第三章 化学平衡
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第三章化学反应进行的程度和化学平衡学习指导课程内容1. 化学平衡和平衡常数1) 化学平衡的基本特征2) 标准平衡常数3) 平衡常数与反应速率系数的关系4) 标准平衡常数的实验测定5) Gibbs函数与化学平衡2.标准平衡常数的应用1) 判断反应的程度2) 预测反应方向3) 计算平衡组成3. 化学平衡的移动1) 浓度对化学平衡的影响2) 压力对化学平衡的影响3) 温度对化学平衡的影响4) Le Chatelier原理5) 两个需要说明的问题1. 化学平衡和平衡常数1.1 化学平衡的基本特征1. 可逆反应习惯上将从左到右的反应称为正反应,从右到左的反应叫做逆反应。
在同一条件下既可以正向进行的又能逆向进行的反应称为可逆反应(reversible reaction)。
如:H2(g) + I2(g) =2HI(g)大多数化学反应都是可逆的。
在密闭容器中,可逆反应不能进行“到底”,即反应物不能完全转化为产物。
2. 不可逆反应有些反应逆向进行的趋势很小,正反应几乎能进行到底,这种反应叫做不可逆反应(nonreversible reaction)。
如氯酸钾的分解反应:该反应逆向进行的趋势很小。
3. 化学平衡对于任一个可逆反应,在一定条件下进行到某一时刻后,其正反应速率等于逆反应速率,即:υ(正)= υ(逆)此时反应物和生成物的浓度不会再发生改变。
反应系统所处的状态称为化学平衡(chemical equilibrium)。
4.化学平衡的基本特征(1)在适宜条件,可逆反应可以达到平衡状态。
(2)化学平衡是动态平衡,从微观上看,正、逆反应仍在进行,只是净反应结果无变化。
(3)当条件一定时,平衡状态下,平衡组成不再随时间发生变化。
(4)只要系统中各物种的组成相同,不管从那个方向开始,最终达到平衡时,系统组成相同,或称之为平衡组成与达到平衡的途径无关。
1.2 标准平衡常数1. 实验平衡常数大量的实验表明:在一定温度下,可逆反应达到平衡时,各产物浓度(或分压)幂的乘积与各反应物浓度(或分压)幂的乘积之比是一个常数,称为实验平衡常数(experimental equilibrium constant)。
第三章 化学平衡1.写出下列可逆反应的平衡常数Kc 、Kp 或K 的表达式(1)2NOCl (g) ⇋ 2NO (g) +Cl 2 (g) (2)Zn (s) +CO 2 (g) ⇋ ZnO (s) +CO (g) (3)MgSO 4 (s) ⇋ MgO (s) +SO 3 (g) (4)Zn (s) +2H + (aq) ⇋ Zn 2+ (aq) +H 2 (g) (5)NH 4Cl (s) ⇋ NH 3 (g)+HCl (g) 解:(1) Kc=222][][][NOCl Cl NO Kp=222NOClCl NO PP P ⋅ (2) Kc=][][2CO CO Kp=2CO CO P P(3) Kc=[SO 3] Kp=P 3SO (4) Kc=222][]][[++H H Zn(5) Kc=[NH 3][HCl] Kp=P 3NH ∙P HCl2.已知下列反应的平衡常数:HCN ⇋ H + + CN -K 1Θ=4.9×10-10NH 3 +H 2O ⇋ NH 4+ +OH -K 2Θ=1.8×10-5H 2O ⇋ H + + OH-K w Θ=1.0×10-14试计算下面反应的平衡常数: NH 3 + HCN ⇋ NH 4+ + CN -解:因为所求反应式=[反应式(1)+反应式(2)-反应式(3)] 根据多重平衡规则: K Θ=ΘΘΘ⋅WK K K 21=14510100.1108.1109.4---⨯⨯⨯⨯=0.8888.0100.1108.1109.41451021---⨯⨯⨯⨯==θθθθWK K K K3.在699K 时,反应H 2 (g) +I 2 (g) ⇋ 2HI (g)的平衡常数Kp=55.3,如果将2.00mol 的H 2和2.00mol 的I 2作用于4.00L 的容器内,问在该温度下达到平衡时有多少HI 生成? 解:设平衡时有x mol 的HI 生成H 2 (g) + I 2 (g) ⇋ 2HI (g)起始浓度 400.2 =0.5 400.2=0.5 0 (mol ·L -1)平衡浓度 0.5-24⨯x 0.5-24⨯x 4x (mol ·L -1)Kc=n RT Kp ∆)(=0)(RT Kp = Kp = ]][[][222I H HI =)85.0)(85.0()4(2x--= 55.3 解得 X= 3.15mol4.反应H 2 +CO 2 ⇋ H 2O +CO 在1259K 达到平衡,平衡时[H 2]=[CO 2] =0.440mol·L -1,[H 2O]=[CO] =0.560mol·L -1。
求此温度下反应的经验平衡常数及开始时H 2和CO 2的浓度。
解: H 2 (g) + CO 2 (g) ⇋ H 2O(g) + CO(g) 平衡浓度(mol ·L -1) 0.440 0.440 0.560 0.560Kc=]][[]][[222CO H CO O H =22440.0560.0 =1.62 Kp=Kc · (RT)n ∆ = Kc · (RT)0 = Kc = 1.62 开始时 [H 2]=[CO 2]=0.440+0.560=1.00 (mol ·L -1)5.可逆反应H 2O +CO ⇋H 2 +CO 2在密闭容器中建立平衡,在749K 时该反应的平衡常数Kc=2.6。
(1)求n H2O /n CO (物质的量比)为1时,CO 的平衡转化率;(2)求n H2O /n CO (物质的量比)为3时,CO 的平衡转化率; (3)从计算结果说明浓度对化学平衡移动的影响。
解:(1)设CO 的平衡转化率为x H 2O + CO ⇋ H 2 + CO 2起始浓度(mol ·L -1) a a 0 0平衡浓度 (mol ·L -1) a -ax a -ax ax axKc=]][[]][[222CO O H CO H =22)()(ax a ax -=2.6 解得 x = 0.62(2)设CO 的平衡转化率为xH 2O + CO ⇋ H 2 + CO 2起始浓度 (mol ·L -1) 3a a 0 0平衡浓度 (mol ·L -1) 3a -ax a -ax ax axKc=]][[]][[222CO O H CO H =))(3()(2ax a ax a ax --=2.6 解得 x=0.87(3)从(1)和(2)的计算结果说明增大某一种反应物(H 2O )的浓度,可以使另一种反应物(CO )的转化率增大。
6.HI 分解反应为2HI ⇋ H 2 + I 2,开始时有1.0molHI ,平衡时有24.4%的HI 发生了分解,今欲将分解百分数降低到10%,试计算应往此平衡系统中加若干摩尔I 2。
解:首先求Kc (假设体系总体积为1 L )2HI ⇋ H 2 + I 2起始浓度(mol ·L -1) 1.0 0 0平衡浓度(mol ·L -1)1.0(1-0.244)=0.756 2244.0=0.122 2244.0=0.122Kc=22756.0122.0=0.0260再设应该往此平衡系统中加入x molI 2,(假设体系总体积为1 L )2HI ⇋ H 2 + I 2起始浓度(mol ·L -1) 1.0 0 x平衡浓度(mol ·L -1)1.0(1-0.10)=0.90 210.0=0.050 x+210.0=x+0.050Kc=2)9.0()050.0(050.0+⨯x =0.0260 解得 x=0.37 mol7. 在900K 和1.00×105Pa 时SO 3部分离解为SO 2和O 2 SO 3 (g) ⇋ SO 2 (g) +1/2 O 2 (g)若平衡混合物的密度为0.925g·L -1,求SO 3的离解度。
解:设SO 3的离解度为x ,(假设SO 3的起始浓度为a mol ·L -1) SO 3 (g) ⇋ SO 2 (g) + 1/2 O 2 (g) 起始浓度(mol ·L -1) a 0 0平衡浓度(mol ·L -1) a (1-x ) ax 21ax依题意,平衡时该混合物的密度应等于: 0.925=RTM P ⋅ ①而xx a axM x a ax M x a x a M n n M M O SO SO ii i 21180)211(21)211()211()1(223+=+⋅++⋅++-⋅=⋅=∑ ② 联合①②解得 x=0.31(若用P=101.325kPa 来计算,x=0.34)8.在308K 和总压1.00×105 Pa 时,N 2O 4有27.2%分解为NO 2。
(1)计算N 2O 4 (g) ⇋ 2NO 2 (g)反应的Kp Θ;(2)计算308K 和总压2.026×105 Pa 时,N 2O 4的离解百分率; (3)从计算结果说明压力对平衡移动的影响。
解:(1) N 2O 4 (g) ⇋ 2NO 2 (g) 起始分压 (Pa ) P 0平衡分压(Pa ) (1-0.272)P 2×0.272P又总压P 总=P+0.272P=1.272P=P Θ∴ΘP P =272.11 ①Kp Θ=)/()/(4222ΘΘP P P P O N NO =ΘΘ⋅-⋅⨯P P P P )272.01()()272.02(22,将①代入,求得Kp Θ=0.32(2) N 2O 4的离解百分率为xN 2O 4 (g) ⇋ 2NO 2 (g) 起始分压(Pa ) P 0 平衡分压(Pa ) (1-x )P 2xP又总压P 总=(1-x )P +2xP=(1+x )P=2.026×105 Pa∴P=x+⨯110026.25Pa ① Kp Θ=ΘΘ-P P x P xP)1()2(2=0.32 ②联合① 、②,解得x=0.196(3)上面(1)和(2)的计算结果说明,恒温下,增大压力,平衡向着气体计量系数减小的方向移动。
对本反应来说,即是向着逆反应方向移动,使N 2O 4的离解百分率减小。
9.PCl 5(g )在523K 达到分解平衡: PCl 5(g ) ⇋ PCl 3 (g) + Cl 2 (g)平衡浓度:[PCl 5]=1.00 mol·L -1,[PCl 3]=[Cl 2] =0.204 mol·L -1若温度不变而压力减小一半时,新的平衡体系中各物质的浓度为多少?解: PCl 5(g ) ⇋ PCl 3 (g) + Cl 2 (g)平衡浓度: 1.00 0.204 0.204 (mol·L -1)Kc=][]][[523PCl Cl PCl =00.1204.02= 4.16×10-2PCl 5 的起始浓度应为:1.00+0.204=1.204 mol·L -1当温度不变而压力减小一半时,设新的平衡体系中Cl 2的浓度为x mol·L -1PCl 5(g ) ⇋ PCl 3 (g) + Cl 2 (g)起始浓度: 2204.1=0.602 0 0 (mol·L -1) 平衡浓度: 0.602-x x x (mol·L -1)Kc=][]][[523PCl Cl PCl =)602.0(2x x -=4.16×10-2 (一元二次方程)解得 x=0.139 mol·L -1而[PCl 5]=0.602-0.139=0.463 mol·L -1 [PCl 3]=[ Cl 2]=0.139 mol·L -110.对于下列化学平衡2HI (g) ⇋H 2 (g) + I 2 (g) 在698K 时,Kc=1.82×10-2,如果将HI (g )放入反应瓶中,问: (1)当HI 的平衡浓度为0.0100 mol·L -1时,[H 2]和[I 2]各是多少?(2)HI (g)的初始浓度是多少?(3)在平衡时HI 的转化率是多少?解:(1)设[H 2]=[ I 2 ]=x mol·L -1,则2HI (g) ⇋ H 2 (g) + I 2 (g)平衡浓度(mol·L -1): 0.0100 x xKc=22)0100.0(x =1.82×10 -2 解得 x=1.35×10 -3 mol·L -1(2)依题意HI 的初始浓度为:=HI C 0.0100+2x=1.27×10 -2 mol·L -1(3)平衡时HI 的转化率为:=α21027.12-⨯x×100%=21.2% 11.反应SO 2Cl 2(g )⇋SO 2(g )+Cl 2(g )在375K 时,平衡常数Kp Θ=2.4,以7.6g SO 2Cl 2和1.00×105 Pa 的Cl 2作用于1.0L 的烧瓶中,试计算平衡时SO 2Cl 2、SO 2和Cl 2的分压。