第八章 化 学 平 衡 Chemical Equilibrium主 要 内 容1化学平衡和平衡常数的概念；2化学平衡的计算；3化学反应等温式；4. 化学平衡移动的原理。第一节 化学平衡1-1 可逆反应和化学平衡一. 可逆 反应和不 可逆反应在同一条件下，既能向正反应方向 又能向逆反应方向进行的反应称为 可逆反应。如果反应只能向一个方 向进行，则称不可逆反应。反应物产物可逆反应 反应物产物不可逆反应不可逆反 应有时用 箭头表示2可逆反应是化学反应的普遍现象，不可逆 反应是相对的。例如：2KClO3 2KCl+3O2N2O4 2NO2 N2+3H2 2NH3反应物生成物正反应速度V1逆反应速度V2V1V2: 反应正向进行V1 V2: 不可逆反应二、化学 平衡在可逆反应中，正 逆反应的速度相等 时，体系所处的状 态称为化学平衡。化学平衡是一种动态平衡，平衡条件包括体系各物 质的浓度、温度，条件改变，平衡将发生移动。请看 N2O4 2NO2 平衡体系的实验结果3化学平 衡特点1. 只有在恒温条件下，封闭体系中进行 的可逆反应，才能建立化学平衡，这是 建立化学平衡的前提。2. 正逆反应速度相等是化学平衡建立的条件。3.平衡状态是封闭体系中可逆反应进行的最 大限度，各物质浓度都不再随时间改变，这 是建立平衡的标志。4化学平衡是有条件的平衡。当外界因素改变 时，正、逆反应速度发生变化，原有平衡将受 到破坏，直到建立新的动态平衡。41-2 平衡常数一、化学 平衡定律在一定温度下，某个可逆反应达到平衡 时，产物浓度系数次方的乘积与反应物 浓度系数次方的乘积之比是一个常数。 这个关系称为平衡定律。 平衡定律 表达式K = Ee DdAa Bb注意：1.平衡状态，平衡体系各物质浓度保持不 变，但各物质浓度值与初浓度无关 2.平衡常数与各物质初浓度无关，但与温 度有关。aA +bB eE + dD5Kc = = = 7.3210-3 NH32N2H2342393由平衡定律 求平衡常数根据物料 平衡求初 时浓度答:该温度时合成氨反应的化学平衡常数是7.3210-3 , N2和H2的初时浓度分别为5 molL-1和15 molL-1 解： N2+3H2 2NH3 例1. 合成氨反应N2+3H2 2NH3 在某温度 下达平衡时，各物质的浓度是：N2=3molL-1 ，H2=9 molL-1，NH3=4 molL-1。求该温 度时的平衡常数和N2、H2的初时浓度C N2+1/2NH33+25 molL-1N2C H2+3/2NH39+615 molL-1H2K = Ee Dd Aa Bb6二、书写平衡常数关系式的规则原 则各项平衡浓度项只包括浓度可以变 化的项(即变量)。1.关系式中不包括固体和纯液体物质浓度项(因为它们的 浓度为常数)，只包括气态物质和溶液中各溶质的浓度。2.水溶液中的反应如有水参加，水浓度为常数，不写在 平衡关系式中。但对非水溶液反应，如有水生成或有水 参加，必须写上。如醋酸和乙醇的酯化反应:K = CH3COOC2H5 H2O CH3COOHC2H5 OH C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2OK = Ee Dd Aa Bb73.同一化学反应， 平衡常数关系式 因化学方程式的 写法不同而异。4.对于气态反应 ，除了可以用平 衡常数Kc表示外, 还可以用压力平 衡常数表示。N2O4(g) NO2(g) K2=K1 =0.602NO2(g) N2O4(g) K3= =2.781 K1N2O4(g) 2NO2 (g) K1= =0.36Kc = Ee DdAa BbaA +bB eE + dDKp = PE e PDd PAa PBbKp称压力 平衡常数Kc和Kp的关系 可以推导如下piV= niRT pi= ciRTKp = = Kc(RT)(e+d-a-b)cERTe cDRTdcARTa cBRTb 令e+d-a-b = nKp = Kc(RT) n K = Ee Dd Aa Bb想一想：在什么 条件下 Kp = Kc 8课堂练习写出下列逆反应的平衡常数KC和KP的表达式：(1) CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O(g)(2) C(s) + O2 CO2(3) Fe2O3(s) + 3H2 2Fe(s) + 3H2O(g)(4) CaCO3(s) CaO(s) + CO2解：（1） Kc = CO2 H2O2CH4 O2 2Kp = P P2P P2CO2H2OCH4O2（2）Kc = CO2 O2 Kp = P PCO2O2（3）Kc = H2O3H2 3Kp = P3 P3H2OH2(4) Kc = CO2 Kp = PCO29三、平衡常数的单位解：已知 Kc=0.507 T=673K n=2-1-3=-2 R=0.0821atmLmol-1K-1 时: Kp=Kc(RT)n = 0.507(0.0821673)-2 =1.6610-4 (标准平衡常数)R=8314PaLmol-1K-1:Kp=0.507(8314673)-2 =1.6210-14 (Pa-2) (必须写出单位)例2 已知反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 在673K时Kc=0.507，求Kp 。当浓度的单位为 molL-1或压力的单位为atm时， 称标准平衡常数，标准平衡常数不写单位。 但必须注意R的数值随压力单位的不同而不同 。K = Ee Dd Aa Bb10四、平衡常数的意义 1. 判断反应进行的程度，估计反应的可能性。K值越 大，反应越完全，K值越小，反应越不完全。 2. 判断反应进行的方向。 浓度商（压力商）化学反应任意时刻，产物浓度（分 压）系数次方的乘积与反应物浓度（分压）系数次方 的乘积之比称为浓度商（压力商），用符号Qc（QP） 表示。想一想: 平衡状态的浓度商或压力商, 就 是反应的平衡常数。这 种说法对吗？ （对，浓度商与平衡常数的表达式是相 同的，平衡常数是浓度商的一种特例）Qc = Ee DdAa BbQp = PE e PDd PAa PBbK = Ee Dd Aa BbK = Ee Dd Aa Bb113.判断反应的 进行方向Qc Kc，逆向反应自发进行。气相反应可以用压力商和Kp进行比较判断。判断下列说法是否正确：2、任何可逆反应在一定温度下，不论参加反应的物质浓度如 何不同，反应达到平衡时，各物质的平衡浓度相同。（ ）3、可逆反应达到平衡后，增加反应物浓度会引起KC改变。 （） 4、一个反应体系达到平衡时的条件是正逆反应速度 相等。（ ）FFF T1、根据反应式2P + 5Cl2 2PCl5 可知，如果2 mol 的 P 和5 mol 的 Cl2 混合，必然生成2 mol 的PCl5 。（ ）（因为可逆反应就不可能完全反应。）（各物质的浓度不随时间而变不等于各物质的浓度相等。）（反应常数与温度有关，与浓度无关。）（这是化学平衡的条件。）121-3 平衡转化率平衡转化率 = 100%平衡时已转化了的某反应物的量转化前该反应物的量初时浓度: 0.020 0.020 0 0 平衡浓度: 0.020-x 0.020-x x x K = = 9x2 (0.020-x)2解得:x=0.015 (molL-1 )转化率 = 100 = 75 % 0.015 0.020答: 该反应在所给条件 下的最大转化率是75%解：设平衡时CO2和H2的浓度为x molLCO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)例3、 一氧化碳变换反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)在 773K时,平衡常数Kc=9，如反应开始时CO和H2O的浓度都是0.020 molL，计算在这条件下，CO的转化率最大是多少？131-4 多重平衡规则某个反应可以表示为两个反应的和(或差)，则总 反应的平衡常数等于各分反应平衡常数之积(或商 )。这个关系称为多重平衡规则。同理： = - K1 = K3 / K2= + K3 = = = K1K2H2OCOH2CO2H2OH2O2O2COCO2推论:反应m = 反应 K1m = K2 反应m = 反应 K11/m = K2注意：在处理多 重平衡关系中,所 有平衡常数必须 在同一个温度。H2(g) + O2 H2O(g) K1 CO2(g) CO(g)+ O2 K2 H2(g)+CO2(g) H2O(g)+ CO(g) K3 141-5 化学反应等温式大部分的化学反应是在等温等压条件下进行的，所以讨 论等温等压下反应的可能性意义更大。 一、化学反应等温式 对于一个化学反应: aA(g)bB(g)dD(g)eE(g) 由热力学可推导出： rGrG2.303RTlgQpQp压力商，反应平衡时：rG0，QpKp 所以 rG= -2.303RTlgKp 即： rG-2.303RTlgKp2.303RTlgQprG = 2.303RT lg QPKP 对于稀溶液中的反 应，同样可推导出rG = 2.303RT lg QCKC15二、有关化学反应等温式的计算等温式中的平衡常数K是无量纲的，平衡常数略去单 位时，各物质的分压力应是用大气压表示，如果分压 用其它单位表示时，应用分压除以标准压力单位（即 所谓气体活度）；溶液中的反应各物质浓度单位是 molL-11、作为判断化学反应方向的判据rG = 2.303RT lg QPKPrG = 2.303RT lg QCKCQp = Kp，则rG0，反应处于平衡。 Qp Kp，则rG 0，正向反应不能自发进行。 Qp 0，所以在标准状态下正反应不能自发进行。 (2) 在非标 准状态下QP = (105)2-2 = 510-621025102 51044105rG = rG2.303RTlgQp = 28.6kJmol-1+ 2.3038.31410-3 kJK-1mol-1298.15K lg510-6 = -1.7 kJmol-1 rGKc)，化学平衡向着逆反应方向移动 。 化学平衡移动 原理的应用1.在可逆反应中，为了尽可能利用某一反应 物，经常用过量的另一物质和它作用如硫酸工业中的SO2的转化反应：2SO2+O2 2SO3 实际生产上是吹入过量的空气提高SO2的转化率Qc = Ee DdAa Bb182.不断地将生