物理化学(傅献彩著)06章_化学平衡.ppt
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1、上一内容下一内容回主目录第六章第六章 化学平衡化学平衡Chapter 6 Chemical Equilibrium2022/12/18上一内容下一内容回主目录第六章第六章 化学平衡化学平衡 (Chemical Equilibrium)6.1 化学反应的平衡条件 6.2 化学反应的平衡常数6.3 复相化学平衡6.4 标准摩尔生成Gibbs自由能6.5 温度、压力及惰性气体对化学平衡的影响6.7 反应的耦合6.8 近似计算6.6 同时化学平衡*6.9 生物能学简介2022/12/18上一内容下一内容回主目录 6.1 化学反应的平衡条件 化学反应的平衡条件化学反应的平衡条件 封闭的单相系统,不作非膨
2、胀功,当发生了一个微小变化时,有:引入反应进度的概念2022/12/18上一内容下一内容回主目录基本公式可表示为:等温、等压条件下,6.1 化学反应的平衡条件 化学反应的平衡条件化学反应的平衡条件2022/12/18上一内容下一内容回主目录这两个公式适用条件:(1)等温、等压、不作非膨胀功的一个化学反应;(2)反应过程中,各物质的化学势 保持不变。6.1 化学反应的平衡条件 化学反应的平衡条件化学反应的平衡条件2022/12/18上一内容下一内容回主目录判断化学反应的方向与限度用 作判据都是等效的反应自发地向右进行反应自发地向左进行反应达到平衡2022/12/18上一内容下一内容回主目录判断化
3、学反应的方向与限度用 判断,这相当于 图上曲线的斜率反应自发向右进行,趋向平衡反应自发向左进行,趋向平衡反应达到平衡因为是微小变化,反应进度处于01 mol之间。2022/12/18上一内容下一内容回主目录系统的Gibbs自由能和的关系判断化学反应的方向与限度反应自发向右进行,趋向平衡反应自发向左进行,趋向平衡反应达到平衡2022/12/18上一内容下一内容回主目录为什么化学反应通常不能进行到底?严格讲,反应物与产物处于同一系统的反应都是可逆的,不能进行到底。只有逆反应与正反应相比小到可以忽略不计的反应,可以粗略地认为可以进行到底。这主要是由于存在混合Gibbs自由能的缘故。2022/12/1
4、8上一内容下一内容回主目录为什么化学反应通常不能进行到底?以反应为例,在反应过程中Gibbs自由能随反应过程的变化如图所示。R点,D和E未混合时Gibbs自由能之和;P点,D和E混合后Gibbs自由能之和;T点,反应达平衡时,所有物质的Gibbs自由能之总和,包括混合Gibbs自由能;S点,纯产物F的Gibbs自由能。2022/12/18上一内容下一内容回主目录为什么化学反应通常不能进行到底?系统的Gibbs自由能在反应过程中的变化(示意图)因D、E混合因生成F后使自由能降低后的自由能降低D、E、F混合2022/12/18上一内容下一内容回主目录为什么化学反应通常不能进行到底?若要使反应进行到
5、底,需在vant Hoff 平衡箱中进行,防止反应物之间或反应物与产物之间的任何形式的混合,才可以使反应从R点直接到达S点。2022/12/18上一内容下一内容回主目录化学反应的亲和势(Chemical Affinity)1922年,比利时热力学专家De donder首先引进了化学反应亲和势的概念。他定义化学亲和势A为:代入基本公式,得 对于给定的系统,A有定值,仅决定于系统的始态终态,与反应的过程及系统的大小数量无关。2022/12/18上一内容下一内容回主目录对于一般的化学反应反应正向进行反应达平衡或是可逆过程反应逆向进行化学反应的亲和势(Chemical Affinity)2022/12
6、/18上一内容下一内容回主目录Introduction to de DonderThophile Ernest de Donder(1872-1957)比利时数学家和物理学家。主要学术贡献:1.他引入了反应进度(extent of reaction)的概念。2.1923年他定义了化学亲和势(chemical affinity),指出了化学亲和势与Gibbs自由能之间的关系。3.他被认为是不可逆过程热力学之父,在他的研究基础上Ilya Prigogine发展了非平衡态热力学。2022/12/18上一内容下一内容回主目录对于非理想气体混合物:混合理想气体中B的化学势表达式为:6.2 化学反应的平衡
7、常数和等温方程式气相反应的平衡常数2022/12/18上一内容下一内容回主目录将化学势表示式代入的计算式,得:令:称为化学反应标准摩尔Gibbs自由能变化值,仅是温度的函数。6.2 化学反应的平衡常数和等温方程式2022/12/18上一内容下一内容回主目录这就是化学反应等温方程式(reaction isotherm)对于任意反应 称为“逸度商”,可以通过各物质的逸度求算 值也可以通过多种方法计算从而可得 的值。6.2 化学反应的平衡常数和等温方程式2022/12/18上一内容下一内容回主目录当系统达到平衡,则 称为热力学平衡常数,它仅是温度的函数。适用于任意相态的化学反应,包括电解质溶液的反应
8、。在数值上等于平衡时的“逸度商”,是量纲一的量。因为它与标准化学势有关,所以又称为标准平衡常数。6.2 化学反应的平衡常数和等温方程式2022/12/18上一内容下一内容回主目录理想气体混合物反应系统为理想气体混合物反应系统的标准平衡常数它仅是温度的函数,压力已指定为标准压力“压力商”外的下标“e”表示是处于平衡状态的压力下标“p”表示是“压力商”,以区别于其他标准平衡常数6.2 化学反应的平衡常数和等温方程式2022/12/18上一内容下一内容回主目录用化学反应等温式判断反应方向用化学反应等温式判断反应方向对理想气体反应向右自发进行反应向左自发进行反应达平衡6.2 化学反应的平衡常数和等温方
9、程式2022/12/18上一内容下一内容回主目录已知 N2O4的分解反应 N2O4(g)=2NO2(g),在 25时,rG =4.78 kJ mol-1。此温度时,在 p(N2O4)=3p,p(NO2)=2p的条件下,反应向 _ 方向进行。例题12022/12/18上一内容下一内容回主目录 H2S(g)+2Ag(s)Ag2S(s)+H2(g)298 K下,rG 为-7.32 kJmol-1。银可能受到 H2S 气体的腐蚀而发生下列反应:求:(1)在298 K,p下,H2S和H2 的混合气体中 H2S 的物质的量分数低于多少时便不致使 Ag 发生腐蚀?(2)该平衡体系的最大自由度为几?例题220
10、22/12/18上一内容下一内容回主目录溶液中反应的平衡常数(1)在理想液态混合物中任一组分化学势为:对于非理想液态混合物,利用活度概念不是标准态化学势2022/12/18上一内容下一内容回主目录当系统达平衡时忽略压力对液态系统的影响,得溶液中反应的平衡常数2022/12/18上一内容下一内容回主目录(2)在理想稀溶液中,溶质服从Henry定律:若对Henry定律发生偏差,得不是标准态化学势溶液中反应的平衡常数2022/12/18上一内容下一内容回主目录如果溶质浓度用质量摩尔浓度表示,得:如果溶质浓度用物质的量浓度表示,得:溶液中反应的平衡常数2022/12/18上一内容下一内容回主目录显然,
11、但是因为对数项中的数值也都不相等。溶液中反应的平衡常数2022/12/18上一内容下一内容回主目录溶液中反应的平衡常数2022/12/18上一内容下一内容回主目录平衡常数的表示式令:对于理想气体是标准平衡常数,单位为1是经验平衡常数,单位视具体情况而定2022/12/18上一内容下一内容回主目录(1)用压力表示的经验平衡常数平衡常数的表示式2022/12/18上一内容下一内容回主目录 1.用压力表示的经验平衡常数因为所以仅是温度的函数与温度和压力有关也与温度和压力有关平衡常数的表示式2022/12/18上一内容下一内容回主目录 2.用摩尔分数表示的经验平衡常数对于理想气体混合物所以与温度和压力
12、有关平衡常数的表示式2022/12/18上一内容下一内容回主目录 3.用物质的量表示的经验平衡常数对于理想气体仅是温度的函数对于理想气体平衡常数的表示式2022/12/18上一内容下一内容回主目录 对于液相和固相反应的经验平衡常数,由于标准态不同,故有不同的表示形式对于液相反应,相应的经验平衡常数有严格讲,是温度压力的函数,但忽略压力对凝聚相反应的影响,近似将 看作是温度的函数除 外,经验平衡常数的单位不一定是1平衡常数的表示式2022/12/18上一内容下一内容回主目录下标 m 表示反应进度为 1 mol 时的标准Gibbs自由能的变化值。显然,化学反应方程中计量系数呈倍数关系,的值也呈倍数
13、关系,而 值则呈指数的关系。平衡常数与化学方程式的关系例如:(1)(2)2022/12/18上一内容下一内容回主目录 已知反应 2NH3=N2+3H2在等温条件下,标准平衡常数为 0.25,那么,在此条件下,氨的合成反应(1/2)N2+(3/2)H2=NH3 的标准平衡常数为:()(A)4 (B)0.5 (C)2 (D)1 例题32022/12/18上一内容下一内容回主目录 6.3 复相化学平衡 有气相和凝聚相(液相、固体)共同参与的反应称为复相化学反应。什么叫复相化学反应?只考虑凝聚相是纯态的情况,纯态的化学势就是它的标准态化学势,所以复相反应的热力学平衡常数只与气态物质的压力有关。某一反应
14、达化学平衡时2022/12/18上一内容下一内容回主目录 在参与反应的 N 种物质中,有 n 种是气体,其余凝聚相处于纯态 设所有气体为理想气体,代入其化学势表示式 令:6.3 复相化学平衡2022/12/18上一内容下一内容回主目录对于纯凝聚相,设 所以复相化学反应的热力学平衡常数只与气态物质的压力有关,与凝聚相无关。代入上式并整理,得:6.3 复相化学平衡2022/12/18上一内容下一内容回主目录称为 的解离压力(dissociation pressure)。例如,有下述反应,并设气体为理想气体:该反应的经验平衡常数表达式更简单 某固体物质发生解离反应时,所产生气体的压力,称为解离压力,
15、显然这压力在定温下有定值。6.3 复相化学平衡其热力学平衡常数为2022/12/18上一内容下一内容回主目录 如果产生的气体不止一种,则所有气体压力的总和称为解离压力。例如:解离压力热力学平衡常数为:6.3 复相化学平衡2022/12/18上一内容下一内容回主目录 6.4.1 标准摩尔生成Gibbs自由能对于任意化学反应:对于任意化学反应:d D+e E+=g G+h H+如果我们能知道每一物质的标准态的Gibbs自由能的绝对值,要计算反应的 ,只需代入各组分的标准自由能数据即可。2022/12/18上一内容下一内容回主目录但是各物质的标准态Gibbs自由能的绝对值无法知道。因此,可采用类似热
16、化学中曾经用过的定义摩尔生成焓的方法。n设定:“在在标标准准压压力力p p下下,某某物物质质的的标标准准摩摩尔尔生生成成GibbsGibbs自自由由能能,等等于于由由最最稳稳定定的的单单值值生生成成单单位位量量该该物物质质时时的的标标准准GibbsGibbs自自由由能能变变化化值值,用用符符号号 表示。表示。n显然:最稳定单质的的标标准准摩摩尔尔生生成成GibbsGibbs自自由由能能都都等于零。6.4.1 标准摩尔生成Gibbs自由能2022/12/18上一内容下一内容回主目录 6.4.1 标准摩尔生成Gibbs自由能例如:P 下,H2(g),O2(g)等单质的自由能为零,而对 Br2 来说
17、,P(298K)下最稳定态为 Br2(l),即:同理,对 I2 来说,2022/12/18上一内容下一内容回主目录常见单质及化合物的标准生成Gibbs自由能 fGm 数据可查手册得到,通常给出的是 298.15K 下的标准生成Gibbs自由能。6.4.1 标准摩尔生成Gibbs自由能对任意反应2022/12/18上一内容下一内容回主目录 对于有离子参加的反应,规定 H+(aq,m H+=1 mol/kg)的摩尔生成Gibbs自由能为由此可求出其他离子的标准摩尔生成Gibbs自由能。6.4.1 标准摩尔生成Gibbs自由能2022/12/18上一内容下一内容回主目录 6.4.1 标准摩尔生成Gi
18、bbs自由能 物质的标准摩尔生成Gibbs自由能的表值都是指标准状态下的纯态而言。如果反应在溶液中进行,它们的标准态不同,但都不是纯态,因此,不能直接使用表值,必须加以适当的校正。对于某一反应 dD+eE=gG+hH若浓度采用物质的量浓度 c 表示其平衡常数为2022/12/18上一内容下一内容回主目录 6.4.1 标准摩尔生成Gibbs自由能必须先求得各物质的在非电解质溶液中 2022/12/18上一内容下一内容回主目录的用途:1.计算热力学平衡常数 6.4.2 标准摩尔反应的Gibbs自由能变化值 在温度T 时,当反应物和生成物都处于标准态,发生反应进度为1 mol的化学反应的Gibbs自
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