2.2化学平衡-化学平衡状态和化学平衡常数 课件(共25张PPT)

(共25张PPT)
第二节 化学平衡
第二章 化学反应速率与化学平衡
情境引入——工业合成氨
自1784年氨被发现以来，人们一直在研究如何利用化学方法由氮气和氢气合成氨，直到1913年才实现了合成氨的工业化生产。化学反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，合成氨的工业化生产却经历了漫长的发展过程。化工生产中，我们需要考虑哪些因素呢？
多
快
好
省
反应物的转化率高
化学反应速率快
效益好，日产量高
节省成本
化学平衡
化学反应速率
化学反应速率与化学平衡综合运用
合成氨工厂
（1）定义：在同一条件下，既能向正反应方向进行，
同时又能向逆反应方向进行的反应。
注：向生成物方向进行的反应叫做正反应，向反应物方向进行的反应叫做逆反应。
（2）特征：
一、化学平衡状态
1、可逆反应
2、化学平衡状态的建立
v(正)
v(正)=v(逆)
时间
速率
v(逆)
0
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
时间
浓度
0
NH3
H2
N2
在一定条件下，容积不变的密闭容器中，充入N2和H2发生反应，反应中各物质的浓度随时间如何变化？正逆反应速率随时间如何变化？
请分别作出相应的浓度-时间图和速率-时间图。
标志
实质
v(逆)
v(正)=v(逆)
时间
速率
v(正)
0
时间
浓度
0
N2
H2
标志
实质
NH3
如果充入 NH3发生反应呢？
3、化学平衡状态的定义
在一定条件下的可逆反应，正反应和逆反应速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。是一种表面静止的状态，化学平衡状态是可逆反应在一定条件下能达到的或完成的最大“限度”。
化学反应限度决定了反应物在该条件下的最大转化率
4、化学平衡状态的特征
可逆反应 (前提)
ν (正) = ν (逆) (实质)
逆
等
动
≠0
动态平衡
定
各组分的浓度保持不变 (标志)
变
条件改变，原平衡被破坏，在新的条件下建立新平衡
时间t
V正
V逆
V正=V逆
反应速率
达到平衡
0
t1
判断可逆反应是否达到平衡的直接标志。
思考：如何判断一个化学反应是否已达到平衡状态呢？
①速率关系
A:同一种物质：生成速率=消耗速率，即v正＝ v逆
B：不同的物质：
一找变量：“变量 → 不变”——平衡状态
二看方向：一正一逆
三看计量数：化学反应速率之比=化学计量数之比
②含量关系：反应混合物各组分的浓度、物质的量、百分含量（质量分数、摩尔分数、体积分数、分子数之比）保持不变；
总压强、总物质的量、混合气体的平均M、气体的密度、颜色等。
5、判断化学平衡的标志：直接标志
1. 在恒温恒容的容器中，当下列物理量不再发生变化时，能判断 已经达到化学平衡的是_______
①2v逆(B)＝v正(C)
②各反应物或生成物的浓度之比等于化学计量数之比
③某种气体的百分含量 ④混合气体的压强
⑤混合气体的密度 ⑥混合气体的总物质的量
⑦混合气体的平均相对分子质量 ⑧混合气体的颜色
A(s)＋2B(g) C(g)＋D(g)
③⑤⑦　
【随堂练习】
2. 将一定量纯净的氨基甲酸铵置于密闭真空容器中（假设容器容积不变，固体试样体积忽略不计），在恒定温度下使其达到分解平衡： H2NCOONH4(s)＝2NH3(g)+CO2(g)。下列各项：
① 2v(NH3)=v(CO2) ②密闭容器中总压强不变
③密闭容器中混合气体的密度不变
④密闭容器中氨气的体积分数不变 ⑤密闭容器中c(NH3)不变
能判断该反应已达到平衡状态（ ）
A.②③⑤ B. ②③④ C.①④ D.全部
A
二、化学平衡常数
序号 起始时各物质的浓度mol/L 平衡时各物质的浓度mol/L
H2 I2 HI H2 I2 HI 1 1.197×10-2 6.944×10-3 0 5.617×10-3 5.936×10-4 1.270×10-2 48.37
2 1.228×10-2 9.964×10-3 0 3.841×10-3 1.524×10-3 1.687×10-2 48.62
3 1.201×10-2 8.403×10-3 0 4.580×10-3 9.733×10-4 1.486×10-2 49.54
4 0 0 1.520×10-2 1.696×10-3 1.696×10-3 1.181×10-2 48.49
5 0 0 1.287×10-2 1.433×10-3 1.433×10-3 1.000×10-2 48.70
6 0 0 3.777×10-2 4.213×10-3 4.213×10-3 2.934×10-2 48.50
2
c (HI)
c(H2) · c(I2)
在457.6℃时反应体系I2(g) + H2(g) 2HI(g)中各物质的浓度如表所示
更加准确描述反应所进行的程度
请大家分析表中的数据，你能从中得到什么结论？
在一定温度时，当一个可逆反应达到平衡状态时，生成物平衡浓度的幂之积与反应物平衡浓度的幂之积的比值是一个常数，这个常数称为化学平衡常数简称平衡常数。用符号K表示。
①温度不变时，可逆反应达到化学平衡时， 为常数, 用K表示
c2(HI)
c(H2)·c(I2)
②常数K与反应的起始浓度大小无关；
③常数K与正向建立还是逆向建立平衡无关。即 与平衡建立的过程无关。
【学习任务一】认识浓度商与化学平衡常数
1．定义
对于一般的可逆反应：mA(g)＋nB(g)??pC(g)＋qD(g)，
（1）在任意时刻的
cp(C) · cq(D)
cm(A) · cn (B)
= Q（浓度商）
（2）当该反应在一定温度下达到化学平衡时
cp(C) · cq(D)
cm(A) · cn (B)
= K（化学平衡常数）
浓度商中的浓度为任意时刻的浓度，
平衡常数中的浓度为平衡时的浓度。
2．表达式
浓度的单位为mol·L-1 , K的单位为(mol·L-1) n
当浓度的单位为 mol·L-1，称标准平衡常数，标准平衡常数一般不写单位。
【学习任务二】化学平衡常数与方程式的关系
【活动1】写出下列反应的平衡常数K 的表达式
① C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)
② FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)
③ 2KClO3(s) KCl(s) + 3O2(g)
注意1：反应物或生成物中有固体和纯液体存在时，由于其浓度可看做常数不代入公式。
④ Cr2O72-(aq) +H2O(l) 2CrO42- (aq) +2H+ (aq)
⑤ C2H5OH (l) +CH3COOH (l) CH3COOC2H5 (l) +H2O (l)
K
=
注意2：关于液态水的处理
a.在水溶液中进行的反应，水的浓度不列入表达式
b.非水溶液中进行的反应，水的浓度须列入表达式
【活动2】写出下列反应的平衡常数K 的表达式
1.①2NO(g) + O2 (g) 2NO2 K1
②2NO2(g) N2O4 K2
③2NO (g) +O2(g) N2O4 (g) K3
K3 =K1 K2
①、②、③三者关系为:
K1、K2、K3三者关系为:
③ = ① + ②
结论1：方程式相加(减)，则K相乘(除)
K2 =1/K1
①、②二者关系为:
K1、K2二者关系为:
② = -①
结论2：正、逆反应，K互为倒数
②2NO2(g) 2NO(g) + O2(g) K2
2.①2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) K1
3.①1/2N2(g)＋3/2H2(g) NH3(g) K1
②N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) K2
①、②二者关系为:
② = 2①
K1、K2二者关系为:
K2 =K12
结论3：化学计量数变为原来n倍，
K变为Kn
表1: H2(g) + I2(g 2HI(g)不同条件下的平衡常数
序号 起始浓度 （×10－2 mol·L-1） 不同温度下的平衡常数(K ) c(H2) c(I2) c(HI) 457.6 ℃ 425.6 ℃ 25 ℃
1 1.197 0.694 0 48.38 54.51 867
2 1.228 0.996 0 48.61 54.62 867
3 0 0 1.520 48.48 54.10 867
4 0 0 1.287 48.71 54.42 867
平衡常数受哪些因素影响？请根据表1、表2数据，分析影响平衡常数的因素。
外因：平衡常数不受浓度的影响，受温度影响
【学习任务三】化学平衡常数的影响因素
表2: 25 ℃ 时，生成卤化氢反应的平衡常数
化学方程式 平衡常数 ( K )
F2(g) + H2(g) 2HF(g) 6.5 ×1095
Cl2(g) + H2(g) 2HCl(g) 2.57 ×1033
Br2(g) + H2(g) 2HBr(g) 1.91 ×1019
I2(g) + H2(g) 2HI(g) 8.67 ×102
内因：
平衡常数的大小，与反应中物质的性质有关
①根据平衡常数的大小，判断反应进行的程度
对于同类型的化学反应，K 越大，反应进行的程度越大，反应物转化率也越大。一般：
K ＞105，认为正反应进行得较完全
K ＜10-5 ，认为 正反应很难进行（逆反应较完全）
10-5 ≤ K ≤ 105 ，认为是可逆反应
【学习任务四】化学平衡常数的应用
对于可逆反应：
m A(g) + n B(g) p C(g) + q D(g)
是否平衡或平衡移动的方向，可用该时刻浓度商Q 与K 比较大小来判断。
在同一温度下：
Q ＝ K ，处于化学平衡状态
Q ＜ K ，向正反应方向进行
Q ＞ K ，向逆反应方向进行
②利用平衡常数判断反应是否达到平衡及化学反应进行的方向
任何可逆反应的终极目标都是使 Q=K
③利用平衡常数K可判断反应的热效应
若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应；
若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。
【学习任务五】化学平衡常数的相关计算
计算模型——三段式法——“列方程、始、变、平”
解(1)根据题意有:
K=
C(HI)2
C(H2)C(I2)
=0.25
H2 + I2 2HI
C0/mol .L-1
C/ mol .L-1
Ct/mol .L-1
0.010 0.010 0
0.0020 0.0020 0.0040
0.0080 0.0080 0.0040
【例题1】在某温度下,将H2和I2各0.10mol的气态混合物充入10L的密闭容器中,充分反应,达到平衡后,测得C(H2)=0.0080mol/L.
(1)求该反应的平衡常数
(2)在上述温度下,该容器中若通入H2和I2蒸汽各0.20mol.试求达到化学平衡状态时各物质的浓度。
解(2)设H2的消耗浓度为x
H2 + I2 2HI
C0/mol .L-1
0.020 0.020 0
C/ mol .L-1
X x 2x
Ct/mol .L-1
0.020-x 0.020-x 2x
K=
C(HI)2
C(H2)C(I2)
=0.25
=
(2x)2
(0.020-x)2
X=0.0040mol/L
C(H2)=c(I2)=0.016mol/L C(HI)=0.0080mol/L
【例题2】在容积不变的密闭容器中， 将2.0 mol CO与10 mol H2O混合加热到830 C，达到下列平衡: CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
此时该反应的K为1.0。求达到平衡时CO转化为CO2的转化率。
附 基本计算关系式
1）反应物的转化率 =
2）生成物的产率 =
3）B气体的体积分数 = B的
4）B气体的分压=气体的总压 B的
【思维拓展】 平衡常数之压强平衡常数
在化学平衡体系中，各气体物质的分压（分压 = 总压×该气体的体积分数或物质的量分数）代替浓度，计算的平衡常数叫做压强平衡常数。单位与表达式有关。如反应 aA（g）＋bB（g） cC（g）＋dD（g）,
对于在恒压（P0）容器中进行的反应 N2 (g)＋3H2(g) 2NH3(g) ，若起始投料为N2 1mol、H2 3mol，转化率50%，压强平衡常数Kp是多少？（列出K的计算式，用P0表示）