物理化学第二章化学平衡和相平衡.ppt
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1、第二章 化学平衡和相平衡,2.1 化学反应等温式和化学反应的方向性,2.2 温度对化学平衡的影响等压方程式,2.3 纯物质的两相平衡,2.4 相律和相图,2.5*分配定律及其应用,2.6 拉乌尔定律和亨利定律,2.7*唐南(Donnan)平衡,2.1 化学反应等温式化学反应的方向,化学反应体系,热力学基本方程,化学反应等温方程式及其应用,标准吉布斯函数变化与平衡常数,标准吉布斯函数变化的计算,1.化学反应体系,化学反应体系:封闭的单相体系,不作非膨胀功,发生了一个化学反应,设为:,各物质的变化量必须满足:,根据反应进度的定义,可以得到:,2.热力学基本方程,等温、等压条件下,,当时:,2.热力
2、学基本方程,这两个公式适用条件:,(1)等温、等压、不作非膨胀功的一个化学反应;,(2)反应过程中,各物质的化学势 保持不变。,公式(a)表示有限体系中发生微小的变化;,公式(b)表示在大量的体系中发生了反应进度等于1 mol的变化。这时各物质的浓度基本不变,化学势也保持不变。,任何气体B化学势的表达式:,将化学势表示式代入的计算式,得:,令:,称为化学反应标准摩尔Gibbs 自由能变化值,只是温度的函数。,3.化学反应等温方程式,这就是化学反应等温方程式。称为“压力商”,可以通过各物质的压力求算。值也可以通过多种方法计算,从而可得 的值。,有任意反应,热力学平衡常数,当体系达到平衡,则,称为
3、热力学平衡常数,它仅是温度的函数。在数值上等于平衡时的“压力商”,是量纲为1的量,单位为1。因为它与标准化学势有关,所以又称为标准平衡常数。,用化学反应等温式判断反应方向,化学反应等温式也可表示为:,对理想气体,反应向右自发进行,反应向左自发进行,反应达平衡,理想稀溶液中进行的反应反应达平衡时,G 0令 则,液相反应等温式(3),下标 m 表示反应进度为 1 mol 时的标准Gibbs自由能的变化值。显然,化学反应方程中计量系数呈倍数关系,的值也呈倍数关系,而 值则呈指数的关系。,4.平衡常数与化学方程式的关系,例如:,5.平衡转化率的计算,平衡转化率又称为理论转化率,是达到平衡后,反应物转化
4、为产物的百分数。,工业生产中称的转化率是指反应结束时,反应物转化为产物的百分数,因这时反应未必达到平衡,所以实际转化率往往小于平衡转化率。,二、标准吉布斯函数变化与平衡常数,的用途:,1.计算热力学平衡常数,在温度T时,当反应物和生成物都处于标准态,发生反应进度为1 mol的化学反应Gibbs自由能的变化值,称为标准摩尔反应吉布斯自由能变化值,用 表示。,(1)-(2)得(3),2.计算实验不易测定的平衡常数,例如,求 的平衡常数,二、标准吉布斯函数变化与平衡常数,3近似估计反应的可能性,只能用 判断反应的方向。但是,当 的绝对值很大时,基本上决定了 的值,所以可以用来近似地估计反应的可能性。
5、,0,则,有利于逆反应。40KJ,认为正反应不可能自发。,二、标准吉布斯函数变化与平衡常数,标准摩尔生成焓(standard molar enthalpy of formation),标准反应热,(物质,相态,温度),三、反应的标准吉布斯自由能变化与化合物的标准吉布斯自由能函数,1.标准反应吉布斯自由能变化值的计算,(1)平衡测定法,(2)标准熵法,(3)测定电动势法,(4)标准生成吉布斯函数法,三、反应的标准吉布斯自由能变化与化合物的标准吉布斯自由能函数,2.标准摩尔生成吉布斯自由能,因为吉布斯自由能的绝对值不知道,所以只能用相对标准,即将标准压力下稳定单质(包括纯的理想气体,纯的固体或液体
6、)的生成吉布斯自由能看作零,则:,在标准压力下,由稳定单质生成1 mol化合物时吉布斯自由能的变化值,称为该化合物的标准生成吉布斯自由能,用下述符号表示:,(化合物,物态,温度),通常在298.15 K时的值有表可查。,数值的用处,的值在定义时没有规定温度,通常在298.15 K时的数值有表可查,利用这些表值,我们可以:,数值的用处,(2)判断反应的可能性。在有机合成中,可能有若干条路线,用计算 的方法,看那条路线的值最小,则可能性最大。若 的值是一个很大的正数,则该反应基本上不能进行。,(3)用 值求出热力学平衡常数 值。根据 与温度的关系,可以决定用升温还是降温的办法使反应顺利进行。,数值
7、的用处,2.2 温度对化学平衡的影响等压方程式,Vant Hoff 公式的微分式,由2.1节中的方法计算的平衡常数,通常只能是298.15K的值,而不少时候,我们需要的是任意T的值。如何办?,2.2 温度对化学平衡的影响等压方程式,Vant Hoff 公式的微分式,对吸热反应,升高温度,增加,对正反应有利。,对放热反应,升高温度,降低,对正反应不利。,温度对化学平衡的影响,若温度区间不大,可视为常数,得定积分式为:,若 值与温度有关,则将关系式代入微分式进行积分,并利用表值求出积分常数。,这公式常用来从已知一个温度下的平衡常数求出另一温度下的平衡常数。,计算结果说明,假如温度每升高10度,反应
8、平衡常数增加1倍,则反应的H大约为53kJ。若反应的H小于此值(如例5),则平衡常数随温度的变化没有上述那么大。,单组分体系的相平衡克拉贝龙方程,在一定温度和压力下,某纯物质达到两相平衡,即:,平衡,T,p,重新建立平衡,2.3 纯物质的两相平衡克-克方程,必然有,克拉贝龙方程式,(可逆相变),条件:适用于任何纯物质的两相平衡。,2.3 纯物质的两相平衡克-克拉贝龙方程,克拉贝龙方程式,注意:,1.H相和V相必须采用相同的物质的量;,2.各物理量的单位要统一,可统一到SI单位。,(2-13),2.3 纯物质的两相平衡克-克拉贝龙方程,对于气-液两相平衡,对于液-固两相平衡,对于气-固两相平衡,
9、2.3 纯物质的两相平衡克-克拉贝龙方程,对于有气相参加的两相平衡,如,Vl Vg,Vs Vg,以 液气 相平衡为例,,(气体视为理想气体),当n=1mol时,,2.3 纯物质的两相平衡克-克拉贝龙方程,克劳修斯-克拉贝龙方程式,条件:适用于纯物质有气体存在的两相平衡,且气体具有理想气体性质。,假定VHm 为常数,对上式不定积分得:,lnp 1/T成直线关系,由斜率可求出液体的摩尔蒸发热VHm。,2.3 纯物质的两相平衡克-克拉贝龙方程,对(2-15)式作定积分得:,克克方程的定积分式,若已知T1、p1、VHm,则可求出T2时的蒸气压p2;或由p2=p求出液体的正常沸点;或由T1、p1、T2、
10、p2求出液体的摩尔蒸发热。,(2-15a),2.3 纯物质的两相平衡克-克拉贝龙方程,Trouton(楚顿)规则:,Tb液体的正常沸点,vapHm 液体的摩尔蒸发热。,注意:,(1)适用于液态中没有分子缔合现象的物质。,(2)不适用于极性高的液体及Tb 150K 的液体。,2.3 纯物质的两相平衡克-克拉贝龙方程,2.4 相律与相图,相律,单组分系统相图水的相图,水-盐二组分系统相图,相平衡是热力学在化学领域中的重要应用之一。研究多相体系的平衡在化学、化工的科研和生产中有重要的意义,例如:溶解、蒸馏、重结晶、萃取、提纯及金相分析等方面都要用到相平衡的知识。,一、相律的数学式,相图(phase
11、diagram)表达多相体系的状态如何随温度、压力、组成等强度性质变化而变化的图形,称为相图。,一、相(phase),1.相的定义:,把体系内物理性质和化学性质完全相同的所有均匀部分称为一个“相”。可见相与相之间有明显的界面,且越过界面时,物理或化学性质发生突变。,注意:,“完全相同”,“所有均匀部分”,“明显的界面”,基本概念,相数确定的一般规律:,气体:不论有多少种气体混合,只有一个气相。,液体:根据液体的互溶度有一相算一相。,固体:有一种固体算为一相。两种固体粉末无 论混合得多么均匀,仍是两个相。,不同晶型:有一种晶型算一相。,2.相数:体系内相的数目。,(相数),固溶体:每一种固溶体为
12、一相。,基本概念,在一定条件下物质聚集状态发生变化的过程称为相变。如气液相的转变、液固相的转变、固体不同晶形间的转变等。,多个相之间达到物理或化学的平衡状态称为相平衡。也就是说多个相同是存在于一个体系中即处于相平衡状态。有时我们也以多相“共存”来代表相平衡。,3.相变:,4.相平衡:,基本概念,三种相态之间 建立的两相平衡1 气 液平衡,与分馏操作和精馏操作有关。2 气固平衡,与固体的升华和工厂生产的干燥操作有关3 固液平衡,与重结晶操作有关。4 固固平衡,与不同晶型之间的转化有关5 液液平衡,与萃取操作有关。由此可见相平衡无论是在实验室还是在工厂生产中具有实用意义。所谓相平衡,是指在一定条件
13、下一个多相体系内各相内的物质的种类和数量不随时间变化的状态,基本概念,二、组分(独立组分),1.定义:确定平衡体系中的所有各相组成所需要的最少数目的独立物质称为独立组分,简称组分。,2.组分数C:独立组分的数目。,3.物种数S:体系中所含的多化学物质的总数。,基本概念,例如:,一个单相体系由PCl5、PCl3和Cl2三种气体组成,即 S=3。,(1)若三者之间没有化学反应,则 C=S=3。,(2)如果三者之间有化学反应即有一个化学平衡 存在,平衡常数,基本概念,这样体系中只要有两种物质就能生成第三种物质。或者说体系中的三种物质只有两种是独立的,即独立组分数为2。,式中R 体系中各物种之间存在的
14、独立的化学平衡关系式的数目。,所谓独立的化学平衡条件是指独立化学平衡关系式中不存在可以通过相互耦合而得到的关系式。,用数学式子表示为:C=S R=31=2,基本概念,例如:一个体系中含有C(s)、CO(g)、CO2(g)、H2O(g)和H2(g)共 5 种物质,以这 5 种物质作为反应物或生成物的化学反应可以有以下三个:,C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)C(s)+CO2(g)=2CO(g)CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g),=,R=2,即3个化学平衡关系式中只有2个是独立的。,基本概念,(3)如果体系中各物质之间还存在其它的浓度限制,比如指定体系中的PCl3:Cl
15、2=1:1,即两者浓度相等,则只要知道PCl5一种物质的浓度就可以知道整个体系的组成了。这时体系就成了单组分体系,即独立组分数为1。,用数学式表示为:,C=S R R,=311=1,式中R体系中各物质浓度之间存在的独立的限制条件的数目。,基本概念,表示体系中各相组成所需要的最少独立物种数称为体系的组分数,用符号 C 表示。它的数值等于体系中所有物种数 S 减去体系中独立的化学平衡数 R,再减去各物种间的独立浓度限制条件 R。,C=S R R,组分数的数学定义式,基本概念,C=S R R,组分数的数学定义式,注意:,对于一个隔离体系,体系中的物种数可以随考虑问题的方法和角度不同而不同,但独立组分
16、数总是不变的。,例如:不饱和食盐水溶液(NaCl+H2O),a.不考虑化学平衡:,S=2,C=2,基本概念,b.考虑化学平衡等:,S=5,(H2O、Na+、Cl、OH、H3O+),水的电离平衡:,R=1,溶液是电中性的,四种离子浓度间关系:,()H3O+=OH-()Na+=Cl-()H3O+Na+=OH-+Cl-,R=2,()+()=(),C=SRR=512=2,基本概念,浓度限制条件中不仅需要是独立的,而且只有在同一相中的物质间才存在。,例如:由CaCO3(s)分解得到等摩尔量的CaO(s)和CO2(g)并达到平衡。,异相,不存在R,C=SRR=310=2,分解,基本概念,分解,同相,存在R
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- 物理化学 第二 化学平衡 相平衡
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