資源簡介

(共54張PPT)
第二章 化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率
授課人：
目錄
CONTENTS
第一節(jié)
化學(xué)反應(yīng)的方向
第二節(jié)
化學(xué)反應(yīng)的限度
第三節(jié)
化學(xué)反應(yīng)的速率
第四節(jié)
工業(yè)合成氨
第一節(jié)
Part One
化學(xué)反應(yīng)的方向
自發(fā)反應(yīng)：在給定條件下，能“自己”進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)
一、化學(xué)反應(yīng)的方向
特征
①具有方向性，即反應(yīng)的某個方向在一定條件下是自發(fā)的，則其逆反應(yīng)在該條件下肯定不自發(fā)。②體系趨向于從高能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芰繝顟B(tài)。③體系趨向于從有序體系轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序體系。
自發(fā)過程或反應(yīng)具有方向性，即過程或反應(yīng)的某個方向在一定條件下自發(fā)進(jìn)行，而該過程或反應(yīng)的逆方向在該條件下肯定不能自發(fā)進(jìn)行。
能夠自發(fā)進(jìn)行的過程或反應(yīng)在常溫下不一定能夠發(fā)生，自發(fā)性只能用于判斷過程或反應(yīng)的方向，不能確定過程或反應(yīng)是否一定會發(fā)生和發(fā)生的速率。
總結(jié)
一、化學(xué)反應(yīng)的方向
一、化學(xué)反應(yīng)的方向
1. 化學(xué)反應(yīng)的方向與焓變
在恒壓下，有些自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)是放熱的（ΔH＜0）。
放熱反應(yīng)過程中體系能量降低。
焓變是判斷反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的一個因素，但不是唯一因素。
定義：衡量一個體系混亂度的物理量，符號：S。
熵
一、化學(xué)反應(yīng)的方向
2. 化學(xué)反應(yīng)的方向與熵變
熵變：反應(yīng)前后體系熵的變化，符號：ΔS。
ΔS=S(生成物)－S(反應(yīng)物)
如果發(fā)生變化后體系的混亂度增大，那么該過程的ΔS＞0；反之，ΔS＜0。
二、焓變與熵變對反應(yīng)方向的共同影響
體系能量減小和混亂度增加都能促使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，焓變和熵變共同制約著化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向。
在等溫、等壓條件的封閉體系中，
ΔG=ΔH-TΔS
T為熱力學(xué)溫度，為正值
ΔG=ΔH-TΔS
＜0
一定能自發(fā)進(jìn)行
=0
達(dá)到平衡狀態(tài)
＞0
一定不能自發(fā)進(jìn)行
二、焓變與熵變對反應(yīng)方向的共同影響
規(guī)律總結(jié)
ΔH ΔS 反應(yīng)的自發(fā)性
＜0 ＞0 ΔG=ΔH－TΔS＜0，一定能自發(fā)進(jìn)行
＞0 ＜0 ΔG=ΔH－TΔS＞0，一定不能自發(fā)進(jìn)行
＜0 ＜0 在較低溫度下能自發(fā)進(jìn)行
＞0 ＞0 在較高溫度下能自發(fā)進(jìn)行
二、焓變與熵變對反應(yīng)方向的共同影響
第二節(jié)
Part two
化學(xué)反應(yīng)的限度
一、化學(xué)平衡常數(shù)
定義：在一定溫度下，可逆反應(yīng)無論從正反應(yīng)方向開始，還是從逆反應(yīng)方向開始，也無論反應(yīng)開始時反應(yīng)物和生成物的濃度大小，當(dāng)達(dá)到平衡時，生成物濃度冪的乘積除以反應(yīng)物濃度冪的乘積的比值是個常數(shù)，這個常數(shù)叫做該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)，簡稱平衡常數(shù)，用符號K表示。
化學(xué)平衡常數(shù)是表征反應(yīng)限度的一個確定的數(shù)學(xué)關(guān)系、定量關(guān)系，是反應(yīng)限度的最根本的表現(xiàn)。對判斷化學(xué)平衡移動方向提供了科學(xué)的依據(jù)。
用途
化學(xué)平衡常數(shù)是定量描述化學(xué)反應(yīng)限度的物理量。
K ＝
cp(C) cq(D)
cm(A) cn(B)
對于一般的可逆反應(yīng)
m A(g) + n B(g) p C(g) + q D(g)
在一定溫度下達(dá)到化學(xué)平衡時，各物質(zhì)平衡時的濃度滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：
一、化學(xué)平衡常數(shù)
意義：
一、化學(xué)平衡常數(shù)
1
2
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.
K值越大，表示反應(yīng)進(jìn)行得越完全，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越大；
K值越小，表示反應(yīng)進(jìn)行得越不完全，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越低。
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit.
一般地，K＞10-5時，認(rèn)為該反應(yīng)進(jìn)行得較完全了。
當(dāng)K<10－5時，該正反應(yīng)進(jìn)行的程度非常小。
注意：化學(xué)反應(yīng)速率快，化學(xué)平衡常數(shù)不一定大。
一、化學(xué)平衡常數(shù)
化學(xué)平衡常數(shù)的影響因素
-內(nèi)因：反應(yīng)中物質(zhì)的性質(zhì)
-外因：對于同一可逆反應(yīng)，化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)
若反應(yīng)方向改變、化學(xué)計(jì)量數(shù)等倍擴(kuò)大或縮小，化學(xué)平衡常數(shù)都會相應(yīng)改變。
已知兩反應(yīng)的平衡常數(shù)分別為K1、K2
化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式與化學(xué)方程式的書寫有關(guān)。
2、若兩反應(yīng)相減，則總反應(yīng)的平衡常數(shù)K＝K1/K2。
1、若兩反應(yīng)相加，則總反應(yīng)的平衡常數(shù)K＝K1·K2。
一、化學(xué)平衡常數(shù)
4、若兩反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物相同，反應(yīng)1的系數(shù)是反應(yīng)2 的n倍，則K1＝K2n。
3、若兩反應(yīng)互為逆反應(yīng)，則K1 K2＝1。
一、化學(xué)平衡常數(shù)
判斷反應(yīng)的方向
1
濃度商：用任意狀態(tài)的濃度冪之積的比值，用Q 表示
Q ＝
cp(C) cq(D)
cm(A) cn(B)
m A(g) + n B(g) p C(g) + q D(g)
Q＜K：可逆反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行。
Q＞K：可逆反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行；
Q＝K：可逆反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；
應(yīng)用
二、平衡轉(zhuǎn)化率
α ＝ ×100%
反應(yīng)物的減少量
反應(yīng)物的起始量
平衡轉(zhuǎn)化率
達(dá)到化學(xué)平衡時，反應(yīng)達(dá)到該條件下物質(zhì)轉(zhuǎn)化的最大“限度”，即反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率最大。
＝ ×100%
反應(yīng)物的起始濃度—反應(yīng)物的平衡濃度
反應(yīng)物的起始濃度
轉(zhuǎn)化率能更直觀地表示化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。
二、平衡轉(zhuǎn)化率
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
濃度
平衡向正反應(yīng)方向移動
增大c(反應(yīng)物)
減小c(生成物)
Q減小
Q＜K
減小c(反應(yīng)物)
增大c(生成物)
平衡向逆反應(yīng)方向移動
Q增大
Q＞K
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
濃度
用v－t圖像分析濃度變化對化學(xué)平衡移動的影響
平衡向正反應(yīng)方向移動
t1時刻，增大反應(yīng)物濃度
v′正增大，而v′逆不變
v′正＞v′逆
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
濃度
用v－t圖像分析濃度變化對化學(xué)平衡移動的影響
平衡向正反應(yīng)方向移動
t1時刻，減小生成物濃度
v′逆減小，而v′正不變
v′正＞v′逆
總結(jié)：在其他條件不變的情況下，增大反應(yīng)物的濃度或減小生成物的濃度，都可以使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動；
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
濃度
固體或純液體的濃度是常數(shù)，改變固體或純液體的量并不影響v正、v逆的大小，平衡不移動。
“濃度對化學(xué)平衡移動的影響”中的“濃度”是指與反應(yīng)有關(guān)的氣體或溶液中參加反應(yīng)的離子的濃度。
對于離子平衡體系，注意離子濃度的改變方式，排除不參與反應(yīng)的離子的干擾。
1
2
3
注意
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
壓強(qiáng)
②減小壓強(qiáng)，化學(xué)平衡向氣體體積增大的方向移動。
壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響規(guī)律
當(dāng)其他條件不變時：
①增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡向氣體體積減小的方向移動。
③對于反應(yīng)前后氣體分子數(shù)目不變的反應(yīng)，改變壓強(qiáng)平衡不移動。
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
壓強(qiáng)
用v－t圖像分析壓強(qiáng)變化對化學(xué)平衡移動的影響
平衡向正反應(yīng)（氣體體積減小）方向移動
t1時刻，增大壓強(qiáng)
v′正、v′逆均增大
v′正＞v′逆
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)為例
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
壓強(qiáng)
用v－t圖像分析壓強(qiáng)變化對化學(xué)平衡移動的影響
平衡向逆反應(yīng)（氣體體積增大）方向移動
t1時刻，減小壓強(qiáng)
v′正、v′逆均減小
v′逆＞v′正
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)為例
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
壓強(qiáng)
aA(g)＋bB(g)
cC(g)＋dD(g)
若：a＋b＜c＋d
t0時刻，增大壓強(qiáng)
t0時刻，減小壓強(qiáng)
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
壓強(qiáng)
aA(g)＋bB(g)
cC(g)＋dD(g)
若：a＋b = c＋d
t0時刻，增大壓強(qiáng)
t0時刻，減小壓強(qiáng)
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
壓強(qiáng)
對于反應(yīng)前后氣體體積相等的反應(yīng)[如H2(g)＋I(xiàn)2(g) 2HI(g)]，當(dāng)向平衡體系中充入“惰性”氣體時，則無論任何情況下平衡都不發(fā)生移動。
充入“惰性”氣體對化學(xué)平衡的影響
在恒容容器中，改變其中一種物質(zhì)的濃度時，必然同時引起壓強(qiáng)的改變，但判斷平衡移動的方向時，應(yīng)以濃度的影響進(jìn)行分析，得出Qc與K的關(guān)系。
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
溫度
②降低溫度，平衡向放熱反應(yīng)方向移動。
溫度對化學(xué)平衡移動的影響規(guī)律
當(dāng)其他條件不變時：
①升高溫度，平衡向吸熱反應(yīng)方向移動。
任何化學(xué)反應(yīng)都伴隨著能量的變化(放熱或吸熱)，所以任意可逆反應(yīng)的化學(xué)平衡狀態(tài)都受溫度的影響。
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
溫度
平衡向正反應(yīng)方向移動
t1時刻，降低溫度
v′正、v′逆均減小，而v′逆不變
吸熱反應(yīng)方向的v′逆減小幅度大
v′正＞v′逆
用v－t圖像分析溫度變化對化學(xué)平衡移動的影響
已知反應(yīng)：mA(g)＋nB(g) ??pC(g)　ΔH＞0，
當(dāng)反應(yīng)達(dá)平衡后，若溫度改變：
三、影響化學(xué)平衡移動的因素
催化劑
當(dāng)其他條件不變時，催化劑能夠同等程度地改變正逆反應(yīng)速率，因此它對化學(xué)平衡移動無影響，即不能改變平衡混合物的組成，但可縮短達(dá)到化學(xué)平衡所需的時間。
如果改變影響平衡的一個因素（如溫度、壓強(qiáng)及參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度），平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動。
勒夏特列
（1850—1936）
勒夏特列原理：
也稱化學(xué)平衡移動原理
三、勒夏特列原理
平衡移動的結(jié)果只能是“減弱”外界條件的改變，但不能完全“消除”這種改變。可概括為“外變大于內(nèi)變”。
所有的動態(tài)平衡，用于定性判斷平衡移動的方向，解釋平衡移動造成的結(jié)果或現(xiàn)象等。
適用范圍：
注意
如：原平衡（100℃）→升溫到200℃→減弱（降溫）→向吸熱方向移動→新平衡（溫度介于100-200℃之間）
三、勒夏特列原理
第三節(jié)
Part three
化學(xué)反應(yīng)的速率
一、化學(xué)反應(yīng)速率
(1)概念：化學(xué)反應(yīng)速率是用來衡量化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行快慢程度的物理量。
(2)表示方法：可用單位時間內(nèi) 或者
(均取正值)來表示。
反應(yīng)物濃度的減少
生成物濃度的增加
mA＋nB===pY＋qZ
v(A)＝________，v(B)＝______，v(Y)＝_______，v(Z)＝________。
υ(A)︰υ(B)︰υ(C)︰υ(D) ＝ m︰n︰p︰q
同一化學(xué)反應(yīng) m A ＋ n B p C ＋ q D
υ(A)
m
υ(B)
n
υ(C)
p
υ(D)
q
＝
＝
＝
m
n
υ(A)
υ(B)
＝
υ(B)
n
υ(A)
m
＝
一、化學(xué)反應(yīng)速率的概念與表示方法
如果化學(xué)方程式中物質(zhì)的反應(yīng)系數(shù)不等，用不同物質(zhì)的濃度變化表示的速率是不相等的。
υ=
基元反應(yīng)：通過碰撞一步直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的反應(yīng)。
例如：NO2 + CO NO + CO2
反應(yīng)過程中沒有任何中間產(chǎn)物生成
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
更多的化學(xué)反應(yīng)過程分為多步進(jìn)行
H2 + I2 2HI
第一步： I2 2I （快速平衡）
第二步：2I + H2 →2HI （慢）
一個化學(xué)反應(yīng)的速率就取決于速率最慢的基元反應(yīng)。
碰撞理論
碰撞理論認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)中舊鍵的斷裂和新鍵的形成都是通過反應(yīng)物分子的相互碰撞來實(shí)現(xiàn)的。
能發(fā)生反應(yīng)的碰撞稱為有效碰撞。
反應(yīng)物分子間的相互碰撞是反應(yīng)發(fā)生的前提條件。
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
01
發(fā)生碰撞的分子具有足夠高的能量
02
分子在一定的方向上發(fā)生碰撞
有效碰撞必須滿足的條件：
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
化學(xué)反應(yīng)中，能量較高、有可能發(fā)生有效碰撞的分子
活化分子的平均能量與所有分子的平均能量之差
活化分子
活化能
反應(yīng)物分子
平均能量
能量
活化分子有效碰撞
E2
反應(yīng)過程
ΔH
E1
生成物
反應(yīng)物
O
反應(yīng)的
活化能
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
在一定條件下，活化分子在反應(yīng)物分子中所占的百分?jǐn)?shù)是一定的。
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
單位體積內(nèi)的活化分子的數(shù)目與單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子的總數(shù)成正比。
當(dāng)增加反應(yīng)物的濃度時，單位體積內(nèi)反應(yīng)物的活化分子數(shù)目增多，反應(yīng)物發(fā)生有效碰撞的次數(shù)增多，反應(yīng)速率增大。
增加濃度
活化分子
普通分子
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
1、濃度
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
2、溫度
其他條件相同時，升高溫度→單位體積內(nèi)活化分子數(shù)目增多→單位體積內(nèi)活化分子百分?jǐn)?shù)增多→單位時間內(nèi)有效碰撞次數(shù)增多→化學(xué)反應(yīng)速率增大。
過渡態(tài)理論：
反應(yīng)物分子并不只是通過簡單的碰撞直接形成產(chǎn)物，而是必須經(jīng)過一個形成活化絡(luò)合物的過渡狀態(tài)，并且達(dá)到這個過渡狀態(tài)需要一定的活化能。
這與爬山類似，山的最高點(diǎn)便是過渡態(tài)。
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
3、催化劑
當(dāng)其他條件相同時，使用催化劑，改變反應(yīng)歷程
→活化能降低
→活化分子百分?jǐn)?shù)增多
→單位體積、單位時間內(nèi)有效碰撞次數(shù)增多
→化學(xué)反應(yīng)速率增大
二、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
外界條件對活化分子、活化能的影響
條件變化 活化能 單位體積內(nèi) 活化分子百分?jǐn)?shù) 單位時間內(nèi)有效碰撞的次數(shù) 化學(xué)反應(yīng)
速率
分子總數(shù) 活化分子數(shù) 濃度 增大 不變 增多 增多 不變 增多 增大
減小 不變 減少 減少 不變 減少 減小
溫度 升高 不變 不變 增多 增大 增多 增大
降低 不變 不變 減少 減小 減少 減小
使用催化劑 減小 不變 增多 增大 增多 增大
第四節(jié)
Part four
工業(yè)合成氨
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
對合成氨 反應(yīng)的影響 影響因素 濃度 溫度 壓強(qiáng) 催化劑
增大合成氨的反應(yīng)速率 增大 升高 增大 使用
提高平衡混合物中氨的含量 n(N2):n(H2) ≈1:3 及時移走產(chǎn)生的氨 降低 增大 無影響
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H ＝－92.4 kJ/mol
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
氫氮比為 2.8 ～ 2.9
工業(yè)合成氨常用的生產(chǎn)條件：
以鐵為主的催化劑
500℃左右
20 ～ 50 MPa
2
1
3
4
二、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程
造氣
01
原料
氮?dú)?br/>氫氣
將空氣液化、蒸發(fā)，分離出氮?dú)?br/>將空氣中的O2跟碳作用生成CO2，再除去CO2
用水、煤、天然氣、石油等為原料制得
二、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程
凈化
02
在制取原料氣的過程中，常混有一些雜質(zhì)氣體，其中如 H2S、CO 等雜質(zhì)會使合成氨所用的催化劑中毒，所以必須除去。
合成
03
二、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程
合成
03
加壓后且達(dá)到催化劑的活性溫度的 H2、N2
混合氣體中氨含量為10% ～ 20%
合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，可通過熱交換器有效利用此反應(yīng)熱來預(yù)熱反應(yīng)前的 H2、N2，降低合成氨的成本。
本章小結(jié)
化學(xué)反應(yīng)的方向
化學(xué)反應(yīng)的速率
不良反應(yīng)
化學(xué)反應(yīng)的限度
化學(xué)反應(yīng)速率
影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素
化學(xué)平衡移動常數(shù)
平衡轉(zhuǎn)化率
影響化學(xué)平衡移動的因素
化學(xué)反應(yīng)方向
焓變與熵變對反應(yīng)方向的共同影響
工業(yè)合成氨
合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程

展開更多......

收起↑