第三章 化学平衡精选PPT.ppt
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1、第三章 化学平衡第1页,本讲稿共103页3.2 3.2 化学反应等温方程化学反应等温方程3.1 3.1 各类平衡常数各类平衡常数3.4 3.4 温度对标准平衡常数的影响温度对标准平衡常数的影响3.5 3.5 影响理想气体化学平衡的因素影响理想气体化学平衡的因素3.3 3.3 热力学第三定律及化学变化过程熵变的计算热力学第三定律及化学变化过程熵变的计算主要内容:主要内容:第2页,本讲稿共103页3.1 各类平衡常数一、理想气体化学反应的标准平衡常数一、理想气体化学反应的标准平衡常数1、标准平衡常数K标准平衡常数标准平衡常数 在恒温下,当理想气体化学反应0=BB达到平衡时,参加反应的物质的数量关系
2、可用标准平衡常数K表示,其表达式为K只是温度的函数,量纲为1。3-1第3页,本讲稿共103页2、以分压表示的平衡常数KpKp定义为peqB为B的平衡分压。Kp的量纲为pvB。如果压力用Pa或kPa为单位,则Kp的单位为pa vB或kPa vB。3-2第4页,本讲稿共103页将3-1和3-2比较得:3-3该式反映了K0和Kp的关系。K0与反应本性和温度有关,所以Kp也只与温度和反应本性有关。第5页,本讲稿共103页3、以浓度表示的平衡常数Kc将Kc定义为:ceqB为平衡时B的浓度。Kc的量纲为cB,如果单位为mol.dm-3,则Kc的单位为mol.dm-3B3-4Kc只与温度和反应本性有关,不受
3、标准态选取的影响。第6页,本讲稿共103页对于理想气体混合系统,有代入3-1,3-2与3-4比较得3-53-6上面两个式子反应了K0、Kp、Kc的关系。第7页,本讲稿共103页4、以摩尔分数表示的平衡常数Kx定义Kx为:xeqB为反应系统平衡时B的摩尔分数。Kx的量纲为13-7Kx与温度、压力及反应本性都有关的量,而与标准态p0的选择无关。第8页,本讲稿共103页 ,其中peq表示系统的平衡总压,将xeqB带入3-7并与式3-1,3-2,3-4比较可得 对于理想气体系统,3-83-103-9第9页,本讲稿共103页例 3-1 已知1000K时反应2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g)的Kc
4、,1=0.00354mol.dm-3。求1000K时,反应的Kp,1和K01;反应SO3(g)=SO2(g)+1/2O2(g)的Kc,2、Kp,2、K02;反应2SO3(g)=2SO2(g)+O2(g)的Kc,3、Kp,3、K03解:B=2+1-2=1=0.00354*103*8.314*1000Pa=29.43kPa第10页,本讲稿共103页23见书63页平衡常数与反应式的系数有关。平衡常数与反应式的系数有关。第11页,本讲稿共103页二、多相反应的标准平衡常数、分解压 当反应除气体外,还有纯液态或固态物质参与时,这类反应的标准平衡常数K0的表达式中也只包括气态组分的平衡分压及标准压力,而将
5、参加反应的纯液态或纯固态物质的平衡含量视为1,即这类反应的K0也可以表达为式3-1的形式。3-11第12页,本讲稿共103页式中,peqB(g)表示反应中气态组分B(g)的平衡分压;VB(g)表示气态组分的反应计量数;K0是量纲为一的物理量,其值决定于反应本性、温度及p0的选取。同样,对于Kp表达式中只需计入气相组分的分压。量纲也是pvB(g)。第13页,本讲稿共103页一般来讲,某种纯固态或纯液态化合物分解时,只生成一种气体,则在一定温度下,当该分解反应达到平衡时,这种气体的平衡分压就称为该化合物在此温度下的分解压。分解压得大小可以表示化合物的热力学稳定性。分解压大,则该化合物的分解趋势大,
6、稳定性小,容易分解。第14页,本讲稿共103页三、平衡组成的计算T、P一定,已知物质的c或pK0一定T下的K0已知,可以计算该条件下的组成进一步计算平衡转化率或产物的最大转化率第15页,本讲稿共103页 最大产率=平衡时某产物的量按化学反应式计算该产物的量100%平衡转化率=平衡时已转化的某反应物的量该反应物的投料量100%“按化学反应式计算该产物的量”是指反应物按化学反应式反应并全部转化为产物是所得该产物的量。第16页,本讲稿共103页例 在1000K和151.95kPa下,2mol乙烷气体按下式分解已知该反应的Kp=90.97kPa。求吃反应在所给条件下的平衡转化率、乙烯的最大产率计各气体
7、的平衡百分含量(摩尔百分含量)CH3CH3(g)=CH2CH2(g)+H2(g)首先应当按照反应的关系式,获得相应的转化量,利用已知的Kp求出反应的物质,从而获得比例。见书66页第17页,本讲稿共103页例1 合成氨反应 在500 K时 ,若反应物N2和H2符合化学计量比,试估算在500 K,压力自100 KPa到1000 kPa时的平衡转化率。可近似按理想气体计算。第18页,本讲稿共103页解:设反应前N2的物质的量为n0,则H2的物质的量为3n0t=0,nBn03n00t=t,nBn0(1-)3n0(1-)2n0t=t,yB第19页,本讲稿共103页P/kPa100250500750100
8、0 0.1505 0.28640.41560.4931 0.5462该反应 ,则p增大,必增大第20页,本讲稿共103页3.2 3.2 化学反应等温方程化学反应等温方程化学反应平衡反映的是一个化学反应达到平衡状态时,该系统内各种反应物和产物平衡浓度间的关系。已知 T、P一定w=0时,系统达平衡时,G=0 第21页,本讲稿共103页一、标准摩尔生成吉布斯函数 一定T及p0下,由最稳定单质生成vB=1的物质B的反应的吉布斯函数改变值称为物质B在该温度下的标准摩尔生成吉布斯函数。表示符号fG0m单位为:J.mol-1或kJ.mol-1第22页,本讲稿共103页二、标准摩尔反应吉布斯函数 T一定,反应
9、物和产物均在纯态及p0下,=1mol,化学变化过程吉布斯函数改变值称为摩尔反应吉布斯函数。表示符号rG0m单位为:J.mol-1或kJ.mol-1第23页,本讲稿共103页 一定T下,反应的应等于在该温度下反应前后各物质的标准摩尔生成吉布斯函数与其化学计量系数乘积的代数和。rG0m=vBfG0m(B)第24页,本讲稿共103页化学反应体系:封闭的单相体系,不作非膨胀功,发生了一个化学反应,设为:各物质的变化量必须满足:根据反应进度的定义,可以得到:三、化学反应等温方程aA+bB=yY+zZ第25页,本讲稿共103页把反应设计成可逆过程有aA+bB yY+zZaA+bB yY+zZrGmG1G2
10、G3G2=0假设为平衡态分压根据热力学基本方程第26页,本讲稿共103页同理恒温下,同样可求得第27页,本讲稿共103页所以根据状态函数的性质:第28页,本讲稿共103页由3-1 可知令压力商所以:理想气体化学反应的等温方程3-163-15第29页,本讲稿共103页根据 的定义,当反应物和产物都处于纯态和标准压力下时(=1mol),反应的吉布斯函数改变等于 。3-17将3-17代入3-16得:3-18理想气体化学反应的等温方程用来判断方向和限度第30页,本讲稿共103页推论:在恒温恒压下,非体积功为零当 时,反应自发进行;当 时,反应处于平衡状态;当 时,反应不能自发进行.第31页,本讲稿共1
11、03页注意:K0只是温度的函数,对于一定的反应在一定温度下K0是常数,与系统的其他条件无关。Jp在恒温条件下,也会随其他条件的变化而变化。K0的数值与标准态的选取有关,在使用等温方程时K0及Jp应选取一致的标准态。第32页,本讲稿共103页例3-5 实验测得水煤气反应H2O(g)+CO(g)=H2(g)+CO2(g)在1000K是的K0=1.36。试计算:H2O(g)、CO(g)、H2(g)、CO2(g)的摩尔百分比分别为5%50%20%25%的混合气体在此温度下反应的摩尔吉布斯函数rGm,并判断反应自发进行的方向。解:设系统总压为p,则rGm=-RTlnK0+RTlnJp =(-8.314*
12、1000ln1.36+8.314*1000ln2)J.mol-1 =3207J.mol-1rGm0,逆反应能自发进行第33页,本讲稿共103页例:已知1000K时,TiO2(s)、TiCl4(g)和CO(g)的fGm0分别为-764400、-637600和-200200J.mol-1。求1000K时,下列两个TiO2氯化成TiCl4 反应的平衡常数。TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+2CO(g)TiO2(s)+2C(石墨)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+2CO(g)解:对反应112=(-637600+764400)J.mol-1=126800J.mol-1K10=2.38*
13、10-7第34页,本讲稿共103页对反应2=(-637600-2*200200+764400)J.mol-1=-273600J.mol-1K20=1.96*1014由计算结果看出,K20K10,说明反应2正向自发进行的趋势远大于反应1。第35页,本讲稿共103页3.3 热力学第三定律及化学变化过程熵变的计算对于任一化学反应,rGm=rHm-T rSm求出rGm,则能计算出标准平衡常数K0。假设 物质在T下的熵为Sm(T),因为物质在恒压可逆变温过程中,QR=CpT,而dS=QR/T,所以第36页,本讲稿共103页将上式两边作定积分Sm(0K)和Sm(T)分别为某1mol物质在0K和T时的熵值,
14、若能知道Sm(0K),就能算出Sm(T).第37页,本讲稿共103页一、能斯特热定理 里兹研究低温反应时发现,当温度降低时,反应的rGm和rHm的数值迅速接近。能斯特根据低温下凝聚系统反应的实验得到如下关系:即当接近0K时,rGm和rHm与温度T的两条关系曲线相切,其公切线与横轴平行。第38页,本讲稿共103页能斯特热定理rGm或 rHmrGmrHmT在一定T时rGm=G2-G1rSm=S2-S1 上式中的rSm是温度T下,进度为1mol的化学变化过程的熵变,称为摩尔反应熵。第39页,本讲稿共103页即在温度趋近于绝对零度时,凝聚系统所发生的过程没有熵变,这就是能斯特热定理。因此所以第40页,
15、本讲稿共103页推论:在绝对零度时,凝聚系反应前后的熵值相等,因而发生的化学反应也没有熵的变化。绝对零度时凝聚系的熵值是一个常数。普朗克进一步假设这个常数为零,即S(0K)=S”(0K)=0。S(0K)=S”(0K)设在0K时系统的始态熵和终态熵分别为S和S”则有第41页,本讲稿共103页二、热力学第三定律二、热力学第三定律 在一定温度、压力条件下,将1mol纯物质的熵值称为该物质在此温度和压力下的摩尔熵,记为Sm。压力一定时,纯物质的摩尔熵只是温度的函数(Sm(T)。温度越底,摩尔熵越小。温度趋于0 K时,Sm(0 K)为最小。即绝对零度(0 K)时,任何物质完美晶体的熵值为零。热力学第三定
16、律的表述为第42页,本讲稿共103页非完美晶体的无序排列加大系统混乱度,从而使熵值增加,0 K时这种晶体的熵值不为零。公式表示为或热力学第三定律强调了纯物质及完美晶体的限制。不纯物质,杂质会使整个系统的熵增加。第43页,本讲稿共103页三、规定熵和标准熵三、规定熵和标准熵 在热力学第三定律的基础上,因为Sm(完美晶体,0K)=0,所以就有可能求得该纯物质在其他状态的熵,也就是规定熵。根据热力学第三定律3-23第44页,本讲稿共103页从3-23得出,只要知道0TK范围内Cp,m与T的关系,就可以求出T下物质的规定熵Sm(T)。注意:1、该式只适应于0TK范围内没有发生相变得情况。2、若发生相变
17、,则要分段计算。第45页,本讲稿共103页在标准压力及温度T下,纯物质的规定熵称为该物质在T时的标准熵。符号为S0(T)1mol纯物质的标准熵称为该物质在T时的标准摩尔熵。符号为S0m(T)单位为:J.mol-1.K-1或kJ.mol-1.K-1第46页,本讲稿共103页如果1mol某物质从0K至298K的升温过程经过下列步骤:固态固态液态液态气态气态0K298KTfTfTbTb则该物质在298K时的标准摩尔熵可通过下式计算3-24Tf物质的熔点,KTb物质的沸点,K第47页,本讲稿共103页焓的单位为J.mol-1热容的单位为:J.mol-1.K-1当变化过程中有晶形的转变时,还要将相应的项
18、加上。第48页,本讲稿共103页接近绝对零度时,物质的C0p,m很难从实验中测得,一般用德拜的理论公式计算称为德拜晶体的特征振动温度,与物质本性有关,单位为K。低温时物质的3-25第49页,本讲稿共103页四、标准摩尔反应熵的计算四、标准摩尔反应熵的计算 当反应物和产物均为标准态物质时,一定温度T下,=1mol,该化学反应过程的熵变称为该反应在温度T下的标准摩尔反应熵。符号:rSm0rSm0=vBS0m(B)3-26表明rSm0为反应终态熵的总和与反应始态熵的总和之差。第50页,本讲稿共103页3-26式说明在一定温度下化学反应的标准摩尔反应熵等于同样温度下各自处于纯态的参与反应物质的标准摩尔
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