高中化學(xué)競賽輔導(dǎo)班全部輔導(dǎo)講義[全套]：化學(xué)平衡

1、化 學(xué) 平 衡(Chemical Equilibrium)化學(xué)平衡與平衡常數(shù)化學(xué)平衡的移動3. 有關(guān)平衡常數(shù)的計算1. 化學(xué)平衡與平衡常數(shù)1.1 可逆反響與化學(xué)平衡N2O4 (g) 2NO2 (g)N2O4 (g) T:373 K:t = 0 0.1 mol/L 0t = te 0.04 mol/L 0.12 mol/L(t )t/s060C/(mol/L)0.00.1N2O4 (g) NO2 (g)r + = r -r +r -0 60r/(濃度)1-n/時間t/s：在同一條件下，既能向正反響方向又能向 可逆反響說明： 絕大多數(shù)的化學(xué)反響都有一定的可逆性，但有的逆反響 傾向比較弱，從整體上看

2、幾乎是朝著一個方向進行的。 例如： AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3 2KClO3 2KCl + 3O2(g)化學(xué)反響中逆反響比較顯著時，整個反響不能正向進行到底，如N2O4的分解不能進行到底，而是經(jīng)過一定的時間，正逆反響的速度相等，N2O4和NO2的濃度都不再變化，也即到達了化學(xué)平衡。MnO2逆反響方向進行的反響。化學(xué)平衡：正逆反響速度相等時，體系所處的狀態(tài)稱為化學(xué)平衡建立平衡的前提：封閉體系、恒溫、可逆反響；2. 建立平衡的條件：正逆反響速度相等動態(tài)平衡，體系并非處于靜止?fàn)顟B(tài) ；3. 建立平衡的標(biāo)志：各物質(zhì)濃度不再隨時間改變。平衡狀態(tài) 是封閉體系中可逆反響進行的最大限度；

3、化學(xué)平衡是有條件的平衡。外界因素： 溫度、壓力、濃度、 添加劑等。重要特點：1.2 化學(xué)平衡常數(shù)N2O4 (g) 2NO2 (g)373 K:初始濃度平衡濃度NO2/co2/N2O4 /comol/Lmol/L實驗1NO20.0000.120 (0.120/1)2/(0.040/1) = 0.36N2O40.1000.040實驗2NO20.1000.072(0.072/1)2/(0.014/1) = 0.37N2O40.0000.014實驗3NO20.1000.160(0.160/1)2/(0.070/1) = 0.36N2O40.1000.070t = 00.1 mol/L 0t = te

4、0.04 mol/L 0.12 mol/L以 代表平衡濃度, co = 1mol/L1.2.1 化學(xué)平衡定律 盡管N2O4和NO2的平衡濃度并無規(guī)律性，但對 分析上表可知：NO2/co2 N2O4/co= KCo熱力學(xué)平衡常數(shù)對一切可逆反響：aA + bB dD +eED/codE/coeA/coaB/cob= KCo熱力學(xué)平衡常數(shù)化學(xué)平衡定律標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)( Co = 1 mol/L )每組實驗， NO2/co2/N2O4/co的比值是相等的，大約為 0.36。標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)與物質(zhì)的初始濃度無關(guān)，也與起始的反響方向無關(guān)，但受溫度的影響較大。例如：注意： T/K273323373KCo

5、0.00050.0220.36例1合成氨的反響N2 + 3H2 2NH3 在某溫度下達平衡時，各物質(zhì)的濃度是：N2=3 mol/L, H2=9mol/L, NH3 = 4 mol/L。求該溫度時的平衡常數(shù)和N2、H2的初始濃度。解化學(xué)平衡這類題的關(guān)鍵：首先列出化學(xué)反響方程式；理清不同時刻初始、平衡反響物消耗量和產(chǎn)物生成量 以及初始濃度與平衡濃度之間的關(guān)系?；瘜W(xué)方程式的意義1.2.2 書寫化學(xué)平衡常數(shù)關(guān)系式的規(guī)那么氣體反 應(yīng)，純固體、液體參加的反響；純液體反響1如果反響中有固體和純液體參加，它們的濃度不應(yīng)寫在平衡 關(guān)系式中，因為它們的濃度是固定不變的，化學(xué)平衡關(guān)系式 中只包括氣態(tài)物質(zhì)和溶液中各溶

6、質(zhì)的濃度。 例如： CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) KCo = CO2/co CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(l) KC o= CO/coCO2/coH2/co2稀溶液中進行的反響，如有水參加，水的濃度也不必寫在平衡關(guān)系式中。例如：Cr2O72- + H2O 2CrO4 2-+ 2H+KCo = CrO42-/co2H+/co2Cr2O72-/co 注意：非水溶液中的反響，如有水參加反響，此時水的濃度不可視為常數(shù)，必須表示在平衡關(guān)系式中。 例如：C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2OKC = CH3COOC2H5/coH2O/coC2H5

7、OH/coCH3COOH/co(3) 同一化學(xué)反響，可以用不同的化學(xué)反響方程式來表示，每個 化學(xué)方程式都有自己的平衡常數(shù)關(guān)系式及相應(yīng)的平衡常數(shù)。例如：N2O4 (g) 2NO2 (g)N2O4 (g) NO2 (g)2NO2 (g) N2O4 (g)12K1o = NO2/co2N2O4 /co= 0.36K2 o= NO2 /coN2O4 /co1 / 2= 0. 60K1o = NO2 /co2= 2.78N2O4 /co顯然，K1o=K2o 2 = K31o進行化學(xué)平衡的計算時必須寫出反響方程式和相應(yīng)的平衡常數(shù)。4對于氣體反響，寫平衡常數(shù)關(guān)系式時，除可以用平衡時的 物質(zhì)的量濃度表示外，也

8、可以用平衡時氣體的分壓來表示。例如： N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) KC o = NH3/co2N2/coH2/co3Kp o = (pNH3 / po)2(pN2/po)(pH2/po)3aA(g) + bB(g) dD(g) +eE(g)Kpo = (pD/po)d (pE/po)e(pA/po)a (pB/po)b= KCo(RT/po)npD, pE, pA, pB指平衡分壓 n = (d+e) - (a+b)平衡常數(shù)單位：KCo ， Kp o 無量綱 ()平衡()平衡例如： CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) Kpo = p CO2 離解壓力 pCO2

9、/PoR 指氣體常數(shù)(8.314 Jmol -1K-1)(SI制)說明：1. 對一切可逆反響：aA + bB dD +eEDdEeAaBb= KC經(jīng)驗平衡常數(shù)KCo = KC(Co)-nn = (d+e) - (a+b)= Kp (pNH3 )2(pN2)(pH2)3()平衡平衡()經(jīng)驗平衡常數(shù)Kpo = Kp(po)-nn = (d+e) - (a+b)2. 對含氣體反響： Kp = KC (RT)n經(jīng)驗平衡常數(shù)均有單位：mol/LKC : (mol/L) n ; Pa , atm Kp : (Pa) n, (atm) n n = 0時， KC ， Kp 無量綱4. 平衡常數(shù)(Kco、Kpo

10、、Kc 、Kp) 僅與溫度有關(guān)在目前階段), 是化學(xué)平衡計算的依據(jù)且應(yīng)理解題目中平衡常數(shù)是指何種常數(shù)。 5. rGmo = -RTlnKporGm = -RTlnKpo + RTlnQP等溫等壓下化學(xué)反響自發(fā)進行方向的判據(jù)rGm 0 反響左向自發(fā)進行1.2.3 平衡常數(shù)的意義平衡常數(shù)的大小可以判斷反響進行的程度、估計反響的可逆性。 因為平衡狀態(tài)是反響進行的最大限度。 例如： N2(g)+O2(g)=2NO(g) KCo = 110-30 2Cl (g) =Cl2 KCo =11038通常認為是不可逆反響N2O4 (g) 2NO2 (g)KCo = 0.36 373 K 可逆反響注意：平衡常數(shù)的

11、大小并不能預(yù)示反響到達平衡所需要的時間。2. 平衡常數(shù)表達式說明在一定溫度下體系達成平衡的條件。aA + bB dD +eED/codE/coeA/coaB/cob= KCo時，體系才處于平衡狀態(tài)?？梢愿淖兏鳟?dāng)組分的濃度來改變平衡點平衡狀態(tài)，但在一定溫度下平衡常數(shù)不會改變。D/codE/coeA/coaB/cob KCo當(dāng)時，說明體系未到達平衡狀態(tài)，此時可能有兩種情況：濃度商QC KCo 逆向進行可逆反響進行的方向和判據(jù)。對氣相反響：D/codE/coeA/coaB/cob= Qc令說明： = Qp(pD/po)d (pE/po)e(pA/po)a (pB/po)b壓力商令那么比較Qp與Kpo

12、的大小以判斷反響進行的方向。1.3 平衡轉(zhuǎn)化率中學(xué)階段：有關(guān)化學(xué)方程式的計算，僅適用于幾乎進行完全的 反響不可逆反響。 平衡常數(shù)居中的可逆反響，由于反響物不能全部轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，只 能應(yīng)用平衡常數(shù)計算平衡體系中反響物和產(chǎn)物的濃度，了解某反 應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。平衡轉(zhuǎn)化率是指平衡時已轉(zhuǎn)化了的某反響物的量與轉(zhuǎn)化前該反響物的量之比。例2一氧化碳變換反響CO +H2O H2+CO2，在773K時，平衡常數(shù)KC = 9, 如反響開始時CO和H2O的濃度都是0.020 mol/L, 計算在該條件下，CO的轉(zhuǎn)化率最大是多少？解設(shè)平衡時有x mol/L CO2和H2生成CO +H2O H2+CO2初始濃度t0

13、 0.020 0.020 0 0平衡濃度t = te 0.020-x 0.020-x x xKC = H2CO2COH2Ox = 0.015 mol/L轉(zhuǎn)化率 = 0.0150.020 100%= 75%分析：平衡轉(zhuǎn)化率是指定條件下的最大轉(zhuǎn)化率。在773K時，0.020mol/L的CO和等濃度的H2O反響，最多只有75%的CO轉(zhuǎn)化為CO2，如要盡量出除去CO，那么需通過改變條件而改變轉(zhuǎn)化率。1.4 多重平衡規(guī)那么H2(g) + 12O2(g)H2O (g)CO2 (g) CO(g) + 12O2(g)H2(g) + CO2(g) H2O(g)+CO(g)(1)(2)(3)反響3= 反響1+反響

14、2，那么K3 = K1K2 反響3= 反響1-反響2，那么K3 = K1/K2多重平衡規(guī)那么注意：對于多重平衡如有機反響中的主、副反響，計算轉(zhuǎn)化。率時要分清各物質(zhì)的量之間的關(guān)系。例3600K時，由CH3Cl和H2O作用生成CH3OH時，CH3OH可繼續(xù)分解為(CH3)2O，即以下平衡同時存在。CH3Cl(g)+H2O CH3OH(g)+HCl(g) (1)2CH3OH(g) (CH3)2O(g)+H2O(g) (2)在該溫度下Kp1=0.00154, Kp2 = 10.6。今以CH3Cl和H2O等量開始反響，求CH3Cl的轉(zhuǎn)化率？解CH3Cl(g)+H2O CH3OH(g)+HCl(g) (1

15、) 1-x 1-x+y x-2y x2CH3OH(g) (CH3)2O(g)+H2O(g) (2) 平衡時 平衡時 x-2y y 1-x+yx = 0.048 y = 0.009 2. 化學(xué)平衡的移動舊平衡狀態(tài) 新平衡狀態(tài)改變條件T, P, C化學(xué)平衡移動注意：化學(xué)平衡移動的特征是反響體系中各物質(zhì)的含量發(fā)生改變即平衡狀態(tài)改變，但平衡常數(shù)未必變化?；瘜W(xué)平衡移動的依據(jù)： QC KCo; Qp KPo化學(xué)平衡移動的途徑：等溫下，改變反響物或產(chǎn)物的濃度 QC 或 QP，但KCo 或KP o不變改變溫度KCo 或KP o2.1 濃度對化學(xué)平衡的影響例如： N2 (g)+ 3H2(g) 2NH3 (g)

16、QC = NH3/co2N2 /coH2 /co3T, 平衡：= KCoQC KCo (定溫下不變)規(guī)律：在其它條件不變的情況下，增加反響物濃度或減少生成物濃度，反響平衡向正方向移動；增加生成物濃度或減少反響物的濃度，化學(xué)平衡向著逆反響的方向移動。例如：CO +H2O H2+CO2初始濃度t0 0.020 0.020 0 0平衡濃度t = te 0.020-x 0.020-x x x初始濃度t0 0.020 0.080 0 0改變CO的轉(zhuǎn)化率75 % 97 %結(jié)論在可逆反響中，為了盡可能利用某一反響物，經(jīng)常用過量的另 一物質(zhì)和它作用。例如： 2SO2 + O2 2SO3 SO2:O2 = 1:

17、1.6CO +H2O H2+CO2提高CO的轉(zhuǎn)化率， 參加過量H2O2. 不斷將生成物從反響體系中別離出來，那么平衡將不斷地向生成 產(chǎn)物的方向移動。例如： Fe3O4 + 4H2 (g) 3Fe +4H2O(g) 移去2.2 壓力對化學(xué)平衡的影響 有氣體參加，但反響前后氣體分子數(shù)不等的反響例如：N2 (g)+ 3H2(g) 2NH3 (g) QP = 平衡條件：= KPo(pNH3/po)2(pN2/po)(pH2/po)3T:1.假設(shè)平衡體系的總壓力增加到原來的兩倍，那么各組分的分壓也 增加兩倍，分別為2pH2, 2pN2, 2pNH3。那么 QP = 14KPo KPo反響左移，直到QP

18、= KP o2.2.2 有氣體參加，但反響前后氣體分子數(shù)相等的反響在等溫下，增加總壓力，平衡向氣體分子數(shù)減少的方向移動；減壓，那么平衡向氣體分子數(shù)增多的方向移動。規(guī)律例如：CO (g)+H2O(g) H2 (g)+CO2 (g)QP = 平衡條件：= KPo(pCO2/po)(pH2/po)(pCO/po)(pH2O/po)增加或降低壓力，QP = Kpo 規(guī)律在有氣體參加的可逆反響中，如果氣態(tài)反響物的總分子數(shù)和氣態(tài)生成物總分子相等，在等溫下，增加或降低總壓力，對平衡沒有影響。2.2.3 對于溶液中進行的反響，改變總壓力對平衡幾乎沒什么影響2.3 溫度對化學(xué)平衡的影響溫度對化學(xué)平衡的影響與濃度

19、和壓力的影響有本質(zhì)的區(qū)別。 改變濃度或壓力只能使平衡點改變，而溫度的變化卻導(dǎo)致了平衡 常數(shù)的改變。T1 K1Co(K1Po)rHo 恒壓反響熱效應(yīng) (1) rHo 0, 反響吸熱， T, K 規(guī)律溫度對化學(xué)平衡的影響：升高溫度，使平衡向吸熱方向移動；降低溫度，使平衡向放熱的方向移動。T2 K2Co(K2Po)假設(shè)改變平衡系統(tǒng)的條件之一，如溫度、壓力或濃度，平衡就向減弱這個改變的方向移動。勒夏特里原理例41. 往一體積不變的密閉容器中充入H2和I2，發(fā)生反響H2(g)+I2(g) 2HI(g) ; H 0, 當(dāng)?shù)竭_平衡后，to時改變反響的某一條件混合氣體物質(zhì)的量不變，且造成容器內(nèi)壓強增大，以下說

20、法正確的選項是 A. 容器內(nèi)氣體顏色變深，平均分子量不變 B. 平衡不移動，混合氣體密度增大 C. H2轉(zhuǎn)化率增大，HI平衡濃度變小 D. 改變條件前后，速度圖象為右圖 0t0trr+= r-r+r-應(yīng)用勒夏特里原理答復(fù)以下問題：2. 某密閉容器中放入一定量的NO2, 發(fā)生反響 在到達平衡后，假設(shè)分別單獨改變以下條件，重 新到達平衡后，能使平衡混合氣體平均相對分子質(zhì)量減小的是 A. 通入N2 B. 通入NO2 C. 通入N2O4 D. 降低溫度 3. 在一定體積的密閉容器中，進行化學(xué)反：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ，其化學(xué)平衡常數(shù)K和溫度的關(guān)系如下表： 根據(jù)以上信息作出

21、的以下判斷中正確的選項是 A. 此反響為吸熱反響 B. 此反響只有到達平衡時，密閉容器中的壓強才不再變化 C. 此反響在1000oC到達平衡時，c(CO2)c(H2)/c(CO) c(H2O)約 為0.59 D. 1100 oC時，此反響K可能為0.92NO2 (g) N2O4 (g) + Q， t/oC70080083010001200 K0.60.91.01.72.6 4. 實驗證明：兩塊外表無氧化膜的光滑潔凈的金屬緊靠一起時會 自動粘合在一起，現(xiàn)有兩個外表鍍鉻的宇宙飛船由地面進入外 層空間對接時它們將 自動粘合在一起?？諝饨M成與地面 相同，不考慮溫度影響，rGmoCr2O3(s), 29

22、8.15 K=-1079 kJ/mol。 5. 人體中的血紅蛋白簡寫為Hb可以攜帶氧氣變?yōu)檠鹾涎t蛋白 簡寫為HbO2。其化學(xué)平衡方程式可寫為：Hb+O2 HbO2。在海拔比較高的地方，氧氣的分壓比較低，平衡將向左 移動，人體會感到比較累并易有眩暈感，嚴重時還會導(dǎo)致疾病。 CO可與HbO2反響生成HbCO，并且HbCO比HbO2要穩(wěn)定得多， 其化學(xué)平衡方程式可寫為： HbO2+CO HbCO+O2 KC = HbCO的形成使得血紅蛋白不再攜帶氧氣而造成人員中毒。一旦 HbCOO2HbO2CO=2.16 102 除了CO和O2，HbO2還可以吸附CO2和氫離子，且反響幾乎是完全的。方程式 如下：

23、 HbO2 + H+ + CO2 Hb(H+)CO2 + O2人體在肌肉劇烈運動時會產(chǎn)生乳酸(CH3CH(OH)COOH ) ，乳酸在血液中會和氧合血紅蛋白發(fā)生怎樣的反響？ 肌肉劇烈運動時放出大量的熱，氧合血紅蛋白會放出更多氧氣， 你認為乳酸和氧合血紅蛋白的反響是吸熱反響還是放熱反響？ 簡述理由。發(fā)生CO中毒，首先做的事是讓患者呼吸新鮮的空氣。試從化學(xué)平衡的角度分析這樣做的意義。 3. 有關(guān)化學(xué)平衡的計算例5化學(xué)反響2CuBr2(s) 2CuBr(s)+Br2(g)， 487K的平衡常數(shù) 應(yīng)表示為 ,但對有固體參加的反響， 固相物質(zhì)的分壓可作為常數(shù)1，因此，Kp可以大大簡化，例如上式 可表示為

24、Kp = pBr2(g) = 0.0460 atm?，F(xiàn)有容積為10.0 L的容器，其 中有過量的CuBr2(s)并參加0.100 mol I2 (g)，因發(fā)生反響B(tài)r2(g)+I2(g) 2BrI(g) 而使平衡時氣體總壓p = 0.746 atm。 求： 1第二個反響的平衡常數(shù)。 2再向體系中充入0.100mol I2，那么平衡時氣體總壓為多少？Kp = P2CuBr(s) pBr2(g)P2CuBr2(s)分析關(guān)鍵是溫度不變，反響的平衡常數(shù)不變，反響1中Br2(g)的分壓不變。1PV = nRT P = 0.400 atm Br2(g)+I2(g) 2BrI(g)初始時: 0.0460 0

25、.400 0平衡時: 0.0460 0.400-x 2x0.0460 +0.400 x +2x = 0.745x = 0.300 atmKp = (20.300)20.0460 (0.400-0.300)= 78.3(2) Br2(g)+I2(g) 2BrI(g)初始時 0.0460 0.800 0平衡時0.0460 0.800-y 2yP總 = 1.357 atm例61273 K時H2O(g)通過紅熱的鐵生產(chǎn)H2, 發(fā)生如下反響：反響的平衡常數(shù) Kp = 1.49。Kp是以各平衡混合氣體分壓表示的化學(xué)平衡常數(shù)1計算每生產(chǎn)1.00 mol 氫氣需通入水蒸氣的物質(zhì)的量為多少？21273 K時，假

26、設(shè)反響體系中只有0.30 mol 的鐵并通入1.0 mol 水 蒸氣與其反響，試計算反響后各組分的物質(zhì)的量。反響后體 系是否處于平衡狀態(tài)，為什么？ 31273 K時，當(dāng)1.00 mol 水蒸氣與0.80 mol 鐵接觸時，最后各 組分的物質(zhì)的量是多少？ Fe(s) + H2O(g) FeO(s) +H2(g)，分析1 Fe(s) + H2O(g) FeO(s) +H2(g)，初始時 x/mol 0平衡時 x-1/mol 1 molK p = pH2pH2O=1 8.3141273/V(x-1) 8.3141273/V= 1.49解題關(guān)鍵是平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)，而與濃度、壓力無關(guān)。x = ？ m

27、ol2 Fe(s) + H2O(g) FeO(s) + H2(g)，初始時 0 (1.0-0.3) mol 0.3 mol 0.3 mol K p = pH2pH2O=(0.8-x) 8.314 1273 /V(1-0.2 +x) 8.314 1273 /V= 1.49 x = ？ mol3Qp = pH2/pH2O = 0.3/0.7 1.49反響左移。平衡時 x (1-0.2+x) 0.8-x 0.8-x例7在773 K時，將0.1 mol H2和0.2 mol CO2通入抽空的瓶中，經(jīng)分析此時容器中水蒸汽的摩爾分數(shù)為30 %，試計算K1、K2和K3。發(fā)生如下的反響：1 H2(g)+ CO2(g) = H2O(g)+CO(g)平衡后的總壓力為50.66 kPa,經(jīng)分析其中水蒸汽的摩爾分數(shù)為10%，今在容器中參加過量的CoO(s)和Co(s)，在容器中又增加了如下的平衡：2 CoO(s) + H2(g) = Co(s)+H2O(g)3 CoO(s)+ CO(g) = Co(s)+CO2(g)分析關(guān)鍵是定溫下各物質(zhì)的量之間的關(guān)系。1 H2(g)+ CO2(g) = H2O(g)+CO(g)初始時 0.1 mol 0.2 mol 0 0平衡時 0.1- 0.2 - 平衡時CO物質(zhì)的量 n總 = 0.3