【化学课件】探究化学反应平衡原理课件

化学反应平衡原理化学反应平衡是化学中最重要的基础理论之一，它解释了化学反应的限度和方向通过深入理解平衡原理，我们能够预测反应的进行程度，控制反应条件，优化工业生产过程本课程将系统地探讨化学平衡的基本概念、数学描述、影响因素以及在实际生产和生活中的广泛应用课程大纲1化学平衡的基本概念理解平衡状态的本质特征和形成条件2可逆反应与动态平衡掌握可逆反应的特点和动态平衡的微观机理3化学平衡常数学习平衡常数的定义、计算和物理意义4影响化学平衡的因素探究温度、浓度、压力对平衡的影响规律化学平衡的基本概念平衡状态的定义平衡的本质特征化学平衡是指在密闭系统中，当可逆反应进行到某一程度时，正宏观上表现为静态各物质的浓度保持恒定，系统组成不再随时反应速率与逆反应速率相等，反应物和产物的浓度不再发生变化间变化微观上本质是动态分子层面的反应持续进行，正反应的状态这个状态代表了反应所能达到的最大程度和逆反应同时发生，但速率相等，使得整体组成保持稳定化学平衡的特征封闭系统条件可逆反应基础浓度恒定性化学平衡必须在封闭系统中建立，系只有可逆反应才能建立化学平衡不平衡状态下各物质的浓度保持恒定，统与外界没有物质交换，只能有能量可逆反应会完全转化为产物，无法形但这种恒定是动态的，是正反应消耗交换这确保了反应物和产物不会因成反应物与产物共存的平衡状态与逆反应生成相平衡的结果物质流失而影响平衡状态可逆反应双向进行特性符号表示法经典实例可逆反应是指在相同条可逆反应用双箭头⇌表合成氨反应₂N+件下，既能从反应物向示，上箭头代表正反应，₂⇌₃是工3H2NH产物方向进行，又能从下箭头代表逆反应，体业上最重要的可逆反应产物向反应物方向进行现了反应的双向性质之一，体现了可逆反应的反应在实际生产中的应用价值动态平衡的微观图像分子持续运动化学键动态变化平衡状态下分子不断进行热运动，发生化学键不断形成和断裂，但形成速率等12碰撞和相互作用于断裂速率宏观组成稳定反应速率相等43微观的动态变化导致宏观组成的相对稳正反应速率与逆反应速率达到动态平衡定实验证据染料平衡演示初始状态平衡状态两种不同颜色的染料溶液分别置于连通容器的两侧，呈现明显的颜色宏观上颜色分布达到稳定，但荧光标记实验显示分子仍在持续交换，分界线证明了动态平衡的本质123扩散过程染料分子开始相互扩散，颜色逐渐混合，系统朝着浓度均匀化的方向发展化学平衡的热力学基础热力学判据自由能变化是判断反应自发性的根本标准，GibbsΔGΔG0表示反应自发进行，表示反应不自发ΔG0平衡条件当系统达到化学平衡时，自由能变化为零（），GibbsΔG=0此时系统处于热力学稳定状态，没有净的化学变化反应进度概念引入反应进度来描述反应的进行程度，为建立平衡的定量关ξ系提供数学工具热力学表达式基本热力学关系式是描述系统自由能变化的基本方程，dG=-SdT+VdP+∑μᵢdnᵢGibbs其中是化学势，是物质的摩尔数变化μᵢdnᵢi恒温恒压条件简化在恒温恒压条件下，，这样可以专注于化学势变dG,=∑μᵢdnᵢₜₚ化对自由能的贡献，简化了分析过程反应进度的引入通过定义反应进度，建立的关系，其中是化学计量ξdnᵢ=νᵢdξνᵢ数，这为定量描述反应进行程度提供了统一标准反应的自由能变化Gibbs平衡判据1时系统达到平衡ΔᵣG=0反应商关系2与反应商的数学联系ΔᵣG Q化学势总和3表示反应的驱动力ΔᵣG=∑νᵢμᵢ反应的自由能变化是理解化学平衡的关键当时，系统达到平衡状态，正反应和逆反应的化学势变化相互GibbsΔᵣG=∑νᵢμᵢΔᵣG=0抵消反应商与标准自由能的关系为预测反应方向提供了定量工具Q Gibbs化学平衡常数概念质量作用定律1反应速率与反应物浓度幂次方的乘积成正比平衡常数定义2平衡时产物浓度与反应物浓度的特定比值表达式类型3浓度平衡常数和压力平衡常数Kc Kp化学平衡常数是定量描述化学平衡的核心概念，它源于质量作用定律，表示在特定温度下，当可逆反应达到平衡时，产物浓度的化K学计量数次幂的乘积与反应物浓度的化学计量数次幂的乘积的比值平衡常数的数学表达式浓度表达式压力表达式1对于反应⇌，aA+bB cC+dD Kc=气相反应Kp=PcᶜPdᵈ/PaᵃPbᵇ2[C]ᶜ[D]ᵈ/[A]ᵃ[B]ᵇ单位处理关系转换4标准平衡常数°为无量纲量，使用活，其中为气体分K3Kp=KcRT^ΔnΔn度表示子数变化平衡常数的物理意义10⁴10⁻⁴反应趋向完全反应几乎不发生值很大时，平衡位置极大地偏向产物一值很小时，反应物几乎不转化为产物K K侧1明显平衡状态K值在10⁻⁴到10⁴之间时，反应物和产物共存平衡常数是反应程度的量化指标，直接反映了反应进行的完全程度当时，K K1说明平衡时产物浓度远大于反应物浓度，反应趋向完全；当时，反应物浓度远K1大于产物浓度，反应几乎不发生平衡常数的特点浓度无关性催化剂无关性平衡常数的数值与反应物和产催化剂能够加快反应速率，缩物的初始浓度无关，只要温度短达到平衡的时间，但不会改相同，值就保持不变变平衡常数的数值和最终的平K衡组成温度相关性温度是影响平衡常数的唯一因素，温度变化时值会发生改变，这为K控制反应提供了重要手段平衡常数的测定方法化学分析法光谱法电化学法通过滴定、重量分析等利用紫外可见光谱、通过测量电极电位、电-经典化学方法测定平衡红外光谱等现代仪器分导率等电化学参数，间时各组分的浓度，进而析技术，根据吸收峰的接获得溶液中离子浓度计算平衡常数强度确定组分浓度信息物理性质法测量密度、折射率、沸点等物理性质的变化，建立与组成的关系来确定平衡浓度标准平衡常数表反应温度平衡常数K K₂₂⇌₃×⁻N+3H2NH

6733.610²₂₂⇌H+I2HI

73146.0₂⇌₂₂CO+H O CO+H

11001.0₂₂⇌₃2SO+O2SO973279₅⇌₃₂PCl PCl+Cl

5231.8这些数据在工业生产中具有重要的指导意义例如，合成氨反应的平衡常数相对较小，说明需要通过控制温度和压力来提高氨的产率而二氧化硫氧化反应的平衡常数较大，表明在适当条件下可以获得较高的三氧化硫转化率平衡常数与的关系ΔG°根据平衡常数预测反应方向QK反应商小于平衡常数时，产物浓度相对不足，反应向正方向进行，直至建立平衡Q=K反应商等于平衡常数时，系统已处于平衡状态，正逆反应速率相等，组成不再变化QK反应商大于平衡常数时，产物浓度过高，反应向逆方向进行，重新建立平衡反应商的计算方法与平衡常数相同，但使用的是任意时刻的浓度值而非平衡浓度Q通过比较与的大小关系，可以准确预测反应进行的方向，这在工业生产和实验Q K设计中具有重要的指导意义影响化学平衡的因素浓度变化温度变化改变反应物或产物的浓度直接影响反应速率温度改变会影响平衡常数，进而改变平衡组和平衡位置成催化剂压力变化催化剂改变反应速率但不影响平衡位置和平对于有气体参与的反应，压力变化会影响气衡常数体浓度勒夏特列原理1原理提出年，法国化学家亨利勒夏特列提出了这一重要原理，为1884·预测平衡移动提供了定性规律2核心内容如果改变影响平衡的一个条件，平衡就会向减弱这种改变的方向移动，系统会自动调节以抵消外界干扰3普遍适用性该原理不仅适用于化学平衡，还广泛应用于物理平衡和其他动态平衡系统的分析浓度变化对平衡的影响增加反应物浓度增加产物浓度当增加反应物的浓度时，根据勒夏特列原理，平衡会向消耗反应增加产物浓度时，平衡向消耗产物的方向移动，即向反应物方向物的方向移动，即向产物方向移动这会导致产物浓度增加，反移动这种移动会部分抵消产物浓度的增加，同时增加反应物的应物浓度相对降低，直到建立新的平衡状态浓度，系统重新达到平衡在工业生产中，常通过及时移走产物或补充反应物来使平衡朝有利方向移动，提高目标产物的产率和生产效率温度变化对平衡的影响范特霍夫方程放热反应°描述了对于放热反应，升高dlnK/dT=ΔH/RT²ΔH0平衡常数随温度的变化规律，为温度会使平衡常数减小，平衡向定量分析温度效应提供了理论基逆反应方向移动，产物浓度降低础吸热反应对于吸热反应，升高温度会使平衡常数增大，平衡向正反应方ΔH0向移动，产物浓度增加压力变化对平衡的影响气体摩尔数减少反应1时，增压使平衡向产物方向移动Δn0气体摩尔数增加反应2时，增压使平衡向反应物方向移动Δn0气体摩尔数不变反应3时，压力变化对平衡位置无影响Δn=0合成氨工业中采用个大气压的高压条件，正是利用了压力对平衡的影响由于₂₂⇌₃反应中气体分子数200-350N+3H2NH减少，高压有利于氨的形成，提高了反应的经济效益Δn=-2催化剂对平衡的影响速率加快效应催化剂能够同等程度地加快正反应和逆反应的速率，降低活化能，使反应更容易进行，但不改变反应的热力学性质平衡时间缩短虽然催化剂不能改变平衡常数和最终的平衡组成，但能显著缩短达到平衡所需的时间，提高生产效率工业应用考虑在工业生产中，催化剂的选择需要考虑活性、选择性、稳定性和经济性，合适的催化剂能大幅降低生产成本化学平衡计算方法已知求平衡组成K给定平衡常数和初始浓度，通过建立平衡表达式和物料守恒关系，求解平衡时各组分的浓度已知平衡组成求K根据平衡时测得的各组分浓度，直接代入平衡常数表达式计算值，这是实验测定的基本方法K K转化率计算通过平衡浓度计算反应物的转化率，评估反应进行的程度和工业生产的效率平衡计算的简化方法1近似条件判断2小量近似法3迭代法应用当平衡常数很小或很大时，可以采设反应物的转化量为，当远小于对于复杂的平衡系统，可以使用迭x x用近似方法简化计算一般当转化初始浓度时，可以近似认为平衡浓代法逐步逼近真实解，通过多次循率小于时，可以忽略反应物浓度等于初始浓度，大大简化计算过环计算获得满足精度要求的结果5%度的变化程平衡计算实例气相反应反应方程式初始条件设定1以₂₂⇌₃为例，在设初始时₂为，₂为，N+3H2NH N1mol H3mol2和下进行计算₃为，容器体积为773K30MPa NH0mol

22.4L方程求解平衡关系建立4将平衡浓度代入表达式，解得值，设₂的转化量为，则平衡时各组分为Kc x3N x进而求出各组分的平衡浓度₂，₂，₃N1-x H3-3x NH2x平衡计算实例溶液反应弱电解质电离沉淀溶解平衡以醋酸的电离₃⇌₃⁻⁺为例，根据在水中的溶解平衡⇌⁺⁻，根据溶度积CH COOHCH COO+H AgClAgCls Ag+Cl电离常数×⁻计算不同浓度醋酸溶液的值和电常数×⁻计算饱和溶液中⁺和⁻的浓度，Ka=

1.810⁵pH Ksp=

1.7710¹⁰Ag Cl离度计算中需要考虑水的电离平衡的影响以及的溶解度AgCl溶液中的平衡计算还需要考虑离子强度、活度系数等因素的影响，在精确计算中这些修正是必要的化学平衡的图像问题水的电离平衡

1.0×10⁻¹⁴

7.0离子积常数中性溶液pH°时水的离子积常数值纯水中氢离子浓度的负对数值25C Kw

55.6水的摩尔浓度标准状态下水的摩尔浓度mol/L水的自电离₂⇌⁺⁻是最基本的电离平衡，离子积常数H OH+OH Kw=⁺⁻×⁻°这个关系式是理论的基础，为酸[H][OH]=

1.010¹⁴25C pH碱计算提供了重要依据酸碱电离平衡弱酸电离弱酸的电离过程⇌⁺⁻是部分电离，电离常数⁺⁻表示电离程度电离常数越大，酸性越强，电离程度越高HA HAH+A Ka=[H][A]/[HA]弱碱电离弱碱的电离⇌⁺⁻同样是部分电离，电离常数⁺⁻通过和可以计算溶液的值BOH BOHB+OH Kb=[B][OH]/[BOH]Ka KbpHpH计算应用利用电离常数和物料平衡关系，可以精确计算弱酸弱碱溶液的值，这在分析化学和工业生产中具有重要意义pH沉淀溶解平衡溶度积定义1难溶电解质⇌⁺⁻的溶度积⁺⁻AmBn mAⁿ+nBᵐKsp=[Aⁿ]ᵐ[Bᵐ]ⁿ溶解度计算2通过可以计算难溶物质在水中的溶解度和饱和溶液中离子浓度Ksp沉淀条件判断3当离子积时产生沉淀，时沉淀溶解，QcKsp QcKsp Qc时达到溶解平衡=Ksp沉淀溶解平衡在分离提纯、环境治理、地质勘探等领域有广泛应用通过控制溶液条件可以实现选择性沉淀，达到分离不同离子的目的多重平衡盐效应络合效应惰性电解质的加入会增加离子络合剂的存在会与金属离子形强度，影响活度系数，从而影成络合物，改变溶液中的平衡共同离子效应响平衡关系效应pH当溶液中存在相同离子时，会溶液的变化会影响弱酸弱碱pH抑制弱电解质的电离或难溶物的电离程度和金属氢氧化物的的溶解溶解2314工业生产中的平衡应用合成氨1反应条件优化哈伯法合成氨反应₂₂⇌₃在°温度下进行，N+3H2NH400-500C这是在反应速率和平衡产率之间的最佳平衡点高压技术应用采用个大气压的高压条件，利用勒夏特列原理使平衡向氨的200-350生成方向移动，显著提高氨的产率铁催化剂系统使用含有₂和₂₃助剂的铁催化剂，在保持高活性的同时具有良K OAl O好的稳定性，大幅提高反应速率循环工艺设计未反应的氮气和氢气通过分离装置回收循环使用，提高原料利用率，降低生产成本工业生产中的平衡应用硫酸生产氧化反应SO₂₂₂⇌₃是放热可逆反应，需要精确控制温度2SO+O2SO以获得最佳的转化率和反应速率平衡催化体系V₂O₅五氧化二钒催化剂在°时活性最高，能够大幅降420-450C低反应活化能，提高反应效率分段控温技术采用多段反应器，每段控制不同温度，既保证高转化率又避免催化剂失活，最终转化率可达以上98%化学平衡在环境中的应用大气污染平衡水体溶解平衡酸雨形成机理大气中₂⇌₂的平衡₂在水中的溶解平衡₂₂和在大气中与水反应形成酸NO NO+½OCOCO+SO NOx反应影响光化学烟雾的形成温度升₂⇌₂₃⇌₃⁻性物质，涉及多个平衡反应通过控H OH COHCO+高时平衡向右移动，浓度增加，加⁺影响水体的值和水生生物的生制污染源排放，可以减少酸雨的形成，NO H pH剧空气污染理解这一平衡有助于制存环境海洋酸化就是这一平衡移动保护生态环境定减排策略的结果生物体内的化学平衡血液缓冲系统氧合血红蛋白平衡人体血液中的碳酸碳酸氢根缓冲对₂₃⇌₃⁻血红蛋白与氧气的结合₂⇌₂遵循化学平衡原理-H COHCO+Hb+O HbO⁺维持血液在的狭窄范围内这个平衡系统对在肺部高氧分压环境中平衡向右移动，血红蛋白结合氧气；在组HpH

7.35-

7.45维持生命活动至关重要，任何显著偏离都会导致酸中毒或碱中毒织中低氧分压环境下平衡向左移动，释放氧气供细胞使用生物体通过精密的平衡调节机制维持内环境稳态，这些化学平衡的微小变化都可能对生命活动产生重大影响化学平衡理论的历史发展1质量作用定律1864挪威化学家古尔德伯格和瓦格提出质量作用定律，为化学平衡理论奠定了基础，建立了反应速率与浓度的定量关系2热力学发展范特霍夫将热力学原理引入化学平衡研究，建立了平衡常数与温度关系的数学表达式，使平衡理论更加完善3勒夏特列原理1884法国化学家勒夏特列总结了平衡移动的规律，提出了著名的勒夏特列原理，为预测平衡变化提供了简洁有效的方法4现代理论完善世纪以来，随着量子力学和统计热力学的发展，化学平衡理论得20到了更深层次的理论解释和数学描述化学平衡的实验研究方法分析技术进步光谱技术应用计算机模拟从传统的化学分析方法红外光谱、紫外可见光分子动力学模拟和量子-发展到现代的仪器分析谱、核磁共振等现代光化学计算为理解平衡机技术，使得平衡研究的谱技术能够实时监测反理提供了强有力的工具，精度和效率大幅提升应过程，提供分子水平能够预测实验难以观测的信息的细节数据库建设建立了完善的热力学数据库，为工业设计和科学研究提供了可靠的基础数据支撑新型催化材料与平衡控制纳米催化剂纳米尺度的催化剂具有巨大的比表面积和独特的表面性质，能够显著提高催化活性和选择性纳米金、银、钯等贵金属催化剂在许多重要反应中表现出优异的性能生物催化剂酶催化剂具有高效性、选择性和环境友好等优点，在制药、食品加工等领域应用广泛通过蛋白质工程技术可以设计出性能更优的人工酶光催化技术光催化剂如₂能够利用太阳能驱动化学反应，在环境净化、TiO氢能制备等绿色化学领域具有重要应用前景化学平衡问题解题策略理解题意1仔细分析题目条件和要求建立方程2根据平衡常数和守恒关系列方程识别类型3判断是浓度、温度还是压力影响问题设定未知量4合理设定未知量，建立数学模型解决化学平衡问题需要系统的思维方法首先要准确识别平衡类型和影响因素，然后建立相应的数学方程，最后通过逻辑推理和计算得出结论熟练掌握各种题型的解法技巧，能够大大提高解题效率和准确性同时平衡问题的处理识别平衡系统建立数学模型1分析系统中同时存在的多个平衡反应，为每个平衡反应写出平衡常数表达式，明确各平衡之间的相互关系和影响2建立完整的数学方程组迭代求解确定求解顺序4采用迭代或数值方法求解复杂的非线性根据平衡常数大小和反应特点，确定主3方程组，获得各组分的平衡浓度要平衡和次要平衡的求解优先级典型题型平衡移动判断浓度变化题通过增减反应物或产物浓度来判断平衡移动方向关键是理解勒夏特列原理系统会朝减弱外界干扰的方向移动温度变化题根据反应的热效应判断温度对平衡的影响放热反应升温时平衡左移，吸热反应升温时平衡右移压力变化题只有气体分子数发生变化的反应才受压力影响增压时平衡向分子数减少的方向移动多因素综合题同时考虑温度、浓度、压力等多个因素的影响，需要逐一分析各因素的作用，综合判断最终结果。