大学工科化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一章 复习内容系统与环境状态与状态函数内能与焓热力学第一定律 盖斯定律热力学标准态化学反应标准焓变计算反应进度第1页第二章第二章化学反应进行方向和程度化学反应进行方向和程度自发过程自发过程：在一定条件下，无需外力推进，任：在一定条件下，无需外力推进，任其自然就能够发生过程。其自然就能够发生过程。比如：比如：热自高温物体传向低温物体是自发过程，热自高温物体传向低温物体是自发过程，如用电炉加热物体；如用电炉加热物体；“水之形避高而趋下水之形避高而趋下”；对化学反应而言，如：对化学反应而言，如：铁在潮湿空气中锈蚀，铁在潮湿空气中锈蚀，锌置换硫酸铜溶液反应等锌置换硫酸铜溶液反应等；第2页u但在相同条件下，它们逆反应不能自动发生。但在相同条件下，它们逆反应不能自动发生。第3页怎样判断化学反应自发性，即方向性？怎样判断化学反应自发性，即方向性？给定条件：等温、等压第4页例：例：C(s)+O2(g)CO2(g)符合符合 H l s 同一聚集态同一聚集态：S(T2)S(T1)（T2 T1）第9页2.2.2 熵变与改变方向熵变与改变方向例例 2.7 试计算试计算 2NO(g)=N2(g)+O2(g)标准熵变。标准熵变。解：对于反应解：对于反应 2NO(g)=N2(g)+O2(g)Sm 210.7 191.5 205.0 (J.mol-1.k-1)rSm=24.9 Jmol-1k-1 0同时，同时，rHm=180.5 KJmol-1 1112K 时，反应可自发进时，反应可自发进行。行。(2)转折点：转折点：第19页注意：判断反应自发性（条件：封闭系统、注意：判断反应自发性（条件：封闭系统、等温、等压、系统不作非体积功）等温、等压、系统不作非体积功）P26，表，表2.1第20页n 非标准状态下吉布斯函数变非标准状态下吉布斯函数变rGm可用来判可用来判断任一状态下反应方向，断任一状态下反应方向，rGm 与与rGm 关系关系可经过化学热力学推导得出可经过化学热力学推导得出范特霍夫等温方范特霍夫等温方程式程式：1.1.对于气体反应对于气体反应 a A(g)+b B(g)=g G(g)+d D(g)若若将各种气体看作理想气体将各种气体看作理想气体则有：则有：第21页式中式中PA、PB、P G、PD 系统中各物质分系统中各物质分压，压，P 为标准压力，为标准压力，P/P 相对压力，相对压力，R 摩尔气体常数其值为摩尔气体常数其值为8.314 Jmol-1K-1。称为反应商，J。则：等温方程式等温方程式 问题：若全部分压均处于标准条件，此时问题：若全部分压均处于标准条件，此时 rGm 表示表示式形式？式形式？第22页2.对于水溶液中反应对于水溶液中反应 a A(aq)+b B(aq)=g G(aq)+d D(aq)式中式中c为水合离子浓度，为水合离子浓度，为相对浓度，单位为相对浓度，单位为为1。若全部水合离子浓度均处于标准态，可得。若全部水合离子浓度均处于标准态，可得到到 J=1,ln J=0(J,reaction quotient)第23页多数情况，多数情况，rGm难以确定（因为生成物分压难以确定（因为生成物分压和浓度难以确知），对于普通反应，在等温、和浓度难以确知），对于普通反应，在等温、等压条件下可用：等压条件下可用：反应不能进行反应不能进行Q:实际工作中，考虑成本，可实施性，反应实际工作中，考虑成本，可实施性，反应进行程度，到达平衡产物进行程度，到达平衡产物。第24页 例：例：Zn(s)+O2(g)ZnO(s)rGm=317.9 kJ/mol J =(PO2/P)1/2欲使反应不能自发进行，则需：欲使反应不能自发进行，则需：rGm 0，即：，即：RT ln(PO2/P)1/2 rGm (PO2/P)1/2 exp rGm/RT =exp 317.9 103/(8.314 298)第25页 (PO2/P)1/2 1.884510 56 PO2/P 3.551310 112 PO2 3.610 107 Pa 0这就是说，即使这就是说，即使 O2 分压小到几乎为零，分压小到几乎为零，此反应依然能自发进行。此反应依然能自发进行。Zn(s)+O2(g)ZnO(s)第26页2.4 化学反应程度化学反应程度化学平衡化学平衡 CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)可逆反应：同一条件下，既能向某一方向进行又可逆反应：同一条件下，既能向某一方向进行又能向相反方向进行反应。能向相反方向进行反应。并把从左向右进行反应称作正反应；从右向左进并把从左向右进行反应称作正反应；从右向左进行反应则称作逆反应。行反应则称作逆反应。平衡时各物质浓度或含量不再改变，平衡为平衡时各物质浓度或含量不再改变，平衡为动态平衡动态平衡。kf动态平衡动态平衡 A BA Bkr第27页n标准上全部化学反应都含有可逆性，只标准上全部化学反应都含有可逆性，只是可逆程度不一样，用是可逆程度不一样，用 表示可逆反应。表示可逆反应。衡量平衡程度衡量平衡程度平衡常数平衡常数第28页1.平衡常数平衡常数1）以平衡浓度表示平衡常数以平衡浓度表示平衡常数以化学反应方程式中对应化学计量数为幂指数以化学反应方程式中对应化学计量数为幂指数，化学反应方程中各个物种浓度（平衡时）乘积化学反应方程中各个物种浓度（平衡时）乘积即为以浓度表示平衡常数表示式，即为以浓度表示平衡常数表示式，可逆反应：可逆反应：a A+b B=c C+d D用浓度表示平衡常数 Kc 为为第29页2）以平衡分压表示平衡常数以平衡分压表示平衡常数或写为气相反应：气相反应：a A+b B=m M+n N注：注：气体分压：混合气体中某一组分气体在与气体分压：混合气体中某一组分气体在与混合气体温度相同时，单独占有整个容积所含混合气体温度相同时，单独占有整个容积所含有压力；混合气体总压力等于各个气体分压之有压力；混合气体总压力等于各个气体分压之和（和（Dalton 分压定律）。分压定律）。第30页 对于有气体参加反应对于有气体参加反应 a A(g)+b B(g)=g G(g)+d D(g)若将气体看作理想气体，则有：若将气体看作理想气体，则有：范特霍夫范特霍夫 等温方程式等温方程式抵达平衡时，抵达平衡时，rGm=0 时，时，P 亦为平衡分压亦为平衡分压3）标准平衡常数标准平衡常数第31页为为标准平衡常数标准平衡常数，无量纲，无量纲。可得到可得到 因为因为 在一定温度下为一定值，则：在一定温度下为一定值，则：第32页对于水溶液中反应对于水溶液中反应 a A(aq)+b B(aq)=g G(aq)+d D(aq)达平衡时：达平衡时：一样有：一样有：对于给定反应，其值与温度相关，而与对于给定反应，其值与温度相关，而与分压或浓度无关。分压或浓度无关。第33页可用可用 J 和和 K 判断反应方向和程度判断反应方向和程度J K，r K，r 0 反应逆向自发进行反应逆向自发进行J=K，r =0 平衡状态平衡状态因为因为 则：则：第34页应用平衡常数表示式几点应用平衡常数表示式几点注意事项注意事项：1 1）不论反应过程详细路径怎样，都可据总化）不论反应过程详细路径怎样，都可据总化学方程式写出平衡常数表示式。学方程式写出平衡常数表示式。（2 2）各物质浓度（或气体分压）均为各物质浓度（或气体分压）均为平衡时平衡时浓度或分压。浓度或分压。对于反应物或生成物为固态或液态纯物质，其对于反应物或生成物为固态或液态纯物质，其分压或浓度不出现在表示式中。分压或浓度不出现在表示式中。Fe3O4(s)+4 H2(g)=3 Fe(s)+4 H2O(g)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)K=P CO2/P第35页(3)(3)平衡常数表示式与化学方程式写法相关。平衡常数表示式与化学方程式写法相关。(4)平衡常数与温度相关，而与分压或浓度无关。平衡常数与温度相关，而与分压或浓度无关。N2(g)+3H2(g)=2 NH3(g)1/2N2(g)+3/2 H2(g)=NH3(g)2NH3(g)=N2(g)+3 H2(g)则则：K 1=(K2)2=1/K3第36页2.标准平衡常数计算标准平衡常数计算依据定义式。注意：表示式中依据定义式。注意：表示式中压力为分压压力为分压l利用公式利用公式 解：依据公式解：依据公式 rGm=RT ln K比如：已知反应比如：已知反应 2NO(g)=N2(g)+O2(g)rGm=173.2 kJmol-1,rHm=180.5 kJmol-1,rSm=24.9 Jmol-1K-1求：此反应在298.15K和1000K 时 K第37页(2)当当T=1000K时，可由吉布斯等温方程求出时，可由吉布斯等温方程求出 rGm(1000K)=rHm (298.15K)1000rSm(298.15K)/1000 =155.6 kJmol-1 则则 lnK(1000K)=rGm(1000K)/RT K（1000K）=1.3x108 可见可见K 减小，温度上升减小，温度上升 则产率下降。升高温则产率下降。升高温度不利于反应。度不利于反应。(1)当当T=298.15K时，时，K（298.15K）=2.2x1030 可见反应进行得很完全。可见反应进行得很完全。第38页对于不一样温度下对于不一样温度下 K，也能够由以下方法求出也能够由以下方法求出 (A)(B)式(B)-(A)可得到：可得到：范特霍夫方程范特霍夫方程可直接利用此式来计算不一样温度下可直接利用此式来计算不一样温度下第39页3.化学平衡移动化学平衡移动影响平衡原因影响平衡原因 定义：因条件改变使化学反应从原来平衡状态转变定义：因条件改变使化学反应从原来平衡状态转变到新平衡状态过程。到新平衡状态过程。例：例：C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)rHm=131.3 KJmol-1 条件改条件改变变：1、增加水蒸气、增加水蒸气浓浓度，平衡向右移度，平衡向右移动动 2、减小、减小压压强强平衡向右移平衡向右移动动 3、提升温度平衡向右移、提升温度平衡向右移动动原因：条件改原因：条件改变变 J K第40页结论：在平衡系统内结论：在平衡系统内 (1)增加反应物浓度，平衡就向生成物方向移增加反应物浓度，平衡就向生成物方向移动。动。(2)对于有气态物质存在平衡，增加压力，平对于有气态物质存在平衡，增加压力，平衡就向降低压力，也就是在容积不变条件下，衡就向降低压力，也就是在容积不变条件下，向着降低气体分子总数方向移动。向着降低气体分子总数方向移动。CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)（3）升高温度，平衡就向降低温度方向移动。）升高温度，平衡就向降低温度方向移动。第41页n浓度，压力使浓度，压力使J 改变，温度使改变，温度使K 改变，其结改变，其结果都造成系统平衡移动，最终到达果都造成系统平衡移动，最终到达J=K,从从而使而使 达平衡。达平衡。吕吕查查德德里里原原理理(Le Chateliers principle)：假假如如改改变变平平衡衡系系统统条条件件之之一一，如如浓浓度度压压力力或或温温度度，平平衡衡就就向向能能减减弱弱这这个个改改变变方方向移动。向移动。When a system at equilibrium is stressed,the equilibrium will shift in such a way as to minimize the effect of the stress.第42页(3)在在一定温度一定温度下化学平衡一旦建立，下化学平衡一旦建立，平衡常数平衡常数则一定。则一定。化学平衡含有以下特征：化学平衡含有以下特征：(1)化学平衡是一个动态平衡；化学平衡是一个动态平衡；(2)条件发生了改变，原有平衡将被破坏，代之条件发生了改变，原有平衡将被破坏，代之 以新平衡。以新平衡。第43页Fe2O3(s)+3 CO(g)=2 Fe(s)+3 CO2(g)炼一吨 Fe 需多少焦炭（C）？C(s)+0.5 O2(g)=CO(g)是否全部C(s)能转化成CO(g)，全部Fe2O3(s)和CO 能全部转化成Fe(s)和 CO2(g)？答案：否！可逆反应可逆反应!在在同同一一条条件件下下能能同同时时可可向向正正逆逆两两个个方方向向进进行行化化学学反反应应称称为为可可逆逆反反应应，并并把把从从左左向向右右进进行行反反应应称称作作正反应；从右向左进行反应则称作逆反应。正反应；从右向左进行反应则称作逆反应。2.4 化学反应程度化学反应程度 化学平衡化学平衡 第44页