一、化学平衡㈠化学平衡常数i i()()c K c υ=∏平衡㈡化学平衡的移动一定条件下化学反应达到平衡,正、逆反应速率相等,参与平衡各物的浓度或压强保持恒定。
改变条件,温度、浓度、压强,平衡将发生相应的移动。
根据反应前后,反应物物质的量和生成物物质的量而言只有相等,如A B C D E F ++=++⑴和不相等2A B 2C +=⑵两种反应。
对于⑴,不论改变条件时平衡按正向或逆向移动,体系中物质的量的总和不变。
若参与平衡的各物均是气态物,则在恒温条件下,改变体系压强只对⑵的平衡位置有影响。
因此,先讨论⑵,以在某温度下合成3NH 反应为例。
1.恒温,改变某物浓度、体系压强对平衡移动的影响某温度下,2N 、2H 和3NH 平衡体系中设各物浓度均为1c (表示第一种平衡体系中的浓度,而不是三者浓度相等)。
⑴恒容增加2N (设为2c ),平衡将向着生成3NH 方向移动,再次达平衡时(浓度分别为2c ),2H 和利用率提高(21c c <),3NH 的浓度增大(21c c >),但2N 的(总的)利用率却下降(212c c c <+)。
按:只改变2种反应物中的1种反应的浓度,平衡移动的结果,一般不可能是这两种反应物的利用率提高了或都下降了。
⑵增大体系压强,2p p →的瞬间,2N 、2H 、3NH 的浓度均增大了一倍(各为12c ),平衡向着生成3NH 的方向移动,再次达平衡时设各物浓度为3c ,结果是2N 、2H 的利用率都提高了,3NH 浓度增大(312c c >)。
(提请注意,2N 、2H 再次平衡浓度为1322c c c <<。
会出现31c c <的结果吗?)⑶降低压强,/2p p →瞬间,2N 、2H 、3NH 浓度都改变(各为1/2c ),平衡有利于3NH 的分解,再次达平衡时设各物浓度为4c ,结果是:2N 、2H 浓度都增大了,即41/2c c >,(请问:会出现41c c >的结果吗?为什么?)3NH 浓度下降,即41/2c c <。
以上3种改变条件对平衡移动的影响可归纳为:恒温,若反应体系容积不变,即⑴,只可能发生2N 利用率下降(升高)而2H 利用率升高(下降);若体系容积改变,平衡移动结果是2N 、2H 利用率都提高,即⑵或都下降即⑶。
这个结论具有普遍性,应适用于往合成3NH 体系加“惰气”,改变条件对溶液中平衡移动的影响。
化学平衡原理2.恒温,往合成氨平衡体系加少量“惰气”,平衡是否移动⑴保持体系体积不变,加入少量“惰气”如Ar 。
因加Ar 前后,2N 、2H 、3NH 的浓度未发生改变,所以平衡不发生移动。
⑵保持体系总压不变加入Ar 。
原先223N H NH p p p p =++总,加入Ar 后,223N H NH p p p p =++总Ar p +,即2N 、2H 、3NH 浓度以同等倍数下降,平衡将发生移动,结果同前述恒温减压,即有利于3NH 的分解。
⑶若对体系压缩,并同时通入Ar ,则2N 、2H 、3NH 浓度在瞬间以同等倍数增大,平衡移动的结果同前述增压,即向着生成3NH 的方向移动。
㈢分步讨论恒温对气体反应,无非是讨论在恒压或恒体积前提下改变条件对平衡移动的影响。
若按分步讨论很可能有利于理解并可由此培养科学思维。
往合成3NH 平衡体系中加2N ,或对它加压、减压,所得到平衡移动的规律适用于对平衡体系中加惰气,溶液中平衡移动已如前述。
现讨论改变只有一种反应物的体系的条件,平衡将如何移动?1.某温度下532PCl PCl Cl +反应开始时5PCl 为0.020mol/L ,设达平衡时5PCl 分解了50%,即532[PCl ]=[PCl ][Cl ]0.010mol/L ==。
若再加入50.020mol PCl ,平衡将如何移动? 解:⑴设是在恒温、恒压下加入5PCl ,则在达平衡时,加入的那份5PCl 也是532[PCl ][PCl ][Cl ]0.010mol/L ===。
显然体系的体积是原先的2倍,平衡未发生移动。
[加入的5PCl ,在该温度下分解达平衡不是平衡移动,图中(b)]⑵对上述加了5PCl 又达到了平衡的体系加压,使2p p →的瞬间,5PCl 、3PCl 、2Cl 的浓度均增大为0.020mol/L ,平衡将朝着生成5PCl 的方向移动,再次达平衡时5[PCl ]0.020mol/L >,而32[PCl ][Cl ]0.020mol /L =<。
具体值计算如下:532PCl PCl Cl +原平衡态/mol/L 0.010 0.010 0.010 加压后平衡态0.020x +0.020x -0.020x -22325[PCl ][Cl ](0.010mol/L)(0.010mol/L )[PCl ]0.010mol/L 0.020mol/L x K x-===+解得:0.0045mol/L x =再次达平衡时:32[PCl ][Cl ]0.020mol/L 0.0045mol/L 0.0155mol/L==-=,5[PCl ]=0.020mol/L+0.0045mol/L=0.0245mol/L ,即平衡向着生成5PCl 方向移动。
即由图的状态(b)→状态(c),是平衡向着生成5PCl 的方向移动。
此外,若对图平衡体系(a)加压(2p p →)的瞬间,5PCl 、3PCl 、2Cl 的浓度均增大为0.020mol/L ,平衡移动的结果同状态(c)。
就是说上述加0.020 mol 5PCl 后再加压过程,可按直接对平衡体系(a)加压(2p p →)对平衡移动来讨论,结果是相同的。
加5PCl 对532PCl PCl Cl +平衡的影响2.对于恒温下222HIH I (g)+平衡体系,反应物也只有一种,HI ,然其计量数为2(上例中5PCl 的计量数为1)。
若反应开始时,HI 为0.0100mol/L HI ,设达平衡时有30%的HI 分解,则[HI]=0.0070mol/L ,22[H ]=[I ]=0.0015mol/L 。
若再加0.0100mol HI ,平衡将如何移动?解:⑴恒压下加入0.010mol HI ,达平衡时,[HI]0.0070mol/L =,22[H ][I ]0.0015mol/L ==,平衡不发生移动,图中(b)。
(加入的HI 分解达平衡,也不是平衡移动)⑵对上述加了0.0100mol HI 并达平衡的体系加压,在2p p →瞬间,(HI)0.0070mol/L c =0.0070mol/L =+0.0140mol/L ,22(H )(I )0.0015mol/L+c c ==0.0015mol/L=0.0030mol/L ,即以相同倍数增大浓度,对反应前后物质的量相同的反应,不影响平衡位置,图(c)中。
⑶若对平衡体系(a)加压,2p p →平衡也不发生移动,结果同体系(c)。
分步讨论,实际上是每步讨论只有一个“改变因素”及由它所引起的相应变化,问题简单明了。
接着再讨论另一个“改变因素”及其所带来的变化,即逐个讨论多变因素的体系中的平衡移动。
例题:【例1】 32.0mol PCl 和21.0mol Cl 充入体积不变的密闭容器中,在一定条件下发生反应325PCl (g)Cl (g)PCl (g)+,达平衡时,5PCl 为0.40mol 。
如果此时移走31.0mol PCl 和20.50mol Cl ,在相同条件下再达平衡时,5PCl 的物质的量是()A .0.40molB .0.20molC .小于0.20molD .大于0.20mol ,小于0.40mol【例2】 (08·北大)压力的变化对不同类型的气相反应平衡移动产生了什么影响?若充以惰性气体又如何?【例3】 (07·北大)温度如何影响平衡常数?【例4】 讨论G ∆与G θ∆之间的区别、联系和应用。
二、水溶液中的离子平衡1.水的离子积2H O H OH +-=+平衡常数表达式为:[H ][OH ]W K +-= 2.弱酸的电离平衡常数(酸常数) 若以HA 为弱酸的通式,电离式为HAH A ++(此处HA 可以是分子,如HCN ,也可以是离子,如3HCO -):[H ][A]/[HA]a K +=电离平衡是向着生成相对弱的电解质方向移动。
如2.00mol/L HCl 和等浓度、等体积3CH COONa 溶液反应,即33CH COO H CH COOH -++31/(CH COOH)1K K ==/ 51.810-=×45.610×,达平衡时,3[H ][CH COO ]+-==31.310mol/L -×,“残留”的反应物仅为生成物浓度的约1.3%,可认为反应很完全。
0.200mol/L 3CH COOH 和等浓度、等体积4B(OH)-(硼酸根)反应,34CH COOH B(OH)-+3332CH COO H BO H O -++,3(CH COOH)/K K =33(H BO )K =51.810/-×105.810-=×43.110×,解得残余反应物浓度为45.610mol/L -×,约是生成物浓度的0.6%,反应很完全。
再如2365H CO C H O -+365HCO C H OH -+,312365(H CO )/(C H OH)~10K K K =,显然,通2CO 生成65C H OH 也是比较完全的反应。
总之,只要比较电离平衡常数就可判断反应完全的程度。
遇到两种电离常数相近的情况,如HF HCOO F HCOOH --++(HF)/(HCOOH)K K K =47.210/-=×41.810 4.0-=×,及23H S HCO -+=23HS H CO -+,12(H S)/K K =123(H CO )K =71.310/-×75.6100.23-=×,显然,都不是完全反应,因此若通2CO 入NaHS 溶液,逸出气体能使32Pb(CH COO)试纸显色(Pbs );通2H S 入3NaHCO 溶液,逸出气体能使2Ca(OH)溶液混浊。
3.溶度积M X M X m n m n+-+sp (M X )[M][X]m n m n K =若30.20mol/L AgNO 和等浓度、等体积NaCl 反应,Ag Cl AgCl +-+,1/sp=K K =1091/1.810 5.610--××,达平衡时残余[Ag ][Cl ]+-==5sp 1.310mol/L K -×,生成AgCl 是完全的反应。