化学平衡黄德超印永嘉省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、物物 理理 化化 学学 第四章第四章 化学平衡化学平衡4.1 化学反化学反应方向和程度方向和程度4.反反应标准吉布斯自由能准吉布斯自由能4.3 平衡常数表示及其平衡常数表示及其应用用4.4 温度温度对平衡常数影响平衡常数影响4.5 压力、惰性气体力、惰性气体对化学平衡影响化学平衡影响第1页物物 理理 化化 学学一、化学平衡研究内容一、化学平衡研究内容 化学平衡实际上是研究化学反应方向和程度问化学平衡实际上是研究化学反应方向和程度问题。题。化学反应能够同时向正、反两个方向进行,在化学反应能够同时向正、反两个方向进行,在化学反应能够同时向正、反两个方向进行,在化学反应能够同时向正、反两个方向进行,
2、在一定条件下,当正反两个方向速率相等时,体系就一定条件下,当正反两个方向速率相等时,体系就一定条件下,当正反两个方向速率相等时,体系就一定条件下,当正反两个方向速率相等时,体系就到达了平衡状态。到达了平衡状态。到达了平衡状态。到达了平衡状态。不一样体系,到达平衡所需时间各不相同,但不一样体系,到达平衡所需时间各不相同,但其共同特点是平衡后体系中各物质数量均不再随时其共同特点是平衡后体系中各物质数量均不再随时间而改变,产物和反应物数量之间含有一定关系,间而改变,产物和反应物数量之间含有一定关系,只要外界条件一经改变,平衡状态就要发生改变。只要外界条件一经改变,平衡状态就要发生改变。第2页物物 理
3、理 化化 学学 在实际生产中需要知道,怎样控制反应条在实际生产中需要知道,怎样控制反应条件,使反应按我们所需要方向进行,在给定条件,使反应按我们所需要方向进行,在给定条件下反应进行最高程度是什么?等等。这些问件下反应进行最高程度是什么?等等。这些问题是很主要,尤其是在开发新反应时就经常碰题是很主要,尤其是在开发新反应时就经常碰到设计新反应问题。到设计新反应问题。把把热力学基本原理和规律应用于化学反应热力学基本原理和规律应用于化学反应就能够从标准上确定反应进行方向,平衡条件,就能够从标准上确定反应进行方向,平衡条件,反应所能到达最高程度,以及导出平衡时物质反应所能到达最高程度,以及导出平衡时物质
4、数量关系,并用平衡常数来表示。数量关系,并用平衡常数来表示。第3页物物 理理 化化 学学二、化学平衡特征二、化学平衡特征 从热力学角度来说,任何化学反应都不可能进从热力学角度来说,任何化学反应都不可能进从热力学角度来说,任何化学反应都不可能进从热力学角度来说,任何化学反应都不可能进行到底,但从平衡点离产物远近,可分:行到底,但从平衡点离产物远近,可分:行到底,但从平衡点离产物远近,可分:行到底,但从平衡点离产物远近,可分:1、完全反应、完全反应第4页物物 理理 化化 学学2、可逆反应、可逆反应 说明:说明:说明:说明:不是热力学可逆,而是从动力学观点认不是热力学可逆,而是从动力学观点认不是热力
5、学可逆,而是从动力学观点认不是热力学可逆,而是从动力学观点认识。识。识。识。对峙反应对峙反应第5页物物 理理 化化 学学化学平衡特点:化学平衡特点:(1 1)化学平衡是一个动态平衡。)化学平衡是一个动态平衡。)化学平衡是一个动态平衡。)化学平衡是一个动态平衡。(2 2)平衡时,体系中各物质浓度均保持定值。)平衡时,体系中各物质浓度均保持定值。)平衡时,体系中各物质浓度均保持定值。)平衡时,体系中各物质浓度均保持定值。(3 3)一切平衡都是相正确、暂时、有条件。)一切平衡都是相正确、暂时、有条件。)一切平衡都是相正确、暂时、有条件。)一切平衡都是相正确、暂时、有条件。三、化学平衡任务三、化学平衡
6、任务 (1 1)判断在给定条件下反应方向。)判断在给定条件下反应方向。)判断在给定条件下反应方向。)判断在给定条件下反应方向。(2 2)何种原因决定反应程度。)何种原因决定反应程度。)何种原因决定反应程度。)何种原因决定反应程度。(3 3)从理论上计算反应最高产率。)从理论上计算反应最高产率。)从理论上计算反应最高产率。)从理论上计算反应最高产率。(4 4)外界条件对平衡影响。)外界条件对平衡影响。)外界条件对平衡影响。)外界条件对平衡影响。第6页物物 理理 化化 学学4.1 化学反化学反应方向和程度方向和程度一、化学平衡条件一、化学平衡条件设任意一反应设任意一反应化学反化学反aA+bB=gG
7、+hH若反应正向进行:若反应正向进行:反应进度,表示反应进展程度参数,反应进度,表示反应进展程度参数,取值取值0-1。第7页物物 理理 化化 学学 =0,表示反应还未发生;,表示反应还未发生;=1,表示按化学反应计量系数指示物质量发生,表示按化学反应计量系数指示物质量发生了反应,简称为了反应,简称为1个单位反应个单位反应。设在有限反应体系中,发生了一个极微小反应设在有限反应体系中,发生了一个极微小反应(d=10-8-10-9),可认为不影响到反应体系中各物),可认为不影响到反应体系中各物质浓度,所以化学势(偏摩尔吉布斯自由能)也几质浓度,所以化学势(偏摩尔吉布斯自由能)也几 乎不变,即乎不变,
8、即i为一常数。为一常数。依据多组分体系中,反应方向和程度判据:依据多组分体系中,反应方向和程度判据:依据多组分体系中,反应方向和程度判据:依据多组分体系中,反应方向和程度判据:第8页物物 理理 化化 学学假如改变是在等温等压下进行,则假如改变是在等温等压下进行,则 第9页物物 理理 化化 学学 (1)rGm为在恒定温度、压力组成不变条为在恒定温度、压力组成不变条件下,体系吉布斯函数件下,体系吉布斯函数G随反应进度随反应进度 改变率,或改变率,或在在大量体系中一个单位进度化学反应时大量体系中一个单位进度化学反应时吉布斯函数吉布斯函数改变改变(体系大量,体系大量,i基本不变基本不变)。讨论:讨论:
9、第10页物物 理理 化化 学学 (2)rGm量纲应为量纲应为Jmol-1,摩尔是指摩尔是指反应进度反应进度为为1 摩尔。摩尔。(3)物理意义物理意义 表示在一定温度压力下,反应体系在表示在一定温度压力下,反应体系在点处,发点处,发生一个单位反应吉布斯自由能改变。生一个单位反应吉布斯自由能改变。说明:说明:是是G=f()曲线在曲线在点上斜率,它点上斜率,它符号和数值反应出反应在该点改变趋势。符号和数值反应出反应在该点改变趋势。第11页物物 理理 化化 学学用 判断,这相当于 图上曲线斜率,因为是微小改变,反应进度处于01 mol之间。反应自发向右进行,趋向平衡反应自发向左进行,趋向平衡反应到达平
10、衡第12页物物 理理 化化 学学 在横轴上在横轴上 =0 mol,表示系,表示系统内只有反应物,统内只有反应物,=1 mol,表示系统内只有产物。表示系统内只有产物。由左图可见,伴随反应进行,即由左图可见,伴随反应进行,即随随 增加,系统吉布斯函数增加,系统吉布斯函数 G 先逐步降低,经过最低点后,又先逐步降低,经过最低点后,又逐步升高。在最低点左侧,逐步升高。在最低点左侧,表明反应能够自发进表明反应能够自发进行;行;在最低点,在最低点,宏观上反应停顿,系统到达化学平衡状态,这宏观上反应停顿,系统到达化学平衡状态,这也是化学反应程度;也是化学反应程度;在最低点右側,在最低点右側,这表明,这表明
11、,在恒温恒压下,在恒温恒压下,x 增加必定使增加必定使 G 增加,这是不可能自动发生。增加,这是不可能自动发生。第13页物物 理理 化化 学学二、反应系统吉布斯自由能二、反应系统吉布斯自由能设一反应(最简单为例):设一反应(最简单为例):A(g)B(g)说明:说明:反应为何有一确定平衡点,也就是反应为何有一确定平衡点,也就是存在一程度。若反应物存在一程度。若反应物A化学势大于产物化学势大于产物B,那么依据化学反应自发向化学势减小方向进行,那么依据化学反应自发向化学势减小方向进行,则则A应完全反应生成应完全反应生成B,此时体系化学势最小。,此时体系化学势最小。而实际上反应通常不能进行到底,而存在
12、一平而实际上反应通常不能进行到底,而存在一平衡态,这是什么原因呢?衡态,这是什么原因呢?第14页物物 理理 化化 学学A(g)B(g)若存在关系:若存在关系:(1)理想混合)理想混合G理理-作图为作图为直线方程直线方程第15页物物 理理 化化 学学(2)均相混合)均相混合 说明:因为均相体系中说明:因为均相体系中A和和B上互溶,体系在反应上互溶,体系在反应过程中除了因为体系中过程中除了因为体系中A转转变变B而引发而引发G值改变外(值改变外(G理理),还存在着,还存在着A和和B互溶引发互溶引发自由能改变。自由能改变。以理想溶液混合为例:以理想溶液混合为例:01第16页物物 理理 化化 学学体系自
13、由能在反应过程中改变体系自由能在反应过程中改变 说明:实际上非理想均说明:实际上非理想均相混合,也会产生混合吉布相混合,也会产生混合吉布斯自由能,其值小于零,只斯自由能,其值小于零,只不过不符合上式而已。不过不符合上式而已。0 一定会出现:一定会出现:第17页物物 理理 化化 学学 结论:结论:因为混合自由能存在,反应物不可能全因为混合自由能存在,反应物不可能全部变成产物,而有一确定平衡常数。部变成产物,而有一确定平衡常数。三、平衡常数导出三、平衡常数导出设任意一反应设任意一反应化学反化学反aA+bB=gG+hHT,P下,化学反应平衡条件为:下,化学反应平衡条件为:i:计量系:计量系数,产物取
14、数,产物取正,反应物正,反应物取负。取负。已知任一物质在温度已知任一物质在温度T、压力、压力P时化学势均可表时化学势均可表示为:示为:第18页物物 理理 化化 学学 在在T,P下,下,i为一常数,若是理想气体则仅为一常数,若是理想气体则仅为温度函数。为温度函数。i:计量系数,:计量系数,产物取正,反产物取正,反应物取负。应物取负。第19页物物 理理 化化 学学若为理想气体:若为理想气体:化学反化学反aA+bB=gG+hH第20页物物 理理 化化 学学 说明:说明:(1)平衡常数)平衡常数k数值与反应方程式写法相关。数值与反应方程式写法相关。因为平衡常数表示式中浓度指数项是计量系数,因为平衡常数
15、表示式中浓度指数项是计量系数,若写法不一样,其计量系数也不一样。若写法不一样,其计量系数也不一样。(2)平衡常数)平衡常数k和和ka应是一个无量纲量。应是一个无量纲量。若为气态,我们从理想气体化学势表示式中可若为气态,我们从理想气体化学势表示式中可自然得到此性质:自然得到此性质:实际上在用活度表示浓度时,也可很自然得到实际上在用活度表示浓度时,也可很自然得到化学势为:化学势为:第21页物物 理理 化化 学学 (3)平衡常数)平衡常数k是平衡标志,其值反应了反应是平衡标志,其值反应了反应完成程度。完成程度。K越大,反应越完全,反之亦反。越大,反应越完全,反之亦反。四、化学反应等温方程式四、化学反
16、应等温方程式 作用:作用:判断化学反应方向和程度。判断化学反应方向和程度。导出导出 标准上它已经是标准上它已经是化学反应方向和程度判据,不过若真利用此式来进化学反应方向和程度判据,不过若真利用此式来进行实际判断,就会发觉很不方便,其原因在于式中行实际判断,就会发觉很不方便,其原因在于式中各物质化学势各物质化学势绝对值等于多少不易求出。绝对值等于多少不易求出。在一无限大致系中,若发生一个单位反应:在一无限大致系中,若发生一个单位反应:aA+bB=gG+hH第22页物物 理理 化化 学学第23页物物 理理 化化 学学 说明:说明:Qa是体系实际活度(浓度)活度商,不是体系实际活度(浓度)活度商,不
17、是平衡浓度。是平衡浓度。Qa:活度商:活度商若为理想气体:若为理想气体:反应标准吉布斯自由能。反应标准吉布斯自由能。第24页物物 理理 化化 学学 物理意义:物理意义:在一定温度下,反应体系中各在一定温度下,反应体系中各物质均处于标准态时(物质均处于标准态时(ai=1,Qa=1或或pi/p=1,Qp=1),发生一个单位反应时吉布斯自由能改变。),发生一个单位反应时吉布斯自由能改变。若体系处于平衡状态时:若体系处于平衡状态时:第25页物物 理理 化化 学学 范特霍夫(范特霍夫(Vant Hoff)等温方程式:)等温方程式:若为理想气体:若为理想气体:第26页物物 理理 化化 学学讨论:讨论:若为
18、实际气体:若为实际气体:第27页物物 理理 化化 学学4.反反应标准吉布斯自由能准吉布斯自由能一、化学反应一、化学反应rGm和和rGm1、rGm和和rGm区分和意区分和意义 (1)rGm是反应处于任意条件下,发生一个是反应处于任意条件下,发生一个单位反应吉布斯自由能改变。单位反应吉布斯自由能改变。说明:说明:rGm与与T、P、Qa相关。相关。rGm则是在一定温度压力下,反应体系处于标则是在一定温度压力下,反应体系处于标准状态(准状态(i=1,即,即Qa=1)时,发生一个单位反应吉)时,发生一个单位反应吉布斯自由能改变。故二者物理意义是不一样。布斯自由能改变。故二者物理意义是不一样。(2)rGm
19、是决定反应方向物理量。是决定反应方向物理量。而而rGm则是决定反应程度物理量。则是决定反应程度物理量。第28页物物 理理 化化 学学 (3)rGm0仅说明反应在该条件下不能自发仅说明反应在该条件下不能自发进行,并不说明反应不能进行,改变反应条件是有进行,并不说明反应不能进行,改变反应条件是有可能进行。可能进行。(4)rGm与与k仅是数值上关系,而非物理意仅是数值上关系,而非物理意义相同。义相同。2、rGm利用利用 (1)直接和间接求平衡常数)直接和间接求平衡常数第29页物物 理理 化化 学学 若反应(若反应(1)+(2)=(3)(2)可用来预计反应方向)可用来预计反应方向 说明:说明:当当rG
20、m绝对值很大时,绝对值很大时,rGm符号由符号由rGm符号决定。如要出现不一样,则除非符号决定。如要出现不一样,则除非Qa很大很大或很小,这就意味着反应物数量与产物数量十分悬或很小,这就意味着反应物数量与产物数量十分悬殊,这在实际上往往难于实现。殊,这在实际上往往难于实现。第30页物物 理理 化化 学学第31页物物 理理 化化 学学Zn(s)+1/2OZn(s)+1/2O2 2(g)(g)ZnO(s)ZnO(s)比如,比如,298K 分析:分析:依据依据 判断,该判断,该反应是能够自发进行,若我们要使该反应不能自发反应是能够自发进行,若我们要使该反应不能自发进行,氧气分压为多大呢?进行,氧气分
21、压为多大呢?若为不自发进行,则:若为不自发进行,则:第32页物物 理理 化化 学学 说明:说明:即氧气分压要小于即氧气分压要小于2.810-107Pa时,时,才能使反应才能使反应 rGm0,反应不能自发进行,实,反应不能自发进行,实质上这是完全不可能。质上这是完全不可能。第33页物物 理理 化化 学学二、标准反应吉布斯自由能计算二、标准反应吉布斯自由能计算1 1、由物质标准生成吉布斯自由能计算、由物质标准生成吉布斯自由能计算设任意一反应设任意一反应化学反化学反aA+bB=gG+hH 说明:说明:若能知道每一个物质标准吉布斯自由能若能知道每一个物质标准吉布斯自由能绝对值,则绝对值,则rGm就可方
22、便求得。但实际上物质就可方便求得。但实际上物质Gm绝对值当前尚无法知道。绝对值当前尚无法知道。第34页物物 理理 化化 学学 标准生成吉布斯自由能定义:标准生成吉布斯自由能定义:令一切温度下,令一切温度下,处于标准态时,各种最稳定单质生成吉布斯自由能处于标准态时,各种最稳定单质生成吉布斯自由能为零。为零。那么由稳定单质生成单位那么由稳定单质生成单位1摩尔某物质时反应摩尔某物质时反应标准吉布斯自由能改变标准吉布斯自由能改变rGm就是该物质标准生成吉就是该物质标准生成吉布斯自由能,布斯自由能,以以fGm表示。表示。任意反应任意反应第35页物物 理理 化化 学学 fG m(298)fH m(298)
23、S m(298)(生生)(反反)rG m(298)(生生)(反反)rH m(298)(生生)(反反)rS m(298)rH m(T)rS m(T)rG m(298)=rH m(298)298 rS m(298)2、fG m,rG m 和和 rGm关系关系 查查 表表第36页物物 理理 化化 学学 rH m(T)T rS m(T)rG m(T)rGm(T)rG m(298)rH m(298)rS m(298)rH m(T)rS m(T)rGm(298)=rG m(298)+298RlnQ rGm(298)3、由标准电池电动势计算由标准电池电动势计算第37页物物 理理 化化 学学4.3 平衡常数表
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