内蒙古民族大学无机化学吉大武大版化学平衡市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、第第 5 章章化化 学学 平平 衡衡Chemical Equilibrium第1页 在研究物质改变时,人们不但注意反应方向在研究物质改变时,人们不但注意反应方向和反应速率,而且也十分关心化学反应能够完成和反应速率,而且也十分关心化学反应能够完成程度,即在指定条件下,反应物能够转变成产物程度,即在指定条件下,反应物能够转变成产物最大程度。这就是我们要讨论化学平衡问题。最大程度。这就是我们要讨论化学平衡问题。本章讨论本章讨论主要内容有:主要内容有:1 1化学平衡和平衡常数概念化学平衡和平衡常数概念 2 2多重平衡规则多重平衡规则 3 3化学平衡计算化学平衡计算 4 4标准平衡常数与标准平衡常数与标
2、准自由能变关系标准自由能变关系 5 5化学平衡移动原理。化学平衡移动原理。第2页 5-1 化学反应可逆性和化学平衡化学反应可逆性和化学平衡可逆反应:可逆反应:在一定条件下,一个化学反应即可从左在一定条件下,一个化学反应即可从左 向右进行,又能够从右向左进行反应向右进行,又能够从右向左进行反应 叫可逆反应。叫可逆反应。比如:比如:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)Ag+(aq)+Cl-(aq)AgCl(s)化学反应这种性质叫反应可逆性。几乎全部化学反应这种性质叫反应可逆性。几乎全部反应都含有可逆性,只是可逆性程度不一样。习惯上,反应都含有可逆性,只是可逆性程度不一样。习惯上,我们把
3、可逆性显著化学反应,称为可逆反应(用箭我们把可逆性显著化学反应,称为可逆反应(用箭头表示);可逆性不显著化学反应,称为不可逆反头表示);可逆性不显著化学反应,称为不可逆反应(用平行线表示)。可逆反应最终将造成化学平衡应(用平行线表示)。可逆反应最终将造成化学平衡状态(即可逆化学反应能够完成最大程度)。状态(即可逆化学反应能够完成最大程度)。第3页化学平衡:化学平衡:在可逆反应中,正反应速度与逆反应速在可逆反应中,正反应速度与逆反应速 度相等时状态,称为化学平衡状态,度相等时状态,称为化学平衡状态,简称化学平衡。简称化学平衡。在化学平衡状态下:反应并未停顿,只是正逆在化学平衡状态下:反应并未停顿
4、,只是正逆反应速度相等。即反应速度相等。即 v正正=v逆逆,所以化学平衡是一个动,所以化学平衡是一个动态平衡。态平衡。H2(g)+I2(g)2HI(g)平衡条件包含体系各物质浓度、温度、压力平衡条件包含体系各物质浓度、温度、压力条件改变,平衡将发生移动。条件改变,平衡将发生移动。第4页 化学平衡特点化学平衡特点 平衡是动态平衡是动态 抵达平衡状态路径是双向抵达平衡状态路径是双向 对对上上述述反反应应,不不论论从从哪哪个个方方向向都都能能抵抵达达同同一一平平衡衡状状态态。温温度度一一经经确确定定,CO2平平衡衡压压力力也也就就确确定定,在在该该压压力力下产生下产生CO2速率等于它转化为速率等于它
5、转化为CaCO3速率。速率。系系统统各各组组分分无无限限期期保保持持恒恒定定并并不不意意味味着着正正、逆逆反反应应终终止止,只只不不过过朝朝两两个个方方向向进进行行速速率率相相等等而而已已。如如反反应:应:CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)平衡时,平衡时,CaCO3仍不停分解为仍不停分解为CaO和和CO2,CaO与与CO2仍在不停形成仍在不停形成CaCO3(用放射性同位素用放射性同位素14C标识法)标识法)第5页 平衡状态是两种相反趋势造成折中状态平衡状态是两种相反趋势造成折中状态 两两种种相相反反趋趋势势是是指指系系统统总总是是趋趋向向最最低低能能量量趋趋势势和和趋趋向向最最大大混混
6、乱乱度度趋趋势势。CaCO3分分解解成成气气态态CO2分分子子混混乱乱度度更更高高。假假如如只只有有熵熵变变这这一一原原因因,CaCO3将将会会完完全全分分解解。然然而而CaCO3分分解解为为吸吸热热过过程程,熵熵变变有有利利这这一一反反应应焓焓变变却却不不利利。逆逆反反应应情情况况恰恰好好颠颠倒倒过过来来:熵熵变变不不利利而而焓焓变变却却有有利利。能能够够认认为为,平平衡衡系系统统中中CO2分压反应了两种趋势造成折中状态。分压反应了两种趋势造成折中状态。化化学学平平衡衡规规律律适适合合用用于于各各种种平平衡衡(电电离离平平衡衡,酸酸碱平衡、沉淀平衡、氧化还原平衡、配位平衡)。碱平衡、沉淀平衡
7、、氧化还原平衡、配位平衡)。第6页5-2 平衡常数平衡常数 2-1 经验平衡常数经验平衡常数 参加反应物质按一定百分比组成反应混合物。参加反应物质按一定百分比组成反应混合物。平衡时,各组分浓度不再改变。但反应混合物平衡时,各组分浓度不再改变。但反应混合物组成不一样时,平衡体系组成并不相同。看以下组成不一样时,平衡体系组成并不相同。看以下反应数据:反应数据:CO2 H2 CO H2O CO2 H2 CO H2O 0.01 0.01 0 0 0.004 0.004 0.006 0.006 2.3 0.01 0.02 0 0 0.0022 0.0122 0.0078 0.0078 2.3 0.01
8、0.01 0.001 0 0.0041 0.0041 0.0069 0.0059 2.4 0 0 0.02 0.02 0.0082 0.0082 0.0118 0.0118 2.1CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)起始浓度起始浓度/moldm3 平衡浓度平衡浓度/moldm3第7页经过以上数据能够看出,不论反应从哪个方向开始,经过以上数据能够看出,不论反应从哪个方向开始,尽管平衡组成不一样,但尽管平衡组成不一样,但 值是不变。值是不变。据此能够得到结论,在一定温度下,可逆反应达据此能够得到结论,在一定温度下,可逆反应达平衡时,生成物浓度以反应方程式中计量系数为指数平衡时,生成物浓
9、度以反应方程式中计量系数为指数幂乘积与反应物浓度以反应方程式中计量系数为指幂乘积与反应物浓度以反应方程式中计量系数为指数幂乘积之比为一常数,称为可逆反应数幂乘积之比为一常数,称为可逆反应经验平衡经验平衡常数常数(或试验平衡常数)用(或试验平衡常数)用 Kc 表示。表示。对任一可逆反应对任一可逆反应 aA+bB eE+dDKc=Ee Dd Aa Bb 方括号内表示是物质平衡浓度方括号内表示是物质平衡浓度 Kc 是用平衡浓度表示平衡常数是用平衡浓度表示平衡常数第8页从经验平衡常数从经验平衡常数 Kc 表示式中能够看出,表示式中能够看出,Kc 单单位是:位是:mol dm3(e+d)(a+b)即为浓
10、度某次幂。即为浓度某次幂。当当 (e+d)=(a+b)时,时,Kc 无单位无单位 对于气相反应:对于气相反应:a A(g)+b B(g)eE(g)+dD(g)对于气相反应,用物质平衡分压表示气态可逆对于气相反应,用物质平衡分压表示气态可逆反应经验平衡常数反应经验平衡常数 Kp。对同一个反应:对同一个反应:Kc 和和Kp 数值可能不等,二者之数值可能不等,二者之间关系:间关系:Kp=Kc(RT)n n=(e+d)-(a+b)n=0 Kp=Kc P:Pa;V:m3;T:K;R=8.314Jmol-1K-1 Kp=pEe PDd PAa PBb 在某一温度下达平衡:在某一温度下达平衡:第9页 注意注
11、意:(1 1)平衡状态,平衡体系各物质浓度保持不变,但各)平衡状态,平衡体系各物质浓度保持不变,但各 物质浓度值与初始浓度相关。物质浓度值与初始浓度相关。(2 2)平衡常数与各物质初始浓度无关但与温度相关。)平衡常数与各物质初始浓度无关但与温度相关。2-2 平衡常数表示式书写要求和多重平衡规则平衡常数表示式书写要求和多重平衡规则1.1.平衡常数表示式书写要求平衡常数表示式书写要求 反应体系中纯固体,纯液体及水溶液中水反应体系中纯固体,纯液体及水溶液中水浓度不写入平衡常数表示式中。如浓度不写入平衡常数表示式中。如:Cr2O72-(aq)+H2O 2 CrO42-(aq)+2H+(aq)H2O 为
12、液相,不写入。为液相,不写入。OCrHCrOKc2722224-+-=第10页 复相反应经验平衡常数用复相反应经验平衡常数用 K 表示,即不是表示,即不是KC也也不是不是KP例:例:CaCO3(S)CaO(S)+CO2(g)复相反应复相反应 K=PCO2 对非水溶液反应,如有水生成或有水参加,必对非水溶液反应,如有水生成或有水参加,必须写上。如醋酸和乙醇酯化反应须写上。如醋酸和乙醇酯化反应:C2H5OH+CH3COOH CH3COOC2H5+H2O 同一化学反应,平衡常数关系式因化学方程式同一化学反应,平衡常数关系式因化学方程式写法不一样而异。写法不一样而异。Kc=CH3COOC2H5 H2O
13、 CH3COOH C2H5OH第11页 N2O4(g)2NO2(g)K1=0.36 N2O4(g)NO2(g)K2=K11/2=0.60 2NO2(g)N2O4(g)K3=1/K1=2.78 所以要使用与反应方程式对应平衡常数所以要使用与反应方程式对应平衡常数2.2.多重平衡规则多重平衡规则 某个反应能够表示为两个反应和某个反应能够表示为两个反应和(或差或差),则总,则总反应平衡常数等于各分反应平衡常数之积反应平衡常数等于各分反应平衡常数之积(或商或商)。这个关系称为多重平衡规则。这个关系称为多重平衡规则。(1)H2(g)+O2 H2O(g)K1(2)CO2(g)CO(g)+O2 K2(3)H
14、2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)K3 (3)=(1)+(2)第12页 同理:同理:(1)=(3)-(2)K1=K3/K2注意:在处理多重平衡关系中注意:在处理多重平衡关系中,全部平衡常数必须在全部平衡常数必须在 同一个温度。同一个温度。2-3 平衡常数与化学反应程度平衡常数与化学反应程度 体系达平衡时,体系中各物质浓度不再随时间体系达平衡时,体系中各物质浓度不再随时间而改变,这时反应物已最大程度地转变为产物。而改变,这时反应物已最大程度地转变为产物。平衡常数平衡常数 KC 越大,反应进行程度越大。越大,反应进行程度越大。我们能够用转化率我们能够用转化率 来标志化学反应在某个具来标
15、志化学反应在某个具体条件下完成程度。体条件下完成程度。K3=K1 K2H2OCOH2CO2H2OH2O2O2COCO2第13页 转化率转化率%=已转化为产物总量已转化为产物总量/反应物起始总量反应物起始总量 例:例:反应反应 CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)在在 773K 时时,平衡常数平衡常数 Kc=9,如反应开始时,如反应开始时CO和和H2O浓度都是浓度都是0.020 molL-1,计算在这条件下,计算在这条件下,CO转化率最大是多少?转化率最大是多少?解:设平衡时解:设平衡时CO2和和H2浓度为浓度为x molL-1 CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)初始浓
16、度初始浓度:0.020 0.020 0 0平衡浓度平衡浓度:0.020-x 0.020-x x x 解得解得:x=0.015(molL-1)转化率转化率=0.015/0.020 100=75%K=9x2(0.020-x)2第14页 利用一样方法,能够分别求得当利用一样方法,能够分别求得当 Kc=4 和和 Kc=1 时,时,CO平衡转化率分别为平衡转化率分别为 67%和和 50%,能够,能够说,在其它条件相同时说,在其它条件相同时 Kc 越大,平衡转化率越高。越大,平衡转化率越高。即使即使Kc和转化率都能够表示反应进行程度,但和转化率都能够表示反应进行程度,但Kc与反应物浓度无关,只与温度关,而
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