物理化学章化学平衡幻灯片.ppt

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1、物理化学章化学平衡第1页，共86页，编辑于2022年，星期日第六章 化学平衡 6.1 化学反应的平衡条件 反应进度和化学反应的亲和势6.2 化学反应的平衡常数和等温方程式6.3 平衡常数的表示式6.4 复相化学平衡6.5 标准摩尔生成Gibbs自由能6.6 温度、压力及惰性气体对化学平衡的影响6.8 反应的耦合6.9 近似计算6.7 同时化学平衡*6.10 生物能学简介第2页，共86页，编辑于2022年，星期日 6.1 化学反应的平衡条件 反应进度和化学反应的亲和势 化学反应的亲和势 化学反应的平衡条件和反应进度 的关系第3页，共86页，编辑于2022年，星期日化学反应的平衡条件和反应进度 的

2、关系化学反应系统：封闭的单相系统，不作非膨胀功，当发生了一个微小变化时，有：引入反应进度的概念第4页，共86页，编辑于2022年，星期日化学反应的平衡条件和反应进度 的关系基本公式可表示为：等温、等压条件下，第5页，共86页，编辑于2022年，星期日化学反应的平衡条件和反应进度 的关系这两个公式适用条件：（1）等温、等压、不作非膨胀功的一个化学反应；（2）反应过程中，各物质的化学势 保持不变。第6页，共86页，编辑于2022年，星期日判断化学反应的方向与限度用 作判据都是等效的反应自发地向右进行反应自发地向左进行反应达到平衡第7页，共86页，编辑于2022年，星期日判断化学反应的方向与限度用

3、判断，这相当于 图上曲线的斜率反应自发向右进行，趋向平衡反应自发向左进行，趋向平衡反应达到平衡因为是微小变化，反应进度处于01 mol之间。第8页，共86页，编辑于2022年，星期日判断化学反应的方向与限度系统的Gibbs自由能和的关系第9页，共86页，编辑于2022年，星期日为什么化学反应通常不能进行到底？严格讲，反应物与产物处于同一系统的反应都是可逆的，不能进行到底。只有逆反应与正反应相比小到可以忽略不计的反应，可以粗略地认为可以进行到底。这主要是由于存在混合Gibbs自由能的缘故。第10页，共86页，编辑于2022年，星期日为什么化学反应通常不能进行到底？以反应为例，在反应过程中Gibb

4、s自由能随反应过程的变化如图所示。R点，D和E未混合时Gibbs自由能之和；P点，D和E混合后Gibbs自由能之和；T点，反应达平衡时，所有物质的Gibbs自由能之总和，包括混合Gibbs自由能；S点，纯产物F的Gibbs自由能。第11页，共86页，编辑于2022年，星期日为什么化学反应通常不能进行到底？系统的Gibbs自由能在反应过程中的变化（示意图）因D、E混合因生成F后使自由能降低后的自由能降低D、E、F混合第12页，共86页，编辑于2022年，星期日为什么化学反应通常不能进行到底？若要使反应进行到底，需在vant Hoff 平衡箱中进行，防止反应物之间或反应物与产物之间的任何形式的混合

5、，才可以使反应从R点直接到达S点。第13页，共86页，编辑于2022年，星期日化学反应的亲和势 1922年，比利时热力学专家De donder首先引进了化学反应亲和势的概念。他定义化学亲和势A为：代入基本公式，得第14页，共86页，编辑于2022年，星期日化学反应的亲和势对于一般的化学反应反应正向进行反应达平衡反应逆向进行第15页，共86页，编辑于2022年，星期日6.2 化学反应的平衡常数和等温方程式气相反应的平衡常数化学反应的等温方程式液相中反应的平衡常数第16页，共86页，编辑于2022年，星期日对于非理想气体混合物，混合理想气体中B的化学势表达式为：第17页，共86页，编辑于2022年

6、，星期日将化学势表示式代入的计算式，得：令：称为化学反应标准摩尔Gibbs 自由能变化值，仅是温度的函数。第18页，共86页，编辑于2022年，星期日这就是化学反应等温方程式对于任意反应 称为“逸度商”，可以通过各物质的逸度求算 值也可以通过多种方法计算从而可得 的值。第19页，共86页，编辑于2022年，星期日热力学平衡常数当系统达到平衡，则 称为热力学平衡常数，它仅是温度的函数。在数值上等于平衡时的“逸度商”，是量纲一的量，单位为1。因为它与标准化学势有关，所以又称为标准平衡常数。第20页，共86页，编辑于2022年，星期日用化学反应等温式判断反应方向化学反应等温式也可表示为：对理想气体反

7、应向右自发进行反应向左自发进行反应达平衡第21页，共86页，编辑于2022年，星期日溶液中反应的平衡常数（1）在理想液态混合物中任一组分化学势为：对于非理想液态混合物，利用活度概念不是标准态化学势第22页，共86页，编辑于2022年，星期日当系统达平衡时忽略压力对液态系统的影响，得第23页，共86页，编辑于2022年，星期日溶液中反应的平衡常数（2）在理想稀溶液中，溶质服从Henry定律：若对Henry定律发生偏差，得不是标准态化学势第24页，共86页，编辑于2022年，星期日溶液中反应的平衡常数如果溶质浓度用质量摩尔浓度表示，得：如果溶质浓度用物质的量浓度表示，得：第25页，共86页，编辑于

8、2022年，星期日溶液中反应的平衡常数显然，但是因为对数项中的数值也都不相等。第26页，共86页，编辑于2022年，星期日6.3 平衡常数的表示式令：对于理想气体是标准平衡常数，单位为1是经验平衡常数，单位视具体情况而定第27页，共86页，编辑于2022年，星期日气体反应的经验平衡常数的表示法有：（1）用压力表示的经验平衡常数第28页，共86页，编辑于2022年，星期日气体反应的经验平衡常数的表示法有：1.用压力表示的经验平衡常数因为所以仅是温度的函数与温度和压力有关也与温度和压力有关第29页，共86页，编辑于2022年，星期日气体反应的经验平衡常数的表示法有：2.用摩尔分数表示的经验平衡常数

9、对于理想气体混合物所以与温度和压力有关第30页，共86页，编辑于2022年，星期日气体反应的经验平衡常数的表示法有：3.用物质的量表示的经验平衡常数对于理想气体仅是温度的函数对于理想气体第31页，共86页，编辑于2022年，星期日 对于液相和固相反应的经验平衡常数，由于标准态不同，故有不同的表示形式对于液相反应，相应的经验平衡常数有严格讲，是温度压力的函数，但忽略压力对凝聚相反应的影响，近似将 看作是温度的函数除 外，经验平衡常数的单位不一定是1第32页，共86页，编辑于2022年，星期日下标 m 表示反应进度为 1 mol 时的标准Gibbs自由能的变化值。显然，化学反应方程中计量系数呈倍数

10、关系，的值也呈倍数关系，而 值则呈指数的关系。平衡常数与化学方程式的关系例如：（1）（2）第33页，共86页，编辑于2022年，星期日6.4 复相化学平衡 有有气相和凝聚相（液相、固体）共同参与的反应称为复相化学反应。什么叫复相化学反应？只考虑凝聚相是只考虑凝聚相是纯态纯态纯态纯态的情况，纯态的化学势就是它的情况，纯态的化学势就是它的标准态化学势，所以的标准态化学势，所以复相反应的热力学平衡常数只与复相反应的热力学平衡常数只与气态物质的压力有关气态物质的压力有关。某一反应达化学平衡时第34页，共86页，编辑于2022年，星期日 在参与反应的 N 种物质中，有种物质中，有 n 种是气体，其种是气

11、体，其余凝聚相处于纯态余凝聚相处于纯态 设所有气体为理想气体，代入其化学势表示式设所有气体为理想气体，代入其化学势表示式 令：令：代入上式并整理，得：第35页，共86页，编辑于2022年，星期日对于凝聚相，设对于凝聚相，设 所以复相化学反应的热力学平衡常数只与气态物质复相化学反应的热力学平衡常数只与气态物质的压力有关，与凝聚相无关的压力有关，与凝聚相无关。注注注注意意意意，若若若若通通通通过过过过 rGGmm计计算算算算KKp p，则应该包包括括参参与与反反应的的所所有有物物质。第36页，共86页，编辑于2022年，星期日称为 的解离压力。例如，有下述反应，并设气体为理想气体：某固体物质发生解

12、离反应时，所产生气体的压力，称为解离压力，显然这压力在定温下有定值，且为该温度下的平衡分压。此时可根据实际压力与平衡分压的相对大小来判断反应的方向，或判断某固相是否稳定存在。第37页，共86页，编辑于2022年，星期日 如果产生的气体不止一种，则所有气体压力的总和称为解离压。例如：解离压力热力学平衡常数为：该反应的经验平衡常数为？第38页，共86页，编辑于2022年，星期日6.5 标准摩尔生成Gibbs自由能 标准摩尔生成Gibbs自由能 Ellingham 图 标准状态下反应的Gibbs自由能变化值第39页，共86页，编辑于2022年，星期日的用途：1 1.计算热力学平衡常数计算热力学平衡常

13、数 标准状态下反应的Gibbs自由能变化值 在温度T 时，当反应物和生成物都处于标准态，发生反应进度为1 mol的化学反应的Gibbs自由能变化值，称为标准摩尔反应Gibbs自由能变化值，用 表示。第40页，共86页，编辑于2022年，星期日(1)-(2)(1)-(2)得（得（3）例如，求 的平衡常数2.计算实验不易测定的 和平衡常数第41页，共86页，编辑于2022年，星期日3 3近似估计反应的可能性近似估计反应的可能性只能用 判断反应的方向 只能反映反应的限度 当 的绝对值很大时，基本上决定了 的值，所以可以用来近似地估计反应的可能性。第42页，共86页，编辑于2022年，星期日3近似估计

14、反应的可能性反应基本不能进行改变反应外界条件，使反应能进行存在反应进行的可能性反应有可能进行，平衡位置对产物有利第43页，共86页，编辑于2022年，星期日的几种计算方法（1 1）热化学的方法）热化学的方法 利用热力学数据表或测定反应热效应，先计算反利用热力学数据表或测定反应热效应，先计算反应的焓变和熵变应的焓变和熵变（2）用易于测定的平衡常数，计算再利用Hess定律计算所需的（3 3）测定可逆电池的标准电动势）测定可逆电池的标准电动势（4 4）从标准摩尔生成从标准摩尔生成GibbsGibbs自由能计算自由能计算（5 5）用统计热力学的热函函数和自由能函数计算）用统计热力学的热函函数和自由能函

15、数计算第44页，共86页，编辑于2022年，星期日标准摩尔生成Gibbs自由能 因为因为GibbsGibbs自由能的绝对值不知道，所以只能用相对标准，即将标准压力下稳定单质的生成标准压力下稳定单质的生成GibbsGibbs自由能看作零，自由能看作零，则：在在标准压力标准压力下，由稳定单质生成单位物质的量单位物质的量化化合物时合物时Gibbs自由能的变化值，称为该化合物的标准摩尔生成GibbsGibbs自由能，用下述符号表示：，用下述符号表示：（化合物，物态，温度）没有规定温度没有规定温度，通常在，通常在298.15 K298.15 K时的表值容易查阅时的表值容易查阅第45页，共86页，编辑于2

16、022年，星期日离子的标准摩尔生成Gibbs自由能 有离子参加的反应，主要是电解质溶液。溶质的浓有离子参加的反应，主要是电解质溶液。溶质的浓度主要用质量摩尔浓度表示，这时度主要用质量摩尔浓度表示，这时规定的相对标准态规定的相对标准态是是 由此而得到其他离子的标准摩尔生成GibbsGibbs自由能的数值，列表备查。第46页，共86页，编辑于2022年，星期日 数值的用处 的值在定义时没有规定温度，通常在298.15 K时的数值有表可查，利用这些表值，我们可以：计算任意反应在298.15 K时的(1)第47页，共86页，编辑于2022年，星期日(2)判断反应的可能性判断反应的可能性在有机合成中，可

17、能有若干条路线，用计算 的方法，看那条路线的值最小，则可能性最大。若 的值是一个很大的正数，则该反应基本上不能进行。(3)用 值求出热力学平衡常数 值 根据 与温度的关系，可以决定用升温还是降温的办法使反应顺利进行。第48页，共86页，编辑于2022年，星期日 Ellingham 图在冶金工业中的几个反应这些变化可用图表示第49页，共86页，编辑于2022年，星期日第50页，共86页，编辑于2022年，星期日6.66.6 温度、压力及惰性气体对化学平衡的影响温度、压力及惰性气体对化学平衡的影响温度对化学平衡的影响 压力对化学平衡的影响压力对化学平衡的影响 惰性气体对化学平衡的影响惰性气体对化学

18、平衡的影响第51页，共86页，编辑于2022年，星期日温度对化学平衡的影响这是这是vant Hoffvant Hoff 公式的微分式 根据根据Gibbs-HelmholtzGibbs-Helmholtz方程，当反应物都处于标方程，当反应物都处于标准状态时，有准状态时，有代入，得代入，得第52页，共86页，编辑于2022年，星期日温度对化学平衡的影响对吸热反应升高温度，增加，对正反应有利对放热反应升高温度，下降，对正反应不利第53页，共86页，编辑于2022年，星期日温度对化学平衡的影响（1）若温度区间不大，可视为与温度无关的常数，得定积分式为：这公式常用来从已知一个温度下的平衡常数求出另一这公

19、式常用来从已知一个温度下的平衡常数求出另一温度下的平衡常数。温度下的平衡常数。或用来从已知两个温度下的平衡常数求出反应的标或用来从已知两个温度下的平衡常数求出反应的标准摩尔焓变。准摩尔焓变。第54页，共86页，编辑于2022年，星期日（1）若温度区间不大，可视为与温度无关的常数，作不定积分，得只要已知某一温度下的就可以求出积分常数第55页，共86页，编辑于2022年，星期日（2）若温度区间较大，则必须考虑 与温度的关系已知：代入vant Hoff vant Hoff 微分式，得微分式，得第56页，共86页，编辑于2022年，星期日移项积分，得：移项积分，得：为积分常数，可从已知条件或表值求得将

20、平衡常数与将平衡常数与GibbsGibbs自由能的关系式代入，自由能的关系式代入，得：得：这样可计算任何温度时的第57页，共86页，编辑于2022年，星期日温度对化学平衡的影响对于低压下的气体又因为又因为所以所以可得可得第58页，共86页，编辑于2022年，星期日压力对化学平衡的影响 若气体均为理想气体，则：若气体均为理想气体，则：注意：注意：B B为反应中为反应中的气态物质的气态物质 若产物中气体分子数多于反应物中气体分子数，升高压力升高压力p p，K Kx x 减小，平衡左移；减小，平衡左移；降低压力降低压力p，Kx x 增大，平衡右移；增大，平衡右移；升高压力升高压力p p，K Kx增大

21、，平衡右移；增大，平衡右移；降低压力降低压力p p，K Kx x减小，平衡左移；减小，平衡左移；第59页，共86页，编辑于2022年，星期日气体分子数减少，加压，有利于反应气体分子数减少，加压，有利于反应正向进行正向进行气体分子数增加，加压，不利于反应正向进行利于反应正向进行增加压力，反应向体积缩小的方向进行增加压力，反应向体积缩小的方向进行对凝聚相反应，压力对化学平衡的影响见例题。对凝聚相反应，压力对化学平衡的影响见例题。第60页，共86页，编辑于2022年，星期日惰性气体对化学平衡的影响 惰性气体不影响平衡常数值，当 不等于零时，加入惰性气体会影响平衡组成。第61页，共86页，编辑于202

22、2年，星期日惰性气体对化学平衡的影响（1）T T,p不变的情况下加入惰性气体，则体积不变的情况下加入惰性气体，则体积V V会增大，会增大，对于参加反应的气体物质来说相当于降低总压，反应向对于参加反应的气体物质来说相当于降低总压，反应向气体分子数增加的方向进行。气体分子数增加的方向进行。00，n总总增加，增加，K Kn n增大，反应右移增大，反应右移00，n n总总增加，增加，K Kn n减小，反应左移减小，反应左移第62页，共86页，编辑于2022年，星期日惰性气体对化学平衡的影响（2 2）T T,V V(刚性密闭容器中刚性密闭容器中)不变的情况下加入惰性气体不变的情况下加入惰性气体则因为体积

23、则因为体积V V不变，对于参加反应的气体物质来说相当于压力不变，对于参加反应的气体物质来说相当于压力不变，反应不受影响。不变，反应不受影响。一一定定温温度度和和压压力力下下,对对于于分分子子数数增增加加的的反反应应，加加入入水水气气或或氮氮气气，会会使使反反应应物物转转化化率率提提高高，使使产产物物的的含含量量增增加加。如例题所示。如例题所示。第63页，共86页，编辑于2022年，星期日 Le chatelierLe chatelier原理：原理：原理：原理：如如如如果果果果对对对对一一一一平平平平衡衡衡衡系系系系统统统统施施施施加加加加外外外外部部部部影影影影响响响响，如如如如改改改改变变变

24、变温温温温度度度度、浓浓浓浓度度度度和和和和压力等，则压力等，则压力等，则压力等，则平衡向减小此外部影响的方向移动平衡向减小此外部影响的方向移动平衡向减小此外部影响的方向移动平衡向减小此外部影响的方向移动。第64页，共86页，编辑于2022年，星期日 6.7 同时化学平衡 在一个反应系统中，如果在一个反应系统中，如果同时发生同时发生几个反应，当到达平衡态时，这种情况称为同时平衡。在处理同时平衡的问题时，要考虑每个物质的数量在各个反应中的变化，并在各个平衡方程式中同一同一物质的数量应保持一致物质的数量应保持一致。第65页，共86页，编辑于2022年，星期日例1：已知在该温度下，600 K时，与

25、发生反应同时存在如下两个平衡：生成 后，继而又分解为 求 的平衡转化率今以计量系数比的 和开始第66页，共86页，编辑于2022年，星期日解：设开始时 和 的量各为1.0，到达平衡时，HCl 的转化分数为 x，生成 的转化分数为y，则在平衡时各物的量为：因为两个反应的 都等于零，所以第67页，共86页，编辑于2022年，星期日将两个方程联立，解得 的转化率为0.048生成 的产率各不相同第68页，共86页，编辑于2022年，星期日6.8 反应的耦合耦合反应（coupling reactioncoupling reaction）设系统中发生两个化学反应，若一个反应的产物在另设系统中发生两个化学反

26、应，若一个反应的产物在另一个反应中是反应物之一，则这两个反应称为耦合反应。一个反应中是反应物之一，则这两个反应称为耦合反应。例如：例如：利用 值很负的反应，将 负值绝对值较小甚至略大于零的反应带动起来。第69页，共86页，编辑于2022年，星期日耦合反应的用途：例如：在例如：在298.15 K时：反应反应(1)1)、(2)(2)耦合，使反应耦合，使反应(3)得以顺利进行。得以顺利进行。第70页，共86页，编辑于2022年，星期日6.9 近似计算 利用以上公式虽然可以通过热力学数据表作一些计算，利用以上公式虽然可以通过热力学数据表作一些计算，但是要获得完备的在各个温度下的热力学数据还是困难的，但

27、是要获得完备的在各个温度下的热力学数据还是困难的，所以有时只能作一些估算。所以有时只能作一些估算。第71页，共86页，编辑于2022年，星期日1 的估算 根据Gibbs自由能的定义式，在等温时有已知代入上面的计算式，得第72页，共86页，编辑于2022年，星期日1 的估算的数据有表可查若数据不全可以用如下两种方法，作近似计算若有完整的 数据,就可以计算任意温度下的第73页，共86页，编辑于2022年，星期日1 的估算若令：（1）设不同温度下的 数值事先制表备用第74页，共86页，编辑于2022年，星期日1 的估算这是一个十分粗略的估算公式（2）设这里实际上设焓和熵变化值与温度无关，从298.1

28、5 K的表值可求出任意温度T 时的 值。第75页，共86页，编辑于2022年，星期日2估计反应的有利温度 通常焓变与熵变在化学反应中的符号是相同的，对Gibbs自由能的贡献刚好相反。要使反应顺利进行，则 的值越小越好。提高温度对反应有利降低温度对反应有利这时温度就起了调节作用第76页，共86页，编辑于2022年，星期日转折温度 通常将 时的温度称为转折温度，意味着反应方向在这里可能发生变化 转折温度可以用298.15 K时的 和 值进行近似估算。第77页，共86页，编辑于2022年，星期日化学反应的平衡条件和反应进度 的关系这两个公式适用条件：这两个公式适用条件：（1 1）等温、等压、不作非膨

29、胀功的一个化学反应；）等温、等压、不作非膨胀功的一个化学反应；（2）反应过程中，各物质的化学势 保持不变。第78页，共86页，编辑于2022年，星期日判断化学反应的方向与限度用 作判据都是等效的反应自发地向反应自发地向右右进行进行反应自发地向反应自发地向左左进行进行反应达到平衡平衡第79页，共86页，编辑于2022年，星期日系统的系统的GibbsGibbs自由能和自由能和 的关系的关系第80页，共86页，编辑于2022年，星期日6.2 化学反应的平衡常数和等温方程式气相反应的平衡常数化学反应的等温方程式化学反应的等温方程式令：称为化学反应标准摩尔Gibbs 自由能变化值，仅是温度的函数。第81

30、页，共86页，编辑于2022年，星期日这就是这就是化学反应等温方程式化学反应等温方程式对于任意反应对于任意反应 称为“逸度商”，可以通过各物质的逸度求算 值也可以通过多种方法计算从而可得 的值。第82页，共86页，编辑于2022年，星期日热力学平衡常数当系统达到平衡，则 称为热力学平衡常数，它仅是温度的函数。在数值上等于平衡时的“逸度商”，是量纲一的量，单位为1。因为它与标准化学势有关，所以又称为标准平衡常数。第83页，共86页，编辑于2022年，星期日用化学反应等温式判断反应方向化学反应等温式也可表示为：化学反应等温式也可表示为：对理想气体反应向右自发进行反应向左自发进行反应达平衡第84页，共86页，编辑于2022年，星期日溶液中反应的平衡常数第85页，共86页，编辑于2022年，星期日6.3 平衡常数的表示式令：令：对于理想气体对于理想气体是标准平衡常数，单位为1是经验平衡常数，单位视具体情况而定第86页，共86页，编辑于2022年，星期日