化学反应速率与化学平衡(上)

化学反应速率与化学平衡(上)教学内容1.掌握化学反应速率的表示方式、计算方法及重要规律．2.了解活化分子、活化能、有效碰撞等概念3.理解并运用影响化学反应速率的因素4.掌握化学平衡的概念、特征、标志5.掌握平衡常数的表达式、作用。二、学习指导(一)化学反应速率1.概念:化学反应进行的快慢定量描述——化学反应速率----在反应中，某物质的浓度（一般指物质的量浓度）随时间的变化率2表示:一般用单位时间内某一种反应物或生成物的物质的量浓度的变化值来表示．表达式：vi＝ΔC／Δt单位：mol/(L×s)、mol/(L×min)等．3.注意(1)以上所指的反应速率是平均反应速率而不是瞬时反应速率．(2)同一反应在不同时刻，瞬时反应速率不同．(3)同一反应在不同时间内，平均反应速率不同．(4)同一反应在同一时间内，用不同物质来表示的反应速率可能不同．(5)中学阶段计算的是平均反应速率，图示的应是瞬时速率．3.规律对于同一反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)同一时间：vA:vB:vC:vD＝ΔnA:ΔnB:ΔnC:ΔnD＝ΔCA:ΔCB:ΔCC:ΔCD＝m:n:p:q即反应速率的数值之比等于这些物质在化学方程式中的化学计量数之比。4.图示对于一般反应：aA+bB====cC+dD反应物A的浓度随时间的变化曲线如图所示。在t1~t2内，平均反应速率以A的浓度变化表示为：v(A)=-Δc(A)/Δt=-(c2-c1)/(t2-t1)对于某一反应，各反应物或生成物的起始浓度是不一定的，但在同一时间内各物质的浓度变化(ΔC)却是一定的.作浓度(C)—时间(t)图一定要符合这一变化规律浓度c1c2Ot1t2时间如：有关2SO2＋O22SO3反应的下列图象正确的是（）抓住规律：V（so2）∶V（o2）∶V（so3）＝2∶1∶2ΔC（so2）∶ΔC(o2)∶ΔC(so3)＝2∶1∶2另外，对一可逆可应，必须同一时刻达到化学平衡，所以正确答案：Ｂ(二)影响化学反应速率的因素1.内因：物质本身结构及性质是反应速率的主要决定因素．例如：石油、煤的形成需要极其漫长的历史，而爆炸性的反应却在瞬间完成．分子要起反应，必须相互接触碰撞，但并不是每一次都能发生化学反应，能发生化学反应的只是少数能量较高的“活化”分子，“活化”分子所进行的碰撞叫有效碰撞。活化能是活化分子的平均能量与反应物平均能量之差。如图所示，图中E表示活化分子的平均能量；Ea、Ea’分别表示正、逆反应的活化能；E1、E2分别表示反应物分子和生成物分子的平均能量。由图可以看出：正反应的活化能：Ea=E–E1逆反应的活化能：Ea’=E–E2若EaEa’，表示正反应放热，逆反应吸热。图活化能的概念2.外因：外界条件在一定范围内影响反应速率．如浓度、温度、压强、催化剂及其它．(1)温度：升高温度不论对放热反应还是吸热反应，反应速率总是增大的．一般每．升高10℃,反应速率增大到原来的2－4倍．在浓度一定时，温度升高，反应物分子的平均能量增加，反应物分子中活化分子百分数增加，有效碰撞次数增多，从而加大了反应速率。注意：温度对反应速率的影响实际上是比较复杂的，有的反应随温度的升高，反应速率不一定加快。例如用酶催化的反应，酶只有在适宜的温度下活性最大，反应速率才达到最大。故在许多工业生产中温度的选择不许考虑催化剂的活性温度范围。(2)浓度：（其它条件不变）①若增加一种物质的浓度．．（不论是反应物还是生成物）后，活化分子百分数增加，单位体积内活化分子数目增多，有效碰撞次数增多，反应速率总是加快；反之，则减小．②固体或纯液体浓度视为常数，它们物质的量的变化不会引起反应速率的变化，故不能用它表示反能量O反应过程EEaEa’E2E1反应热反应物生成物tcSO2O2OS3tctc2O2OS3SOtcO2SO23OSABCD2311231231230.52.5OS2OS3O2应速率．但固体颗粒的大小导致接触面的大小，故影响反应速率．(3)压强：有气体物质参与，其它条件不变．①增大压强，容器体积减小反应速率总是增大．反之减小．②恒容条件，增加与反应无关的气体，容器总压增加，但与反应有关的气体物质各自的分压不变，各自浓度不变，故反应速率不变．③恒压条件，增加与反应无关的气体，容器体积增加，对于反应有关的气体物质相当于减压，故反应速率减小．总之，有气体参加的反应，压强的影响，实质上是指容器容积的改变，导致各气体的浓度同等程度的改变，从而影响反应速率．4．催化剂对反应速率的影响催化剂是通过降低反应的活化能，使活化分子百分数增大，活化分子增多来加快反应速率的。催化剂虽然在反应前后的质量和化学性质没有发生变化，但它却参与了化学变化过程，改变了原来的反应历程。需要注意的是：(1)对于可逆反应，催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率。在一定条件下，正反应的优良催化剂必定是逆反应的优良催化剂。(2)使用催化剂只能改变反应途径，不能改变反应的始态和终态，故催化剂只能加快反应达到平衡时的时间，而不能改变平衡状态，反应的热效应也和催化剂的存在与否无关。(3)催化剂只能加速热力学上认为可以实现的反应，对于热力学计算不能发生的反应，任何催化剂都不能改变反应发生的方向。(4)催化剂可以加快化学反应速率，也可以减慢化学反应速率，前者称之为正催化剂，后者称之为负催化剂。通常情况下，正催化剂用得较多，因此，若无特殊说明，都是指正催化剂而言。5．其它：如光、射线、超声波、反应溶剂、反应物的颗粒大小、形成原电池等因素等均可能引起化学反应速率的变化．(三)化学平衡的概念一定条件下的可逆反应里，正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组成成分的百分含量保持不变，这一状态称作化学平衡状态.可逆反应（1）前提外界条件一定v正＝v逆≠0（同种物质）（2）特征百分含量不随时间而变化（各种物质）(四)化学平衡的标志1．等速标志：v正＝v逆指反应体系中的同一种物质来表示的正反应速率和逆反应速率相等.对不同种物质而言，速率不一定相等.何谓“v正＝v逆”？如何理解？以N2＋3H22NH3反应为例单位时间、单位体积内①若有1molN2消耗．．，则有1molN2生成．．（同种物质，物质的量相等、词性相反）②若有1molN2消耗．．，则有3molH2生成．．（同侧不同种物质，物质的量之比＝系数对应比，词性相反.）③若有1molN2消耗．．，则有2molNH3消耗．．（异侧物质，物质的量之比＝对应系数比、词性相同）④若有1molN≡N键断裂,则有6molN-H键断裂(其它与上述相似)注意对象词性同种(侧)物质相反异侧物质相同2．百分含量不变标志正因为v正＝v逆≠0，所以同一瞬间同一物质的生成量等于消耗量.总的结果是混合体系中各组成成分的物质的量、质量、物质的量浓度、各成分的百分含量、转化率等不随时间变化而改变.3．对于有气体参与的可逆反应1）从反应混合气的平均相对分子质量（M）考虑M＝nm当△ng≠0,M一定时，则标志达平衡.当△ng＝0，M为恒值，不论是否达平衡.若有非气体参与：不论△ng是否等于0，则当M一定时，可标志达平衡实例：①H2(g)＋I2(g)2HI(g)△ng＝0②SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)△ng≠0③C(s)＋O2(g)CO2(g)△ng＝0④CO2(g)＋C(s)2CO(g)△ng≠0在实例反应①中，M总为恒值.在反应②、③、④中，只要反应未达平衡，则M不为定值．反之当M为一定值，不随时间变化而变化时，则标志着达到平衡状态.2）从气体密度考虑：ρ＝vm恒容：ρ总为恒值，不能作平衡标志当各成分均为气体时△ng＝0.ρ总为恒值，同上△ng≠0.ρ为一定值时，则可作为标志恒容：ρ为一定值时，可作标志恒压：△ng＝0.ρ为一定值时，可作标志3）从体系内部压强考虑：∵恒容、恒温．n(g)越大,P越大∴不论各成分是否均为气△ng＝0．则P为恒值，不能作标志体、只需考虑△ng．△ng≠0．则当P一定时，可作标志4）从体系内部温度考虑当化学平衡尚未建立或平衡发生移动时，反应总要放出或吸收热量．若各物质均为气体恒压：当有非气体物质参与时晨时当若为绝热体系，当体系内温度一定时，则标志达到平衡．（五）化学平衡常数对于可逆反应aA+bB====cC+dD，在一定温度条件下，可逆反应无论从正反应开始或是从逆反应开始，也无论起始时反应物浓度的大小，反应达到平衡时，各物质的浓度有如下关系：badccBADCK][][][][，式中Kc称为平衡常数，Kc仅随温度变化。平衡常数是表明化学反应在一定条件下进行的最大程度（即反应限度）的特征值，一般可认为，平衡常数越大，反应进行得越完全。注意：（1）如果有固体或纯液体参加反应或生成，它们的浓度视为1，例如：CaCO3(s)====CaO(s)+CO2(g)Kc==[CO2]（2）稀溶液中进行的反应，如有水参加，水的浓度也视为1，不写在平衡关系式中；非水溶液中进行的反应，如有水参加或生成，则水的浓度必须写入平衡关系式。三、典型例析例1．根据以下叙述回答下列问题.把0.6molX气体和0.4molY气体混合于2L容器中，使它们发生反应：3X（气）＋Y(气)nZ（气）＋2W(气)．5min末已生成0.2molW，若测知以Z浓度变化表示的平均反应速率为0.01mol/(Lmin),则：(1)上述反应中系数n的值是（）Ａ.1Ｂ.2Ｃ.3Ｄ.4(2)5min末时，Y的消耗量占原有量的百分数是（）解析(1)vW＝tc＝5202.0＝0.02（mol/Lmin）∵vW:vZ＝0.02:0.01＝2:n∴n＝1(2)ΔnY:ΔnW＝1:2ΔnY＝21×ΔnW＝21×0.2＝0.1（mol）4.01.0×100%＝25%.例2足量的Fe粉与一定量的盐酸反应,反应速率太快,为了减慢反应速率,但又不影响产生氢气的总量,应加入下列物质中的.Ａ.水Ｂ.NaCl(固)Ｃ.NaCl溶液Ｄ.Na2SO4溶液Ｅ.NaNO3溶液Ｆ.NaOH溶液Ｇ.Na2CO3溶液Ｈ.NaAc溶液Ｉ.CuSO4溶液解析①减慢反应速率降低[H+]稀释：用水、无关的盐或其它溶液变成弱酸：如NaAc②氢气总量不变总的Hn不变由上可知，Ａ、Ｃ、Ｄ加入的物质均可起到稀释作用，NaCl(固)无此作用；而NaNO3溶液加入后，存在H+、NO3-,与Fe反应无H2,故必须考虑HNO3的强氧化性．从而必须注意：并非所有的强酸强碱盐溶液都合适．另外，HCl与F、G、H中溶质均反应HCl＋NaOH＝NaCl＋H2O2HCl＋Na2CO3＝2NaCl＋H2O＋CO2↑HCl＋NaAc＝NaCl＋HAc由三个反应可知，NaOH、Na2CO3与HCl反应使H+→H2O，而常温下Fe不跟H2O反应，无H2放出；NaAc与HCl反应生成了弱酸HAc，但常温下Fe仍能与HAc反应，速率减小，但H2量不变：2HCl～2HAc～H2.故HCl经反应必须能生成稳定的弱酸才可行．再有CuSO4的加入，与Fe发生反应生成Cu附在Fe上，插在溶液中构成了无数微电池，大大加快反应速度．但因Fe足量，HCl量一定，故H2总量不变．本题答案：Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｈ.例3.已知在800K时，反应：CO(g)+H2O(g)====H2(g)+CO2(g)若起始浓度c(CO)=2mol•L-1，c(H2O)=3mol•L-1，则反应达平衡时，CO转化成CO2的转化率为60%，如果将H2O的起始浓度加大为6mol•L-1，试求此时CO转化为CO2的转化率。解:由第一次平衡时CO的转化率可求出平衡时各物质的浓度：[CO]=0.8mol•L-1，[H2O]=1.8mol•L-1，[H2]=1.2mol•L-1，[CO2]=1.2mol•L-1据此，求出Kc的值：18.18.02.12.1]][[]][[222OHCOCOHKc假设第二次平衡时，CO的转化浓度为x。CO(g)+H2O(g)====H2(g)+CO2(g)起始浓度/mol•L-12600平衡浓度/mol•L-12-x6-xxx0.1)6)(2(2x