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1、2022-7-20化学反应的限度化学反应的限度无机化学多媒体电子教案无机化学多媒体电子教案第二章第二章 化学反应的化学反应的方向、速率和限度方向、速率和限度第三节第三节化学反应的限度化学反应的限度2022-7-202-3-1 可逆反应与化学平衡可逆反应与化学平衡 2-3-1 可逆反应与化学平衡可逆反应与化学平衡可逆反应和不可逆反应可逆反应和不可逆反应不可逆反应不可逆反应反应物能全部转变为生成反应物能全部转变为生成 物物, 亦即能进行到底的反应亦即能进行到底的反应例如：例如：HCl + NaOH NaCl + H2O MnO2, 2KClO3 2KCl + 3O22022-7-20 可逆反应和不
2、可逆反应可逆反应和不可逆反应可逆反应可逆反应当当p=100kPa、T=773K，SO2与与O2以以2:l体体积比在密闭容器内进行反应时积比在密闭容器内进行反应时, SO2转化为转化为SO3的最大转化率为的最大转化率为90。 因为因为SO2与与O2生成生成SO3的同时的同时, 部分部分SO3在相在相同条件下又分解为同条件下又分解为SO2和和O2。2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) V2O5可逆反应可逆反应同一条件下可同时向正、逆同一条件下可同时向正、逆两个方向进行的反应两个方向进行的反应2022-7-20 化学平衡化学平衡在一定的温度下在一定的温度下,反应物反应物在密闭容器内进行可逆
3、在密闭容器内进行可逆反应反应,随着反应物不断消随着反应物不断消耗耗、生成物不断增加生成物不断增加,正反正反应速率不断减小应速率不断减小,逆反应逆反应速率不断增大速率不断增大,反应进行反应进行到一定程度到一定程度,正反应速率正反应速率和逆反应速率相等和逆反应速率相等,各反各反应物应物、生成物的浓度不再生成物的浓度不再变化变化,这时反应体系所处这时反应体系所处的状态称为的状态称为“化学平衡化学平衡” 正正逆逆正正逆逆t2022-7-20 化学平衡的特征化学平衡的特征反应达到平衡后反应达到平衡后,只要外界条件不变，反只要外界条件不变，反应体系中各物质的量将不随时间而变。应体系中各物质的量将不随时间而
4、变。化学平衡是一种动态平衡，即单位时间化学平衡是一种动态平衡，即单位时间内反应物的消耗量和生成物的生成量相内反应物的消耗量和生成物的生成量相等。等。化学平衡是有条件的化学平衡是有条件的,在一定外界下才能在一定外界下才能保持平衡，当外界条件改变时，原平衡保持平衡，当外界条件改变时，原平衡被破坏，建立新平衡。被破坏，建立新平衡。2022-7-202-3-2 化学平衡常数化学平衡常数 2-3-2 化学平衡常数化学平衡常数实验平衡常数实验平衡常数如如可逆反应：可逆反应：cC(g)+dD(g) yY(g)+zZ(g) c(Y)y c(Z)z Kc = c(C)c c(D)d p(Y)y p(Z)z Kp
5、 = p(C)c p(D)dn = (y+x) - (c+d)Kc 浓度平衡常数浓度平衡常数Kp 分压平衡常数分压平衡常数实验平衡常数实验平衡常数Kc 、 Kp 数值和量纲随分压或浓度所用的数值和量纲随分压或浓度所用的单位不同而异单位不同而异(n=0除外除外)2022-7-202-3-2 化学平衡常数化学平衡常数 实验平衡常数实验平衡常数平衡常数是表明化学反应可能完成的最大平衡常数是表明化学反应可能完成的最大限度的特性值。平衡常数越大限度的特性值。平衡常数越大, 表示反应表示反应进行得越完全。进行得越完全。一定温度下，不同的反应各有其特定的平一定温度下，不同的反应各有其特定的平衡常数。衡常数。
6、平衡常数值与温度及反应式的书写形式有关，平衡常数值与温度及反应式的书写形式有关，但不随浓度、压力而变。但不随浓度、压力而变。利用平衡常数表达式计算时，固体、纯液利用平衡常数表达式计算时，固体、纯液体或稀溶液的溶剂的体或稀溶液的溶剂的“浓度项浓度项”不必列出。不必列出。2022-7-20 例例 反应反应: C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)1000K达平衡时达平衡时,c(CO)=c(H2)=7.610-3molL-1,c(H2O)=4.610-3 molL-1,平衡分压平衡分压p(CO)=p(H2)=6.3104Pa,p(H2O)=3.8104Pa,试计算该反应的试计算该反应的Kc、
7、Kp解：解： C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)平衡浓度平衡浓度/(10-3molL-1) 4.6 7.6 7.6c(CO)c(H2) (7.610-3)2 c(H2O) 4.610-3Kc= = molL-1 =1.310-2 molL-1 2022-7-20 例例 反应反应: C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)1000K达平衡时达平衡时,c(CO)=c(H2)=7.610-3molL-1,c(H2O)=4.610-3 molL-1,平衡分压平衡分压p(CO)=p(H2)=6.3104Pa,p(H2O)=3.8104Pa,试计算该反应的试计算该反应的Kc、Kp解：解：
8、 C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)平衡分压平衡分压/(104Pa) 3.8 6.3 6.3 p(CO)p(H2) (6.3104)2 p(H2O) 3.8104Kp= = Pa =1.0105 Pa 2022-7-20 实验平衡常数实验平衡常数气相反应气相反应: : Kp = Kc(RT) n例例 反应反应: C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)Kc= 1.310-3 molL-1 Kp= 1.0105 Pa n=(1+1)-1=1Kp= 1.310-3(8.3141000)1103 Pa =1.0104 Pa2022-7-20 实验平衡常数实验平衡常数气相反应气相反应
9、: : Kp = Kc(RT) nR 的取值和量纲随压力所取单位而有所不同的取值和量纲随压力所取单位而有所不同压力单位压力单位(符号符号)R值值Kc与与Kp 关系关系大气压大气压(atm)0.0821atmdm3mol-1K-1Kp(atm)=Kc(R(atm)T) n巴巴(bar)0.0831bardm3mol-1K-1Kp(bar)=Kc(R(bar)T) n帕帕斯卡斯卡(Pa)8.314Pam3mol-1K-1Kp(Pa)=Kc(R(Pa)T) n目前化学手册中无目前化学手册中无Kp(Pa)和和Kp(bar)数据数据,一般计一般计算时仍可沿用算时仍可沿用Kp(atm)的数值。的数值。20
10、22-7-20 标准平衡常数标准平衡常数由化学反应等温方程式导出由化学反应等温方程式导出rGm = rGm+ RT lnJ体系处于平衡状态体系处于平衡状态 rGm0，则，则 J=KrGm = -RT lnK -rGmlnK = RT K 标准平衡常数标准平衡常数2022-7-20 标准平衡常数标准平衡常数如如可逆反应：可逆反应： S2-(aq) + 2H2O(l) H2S(g) + 2OH- -(aq)K :量纲为量纲为“1” p(H2S)/p c(OH-)/c 2 K = c(S2-)/c K 与温度有关，与压力所选单位无关。与温度有关，与压力所选单位无关。实验平衡常数的量纲不为实验平衡常数
11、的量纲不为 1，并与压力所，并与压力所 选单位有关。选单位有关。2022-7-20 例例 计算反应：计算反应：C(s)+CO2(g) 2CO(g)温度为温度为298.15K和和1173K时的时的K解：解： C(s) + CO2(g) 2CO(g)fHm/(kJmol-1) 0 -393.509 -110.525Sm/(Jmol-1K-1) 5.740 213.74 197.674fGm/(kJmol-1) 0 -394.359 -137.168rGm=2fGm(CO)-fGm(CO2) =2(-137.168)-(-394.359) kJmol-1 =120.023 kJmol-1lnK =
12、= -rGm -120.023103 RT 8.314298.15K =9.510-222022-7-20 解：解： C(s) + CO2(g) 2CO(g)fHm/(kJmol-1) 0 -393.509 -110.525Sm/(Jmol-1K-1) 5.740 213.74 197.674rHm=2(-110.525)-(393.509) kJmol-1 =172.459 kJmol-1rSm=2(197.674)-(5.740+213.74)Jmol-1K-1 =175.87 Jmol-1K-1rGm(1173K)= rHm-T rSm =(172.459103-1173175.87)
13、Jmol-1 =-33836.51 Jmol-1lnK =- - =- -rGm 33836.51 RT 8.3141173K =32.14(1173K)2022-7-20 多重平衡规则多重平衡规则相同温度下相同温度下(1) N2(g) + O2(g) 2NO(g) (2) 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) (3) N2(g) + 2O2(g) 2NO2(g) 反应反应(1)+反应反应(2)反应反应(3) rG1 + rG2 rG3根据根据 rGm = - RT lnK RT lnK1 + RT lnK2 = RT lnK3则则 K1 K2 K3多重平衡规则：多重平衡规则：当几个反
14、应式相加得到另一个反应式时，当几个反应式相加得到另一个反应式时，其平衡常数等于几个反应平衡常数之积其平衡常数等于几个反应平衡常数之积2022-7-202-3-3 化学平衡的计算化学平衡的计算 2-3-3 化学平衡的计算化学平衡的计算平衡转化率平衡转化率化学反应达平衡后，理论上反应物转化为化学反应达平衡后，理论上反应物转化为生成物能达到的最大转化率。生成物能达到的最大转化率。某反应物已转化的量某反应物已转化的量= 100% 反应开始时该反应物的总量反应开始时该反应物的总量若反应前后体积不变若反应前后体积不变 反应物起始浓度反应物起始浓度-反应物平衡浓度反应物平衡浓度= 100% 反应物的起始浓度
15、反应物的起始浓度2022-7-20 例例763.8K时时, ,反应反应H2(g)+I2(g)2HI(g) Kc=45.7(1)反应开始时反应开始时H2和和I2的浓度均为的浓度均为l.00 molL-1, 求反应达平衡时各物质的平衡浓度及求反应达平衡时各物质的平衡浓度及I2 的平衡转化率。的平衡转化率。(2)假定平衡时要求有假定平衡时要求有90I2转化为转化为HI, 问开问开始时始时I2和和H2应按怎样的浓度比混合应按怎样的浓度比混合?思路思路(1) 根据已知的根据已知的Kc 和反应式给出的计量关和反应式给出的计量关系系,求出各物质的平衡浓度及求出各物质的平衡浓度及I2的变化浓度的变化浓度, 代
16、入平衡转率的计算式。代入平衡转率的计算式。解解: (1) 设达平衡时设达平衡时c(HI)= x molL-1 H2(g) + I2(g) 2HI(g) 始态浓度始态浓度/(mo1L-1) 1.00 1.00 0变化浓度变化浓度/(mo1L-1) -x/2-x/2 +x平衡浓度平衡浓度/(mo1L-1) 1.00-x/2 1.00-x/2 x则则 x2 Kc = = 45.7 (1.00-x/2 ) (1.00-x/2)x1.54平衡时各物质的浓度为：平衡时各物质的浓度为：c(HI)=1.54 molL-1 c(H2)=c(I2)=(1.00-1.54/2)molL-1=0.23mo1L-1I2
17、的变化浓度的变化浓度= -x/2 = 0.77 molL-1I2的平衡转化率的平衡转化率 =(0.77/1.00)100%=77%2022-7-20 例例763.8K时时, ,反应反应H2(g)+I2(g)2HI(g) Kc=45.7(1)反应开始时反应开始时H2和和I2的浓度均为的浓度均为l.00 molL-1, 求反应达平衡时各物质的平衡浓度及求反应达平衡时各物质的平衡浓度及I2 的平衡转化率。的平衡转化率。(2)假定平衡时要求有假定平衡时要求有90I2转化为转化为HI, 问开问开始时始时I2和和H2应按怎样的浓度比混合应按怎样的浓度比混合?思路思路 (2) 根据平衡移动原理，增大反应物的
18、浓根据平衡移动原理，增大反应物的浓 度，可以使平衡向正向移动。增大度，可以使平衡向正向移动。增大H2 的初始浓度，可以提高的初始浓度，可以提高 I2的转化率。的转化率。解解:(2)设开始时设开始时c(H2)=xmolL-1,c(I2)=ymolL-1 H2(g) + I2(g) 2HI(g)始态浓度始态浓度/(mo1L-1) x y 0平衡浓度平衡浓度/(mo1L-1) x-0.9y y-0.9y 1.8y则则 (1.8y)2 Kc = = 45.7 ( x-0.9y) (y-0.9y) x/y = 1.6/1.0若开始若开始H2和和I2的的浓度以浓度以1.6 : 1.0混合混合，I2 的平衡
19、转化率可达的平衡转化率可达90%2022-7-20 例例在在5.00L容器中装有等物质的量的容器中装有等物质的量的PCl3(g)和和Cl2(g)。523K时时, ,反应反应PCl3(g)+Cl2(g)PCl5(g)达平衡时，达平衡时，p(PCl5)=p ，K =0.767，求求：(1)开始装入的开始装入的PCl3和和Cl2的物质的量；的物质的量；(2)PCl3的平衡转化率。的平衡转化率。解解: (1) 设始态设始态 p(PCl3)=p(Cl2)=x Pa PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g)始态分压始态分压/Pa x x 0平衡分压平衡分压/Pa x - p x - p p2022
20、-7-20 解解: (1) 设始态设始态 p(PCl3)=p(Cl2)=x Pa PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g)始态分压始态分压/Pa x x 0平衡分压平衡分压/Pa x - p x - p p p(PCl3)/p(x-p)/p (x-p)/p K = 1(x-105Pa)/105Pa20.767=x=214155pV 2141555.0010-3RT 8.314523n(PCl3)=n(Cl2)= = mol =0.246 mol(2)(PCl3)= 100%= 100%=47.0%p 105Pax 214155Pa第三节第三节 结束结束第二章第二章 化学反应的化学反应的方向、速率和限度方向、速率和限度