揭示化学反应速率和平衡之谜

1、第六章第六章 揭示化学反应速揭示化学反应速率和平衡之谜率和平衡之谜 我们目前所接触的反应大多为不可逆反应，但实际是任何一个任何一个反应都有一定程度的可逆性反应都有一定程度的可逆性 ，因而对化学反应不但要研究速度快慢的问题，还要研究反应进行的程度问题,也就是说反应物是否能全部转变成生成物的问题?首先复习可逆反应的慨念？1 1、可逆反应、可逆反应一、可逆反应中的化学平衡一、可逆反应中的化学平衡 可逆反应进行到一定程度有哪些特点呢? 我们先从熟悉的溶解平衡说起u什么是饱和溶液？什么是饱和溶液？没有！以蔗糖溶解于水为例，蔗糖分没有！以蔗糖溶解于水为例，蔗糖分子离开蔗糖表面扩散到水中的速率与溶解子离开蔗

2、糖表面扩散到水中的速率与溶解在水中的蔗糖分子在蔗糖表面聚集成为晶在水中的蔗糖分子在蔗糖表面聚集成为晶体的速率相等。体的速率相等。平衡的特征：实验一实验一：探索溶解平衡饱和食盐水饱和食盐水有缺口的大有缺口的大NaCl晶体晶体思考：思考：大大NaCl晶体会溶解吗？晶体会溶解吗？大大NaCl晶体的质量有晶体的质量有何变何变 化？化？大大NaCl晶体的形状呢？晶体的形状呢？会溶解会溶解质量不变质量不变形状会改变形状会改变是动态平衡（动）是动态平衡（动）V溶解溶解=V结晶结晶，即，即V正正=V逆逆（等）（等）各组分的含量保持不变（定）各组分的含量保持不变（定）发生在一定条件（温度一定）发生在一定条件（温

3、度一定）下的可逆反应里，随温度的改下的可逆反应里，随温度的改变而发生变化（变）变而发生变化（变）中学阶段平衡的分类：溶解平衡溶解平衡化学平衡化学平衡电离平衡电离平衡水解平衡水解平衡那么，化学平衡的情况又怎样呢？那么，化学平衡的情况又怎样呢？ V=1L的密闭容器，的密闭容器，800，101.3kPa CO + H2O CO2 + H2 始始 0. 1 0. 1 0 0 (mol/L) 0.5min 0.08 0.08 0.02 0.02 1min 0.06 0.06 0.04 0.04 2min 0.05 0.05 0.05 0.05 4min 0.05 0.05 0.05 0.05催化剂催化剂

4、高温高温随着反应的进行，随着反应的进行， c(CO) 、c(H2O)逐渐减小逐渐减小c(CO2) 、c(H2)逐渐增大逐渐增大所以，正反应速率逐渐减小，逆反应速所以，正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，进行到一定程度，总有那率逐渐增大，进行到一定程度，总有那么一刻，么一刻，正反应速率正反应速率=逆反应速率，逆反应速率，且正且正反应速率和逆反应速率的大小不再变化反应速率和逆反应速率的大小不再变化 。正反应速率正反应速率=逆反应速率逆反应速率正反应正反应速率速率逆反应逆反应速率速率相等相等时间时间速速率率反应仍在进行，但是四种物质的浓度均保反应仍在进行，但是四种物质的浓度均保持不变，达到动态平

5、衡，这就是我们要重点掌握持不变，达到动态平衡，这就是我们要重点掌握的重要概念的重要概念化学平衡状态。化学平衡状态。2：强强调调三三点点前提条件：前提条件：实质：实质：标志：标志：有关化学平衡的历史 翻开翻开20世纪的史书，你会发现一个世纪的史书，你会发现一个响亮的名字响亮的名字-弗里茨弗里茨哈伯，德国天才哈伯，德国天才化学家，因对化学家，因对化学平衡的突出贡献获得化学平衡的突出贡献获得1918年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖哈伯在哈伯在1906年年使用锇作催化剂在使用锇作催化剂在200.3个大气压，个大气压，600的高温下，使的高温下，使N2和和H2反应获得了反应获得了8%的的NH3，震动了整个欧

6、洲化学界，震动了整个欧洲化学界；和世界上几乎所有的新发明一样，最先和世界上几乎所有的新发明一样，最先应用的是军事、是战争应用的是军事、是战争，1914年年1918年的第一次世界大战年的第一次世界大战。正如战后。正如战后有些著名的军事家指出那样，如果德国有些著名的军事家指出那样，如果德国没有哈伯、没有哈伯、没有发现化学平衡没有发现化学平衡，战争恐，战争恐怕早就结束了怕早就结束了-因为哈伯一方面给德因为哈伯一方面给德国提供了粮食（合成氨发明以前，农作国提供了粮食（合成氨发明以前，农作物所需的氨肥主要来自粪便、花生饼、物所需的氨肥主要来自粪便、花生饼、豆饼等），另一方面给德国提供了军火豆饼等），另一

7、方面给德国提供了军火(生产硝铵和黄色炸药生产硝铵和黄色炸药) 化学反应进行的程度问题化学反应进行的程度问题（即化学平衡）（即化学平衡）化学平衡的研究对象工程师的设想 19世纪后期，人们发现高世纪后期，人们发现高炉炼铁所排出的高炉气中含有炉炼铁所排出的高炉气中含有相当量的相当量的CO，作为工业革命，作为工业革命发源地的英国有些工程师认为发源地的英国有些工程师认为-这是由于这是由于CO和铁矿石的和铁矿石的接触时间不长所造成的，于是接触时间不长所造成的，于是在英国耗费了大量资金建造了在英国耗费了大量资金建造了一个高大的炼铁高炉（如图），一个高大的炼铁高炉（如图），以增加以增加CO和铁矿石的接触时和铁

8、矿石的接触时间。可是后来发现用这个高炉间。可是后来发现用这个高炉炼铁，所排出的高炉气中炼铁，所排出的高炉气中CO的含量并没有减少，你知道为的含量并没有减少，你知道为什么吗什么吗？可逆反应可逆反应3：化学平衡状态的特征：化学平衡状态的特征: 逆、动、等、定、变、同(1)动动：(2)等等：(3)定定：(4)变：变：（5）同：平衡的建立与途径无关。条件一同：平衡的建立与途径无关。条件一定，无论从何方向进行，只要起始物质加定，无论从何方向进行，只要起始物质加入的量相当，就能达到相同的平衡状态入的量相当，就能达到相同的平衡状态4. 判断“平衡”到达的标志：(a) V正正=V逆逆0判断关键: 必须分别指正

9、反应和逆反应的速率, 且速率之比符合系数之比.(b) 各各组分的量保持不变组分的量保持不变一、化学平衡 达到化学平衡状态时的标志是( ) A SO2的消耗速率等于的消耗速率等于SO3的生成速率的生成速率; B SO2的生成速率等于的生成速率等于SO3的生成速率的生成速率;C SO2的消耗速率等于的消耗速率等于O2消耗速率的消耗速率的2倍倍;D SO3的生成速率等于的生成速率等于O2生成速率的生成速率的 2倍倍;E 每消耗每消耗0.2molSO2, 同时生成同时生成0.1molO2;F 每生成每生成0.2molSO2, 同时生成同时生成0.1molO2。lx1:BDE 2SO2 + O2 2SO

10、3催化剂催化剂化学平衡状态的理解：用用Ct图象描述化学平衡：图象描述化学平衡：C-tC-t图象：图象：如图：求该反应的如图：求该反应的化学方程式是：化学方程式是：C(mol/L)t(s)0.50.40.30.20.10t1XYZt1时刻达到时刻达到平衡状态平衡状态V-t图象：图象：如图已知如图已知X和和Y反应生成反应生成Z，反应式如下：反应式如下： 用用Y物质的物质的V正正、V逆逆和时和时间间t 画出反应开始至平衡的画出反应开始至平衡的大致图象？大致图象？化学平衡状态的理解：用用 v vt t 图象描述化学平衡：图象描述化学平衡：VY mol/(L.S)t(s)0V正V逆V正=V逆达平衡状态达

11、平衡状态e.g2: 在一定温度下,可逆反应A(气)+3B(气) 2C(气) 达到平衡的标志是( )A. C的生成速率与的生成速率与C分解的速率相等分解的速率相等B. A、B不再化合不再化合C. A、B、C的浓度不再变化的浓度不再变化 D. A、B、C的分子数比为的分子数比为1:3:2E. A、B、C的浓度相等的浓度相等F. A、B、C的浓度之比为的浓度之比为1:3:2 AC容器内容器内N2、H2、NH3三者共存三者共存 容器内容器内N2、H2、NH3三者浓度相等三者浓度相等容器内容器内N2、H2、NH3的浓度比恰为的浓度比恰为1:3:2t min内生成内生成1molNH3同时消耗同时消耗0.5

12、molN2t min内，生成内，生成1molN2同时消耗同时消耗3molH2判断可逆反应是否达到平衡状态？判断可逆反应是否达到平衡状态？ 某时内断裂某时内断裂3molHH键的同时，断裂键的同时，断裂6molNH键键2. 平衡状态是该可逆反应在一定外界条件下 进行的最大程度；综述、化学平衡注意：3. 当外界条件改变，原平衡可能会被破坏。原条件下：旧动态平衡V(正)=V(逆)条件改变！V(正) V(逆)新条件下： 新动态平衡V (正)=V(逆)1. 任何一个反应都有一定程度的可逆性；1、定义:由于外界条件的改变，使可逆反应的原平衡状态破坏，并过渡到新的平衡状态的过程称为化学平衡的移动。二、化学平衡

13、移动反应速率反应速率 平衡移动方向平衡移动方向向正反应方向向逆反应方向不移动V正 V逆V正 T1)，压强不变的条，压强不变的条件下件下SO2的转化率的转化率-时间时间曲线。曲线。达到平衡状态达到平衡状态2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) + QSO2转化率转化率tSO2转化率转化率tT1T22SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) + Q反应放热反应放热T2T1平衡时平衡时SO2的转化率低的转化率低温度高，反应速率快温度高，反应速率快先达到平衡状态先达到平衡状态例3:一定温度下，压强分别为P1和P2时，反应体系X(s)+2Y(g) nZ(g)中反应物Y的转化率与时间的关系如图

14、所示，由此可知 ( )。A、P1P2，n2 B、P1P2，n2C、P1P2，n2 D、P13 P1曲线先达平衡增大压强使平衡逆移，增大压强使平衡逆移，n2（压强大，反应速率大）（压强大，反应速率大）压强越大，Y的转化率越低Y的转化率的转化率tp2p1A二二:多因素图像多因素图像1:时间反应混合物某个量(如转化率、 体积分数)-压强的曲线2、压强(或温度)-温度(压强)-物质的转化率或体积分数曲线 T2 T1SO2 的体积分数的体积分数pT2T12SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) + Q 例例4:可逆反应aA(g)+ bB(g) dD(g)+eE(g)+Q在一定条件下达平衡状态时，A

15、的转化率与温度、压强的关系如下图所示。则在下列空格处填写“大于”、“小于”或“等于”。 (1)a+b_d +e ； (2)Q_0。垂直于横坐标画一直线：垂直于横坐标画一直线：温度相同时，压强越大，温度相同时，压强越大，A A的转的转化率越小。这说明增大压强使化率越小。这说明增大压强使平衡逆移，平衡逆移， (a+b)(e+d) 看任一根曲线：看任一根曲线：温度升高，温度升高，A A的转化率变大，说的转化率变大，说明升温使平衡正移，故正反应明升温使平衡正移，故正反应为吸热反应。为吸热反应。Q P 1T2 p0 P4 , Y轴表示轴表示 A 的转化率的转化率B. P3 P4 , Y轴表示轴表示 B的

16、的百分含量百分含量C. P3 P4 , Y轴表示轴表示 混合气体密度混合气体密度D. P3 P4 , Y轴表示轴表示 混合气体平均分子量混合气体平均分子量C%t0T2 P2T1 P2T1 P1C%T0A D 合成氨条件的选择合成氨条件的选择一、合成氨的适宜条件的选择一、合成氨的适宜条件的选择 选择适宜条件的依据、思路和方法：选择适宜条件的依据、思路和方法： 合成氨的反应原理合成氨的反应原理( (方程式）方程式）： N2+3H2 2NH3(放热反应放热反应) 这是一个气体总体积缩小的、放热这是一个气体总体积缩小的、放热的可逆反应。的可逆反应。请思考这个反应的特点？请思考这个反应的特点？工业上合成

17、氨，主要要考虑哪些因素？工业上合成氨，主要要考虑哪些因素？ 根据化学反应速率的有关知识，思考：根据化学反应速率的有关知识，思考：，都可以使合成氨的化学反应速率增大。都可以使合成氨的化学反应速率增大。 增大压强增大压强 升高温度升高温度 使用催化剂使用催化剂经济效益和社会效益：经济效益和社会效益：速度要快，原料的利速度要快，原料的利用率要高，单位时间的产量要高。另外还要用率要高，单位时间的产量要高。另外还要考虑生产中的消耗能源，原料，设备条件等考虑生产中的消耗能源，原料，设备条件等因素。因素。 根据化学平衡的知识请思考：要增大平根据化学平衡的知识请思考：要增大平衡体系中氨的含量、增大原料的转化率

18、可以衡体系中氨的含量、增大原料的转化率可以采用哪些方法？采用哪些方法？ 增大压强，降低温度，减小生成物的浓度增大压强，降低温度，减小生成物的浓度都可以提高原料的转化率。都可以提高原料的转化率。 下面请综合以上两方面的因素，并结下面请综合以上两方面的因素，并结合实际情况讨论实际生产中对合实际情况讨论实际生产中对压强、温度、压强、温度、浓度浓度等条件的选择。等条件的选择。 N2+3H2 2NH31、压强怎么选？、压强怎么选？分析：分析：合成氨反应是体积缩小的气体反应，合成氨反应是体积缩小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能提高平衡增大压强既可以增大反应速率，又能提高平衡混合物中氨的含量，所

19、以理论上压强越大越好。混合物中氨的含量，所以理论上压强越大越好。 但是压强越大，对设备的要求高、但是压强越大，对设备的要求高、压缩压缩H2和和N2所需要的动力大，因此压强也不所需要的动力大，因此压强也不宜过高。宜过高。 综合以上两点，实际生产中压强一般选择综合以上两点，实际生产中压强一般选择在在20MPa-50MPa之间。之间。 2、温度怎么选择？、温度怎么选择？ 因为正反应方向是放热的反因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于提高平衡应，所以降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量。混合物中氨的含量。 可是温度越低，反应速率越可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，小，达到

20、平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。因此温度也不宜太低。 N2+3H2 2NH3(放热反应放热反应)3、用不用催化剂？、用不用催化剂？使用催化剂能否提高合成氨的转化率？使用催化剂能否提高合成氨的转化率？使用催化剂对反应速率有何影响？使用催化剂对反应速率有何影响？ 实际生产中选用铁为主体的多成实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒），它在分催化剂（铁触媒），它在500500时活时活性较高。性较高。 催化剂要在一定温度下效果最好。催化剂要在一定温度下效果最好。4、浓度怎么定？、浓度怎么定？ H2和和N2的比例怎么定？的比例怎么定？ 增大反应物的浓度可以增大反应速率，增大反应物的浓度可以增大反应速率，减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。因减小生成物的浓度可以使平衡正向移动。因此可以用保持一定的氮、氢浓度，减少氨气此可以用保持一定的氮、