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化学平衡
三、化学平衡
1.可逆反应与不可逆反应
可逆反应:
在同一条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应的方向进行的反应。
SO2+O2
2SO3
→正反应方向;v正;此时反应物SO2、O2。
←逆反应方向;v逆;此时反应物SO3。
事实上,大部分化学反应都是可逆反应。
只不过有的逆方向较弱,不太明显;而有的逆方向很强,表现为明显的可逆反应。
因此,研究可逆反应的规律具有十分重要的意义。
练习:
下列为可逆反应的是
A氢气与氧气点燃可化合成水,水电解可生成氢气和氧气,因此氢气与氧气的反应是可逆反应。
B在催化剂的作用下,二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫的同时,三氧化硫又有分解。
C碳酸钙在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳,氧化钙和二氧化碳在常温下生成碳酸钙,因此这二个反应互为可逆反应。
思考:
可逆反应能进行彻底吗?
即2molSO2与1molO2在催化剂的作用下最终能得到2molSO3吗?
2.化学平衡状态的建立
SO2+O2
2SO3
1开始时刻各物质浓度,正、逆反应速率如何?
c(SO2)、c(O2)最大,c(SO3)=0v(正)最大,v(逆)=0
2随着反应进行又有什么特征?
c(SO2)↓c(O2)↓c(SO3)↑;v(正)↓(逆)↑
3一段时间后有什么特征?
v(正)=v(逆)c(SO2)、c(O2)、c(SO3)均不再变化
化学平衡状态
⑴定义:
可逆反应在一定条件下进行到一定程度时,正反应速率与逆反应速率相等,反应物和生成物的浓度不再发生变化的状态。
⑵研究对象:
可逆反应
⑶平衡前提:
c、P、T等条件一定,因为条件如果变化,平衡也就发生相应的移动。
⑷平衡特征:
等:
正反应速率=逆反应速率≠0
定:
反应混合物中各组分的浓度保持不变,各组分的百分含量一定。
动:
动态平衡(正逆反应仍在进行)
变:
条件变化,化学平衡状态将被破坏,直到在新的条件下建立新的平衡。
例:
能够说明N2+3H2⇌2NH3反应在密闭容器中已达到平衡状态的是:
①容器内N2、H2、NH3三者共存
②容器内N2、H2、NH3三者浓度相等
③容器内N2、H2、NH3的浓度比恰为1:
3:
2
④tmin内生成1molNH3同时消耗0.5molN2
⑤tmin内生成1molN2同时消耗3molH2
例:
在一定的温度下,可逆反应:
A(g)+3B(g)⇌2C(g)达到平衡的标志是
A.C的生成速率与C的分解速率相等
B.单位时间生成nmolA,同时生成3nmolB
C.A、B、C的物质的量浓度保持不变
D.A、B、C的分子数之比为1:
3:
2
E.容器中气体的总压强保持不变
F.混合气体的平均摩尔质量保持不变
5化学平衡状态的标志:
(1)υ正=υ逆(本质特征)
①同一种物质:
该物质的生成速率等于它的消耗速率。
②不同的物质:
速率之比等于方程式中各物质的计量数之比,但必须是不同方向的速率。
(2)各组分的含量保持不变(外部表现):
反应混合物中各组分的浓度、体积分数、物质的量分数、质量分数等不再发生变化。
例:
下列说法可以证明反应
N2+3H2⇌2NH3已达平衡状态的是
A.1个N≡N键断裂的同时,有3个H-H键形成
B.1个N≡N键断裂的同时,有3个H-H键断裂
C.1个N≡N键断裂的同时,有6个N-H键断裂
D.1个N≡N键断裂的同时,有6个N-H键形成
例:
在一定条件下,向一固定容积的容器中投入
2molNO2进行反应:
2NO22NO+O2,一段时间后
测得NO2、NO、O2的物质的量可能是
(A)2molNO、0.75molO2
(B)1molNO2、1.2molNO
(C)2molNO
(D)0.7molO2
例:
当可逆反应2SO2+O22SO3达平衡时,通入18O2,再次平衡时,18O存在于
A.SO3O2B.SO2SO3
C.SO2O2D.SO2O2SO3
6、化学平衡的相关计算
⑴基本模式——“三行式解法”
例:
mA+nB⇌pC+qD
起始浓度(mol/L):
ab00
平衡浓度(mol/L):
a-mxb-nxpxqx
转化浓度(mol/L):
mxnxpxqx
⑵基本关系
1反应物:
平衡浓度=起始浓度-转化浓度
2生成物:
平衡浓度=起始浓度+转化浓度
3
转化率α
④气体的平均分子量
=
M=ρVm
⑤几点定律
恒温恒压下:
气体的体积比等于物质的量之比,即
=
气体的密度比等于摩尔质量之比,即
=
恒温恒容下:
气体的压强比等于物质的量之比,即
=
例:
(差量法)
1体积SO2和3体积空气混合后在450℃以上通过V2O5催化剂发生反应。
若同温同压下测得反应前和反应后混合气体的密度比为0.9,则SO2的转化率为
A.90%B.80%C.45%D.10%
例2:
(极端假设法)
在一定条件下,可逆反应A2(g)+B2(g)⇌2C(g)达平衡时,各物质的平衡浓度分别为c(A2)=0.5mol/L,c(B2)=0.1mol/L,c(C)=1.6mol/L若用a、b、c分别表示A2、B2、C的起始浓度,则:
a、b的取值范围
0.4mol/L≤a≤1.3mol/L
0mol/L≤b≤0.9mol/L
0mol/L≤c≤1.8mol/L
(二)化学平衡移动
1.化学平衡移动的概念
当改变已经达到化学平衡的可逆反应的条件时,平衡状态被破坏,随反应的进行重新达到新平衡的过程叫做化学平衡移动。
勒夏持列原理:
如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强和温度等),平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。
其中包含:
①影响平衡的因素:
浓度、压强、温度三种;
②原理的适用范围:
只适用于一项条件发生变化的情况(即温度或压强或一种物质的浓度),当多项条件同时发生变化时,情况比较复杂;
③平衡移动的结果:
只能减弱(不可能抵消)外界条件的变化。
⑵、平衡移动:
是一个“平衡状态→不平衡状态→新的平衡状态”的过程。
一定条件下的平衡体系,条件改变后,可能发生平衡移动。
2.从正、逆反应速度是否相等判断:
1、浓度对化学平衡的影响(P29)
实验2-6
FeCl3+3KSCN⇌Fe(SCN)3+3KCl
(黄色)(无色)(血红色)(无色)
现象:
溶液变成红色
A.加少量FeCl3的红色加深;
B.加少量KSCN的红色也加深;
思考——加少量NaOH溶液颜色有何变化。
实验结论
在其他条件不变时,增大反应物或减小生成物的浓度,化学平衡向正反应方向移动;减小反应物或增大生成物的浓度,化学平衡向逆反应方向移动。
原因分析:
运用浓度对化学反应速率的影响以及化学平衡的建立等知识,解释浓度对化学平衡的影响。
速率——时间关系图:
由以上四图可以得出结论:
1)改变反应物浓度瞬间,只能改变正反应速率;改变生成物浓度瞬间,只能改变逆反应速率。
2)改变浓度瞬间,若v(正)>v(逆),平衡向正反应方向移动;若v(逆)>v(正),平衡向逆反应方向移动。
3)新旧平衡速率比较:
增大浓度,新平衡速率大于旧平衡速率;减小浓度,新平衡速率小于旧平衡速率。
意义:
增大成本较低的反应物的浓度,提高成本较高的原料的转化率。
结论:
在其他条件不变,增大反应物浓度,平衡朝正反应方向移动;减小反应物浓度,平衡朝逆反应方向移动。
在其他条件不变,减小生成物浓度,平衡朝正反应方向移动;增大生成物浓度,平衡朝逆反应方向移动。
注意:
⑴影响化学平衡移动的浓度,而不是质量、物质的量或体积;
⑵对于溶液中进行的离子反应,改变不参加反应的离子浓度,化学平衡一般不移动;
⑶浓度的改变不一定会引起化学平衡的移动;
如:
FeCl3+3KSCN⇌Fe(SCN)3+3KCl,增加c(K+)或c(Cl-),不会影响化学平衡。
如:
对气体分子数不变的反应,同等程度地增大或减小各物质的浓度,化学平衡不移动。
练习
已知在氨水中存在下列平衡:
NH3+H2O⇌NH3·H2O⇌NH4++OH-
(1)、向氨水中加入MgCl2固体,平衡向移动,OH-浓度,NH4+浓度。
(2)、向氨水中加入浓盐酸,平衡向移动,此时溶液中浓度减小的粒子有。
(3)、向氨水中加入少量NaOH固体,平衡向移动,此时发生的现象是。
练习:
可逆反应H2O(g)+C(s)⇌CO(g)+H2(g)在一定条件下达到平衡状态,改变下列条件,能否引起平衡移动?
CO的浓度有何变化?
①增大水蒸气浓度②加入更多的碳③增加H2浓度
小结:
增加固体或纯液体的量不能改变其浓度,也不能改变速率,所以V(正)仍等于V(逆),平衡不移动。
2、压强对化学平衡的影响
实验探究
2NO2(气)⇌N2O4(气)
(2体积,红棕色)(1体积,无色)
现象:
A.加压混和气体颜色先深后浅;B.减压混和气体颜色先浅后深。
[结论]在其它条件不变的情况下:
A:
增大压强,会使化学平衡向着气体体积缩小的方向移动;
B:
减小压强,会使化学平衡向着气体体积增大的方向移动。
[讨论]对于反应2NO2(气)⇌N2O4(气)试比较以下三种状态下的压强关系:
改变压强前混和气体压强P1;改变压强后瞬时气体压强P2;改变压强达新平衡后混和气体压强P3;
加压:
;
减压:
。
[注意]①对于反应前后气体总体积相等的反应,改变压强对平衡无影响;
②平衡混合物都是固体或液体的,改变压强不能使平衡移动;
③压强的变化必须改变混合物浓度(即容器体积有变化)才能使平衡移动。
[注意]①对于反应前后气体总体积相等的反应,改变压强对平衡无影响;
例:
对如下平衡
A(气)+B(气)⇌2C(气)+D(固)
对于反应aA(g)+bB(g)⇌cC(g)
速率——时间图:
练习1.下列反应达到化学平衡时,增大压强,平衡是否移动?
向哪个方向移动?
2NO(g)+O2(g)⇌2NO2(g)
H2O(g)+CO(g)⇌CO2(g)+H2(g)
H2O(g)+C(s)⇌CO(g)+H2(g)
CaCO3(s)⇌CaO(s)+CO2(g)
H2S(g)⇌H2(g)+S(s)
思考:
对于反应②和⑤,增大压强时,平衡没有移动,但正逆反应速率有无变化?
如何变化?
练习2.一定量的混合气体在密闭容器中发生反应:
mA(g)+nB(g)⇌pC(g)
达到平衡后,温度不变,将气体体积缩小到原来的1/2但达到平衡时,C的浓度为原来的1.8倍,则下列说法正确的是()
A、m+n>pB、A的转化率降低
C、平衡向正反应方向移动D、C的体积分数增加
温度对化学平衡的影响
2NO2(气)⇌N2O4(气)△H=-56.9kJ/mol
(红棕色)(无色)
[讨论]A:
混和气体受热颜色变深,说明①NO2浓度增大;②平衡向逆反应方向移动。
B:
混和气体遇冷颜色变浅,说明①NO2浓度减小;②平衡向正反应方向移动。
[分析]A:
混和物受时,速率均增大,但Ѵ(吸)>Ѵ(放),故平衡向吸热反应方向移动;
B:
混和物遇冷,速率均减少,但Ѵ(吸)<Ѵ(放),故平衡向放热反应方向移动;
速率——时间关系图
[结论]在其它条件不变的情况下:
A:
温度升高,会使化学平衡向着吸热反应的方向移动;
B:
温度降低,会使化学平衡向着放热反应的方向移动。
升温对吸热反应有利、降温对放热反应有利
[讨论]对于反应2NO2(气)⇌N2O4(气)△H=-56.9kJ/mol
试比较以下三种状态下的温度关系:
改变温度前混和气体温度T1;改变温度后瞬时气体温度T2;改变温度达新平衡后混和气体温度T3;升温:
;降温:
。
练习1.
在高温下,反应2HBr(g)⇌H2(g)+Br2(g)(正反应为吸热反应)要使混合气体颜色加深,可采取的方法是()
A、减小压强B、缩小体积C、升高温度D、增大H2浓度
4、催化剂对化学平衡的影响
催化剂同等程度改变化学反应速率,V’正=V’逆,只改变反应到达平衡所需要的时间,而不影响化学平衡的移动。
例:
对如下平衡
A(气)+B(气)⇌2C(气)+D(固)
练习:
对任何一个平衡体系,采取下列措施一定引起平衡移动的是()
A、加入一种反应物B、增加体系的压力C、升高温度D、使用催化剂
【小结】
可见,要引起化学平衡的移动,必须是由于外界条件的改变而引起V正≠V逆。
平衡移动的本质:
化学平衡为动态平衡,条件改变造成V正≠V逆。
勒夏特列原理(平衡移动原理):
如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。
1、适用范围
适用于任何动态平衡体系(如:
溶解平衡、电离平衡等),未平衡状态不能用此来分析。
2、适用条件
一个能影响化学平衡的外界条件的变化
3、平衡移动的结果是“减弱”外界条件的影响,而不能消除外界条件的影响。
【综合练习】
1、某一温度下,在一带有活塞的体积可变的密闭容器中,可逆反应:
N2+3H2⇌2NH3达到平衡,若向活塞施加一定的压力,使容器体积减小,则下列叙述正确的是();若保持该容器的体积不变,向该平衡体系中充入氩气,则下列叙述正确的是()
A.υ正增大、υ逆减少B.υ正、υ逆均不变C.平衡不发生移动
D.平衡向右移动E.υ正、υ逆均增大
2、对某一可逆反应来说,使用催化剂的作用是()
A. 提高反应物的平衡转化率
B. 以同样程度改变正逆反应的速率
C. 增大正反应速率,降低逆反应速率
D. 改变平衡混合物的组成
三、化学平衡常数(符号为K)
1.定义:
在一定温度下,当一个可逆反应达到平衡状态时,生成物平衡浓度的幂之积与反应物平衡浓度的幂之积的比值是一个常数,这个常数称是该反应的化学平衡常数(简称平衡常数),用符号K表示。
由于该常数是以浓度幂之积的比值表示,故又称浓度平衡常数,用KC表示。
2.数学表达式:
对于反应:
mA(g)+nB(g)⇌pC(g)+qD(g)
平衡常数的数学表达式K=
3.平衡常数的单位
∵浓度的单位为mol·L-1∴K的单位为(mol·L-1)∆n;
4.书写平衡常数关系式的规则
1)如果反应中有固体和纯液体参加,它们的浓度不应写在平衡关系式中,因为它们的浓度是固定不变的,化学平衡关系式中只包括气态物质和溶液中各溶质的浓度。
如:
CaCO3(s)⇌CaO(s)+CO2(g)K=c(CO2)
CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(l)K=c(CO)/[c(CO2)·c(H2)]
再如:
稀溶液中进行的反应,如有水参加,水的浓度也不必写在平衡关系式中,如:
Cr2O72-+H2O⇌2CrO42-+2H+K=c(CrO42-)2c(H+)2/c(Cr2O72-)
又如:
非水溶液中的反应,如有水生成或有水参加反应,此时水的浓度不可视为常数,必须表示在平衡关系式中。
如酒精和醋酸的液相反应C2H5OH+CH3COOH⇌CH3COOC2H5+H2O
K=c(CH3COOC2H5)c(H2O)/(c[C2H5OH]c[CH3COOH])
5.引入平衡常数KC的意义
(1)平衡常数K与温度有关,与浓度无关,由K随温度的变化可推断正反应是吸热反应还是放热。
若正反应是吸热反应,升高温度,K增大;若正反应是放热反应,升高温度,K减少;
例如:
不同温度时,反应:
H2(g)+I2(g)⇌2HI(g),的浓度平衡常数与温度的关系如下:
温度
623K
698K
763K
浓度平衡常数
66.9
54.4
45.9
通过改变温度,平衡常数大小的变化趋势可以判断上可逆反应的正方向是放热反应.
(2)平衡常数K值的大小,可推断反应进行的程度。
K值越大,表示反应进行的程度越大,反应物的转化率越大;K值越小,表示反应进行的程度越小,反应物的转化率越小。
(3)反应的平衡常数与反应可能进行的程度。
一般来说,反应的平衡常数K≥105,认为正反应进行得基本完全;K≤10-5则认为这个反应的正反应很难进行(逆反应较完全)。
(4)在某温度下,某时刻反应是否达平衡,可用该时刻产物的浓度幂的之积与反应物浓度幂之积的比即浓度商Q与K比较大小来判断。
对于可逆反应:
mA(g)+nB(g)⇌pC(g)+qD(g)
QC>k,V正>V逆,未达平衡,逆向进行。
QC=k,V正=V逆,达平衡,平衡不移动。
QC 6、有关化学平衡常数的计算 对于反应: aA+bB⇌cC+dD 达到平衡后各物的浓度变化关系,在计算中注意: (1)反应物: 平衡浓度=初始浓度-转化浓度;反应物A: c平(A)=c0(A)-△c(A) (2)生成物: 平衡浓度=初始浓度+转化浓度生成物D: c平(D)=c0(D)+△c(D) (3)各物质的转化浓度之比等于它们在化学方程式中相应的化学计量数之比。 △c(A): △c(D)=a: d 平衡转化率 用平衡常数来表示反应的限度有时不够直观,常用平衡转化率α来表示反应限度。 对于可逆反应: mA(g)+nB(g)⇌pC(g)+qD(g) 反应物A的平衡转化率(该条件最大转化率)可表示: (1)已知初始浓度和平衡浓度求平衡常数和平衡转化率 例题1: 在某温度下,将H2(g)和I2(g)各0.10mol混合物充入10L的密闭容器中,充分反应达到平衡时,测得c(H2)=0.0080mol/L,求: (1)反应的平衡常数 (2)其它条件不变,充入的H2(g)和I2(g)各0.20mol,求达平衡时各物质的平衡浓度。 注: 温度一定时,对于一个化学反应,平衡常数虽然一定,但不同的反应物的平衡转化率可能不同。 不能脱离具体的反应物谈平衡转化率。 (2)知平衡常数和初始浓度求平衡浓度及转化率。 例题3: 在2L的容器中充入1molCO和1molH2O(g),发生反应: CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)800℃时反应达平衡,若k=1.求: (1)CO的平衡浓度和转化率。 (2)若温度不变,上容器中充入的是1molCO和2molH2O(g),CO和H2O(g),的平衡浓度和转化率是多少。 (3)若温度不变,上容器中充入的是2molCO和4molH2O(g),CO和H2O(g),的平衡浓度和转化率是多少。 (4)若温度不变,要使CO的转化率达到90%,在题干的条件下还要充入H2O(g)物质的量为多少。 (3)已知平衡转化率和初始浓度求平衡常数 例4: 反应SO2(g)+NO2(g)⇌SO3(g)+NO(g),若在一定温度下,将物质的量浓度均为2mol/L的SO2(g)和NO2(g)注入一密闭容器中,当达到平衡状态时,测得容器中SO2(g)的转化率为60%,试求: 在该温度下。
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