第五章化学平衡
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第五章化学平衡授课时数:8学时主要内容:1. 化学反应的等温方程式和化学反应的亲的势2. 理想气体化学反应的标准平衡常数3. 温度对标准平衡常数的影响4. 其它因素对理想气体化学平衡的影响5. 同时反应平衡6. 真实气体反应及混合物和溶液中反应的化学平衡重点:1. 化学反应标准平衡常数的定义;2. 平衡常数和平衡组成的计算;3. 化学反应的等温方程式和等压方程式及其应用;4. 温度、压力及惰性气体等因素对化学平衡的影响。
难点:1. 利用等温方程式判断一定条件下化学反应可能进行的方向;2. 范特霍夫方程式的推导及其应用。
教学方式:1. 采用CAI 课件与黑板讲授相结合的教学方式;2. 合理运用问题教学或项目教学的教学方法;3. 作业:1,3,4,5,8,10,11,14,15,18,20,21,22,24,26,27,28;4. 答疑:(a) 课后答疑;(b) 通过网络答疑。
5.1化学反应的等温方程1.摩尔反应吉布斯函数和化学反应亲和势在一定的温度、压力和非体积功为零的条件下,化学反应B0BB ∑=ν的摩尔反应吉布斯函数为⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆<=自发平衡0m r G定义化学反应的亲和势A 为m r G A ∆-=A 代表在恒温、恒压和'0W =的条件下反应的推动力。
A >0反应能自动进行;A =0反应处于平衡态;A < 0反应不能自动进行。
2.摩尔反应吉布斯函数与反应进度的关系,平衡条件对于化学反应B0BB ∑=ν,随着反应的进行,各物质的量均发生变化,对多组分系统BBB d d d d n p V T S G ∑++-=μ如果在恒温恒压下BBB d d n G ∑=μ根据反应进度的定义 BBd d νξn =,得ξνd n B B d =,代入上式,则ξμνd d BB B ∑=Gmr BB B ,)/(G G P T ∆=∑=∂∂μνξ式中的()pξ∂∂T,G 表示在T ,p 及组成一定的条件下,反应系统的吉布斯函数随反应进度的变化率, 恒温恒压下均相反应的G -ξ曲线示意图称为摩尔反应吉布斯函数变。
第五章 化学平衡一.基本要求1.掌握化学反应等温式的各种形式,并会用来判断反应的方向和限度。
2.了解标准平衡常数的定义,掌握标准平衡常数的各种表示形式和计算方法。
3.掌握标准平衡常数K 与r m G ∆在数值上的联系,熟练用热力学方法计算r m G ∆,从而获得标准平衡常数的数值。
4.了解标准摩尔生成Gibbs 自由能f m G ∆的定义和它的应用。
5.掌握温度对化学平衡的影响,记住van ’t Hoff 公式及其应用。
6.了解压力和惰性气体对化学平衡的影响。
二.把握学习要点的建议!把本章放在多组分系统之后的目的,就是要利用多组分系统中介绍的化学势的概念和各种表示方式,来导出化学反应等温式,从而用来判断化学反应的方向与限度。
本章又用到了反应进度的概念,不过其值处在0 1 mol -的区间之内。
因为在利用化学势的表示式来计算反应的Gibbs 自由能的变化值时,是将化学势看作为一个定值,也就是在有限的反应系统中,化学进度为d ξ,如果在一个很大的系统中, 1 mol ξ=。
严格讲,标准平衡常数应该用绝对活度来定义,由于本教材没有介绍绝对活度的概念,所以利用标准态化学势来对标准平衡常数下定义,其含义是一样的。
从标准平衡常数的定义式可知,标准平衡常数与标准化学势一样,都仅是温度的函数,因为压力已指定为标准压力。
对于液相反应系统,标准平衡常数有其相应的形式。
对于复相化学反应,因为纯的凝聚态物质本身就作为标准态,它的化学势就是标准态化学势,已经归入r m G ∆中,所以在计算标准平衡常数时,只与气体物质的压力有关。
学习化学平衡的主要目的是如何判断反应的方向和限度,知道如何计算平衡常数,了解温度、压力和惰性气体对平衡的影响,能找到一个经济合理的反应条件,为科研和工业生产服务。
而不要过多地去考虑各种浓度表示式和各种平衡常数表示式之间的换算,否则会把自己搞糊涂了,反而没抓住主要内容。
由于标准平衡常数与r m G ∆在数值上有联系,r m ln p G RT K ∆=-,所以有了r m G ∆的值,就可以计算p K 的值。
第五章 化学平衡 考研辅导题答案说明:如果答案有问题,请及时联系1、化学反应体系的ΔrGmθ是指( B )。
天津工业2006A 、 反应体系处于平衡状态下,体系G 的改变量;B 、由标准状态下各自独立的反应物变为标准状态下各自独立的产物,Δξ=1mol 假想变化中体系G 的改变量;C 、与ΔrGm 有相同的物理含义及数值;D 、总压力为101.325kPa 下,Δξ=1mol 的化学反应体系G 的改变量。
2、根据某一反应的ΔrGmθ,下列( D )不能确定。
浙江工业2005A 、 标准状态下,反应自发变化的方向;B 、在ΔrGmθ下所对应的平衡位置;C 、在标准状态下,系统所能做的最大非膨胀功;D 、提高温度反应速率的变化趋势。
3、摩尔反应吉布斯函数变∆rGm 不仅是___T__ 的函数,而且还是__P__ 的函数。
在G-ξ曲线上的最低点处∆rGm__=0_,此点即为系统的平衡点。
在平衡点的左边∆rGm<0_;在平衡点的右边∆rGm_>0__。
4、在恒T 、恒P 、非体积功为零的条件下,某反应的△G 负值很大,表明该反应进行的程度大,反应速度也快 ( 错 )5、在 中, 是化学反应达到平衡时的摩尔吉布斯函数的变化值。
( 错 )6、在T 、P 条件下化学反应2A(g)+B(g)⇔3C(g)自发地由反应物变为产物,则反应体系中化学势之间应满足( A )A 、 2μA+μB >3μC B 、2μA+μB <3μC C 、2μA+μB=3μCD 、 μA+μB >μC 7、在恒T ,恒P ,非体积功为零的条件下,反应2O3 =3O2在任何温度下都能自发进行,这说明该反应的( C )A 、 △H>0△S>0B 、△H>0 △S<0C 、△H<0 △S>0D 、△H<0 △S<0 8. 若某一化学反应的ΣνBμB <0,那该反应能自发向正反应方向进行,此叙述能成立的条件是体系处于( C )A 、等温B 、等压.等温C 、等温等压,除膨胀功外无其它功D 、等温无非膨胀功9、化学反应CaCO3=CaO+CO2,在某温度下若将CO2的压力保持在这样一个值,使得µ(CaCO3 )> µ(CaO) + µ(CO2),则CaCO3将_分解_.10、恒温恒压下,某反应的 =5kJ/mol ,无法判断该反应是否自发。
( 对 )θθK RT G m r ln -=∆θm r G ∆θm r G ∆11、反应器中盛有液态Sn 和SnCl 2,相互溶解度可以忽略,在900 K 通入总压为101.325 kPa的H 2—Ar 混合气体。
H 2与SnCl 2起反应,实验测出逸出反应器的气体组成是:50% H 2,7% HCl ,43% Ar(均为体积分数),试问在反应器中气相与液相达到平衡没有?已知: H 2+Cl 2==== 2HCl(g) Θ∆m r G =(-188289-13.134T)J·mol -1Sn (l)+Cl 2==== SnCl 2 (l) Θ∆m r G =(-333062+118.4T)J·mol -1解:反应:H 2+Cl 2==== 2HCl(g) (1)Θ∆m1r G = -188289-13.134×900= -200109.6 J=-200110JSn (l)+Cl 2==== SnCl 2 (l) (2)Θ∆m2r G = -333062+118.4×900= -226502 JSnCl 2(l) +H 2(g)= Sn (l)+2HCl(g) (3)Θ∆m3r G =?由(1)-(2)得(3):∴Θ∆m3r G = -200110-(-226502)= 26392 J lnK 3Θ=-26392/(8.314×900)=-3.5271 K 3Θ=2.94×10-2J P =(P HCl /P Θ)2/(P H2/P Θ)=0.072/(0.5)= 9.8×10-5∵ K Θ与 J P 相差很远∴ 未达平衡。
12、反应CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)在973K 时压力平衡常数Kp=0.71,若各物质分压为CO 100kPaH2O 50kPa,CO2和H2各10kPa ,则反应( A )浙江工业2003 A 、向右进行 B 、向左进行 C 、处于平衡 D 、反应方向难确定13、某反应A(s) == Y(g) + Z(g)的ΔrGm 与温度的关系为ΔrGm = (-45000+110 T/K)J ·mol-1,在标准压力下,要防止该反应发生,温度必须 ( A )A 、高于136 ℃B 、低于184 ℃C 、高于184 ℃D 、低于136 ℃ 14、在T = 600K ,总压p = 3×105Pa ,反应A(g) + B(g)= 2D(g),达平衡时,各气体物质的量之比为n A/n B = n B/n D =1,则此反应的 ( 0 ); ( 0 ) ( 1 ) r m G ∆=r m Gθ∆=K θ=15、16、Ag 可能受到H2S(g)的腐蚀,发生下列反应H2S(g)+2Ag(s)=Ag2S(s)+H2(g)25℃,将Ag(s)放到总压为p θ的H2与H2S 混合气体中,求在什么浓度下H2S 不使Ag 腐蚀。
已知此温度下 分别为Ag2S(s)=-40.25kJ/mol ,H2S=-32.93kJ/mol 解:得p(H2S)≤4.96kPa所以混合气体中H2S 的摩尔分数应低于x(H2S) ≤0.049617、反应 MgO(s)+H 2O(g)=== Mg(OH)2(s), Θ∆m r G =(-46024+100.42T) J·mol -1,试问:(1)在298 K 、相对湿度64%的空气中MgO(s)是否会水解成Mg(OH)2(s)?(2)在298 K ,为避免MgO 的水解,允许的最大相对湿度为多少? 已知298 K 时水的饱和蒸气压为2338 Pa 。
解: (1) MgO(s)+H 2O(g)=== Mg(OH)2(s)οrGm ∆=-46024+100.42T=-46024+100.42×298=-16098.8 J·mol -1相对湿度 RH=P H2O /P’H2O =0.64 P H2O =0.64 P’H2O =0.64×2338=1496.3 ParGm ∆=οrGm ∆+RTln(P o /P H2O )=-16098.8+8.314×298ln(100000/1496.3) =-5687.6 J·mol -1 rGm ∆<0 故 MgO(s)会水解(2) rGm ∆=οrGm ∆+RTln (P o /P H2O )≥0-16098.8+8.314×298ln(100000/ P H2O ) ≥0 ln P H2O ≤5.015, P H2O ≤150.66即相对湿度 RH= P H2O /P’H2O =150.66/2338=0.0644=6.44%18、潮湿的Ag 2CO 3在383 K 时于空气流中干燥,为防止分解,空气中CO 2的分压应为多少?已查得有关热力学数据如下:ΘmS /(J·mol -1·K -1)Θ∆mf H /(J·mol -1)m,p C /(J·mol -1·K -1)θm f G ∆)2()2(100ln 1015.298314.893.3225.40)()(ln)()(/)(/)(ln)()(0ln 322222222S H p S H p S H p H p RT S H G S Ag G p S H p p H p RT S H G S Ag G J RT G G m f m f m f m f p m r m r -⨯⨯⨯++-=+∆-∆=+∆-∆=≥+∆=∆-θθθθθθθ解:232Θ∆mr H (298)=-393510-30543+501660=77607 JΘ∆mr S (298)=213.68+121.75-167.4=168.03 J/KCp ∆=37.6+65.7-109.6=-6.3 J/K∴ Θ∆m r G (298)=77607-168.03×298=27534 J因为:Θ∆m r H (T)= 77607+⎰-TdT298)3.6(= 79484-6.3TΘ∆mr G /T=27534/298+⎰--TdTT T 2982/)3.679484(=79484/T+6.3lnT-210.22T∴ Θ∆m r G (T)=79484+6.3TlnT-25.48RT则:Θ∆m r G (383)= 13322 J, Kp o (383)=0.01524=P(CO 2)/P o所以Ag 2CO 3(s)的分解压为:P(CO 2)=1545Pa ,故CO 2的压力应大于1545 Pa 。
求Θ∆m r G 还有另外一种方法,想想?19、固体化合物A 放入抽空的容器中,发生分解反应:A(s)=B(g)+C(g).298K 测得系统总压(分解压)为90kPa,假设B 、C 为理想气体,则该条件下反应的标准平衡常数为(0.2025 )20、某反应的 =0,则该反应的标准平衡常数 =( 1 )21、已知反应:FeO(s)+H 2(g)=== Fe(s)+ H 2O(g) 的 Θ∆m r G =(13180-7.74T)J·mol -1;CO 2(g)+H 2(g)=== CO(g)+ H 2O(g) 的Θ∆m r G =(35982-32.63T)J·mol -1 (1)试计算1000 K 时下列反应的平衡常数:FeO(s)+CO(g)==== Fe(s)+CO 2(g)(2) 如果薄钢板在1000 K 下于含有10% CO 、2% CO 2和88% N 2(均为体积分数)的气氛中退火,会不会生成FeO? 解:(1) 已知 1000K 时:FeO(s)+H 2(g)==== Fe(s)+ H 2O(g) (1)ο1rGm ∆=13180-7.74×1000=5440 JCO 2(g)+H 2(g)==== CO(g)+ H 2O(g) (2)ο2rGm ∆=35 982-32.63×1000=3350 Jθm r G ∆θK由(1)-(2) 得 (3):FeO(s)+CO 2(g) ==== Fe(s)+CO(g) (3)∴ ο3rGm ∆=ο1rGm ∆-ο2rGm ∆=5440-3352=2088 JlnK 3o = -ο3rGm ∆/(RT)= -2088/(8.314×1000)= -0.2511K 3o =0.778(2) rGm ∆=οrGm ∆+RTln[(P CO /P o )/(P CO2/P o )]=οrGm ∆+ RTln (P CO / P CO2)=2088+8.314×1000ln(0.1/0.02)= 15.469kJ·mol -1rGm ∆>0∴ 钢板在所给气氛下退火会生成FeO 。