高中化学竞赛辅导班全部辅导讲义[全套]：化学平衡1

1、化 学 平 衡(Chemical Equilibrium)化学平衡与平衡常数化学平衡的移动3. 有关平衡常数的计算1. 化学平衡与平衡常数1.1 可逆反响与化学平衡N2O4 (g) 2NO2 (g)N2O4 (g) T:373 K:t = 0 0.1 mol/L 0t = te 0.04 mol/L 0.12 mol/L(t )t/s060C/(mol/L)0.00.1N2O4 (g) NO2 (g)r + = r -r +r -0 60r/(浓度)1-n/时间t/s：在同一条件下，既能向正反响方向又能向 可逆反响说明： 绝大多数的化学反响都有一定的可逆性，但有的逆反响 倾向比较弱，从整体上看

2、几乎是朝着一个方向进行的。 例如： AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3 2KClO3 2KCl + 3O2(g)化学反响中逆反响比较显著时，整个反响不能正向进行到底，如N2O4的分解不能进行到底，而是经过一定的时间，正逆反响的速度相等，N2O4和NO2的浓度都不再变化，也即到达了化学平衡。MnO2逆反响方向进行的反响。化学平衡：正逆反响速度相等时，体系所处的状态称为化学平衡建立平衡的前提：封闭体系、恒温、可逆反响；2. 建立平衡的条件：正逆反响速度相等动态平衡，体系并非处于静止状态 ；3. 建立平衡的标志：各物质浓度不再随时间改变。平衡状态 是封闭体系中可逆反响进行的最大限度；

3、化学平衡是有条件的平衡。外界因素： 温度、压力、浓度、 添加剂等。重要特点：1.2 化学平衡常数N2O4 (g) 2NO2 (g)373 K:初始浓度平衡浓度NO2/co2/N2O4 /comol/Lmol/L实验1NO20.0000.120 (0.120/1)2/(0.040/1) = 0.36N2O40.1000.040实验2NO20.1000.072(0.072/1)2/(0.014/1) = 0.37N2O40.0000.014实验3NO20.1000.160(0.160/1)2/(0.070/1) = 0.36N2O40.1000.070t = 00.1 mol/L 0t = te

4、0.04 mol/L 0.12 mol/L以 代表平衡浓度, co = 1mol/L1.2.1 化学平衡定律 尽管N2O4和NO2的平衡浓度并无规律性，但对 分析上表可知：NO2/co2 N2O4/co= KCo热力学平衡常数对一切可逆反响：aA + bB dD +eED/codE/coeA/coaB/cob= KCo热力学平衡常数化学平衡定律标准平衡常数标准平衡常数( Co = 1 mol/L )每组实验， NO2/co2/N2O4/co的比值是相等的，大约为 0.36。标准平衡常数与物质的初始浓度无关，也与起始的反响方向无关，但受温度的影响较大。例如：注意： T/K273323373KCo

5、0.00050.0220.36例1合成氨的反响N2 + 3H2 2NH3 在某温度下达平衡时，各物质的浓度是：N2=3 mol/L, H2=9mol/L, NH3 = 4 mol/L。求该温度时的平衡常数和N2、H2的初始浓度。解化学平衡这类题的关键：首先列出化学反响方程式；理清不同时刻初始、平衡反响物消耗量和产物生成量 以及初始浓度与平衡浓度之间的关系。化学方程式的意义1.2.2 书写化学平衡常数关系式的规那么气体反 应，纯固体、液体参加的反响；纯液体反响1如果反响中有固体和纯液体参加，它们的浓度不应写在平衡 关系式中，因为它们的浓度是固定不变的，化学平衡关系式 中只包括气态物质和溶液中各溶

6、质的浓度。 例如： CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) KCo = CO2/co CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(l) KC o= CO/coCO2/coH2/co2稀溶液中进行的反响，如有水参加，水的浓度也不必写在平衡关系式中。例如：Cr2O72- + H2O 2CrO4 2-+ 2H+KCo = CrO42-/co2H+/co2Cr2O72-/co 注意：非水溶液中的反响，如有水参加反响，此时水的浓度不可视为常数，必须表示在平衡关系式中。 例如：C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2OKC = CH3COOC2H5/coH2O/coC2H5

7、OH/coCH3COOH/co(3) 同一化学反响，可以用不同的化学反响方程式来表示，每个 化学方程式都有自己的平衡常数关系式及相应的平衡常数。例如：N2O4 (g) 2NO2 (g)N2O4 (g) NO2 (g)2NO2 (g) N2O4 (g)12K1o = NO2/co2N2O4 /co= 0.36K2 o= NO2 /coN2O4 /co1 / 2= 0. 60K1o = NO2 /co2= 2.78N2O4 /co显然，K1o=K2o 2 = K31o进行化学平衡的计算时必须写出反响方程式和相应的平衡常数。4对于气体反响，写平衡常数关系式时，除可以用平衡时的 物质的量浓度表示外，也

8、可以用平衡时气体的分压来表示。例如： N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) KC o = NH3/co2N2/coH2/co3Kp o = (pNH3 / po)2(pN2/po)(pH2/po)3aA(g) + bB(g) dD(g) +eE(g)Kpo = (pD/po)d (pE/po)e(pA/po)a (pB/po)b= KCo(RT/po)npD, pE, pA, pB指平衡分压 n = (d+e) - (a+b)平衡常数单位：KCo ， Kp o 无量纲 ()平衡()平衡例如： CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) Kpo = pCO2/PoR 指气体常数(

9、8.314 Jmol -1K-1)(SI制)说明：1. 对一切可逆反响：aA + bB dD +eEDdEeAaBb= KC经验平衡常数KCo = KC(Co)-nn = (d+e) - (a+b)= Kp (pNH3 )2(pN2)(pH2)3()平衡平衡()经验平衡常数Kpo = Kp(po)-nn = (d+e) - (a+b)2. 对含气体反响： Kp = KC (RT)n3. 对于难溶电解质在饱和溶液中(实为不可逆反响)各离子浓度幂 的乘积是一个常数，该常数定义为难溶电解质的溶度积(一般 不称为平衡常数)，以Ksp表示。AmBn(s) mAn+(aq) +nBm-(aq)Ksp =

10、An+mBm-n 例如：AgCl Ag+ + Cl-Ksp = Ag+Cl-Ag2CrO42Ag+ + CrO42-Ksp =Ag+2CrO42-经验平衡常数均有单位：mol/LKC : (mol/L) n ; Pa , atm Kp : (Pa) n, (atm) n n = 0时， KC ， Kp 无量纲4. 平衡常数(Kco、Kpo、Kc 、Kp) 仅与温度有关在目前阶段), 是化学平衡计算的依据且应理解题目中平衡常数是指何种常数。1.2.3 平衡常数的意义平衡常数的大小可以判断反响进行的程度、估计反响的可逆性。 因为平衡状态是反响进行的最大限度。 例如： N2(g)+O2(g)=2NO

11、(g) KCo = 110-30 2Cl (g) =Cl2 KCo =11038通常认为是不可逆反响N2O4 (g) 2NO2 (g)KCo = 0.36 373 K 可逆反响注意：平衡常数的大小并不能预示反响到达平衡所需要的时间。2. 平衡常数表达式说明在一定温度下体系达成平衡的条件。aA + bB dD +eED/codE/coeA/coaB/cob= KCo时，体系才处于平衡状态。可以改变各当组分的浓度来改变平衡点平衡状态，但在一定温度下平衡常数不会改变。D/codE/coeA/coaB/cob KCo当时，说明体系未到达平衡状态，此时可能有两种情况：浓度商QC KCo 逆向进行可逆反响

12、进行的方向和判据。对气相反响：D/codE/coeA/coaB/cob= Qc令说明： = Qp(pD/po)d (pE/po)e(pA/po)a (pB/po)b压力商令那么比较Qp与Kpo的大小以判断反响进行的方向。1.3 平衡转化率中学阶段：有关化学方程式的计算，仅适用于几乎进行完全的 反响不可逆反响。 平衡常数居中的可逆反响，由于反响物不能全部转化为产物，只 能应用平衡常数计算平衡体系中反响物和产物的浓度，了解某反 应物转化为产物的转化率。平衡转化率是指平衡时已转化了的某反响物的量与转化前该反响物的量之比。例2一氧化碳变换反响CO +H2O H2+CO2，在773K时，平衡常数KC =

13、 9, 如反响开始时CO和H2O的浓度都是0.020 mol/L, 计算在该条件下，CO的转化率最大是多少？解设平衡时有x mol/L CO2和H2生成CO +H2O H2+CO2初始浓度t0 0.020 0.020 0 0平衡浓度t = te 0.020-x 0.020-x x xKC = H2CO2COH2Ox = 0.015 mol/L转化率 = 0.0150.020 100%= 75%分析：平衡转化率是指定条件下的最大转化率。在773K时，0.020mol/L的CO和等浓度的H2O反响，最多只有75%的CO转化为CO2，如要尽量出除去CO，那么需通过改变条件而改变转化率。1.4 多重平

14、衡规那么H2(g) + 12O2(g)H2O (g)CO2 (g) CO(g) + 12O2(g)H2(g) + CO2(g) H2O(g)+CO(g)(1)(2)(3)反响3= 反响1+反响2，那么K3 = K1K2 反响3= 反响1-反响2，那么K3 = K1/K2多重平衡规那么注意：对于多重平衡如有机反响中的主、副反响，计算转化。率时要分清各物质的量之间的关系。例3600K时，由CH3Cl和H2O作用生成CH3OH时，CH3OH可继续分解为(CH3)2O，即以下平衡同时存在。CH3Cl(g)+H2O CH3OH(g)+HCl(g) (1)2CH3OH(g) (CH3)2O(g)+H2O(

15、g) (2)在该温度下Kp1=0.00154, Kp2 = 10.6。今以CH3Cl和H2O等量开始反响，求CH3Cl的转化率？解CH3Cl(g)+H2O CH3OH(g)+HCl(g) (1) 1-x 1-x+y x-2y x2CH3OH(g) (CH3)2O(g)+H2O(g) (2) 平衡时 平衡时 x-2y y 1-x+yx = 0.048 y = 0.009 2. 化学平衡的移动旧平衡状态 新平衡状态改变条件T, P, C化学平衡移动注意：化学平衡移动的特征是反响体系中各物质的含量发生改变即平衡状态改变，但平衡常数未必变化。化学平衡移动的依据： QC KCo; Qp KPo化学平衡移

16、动的途径：等温下，改变反响物或产物的浓度 QC 或 QP，但KCo 或KP o不变改变温度KCo 或KP o2.1 浓度对化学平衡的影响例如： N2 (g)+ 3H2(g) 2NH3 (g) QC = NH3/co2N2 /coH2 /co3T, 平衡：= KCoQC KCo (定温下不变)规律：在其它条件不变的情况下，增加反响物浓度或减少生成物浓度，反响平衡向正方向移动；增加生成物浓度或减少反响物的浓度，化学平衡向着逆反响的方向移动。例如：CO +H2O H2+CO2初始浓度t0 0.020 0.020 0 0平衡浓度t = te 0.020-x 0.020-x x x初始浓度t0 0.02

17、0 0.080 0 0改变CO的转化率75 % 97 %结论在可逆反响中，为了尽可能利用某一反响物，经常用过量的另 一物质和它作用。例如： 2SO2 + O2 2SO3 SO2:O2 = 1:1.6CO +H2O H2+CO2提高CO的转化率， 参加过量H2O2. 不断将生成物从反响体系中别离出来，那么平衡将不断地向生成 产物的方向移动。例如： Fe3O4 + 4H2 (g) 3Fe +4H2O(g) 移去2.2 压力对化学平衡的影响 有气体参加，但反响前后气体分子数不等的反响例如：N2 (g)+ 3H2(g) 2NH3 (g) QP = 平衡条件：= KPo(pNH3/po)2(pN2/po

18、)(pH2/po)3T:1.假设平衡体系的总压力增加到原来的两倍，那么各组分的分压也 增加两倍，分别为2pH2, 2pN2, 2pNH3。那么 QP = 14KPo KPo反响左移，直到QP = KP o2.2.2 有气体参加，但反响前后气体分子数相等的反响在等温下，增加总压力，平衡向气体分子数减少的方向移动；减压，那么平衡向气体分子数增多的方向移动。规律例如：CO (g)+H2O(g) H2 (g)+CO2 (g)QP = 平衡条件：= KPo(pCO2/po)(pH2/po)(pCO/po)(pH2O/po)增加或降低压力，QP = Kpo 规律在有气体参加的可逆反响中，如果气态反响物的总

19、分子数和气态生成物总分子相等，在等温下，增加或降低总压力，对平衡没有影响。2.2.3 对于溶液中进行的反响，改变总压力对平衡几乎没什么影响2.3 温度对化学平衡的影响温度对化学平衡的影响与浓度和压力的影响有本质的区别。 改变浓度或压力只能使平衡点改变，而温度的变化却导致了平衡 常数的改变。T1 K1Co(K1Po)rHo 恒压反响热效应 (1) rHo 0, 反响吸热， T, K 规律温度对化学平衡的影响：升高温度，使平衡向吸热方向移动；降低温度，使平衡向放热的方向移动。T2 K2Co(K2Po)假设改变平衡系统的条件之一，如温度、压力或浓度，平衡就向减弱这个改变的方向移动。勒夏特里原理例41

20、. 往一体积不变的密闭容器中充入H2和I2，发生反响H2(g)+I2(g) 2HI(g) ; H 0, 当到达平衡后，to时改变反响的某一条件混合气体物质的量不变，且造成容器内压强增大，以下说法正确的选项是 A. 容器内气体颜色变深，平均分子量不变 B. 平衡不移动，混合气体密度增大 C. H2转化率增大，HI平衡浓度变小 D. 改变条件前后，速度图象为右图 0t0trr+= r-r+r-应用勒夏特里原理答复以下问题：2. 某密闭容器中放入一定量的NO2, 发生反响 在到达平衡后，假设分别单独改变以下条件，重 新到达平衡后，能使平衡混合气体平均相对分子质量减小的是 A. 通入N2 B. 通入N

21、O2 C. 通入N2O4 D. 降低温度 3. 在一定体积的密闭容器中，进行化学反：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ，其化学平衡常数K和温度的关系如下表： 根据以上信息作出的以下判断中正确的选项是 A. 此反响为吸热反响 B. 此反响只有到达平衡时，密闭容器中的压强才不再变化 C. 此反响在1000oC到达平衡时，c(CO2)c(H2)/c(CO) c(H2O)约 为0.59 D. 1100 oC时，此反响K可能为0.92NO2 (g) N2O4 (g) + Q， t/oC70080083010001200 K0.60.91.01.72.6 4. 今年是勒沙特列Le Cha

22、telier 1850-1963诞生155周年。请用 勒沙特列原理解释如下生活中的常见现象：翻开冰镇啤酒倒入 玻璃杯，杯中立即泛起泡沫。5. 人体中的血红蛋白简写为Hb可以携带氧气变为氧合血红蛋白 简写为HbO2。其化学平衡方程式可写为：Hb+O2 HbO2。在海拔比较高的地方，氧气的分压比较低，平衡将向左 移动，人体会感到比较累并易有眩晕感，严重时还会导致疾病。 CO可与HbO2反响生成HbCO，并且HbCO比HbO2要稳定得多， 其化学平衡方程式可写为： HbO2+CO HbCO+O2 KC = HbCO的形成使得血红蛋白不再携带氧气而造成人员中毒。一旦 HbCOO2HbO2CO=2.16

23、 102 除了CO和O2，HbO2还可以吸附CO2和氢离子，且反响几乎是完全的。方程式 如下： HbO2 + H+ + CO2 Hb(H+)CO2 + O2人体在肌肉剧烈运动时会产生乳酸(CH3CH(OH)COOH ) ，乳酸在血液中会和氧合血红蛋白发生怎样的反响？ 肌肉剧烈运动时放出大量的热，氧合血红蛋白会放出更多氧气， 你认为乳酸和氧合血红蛋白的反响是吸热反响还是放热反响？ 简述理由。发生CO中毒，首先做的事是让患者呼吸新鲜的空气。试从化学平衡的角度分析这样做的意义。 3. 有关化学平衡的计算例5化学反响2CuBr2(s) 2CuBr(s)+Br2(g)， 487K的平衡常数 应表示为 ,

24、但对有固体参加的反响， 固相物质的分压可作为常数1，因此，Kp可以大大简化，例如上式 可表示为Kp = pBr2(g) = 0.0460 atm。现有容积为10.0 L的容器，其 中有过量的CuBr2(s)并参加0.100 mol I2 (g)，因发生反响Br2(g)+I2(g) 2BrI(g) 而使平衡时气体总压p = 0.746 atm，求： 1第二个反响的平衡常数。 2再向体系中充入0.100mol I2，那么平衡时气体总压为多少？Kp = P2CuBr(s) pBr2(g)P2CuBr2(s)分析关键是温度不变，反响的平衡常数不变，反响1中Br2(g)的分压不变。1PV = nRT P

25、 = 0.400 atm Br2(g)+I2(g) 2BrI(g)初始时: 0.0460 0.400 0平衡时: 0.0460 0.400-x 2x0.0460 +0.400 x +2x = 0.745x = 0.300 atmKp = (20.300)20.0460 (0.400-0.300)= 78.3(2) Br2(g)+I2(g) 2BrI(g)初始时 0.0460 0.800 0平衡时0.0460 0.800-y 2yP总 = 1.357 atm例61273 K时H2O(g)通过红热的铁生产H2, 发生如下反响：反响的平衡常数 Kp = 1.49。Kp是以各平衡混合气体分压表示的化学

26、平衡常数1计算每生产1.00 mol 氢气需通入水蒸气的物质的量为多少？21273 K时，假设反响体系中只有0.30 mol 的铁并通入1.0 mol 水 蒸气与其反响，试计算反响后各组分的物质的量。反响后体 系是否处于平衡状态，为什么？ 31273 K时，当1.00 mol 水蒸气与0.80 mol 铁接触时，最后各 组分的物质的量是多少？ Fe(s) + H2O(g) FeO(s) +H2(g)，分析1 Fe(s) + H2O(g) FeO(s) +H2(g)，初始时 x/mol 0平衡时 x-1/mol 1 molK p = pH2pH2O=1 8.3141273/V(x-1) 8.3141273/V= 1.49解题关键是平衡常数仅与温度有关，而与浓度、压力无关。x = ？ mol2 Fe(s) + H2O(g) FeO(s) +H2(g)，初始时 0.30 mol 1.0 mol 0平衡时 0.30-x 1-x/mol x mol x molK p