[例]已知反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔrHӨ=-92.2kJ·mol-1;298K时,K1Ө=6.0×105,求673K时K2θ。
解:
根据Van'tHoff等压方程式:
则有:
×
=-9.0
K2Ө=1×10-9×6.0×105=6.0×10-4
合成氨反应为放热反应,升高反应温度,平衡常数减小,298K时,KӨ为6.0×105,温度升至673K时,KӨ则降为6.0×10-4。
(4)LeChatelier原理
如果改变平衡系统的条件之一(浓度、压力和温度),平衡就向能减弱这种改变的方向移动。
这一定性规则是1884年由法国科学家LeChatelier提出。
LeChatelier原理不仅适用于化学平衡,也适用于物理平衡,是关于平衡移动的一个普遍性的规律,但应当注意,LeChatelier原理只适用于已经达平衡的体系,对于未达到平衡的体系是不适用的。
●催化剂不能使化学平衡发生移动,也不影响平衡常数KӨ
催化剂使正、逆反应的活化能减小相同的量,同等倍数增大正、逆反应速率系数,但不能改变标准平衡常数,也不改变反应商。
催化剂只能缩短反应达到平衡的时间,不能改变平衡组成。
[例1]在气相中,分子碘离解:
I2=2I离解的程度可以从量度密度加以测定,它随着温度而增加。
这个平衡,在1473K与在1173K的平衡常数的比率为24.3。
求I—I键的键能。
解:
△HӨ=153(KJ·mol-1)
这就是I—I键的键离解能。
[例2]Ca(IO3)2在278K时的溶解度为每Kg水溶1.19g,在303K溶解度为每Kg水溶3.84g。
求Ca(IO3)2的溶解焓。
解:
△HӨ=33.0KJ·mol-1
[例3]在27℃和1.00atm时N2O4分解为NO2的分解百分率为20.0%,求(a)Kp;(b)在27℃和总压为0.10atm时N2O4的分解率;(c)27℃时,在20L的容器中含有69gN2O4样品,平衡时N2O4的分解率为多少?
解:
(a)每分解1.00molN2O4就有2.00mol的NO2产生,因为题中没有告诉体积的大小或物质的质量,设初始时有1.00mol的N2O4。
已知总压为1.00atm,各物质的分压如下:
N2O4===============2NO2
初始值1.000
改变值-0.20+0.40
平衡值1.00-0.20=0.800.40
摩尔分数
=0.67
=0.33
分压=(摩尔分数)(1atm)
0.67atm0.33atm
则Kp=
(b)设总压为0.100atm,在平衡时N2O4的分解百分率为α,则
N2O4===============2NO2
初始值10
改变值-α2α
平衡值1-α2α
摩尔分数
分压=(摩尔分数)(1atm)
(
×0.10)atm(
×0.10)atm
由(a)中的Kp=0.17得
0.17=Kp=
解得:
α=0.55=55%。
{对于A(g)→2B(g),通式为:
Kp=
(c)如果样品全是N2O4,则
设N2O4的分解百分率为α,
N2O4===============2NO2
初始值n0.750
反应变化量-0.75α+2(0.75α)
平衡值0.75(1-α)1.50α
因为气体的总压不知道,则最简单的方法是由Dalton定律直接求得气体的分压
P(N2O4)=
P(NO2)=
上述式子为:
则0.17=Kp=
即3.68α2+0.17α-0.17=0
解得:
α=
负值舍去,则得N2O4的分解百分率为19%。
一.根据平衡常数解题
[例]以下两个反应都是一个分子分解变成两个分子的气相反应,试求出转化率a与总压P的关系。
(1)N2O4(g)======2NO2(g)
(2)PCl5(g)======PCl3+Cl2(g)
解:
(1)设反应前N2O4的量为nmol,
N2O4(g)===2NO2(g)物质的总量/mol
开始n0n
平衡时(1-a)2nan(1+a)
平衡摩尔分数(1-a)/(1+a)2a/(1+a)
平衡分压[(1-a)/(1+a)]P[2a/(1+a)]P
所以平衡常数
Kp=P2NO2/PN2O4
=[4a2P2(1+a)2]/[(1-a)P/(1+a)]
=[4a2/(1-a)2]P总
所以a=[Kp/(Kp+4P总)]1/2
(2)PCl5(g)=======PCl3+Cl2(g)
Kp=PPCl3·PCl2/PPCl5
=[a2P2/(1+a)2]/[(1-a)P/(1+a)]
=[a2/(1-a2)]P总
所以a=[Kp/(Kp+P总)]1/2
二.根据多重平衡解题
实际的化学过程往往有若干种平衡状态同时存在,一种物质同时参与几种平衡,这种现象叫多重平衡。
在化学中常常用多重平衡概念间接求平衡常数及其它有关的计算。
[例]为什么在计算MnS在一定pH值的溶液中的溶解度时,按下列方程式的任何一种计算,结果都是一样的:
H++MnS==Mn2++HS-
(1)
MnS+2H+==Mn2++H2S(未饱和)
(2)
解:
从反应式知要计算MnS的溶解度,只要计算[Mn2+]即可。
由
(1)式得[Mn2+]=K1[H+]/[HS-],
(2)式可由
(1)式加上H++HS-=H2S(K3)的反应得到,令反应的平衡常数为K3。
∴K2=K1K3。
按
(2)式计算
[Mn2+]=K2[H+]2/[H2S]
=K1K3[H+]2/[H2S]
=K1{[H2S]/[H+][HS-]}×[H+]2/[H2S])
=K1[H+]/[HS-]
[例]已知Ksp(BaCO3)=5.1×10-9,在CO2的饱和溶液中,CO2在溶液中的平衡浓度[CO2]0.042mol·dm-3,求在CO2饱和溶液中BaCO3的溶解度,并同BaCO3在纯水中的溶解度作比较。
已知Kl(H2CO3)=4.3×10-7,K2(H2CO3)=5.61×10-11。
解:
1.BaCO3(s)==Ba2+(aq)+CO32-(aq)Ksp
(1)
CO2(aq)+H2O==H+(aq)+HCO3-(aq)Kal(H2CO3)
(2)
CO32-(aq)+H+(aq)==HCO3-(aq)1/Ka2(H2CO3)(3)
(1)+
(2)+(3)
得:
BaCO3(s)+CO2(aq)+H2O=Ba2+(aq)+2HCO3-(aq)
K=Ksp×Kal(H2CO3)/Ka2(H2CO3)
=5.1×10-9×4.30×10-7/5.61×10-11
=3.9×10-5
或Kal(H2CO3)
K={[Ba2+][HCO3-][HCO3-]/[CO2]}×{[CO32-][H+]/[CO32-][H+]}
1/Ka2(H2CO3)
2.设Ba2+在溶液中平衡浓度[Ba2+]=x,由于Ka2(H2CO3)很小,故
BaCO3(s)+CO2(aq)+H2O=Ba2+(aq)+2HCO3-(aq)
因H2O在反应过程中浓度不变,则
3.9×10-5=x(2x)2/[CO2]
4x3=3.9×10-5×0.042
=1.64×10-6
∴x=7.4×10-3(mol·dm-3)
3.在纯水中的溶解度
S=Ksp1/2=(5.1×10-9)1/2
=7.14×10-5(mol·dm-3)
可见,BaCO3在CO2中的溶解度变大。
讨论:
这是一种非常近似的计算方法,严格计算应考虑CO32-的水解,以及BaCO3的固有溶解度。
三.根据温度与平衡常数的关系解题
温度对平衡常数的影响与反应的热效应有关,吸热反应,温度升高平衡常数变大,放热反应,温度升高平衡常数变小。
[例]定量表示温度对化学平衡的影响。
解:
-△rGmӨ(T)=2.302RTlogKӨ
lgKӨ=-△rGmӨ(T)/2.302RT
△rGmӨ(T)=△rHmӨ-T△rSmӨ
代人上式,得
lgKӨ=-(△rHmӨ-T△rSmӨ)/2.302RT
=-△rHmӨ/2.302RT+△rSmӨ/2.302R
设在温度T1时的平衡常数为K1Ө,在温度T2时为K2Ө,如果温度变化范围不大,则可以近似认为△rHmӨ和△rSmӨ不随温度而变化。
lgK1Ө=-△rHmӨ/2.302RT1+△rSmӨ/2.302R
lgK2Ө=-△rHmӨ/2.302RT2+△rSmӨ/2.302R
以上两式相减,则有
lgK2Ө-logK1Ө=(△rHmӨ/2.302R)(1/T1–1/T2)
或
lg(K2Ө/K1Ө)=(△rHmӨ/2.302R)[(T2-T1)/T2T1]
故从两个温度的平衡常数可得到反应焓的近似值。
[例]氧化银遇热分解:
2Ag2O(s)======4Ag(s)+O2(g)
已知在298K时
Ag2O(s)的△fHmӨ=-30.6kJ·mol-1,
△fGmӨ=-11.2kJ·mol-1。
求:
1.在298K时,Ag2O-Ag体系的PO2=?
2.Ag2O的热分解温度是多少?
(在分解温度PO2=PӨ)
解:
1.△rGmӨ=-2△fGmӨ[Ag2O(s)]
=-2×(-11.2)=22.4(kJ·mol-1)
lgKӨ=-22.4×103/(2.30×8.31×298)=-3.93
∴KӨ=1.2×10-4
∵KӨ=PO2/PӨ
∴PO2=1.2×10-4×100kPa=1.2×10-2(kPa)
2.分解时,PO2=100kPa
△rHmӨ=-2△fHmӨ[Ag2O(s)]
=-2×(-30.6)=61.2kJ·mol-1
lg(K2Ө/K1Ө)=(△rHmӨ/2.302R)[(T2-T1)/T2T1]
lg(1.2×10-4/1)=(61.2×103/(2.3/8.31))×[(298-T1)/298T1]
T1=465(K)
即Ag2O的热分解温度是192℃。
1、已知N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)
fHm
0
0
-46.11kJmol-1
fGm
0
0
-16.5kJmol-1
Sm
193
130
192.3JK-1mol-1
求算反应的K298和K673.
1、解:
rHm=-92.22kJ/mol;
rGm=-33kJ/mol;
rSm=-198.4J·mol-1·K-1
lnK=-rGm(298)/RT
=-(-33kJ/mol)/8.314×10-3×298=13.32
K298=6.08×105
673K,
rGm=rHm-TrSm
=-92220J/mol–673K×(-198.4J·mol-1·K-1)
=41303J/mol=41.303(kJ/mol)
lnK=-rGm(673)/RT
=-41.3kJ/mol)/8.314×10-3×673=-7.38
K673=6.2×10-4