化学平衡和化学反应速率.ppt
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1、第三章 化学平衡和化学化学平衡和化学 反应速率反应速率3.1 化学平衡3.2 化学平衡系统的计算3.3 化学反应速率3.4 几种特殊的化学反应学时:6 3.1 化学平衡3.1.1 3.1.1 分压定律分压定律3.1.2 3.1.2 非标准态反应非标准态反应GibbsGibbs函数变函数变3.1.3 3.1.3 化学平衡化学平衡3.1.4 3.1.4 多重平衡法则多重平衡法则 3.1.1 分压定律 在由多种气体组成的混合系统,各组分气体所具有的压力应为多少?只要不发生化学反应,各组分气体,在一般情况下,均适合气态方程式。PiV=niRT 在混合气体中,某一组分气体的分压等于它在混合气体中的摩尔分
2、数乘以总压力。各组分气体分压的总和即等于其总压,这一原理,称为Dalton分压定律。P =P1+P2+.PiPi=xiP分体积定律 分体积:指混合气体所处的温度、压力下,分体积:指混合气体所处的温度、压力下,各组分气体单独存在时所占的体积。各组分气体单独存在时所占的体积。分体积定律:气体混合物的总体积是各组分分体积定律:气体混合物的总体积是各组分气体分体积之和。气体分体积之和。V=V1+V2+Vi PVi=niRT 由 PV=nRT PiV=niRT 得 =xi 称为摩尔分数 同理,由PV=nRT PVi=niRT 得 =xi 显然:Pi=xi P Vi=xiV Pi niP nVi niV
3、n3.1.2 3.1.2 非标准态反应非标准态反应GibbsGibbs函数变函数变 热力学中,恒温恒压条件下计算非标准态反应Gibbs函数变的化学反应等温式:rGm,T 为温度T下反应的标准Gibbs函数变;R 是摩尔气体常数(8.314Jmol-1K-1);T 是反应温度(K);J 为反应商;J 为反应商为反应商对于反应:J =对于气体反应,J 为相对压力商;对于溶液中的反应,在反应物和生成物的浓度都不大时,J 为相对浓度商(物质的量度浓);写该等温式时,固体和纯液体不计入式中。c(B)/cc(B)/ca p pA A/p pb(p pD D/p p)q则:非标准态化学反应则:非标准态化学反
4、应则:非标准态化学反应则:非标准态化学反应GibbsGibbsGibbsGibbs函数变的等温式:函数变的等温式:函数变的等温式:函数变的等温式:又如,硫化氢与氯化铜溶液反应:如氧化铁的还原反应:Fe2O3(s)+3H2(g)2Fe(s)+3H2O(g)3.1.3 化学平衡 在化学反应中,只有少数反应在一定条件下差不多能够进行到底。由于它们逆反应的倾向极小,因此实际上可以认为这些反应是不可逆,称为不可逆反应。化学平衡的概念 很多化学反应,在同一条件能同时向正、逆两个很多化学反应,在同一条件能同时向正、逆两个方向进行,这种反应称为可逆反应。方向进行,这种反应称为可逆反应。为了表示化学反应过程的可
5、逆性,在化学方程中为了表示化学反应过程的可逆性,在化学方程中用两个指向相反的箭头用两个指向相反的箭头 代替代替化学平衡的特征 1中学化学中,我们知道化学平衡的最明显的特征是正反应速率等于逆反应速率,呈动态平衡。3化学平衡是相对的,动态的,有条件的,因此是可以改变的。2从热力学观点看,到达平衡时,化学反应的Gibbs函数变为零,rGm,T=0 反应到了该条件下的极限。标准平衡常数当反应达到平衡时,当反应达到平衡时,当反应达到平衡时,当反应达到平衡时,rGm,T=rGm,T +2.303RTlgJe=0 J Je e为为为为达到平衡时的反应商达到平衡时的反应商达到平衡时的反应商达到平衡时的反应商,
6、特别标记为特别标记为特别标记为特别标记为KK,称为称为称为称为标准平衡常数标准平衡常数。上式变为:上式变为:上式变为:上式变为:rGm,T=rGm,T +2.303RTlg K=0则有:则有:则有:则有:rGrGm,Tm,T =-2.303RT-2.303RT lglg K K 上式将热力学数据与平衡常数联系在一起,同时表明在确定上式将热力学数据与平衡常数联系在一起,同时表明在确定上式将热力学数据与平衡常数联系在一起,同时表明在确定上式将热力学数据与平衡常数联系在一起,同时表明在确定的温度的温度的温度的温度T T下下下下 rGrGm,Tm,T 和和和和KK都是反应的固有属性,都是常数。都是反应
7、的固有属性,都是常数。都是反应的固有属性,都是常数。都是反应的固有属性,都是常数。非标准态化学反应非标准态化学反应非标准态化学反应非标准态化学反应GibbsGibbsGibbsGibbs函数变的等温式可写成下式:函数变的等温式可写成下式:函数变的等温式可写成下式:函数变的等温式可写成下式:rGrGm,Tm,T =-2.303RTlg=-2.303RTlg K K+2.303RTlg+2.303RTlgJ J =2.303RTlg 2.303RTlg J/J/K K 可见:可见:可见:可见:rGrGm,Tm,T 0 0 0 0 即即即即 J J K K 正反应可自发进行正反应可自发进行正反应可自
8、发进行正反应可自发进行 rGrGm,Tm,T 0 0 0 0 即即即即 J J KK 逆反应可自发进行逆反应可自发进行逆反应可自发进行逆反应可自发进行 rGrGm,Tm,T =0=0 即即即即 J J=KK 反应达到平衡反应达到平衡反应达到平衡反应达到平衡 r rGGm,Tm,T 0 0 0 0 则则则则 KK 1 1 r rGGm,Tm,T 0 0 0 0 则则则则 KK 1 1 r rGGm,Tm,T =0 0 0 0 则则则则 KK =1 1可见可见可见可见 r rGGm,Tm,T 与与与与 r rGGm,Tm,T 的意义完全不同的意义完全不同的意义完全不同的意义完全不同。标准平衡常数标
9、准平衡常数标准平衡常数标准平衡常数K K K K是特殊的反应商是特殊的反应商是特殊的反应商是特殊的反应商J J J J,其表达式与,其表达式与,其表达式与,其表达式与J J J J完全相同。如对于如下反应有:完全相同。如对于如下反应有:完全相同。如对于如下反应有:完全相同。如对于如下反应有:同理,由同理,由 r rGGm,Tm,T=-2.303RT =-2.303RT lglg KK 可得可得可得可得化学平衡的判定判断化学反应的依据只能是判断化学反应的依据只能是 r rGGm,Tm,T ,即,即,即,即 rGm,T=rGm,T +2.303RT lg J在标准状态下:在标准状态下:在标准状态下
10、:在标准状态下:rGm,T=rGm,T 所以在标准状态下可用所以在标准状态下可用所以在标准状态下可用所以在标准状态下可用 r r r rG G G Gm,Tm,Tm,Tm,T代替代替代替代替 r r r rG G G Gm,Tm,Tm,Tm,T进行判断,但概念是不同的,因为进行判断,但概念是不同的,因为进行判断,但概念是不同的,因为进行判断,但概念是不同的,因为 r r r rG G G Gm,Tm,Tm,Tm,T是是是是常量,而常量,而常量,而常量,而 r r r rG G G Gm,Tm,Tm,Tm,T是随化学反应变化的量是随化学反应变化的量是随化学反应变化的量是随化学反应变化的量。rG
11、rG其它平衡常数实验实验序号序号起始浓度起始浓度(mol/L)(mol/L)平衡浓度平衡浓度(mol/L)(mol/L)平衡常数平衡常数c c2 2(NH(NH3 3)c(N c(N2 2)c)c3 3(H(H2 2)c(Nc(N2 2)c(Hc(H2 2)c(NHc(NH3 3)c(Nc(N2 2)c(Hc(H2 2)c(NHc(NH3 3)1 11.001.00 3.003.000 00.6900.6902.072.07 0.6200.6206.28106.2810-2 22 22.182.18 1.541.540 02.002.001.001.00 0.3600.3606.48106.4
12、810-2 23 30 00 02.002.000.6880.6882.062.06 0.6240.6246.44106.4410-2 24 40 00 01.001.000.3960.3961.191.19 0.2080.2086.48106.4810-2 2 对于合成氨反应,其实验数据如下:对于达到平衡的一般可逆反应:反应物和生成物平衡浓度表示为c(A)、c(B)、c(C)、c(D),它们与平衡常数之间的关系为:若A、B、C、D为气态物质时,其平衡常数表达式中常以气体的平衡分压表示,即 Kc称为浓度实验平衡常数,该式称为浓度平衡常数表达式。Kp称为压力实验平衡常数。3.1.4 多重平衡法则
13、合成氨反应:讨论 对上述三种不同的化学反应方程式,其标准平衡常数的关系为:由此,可推论与归纳出若干平衡常数运算规则。多重平衡法则1一个平衡反应乘以系数q,其平衡常数K变为 ,就是新平衡反应的平衡常数。q可为整数,也可为分数。2当正反应的平衡常数为K正时,逆反应的平衡常数为 3如果一个反应中可以表示为两个或更多个反应之和,则总反应的K等于同温度时各反应的平衡常数的乘积,如 反应(3)=反应(1)+反应(2)4如果一个平衡是由两个平衡反应相减所得,则该反应的平衡常数等于后两个平衡常数之商。如 反应(3)=反应(2)反应(1)(例2-1)解:由以上三个方程式可以看出(1)+(2)=(3)根据多重平衡
14、规则,则有例2-1 在温度为700时,有反应(1)NO2(g)=NO(g)+1/2O2(g)K10.012(2)(g)+1/2O2(g)=SO3(g)K220试求该温度时反应(3)的平衡常数(3)(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)K3?3.2化学平衡系统的计算3.2.1 3.2.1 标准平衡常数的计算标准平衡常数的计算3.2.2 3.2.2 平衡系统中系统各物质的量及转化率的计算平衡系统中系统各物质的量及转化率的计算3.2.3 3.2.3 化学平衡的移动化学平衡的移动3.2.1 3.2.1 标准平衡常数的计算标准平衡常数的计算1由平衡常数预计反应实现的可能性。由平衡常数预计反应实现
15、的可能性。(固氮)(固氮)2由平衡常数预计反应的方向和限度。由平衡常数预计反应的方向和限度。(1)预计反应的方向(例2-2)(2)预计反应的程度(例2-3)例2-2 在某温度时,将2molO2、1molSO2和8molSO3气体混合加入10升的容器中,已知反应的平衡常数Kc=100,问下列反应将向何方进行?解 本题所给为浓度平衡常数,故应先计算有关物质的浓度:由于 KC=100 ,JKC ,即在该条件下反应逆向,向SO3分解方向进行。J解由附录二中查得:CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)例2-3 甲烷与水蒸汽反应,是工业上制氢和制取燃 料的重要反应:试利用标准生成Gibbs函
16、数变,计算25时的标准平衡常数,判断该反应的可行性。/kJmol-1 50.75 228.6 137.15 0 rG 此反应标准平衡常数极小,表示在该温度下,甲烷几乎不可能生成一氧化碳和氢气,即此反应在室温下无可行性。但它是吸热、熵增类型的反应,故在一定的高温下是可实现这一反应的。3.2.2 3.2.2 平衡系统中各物质的量及转化率的计算平衡系统中各物质的量及转化率的计算 有了平衡常数,即可计算平衡时各物质的平衡浓度,反应的最大产量、转化率、离解率以及达到某种要求所需反应物的量等。转化率是指反应物在平衡时已转化为生成物的百分数。离解率是指反应物在平衡时已离解为生成物的百分数。(例2-4)(例2
17、-5)解 设反应达到平衡时,CO已转化的浓度为xmolL-1,则有 把各物质的平衡浓度代入平衡常数表达式:在1173K达到平衡时,测得平衡常 KC=1.00,若在100升密闭容器中加入CO和水蒸汽各200mol,试求算在该温度下的CO转化率。CO(g)H2O(g)CO2(g)+H2(g)例2-4 已知反应起始浓度/(molL-1)200/100=2 200/100=2 0 0平衡浓度/(molL-1)2-x 2-x x x CO(g)H2O(g)CO2(g)+H2(g)1.将反应物按化学方程式计量系数比混合后,再根据平衡常数计算出来的,称为该反应条件下理论上的最高转化率。实际生产中,实际的转化
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