无机化学化学平衡原理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、无机化学无机化学第第5 5章章 化学平衡原理化学平衡原理 第1页无机化学无机化学5.1 化学平衡与标准平衡常数化学平衡与标准平衡常数5.2 标准平衡常数应用标准平衡常数应用 5.3 化学平衡移动化学平衡移动 第2页无机化学无机化学5.1.1 化学平衡基本特征化学平衡基本特征5.1.2 吉布斯自由能与化学平衡吉布斯自由能与化学平衡 化学反应等温方程式化学反应等温方程式 5.1.3 标准平衡常数标准平衡常数 5.1.4 多重平衡多重平衡 5.1 化学平衡与标准平衡常数化学平衡与标准平衡常数5.1 化学平衡与标准平衡常数第3页无机化学无机化学 一、平衡状态一、平衡状态1 1、可逆反应可逆反应绝大多数
2、化学反应都是不能进行到底反应,也就是可逆反应。只是不一样反应,其可逆程度不一样而已。一个化学反应在同一条件下,既可自左向右进行,也可自由向左进行,这么反应称为可逆反应。5.1.15.1.1 化学平衡基本特征化学平衡基本特征第4页无机化学无机化学2 2、化学平衡化学平衡 当正逆反应速率相等时,体系中各种物质浓度不再发生改当正逆反应速率相等时,体系中各种物质浓度不再发生改变,建立了一个动态平衡,称变,建立了一个动态平衡,称化学平衡化学平衡。H H2 2(g)+I(g)+I2 2(g)2HI(g)(g)2HI(g)V V逆逆V V正正时间时间反应速度反应速度图图 可逆反应与化学平衡可逆反应与化学平衡
3、第5页无机化学无机化学3 3、化学平衡特征化学平衡特征 V V正正=V V逆逆 ,r rG GT,PT,P=0=0,体系组成不再随时间而变。体系组成不再随时间而变。化学平衡是一个动态平衡,是有条件平衡。化学平衡是一个动态平衡,是有条件平衡。化学平衡能够从两个方向到达。平衡组成与到达平衡路径化学平衡能够从两个方向到达。平衡组成与到达平衡路径无关。无关。比如:比如:H2(g)+I2(g)2HI(g)(T=793K)试验编号起始浓度/(molL-1)平衡浓度/(molL-1)C(H2)C(I2)C(HI)C(H2)C(I2)C(HI)C(H2)C(I2)C2(HI)1230.2000.0000.10
4、00.2000.0000.1000.0000.2000.1000.1880.0940.1770.1880.0940.1770.0240.0120.0230.0160.0160.017第6页无机化学无机化学 5.1.25.1.2 吉布斯自由能与化学平衡吉布斯自由能与化学平衡化学反应等温方程式化学反应等温方程式第7页无机化学无机化学(一)关于标准条件一)关于标准条件压力限制:压力限制:气体物质分压为标准压强气体物质分压为标准压强P P=100KPa=100KPa;浓度限制:浓度限制:溶液离子浓度为标准浓度溶液离子浓度为标准浓度C C=1.0 molL=1.0 molL-1-1 温度不限:温度不限:
5、298.15298.15K-K-表示为:表示为:r rG Gm m(298298)T K-T K-表示为:表示为:r rG Gm m(T T)假如偏离假如偏离标准条件:称为吉布斯自由能变量,标准条件:称为吉布斯自由能变量,表示为:表示为:r rG Gm m(T T)第8页无机化学无机化学(二)非标准条件下吉布斯自由能变量(二)非标准条件下吉布斯自由能变量r rG Gm m(T T)计计算算 -化学反应等温方程式化学反应等温方程式 1 1。反应商。反应商 J J概念概念 为了表示物质浓度(为了表示物质浓度(C C)或压力(或压力(P P)对吉布斯自由能变量对吉布斯自由能变量影响,引入反应标影响,
6、引入反应标J J概念:概念:反应通式:反应通式:aA+dD=eE+fFaA+dD=eE+fF 均相气体反应:均相气体反应:-反应瞬时分压商反应瞬时分压商J Jp p表示式各项用气体相对分压表示表示式各项用气体相对分压表示 P Pi i/P/PdDaAfFeEpppppppppJ)/()/()/()/(QQQQ=第9页无机化学无机化学均相溶液反应:均相溶液反应:-反应瞬时浓度商反应瞬时浓度商J Jc c表示式各项用离子相对浓度表示表示式各项用离子相对浓度表示 C Ci i/C/C多相反应:多相反应:-反应商反应商J J表示式中,气体项用表示式中,气体项用P Pi i/P/P ,离子项用离子项用
7、C Ci i/C/C比如反应:比如反应:AaAa(aqaq)+dD+dD(aqaq)=eE=eE(aqaq)+fF+fF(g g)dDaAfFeEcccccccccJ)/()/()/()/(QQQQ=aAfFeEccppccJ)/()/()/(QQQ=第10页无机化学无机化学2 2。化学反应等温方程式化学反应等温方程式r rG GT,P-T,P-反应在非标准态下摩尔吉布斯自由能变量;反应在非标准态下摩尔吉布斯自由能变量;r rG GT-T-反应标准态摩尔吉布斯自由能变量;反应标准态摩尔吉布斯自由能变量;R-R-摩尔气体常数,摩尔气体常数,R=8.314JmolR=8.314Jmol-1-1K
8、K-1-1;T-T-热力学温度。热力学温度。J J -反应商(含瞬时浓度商反应商(含瞬时浓度商J Jp p 和含瞬时分压商和含瞬时分压商J Jp p)r rG GT,PT,P=r rG GT T+RTln J+RTln J 第11页无机化学无机化学3 3。化学反应等温方程式应用化学反应等温方程式应用 利用化学反应等温方程式,能够计算非标准态下吉布斯自利用化学反应等温方程式,能够计算非标准态下吉布斯自由能变由能变r rG GT,PT,P,从而判断给定条件下该反应自发进行方向。从而判断给定条件下该反应自发进行方向。例题例题 :已知反应在已知反应在298.15298.15K K时时r rH Hm m
9、 为为155.0155.0KJmolKJmol-1-1和和r rS Sm m为为-92.2-92.2JKJK-1-1molmol-1-1。试经过计算解释试经过计算解释398.15398.15K K时时铜线暴露在空气中(铜线暴露在空气中(O O2 2分压为分压为21.321.3KpaKpa ),),其表面逐步覆盖一其表面逐步覆盖一层层CuOCuO。第12页无机化学无机化学 通式:rGT,P=rG T+RT1nJ 平衡时:rGT,P=0,反应商J=K 代入反应等温式:0=rGT+RT1nK 移项:rGT=-RT1nK 或表示为:logK=-rGT/2.303RT此式是由此式是由rGm计算化学反应标
10、准平衡常数公式。计算化学反应标准平衡常数公式。5.1.35.1.3 标准平衡常数标准平衡常数 5.1 化学平衡与标准平衡常数第13页无机化学无机化学K K与与 J J关系:关系:在同一化学反应中,K表示式与反应商J表示式相同表示式相同,在平衡常数K表示式中cA、cD或、pA、pD和cE、cF、或pE、pF分别表示反应物和产物平衡浓度或平衡分压;在反应商J表示式中则分别表示瞬时浓度或瞬时分压。5.1 化学平衡与标准平衡常数第14页无机化学无机化学平衡常数类型平衡常数类型对于反应:对于反应:平衡常数表示式相同(平衡常数表示式相同(J J(平衡)平衡),但式中各项使),但式中各项使用单位不一样,组成
11、不一样平衡常数。用单位不一样,组成不一样平衡常数。(一)经验平衡常数(一)经验平衡常数-直接使用浓度、分压单位直接使用浓度、分压单位1 1。浓度经验平衡常数(浓度经验平衡常数(KcKc):):(离子反应)离子反应)2 2。压力经验平衡常数(压力经验平衡常数(KpKp):):(气体反应)气体反应)aA+bB dD+eEaA+bB dD+eE第15页无机化学无机化学(二)标准平衡常数(二)标准平衡常数 -使用相对浓度、相对分压使用相对浓度、相对分压1 1。气体反应标准平衡常数气体反应标准平衡常数2 2。溶液反应标准平衡常数溶液反应标准平衡常数3 3。复相反应标准平衡常数复相反应标准平衡常数第16页
12、无机化学无机化学(三)经验平衡常数与标准平衡常数比较(三)经验平衡常数与标准平衡常数比较1 1。对于离子反应对于离子反应 数值上数值上 Kc Kc 等于等于 K K 单位上单位上 Kc-Kc-molLmolL-1 -1 K K -1-12 2。对于气体反应对于气体反应 数值上数值上 Kp Kp 不等于不等于 K K 单位上单位上 Kp-Kp-KPaKPa K K -1-13 3。对于多相反应对于多相反应 经验平衡常数数学经验平衡常数数学处理碰到困难处理碰到困难 标准平衡常数数学标准平衡常数数学处理比较方便处理比较方便第17页无机化学无机化学 举例1:如多相反应 Zn(s)+2H(aq)=Zn2
13、(aq)+H2(g),其标准平衡常数K表示式为:K=其中 c平=ceq;p平=peq;固态物质Zn(s)不写入。5.1 化学平衡与标准平衡常数第18页无机化学无机化学 标标准准平平衡衡常常数数K与与温温度度相相关关,与与浓浓度度或或分分压压无关。无关。K是一个无量是一个无量纲纲物理量。物理量。参加反应强电解质参加反应强电解质用离子相对浓度表示用离子相对浓度表示C Ci i/C/C0 0参加反应弱电解质参加反应弱电解质用分子相对浓度表示用分子相对浓度表示C Ci i/C/C0 0参加反应气态物质参加反应气态物质用气体相对分压表示用气体相对分压表示P Pi i/P/P0 0参加反应纯液体参加反应纯
14、液体(或溶剂或溶剂)不写入不写入参加反应纯固体参加反应纯固体不写入不写入 5.1 化学平衡与标准平衡常数第19页无机化学无机化学如合成氨反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)K1=另另外外,标标准准平平衡衡常常数数数数值值和和标标准准平平衡衡常常数数表示式则与化学反应方程式写法相关。表示式则与化学反应方程式写法相关。5.1 化学平衡与标准平衡常数第20页无机化学无机化学 1/2N2(g)+3/2H2(g)NH3(g)K2=在温度相同时,K1和K2数值不一样,二者之间关系为K1=(K2)2。5.1 化学平衡与标准平衡常数第21页无机化学无机化学标准平衡常数试验测定 确定标准平衡常数数值最基
15、本方法是试验测定,只要测定试验平衡常数,就可经过它与标准平衡常数关系计算得到。如四氧化二氮分解反应乃经典可逆反应:N2O4(g)2NO2(g)5.1 化学平衡与标准平衡常数第22页无机化学无机化学 试验测定表明,在373K、反应达平衡时,NO2与N2O4物质量浓度按下式求出比值为一常数,即:K=0.36式中K称为试验平衡常数。其表示式与标准平衡常数表示式基本相同(数值可能不一样),只是参加反应物质浓度或分压项直接用平衡浓度或分压表示;而标准平衡常数表示式是用相对平衡浓度或分压来表示。5.1 化学平衡与标准平衡常数第23页无机化学无机化学 试验平衡常数Kc和Kp表示式书写标准也大致与标准平衡常数
16、K相同。试验平衡常数值越大,化学反应正向进行程度越彻底,这一点与K是相同。试验平衡常数在化学平衡计算中仍在广泛应用。5.1 化学平衡与标准平衡常数第24页无机化学无机化学5.1.45.1.4 多重平衡多重平衡 实际化学过程往往有若干种平衡状态同时存在。在指定条件下,一个反应体系中某一个(或几个)物质同时参加两个(或两个以上)化学反应并共同到达化学平衡,称为同时平衡同时平衡(simultaneous equilibrium),也称多重平衡多重平衡(multiple equilibrium)。5.1 化学平衡与标准平衡常数第25页无机化学无机化学 比如,298K,气态SO2、SO3、NO、NO2及
17、O2在一个反应器里共存时,最少会有:SO2(g)+O2(g)SO3(g)K 1 NO(g)+O2(g)NO2(g)K 2 SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)K 3 三种平衡关系共存三种平衡关系共存其中SO2既参加平衡,又参加平衡,且其分压是唯一值,既平衡体系中相同物种状态是确定,只能有一个浓度(或分压)数值。且各个平衡平衡常数间存在以下联络:K 3 K 1/K 25.1 化学平衡与标准平衡常数第26页无机化学无机化学多重平衡规则多重平衡规则-分步反应平衡常数与总反应平衡常数之间关系分步反应平衡常数与总反应平衡常数之间关系反应(反应(1 1)-K K1 1 反应(反应(2 2)-
18、K K2 2 反应(反应(3 3)-K K3 3 假如:假如:反应(反应(3 3)=反应(反应(1 1)+反应(反应(2 2)则则 :K K3 3 =K K1 1 K K2 2 假如:假如:反应(反应(3 3)=反应(反应(1 1)-反应(反应(2 2)则:则:K K3 3 =K K1 1 /K K2 2 当几个反应相加(或相减)得到另一个反应式时,当几个反应相加(或相减)得到另一个反应式时,其平衡常数即等于几个反应平衡常数乘积(或商),其平衡常数即等于几个反应平衡常数乘积(或商),这个规则称为这个规则称为多重平衡规则多重平衡规则。第27页无机化学无机化学 在多重平衡体系中,只有几个反应都到达
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