第一章 气体与化学平衡 (1).

1、无机化学无机化学B 主讲教师：张玉荣主讲教师：张玉荣课程的内容安排为三大部分： 1、化学反应基本原理（11学时） 2、物质结构基础（10学时） 3、 元素化学（11学时）教材：无机化学（第四版）（天津大学）（天津大学）面向面向21世纪课程教材世纪课程教材主要参考书主要参考书1). 武汉大学、吉林大学编著，无机化学第三版上下册，高武汉大学、吉林大学编著，无机化学第三版上下册，高教出版社，北京，教出版社，北京，1998；2). 徐家宁编著，无机化学例题与习题，高教出版社，北京，徐家宁编著，无机化学例题与习题，高教出版社，北京，1998；3).大连理工大学编大连理工大学编, ，无机化学第无机化学第五

2、版，高教出版社，北京，五版，高教出版社，北京，2006；4).大连理工大学编著，大连理工大学编著，无机化学学习指导配高教第五版，大无机化学学习指导配高教第五版，大连理工大学出版社，大连，连理工大学出版社，大连，2008 气气 体体描述气体状态的物理量描述气体状态的物理量 一、理想气体一、理想气体1.什么样的气体是理想气体? 分子间没有相互作用力 分子本身没有体积 气体分子之间作用力可以忽略，分子本气体分子之间作用力可以忽略，分子本身身的大小可以忽略的气体，称为理想气体的大小可以忽略的气体，称为理想气体。理想气体是一个抽象的概念，实际不存在理想气体是一个抽象的概念，实际不存在。 实际气体在什么情

3、况下看作理想气体呢？实际气体在什么情况下看作理想气体呢？ 只有在温度高和压力无限低时，实际气体才只有在温度高和压力无限低时，实际气体才接近于理想气体。接近于理想气体。 因为在此条件下，分子间距离大大增加，平因为在此条件下，分子间距离大大增加，平均来看作用力趋向于零，分子所占的体积也均来看作用力趋向于零，分子所占的体积也可以忽略。可以忽略。物质的聚集状态物质的聚集状态气态气态液态液态固态固态 V 受受 T、P 影响很大影响很大V 受受 T、P 影响很小影响很小 对于气体，对于气体，P、V、T相互影响显著，联系相互影响显著，联系P、V、T之间关系的方程称为之间关系的方程称为状态方程状态方程.理想气

4、体状态方程理想气体状态方程二二. 理想气体方程式应用理想气体方程式应用1. 计算计算p，V，T和和n中的任意物理量中的任意物理量 PV = nRT2. 求分子量（摩尔质量）求分子量（摩尔质量）M PV = (m/M) RT (n = m/M) M=mRT/PV3. 求密度（求密度（r) r) r = r = m/V P(m/r r) = ) = nRT r r = P(m/nRT) M= m/n r r = (PM)/(RT)三、道尔顿分压定律三、道尔顿分压定律混合气体与组分气体混合气体与组分气体由两种或两种以上的气体混合在一起由两种或两种以上的气体混合在一起, , 组成的组成的体系体系, ,

5、 称为称为混合气体混合气体, , 组成混合气体的每种组成混合气体的每种气体气体, , 都称为该混合气体的都称为该混合气体的组分气体组分气体。( (空气是混合气体空气是混合气体, , 其中的其中的 O O2 2, N, N2 2, CO, CO2 2等等, , 均为空均为空气的组分气体气的组分气体) ) 组分气体的物质的量用组分气体的物质的量用n ni i 表示表示, , 混合气体的物混合气体的物质的量用质的量用 n n 表示表示, , 则则: : i i组分气体的摩尔分数用组分气体的摩尔分数用x xi i 表示表示, , 则则: : 例如例如: : 由由 3mol H3mol H2 2 和和1

6、mol N1mol N2 2 组成的混合气组成的混合气体体, , 其中其中: : 混合气体的摩尔分数混合气体的摩尔分数 分压：分压： 组分气体组分气体B B在相同温度下占有与在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体叫做组分气体B B的分压。的分压。VRTnpBB=道尔顿分压定律道尔顿分压定律：混合气体的总压混合气体的总压等于各组分气体的分压之和等于各组分气体的分压之和 P P总总 = P= Pi i 理想气体混合时, 由于分子间无相互作用, 故在容器中碰撞器壁产生压力时, 与独立存在时是相同的, 亦即在混合气体中, 组分气体是各自独立的.

7、这是分压定律的实质. BB(1) n RTpV=B的分压等于相同T，V 下单独存在时的压力12kBB(2) ppppp=在相同T，V 下，总压等于各组分分压之和BBB(3) pnxpn=x B B的摩尔分数的摩尔分数分压与总压关系分压与总压关系pxpnnpBBB=分压定律的应用分压定律的应用 例题：用金属锌与盐酸反应制取氢气。在25下，用排水集气法收集氢气，集气瓶中气体压力为98.70kPa（25时，水的饱和蒸气压为3.17kPa），体积为2.50L。计算反应中消耗锌的质量。解： T =(273+25)K = 298K p=98.70kPa V=2.50L298K时，p(H2O)=3.17kP

8、a Mr (Zn)=65.39Zn(s) + 2HCl ZnCl2 + H2(g)65.39g 1molm(Zn)=? 0.0964mol -1-1(98.703.17)kPa2.50L8.314J Kmol298Kn(H2) =65.39g0.0964mol1molm(Zn) =6.30g=0.0964mol小结小结理想气体状态方程理想气体状态方程 pV=nRT道尔顿分压定律道尔顿分压定律分压分压pi, 前提：前提：V=V总总时，某组分单独贡献时，某组分单独贡献的压力的压力; Pi=xiP总总 （1 1）平衡系统的性质）平衡系统的性质不随时间而变化不随时间而变化，如达到化学平，如达到化学平衡

9、时，系统中每种物质的分压力或浓度都保持不变。衡时，系统中每种物质的分压力或浓度都保持不变。（2 2）化学平衡是）化学平衡是动态平衡动态平衡。（3 3）平衡是）平衡是有条件的、相对的有条件的、相对的。0 逆正=化学平衡化学平衡化学平衡的基本特征1) 对于稀溶液中的反应对于稀溶液中的反应 aA(aq) + bB(aq) gG(aq) + dD(aq)beqBaeqAdeqDgeqG/cc/cc/cc/ccK)()()()(=浓度标准平衡常数浓度标准平衡常数:平衡时的浓度平衡时的浓度一、标准平衡常数K2) 对于气相中的反应对于气相中的反应 aA(g) + bB(g) gG(g) + dD(g)beq

10、BaeqAdeqDgeqGpPppppppK)/()/()/()/(=平衡时的分压平衡时的分压beqBaeqAdeqDgeqG/cc)/p(pPP/ccK)()/()(=C =1mol.dm-3，P =100 kPa 水合离子用相对浓度，气体用相对分压水合离子用相对浓度，气体用相对分压 K 为无量纲的量。纯固相、液相和稀溶液中大量存在的为无量纲的量。纯固相、液相和稀溶液中大量存在的水不出现在水不出现在K 表达式中。表达式中。3) 对于一般的可逆反应 aA(g)+bB(aq)+cC(s) gG(aq)+dD(g)+hH(l)321223)/p(p)/p(p)/p(pKHNNH=23221232)

11、/p(p)/p(p)/p(pKHNNH=233322)/p(p)/p(p)/p(pKNHHN=1/2N2 (g) + 3/2 H2 (g) NH3 (g) 2NH3 (g) N2 (g) + 3H2 (g)例例 N2 (g) + 3 H2 (g) 2NH3 (g)显然显然，321KKK平衡常数表达式与反应方程式写法有关 (1) C (s) + 1/2O2(g) CO (g) (2) CO (g) + 1/2O2(g) CO2 (g) (3) C (s) + O2(g) CO2(g)212)/()/(1ppppKOCO=2122)/()/()/(2ppppppKOCOCO=)/()/(223pp

12、ppKOCO=(3) = (1) + (2)213KKK=反应反应(1) =反应反应(2)+反应反应(3)反应反应(1) =反应反应(2)反应反应(3)反应反应(1) = 反应反应(2)反应反应(1) = n*反应反应(2)反应反应(1) =2反应反应(2)-反应反应(3)nKK)(21=KK121=KKK321=KKK321=/KKK 321 2 2=二二. 多重平衡规则多重平衡规则 ) ) ) )def0eq0100BBBBnnn=该反应物已转化了的量某反应物的转化率 该反应物起始的量即， 反应进行程度也常用平衡转化率表示。反应进行程度也常用平衡转化率表示。三三.平衡转化率平衡转化率(2)

13、当涉及各物质的当涉及各物质的初始量、变化量、平衡量初始量、变化量、平衡量时，关时，关键是搞清楚各物质的变化量之比即为反应式中各物键是搞清楚各物质的变化量之比即为反应式中各物质的化学计量数之比。质的化学计量数之比。有关平衡计算中，应特别注意：有关平衡计算中，应特别注意：(1)写出写出配平配平的化学反应方程式，并注明物质的的化学反应方程式，并注明物质的聚集聚集状态状态(如果物质有多种晶型，还应注明是哪一种如果物质有多种晶型，还应注明是哪一种)。平衡分压平衡分压/ /kPakPa解解：起始时物质的量起始时物质的量/mol 1.2 2.0 0/mol 1.2 2.0 0平衡时物质的量平衡时物质的量/

14、/molmol 0.1 1.45 1.1 0.1 1.45 1.12SO2(g) + O2(g)2SO3(g)反应中物质的量的变化反应中物质的量的变化/mol /mol -1.10 -1.10/2 +1.10-1.10 -1.10/2 +1.10平衡时的摩尔分数平衡时的摩尔分数 x 0.10/2.65 1.45/2.65 1.10/2.650.10/2.65 1.45/2.65 1.10/2.65 例例 将将 1.2 mol SO2 和和 2.00 mol O2 的混合气体，在的混合气体，在 800K 和和101.325 kPa 的总压力下，缓慢通过的总压力下，缓慢通过 V2O5 催化剂使生成

15、催化剂使生成SO3 在恒温恒压下达到平衡后，测得混合物中生成的在恒温恒压下达到平衡后，测得混合物中生成的 SO3 为为1.10 mol。试利用上述实验数据求该温度下反应。试利用上述实验数据求该温度下反应 2SO2 + O2 = 2SO3 的的K ，及，及SO2 的转化率。的转化率。平衡分压平衡分压/ /kPakPakPa 82. 3)65. 2/10. 0(kPa 325.101)SO()SO(22eq=xppkPa 4 .55)65. 2/45. 1 (kPa 325.101)O()O(22eq=xppkPa 1 .42)65. 2/10. 1 (kPa 325.101)SO()SO(33e

16、q=xpp2194 .55)82. 3(100) 1 .42(22=%100 SO SO SO222=的起始量已转化的量平衡时的转化率%7 .91%10020. 110. 1=/)O(/)SO(/)SO(2eq22eq23eqppppppK=)O()SO()SO(2eq22eq23eqpppp=吕吕查德里（查德里（A. L. Le Chatelier） 原理：原理：假如改变平衡系统的条件之一，如浓度、压力或温假如改变平衡系统的条件之一，如浓度、压力或温度，平衡就向能度，平衡就向能减弱减弱这个这个改变改变的方向移动。的方向移动。 因因条件的改变条件的改变使化学反应从原来的平衡状态转使化学反应从原

17、来的平衡状态转变到新的平衡状态的过程叫变到新的平衡状态的过程叫化学平衡的移动化学平衡的移动。四、化学平衡的移动四、化学平衡的移动T 一定时：一定时： 增大反应物浓度增大反应物浓度(或分压或分压)，减小生成物浓度，减小生成物浓度(或分压或分压)时时， 平衡正向移动平衡正向移动； 减小反应物浓度减小反应物浓度(或分压或分压)，增大生成物浓度，增大生成物浓度(或分压或分压)时时， 平衡逆向移动平衡逆向移动。*浓度对化学平衡的影响3) 反应前后计量系数不同时： 增大压力增大压力，平衡向，平衡向气体分子数目减少气体分子数目减少的方向移动；的方向移动； 减少压力，平衡向气体分子数目增加的方向移动。减少压力

18、，平衡向气体分子数目增加的方向移动。*压力对化学平衡的影响压力对化学平衡的影响1) 压力对固相或液相的平衡没有影响；2) 反应前后计量系数不变的反应，压力对它们的平衡也没有影响； 平衡体系中加入惰性气体： 与化学平衡联系造成干扰有两大类： 1、 恒温恒容，平衡不发生移动。 系统总压力发生变化， 根据piV总=niRT，V总不变，ni不变， pi不变，则平衡不发生移动。 2、恒温恒压，平衡向气体分子数增多的方向移动。 为保持恒压，V总将增大，根据 piV总=niRT，V总增大， 相当于压强减小（总压虽然不变，反应体系的分压实际是减小了），平衡向着气体系数增加的方向移动。 升高温度向吸热方向移动升

19、高温度向吸热方向移动降低温度向放热方向移动降低温度向放热方向移动*温度对化学平衡的影响 归纳在平衡系统内，c反应物，平衡向正方向移动 c产物， 平衡向逆方向移动对于气态物质存在的平衡，在容积不变时对于气态物质存在的平衡，在容积不变时 p，平衡向着，平衡向着减少减少气体分子总数的方向移动。气体分子总数的方向移动。T，平衡向着，平衡向着降低温度降低温度的方向移动。的方向移动。假如改变平衡系统的条件之一，如浓度、压力或温假如改变平衡系统的条件之一，如浓度、压力或温度，平衡就向能度，平衡就向能减弱减弱这个改变的方向移动。这个改变的方向移动。1.已知：已知： H2(g) + S(s) H2S(g) K1

20、 S(s) + O2(g) SO2(g) K2则反应则反应 H2(g) + SO2(g) O2(g) + H2S(g) 的平衡常数是的平衡常数是（ ） (A) K1 + K2 (B) K1- K2 (C) K1 K2 (D) K1 / K2 D2.下列反应达平衡时，下列反应达平衡时，2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)，保持体积不变，加入惰性气，保持体积不变，加入惰性气体体He，使总压力增加一倍，则，使总压力增加一倍，则（ ） (A) 平衡向左移动平衡向左移动 (B) 平衡向右移动平衡向右移动 (C) 平衡不发生移动平衡不发生移动 (D) 条件不充足，不能判断条件不充足，不能判断 C3、合成氨反应合成氨反应3H2(g) +