《无机与分析化学基础医学教育 Medical Education》第六章：化学反应速率和化学平衡

第六章化学反应速率和化学平衡无机与分析化学基础医学教育MedicalEducation学习目标：•1．了解化学反应速率、可逆反应和化学平衡的概念。•2．理解浓度、压强、温度、催化剂等条件对化学反应速率的影响。•3．理解化学平衡常数的表达式和化学平衡移动原理，能应用化学平衡移动原理解决实际问题。•4．掌握浓度、压强、温度等条件对化学平衡的影响。19:46第一节化学反应速率一、化学反应速率的概念和表示方法1、化学反应速率化学反应速率：是用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。符号用v表示。2、化学反应速率的表达式v=±（c2-c1为浓度改变量；t2-t1为所用时间。）上面公式中若用反应物浓度的变化来表示的化学反应速率，由于反应物浓度随时间的变化不断减少所以就为负值，为了统一使反应速率用正值表示，所以公式中加“－”号。2121-Δ=-ΔccctttΔc19:46例题6-1：今有一化学反应，在t1时刻测得各物质的浓度为c1，经过5min后，在t2时刻测得各物质的浓度为c2，各数值表示如下：A＋3B=2Ct1时刻c1（mol/L）684t2时刻c2（mol/L）428求：此化学反应在该条件下的速率是多少？解：vA=－=－=－==0.4mol/(L·min)vB=－=－=－==1.2mol/(L·min)vC=====0.8mol/(L·min)ct1212ttcc2121cctt2121ccttct4652582565ct2121cctt8454519:46通过以上计算可以得出以下结论：对于同一反应，若用不同物质的浓度变化表示的化学反应速率的大小是不同的，但都表示同一化学反应的速率。此外它们之间的关系与化学反应式中的化学计量系数成比例，即：vA：vB：vC＝0.4：1.2：0.8＝1：3：219:46二、影响化学反应速率的因素（一）浓度对学反应速率的影响当其他条件不变时，增大反应物的浓度，会增大化学反应速率；减小反应物的浓度，会减小化学反应速率。（二）压强对化学反应速率的影响当其他条件不变时，对于有气体参加的化学反应，增大压强会增大化学反应速率，减小压强会减小化学反应速率。注意：如果参加化学反应的物质是固体、液体或在溶液中进行，压强的改变对其体积影响很小，浓度也几乎不变，因此我们认为改变压强不影响固体和液体物质的化学反应速率。c19:46（三）温度对化学反应速率的影响当其他条件不变时，升高温度可以增大化学反应速率，降低温度可以减小化学反应速率。经过多次实验表明，当其他条件不变时，温度每升高10℃化学反应速率比原来提高2～4倍。（四）催化剂对化学反应速率的影响催化剂可以改变物质的化学反应速率。催化剂又可分为正催化剂和负催化剂。正催化剂可加快化学反应速率；负催化剂可减慢化学反应速率。19:46链接6-1：生物催化剂——酶•大多数酶是由蛋白质组成（少数为RNA）的，能促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。酶是细胞赖以生存的基础。酶主要有以下特征：•1.高选择性，一种酶参与一种反应，例如：淀粉酶只能促进淀粉水解，尿酶只能促进尿素水解。•2.高效性，相同条件下酶能成千万倍的增大化学反应速率。•3.高敏感性，由于大多数酶是蛋白质，因而会被高温、强酸、强碱等破坏而变性。19:46第二节化学平衡一、可逆反应和化学平衡(一)可逆反应和不可逆反应1、不可逆反应是在一定条件下，只能向一个方向进行的化学反应。2、可逆反应是在同一条件下，能同时向两个相反方向进行的化学反应。为了表示反应的可逆性，化学方程式中常用两个带相反箭头的符号“”代替“=”。(二)化学平衡在一定条件下，可逆反应的正反应速率等于逆反应速率，反应物浓度和生成物浓度不再随时间变化而改变的状态叫化学平衡状态，简称为“化学平衡”。19:46化学平衡是动态平衡，且在条件不变时v正=v逆≠0，即在化学平衡状态时反应物浓度和生成物浓度不随时间变化而改变，但反应却没有停止。可由图（6-1）表示：时间（t）反应速率（v）v正v逆v正＝v逆图6-119:46二、化学平衡常数由于在一定条件下，可逆反应达到化学平衡时反应物和生成物浓度都保持不变，此时各物质的浓度存在着一定的量的关系。对于任一可逆反应：aA+bBeE+fFKc=Kc称为化学平衡常数，a、b、e、f为反应物和生成物的化学计量系数，[A]、[B]、[E]、[F]为相应反应物与生成物的平衡浓度（单位为mol/L）；此关系式称为化学平衡常数表示式，它表示在一定条件下，可逆反应达到平衡时生成物浓度的化学计量数次幂乘积与反应物浓度的化学计量数次幂乘积之比是一个常数。efab[E][F][A][B]19:46平衡常数的大小可表示在平衡时反应中各物质的相对浓度大小，反映化学反应进行的程度。Kc越大平衡时生成物相对浓度越大，反应越彻底；Kc越小平衡时生成物相对浓度越小，反应越不彻底。但注意在同一个可逆反应中平衡常数Kc只与温度的变化有关，而与浓度的变化无关。链接6-2：平衡常数表达式的书写：1、固体物质和纯液态物质的浓度是为1；2、在稀溶液中进行的反应如有水参加，水的浓度是为1；3、反应方程式书写不同平衡常数的表达式就不同。例如：①N2+3H22NH3K1=②N2+H2NH3K2=显然这里K1≠K2。2NH33NH222/3NH31/3NH22132319:46例题6-2：在某温度下,将H2和I2各0.10mol的气态混合物充入10L密闭容器中，充分反应，达到平衡后，测得c(H2)=0.0080mol/L。（1）求反应的平衡常数。（2）在上述温度下,将H2和I2各0.20mol的气态混合物充入该密闭容器中,试求达到平衡时各物质的浓度和H2的转化率。解（1）：根据题意可得下列关系:H2(g)+I2(g)2HI(g)起始时各物质浓度（mol/L）0.0100.0100反应中转化的浓度（mol/L）0.00200.00200.0040平衡时各物质浓度（mol/L）0.00800.00800.0040根据化学平衡常数表达式：Kc=可得Kc==0.252[HI][H][I]2220.00400.00800.008019:46解（2）：根据题意可得下列关系:H2(g)+I2(g)2HI(g)起始时各物质浓度（mol/L）0.0200.0200反应中转化的浓度（mol/L）xx2x平衡时各物质浓度（mol/L）0.020－x0.020－x2x根据化学平衡常数表达式：Kc=可得Kc==0.25解得：x=0.0040mol/L平衡时各物质的浓度分别为：c(H2)平衡=c(I2)平衡=0.020－0.0040=0.01mol/Lc(HI)平衡=0.0040×2=0.0080mol/L。222[HI][H][I]2[2][0.020][0.020]xxx19:46该反应中H2的转化率为：==20%化学平衡常数Kc还是可逆反应是否达到平衡状态的标志。在可逆反应由起始态到平衡态程中的任一状态，生成物浓度的化学计量数次幂乘积与反应物浓度的化学计量数次幂乘积之比我们称之为浓度商，用Qc表示。Qc与Kc表达式在形式上完全相同，但其意义不同，通过二者的比较可以判断可逆反应进行的方向。对于任一可逆反应，当Qc＜Kc时，v正＞v逆，反应正向进行；当Qc＞Kc时，v正＜v逆，反应逆向进行；当Qc＝Kc时，v正＝v逆，反应体系处于平衡状态。H201000H2已转化的的浓度的原始浓度0.0040010000.02019:46第三节化学平衡的移动因反应条件的改变，使可逆反应从一种平衡状态向另一种平衡状态转化的过程叫化学平衡的移动。影响化学平衡的主要因素有浓度、压强和温度。一、浓度对化学平衡的影响当其他条件不变时，增大反应物的浓度或减小生成物的浓度，都会使平衡向正反应方向移动；增大生成物的浓度或减小反应物的浓度，都会使平衡向逆反应方向移动。19:46二、压强对化学平衡的影响对于有气体物质（不管是反应物还是生成物）参加的可逆反应，当其他条件不变时，增大压强，会使化学平衡会向气体体积减小的方向移动；减小压强，会使化学平衡会向气体体积增大的方向移动。此外，对于反应前后气体体积不变的反应，改变压强不会使化学平衡发生移动例如：N2(气)+O2(气)2NO(气)。19:46三、温度对化学平衡的影响在其他条件不变时，升高温度，化学平衡会向吸热反应方向移动；降低温度，化学平衡会向放热反应方向移动。吕·查德里原理法国著名化学家吕·查德里（HenryLeChatelier）把浓度、压强和温度对化学平衡的影响总结为一普遍规律：如果改变影响平衡的一个条件（浓度、压强和温度），平衡就向着减弱这种改变的方向移动，叫化学平衡移动原理，又称为吕·查德里原理。19:46