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第4章化学平衡

第四章化学平衡

一.平衡状态

什么是平衡状态?

就是ΔG=0或者v正=v负

化学平衡有以下几个鲜明的特点

●客观上,系统的组成不再随时间而变

●平衡是自发的

●化学平衡是动态平衡

●平衡组成与达到平衡的途径无关

化学平衡是一个动态平衡。

从放射性标记反应可以看出:

Na24Cl(s)Na24Cl(l)Na24+Cl-

在标记的Na24Cl饱和溶液中加入未标记的NaCl固体,过一段时间后,便可发现固体中有表记的Na24Cl(s)。

目前只有此法可证明反应的可逆性。

二.标准平衡常数

(1)标准平衡常数(Kθ)

根据热力学数据计算获得的平衡常数则用Kθ表示,称为标准平衡常数。

数据来自实验,这一定值称为实验平衡常数K。

若K和Kθ从来源和量纲看,二者似乎有区别,但其物理意义可以用相对浓度或相对压力予以统一,所以在实际工作中往往并不严格区分K和Kθ。

有些书仍然用来Kc和Kp表示平衡常数,即不考虑标准态。

PiV总=niRT

Pi=ni/V总·RT=[]·RT

Kp=

=

·(RT)(d+e)-(a+b)

=Kc(RT)Δn

▲Kθ是无量纲的量

▲Kθ是温度的函数,与浓度、分压无关

▲标准平衡常数表达式必须与化学反应计量式相对应

●弄清下述K1θ、K2θ、K3θ之间的关系。

2CO(g)+O2(g)2CO2(g)K1θ

CO(g)+

O2(g)CO2(g)K2θ

2CO2(g)2CO(g)+O2(g)K3θ

(K1θ)1/2=(K2θ)

(K1θ)-1=K3θ

[例]已知25℃时反应

(1)2BrCl(g)Cl2(g)+Br2(g)的K1θ=0.45

(2)I2(g)+Br2(g)2IBr(g)的K2θ=0.051

计算反应:

(3)2ClBr(g)+I2(g)2IBr(g)+Cl2(g)的K3θ

解:

反应

(1)+

(2)得:

2ClBr(g)+I2(g)2IBr(g)+Cl2(g)

K3θ=K1θ·K2θ=0.450·0.051=0.023(多重平衡)

三.标准平衡常数的应用(applicationsofstandardequilibriumconstant)

(1)判断反应的进行程度

K愈大,反应进行得愈完全

K愈小,反应进行得愈不完全

K不太大也不太小(如10-3

(2)预测反应的进行方向

任意状态下:

有一Q值,称为反应商,可作为反应进行方向的判据:

Q

Q=K体系处于平衡状态

Q>K反应逆向进行

(3)计算平衡时各物种的组成

四.标准平衡常数与标准自由能变(equilibriumconstantandstandardfreeenergychanges)

对气体反应:

aA(g)+bB(g)dD(g)+eE(g)

Van’tHoff等温式可写作

ΔrG=ΔrGӨ+2.303RTlg

=Q

ΔrG=ΔrGӨ+2.303RTlgQ

若反应处于平衡状态,则ΔrG=0,并且反应商Q项中各物质的分压都是指相对平衡分压,由上式可得

-ΔrGӨ=2.303RTlgKӨ或lgKpӨ=-

一个化学反应的起始状态用Q表示,而平衡状态则用KӨ表示,综合上述关系,则得:

ΔrG=-2.303RTlgKӨ+2.303RTlgQ

ΔrG=-2.303RTlg

利用两者的比值以判断反应进行的方向和程度。

[例]将等摩尔的PCl3和Cl2气通入一容积为5.0L的容器中,在523K达平衡时,测得PCl5的分压为1.0×l05Pa,若已知该温度下KӨ=0.540,计算

(1)PCl3和Cl2的起始浓度;

(2)PCl3的转化率。

解:

(1)在523K时,

PCl3(g)+Cl2(g)PCl5(g)

KӨ=

0.540=

=

所以

=

=

=1.36PӨ

平衡浓度

[PCl5]=

=

=0.023(mol·L-1)

[PCl3]=[Cl2]=

=0.031(mol·L-1)

起始浓度

[PCl3]=[Cl2]=0.031+0.023=0.054(mol·L-1)

[例]欲用MnO2和HCl反应制备Cl2(g),已知该反应的方程式为:

MnO2(s)+4H+(aq)+2C1-(aq)Mn2+(aq)+Cl2(g)+2H2O(l)

试问在298K标准态时,反应能否自发进行?

若用12.0kJ·mol-1的HCl,其他物质仍为标准态,298K时反应能否自发进行?

解:

MnO2(s)+4H+(aq)+2C1-(aq)Mn2+(aq)+Cl2(g)+2H2O(l)

ΔrGӨ/kJ·mol-1-464.80137.17-2280-237.19

ΔrGӨ=-228-2×237.19+464.8+2×131.17=+24.8(kJ·mol-1)

ΔrG﹥0,故在298K标准状态时,该反应不能自发向右进行。

用12.0kJ·mol-1HCl时

Q=

=3.3×10-7

ΔrG=ΔrGӨ+2.303RTlgQ

=+24.8kJ·mol-1+2.303×8.314×10-3kJ·K-1·mol-1×298K×lg3.3×10-7

=-12.1kJ·mol-1

ΔrGӨ﹤0,故用12.0kJ·mol-1的浓HCl制取Cl2(g)的反应在298K时可以自发进行。

五.化学平衡的移动

(1)浓度对化学平衡的影响

对于溶液中的化学反应,Q=KӨ,平衡;

当c(反应物)增大或c(生成物)减小时,Q

当c(反应物)减小或c(生成物)增大时,Q>KӨ,平衡向逆向移动。

(2)压力对化学平衡的影响

●部分物种分压的变化

如果保持温度、体积不变,增大反应物的分压或减小生成物的分压,使Q减小,导致Q

反之,减小反应物的分压或增大生成物的分压,使Q增大,导致Q>KӨ,平衡向逆向移动。

●体积改变引起压力的变化(对于有气体参与的化学反应)

温度一定,压缩气体分子数增加的反应,平衡向逆向移动,即向气体分子数减小的方向移动;对气体分子数减小的反应,平衡向正向移动,即向气体分子数减小的方向移动;对于反应前后气体分子数不变的反应,平衡不移动。

●惰性气体的影响

▲在惰性气体存在下达到平衡后,再恒温压缩,ΣB≠0,平衡向气体分子数减小的方向移动,ΣB=0,平衡不移动。

▲对恒温恒容下已达到平衡的反应,引入惰性气体,反应物和生成物的分压不变,Q=KӨ,平衡不移动。

▲对恒温恒压下已达到平衡的反应,引入惰性气体,总压不变,体积增大,反应物和生成物分压减小,如果ΣB≠0,平衡向气体分子数增大的方向移动。

.

(3)温度对化学平衡的影响

KӨ(T)是温度的函数。

温度变化引起KӨ(T)的变化,导致化学平衡的移动。

由-ΔrGӨ=2.303RTlgKӨ;

ΔrGθ=ΔrHӨ-TΔrSӨ

得:

lgKӨ=-(ΔrHӨ-TΔrSӨ)/2.302RT

=-ΔrHӨ/2.302RT+ΔrSӨ/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ΔrHӨ和ΔrSӨ不随温度而变化。

lgK1Ө=-ΔrHӨ/2.302RT1+ΔrSӨ/2.302R

lgK2Ө=-ΔrHӨ/2.302RT2+ΔrSӨ/2.302R

以上两式相减,则有Van'tHoff等压方程:

故从两个温度的平衡常数可得到反应焓的近似值。

对于放热反应,ΔrHӨ<0,温度升高,KӨ减小,Q>KӨ,平衡向逆向移动。

对于吸热反应,ΔrHӨ>0,温度升高,KӨ增大,Q

[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。

(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。

(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)

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

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