【化学课件】复习化学平衡课件

化学平衡课程概述1可逆反应的基本概念理解正反应与逆反应同时进行的特点2化学平衡的建立过程掌握从反应开始到平衡建立的动态过程3化学平衡的特征与表现学习动态性、可逆性和条件性等特征平衡常数及其应用第一部分可逆反应基础正反应与逆反应同时进行在相同条件下，反应物生成产物的同时，产物也分解生成反应物微观上的动态过程分子不断发生碰撞、断键和成键，反应持续进行宏观上的静止现象各物质的浓度保持恒定，看似静止实则动态平衡可逆反应的定义基本特征程度差异表示方法在一定条件下，正反应和逆反应同时实际上所有反应都是可逆的，只是程可逆反应的化学方程式中使用⇌符存在，用双箭头⇌表示这与不可逆度不同有些反应可逆程度大，有些号，表明反应既可以从左到右进行，反应使用单箭头有本质区别可逆程度小到可以忽略也可以从右到左进行→可逆反应的实例气相反应固气反应₂₄⇌₂（四氧化二氮与二氧化氮的平衡）₂⇌₃₄₂（铁与水蒸气反应）N O2NO3Fe+4H OgFe O+4H₂₂⇌（氢气与碘蒸气反应）₃⇌₂（碳酸钙热分解）H+I2HI CaCOCaO+CO可逆反应的动态过程反应初期正反应速率最大，逆反应速率为零，因为还没有生成物反应进行过程正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大达到平衡时正反应速率等于逆反应速率，各物质浓度保持恒定第二部分化学平衡的建立过程2浓度变化反应进程中各物质浓度的变化规律分子层面理解1从微观角度观察反应速率变化平衡建立条件达到动态平衡状态的必要条件3反应速率与浓度关系1反应物浓度高正反应速率大，分子碰撞频率高2生成物浓度高逆反应速率大，逆向反应进行快3浓度变化导致反应速率发生相应变化化学平衡的建立过程图示达到平衡的条件速率相等1₁₂v=v恒温恒压2外界条件稳定封闭系统3物质不与外界交换第三部分化学平衡的特征微观运动与宏观静止1分子层面持续运动，宏观表现静止平衡的动态性2反应持续进行但速率相等平衡的可逆性3可从任意方向达到同一平衡态平衡的条件性4依赖于特定的外界条件特征一动态平衡微观上反应持续进行，分子不断转化正逆反应同时发生，分子在反应物和生成物之间不断转换，体现了平衡的动态特性宏观上各物质浓度保持恒定虽然微观上分子在转化，但宏观观察到的各物质浓度不再发生变化，呈现静止状态速率关系正逆反应速率相等，不是为零这是动态平衡与静态平衡的根本区别，反应并没有停止，而是达到了动态平衡特征二可逆性正反应方向逆反应方向1平衡可以从反应物开始建立也可以从生成物开始建立2初始浓度最终状态43只与初始浓度比例有关与反应起始方向无关特征三条件性温度条件压力条件浓度条件温度改变会影响平衡位置和平衡常数压力变化影响气体反应的平衡状态反应物浓度变化导致平衡移动第四部分化学平衡常数平衡常数的定义特定温度下反应物与生成物浓度比值的常数平衡常数的计算根据平衡浓度和化学方程式计算值K平衡常数的单位由反应方程式中计量数决定单位平衡常数的意义反映反应进行的程度和反应的方向平衡常数的定义在一定温度下，化学反应达到平衡时，反应物和生成物浓度比值的常数对于反应⇌，平衡常数等于生成物浓度的幂次乘积除以反aA+bB cC+dD K应物浓度的幂次乘积方括号表示物质的平衡浓度，指数为化学方程式中[]各物质的化学计量数平衡常数只与温度有关，温度恒定时值不变K不同类型反应的平衡常数反应类型平衡常数表达式适用条件气相反应（浓度）、气体反应物和生成物Kc Kp（分压）溶液反应（浓度平衡常数）溶液中的离子反应Kc多相反应不包含固体和纯液体固体浓度视为常数气相反应既可以用浓度平衡常数表示，也可以用分压平衡常数表示溶Kc Kp液反应通常用表示在多相反应中，固体和纯液体的浓度被视为常数，不Kc参与平衡常数的表达式平衡常数的单位0Δn无单位情况有单位情况反应前后计量数相等时单位为mol/L^Δn±1常见单位或mol/L L/mol平衡常数的单位由反应方程式中各物质的计量数决定当反应前后气体分子总数相等时，平衡常数无单位当计量数不等时，平衡常数的单位为的mol/L次方，其中等于生成物计量数之和减去反应物计量数之和ΔnΔn平衡常数的大小与意义K10⁴反应几乎完全进行，产物浓度远大于反应物浓度⁻10⁴K10⁴反应进行程度适中，反应物和产物共存⁻K10⁴反应程度很小，反应物浓度远大于产物浓度平衡常数与反应方向的关系平衡常数与反应的书写方向密切相关当反应方向改变时，新的平衡常数变为原来的倒数当反应方程式的系数同时乘以倍K1/K n时，新的平衡常数变为原来的次方这些关系在比较不同反应或改写反应方程式时非常重要n K^n第五部分平衡移动原理勒夏特列原理浓度影响压力影响温度影响系统对外界变化的自发改变反应物或产物浓度对气体反应的压力效应升降温对平衡位置的影抵抗响勒夏特列原理基本表述抵抗原理预测应用如果对处于平衡状态的系统施加外系统总是抵抗外界变化，通过调整反利用该原理可以预测各种条件变化时力，平衡会向着能抵消这种外力影响应方向来减弱外界条件变化的影响，平衡移动的方向，为化学反应的控制的方向移动这是化学平衡的基本规体现了自然界的自我调节能力提供理论指导律浓度变化对平衡的影响1增加反应物浓度平衡向右移动，消耗增加的反应物，生成更多产物2增加产物浓度平衡向左移动，消耗增加的产物，生成更多反应物3减少反应物浓度平衡向左移动，补充减少的反应物4减少产物浓度平衡向右移动，补充减少的产物浓度影响实例反应方程式浓度调节策略₂₂⇌₃增加₂或₂浓度平衡向右移动，₃产量增加N+3H2NH NH NH这是合成氨的重要工业反应及时移出₃平衡向右移动，提高₃产率NH NH工业上通过连续移出₃来提高总产量NH压力变化对平衡的影响适用范围1仅对含气体的反应有影响增压效应2平衡向气体分子总数减少的方向移动减压效应3平衡向气体分子总数增加的方向移动特殊情况4气体分子数相等时，压力变化不影响平衡压力影响实例温度变化对平衡的影响升高温度降低温度1平衡向吸热反应方向移动平衡向放热反应方向移动2工业应用平衡常数变化43需要在产率和反应速率间平衡温度是唯一能改变值的因素K温度影响实例反应热效应₂₂⇌₃这是一个放热反应，放出大量热N+3H2NH+

92.4kJ能，根据勒夏特列原理分析温度对平衡的影响温度对平衡的影响升高温度平衡向左移动（吸热方向），₃产量减少降低温度平NH衡向右移动（放热方向），₃产量增加NH工业温度选择工业上为何不用更低温度？因为温度过低会使反应速率太慢，需要在平衡产率和反应速率之间找到最佳平衡点催化剂对平衡的影响2×0速率加速平衡位置同时加速正逆反应不改变平衡位置150%平衡常数时间节省值保持不变加速平衡建立K催化剂通过降低反应活化能，同时加速正反应和逆反应的速率虽然催化剂不能改变平衡位置、平衡产物的量或平衡常数，但它能显著缩短达到平衡所需的时间，这在工业生产K中具有重要意义催化剂的实际应用铁催化剂合成氨工业中使用₃₄催化剂，含₂、₂₃等助催化剂，提高反应效率Fe OK OAl OV₂O₅催化剂接触法制硫酸中使用钒催化剂，将₂氧化为₃，转化率可达以上SO SO98%生物酶催化酶在生物体内起催化作用，具有高效性和专一性，是生命活动的重要基础第六部分工业生产中的应用合成氨工业哈伯法制备氨气，条件优化的典型案例硫酸制造接触法制硫酸，多段转化提高效率硝酸制造奥斯特瓦尔德法制硝酸的平衡应用甲醇合成一氧化碳和氢气合成甲醇的工业过程合成氨工业条件选择条件理论最佳实际选择原因温度低温℃兼顾速率与平400-450衡压力高压设备成本限制15-25MPa催化剂高活性₃₄系含助催化剂Fe O产物处理及时移出循环分离提高总产率反应₂₂⇌₃是放热反应理论上低温高压有利于N+3H2NH+

92.4kJ₃的生成，但实际工业生产需要综合考虑反应速率、设备成本和操作安全NH性硫酸制造中的平衡考虑关键反应工艺优化₂₂⇌₃温度选择℃（平衡与速率的折中）2SO+O2SO+196kJ400-600这是接触法制硫酸的核心反应步骤催化剂₂₅钒催化剂系统V O分段转化，中间冷却提高总转化率接触法制硫酸流程图1原料预处理₂气体的净化和干燥，除去杂质SO2四层转化器分四段进行催化氧化，逐步提高转化率3中间冷却每段反应后冷却，利用低温有利于平衡右移4₃吸收SO用浓硫酸吸收₃制得发烟硫酸SO第七部分平衡的定量计算平衡常数的计算根据平衡浓度和反应方程式计算值K平衡浓度的计算已知值和初始条件求平衡浓度K平衡转化率的计算计算反应物的转化程度平衡产率的计算评估反应的经济效益指标平衡常数计算方法直接计算法根据已知的平衡浓度数据，直接代入平衡常数表达式进行计算，这是最基本也是最直接的方法转化率计算法根据初始浓度和已知的转化率，先计算各物质的平衡浓度，再求平衡常数需要注意单位的统一比较法利用两次不同条件下的平衡数据，通过建立方程组来求解平衡常数，适用于复杂的计算题目平衡浓度计算建立表设未知数列方程求解ICE（初始）、（变化）、通常设反应进行的程度为，根据化学将平衡浓度代入平衡常数表达式，解Initial Changex（平衡）三行表格，清晰计量数关系表示各物质的浓度变化一元方程求出值，进而得到各物质的Equilibrium x表示各物质浓度变化过程平衡浓度计算例题1题目条件解题过程₅⇌₃₂反应消耗₅PCl PCl+Cl PCl

0.5-

0.2=

0.3mol/L初始浓度₅₀生成₃和₂各[PCl]=

0.5mol/L PClCl

0.3mol/L平衡时₅₃₂₅×[PCl]=

0.2mol/L Kc=[PCl][Cl]/[PCl]=

0.

30.3/

0.2=

0.45求平衡常数Kc计算例题2第八部分实验探究实验观察因素验证通过颜色变化观察平衡移动验证各因素对平衡的影响数据分析常数测定处理实验数据得出结论实验测定平衡常数数值经典演示实验₂₄⇌₂N O2NO常温下降温时混合气体呈浅棕色，₂₄和₂共存颜色变浅接近无色，平衡向左移动生成更多₂₄N ONO NO1234升温时压力变化颜色加深变为深棕色，平衡向右移动生成更多₂增压颜色变浅，减压颜色加深NO⁺与⁻反应平衡Fe³SCN反应⁺⁻⇌⁺呈现无色到红色的变化通过向平衡体系中加入不同物质（如₃、、等），观Fe³+SCN[FeSCN]²FeCl KSCNNaOH察溶液颜色的变化，可以直观地验证勒夏特列原理加入⁺或⁻使红色加深，加入⁻结合⁺使红色变浅Fe³SCN OHFe³平衡常数的实验测定数据处理1计算平衡常数并分析误差滴定测定2用滴定法测定平衡浓度酯化反应3乙酸与乙醇的酯化平衡实验第九部分习题解析概念理解题1判断平衡相关概念的正误平衡移动判断2预测条件变化对平衡的影响定量计算题3计算平衡常数和平衡浓度综合应用题4结合实际问题的综合分析概念理解题示例判断题正确性解析正反应速率等于逆反正确这是平衡的基本条件应速率时，反应一定达到平衡化学平衡建立后，化错误平衡是动态的，反应学反应停止进行持续进行催化剂可以提高反应错误催化剂不改变平衡位的产率置温度升高，平衡常数错误取决于反应的热效应一定增大这些概念理解题考查学生对化学平衡基本概念的掌握程度需要特别注意平衡的动态性质、催化剂的作用机理以及各因素对平衡常数的影响规律平衡移动判断题示例升高温度₂₂⇌₃热，升温平衡左移，₃产量减少N+3H2NH+NH增大压力气体分子数，增压平衡右移，₃产量增加4→2NH通入惰性气体恒容时总压增大但分压不变，平衡不移动移出部分₃NH产物浓度减少，平衡右移，有利于₃生成NH计算题示例题目设置解题步骤₂₂⇌设反应进行程度为H+I2HI x mol/L已知平衡常数₂₂K=64[H]=[I]=1-x mol/L起始浓度均为1mol/L[HI]=2xmol/L求各物质的平衡浓度K=2x²/[1-x²]=64解得，所以₂₂，x=

0.8[H]=[I]=

0.2mol/L[HI]=

1.6mol/L综合应用题示例450°C20MPa温度选择压力选择平衡与速率的最佳折中设备成本与产率平衡98%15%催化效率单程转化率铁系催化剂转化效率循环操作提高总产率工业上合成氨需要综合考虑化学平衡理论、反应动力学、设备投资成本和操作安全性等多个因素虽然理论上低温高压最有利于₃的生成，但实际生产中必须在产率、速率、NH成本和安全之间找到最优平衡点本节课小结基础概念定量关系可逆反应与化学平衡的定义、特征和建平衡常数的定义、计算方法和物理意义立过程影响因素实际应用浓度、压力、温度对平衡移动的影响规化学平衡理论在工业生产中的具体应用律思考与拓展生物体系应用催化剂发展绿色化学平衡理论在酶催化反应、细胞代谢和生态纳米催化剂、单原子催化剂等新型催化材化学平衡与绿色化学理念结合，开发环境系统中的重要作用，为理解生命现象提供料的发展趋势，提高催化效率和选择性友好的化学工艺，实现可持续发展目标理论基础。