专题2化学反应速率与化学平衡
第二单元化学反应的方向和限度
第一课时化学反应的方向判断化学反应方向的依据
【引入】:
自然界中有许多现象是可以自发进行的,请结合自己的生活经验举例说明.
自然界中水总是从高处往低处流
电流总是从电位高的地方向电位低的地方流动
室温下冰块自动融化
墨水扩散
食盐溶解于水
火柴棒散落
化学反应中镁条燃烧、酸碱中和、铁器暴露在潮湿空气中生锈、甲烷和氧气的混合气体遇明火就燃烧、锌与CuSO4溶液反应生成Cu和ZnSO4等,这些过程都是自发的,其逆过程就是非自发的.
化学反应的方向.
1.自发过程:
在一定条件下,不借助外部力量就能自动进行的过程.
2.自发反应:在一定的条件下无需外界帮助就能自动进行的反应.
【过渡】:
如何判断一个过程,一个反应能否自发进行?
二、判断化学反应方向的依据.
【交流与讨论】:
酸碱中和、镁条燃烧等这些一定条件下能自发发生的反应有何共同特点?
△H 放热反应使体系能量降低,能量越低越稳定,△H 1.焓判据(能量判据).
体系趋向于从高能状态转变为低能状态
(这时体系会对外做功或者释放热量~△H﹤0)
【设问】:
自发反应一定要△H NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l)
H=+37.30kJ/mol
【结论】:
△H 焓变是反应能否自发进行的一个因素,但不是唯一因素.
为了解释这样一类与能量状态的高低无关的过程的自发性,科学家们提出了在自然界还存在着另一种能够推动体系变化的因素→熵.
2.熵判据.
(1).熵:体系混乱度的量度,即熵是用来描述体系的混乱度.
符号:S单位:J?mol-1?K-1.
体系混乱度越大,熵值越大;体系混乱度越小,熵值越小.
(2).熵变:反应前后体系熵的变化.
同一物质,S(g)﹥S(l)﹥S(s)
产生气体的反应、气体物质的物质的量增大的反应,熵变通常都是正值
(△S>0),为熵增加反应.
【设问】:
火柴散落、墨水扩散过程混乱度如何变化?从混乱度变化角度分析它们为什么可以自发?
自发过程的体系趋向于由有序转变为无序,导致体系的熵增大,这一经验规律叫做熵增原理,也就是反应方向判断的熵判据.
(3).熵判据:
混乱度越大越稳定,△S>0有利于反应自发进行
【设问】:
CaCO3(s)==CaO(s)+CO2(g)这个反应能否自发进行?
已知:H(298K)=+178.2KJ?mol,
△S(298K)=169.6J?mol-1?K-1[来源:Zxxk.Com]
【结论】:
△S>O有利于反应自发进行,自发反应不一定要△S>O.
熵变是反应能否自发进行的一个因素,但不是唯一因素.
3.复合判据(自由能变化).
△G=△H—T△S
当△G<0时,反应自发进行
当△G>0时,反应不自发进行
当△G=0时,平衡状态
温度对反应自发性的情况:
类型
△H
△S
△H—T△S
反应的自发性
1 - + 永远是—
任何温度都是
自发反应
2 + - 永远是+
任何温度下都是
非自发反应
3 - - 高温+低温—
高温是非自发反应
低温是自发反应
4 + + 高温—
低温+
高温是自发反应
低温是非自发反应
[来源:学科网] [来源:学科网ZXXK] 【注意点】:
(1).反应的自发性只能用于判断反应发生的方向,不能确定反应是否一定会发生和反应发生的速率.
如涂有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件,其发生腐蚀过程的自发性是相同的,但只有后者可以实现.
(2).在讨论过程的方向时,指的是没有外界干扰时体系的性质.如果允许外界对体系施加某种作用,就可能出现相反的结果.
如水泵可以把水从低水位升至高水位;高温高压石墨转化为金刚石的例子,实现后者的先决条件是要向体系中输入能量,该过程的本质仍然是非自发性的.
完成P42表2-5.
【课堂练习】:
1.下列过程是非自发的是D
A.水由高处向低处流B.天然气的燃烧
C.铁在潮湿空气中生锈D.室温下水结成冰
2.碳酸铵〔(NH4)2CO3〕在室温下就能自发地分解产生氨气,对其说法中正确的是A
A.其分解是因为生成了易挥发的气体,使体系的熵增大
B.其分解是因为外界给予了能量
C.其分解是吸热反应,据能量判据不能自发分解
D.碳酸盐都不稳定,都能自发分解
3.下列说法正确的是C
A.凡是放热反应都是自发的,由于吸热反应都是非自发的
B.自发反应一定是熵增大,非自发反应一定是熵减少或不变
C.自发反应在恰当条件下才能实现
D.自发反应在任何条件下都能实现
4.自发进行的反应一定是D
A.吸热反应B.放热反应
C.熵增加反应D.熵增加或者放热反应
第二课时化学平衡状态化学平衡常数
一、化学平衡的建立
1.可逆反应:在相同条件下同时能向正反应方向和逆反应方向进行的反应。[来源:学科网]
注:①.相同条件下的反应。
如:2H2+O2===2H2O,2H2+O2===2H2O(非可逆)
②.有气体参加的必须在密闭容器中
如:敞口容器:CaCO3==CaO+CO2↑不可逆
密闭容器:CaCO3CaO+CO2可逆
③.同时具有正反应速率、逆反应速率。
2.化学平衡
引言:初中溶解平衡
书P43CO+H2OCO2+H2
分析:①.反应刚开始时,反应物和生成物的浓度如何变化?V正、V逆变化?
②.随反应的进行,反应物和生成物的浓度如何变化?V正、V逆变化?
③.当V正=V逆时,反应物的浓度和生成物的浓度是否再变化?
1.定义:化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应里,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。
注:化学平衡的特征:动、等、定、变
A.反应平衡时,V正=V逆≠0,是动态平衡。V正=V逆是指同一个特定的物质的正、反速率。
B.反应混合物中,各物质的浓度不再改变,百分含量保持不变。但平衡时,各物质的浓度不一定相等。
C.外界条件变化时,原有平衡被破坏,出现新的平衡。
提问:1.某化学反应达到平衡时反应物的浓度等于生成物的浓度,是否正确?
2.化学反应达到平衡时,反应停止了,所以各物质的百分含量保持不变。这句话
对吗?
例1:二氧化氮在加热条件下能够分解成一氧化氮和氧气。该反应进行到35s时,达到平衡(NO2浓度约为0.010)。图中曲线表示二氧化氮分解反应在前20s内的反应进程。
①、若反应延续至60s,请在图中用实线接着画出20s~60s的反应进程曲线。
②、若在反应开始时加入催化剂(其他条件都不变),请在图上用虚线画出加入催化剂后的反应进程曲线。
2.化学平衡的判断
直接标志:A.V正=V逆
B.各组分的m、n不变。
C.通过含量:各组分的质量分数、物质的量分数、(恒温、衡压下)气体的体积分数不变。
D.通过浓度:各组分的浓度不变。
间接标志:A.通过总量:前提:气体反应Δ≠0时。体系的n(总)、p(总)、v(总)不变。
B.通过复合量:、ρ不变。
C.其他:如平衡体系颜色不变(实际是有色物浓度不变)
例:
1.在一定温度下,可逆反应4A(气)+5B(气)4C(气)+6D(气)达到平衡的标志是(D)
A.单位时间内消耗nmol的A,同时生成nmol的C
B.单位时间内消耗4nmol的A,同时生成5nmol的B
C.A、B、C、D的分子数之比为4∶5∶4∶6
D.容器的总压强不随时间而变化
2.在一定温度下,可逆反应A2(g)+B2(g)2AB(g)达到平衡的标志是(C)
A.容器的总压强不随时间而变化。
B.单位时间内有nmolA2生成同时就有nmolB2生成。
C.单位时间内有nmolA2生成同时就有2nmolAB生成。
D.单位时间内有nmolB2发生反应同时就有nmolAB分解。
3.下列哪种说法可以证明反应N2+3H22NH3已达平衡状态(AD)
A.一个NN健断裂的同时,有三个HH健形成。
B.一个NN健断裂的同时,有三个HH健断裂。
C.一个NN健断裂的同时,有六个NH健形成。
D.一个NN健断裂的同时,有三个HH健断裂。
4.H2(气)+I2(气)2HI(气)已经达到平衡状态的标志是(③④⑦⑨)
①c(H2)=c(I2)=c(HI)
②c(H2)∶c(I2)∶c(HI)=1∶1∶2
③c(H2)、c(I2)、c(HI)不再随时间而改变
④单位时间内生成nmolH2的同时生成2nmolHI
⑤单位时间内生成nmolH2的同时生成nmolI2
⑥反应速率v(H2)=v(I2)=v(HI)
⑦一个H-H键断裂的同时有两个H-I键断裂
⑧温度和体积一定时,容器内压强不再变化
⑨温度和体积一定时,混合气体的颜色不再变化
⑩温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化
(11)条件一定,混合气体的平均相对分子质量不再变化
5.常温下,将AmolNO2置于一体积可变的密闭容器中,保持压强恒定,发生反应2NO2(气)N2O4(气),达到平衡后,测得混合气体对氢气的相对密度为28.75,求NO2的转化率。
解析:巧解,差量法设原有NO21mol
2NO2=N2O4△n
2mol1mol
x1mol-
x=0.4mol∴40%
二、化学平衡常数
数据分析:书P44表2-6
定义:对反应mA+nBpC+qD
平衡常数K=
注:1.任一可逆反应K仅与温度有关,与浓度无关。即温度不变则K定值。
2.K意义:表示反应的程度,K越大,反应进行的程度越大。即原料转化率越大。
3.K与反应的起始方向无关,通过反应常数K′与平衡常数的比较,可判定反应
方向。
反应状态
K′=K平衡状态
K′>K向逆反应方向进行
K′ 4.反应中有固体和纯液体的,其浓度不随反应而变化,因此其浓度不计算在表达式中。
如:CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)K=c(CO2)
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(l)K=
5.稀溶液中反应物有水参加,水的浓度也不计算在内。
如:Cr2O72-+H2O2CrO42-+2H+K=
6.对同一个化学反应,不同的化学方程式对应不同的平衡常数关系及平衡常数。
如:N2O4(g)2NO2(g)K=
N2O4(g)NO2(g)K=
7.对于气体反应,可以用平衡时物质的量浓度表示,也可以用平衡时气体的分压表示。
N2O4(g)2NO2(g)K=
例:
1.在某温度下,可逆反应mA+nBpC+qD的平衡常数为K,下列说法正确
的是(AD)
A.K越大,达到平衡时,反应进行的程度越大。
B.K越小,达到平衡时,反应物的转化率越大。
C.K随反应物浓度的改变而改变。
D.K随温度的改变而改变。
E.K越大,反应的速率越大。
2.现由可逆反应CO(气)+H2O(气)CO2(气)+H2(气)-△H,在850℃时,K=1。
①若温度升高至950℃,反应达到平衡时,K_<___1(<、>、=)
解析:K值越大表示反应越易向正反应方向进行,升温反应逆反应方向移动即不易向正反应方向进行。
②850℃时在固定容积的密闭容器中放入混合物,起始浓度c(CO)=0.01mol/L,c(H2O)(气)=0.03mol/L,c(CO2)=0.01mol/L,c(H2)=0.05mol/L。则反应开始时,H2O(气)的消耗速率比生成速率___小____(大、小、不确定)
解析:反应常数K′==>1,即反应要向K=1的方向进行只能使分子减小、分母增大即向逆反应进行。
③850℃时,若将②中H2O起始浓度增加到0.1mol/L,则反应向(填正反应、逆反应)______方向进行;达到平衡时α(CO)=______。
解析:反应常数K′==<1正反应方向进行
温度不变即K不变CO(气)+H2O(气)=CO2(气)+H2(气)
起始浓度0.010.10.010.05
变化浓度xxxx
平衡浓度(0.01-x)(0.1-x)(0.01+x)(0.05+x)
K=1==得α(CO)
④保持容器温度、体积不变,若在容器中充入适量的H2,则重新达到平衡时,CO的反应速率比充H2之前___增大___(大、小、不确定)理由是什么?
解析:增大任一反应物或生成物的浓度,化学反应速率都增大。
3.在一定条件下,氨气和氮氧化物(NOn)能发生氧化还原反应。将一定量的氨气和氮氧化物充入一真空的恒容密闭容器中,保持温度不变,使反应达到平衡。
①配平化学方程式NH3(气)+NOn(气)N2(气)+H2O(气)
解析:4nNH3(气)+6NOn(气)(2n+3)N2(气)+6nH2O(气)
②分析氨气的反应速率v与时间t的关系如图所示,已知:m=0.22mol/(L·min),p=250。反应中氨气的瞬时速率与氨气的存留浓度的关系为v∶c(NH3)=1∶6(数据)。在下表①~⑤中填入v和c(NH3)。
tmin v(NH3)mol/(L·min) c(NH3)mol/L 0 0.22 ① 5 ② ③ 平衡时 ④ ⑤ 解析:由图可知,该反应在t=9min时达到平衡。另外由
速率-时间关系v-m=-知v=m-;又氨气的瞬时速率与氨气的存留浓度的关系为v∶c(NH3)=1∶6。联立求解。
tmin v(NH3)mol/(L·min) c(NH3)mol/L 0 0.22 1.32 5 0.17 1.02 平衡时 0.058 0.34
③若起始时混合气体总浓度为2.5mol/L,在恒温恒容条件下达到平衡时,测得压强是反应前的1.28倍,则NOn中的n是多少?
解析:由②可知:t=0,c(NH3)=1.32mol/L;达到平衡时,t=9min,c(NH3)=0.34mol/L。若取定容器体积为1L,则参加反应的氨气的物质的量是0.98mol。
又根据反应4nNH3(气)+6NOn(气)=(2n+3)N2(气)+6nH2O(气)△n=4n-3,知每有4nmolNH3参加反应,混合气体的物质的量就减少(4n-3)mol,
因此,得4n∶(4n-3)=0.98mol∶(0.28×2.5mol)n=2.625
(△n也可由定义求出n2=3.2mol△n=3.2mol-2.5mol=0.7mol)
0.030
0.020
0.010
浓度
60
50
40
30
20
10
时间/s
0.030
0.020
0.010
浓度
60
50
40
30
20
10
时间/s
t
v
达到平衡
V正=V逆
V正
V逆
反应物
生成物
t
mol
高温
催化剂
△
△
点燃
电解
v(NH3)
t
1
2
3
4
5
11
6
7
8
9
10
m
v-m=-(p为常数)
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