揭示化學反應速率和平衡之謎

1、第六章第六章 揭示化學反應速揭示化學反應速率和平衡之謎率和平衡之謎 我們目前所接觸的反應大多為不可逆反應，但實際是任何一個任何一個反應都有一定程度的可逆性反應都有一定程度的可逆性 ，因而對化學反應不但要研究速度快慢的問題，還要研究反應進行的程度問題,也就是說反應物是否能全部轉(zhuǎn)變成生成物的問題?首先復習可逆反應的慨念？1 1、可逆反應、可逆反應一、可逆反應中的化學平衡一、可逆反應中的化學平衡 可逆反應進行到一定程度有哪些特點呢? 我們先從熟悉的溶解平衡說起u什么是飽和溶液？什么是飽和溶液？沒有！以蔗糖溶解于水為例，蔗糖分沒有！以蔗糖溶解于水為例，蔗糖分子離開蔗糖表面擴散到水中的速率與溶解子離開蔗

2、糖表面擴散到水中的速率與溶解在水中的蔗糖分子在蔗糖表面聚集成為晶在水中的蔗糖分子在蔗糖表面聚集成為晶體的速率相等。體的速率相等。平衡的特征：實驗一實驗一：探索溶解平衡飽和食鹽水飽和食鹽水有缺口的大有缺口的大NaCl晶體晶體思考：思考：大大NaCl晶體會溶解嗎？晶體會溶解嗎？大大NaCl晶體的質(zhì)量有晶體的質(zhì)量有何變何變 化？化？大大NaCl晶體的形狀呢？晶體的形狀呢？會溶解會溶解質(zhì)量不變質(zhì)量不變形狀會改變形狀會改變是動態(tài)平衡（動）是動態(tài)平衡（動）V溶解溶解=V結晶結晶，即，即V正正=V逆逆（等）（等）各組分的含量保持不變（定）各組分的含量保持不變（定）發(fā)生在一定條件（溫度一定）發(fā)生在一定條件（溫

3、度一定）下的可逆反應里，隨溫度的改下的可逆反應里，隨溫度的改變而發(fā)生變化（變）變而發(fā)生變化（變）中學階段平衡的分類：溶解平衡溶解平衡化學平衡化學平衡電離平衡電離平衡水解平衡水解平衡那么，化學平衡的情況又怎樣呢？那么，化學平衡的情況又怎樣呢？ V=1L的密閉容器，的密閉容器，800，101.3kPa CO + H2O CO2 + H2 始始 0. 1 0. 1 0 0 (mol/L) 0.5min 0.08 0.08 0.02 0.02 1min 0.06 0.06 0.04 0.04 2min 0.05 0.05 0.05 0.05 4min 0.05 0.05 0.05 0.05催化劑催化劑

4、高溫高溫隨著反應的進行，隨著反應的進行， c(CO) 、c(H2O)逐漸減小逐漸減小c(CO2) 、c(H2)逐漸增大逐漸增大所以，正反應速率逐漸減小，逆反應速所以，正反應速率逐漸減小，逆反應速率逐漸增大，進行到一定程度，總有那率逐漸增大，進行到一定程度，總有那么一刻，么一刻，正反應速率正反應速率=逆反應速率，逆反應速率，且正且正反應速率和逆反應速率的大小不再變化反應速率和逆反應速率的大小不再變化 。正反應速率正反應速率=逆反應速率逆反應速率正反應正反應速率速率逆反應逆反應速率速率相等相等時間時間速速率率反應仍在進行，但是四種物質(zhì)的濃度均保反應仍在進行，但是四種物質(zhì)的濃度均保持不變，達到動態(tài)平

5、衡，這就是我們要重點掌握持不變，達到動態(tài)平衡，這就是我們要重點掌握的重要概念的重要概念化學平衡狀態(tài)?；瘜W平衡狀態(tài)。2：強強調(diào)調(diào)三三點點前提條件：前提條件：實質(zhì)：實質(zhì)：標志：標志：有關化學平衡的歷史 翻開翻開20世紀的史書，你會發(fā)現(xiàn)一個世紀的史書，你會發(fā)現(xiàn)一個響亮的名字響亮的名字-弗里茨弗里茨哈伯，德國天才哈伯，德國天才化學家，因?qū)瘜W家，因?qū)瘜W平衡的突出貢獻獲得化學平衡的突出貢獻獲得1918年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎哈伯在哈伯在1906年年使用鋨作催化劑在使用鋨作催化劑在200.3個大氣壓，個大氣壓，600的高溫下，使的高溫下，使N2和和H2反應獲得了反應獲得了8%的的NH3，震動了整個歐

6、洲化學界，震動了整個歐洲化學界；和世界上幾乎所有的新發(fā)明一樣，最先和世界上幾乎所有的新發(fā)明一樣，最先應用的是軍事、是戰(zhàn)爭應用的是軍事、是戰(zhàn)爭，1914年年1918年的第一次世界大戰(zhàn)年的第一次世界大戰(zhàn)。正如戰(zhàn)后。正如戰(zhàn)后有些著名的軍事家指出那樣，如果德國有些著名的軍事家指出那樣，如果德國沒有哈伯、沒有哈伯、沒有發(fā)現(xiàn)化學平衡沒有發(fā)現(xiàn)化學平衡，戰(zhàn)爭恐，戰(zhàn)爭恐怕早就結束了怕早就結束了-因為哈伯一方面給德因為哈伯一方面給德國提供了糧食（合成氨發(fā)明以前，農(nóng)作國提供了糧食（合成氨發(fā)明以前，農(nóng)作物所需的氨肥主要來自糞便、花生餅、物所需的氨肥主要來自糞便、花生餅、豆餅等），另一方面給德國提供了軍火豆餅等），另一

7、方面給德國提供了軍火(生產(chǎn)硝銨和黃色炸藥生產(chǎn)硝銨和黃色炸藥) 化學反應進行的程度問題化學反應進行的程度問題（即化學平衡）（即化學平衡）化學平衡的研究對象工程師的設想 19世紀后期，人們發(fā)現(xiàn)高世紀后期，人們發(fā)現(xiàn)高爐煉鐵所排出的高爐氣中含有爐煉鐵所排出的高爐氣中含有相當量的相當量的CO，作為工業(yè)革命，作為工業(yè)革命發(fā)源地的英國有些工程師認為發(fā)源地的英國有些工程師認為-這是由于這是由于CO和鐵礦石的和鐵礦石的接觸時間不長所造成的，于是接觸時間不長所造成的，于是在英國耗費了大量資金建造了在英國耗費了大量資金建造了一個高大的煉鐵高爐（如圖），一個高大的煉鐵高爐（如圖），以增加以增加CO和鐵礦石的接觸時和鐵

8、礦石的接觸時間?？墒呛髞戆l(fā)現(xiàn)用這個高爐間?？墒呛髞戆l(fā)現(xiàn)用這個高爐煉鐵，所排出的高爐氣中煉鐵，所排出的高爐氣中CO的含量并沒有減少，你知道為的含量并沒有減少，你知道為什么嗎什么嗎？可逆反應可逆反應3：化學平衡狀態(tài)的特征：化學平衡狀態(tài)的特征: 逆、動、等、定、變、同(1)動動：(2)等等：(3)定定：(4)變：變：（5）同：平衡的建立與途徑無關。條件一同：平衡的建立與途徑無關。條件一定，無論從何方向進行，只要起始物質(zhì)加定，無論從何方向進行，只要起始物質(zhì)加入的量相當，就能達到相同的平衡狀態(tài)入的量相當，就能達到相同的平衡狀態(tài)4. 判斷“平衡”到達的標志：(a) V正正=V逆逆0判斷關鍵: 必須分別指正

9、反應和逆反應的速率, 且速率之比符合系數(shù)之比.(b) 各各組分的量保持不變組分的量保持不變一、化學平衡 達到化學平衡狀態(tài)時的標志是( ) A SO2的消耗速率等于的消耗速率等于SO3的生成速率的生成速率; B SO2的生成速率等于的生成速率等于SO3的生成速率的生成速率;C SO2的消耗速率等于的消耗速率等于O2消耗速率的消耗速率的2倍倍;D SO3的生成速率等于的生成速率等于O2生成速率的生成速率的 2倍倍;E 每消耗每消耗0.2molSO2, 同時生成同時生成0.1molO2;F 每生成每生成0.2molSO2, 同時生成同時生成0.1molO2。lx1:BDE 2SO2 + O2 2SO

10、3催化劑催化劑化學平衡狀態(tài)的理解：用用Ct圖象描述化學平衡：圖象描述化學平衡：C-tC-t圖象：圖象：如圖：求該反應的如圖：求該反應的化學方程式是：化學方程式是：C(mol/L)t(s)0.50.40.30.20.10t1XYZt1時刻達到時刻達到平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)V-t圖象：圖象：如圖已知如圖已知X和和Y反應生成反應生成Z，反應式如下：反應式如下： 用用Y物質(zhì)的物質(zhì)的V正正、V逆逆和時和時間間t 畫出反應開始至平衡的畫出反應開始至平衡的大致圖象？大致圖象？化學平衡狀態(tài)的理解：用用 v vt t 圖象描述化學平衡：圖象描述化學平衡：VY mol/(L.S)t(s)0V正V逆V正=V逆達平衡狀態(tài)達

11、平衡狀態(tài)e.g2: 在一定溫度下,可逆反應A(氣)+3B(氣) 2C(氣) 達到平衡的標志是( )A. C的生成速率與的生成速率與C分解的速率相等分解的速率相等B. A、B不再化合不再化合C. A、B、C的濃度不再變化的濃度不再變化 D. A、B、C的分子數(shù)比為的分子數(shù)比為1:3:2E. A、B、C的濃度相等的濃度相等F. A、B、C的濃度之比為的濃度之比為1:3:2 AC容器內(nèi)容器內(nèi)N2、H2、NH3三者共存三者共存 容器內(nèi)容器內(nèi)N2、H2、NH3三者濃度相等三者濃度相等容器內(nèi)容器內(nèi)N2、H2、NH3的濃度比恰為的濃度比恰為1:3:2t min內(nèi)生成內(nèi)生成1molNH3同時消耗同時消耗0.5

12、molN2t min內(nèi)，生成內(nèi)，生成1molN2同時消耗同時消耗3molH2判斷可逆反應是否達到平衡狀態(tài)？判斷可逆反應是否達到平衡狀態(tài)？ 某時內(nèi)斷裂某時內(nèi)斷裂3molHH鍵的同時，斷裂鍵的同時，斷裂6molNH鍵鍵2. 平衡狀態(tài)是該可逆反應在一定外界條件下 進行的最大程度；綜述、化學平衡注意：3. 當外界條件改變，原平衡可能會被破壞。原條件下：舊動態(tài)平衡V(正)=V(逆)條件改變！V(正) V(逆)新條件下： 新動態(tài)平衡V (正)=V(逆)1. 任何一個反應都有一定程度的可逆性；1、定義:由于外界條件的改變，使可逆反應的原平衡狀態(tài)破壞，并過渡到新的平衡狀態(tài)的過程稱為化學平衡的移動。二、化學平衡

13、移動反應速率反應速率 平衡移動方向平衡移動方向向正反應方向向逆反應方向不移動V正 V逆V正 T1)，壓強不變的條，壓強不變的條件下件下SO2的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率-時間時間曲線。曲線。達到平衡狀態(tài)達到平衡狀態(tài)2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) + QSO2轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率tSO2轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率tT1T22SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) + Q反應放熱反應放熱T2T1平衡時平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率低的轉(zhuǎn)化率低溫度高，反應速率快溫度高，反應速率快先達到平衡狀態(tài)先達到平衡狀態(tài)例3:一定溫度下，壓強分別為P1和P2時，反應體系X(s)+2Y(g) nZ(g)中反應物Y的轉(zhuǎn)化率與時間的關系如圖

14、所示，由此可知 ( )。A、P1P2，n2 B、P1P2，n2C、P1P2，n2 D、P13 P1曲線先達平衡增大壓強使平衡逆移，增大壓強使平衡逆移，n2（壓強大，反應速率大）（壓強大，反應速率大）壓強越大，Y的轉(zhuǎn)化率越低Y的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率tp2p1A二二:多因素圖像多因素圖像1:時間反應混合物某個量(如轉(zhuǎn)化率、 體積分數(shù))-壓強的曲線2、壓強(或溫度)-溫度(壓強)-物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率或體積分數(shù)曲線 T2 T1SO2 的體積分數(shù)的體積分數(shù)pT2T12SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) + Q 例例4:可逆反應aA(g)+ bB(g) dD(g)+eE(g)+Q在一定條件下達平衡狀態(tài)時，A

15、的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關系如下圖所示。則在下列空格處填寫“大于”、“小于”或“等于”。 (1)a+b_d +e ； (2)Q_0。垂直于橫坐標畫一直線：垂直于橫坐標畫一直線：溫度相同時，壓強越大，溫度相同時，壓強越大，A A的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化率越小。這說明增大壓強使化率越小。這說明增大壓強使平衡逆移，平衡逆移， (a+b)(e+d) 看任一根曲線：看任一根曲線：溫度升高，溫度升高，A A的轉(zhuǎn)化率變大，說的轉(zhuǎn)化率變大，說明升溫使平衡正移，故正反應明升溫使平衡正移，故正反應為吸熱反應。為吸熱反應。Q P 1T2 p0 P4 , Y軸表示軸表示 A 的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率B. P3 P4 , Y軸表示軸表示 B的

16、的百分含量百分含量C. P3 P4 , Y軸表示軸表示 混合氣體密度混合氣體密度D. P3 P4 , Y軸表示軸表示 混合氣體平均分子量混合氣體平均分子量C%t0T2 P2T1 P2T1 P1C%T0A D 合成氨條件的選擇合成氨條件的選擇一、合成氨的適宜條件的選擇一、合成氨的適宜條件的選擇 選擇適宜條件的依據(jù)、思路和方法：選擇適宜條件的依據(jù)、思路和方法： 合成氨的反應原理合成氨的反應原理( (方程式）方程式）： N2+3H2 2NH3(放熱反應放熱反應) 這是一個氣體總體積縮小的、放熱這是一個氣體總體積縮小的、放熱的可逆反應。的可逆反應。請思考這個反應的特點？請思考這個反應的特點？工業(yè)上合成

17、氨，主要要考慮哪些因素？工業(yè)上合成氨，主要要考慮哪些因素？ 根據(jù)化學反應速率的有關知識，思考：根據(jù)化學反應速率的有關知識，思考：，都可以使合成氨的化學反應速率增大。都可以使合成氨的化學反應速率增大。 增大壓強增大壓強 升高溫度升高溫度 使用催化劑使用催化劑經(jīng)濟效益和社會效益：經(jīng)濟效益和社會效益：速度要快，原料的利速度要快，原料的利用率要高，單位時間的產(chǎn)量要高。另外還要用率要高，單位時間的產(chǎn)量要高。另外還要考慮生產(chǎn)中的消耗能源，原料，設備條件等考慮生產(chǎn)中的消耗能源，原料，設備條件等因素。因素。 根據(jù)化學平衡的知識請思考：要增大平根據(jù)化學平衡的知識請思考：要增大平衡體系中氨的含量、增大原料的轉(zhuǎn)化率

18、可以衡體系中氨的含量、增大原料的轉(zhuǎn)化率可以采用哪些方法？采用哪些方法？ 增大壓強，降低溫度，減小生成物的濃度增大壓強，降低溫度，減小生成物的濃度都可以提高原料的轉(zhuǎn)化率。都可以提高原料的轉(zhuǎn)化率。 下面請綜合以上兩方面的因素，并結下面請綜合以上兩方面的因素，并結合實際情況討論實際生產(chǎn)中對合實際情況討論實際生產(chǎn)中對壓強、溫度、壓強、溫度、濃度濃度等條件的選擇。等條件的選擇。 N2+3H2 2NH31、壓強怎么選？、壓強怎么選？分析：分析：合成氨反應是體積縮小的氣體反應，合成氨反應是體積縮小的氣體反應，增大壓強既可以增大反應速率，又能提高平衡增大壓強既可以增大反應速率，又能提高平衡混合物中氨的含量，所

19、以理論上壓強越大越好?；旌衔镏邪钡暮浚岳碚撋蠅簭娫酱笤胶?。 但是壓強越大，對設備的要求高、但是壓強越大，對設備的要求高、壓縮壓縮H2和和N2所需要的動力大，因此壓強也不所需要的動力大，因此壓強也不宜過高。宜過高。 綜合以上兩點，實際生產(chǎn)中壓強一般選擇綜合以上兩點，實際生產(chǎn)中壓強一般選擇在在20MPa-50MPa之間。之間。 2、溫度怎么選擇？、溫度怎么選擇？ 因為正反應方向是放熱的反因為正反應方向是放熱的反應，所以降低溫度有利于提高平衡應，所以降低溫度有利于提高平衡混合物中氨的含量?；旌衔镏邪钡暮?。 可是溫度越低，反應速率越可是溫度越低，反應速率越小，達到平衡所需要的時間越長，小，達到

20、平衡所需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。因此溫度也不宜太低。 N2+3H2 2NH3(放熱反應放熱反應)3、用不用催化劑？、用不用催化劑？使用催化劑能否提高合成氨的轉(zhuǎn)化率？使用催化劑能否提高合成氨的轉(zhuǎn)化率？使用催化劑對反應速率有何影響？使用催化劑對反應速率有何影響？ 實際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成實際生產(chǎn)中選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒），它在分催化劑（鐵觸媒），它在500500時活時活性較高。性較高。 催化劑要在一定溫度下效果最好。催化劑要在一定溫度下效果最好。4、濃度怎么定？、濃度怎么定？ H2和和N2的比例怎么定？的比例怎么定？ 增大反應物的濃度可以增大反應速率，增大反應物的濃度可以增大反應速率，減小生成物的濃度可以使平衡正向移動。因減小生成物的濃度可以使平衡正向移動。因此可以用保持一定的氮、氫濃度，減少氨氣此可以用保持一定的氮、