四章化学平衡熵和Gibbs函数.pptx

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1、标准平衡常数标准平衡常数 化学平衡的基本特征 标准平衡常数表达式 平衡常数与反应速率系数的关系 标准平衡常数的实验测定第1页/共83页化学平衡的基本特征化学平衡的基本特征可逆反应与不可逆反应大多数化学反应都是可逆的。例如:在密闭容器中，可逆反应不能进行到底。有些反应几乎能进行到底。例如：2KClO3（s）2KCl（s）+3O2（g）MnO2第2页/共83页第3页/共83页化 学 平 衡在一定条件下，可逆反应处于正逆反应速率相等的状态下。特征：（1）从客观上，系统的组成不再随时间而变。（2）化学平衡是动态平衡。（3）平衡组成与达到平衡的途径无关。第4页/共83页标准平衡常数表达式标准平衡常数表达

2、式对于气相反应对于溶液中的反应Sn2+(aq)+2Fe3+(aq)Sn4+(aq)+2Fe2+(aq)第5页/共83页对于一般的化学反应（1）K是无量纲的量。（2）K是温度的函数，与浓度、分压无关。（3）标准平衡常数表达式必需与化学反应计量式相对应。第6页/共83页第7页/共83页第8页/共83页 多 重 平 衡 原 理例题 已知25时反应（1）2BrCl(g)Cl2(g)+Br2(g)的 =0.45（2）I2(g)+Br2(g)2IBr(g)的 =0.051计算反应（3）2ClBr(g)+I2(g)2IBr(g)+Cl2(g)的 。解：反应（1）+（2）得：2ClBr(g)+I2(g)2IB

3、r(g)+Cl2(g)第9页/共83页平衡常数与反应速率系数的关系第10页/共83页Vant Hoff 方程式第11页/共83页标准平衡常数的实验测定例题 恒温恒容下，GeO(g)与W2O6(g)反应生成GeWO4(g)：2GeO(g)+W2O6(g)2 GeWO4(g)若反应开始时，GeO和W2O6 的分压均为100.0kPa，平衡时 GeWO4(g)的分压为98.0kPa。求平衡时GeO和W2O6的分压以及反应的标准平衡常数。第12页/共83页解：2GeO(g)+W2O6(g)2 GeWO4(g)开始pB/kPa 100.0 100.0 0变化pB/kPa -98.0 98.0平衡pB/k

4、Pa 100.0-98.0 100.0-98.0 p(GeO)=100.0 kPa -98.0 kPa=2.0kPa p(W2O6)=100.0 kPa-kPa=51.0 kPa第13页/共83页第14页/共83页平衡转化率第15页/共83页标准平衡常数的应用标准平衡常数的应用判断反应的程度预测反应的方向计算平衡的组成 第16页/共83页判断反应的程度K 愈大，反应进行得愈完全；K 愈小，反应进行得愈不完全；K 不太大也不太小(如 10-3 K 103),反应物部分地转化为生成物。第17页/共83页预测反应方向预测反应方向反应商对于一般的化学反应：aA(g)+bB(aq)+cC(s)xX(g)

5、+yY(aq)+zZ(l)任意状态下:def第18页/共83页反应商判据J K 反应逆向进行。第19页/共83页第20页/共83页计算平衡组成计算平衡组成例4-5 反应 CO(g)+Cl2(g)COCl 2(g)在恒温恒容条件下进行。已知373K时K=1.5 108。反应开始时c0(CO)=0.0350molL-1，c0(Cl2)=0.0270molL-1，c0(COCl2)=0。计算373K反应达到平衡时各物种的分压和CO的平衡转化率。第21页/共83页解：CO(g)+Cl2(g)COCl 2(g)开始cB/(molL-1)0.0350 0.0270 0开始pB/kPa 108.5 83.7

6、 0变化pB/kPa -(83.7-x)-(83.7-x)(83.7-x)平衡pB/kPa 24.8+x x (83.7-x)第22页/共83页因为K 很大,x很小,假设 83.7-x 83.7,24.8+x 24.8平衡时:p(CO)=24.8kPa p(Cl2)=2.3 10-6 kPa p(COCl2)=83.7kPa第23页/共83页第24页/共83页化学平衡的移动化学平衡的移动浓度对化学平衡的影响压力对化学平衡的影响温度对化学平衡的影响Le Chatelier 原理第25页/共83页浓度对化学平衡的影响浓度对化学平衡的影响对于溶液中的化学反应，平衡时,J =K当c(反应物)增大或c(

7、生成物)减小时,J K 平衡向逆向移动。化学平衡的移动 当外界条件改变时，化学反应从一种平衡状态转变到另一种平衡状态的过程。第26页/共83页例4-6 25C时，反应 Fe2+(aq)+Ag+(aq)Fe3+(aq)+Ag(s)的K=3.2。(1)当c(Ag+)=1.00 10-2molL-1,c(Fe2+)=0.100 molL-1,c(Fe3+)=1.00 10-3molL-1时反应向哪一方向进行?(2)平衡时,Ag+,Fe2+,Fe3+的浓度各为多少?(3)Ag+的转化率为多少?(4)如果保持Ag+,Fe3+的初始浓度不变,使c(Fe2+)增大至0.300 molL-1,求Ag+的转化率

8、.第27页/共83页解:(1)计算反应商,判断反应方向 JK,反应正向进行.第28页/共83页(2)计算平衡组成 Fe2+(aq)+Ag+(aq)Fe3+(aq)+Ag(s)开始cB/(molL-1)0.100 1.0010-2 1.0010-3 变化cB/(molL-1)-x -x x平衡cB/(molL-1)0.100-x 1.0010-2-x 1.0010-3+x第29页/共83页c(Ag+)=8.4 10-3molL-1 c(Fe2+)=9.84 10-2 molL-1c(Fe3+)=2.6 10-3molL-1 3.2x21.352x2.210-3=0 x=1.610-3第30页/共

9、83页(3)求 Ag+的转化率 第31页/共83页 (4)设达到新的平衡时Ag+的转化率为2 Fe2+(aq)+Ag+(aq)Fe3+(aq)+Ag(s)平衡 0.300-1.0010-2 1.0010-3+cB/(molL-1)1.0010-22 (1-2)1.0010-2 2第32页/共83页压力对化学平衡的影响压力对化学平衡的影响1.部分物种分压的变化 如果保持温度、体积不变，增大反应物的分压或减小生成物的分压，使J减小，导致J K，平衡向逆向移动。第33页/共83页2.体积改变引起压力的变化对于有气体参与的化学反应 aA(g)+bB(g)yY(g)+zZ(g)第34页/共83页 对于气

10、体分子数增加的反应，B 0，x B 1，JK，平衡向逆向移动，即向气体分子数减小的方向移动。对于气体分子数减小的反应，B 0，x B 1，J K，平衡向正向移动，即向气体分子数减小的方向移动。对于反应前后气体分子数不变的反应，B=0，x B=1，J=K，平衡不移动。第35页/共83页 例 某容器中充有N2O4(g)和NO2(g)混合物，在298K，0.100MPa条件下，发生反应：2NO2(g)N2O4(g)；K(298)=6.74 (1)计算平衡时各物质的分压和浓度；(2)使该反应系统体积减小到原来的1/2，平衡向何方移动？在新的平衡条件下，系统内各组分的分压和浓度为多少？第36页/共83页

11、3惰性气体的影响 (1)在惰性气体存在下达到平衡后,再恒温压缩,B 0，平衡向气体分子数减小的方向移动,B=0，平衡不移动。(2)对恒温恒容下已达到平衡的反应，引入惰性气体，反应物和生成物pB不变，J=K，平衡不移动。(3)对恒温恒压下已达到平衡的反应，引入惰性气体，总压不变，体积增大，反应物和生成物分压减小，如果 B 0，平衡向气体分子数增大的方向移动。第37页/共83页温度对化学平衡的影响温度对化学平衡的影响 K(T)是温度的函数。温度变化引起K(T)的变化，导致化学平衡的移动。对于放热反应，K，平衡向逆向移动。对于吸热反应，0，温度升高，K 增大，J K，平衡向正向移动。第38页/共83

12、页Le Chatelier 原理 如果改变平衡系统的条件之一（浓度、压力和温度），平衡就向能减弱这种改变的方向移动。Le Chatelier原理只适用于处于平衡状态的系统，也适用于相平衡系统。1848年，法国科学家Le Chatelier 提出：第39页/共83页两个需要说明的问题1.催化剂不能使化学平衡发生移动。催化剂使正、逆反应的活化能减小相同的量，同等倍数增大正、逆反应速率系数，但不能改变标准平衡常数，也不改变反应商。催化剂只能缩短反应达到平衡的时间，不能改变平衡组成。第40页/共83页2.化学反应速率与化学平衡的综合应用 以合成氨为例：N2(g)+3H2 2NH3(g)低温、加压有利于

13、平衡正向移动。但低温反应速率小。在实际生成中，T=（460550），32MPa，使用铁系催化剂。第41页/共83页自发变化和熵自发变化和熵自发变化焓和自发变化混乱度、熵和微观态数热力学第三定律和标准熵化学反应熵变和热力学第二定律第42页/共83页自发变化水从高处流向低处；热从高温物体传向低温物体；铁在潮湿的空气中锈蚀；第43页/共83页锌置换硫酸铜溶液反应：Zn(s)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(s)在没有外界作用下,系统自身发生变化的过程称为自发变化。第44页/共83页4.4.2 焓和自发变化许多放热反应反应能够自发进行。例如：H2(g)+1/2O2(g)H2O(l)H+(aq)

14、+OH-(aq)H2O(l)最低能量原理 1878年，法M.Berthelot和丹J.Thomsen提出：自发的化学反应趋向于使系统放出最多的能量。第45页/共83页第46页/共83页有些吸热反应也能自发进行是。例如:NH4Cl(s)NH4+(aq)+Cl-(aq)CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)H2O(l)H2O(g)焓变只是影响反应自发性的因素之一，但不是唯一的影响因素。第47页/共83页 理想气体的自由膨胀第48页/共83页统计解释:2个分子在左边球内的概率为1/4 3个分子在左边球内的概率为1/8 n个分子在左边球内的概率为1/2n 1mol个分子在左边球内的概率1/26.0

15、221023 概率如此小，可见是一种不可能的状态。所以气体的自由膨胀是必然的。第49页/共83页4.4.3 混乱度、熵和微观态数 1.混乱度 许多自发过程有混乱度增加的趋势。冰的融化建筑物的倒塌 系统有趋向于最大混乱度的倾向，系统混乱度增大有利于反应自发地进行。第50页/共83页第51页/共83页第52页/共83页第53页/共83页 熵是表示系统中微观粒子混乱度的一个热力学函数，其符号为S。系统的混乱度愈大，熵愈大。熵是状态函数。熵的变化只与始态、终态有关，而与途径无关。2.熵第54页/共83页微观(状)态数 粒子的活动范围愈大，系统的微观状态数愈多，系统的混乱度愈大。第55页/共83页熵与微

16、观(状)态数 1878年，L.Boltzman提出了熵与微观状态数的关系。S=kln S-熵 -微观状态数 k-Boltzman常量第56页/共83页第57页/共83页4.4.4 热力学第三定律和标准熵1.热力学第三定律 1906年，德W.H.Nernst提出，经德Max Planch 和美G.N.Lewis等改进。纯物质完整有序晶体在0K时的熵值为零。S*（完整晶体，0K）=0第58页/共83页2.标准摩尔熵 S =ST -S 0 =ST ST-规定熵（绝对熵）在某温度T和标准压力下，1mol某纯物质B的规定熵称为B的标准摩尔熵。其符号为：单位为：纯物质完整有序晶体温度变化 0K TK第59

17、页/共83页结构相似，相对分子质量不同的物质，随相对分子质量增大而增大。标准摩尔熵的一些规律同一物质，298.15K时相对分子质量相近，分子结构复杂的，其 大。第60页/共83页4.4.5 化学反应熵变和热力学第二定律 1.化学反应熵变的计算 对于化学反应 0=BB 根据Hess定律，利用标准摩尔熵，可以 计算298.15K时的反应的标准摩尔熵变。B第61页/共83页*2 热力学第二定律 在任何自发过程中，系统和环境的熵变化的总和是增加的。第62页/共83页4.5 Gibbs 函 数4.5.1 Gibbs函数判据4.5.2 标准摩尔生成Gibbs函数4.5.3 Gibbs函数与化学平衡第63页

18、/共83页4.5.1 Gibbs函数判据 G-Gibbs函数（Gibbs自由能）G是状态函数，单位:kJ.mol-1 第64页/共83页Gibbs 函 数（变）判据 在定温定压下，任何自发变化总是系统的Gibbs 函数减小。第65页/共83页第66页/共83页 反应方向转变温度的估算()()()()()()()1110 K160.6 J mol-1 K-1mol-1kJ32.178 gCOsCaOsCaCOK298K298 0 K298K298 23rrrrrrrrrrr=+DD=DD-DDDDD-D=DD分解转例如：时，当的影响，则，对如果忽略温度，压力TSHTGSTHGSHSTHGmmmm

19、mmmmmmm第67页/共83页4.5.2 标准摩尔生成Gibbs函数化学反应的标准摩尔Gibbs函数变1.标准摩尔生成Gibbs函数 在温度TK下，由参考状态的单质生成1mol物质B的反应的标准摩尔Gibbs函数变，称为物质B的标准摩尔生成Gibbs函数。第68页/共83页第69页/共83页例：计算合成氨反应的第70页/共83页4.5.3 Gibbs函数与化学平衡等温方程式：第71页/共83页Gibbs函数变判据与反应商判据第72页/共83页例：合成氨塔入口气体组成为：(H2)=72.0%，(N2)=24.0%，(NH3)=3.00%，(Ar)=1.00%。反应在12.0MPa，673K下进

20、行。估算该温度下合成氨反应的标准平衡常数，并判断反应在上述条件下能否自发进行。第73页/共83页第74页/共83页Vant Hoff方程式在温度变化范围不大时第75页/共83页当温度为T1时，当温度为T2时，两式相减得：由此式可见，对于吸热反应，温度升高，K增大;对于放热反应,温度升高,K减小。第76页/共83页 例 某容器中充有N2O4(g)和NO2(g)混合物，n(N2O4)：n(NO2)=10.0：1.0。在308K，0.100MPa条件下，发生反应：N2O4(g)2NO2(g)；K(308)=0.315 (1)计算平衡时各物质的分压；(2)使该反应系统体积减小到原来的1/2，反应在30

21、8K，0.200MPa条件下进行，平衡向何方移动？在新的平衡条件下，系统内各组分的分压改变了多少？第77页/共83页解：(1)反应在恒温恒压条件下进行。以1molN2O4为计算基准。n总=1.10+x N2O4(g)2NO2(g)开始时nB/mol 1.00 0.100平衡时nB/mol 1.00-x 0.10+2x平衡时pB/kPa 第78页/共83页第79页/共83页第80页/共83页 N2O4(g)2NO2(g)开 始 时 nB/mol 1.00 0.100平衡()时nB/mol 1.00-y 0.10+2y平衡()时pB/kPa 第81页/共83页平衡逆向移动第82页/共83页感谢您的观看！第83页/共83页