化學(xué)競賽第十三講-化學(xué)平衡省公開課一等獎全國示范課微課金獎

第十三講年全國高中化學(xué)競賽夏令營(江蘇)講座2024/5/5第1頁一、化學(xué)反應(yīng)計量方程式和反應(yīng)進度

二、化學(xué)平衡熱力學(xué)特征和動力學(xué)特征三、理想氣體反應(yīng)等溫方程式和反應(yīng)平衡常數(shù)四、影響化學(xué)平衡原因五、幾個經(jīng)典化學(xué)平衡計算實例

主要內(nèi)容2024/5/5第2頁（1）化學(xué)熱力學(xué)：判斷改變可能性一．化學(xué)反應(yīng)計量方程式和反應(yīng)進度

1．物理化學(xué)兩個主要研究領(lǐng)域處理問題反應(yīng)自發(fā)進行研究化學(xué)改變方向能到達最大程度外界條件對平衡影響t0

2024/5/5第3頁研究化學(xué)反應(yīng)速率溫度、壓力、催化劑、溶劑和光照等外界原因?qū)Ψ磻?yīng)速率影響反應(yīng)機理（2）化學(xué)動力學(xué)：將可能性變?yōu)楝F(xiàn)實性t0

2024/5/5第4頁用以描述系統(tǒng)狀態(tài)物理量稱為“狀態(tài)函數(shù)”狀態(tài)函數(shù)是系統(tǒng)單值函數(shù)其數(shù)值僅取決于系統(tǒng)所處狀態(tài)，而與體系歷史無關(guān)。狀態(tài)函數(shù)改變僅取決于系統(tǒng)始態(tài)和終態(tài)，而與改變路徑無關(guān)。某一狀態(tài)函數(shù)改變等于該狀態(tài)函數(shù)終態(tài)值減去該狀態(tài)函數(shù)始態(tài)值。

2．狀態(tài)函數(shù)和狀態(tài)函數(shù)改變2024/5/5第5頁異途同歸，值變相等；周而復(fù)始，數(shù)值還原。狀態(tài)函數(shù)特征：X1X2

X=X2-X1IIIIII2024/5/5第6頁h2h1

h=h2-h1h狀態(tài)函數(shù)特征：2024/5/5第7頁A(F)：亥姆霍茲自由能A=U-TSH：焓

H=U+pVU：熱力學(xué)能

(內(nèi)能)

U=Q+W幾個慣用熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)：S：熵G：吉布斯自由能G=H-TS2024/5/5第8頁化學(xué)反應(yīng)計量方程式是用以表示一個反應(yīng)系統(tǒng)改變關(guān)系定量方程式。一個反應(yīng)系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)計量方程式有沒有數(shù)個。任何一個寫出化學(xué)反應(yīng)計量方程式都稱為1mol反應(yīng)。3．化學(xué)反應(yīng)計量方程式2024/5/5第9頁4．化學(xué)反應(yīng)計量方程式通式表示2024/5/5第10頁nB有量綱，為:mol物質(zhì)B/mol反應(yīng)B為反應(yīng)物，nB取負值，B為生成物，nB取正值。nB為任一組分B化學(xué)計量系數(shù)4．化學(xué)反應(yīng)計量方程式通式表示2024/5/5第11頁5．反應(yīng)進度反應(yīng)進度定義：

20世紀初比利時deDonder引進反應(yīng)進度x

2024/5/5第12頁引入反應(yīng)進度優(yōu)點：

在反應(yīng)進行到任意時刻，能夠用任一反應(yīng)物或生成物來表示反應(yīng)進行程度，所得值都是相同。注意:反應(yīng)進度必須與化學(xué)反應(yīng)計量方程式相對應(yīng)。比如:當(dāng)

都等于1mol

時，兩個方程所發(fā)生反應(yīng)物質(zhì)量顯然不一樣。5．反應(yīng)進度2024/5/5第13頁二．化學(xué)平衡熱力學(xué)和動力學(xué)特征1、化學(xué)反應(yīng)到達平衡時，各物種濃度維持不變t無凈改變cR反應(yīng)物cP生成物teq2024/5/5第14頁

2、動力學(xué)特征到達平衡時，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率是相等。tr

正r

逆rteq二．化學(xué)平衡熱力學(xué)和動力學(xué)特征2024/5/5第15頁反應(yīng)自發(fā)地向右進行反應(yīng)自發(fā)地向左進行，不可能自發(fā)向右進行反應(yīng)到達平衡，此時正逆方向上反應(yīng)速率相等。前提條件是：等溫、等壓、不做非體積功3、?G判據(jù)二．化學(xué)平衡熱力學(xué)和動力學(xué)特征2024/5/5第16頁三．理想氣體反應(yīng)等溫方程式和反應(yīng)平衡常數(shù)1．化學(xué)反應(yīng)等溫方程式2024/5/5第17頁化學(xué)反應(yīng)標準摩爾吉布斯自由能(改)變只是溫度函數(shù)標準態(tài)，表示物種B處于下1×105Pa101325Pa標準態(tài)沒有要求溫度大小一個溫度對應(yīng)于一個標準態(tài)√2024/5/5第18頁反應(yīng)物和生成物都處于標準態(tài)反應(yīng)進度為1mol吉布斯自由能反應(yīng)（reaction）反應(yīng)溫度化學(xué)反應(yīng)標準摩爾吉布斯自由能變(298.15K)

改變2024/5/5第19頁1．化學(xué)反應(yīng)等溫方程式2024/5/5第20頁2024/5/5第21頁2.理想氣體反應(yīng)等溫方程式對理想氣體反應(yīng)2024/5/5第22頁為壓力商它為無量綱純數(shù)2024/5/5第23頁2024/5/5第24頁2024/5/5第25頁為反應(yīng)標準壓力平衡常數(shù)，又稱標準平衡常數(shù)。1、僅與溫度相關(guān)，與壓力無關(guān)。2、無量綱純數(shù)。①★

2024/5/5第26頁>,則<0,反應(yīng)可正向自發(fā)進行;=,則=0,反應(yīng)處于平衡狀態(tài);若：<

,則>0,反應(yīng)可逆向自發(fā)進行.2024/5/5第27頁

在標準壓力下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol化合物時吉布斯自由能改變值，稱為該化合物標準摩爾生成吉布斯自由能。為標準摩爾生成吉布斯自由能②2024/5/5第28頁=反應(yīng)物鍵焓總和—生成物鍵焓總和（物質(zhì)B標準摩爾燃燒焓）（物質(zhì)B標準摩爾生成焓）③2024/5/5第29頁F=96500C·mol-1z量綱：mol電子/mol反應(yīng)④例12024/5/5第30頁3．各種平衡常數(shù)及其相互之間關(guān)系對理想氣體反應(yīng)壓力平衡常數(shù)

和它僅與溫度相關(guān)，且為無量綱純數(shù)。2024/5/5第31頁2024/5/5第32頁可見，當(dāng)時，是一個有量綱物理量，且僅與溫度相關(guān)。2024/5/5第33頁(2)物質(zhì)量濃度平衡常數(shù)和2024/5/5第34頁可見，僅與溫度相關(guān)，且為無量綱純數(shù)。2024/5/5第35頁是一個有量綱物理量，且僅與溫度相關(guān)?？梢?，當(dāng)時，2024/5/5第36頁(3)物質(zhì)量分數(shù)平衡常數(shù)可見，是一個無量綱物理量，且與溫度、壓力相關(guān)。2024/5/5第37頁(4)物質(zhì)量平衡常數(shù)是一個有量綱物理量，且與溫度、壓力和總物質(zhì)量相關(guān)?？梢?，當(dāng)時，2024/5/5第38頁四．影響化學(xué)平衡原因勒沙特列原理假如改變影響化學(xué)平衡一個條件(如濃度、溫度、壓力等)，平衡就向能夠減弱這種改變方向移動。2024/5/5第39頁1．溫度影響定積分式：不定積分式：為常數(shù)時，有：習(xí)題42024/5/5第40頁1．溫度影響2024/5/5第41頁2024/5/5第42頁平衡右移平衡向放熱方向移動2024/5/5第43頁2．壓力影響（p為反應(yīng)體系總壓）平衡左移反應(yīng)后氣體分子數(shù)增大平衡向氣體分子數(shù)減小方向移動2024/5/5第44頁3．惰性氣體影響p為反應(yīng)體系總壓，n總為反應(yīng)體系總物質(zhì)量(1)總壓力不變下，加入惰性氣體

(2)總體積不變下，加入惰性氣體

2024/5/5第45頁(1)總壓力不變下，加入惰性氣體

等同于降壓效應(yīng)平衡左移(反應(yīng)后氣體分子數(shù)減小)平衡向氣體分子數(shù)增大方向移動p不變，n總2024/5/5第46頁平衡不移動(2)總體積不變下，加入惰性氣體

2024/5/5第47頁復(fù)相化學(xué)反應(yīng)比如，有下述反應(yīng)，并設(shè)氣體為理想氣體：

有氣相和凝聚相（液相、固體）共同參加反應(yīng)稱為復(fù)相化學(xué)反應(yīng)。只考慮凝聚相是純態(tài)情況，純態(tài)化學(xué)勢就是它標準態(tài)化學(xué)勢。復(fù)相反應(yīng)熱力學(xué)平衡常數(shù)只與氣態(tài)物質(zhì)壓力相關(guān)。2024/5/5第48頁五．幾個經(jīng)典化學(xué)平衡計算實例【例題1】在298K下，下面反應(yīng)依次為：C8H18(g)+25/2O2(g)→8CO2(g)+9H2O(l)

=-5512.4kJ·mol-1C(石墨)+O2(g)→CO2(g)=-393.5kJ·mol-1H2(g)

+1/2O2(g)→H2O(l)

=-285.8kJ·mol-1正辛烷、氫氣和石墨標準摩爾熵分別為：463.7、130.6、5.694J·K-1·mol-1。1．理想氣體反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率等2024/5/5第49頁設(shè)正辛烷和氫氣為理想氣體，問：（1）298K下，由單質(zhì)生成1摩爾正辛烷反應(yīng)平衡常數(shù)是多少？給出計算過程。返回2024/5/5第50頁（2）增加壓力對提升正辛烷產(chǎn)率是否有利？為何？（3）升高溫度對提升產(chǎn)率是否有利？為何？（4）若在298K及101.325kPa下進行，平衡氣相混合物中正辛烷摩爾分數(shù)能否降到0.1?（5）若希望正辛烷在平衡氣相混合物中摩爾分數(shù)到達0.5，則在298K時，需要多大壓力才行?給出計算過程。2024/5/5第51頁【例題2】在298K下，Mg(OH)2(s)在水中也發(fā)生電離：Mg(OH)2(s)====Mg2+(aq)+2OH－(aq)其平衡常數(shù)=1.2×10－11，試計算：（1）Mg(OH)2(s)飽和溶液中Mg2+濃度，該溶液能否使酚酞溶液變紅？（2）已知=1.0×10－33，那么Al(OH)3(s)飽和溶液中Al3+濃度是多少？2．酸堿反應(yīng)酸堿平衡常數(shù)與酸堿強度定性關(guān)系2024/5/5第52頁【例題3】難溶化合物飽和溶液存在溶解平衡。在一定溫度下，難溶化合物飽和溶液離子濃度乘積為一常數(shù)，這個常數(shù)用Ksp表示。已知：＝1.8×10-10，＝1.9×10-12?，F(xiàn)有0.001mol·L－1AgNO3溶液滴定0.001mol·L－1KCl和0.001mol·L－1K2CrO4混合溶液，試經(jīng)過計算回答：(1)Cl－和CrO42-中哪種離子先沉淀？(2)當(dāng)CrO42－以Ag2CrO4形式沉淀時，溶液中Cl－濃度是多少？Cl-和CrO42-能否到達有效分離？（設(shè)當(dāng)一個離子開始沉淀，另一個離子濃度<10－5mol·L－1時，則認為能有效分離）3．難溶鹽溶度積2024/5/5第53頁習(xí)題1．當(dāng)以5molH2與4molCl2混合，最終生成2molHCl,若以下式為化學(xué)計量方程式：H2(g)+Cl2(g)====2HCl(g)，則反應(yīng)進度為

?！敬鸢福?mol】2．能否說：“對于理想氣體反應(yīng)體系，加入惰性氣體與降低總壓對平衡轉(zhuǎn)化率影響總是相同”？【答案：不能。只有在總壓不變情況下，加入惰性氣體等同于降低總壓。而在總體積不變情況下，加入惰性氣體對平衡無影響?！?024/5/5第54頁3．PCl5分解作用為：PCl5(g)===PCl3(g)+Cl2(g)，在523.2K、101325Pa下反應(yīng)抵達平衡后，測得平衡混合物密度為2.695kg·m－3，試計算該反應(yīng)在523.2K下標準平衡常數(shù)?！敬鸢福?.778】2024/5/5第55頁4．在1000K時，理想氣體反應(yīng)CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g)