内蒙古民族大学无机化学吉大武大版化学平衡市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第第 5 章章化化 学学 平平 衡衡Chemical Equilibrium第1页 在研究物质改变时，人们不但注意反应方向在研究物质改变时，人们不但注意反应方向和反应速率，而且也十分关心化学反应能够完成和反应速率，而且也十分关心化学反应能够完成程度，即在指定条件下，反应物能够转变成产物程度，即在指定条件下，反应物能够转变成产物最大程度。这就是我们要讨论化学平衡问题。最大程度。这就是我们要讨论化学平衡问题。本章讨论本章讨论主要内容有：主要内容有：1 1化学平衡和平衡常数概念化学平衡和平衡常数概念 2 2多重平衡规则多重平衡规则 3 3化学平衡计算化学平衡计算 4 4标准平衡常数与标准平衡常数与标准自由能变关系标准自由能变关系 5 5化学平衡移动原理。化学平衡移动原理。第2页 5-1 化学反应可逆性和化学平衡化学反应可逆性和化学平衡可逆反应：可逆反应：在一定条件下，一个化学反应即可从左在一定条件下，一个化学反应即可从左 向右进行，又能够从右向左进行反应向右进行，又能够从右向左进行反应 叫可逆反应。叫可逆反应。比如：比如：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)Ag+(aq)+Cl-(aq)AgCl(s)化学反应这种性质叫反应可逆性。几乎全部化学反应这种性质叫反应可逆性。几乎全部反应都含有可逆性，只是可逆性程度不一样。习惯上，反应都含有可逆性，只是可逆性程度不一样。习惯上，我们把可逆性显著化学反应，称为可逆反应（用箭我们把可逆性显著化学反应，称为可逆反应（用箭头表示）；可逆性不显著化学反应，称为不可逆反头表示）；可逆性不显著化学反应，称为不可逆反应（用平行线表示）。可逆反应最终将造成化学平衡应（用平行线表示）。可逆反应最终将造成化学平衡状态（即可逆化学反应能够完成最大程度）。状态（即可逆化学反应能够完成最大程度）。第3页化学平衡：化学平衡：在可逆反应中，正反应速度与逆反应速在可逆反应中，正反应速度与逆反应速 度相等时状态，称为化学平衡状态，度相等时状态，称为化学平衡状态，简称化学平衡。简称化学平衡。在化学平衡状态下：反应并未停顿，只是正逆在化学平衡状态下：反应并未停顿，只是正逆反应速度相等。即反应速度相等。即 v正正=v逆逆，所以化学平衡是一个动，所以化学平衡是一个动态平衡。态平衡。H2(g)+I2(g)2HI(g)平衡条件包含体系各物质浓度、温度、压力平衡条件包含体系各物质浓度、温度、压力条件改变，平衡将发生移动。条件改变，平衡将发生移动。第4页 化学平衡特点化学平衡特点 平衡是动态平衡是动态 抵达平衡状态路径是双向抵达平衡状态路径是双向 对对上上述述反反应应，不不论论从从哪哪个个方方向向都都能能抵抵达达同同一一平平衡衡状状态态。温温度度一一经经确确定定，CO2平平衡衡压压力力也也就就确确定定，在在该该压压力力下产生下产生CO2速率等于它转化为速率等于它转化为CaCO3速率。速率。系系统统各各组组分分无无限限期期保保持持恒恒定定并并不不意意味味着着正正、逆逆反反应应终终止止，只只不不过过朝朝两两个个方方向向进进行行速速率率相相等等而而已已。如如反反应：应：CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)平衡时，平衡时，CaCO3仍不停分解为仍不停分解为CaO和和CO2,CaO与与CO2仍在不停形成仍在不停形成CaCO3（用放射性同位素用放射性同位素14C标识法）标识法）第5页 平衡状态是两种相反趋势造成折中状态平衡状态是两种相反趋势造成折中状态 两两种种相相反反趋趋势势是是指指系系统统总总是是趋趋向向最最低低能能量量趋趋势势和和趋趋向向最最大大混混乱乱度度趋趋势势。CaCO3分分解解成成气气态态CO2分分子子混混乱乱度度更更高高。假假如如只只有有熵熵变变这这一一原原因因，CaCO3将将会会完完全全分分解解。然然而而CaCO3分分解解为为吸吸热热过过程程，熵熵变变有有利利这这一一反反应应焓焓变变却却不不利利。逆逆反反应应情情况况恰恰好好颠颠倒倒过过来来:熵熵变变不不利利而而焓焓变变却却有有利利。能能够够认认为为，平平衡衡系系统统中中CO2分压反应了两种趋势造成折中状态。分压反应了两种趋势造成折中状态。化化学学平平衡衡规规律律适适合合用用于于各各种种平平衡衡（电电离离平平衡衡，酸酸碱平衡、沉淀平衡、氧化还原平衡、配位平衡）。碱平衡、沉淀平衡、氧化还原平衡、配位平衡）。第6页5-2 平衡常数平衡常数 2-1 经验平衡常数经验平衡常数 参加反应物质按一定百分比组成反应混合物。参加反应物质按一定百分比组成反应混合物。平衡时，各组分浓度不再改变。但反应混合物平衡时，各组分浓度不再改变。但反应混合物组成不一样时，平衡体系组成并不相同。看以下组成不一样时，平衡体系组成并不相同。看以下反应数据：反应数据：CO2 H2 CO H2O CO2 H2 CO H2O 0.01 0.01 0 0 0.004 0.004 0.006 0.006 2.3 0.01 0.02 0 0 0.0022 0.0122 0.0078 0.0078 2.3 0.01 0.01 0.001 0 0.0041 0.0041 0.0069 0.0059 2.4 0 0 0.02 0.02 0.0082 0.0082 0.0118 0.0118 2.1CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)起始浓度起始浓度/moldm3 平衡浓度平衡浓度/moldm3第7页经过以上数据能够看出，不论反应从哪个方向开始，经过以上数据能够看出，不论反应从哪个方向开始，尽管平衡组成不一样，但尽管平衡组成不一样，但 值是不变。值是不变。据此能够得到结论，在一定温度下，可逆反应达据此能够得到结论，在一定温度下，可逆反应达平衡时，生成物浓度以反应方程式中计量系数为指数平衡时，生成物浓度以反应方程式中计量系数为指数幂乘积与反应物浓度以反应方程式中计量系数为指幂乘积与反应物浓度以反应方程式中计量系数为指数幂乘积之比为一常数，称为可逆反应数幂乘积之比为一常数，称为可逆反应经验平衡经验平衡常数常数（或试验平衡常数）用（或试验平衡常数）用 Kc 表示。表示。对任一可逆反应对任一可逆反应 aA+bB eE+dDKc=Ee Dd Aa Bb 方括号内表示是物质平衡浓度方括号内表示是物质平衡浓度 Kc 是用平衡浓度表示平衡常数是用平衡浓度表示平衡常数第8页从经验平衡常数从经验平衡常数 Kc 表示式中能够看出，表示式中能够看出，Kc 单单位是：位是：mol dm3(e+d)(a+b)即为浓度某次幂。即为浓度某次幂。当当 (e+d)=(a+b)时，时，Kc 无单位无单位 对于气相反应：对于气相反应：a A(g)+b B(g)eE(g)+dD(g)对于气相反应，用物质平衡分压表示气态可逆对于气相反应，用物质平衡分压表示气态可逆反应经验平衡常数反应经验平衡常数 Kp。对同一个反应：对同一个反应：Kc 和和Kp 数值可能不等，二者之数值可能不等，二者之间关系：间关系：Kp=Kc(RT)n n=(e+d)-(a+b)n=0 Kp=Kc P：Pa；V：m3；T：K；R=8.314Jmol-1K-1 Kp=pEe PDd PAa PBb 在某一温度下达平衡：在某一温度下达平衡：第9页 注意注意：（1 1）平衡状态，平衡体系各物质浓度保持不变，但各）平衡状态，平衡体系各物质浓度保持不变，但各 物质浓度值与初始浓度相关。物质浓度值与初始浓度相关。（2 2）平衡常数与各物质初始浓度无关但与温度相关。）平衡常数与各物质初始浓度无关但与温度相关。2-2 平衡常数表示式书写要求和多重平衡规则平衡常数表示式书写要求和多重平衡规则1.1.平衡常数表示式书写要求平衡常数表示式书写要求 反应体系中纯固体，纯液体及水溶液中水反应体系中纯固体，纯液体及水溶液中水浓度不写入平衡常数表示式中。如浓度不写入平衡常数表示式中。如:Cr2O72-(aq)+H2O 2 CrO42-(aq)+2H+(aq)H2O 为液相，不写入。为液相，不写入。OCrHCrOKc2722224-+-=第10页 复相反应经验平衡常数用复相反应经验平衡常数用 K 表示，即不是表示，即不是KC也也不是不是KP例：例：CaCO3(S)CaO(S)+CO2(g)复相反应复相反应 K=PCO2 对非水溶液反应，如有水生成或有水参加，必对非水溶液反应，如有水生成或有水参加，必须写上。如醋酸和乙醇酯化反应须写上。如醋酸和乙醇酯化反应:C2H5OH+CH3COOH CH3COOC2H5+H2O 同一化学反应，平衡常数关系式因化学方程式同一化学反应，平衡常数关系式因化学方程式写法不一样而异。写法不一样而异。Kc=CH3COOC2H5 H2O CH3COOH C2H5OH第11页 N2O4(g)2NO2(g)K1=0.36 N2O4(g)NO2(g)K2=K11/2=0.60 2NO2(g)N2O4(g)K3=1/K1=2.78 所以要使用与反应方程式对应平衡常数所以要使用与反应方程式对应平衡常数2.2.多重平衡规则多重平衡规则 某个反应能够表示为两个反应和某个反应能够表示为两个反应和(或差或差)，则总，则总反应平衡常数等于各分反应平衡常数之积反应平衡常数等于各分反应平衡常数之积(或商或商)。这个关系称为多重平衡规则。这个关系称为多重平衡规则。（1）H2(g)+O2 H2O(g)K1（2）CO2(g)CO(g)+O2 K2（3）H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)K3 （3）=（1）+（2）第12页 同理：同理：（1）=（3）-（2）K1=K3/K2注意：在处理多重平衡关系中注意：在处理多重平衡关系中,全部平衡常数必须在全部平衡常数必须在 同一个温度。同一个温度。2-3 平衡常数与化学反应程度平衡常数与化学反应程度 体系达平衡时，体系中各物质浓度不再随时间体系达平衡时，体系中各物质浓度不再随时间而改变，这时反应物已最大程度地转变为产物。而改变，这时反应物已最大程度地转变为产物。平衡常数平衡常数 KC 越大，反应进行程度越大。越大，反应进行程度越大。我们能够用转化率我们能够用转化率 来标志化学反应在某个具来标志化学反应在某个具体条件下完成程度。体条件下完成程度。K3=K1 K2H2OCOH2CO2H2OH2O2O2COCO2第13页 转化率转化率%=已转化为产物总量已转化为产物总量/反应物起始总量反应物起始总量 例：例：反应反应 CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)在在 773K 时时,平衡常数平衡常数 Kc=9，如反应开始时，如反应开始时CO和和H2O浓度都是浓度都是0.020 molL-1，计算在这条件下，计算在这条件下，CO转化率最大是多少？转化率最大是多少？解：设平衡时解：设平衡时CO2和和H2浓度为浓度为x molL-1 CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)初始浓度初始浓度:0.020 0.020 0 0平衡浓度平衡浓度:0.020-x 0.020-x x x 解得解得:x=0.015(molL-1)转化率转化率=0.015/0.020 100=75%K=9x2(0.020-x)2第14页 利用一样方法，能够分别求得当利用一样方法，能够分别求得当 Kc=4 和和 Kc=1 时，时，CO平衡转化率分别为平衡转化率分别为 67%和和 50%，能够，能够说，在其它条件相同时说，在其它条件相同时 Kc 越大，平衡转化率越高。越大，平衡转化率越高。即使即使Kc和转化率都能够表示反应进行程度，但和转化率都能够表示反应进行程度，但Kc与反应物浓度无关，只与温度关，而转化率则与与反应物浓度无关，只与温度关，而转化率则与反应物起始浓度相关。反应物起始浓度相关。第15页 2-4 标准平衡常数标准平衡常数 将浓度或分压分别除以各自标准态，即得相对浓将浓度或分压分别除以各自标准态，即得相对浓度或相对分压。度或相对分压。例：例：浓度浓度 A =5 mol dm 3 相对浓度为相对浓度为 故相对浓度和相对分压都是没有单位量。故相对浓度和相对分压都是没有单位量。平衡时，相对浓度和相对分压当然也将保持不变。平衡时，相对浓度和相对分压当然也将保持不变。分压分压 pA=10 1.013 10 5 Pa 相对分压为相对分压为 第16页 对溶液反应对溶液反应 aA(aq)+bB(aq)eE(aq)+dD(aq)平衡时平衡时 对气相反应对气相反应 aA(g)+bB(g)eE(g)+dD(g)平衡时平衡时 对于复相反应对于复相反应 CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)K 称为标准平衡常数称为标准平衡常数bCBaCAdCDeCE)()()()(Kqqqq=bPpaPpdPpepp)()()()(KBADE =ppKCO2第17页 对于没有气相物质反应，对于没有气相物质反应，K 和和 K 在数值上相等，因在数值上相等，因为标准态值为为标准态值为 1。不过，有气相物质参加反应，。不过，有气相物质参加反应，K 和和 K 之间经常不相等，因为标准态之间经常不相等，因为标准态 p 1。因为相对浓度、相因为相对浓度、相对压强均无量纲。标准平衡常数对压强均无量纲。标准平衡常数 K 均无量纲。均无量纲。解：解：例：例：反应反应 A(g)2B(g)在某温度到达平衡时，在某温度到达平衡时，各组分分压均为各组分分压均为 1.013 10 5 Pa，求其经验平衡常数，求其经验平衡常数 Kp 和标准平衡常数和标准平衡常数 K 。Pa 10013.1Pa10013.1)Pa10013.1(ppK5525A2Bp=111Pa510013.1Pa510013.1Pa510013.1Pa510013.12pp2pp)()(KAB=q第18页 2-5 平衡常数与化学反应方向平衡常数与化学反应方向 反应商反应商 Qi 指是指是浓度商（或压力商）浓度商（或压力商）化学反应任意时刻，产物浓度（分压）系数次方化学反应任意时刻，产物浓度（分压）系数次方乘积与反应物浓度（分压）系数次方乘积之比称乘积与反应物浓度（分压）系数次方乘积之比称为浓度商（或压力商），用符号为浓度商（或压力商），用符号QC（或（或Qp）表示。表示。经过浓度商（或压力商）与经过浓度商（或压力商）与 Kc（或或KP）比较，）比较，能够判断可逆化学反应进行方向。能够判断可逆化学反应进行方向。Qc Kc 正向反应自发进行正向反应自发进行 QP KP Qc=Kc 反应达平衡状态反应达平衡状态 QP Kc 逆向反应自发进行逆向反应自发进行 QP KPQc=CEe CDd CAa CBbQp=PE e PDd PAa PBb第19页 Qi K 逆向反应自发进行逆向反应自发进行 5-3 标准平衡常数标准平衡常数 K 和和 rG m 关系关系 1.化学反应等温式化学反应等温式 因为大部分化学反应是等温等压条件下进行，因为大部分化学反应是等温等压条件下进行，所以讨论化学反应等温式意义很大。所以讨论化学反应等温式意义很大。化学反应化学反应 aA(aq)+bB(aq)eE(aq)+dD(aq)在某时刻，各物质浓度并非标准态，此时反应在某时刻，各物质浓度并非标准态，此时反应商为商为Qi。化学热力学中有以下关系式，表明化学热力学中有以下关系式，表明 rG m、Qi 和和 rGm 三者之间关系：三者之间关系：第20页 rGm =rG m +RTlnQi 这就是化学反应等温式这就是化学反应等温式 利用利用化学反应等温式能够求出化学反应等温式能够求出 rGm，以做为非标，以做为非标准态下化学反应进行方向判据。准态下化学反应进行方向判据。0 非自发非自发 当体系处于平衡时：当体系处于平衡时：rGm=0，同时，同时 Qi=K 故化学反应等温式故化学反应等温式 rGm =rG m +RTln Qi 变为变为 0=rG m +RTln K 即即 rG m=RTln K 或或 rG m=2.303 RTlg K 第21页 这个式子将非标准态下两种判据联络起来：这个式子将非标准态下两种判据联络起来：Qi K 时，反应正向进行，时，反应正向进行，由公式得由公式得 rGm K 时，反应逆向进行，时，反应逆向进行，由公式得由公式得 rGm 0 Qi=K 时，反应到达平衡，时，反应到达平衡，由公式得由公式得 rGm=0 将将 rG m =RTlnK 代入化学等温式，得代入化学等温式，得 rGm =RTlnK +RTlnQi即即 这一公式极为主要，它将两个主要热力学数据这一公式极为主要，它将两个主要热力学数据 rG m 和和 K 联络起来。联络起来。=KQilnRTrGm=KQilg2.303RTrGm或或第22页 2.平衡常数求法平衡常数求法 例：某温度下反应例：某温度下反应 N2(g)+3H2(g)2NH3(g)到达平衡时，测得到达平衡时，测得 NH3=4 mol dm3，N2=3 mol dm3，H2=9 mol dm3，求求 该温度时反应平衡常数该温度时反应平衡常数 Kc。Kc =7.3 103(mol dm3)2 解解:第23页 例例 求求 2 NO2(g)N2O4(g)298 K 时时 K 解：查表得解：查表得 f G m(NO2，g)=51.30 kJmol 1 f G m(N2O4，g)=97.82 kJmol 1 故故 K =6.88 rG m =f G m(N2O4，g)2 f G m(NO2，g)=97.82 51.30 2=4.87(kJmol 1)注意：注意：利用利用 rG m 经过公式求得平衡常数一定是经过公式求得平衡常数一定是 标准平衡常数标准平衡常数 K 第24页5-4 化学平衡移动化学平衡移动 某温度下反应某温度下反应a A b B 到达平衡到达平衡 此时此时 Qi=K V正正 =V逆逆 造成平衡移动原因，能够从反应商改变和平衡常造成平衡移动原因，能够从反应商改变和平衡常数改变两个方面去考虑数改变两个方面去考虑 。因为条件改变，旧平衡被破坏，引发系统中各因为条件改变，旧平衡被破坏，引发系统中各物质百分含量随之改变，从而到达新平衡状态过程物质百分含量随之改变，从而到达新平衡状态过程叫做化学平衡移动。叫做化学平衡移动。化化学学平平衡衡是是一一个个动动态态平平衡衡.在在一一定定条条件件下下,可可逆逆反反应应到到达达平平衡衡时时,Qi=K 。若若改改变变条条件件，原原有有平平衡衡被破坏，随之将建立新平衡。被破坏，随之将建立新平衡。第25页 当体系中加入当体系中加入 A，Qi 分母增大，分母增大，Qi 变小，造变小，造成成 Qi K ，反应向右进行。，反应向右进行。过一段时间，又到达过一段时间，又到达平衡，即平衡右移。平衡，即平衡右移。这是因为改变这是因为改变 Qi，使，使 Qi K 造成平衡移造成平衡移动。造成动。造成 Qi 改变原因普通有浓度，压强，体积等改变原因普通有浓度，压强，体积等外界条件。外界条件。温度改变，将会影响反应温度改变，将会影响反应 rG m，因为因为 rG m =rH m T rS m 同时，也造成同时，也造成 K 改变。因为改变。因为 故温度改变，将引发故温度改变，将引发 K 改变，使改变，使 Qi K 平平衡将移动。衡将移动。第26页1.浓度对化学平衡影响浓度对化学平衡影响例例：反反应应 CO（g）+H2O（g）H2（g）+CO2（g）在在某某 一温度下，一温度下，KC=9。若反应开始时。若反应开始时 CO=0.02mol/dm3，H2O=1.00mol/dm3 求求CO转化率？转化率？解：设反应达平衡时，解：设反应达平衡时，H2和和CO2均为均为Xmol/dm3 CO（g）+H2O（g）H2（g）+CO2（g）起始起始 0.02 1.00 0 0 平衡平衡 0.02-X 1.00-X X X90.1995)0.1)(02.0(2222=-=XXXXOHCOCOHKc第27页 转化率转化率 =与与 前前 题题 相相 比比：CO、H2O 起起 始始 浓浓 度度 为为0.02moldm3时，转化率为时，转化率为75%，当当H2O为为 1.00moldm3 时时，CO转转化化率率增增大大到到99.8%。结结论论:增增加加反反应应物物浓浓度度或或降降低低生生成成物物浓浓度度，平平衡将会向产物方向移动。衡将会向产物方向移动。改变浓度将使平衡移动，增加一个反应物浓度，改变浓度将使平衡移动，增加一个反应物浓度，可使另一个反应物转化率提升。可使另一个反应物转化率提升。这是工业生产上一这是工业生产上一项主要办法。项主要办法。第28页 2.压强对化学平衡影响压强对化学平衡影响 某温度下，反应某温度下，反应 N2(g)+3 H2(g)2 NH3(g)现将体系总压扩大现将体系总压扩大 2 倍，试判断平衡移动方向。倍，试判断平衡移动方向。pi=p总总 xi xi 不变，不变，p总总 扩大扩大 2 倍，倍，pi 将扩大将扩大 2 倍倍 到达平衡时，有到达平衡时，有 故故结论：结论：体积改变影响能够归结为浓度或压强改变影响。体积改变影响能够归结为浓度或压强改变影响。KQ,K41ppp41p8p2p4)p2()p2()p2(Qppp3HN2NH3HN2NH3HN2NHp223223223 0，当当T2 T1 时，时，K 2 K 1，平衡右移；，平衡右移；T2 T1 时，时，K 2 K 1，平衡左移。，平衡左移。对于放热反应，对于放热反应，rH m T1 时，时，K 2 K 1，平衡左移；，平衡左移；T2 K 1，平衡右移。，平衡右移。(2)(2)(1)(1)得得2112)T1T1(RmrHKKln-D=qqqT2-T1lg =KT2KT1r rHH2.303R2.303RT2 T1结论：结论：升高温度，平衡向吸热方向移动。降低温度，升高温度，平衡向吸热方向移动。降低温度，平衡向放热方向移动。平衡向放热方向移动。第33页 4.4.勒夏特里原理勒夏特里原理 全部平衡移动都服从吕全部平衡移动都服从吕查德里原理查德里原理 (Le Chateliers principle)若对平衡系统施加外力若对平衡系统施加外力,平衡将沿着减小另外力平衡将沿着减小另外力方向移动。方向移动。即改变平衡系统条件之一，如温度、即改变平衡系统条件之一，如温度、压力或浓度，平衡就向减弱这个改变方向移动。这压力或浓度，平衡就向减弱这个改变方向移动。这是一条普遍规律，适合用于全部动态平衡是一条普遍规律，适合用于全部动态平衡(包含物理包含物理平衡平衡)。5.5.选择合理生产条件普通标准选择合理生产条件普通标准 增大一个价廉易得原料过量，以提升另一原料增大一个价廉易得原料过量，以提升另一原料 转化率。转化率。第34页 反应后气体分子数降低气相反应，增加压强可反应后气体分子数降低气相反应，增加压强可 使平衡向正向移动。使平衡向正向移动。对放热反应，升高温度会提升反应速度，但会使对放热反应，升高温度会提升反应速度，但会使 转化率降低，使用催化剂能够提升反应速度而不转化率降低，使用催化剂能够提升反应速度而不 会影响平衡。会影响平衡。相同反应物，若同时可能发生几个反应，而其中相同反应物，若同时可能发生几个反应，而其中 只一个反应是需要，则须选择适当催化剂，再只一个反应是需要，则须选择适当催化剂，再 考虑其它条件。考虑其它条件。第35页 第五章第五章 化学平衡化学平衡 P110112 总结与思索题：总结与思索题：2、6。作业：作业：1、2、3、6、7、8、10、13、16、18。第36页