc Bc(A)和c(B)分别为反应物A和B的浓度k为用浓度表示的反应速率常数 p(A)( )abvkp Bp(A)和p(B)分别为反应物A和B的分压k为用浓度表示的反应速率常数/( )=/( )iiAAApVn RTpn

5、nVc ApnnVc BBBB经验速率方程lk和k由化学反应本身决定，是化学反应在一定温度时的特征常数；l浓度（或分压）相同条件下，k或k值越大，反应速率越大lk值与温度、催化剂等因素有关，对于给定的反应k值与反应物的浓度无关l对于非基元反应，不能只根据反应式写出其反应速率方程，必须由实验测定温度对反应速率的影响l温度升高加速反应进行，温度降低减慢反应进行夏天食物易变质，高压锅煮饭易熟等等夏天食物易变质，高压锅煮饭易熟等等l温度对反应速率的影响见课本表格l温度是实际生产中比较容易控制的因素催化剂与反应速率l 催化剂：能显著影响化学反应速率而本身的组成、质量和化学性质在反应前后不变的物质正催化：

6、加速反应速率正催化：加速反应速率负催化：减慢反应速率负催化：减慢反应速率l 催化剂具有选择性，往往只对某些特定的反应有催化作用l 相同的反应物在不同的条件下使用不同的催化剂可能得到不同的产物l 酶作为催化剂的特点高选择性高选择性条件温和条件温和成本高、易失活成本高、易失活影响反应速率的其他因素l增大接触机会破碎固体（固固、固液）破碎固体（固固、固液）喷淋（气液）喷淋（气液）搅拌（固液，液液）搅拌（固液，液液）l让生成物及时离开反应界面l其他形式的能量超声波超声波紫外光紫外光激光、高能射线等激光、高能射线等反应速率小结l化学反应速率的定义l影响反应速率的因素元反应和非元反应元反应和非元反应经验速

7、率方程和反应速率常数经验速率方程和反应速率常数温度温度催化剂催化剂其他其他可逆反应l不可逆反应：一定条件下，反应物几乎能完全转变为生成物，而生成物几乎不能再变为反应物l可逆反应：一定条件下，反应既能向正方向进行又能向逆方向进行222NO(g)+O (g)2NO (g)22MnO32HCl+NaOHNaCl+H O2KClO2KCl+3O 化学平衡l化学平衡是一种状态单位时间内正反应使反应物减少的量等于逆反应单位时间内正反应使反应物减少的量等于逆反应使反应物增加的量使反应物增加的量l宏观：各种物质的浓度或分压不再改变l微观：反应并未停止，正、逆反应仍在进行，二者速率相等，即v正 = v逆 0l化

8、学平衡是有条件的、相对的、可以改变的温度，压力，反应物、生成物浓度，等等温度，压力，反应物、生成物浓度，等等化学平衡l化学平衡的研究对象是可逆反应l平衡时正反应速率与逆反应速率相等，l正=逆l化学平衡是动态平衡正逆0l平衡时各组分含量保持恒定l当外界条件改变时，平衡一般要发生改变逆、等、动、定、变例题对于可逆反应对于可逆反应MN Q达到平衡时，达到平衡时，下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ） lA. M、N、Q三种物质的浓度一定相等三种物质的浓度一定相等lB. M、N全部变成了全部变成了QlC. M、N、Q的浓度都保持不变的浓度都保持不变lD. 反应已经停止反应已经停止C化学平衡与反应速率

9、V Vt t生成物浓度为零开始反应直到平衡生成物浓度为零开始反应直到平衡V正V逆0 0V正V逆+ +a aA Ab bB Bc cC Cg( )g( )g( )d dD Dg( )+ +V Vt t反应物浓度为零开始反应直到平衡反应物浓度为零开始反应直到平衡V正V逆0 0V正V逆V V正正V V逆逆t t1 1t t1 1标准平衡常数l也称为热力学平衡常数，以符号K表示lK是被定义的lK的值与特定的反应方程式相对应，与反应方程式的化学计量数有关，而与起始时的物质浓度（或分压）无关l不再区分压力平衡常数和浓度平衡常数标准平衡常数的表达式l对于一般反应l系统达平衡时，K表达式为c：标准浓度，1mo

10、lL-1p：标准压力，100kPa气体只可用分压表示，不可用浓度表示K是一个无量纲的量2A( )B()D()H OE( )asbaqdaqfeg (D)/(E)/(B)/debccppKcc平衡平衡平衡书写标准平衡常数的注意事项l必须与计量方程式相对应l反应式中的纯固态，纯液态，其浓度不必列入表达式l稀溶液中的反应，若有水被消耗或生成，不必出现在标准平衡常数表达式中。其他情况下则必须列出水的浓度l注意对应的温度平衡常数的意义l可以用于判断一个可逆反应在特定条件下向正反应方向进行的程度K越越大大，反应向，反应向正正方向进行的越完全方向进行的越完全K越越小小，反应向，反应向逆逆方向进行的越完全方向

11、进行的越完全10-3 K103时，反应物部分转化为生成物时，反应物部分转化为生成物l可以用于判断一个可逆反应在特定条件下是否已经达到平衡状态、将向何方向进行反应商与平衡常数l 反应商Q：一定温度下，表达任一可逆反应中系统状态的表达式l 对于一般反应l K表达式为 Q的表达式为c：标准浓度，1molL-1；p：标准压力，100kPa2A( )B()D()H OE( )asbaqdaqfeg (D)/(E)/(B)/debccppKcc平衡平衡平衡 (D)/(E)/Q(B)/debccppcc反应商与平衡常数lQK时，反应将逆向进行lQ=K时，反应达到平衡状态化学方程式的相加和相减l相加l相减22

12、3221SO (g)+O ( )SO ( )21NO ( )NO( )O ( )2ggggg221O ( )2SO (g)+g232NO ( )SO ( )NO1( )2(O)gggg（1）（2）（3）=（1）+（2）22222221H (g)+S ( )H S(g)23H (g)+SO ( )H S(g)+2H O(g)gg（1）（2）2221H S(g)H (g)+S ( )2g-（1）（3）=（2）-（1）222H (g)+H (g)22+SO ( ) H S(g)g 2H S(g)22+2H O(g)+H (g)21+S ( )2g多重平衡的平衡常数223221SO (g)+ O (

13、)SO ( )21NO ( )NO( )O ( )2ggggg 311/2221/2222(SO )/pK(SO )/p(O )/p(O )/p(NO)/pK(NO )/ppppppp（1）（2）（3）=（1）+（2）221O ( )2SO (g)+g232NO ( )SO ( )NO1( )2(O)gggg 3322(SO )/p(NO)/pK(SO )/p(NO )/ppppp 21/22213(SO )/pKK =(S(OO )/p)/pppp1/22(O )/pp32(NO)/p=K(NO )/ppp多重平衡的平衡常数规则l在相同条件下，如有两个反应方程式相加（或相减）得到第三个反应方

14、程式，则第三个反应方程式的平衡常数为前两个反应方程式平衡常数之积（或商）l同样适用于n个方程式相互加减的情况l可用于间接测定特定反应的化学平衡常数平衡转化率l反应达到平衡时，反应物转化为生成物的百分率l若反应前后体积不变，可用浓度表示l转化率越大，表示反应向右进行的程度越大=100%反应物已转化的量平衡转化率反应物未转化前的总量-=100%反应物起始浓度 反应物浓度平衡转化率反应物起始浓度平衡平衡转化率l由转化率可以计算平衡常数，由平衡常数也可以计算转化率l转化率除与温度有关外，还与系统起始状态有关，并需指明是哪种反应物的转化率化学平衡的移动l逆、等、动、定、变l化学平衡的移动：因外界条件改变

15、，使可逆反应从原来的平衡状态转变到新的平衡状态的过程l可改变的外部条件浓度浓度压力压力温度温度催化剂催化剂浓度对化学平衡的影响l对于可逆反应 在一定温度下，当反应达到平衡后，若增加反应物A或B的浓度，则 _反应速率增大， 使v正_v逆， 平衡向_反应方向移动。A+ BY+ Zabyz正正V Vt t增增 大大 反反 应应 物物 浓浓 度度V正V逆V正V逆0 0t t1 1t t2 2在其它条件不变时在其它条件不变时:减小反应物的浓度，平衡向减小反应物的浓度，平衡向 反应方向移动。反应方向移动。(_反应速率减小，使反应速率减小，使v正正 v逆逆)增大生成物的浓度，平衡向增大生成物的浓度，平衡向

16、反应方向移动。反应方向移动。(_反应速率增大，使反应速率增大，使v正正 v逆逆)减小生成物的浓度，平衡向减小生成物的浓度，平衡向 反应方向移动。反应方向移动。(_反应速率减小，使反应速率减小，使v正正 v逆逆)逆逆正正逆逆逆逆浓度对化学平衡的影响FeCl3溶液KSCN溶液混合Fe3+3SCN- Fe(SCN)3血红色Fe(SCN)3稀释后分成四份FeCl3溶液KSCN溶液NaOH溶液橙红色红色加深红色加深有红褐色沉淀，溶液颜色变浅增大反应物浓度，平衡正向移动减小反应物浓度，平衡逆向移动Fe3+3OH-=Fe(OH)3浓度对化学平衡的影响l可用反应商来判断QK时，反应将时，反应将逆向逆向进行进行

17、Q=K时，反应达到时，反应达到平衡平衡状态状态l反应物、生成物浓度同时减小的情况？具体情况具体分析具体情况具体分析压力对化学平衡的影响l压力变化主要影响有气体参加的反应l可逆反应l在密闭容器中达到平衡后，保持温度恒定，通过缩小容器体积将系统的总压变为原来的x倍（x1），则各组分气体的分压也分别增至原来的x倍A(g)+ B(g)Y(g)+ Z(g)abyz压力对化学平衡的影响l求新状态下的反应商 () ()xp(Y)/pxp(Z)/pQ=xp(A)/pxp(B)/pp(Y)/pp(Z)/pp(A)/pp(B)/p()()yzabyzy za babxKxyzab压力对化学平衡的影响lv0，即生成

18、物分子数大于反应物分子数时， QK，平衡向左移动，反应将逆向进行lv0，即生成物分子数小于反应物分子数时， Q c + da + b c + dV Vt t加压加压V正V逆V正V逆0 0t t1 1t t2 2a + b c + da + b c + dV Vt t加压或减压加压或减压V正V逆V正V逆0 0t t1 1t t2 2a + b = c + da + b = c + d=V正V逆=压力对化学平衡的影响l特殊：恒温下向平衡系统中加入不参与反应的其他气态物质：l（1）若体积不变，则平衡不移动。这是因为_l（2）若总压不变，系统体积增大，则平衡的移动规律相当于系统原来的压力_时的情况体系

19、内原有各气体的分压不变体系内原有各气体的分压不变减小减小思考：下列反应达平衡后，增大体系压力平衡将如何下列反应达平衡后，增大体系压力平衡将如何移动？移动？2SO2 + O2 2SO32NH3 N2+ 3H2H2 + I2(g) 2HI2NO2 N2O4 C(s)+ H2O(g) CO(g) +H2 (g)2A(g) + 3B(g) 2C(g) + 2D(s)温度对化学平衡的影响l 本质：改变平衡常数与浓度、压力等对平衡的影响有本质的区别与浓度、压力等对平衡的影响有本质的区别l 效果：升高升高温度，平衡向温度，平衡向吸热吸热反应方向移动；反应方向移动；降低降低温度，平衡向温度，平衡向放热放热反应

20、方向移动反应方向移动V Vt t升升 温温V正V逆V正V逆0 0t t1 1t t2 2正反应是放热反应V Vt tV正V逆V正V逆0 0t t1 1t t2 2升升 温温正反应是吸热反应催化剂对化学平衡的影响l催化剂能同等程度地改变正、逆反应的速率，因此它不会使化学平衡发生移动，但可改变达到平衡所需要的时间吕查德里原理l如果以某种形式改变一个平衡系统的条件（如浓度、压力、温度），平衡就会向着减弱这个改变的方向移动。l适用于所有的动态平衡系统l只适用于已经达到平衡的系统l又译为勒沙特列原理等反应速率与化学平衡的综合应用l让一种价廉易得的原料适当过量，以提高另一种原料的转化率注意不要使另一种原料

21、的浓度过低注意不要使另一种原料的浓度过低注意气体混合物的组成，不要进入爆炸范围注意气体混合物的组成，不要进入爆炸范围l对于气体反应，加大压力会使速率加快，对分子数减少的反应还能提高转化率增大压力会提高对设备的要求，增大成本增大压力会提高对设备的要求，增大成本l升高温度能增大反应速率和吸热反应的转化率能耗增大，反应物或生成物可能不耐高温能耗增大，反应物或生成物可能不耐高温实例：合成氨条件的选择实例：合成氨条件的选择问题问题1：合成氨反应的特点？合成氨反应的特点？N2+3H2 2NH3特点：特点：a、可逆反应、可逆反应 b、正反应放热、正反应放热 c、正反应是气体体积减小、正反应是气体体积减小的反

22、应。的反应。反应速率与化学平衡的综合应用问题问题2 2：分析工业生产主要要考虑哪些问题？分析工业生产主要要考虑哪些问题？基本要求：基本要求：a、反应快、反应快 b、原料利用率高、原料利用率高c、单位时间内产量高、单位时间内产量高首要：首要：经济效益与社会效益经济效益与社会效益问题问题3：根据化学反应速率的影响因素及下表从根据化学反应速率的影响因素及下表从化学反应速率和化学平衡两个角度分析合成氨的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。合适条件。高高 温温高高 压压使使 用用高高 压压低低 温温无无 影影 响响归纳归纳 既提高反应速率又增大产量的措施有：既提高反应速率又增大产量的措施有： 增大反应物浓度增大反应物浓度 减少生成氨的