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文檔簡介
物理化學電子教案—第5章ChemicalEquilibriumChapter5Chemicalequilibrium5.1Theconditionsofchemicalequilibrium
andaffinityofchemicalreaction
5.2Theequilibriumconstantofareactionandisothermalequation
5.3Heterogeneouschemicalequilibrium
5.4Determinationofequilibriumconstants
5.5ThestandardGibbsfunctionofformationContents5.8
Couplingreaction5.7
Chemicalequilibriumofsimultaneousreaction5.6
TheresponseofreactionstotheconditionsExpressmathematicallyhowtheequilibriumconstantdependsonthetemperature,andderiveandusethevan’tHoffequation.ChemicalreactionsWehaveseenthatthenaturaldirectionofallchangeatconstanttemperatureandpressureistowardsminimumGibbsfunction.Theideaisentirelygeneral,andinthischapterweuseitasabasisforthediscussionofchemicaltransformations.ConsiderthereactionA+BC+DIsthenaturaltendencyforthemixtureA+BtogotothemixtureC+D,ortheopposite?ThiscanbeansweredbycalculatingtheGibbsfunctionofeachmixture.IfthesumoftheGibbsfunctionsofA+BishigherthanthatofC+D,thenthereactionhasatendencytorollfromlefttoright.ChemicalreactionsystemSupposeareaction:Basedonextentofreaction:Or:FundamentalequationAtconst.TandP, :
Thereactionspontaneouslyproceedsfromlefttoright.Thereactionspontaneouslyproceedsfromrighttoleft.Thereactionisatequilibrium.DirectionandlimitofachemicalreactionUsetodetermine:FromlefttorightFromrighttoleftAtequilibriumDirectionandlimitofachemicalreactionistheslopeofGwithrecpecttotheextentofreaction.DirectionandlimitofachemicalreactionVan’tHoffequilibriumboxAffinityofchemicalreaction
1922年,比利時熱力學專家德唐德(Dedonder)首先引進了化學反應親和勢的概念。他定義化學親和勢A為:或
A是狀態(tài)函數(shù),體系的強度性質。用A判斷化學反應的方向具有“勢”的性質,即:A>0
反應正向進行
A<0
反應逆向進行A=0
反應達平衡5.2Forpgreactions
aA﹦bBThesimplestassumptionistosupposethatthespeciesareperfectgases,inwhichcasetheirchemicalpotentialsaredeterminedbytheirpartialpressures:Isothermalequationofchemicalreaction<-Reactionproceeds=-ReactionisatequilibriumThechemicalpotentialofarealgases:
isthestandardmolarGibbsfunctionofthereactionfBisthefugacityofBSubstitutingthisexpression,gives
Reaction:IsothermalequationofchemicalreactionWhereQisthereactionquotient.Whenthereactionisatequilibrium,
isthethermodynamicequilibriumconstant.Thethermodynamicequilibriumconstant
IvidesawayofmeasuringthestandardGibbsfunctionsofreactions.PredictthedirectionofreactionUsethevan’tHoffequation:Forpgreaction:fromlefttorightfromrighttoleftatequilibrium.Subscriptm
denotingtheextentofreactionisunityi.e.1mol.RelationofconstantandequationExample:(1)(2)isreferredtoEmpiricalequilibriumconstantsDistinguishthethermodynamicequilibriumconstantfrompressureandcompositionequilibriumconstants.Example:1.Pressureequilibriumconstantwhen(Dimensionisunity)2.molefractionequilibriumconstantApgobeysDoltonpartialpressurelaw,Empiricalequilibriumconstants3.Concentrationequilibriumconstantpg,Empiricalequilibriumconstants ,4.ActivityequilibriumconstantEmpiricalequilibriumconstantsDifferentFormsofEquilibriumConstantsHeterogeneouschemicalreactionis
dissociationpressure
ConsiderareactionEquilibriumbetweenidealgasandpurecondensedphases:Ifthesubstancestakingpartinthechemicalequilibriumisofmorethanonephase,dissociationpressureexample:Itissaidearlierthatchemicalpotentialsofcondensedphasesareinsensitivetothepressurechange,unlessthepressureisverylarge.
ThestandardGibbsfunctionofformation△Gconcentratesourattentiononthesystem,andletsusavoidhavingtothinkexplicitlyabouttheentropyofthesurroundings.Inanisothermalchange△GcanberelatedtotheenthalpyandentropychangesofthesystembyUsing
△rGm,calculatethethermodynamicequilibriumconstant:ThestandardGibbsfunctionofreaction(1)-(2)得(3)2.計算實驗不易測定的平衡常數(shù)例如,求的平衡常數(shù)ThestandardGibbsfunctionofreactionThestandardGibbsfunctionofreaction3.近似估計反應的可能性只能用 判斷反應的方向。但是,當?shù)慕^對值很大時,基本上決定了的值,所以可以用來近似地估計反應的可能性。(B,,T)ThestandardGibbsfunctionofformationDefinetheGibbsfunctionofreactionandcalculateitfromtablesofGibbsfunctionofformation.CalculatetheequilibriumconstantsforreactionsonthebasisoftheGibbsfunctioninformationgiveninTableX.X.
isveryimportantAtT(1)Howequilibriumrespondstotemperature.IftheequilibriumconstantisknownatatemperatureT*,itsvalueatanothertemperatureTcanbefoundasfollows.IneachcaseHowequilibriumrespondstotemperatureSubtractingtheserelatesthetwoequilibriumconstants:Nowwrite
△G=△H-T△S,andmaketheapproximationthatneither△Hnor△Schangessignificantlyoverthetemperaturerangeofinterest:Theisobaricequationofchemicalreaction.Thelastequationisveryremarkablebecauseitpredictstheshiftinequilibriumwhenthetemperatureischanged;allweneedtoknownisthestandardmolarenthalpyofreaction.DeducetheisobaricequationTheTaffectsthechemicalequilibriumTheinfinitesimalexpressionofvan’tHoffrelation對吸熱反應, ,升高溫度, 增加,對正反應有利。對放熱反應, ,升高溫度, 降低,對正反應不利。TheTaffectsthechemicalequilibriumIfweassurethatdoesnotdependonthetemperaturethisequationintegratesto
TheTaffectsthechemicalequilibrium當理想氣體用濃度表示時,因為 ,可以得到這個公式在氣體反應動力學中有用處。Thevan’tHoffequationProvidesawayofmeasuringtheenthalpyofareactionwithoutusingacalorimeter,butinpracticeitisinaccurate.Equilibriumcompositionsaremeasuredoverarangeoftemperatures(atconstantpressure),andlnKisplottedagainst1/T.Itfollowsfromeq.thattheslopeis-△Hm/R.ThePaffectsthechemicalequilibrium
Lechatelier原理,增加壓力,反應向體積減小的方向進行。這里可以用壓力對平衡常數(shù)的影響從本質上對原理加以說明。=0ThePaffectsthechemicalequilibriumaA=bBTheinertgasaffectsthechemicalequi.對于分子數(shù)增加的反應,加入水氣或氮氣,會使反應物轉化率提高,使產(chǎn)物的含量增加。5.9
simultaneousequilibrium在一個反應體系中,如果同時發(fā)生幾個反應,當?shù)竭_平衡態(tài)時,這種情況稱為同時平衡。在處理同時平衡的問題時,要考慮每個物質的數(shù)量在各個反應中的變化,并在各個平衡方程式中同一物質的數(shù)量應保持一致。simultaneousequilibrium例題:600K時, 與 發(fā)生反應生成 ,繼而又生成 ,同時存在兩個平衡:已知在該溫度下, 。今以等量的 和 開始,求 的平衡轉化率。simultaneousequilibrium解:設開始時 和 的量為1.0,到達平衡時,生成HCl的量為x,
生成 的量為y,則在平衡時各物的量為:simultaneousequilibrium因為兩個反應的 都等于零,所以將兩個方程聯(lián)立,解得 。 的轉化率為0.048或4.8。5.10
CoupledReactions
Itcanbeseenquiteoftenthatcertainreactionsarenotspontaneousi.e.△G>0.Butifthesamereactionsarecoupledtootherreactions,whicharespontaneous,theoriginalreactionsbecomefeasible.ThiscanonlybepossibleifthetotalfreeenergychangeI.e.,sumofthefreeenergiesofthesecondandtheoriginalreactionisnegative.Applicationof
CoupledReactions例如:在298.15K時:反應(1)、(2)耦合,使反應(3)得以順利進行。ThermodynamicdatafromKThestandardGibbsfreeenergyfortheforwardreactionisrelatedtotheequilibriumconstantbytheexpression:TheHcanbeobtainedfromthevariationoflnKwithtemperature:TheSisthencalculableas…5.11ApproximatelyCalculation1. 的估算當 不大,或不要作精確計算時,設,則: 這里實際上設焓和熵變化值與溫度無關,從298.15K的表值求出任意溫度時的 值。PhysicaltransitionsForanequilibriumbetweenaliquidAandagasA(thevaporizationandcondensationofA):AtP,T;ApproximatelyCalculation2.估計反應的有利溫度通常焓變與熵變在化學反應中的符號是相同的。要使反應順利進行,則 越小越好。提高溫度對反應有利。降低溫度對反應有利。TheendJACOBUSHENRICUSVAN’THOFFJACOBUSHENRICUSVAN’THOFF(1852-1911) Dutchphysicalchemist,receivedthefirstNobelPrizeinchemistryin1901for“thediscoveryofthelawsofchemicaldynamicsandofosmoticpressure.”Van’tHoffwasoneoftheearlydevelopersofthelawsofchemicalkinetics,developingmehtodsfordeterminingtheorderofareaction;hededucedtherelationbetweentemperatureandtheequilbriumconstantofachemicalreaction.JACOBUSHENRICUSVAN’THOFFIn1874,van’tHoff(andalsoJ.A.LeBel,independently)proposedwhatmustbeconsideredoneofthemostimportantideasinthehistoryofchemistry,namelythetetrahedral
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