化学平衡的移动在改变条件的时候,化学平
化学平衡的移动- -
平衡移动原理阐明了浓度、压强、温度对平衡移动的影响。在恒温条件下改变浓度、压强,平衡可能发生移动,但平衡常数不变;改变温度,平衡常数有相应改变。
浓度、压强对平衡移动的影响
恒温下,改变反应物或(和)生成物的浓度,均能导致平衡移动。对于有气态物质参与的反应,在恒温、恒容条件下,气态反应物或(和)生成物浓度的改变,就是相应各气态物质压强的改变,平衡将发生相应移动。
若在恒温条件下,改变有气态物质参与反应的总压强,则气态反应物、生成物的浓度或分压将以同等倍数增大或减小,对于气态反应物和生成物物质的量不同的反应,平衡将发生移动。
我们以N2+3H2=2NH3为例讨论...全部
化学平衡的移动- -
平衡移动原理阐明了浓度、压强、温度对平衡移动的影响。在恒温条件下改变浓度、压强,平衡可能发生移动,但平衡常数不变;改变温度,平衡常数有相应改变。
浓度、压强对平衡移动的影响
恒温下,改变反应物或(和)生成物的浓度,均能导致平衡移动。对于有气态物质参与的反应,在恒温、恒容条件下,气态反应物或(和)生成物浓度的改变,就是相应各气态物质压强的改变,平衡将发生相应移动。
若在恒温条件下,改变有气态物质参与反应的总压强,则气态反应物、生成物的浓度或分压将以同等倍数增大或减小,对于气态反应物和生成物物质的量不同的反应,平衡将发生移动。
我们以N2+3H2=2NH3为例讨论如下。
(1)恒温、恒容下加N2(改变浓度),平衡向正反应方向移动的结果是:c2(N2)>c1(N2),c2(H2)<c1(H2),c2(NH3)>c1(NH3)。
H2转化率增大c(NH3)增大是一致的,但N2的转化率却下降了。
恒温、恒容下加H2,平衡发生移动,c(NH3)增大和N2转化率增大一致,但H2的转化率下降。
结论是:恒温、恒容下增大一种反应物浓度,可提高其他反应物的转化率,而这种反应物本身的转化率下降。
或者说,恒温、恒容条件下改变一种反应物的浓度,不可能出现所有反应物(若不止一种)转化率都升高或下降的情况。
(2)恒温下加大总压,如使p→2p。在加压瞬间,N2、H2、NH3的浓度或分压强都增大1倍,平衡将向正反应方向移动。
若和2c1相比,N2、H2浓度或分压强减小,NH3增大。即c3(NH3)>2c1(NH3),2c1(N2)>c3(N2)>c1(N2),H2同。
平衡移动结果若和原先c1相比,N2、H2、NH3浓度都增大了,只是NH3浓度或分压强增大更多。
即N2、H2转化率都增大了。
(3)恒温减压,如使p→p/2。在减压瞬间,N2、H2、NH3的浓度或分压强都减半,平衡向逆反应方向移动。与c1/2相比,N2、H2浓度均增大,NH3浓度减小。
即c4(N2)>c1(N2)/2(H2同),c4(NH3)<c1(NH3)/2。若平衡移动结果与原先c1比,N2、H2、NH3浓度都减小,只是NH3减小更甚。
恒温时,对以上三种平衡移动讨论的区别是:(1)恒容,而(2)、(3)不是恒容。
前者,若有A、B两种反应物,增大A的浓度或分压,可提高B的转化率,A的转化率却下降。后者平衡移动的结果是:气态反应物、生成物的浓度或分压都增大或下降,只是反应物或生成物浓度或分压强改变更为显著(对于气态反应物物质的量和生成物物质的量不同的反应)。
这个结论具有普遍性。下面分别讨论。
几个实际问题
(1)“惰气”对化学平衡的影响
“惰气”是指不(显著)参与反应的气体。如FeS2在空气中焙烧成SO2,SO2经催化转化为SO3,NH3催化氧化成NO。
这三个反应中存在的N2就是“惰气”。事实是在许多反应中都有“惰气”存在。若是在恒温、恒容下讨论充入“惰气”的问题,相当于上述6。(1)中所讨论的情况,只需考虑反应物、生成物的浓度或分压强,而不必顾及“惰气”;若在恒温、恒压下充入“惰气”,因p总=p平衡气体+p惰气,反应体系体积增大,即不是恒容过程,相当于前述的6。
(3)。反应物、生成物的浓度、分压强按相同倍数下降,(对于反应前后气体的物质的量不同的反应)平衡将移动。
以合成氨为例。进入合成塔原料气(N2+3H2)的压强、温度几乎为定值,合成塔容积固定(合成氨为放热反应,暂忽略温度改变),则相应转化率几乎为定值。
原料气中N2取自空气,原先空气中的O2、CO2已被除去,但Ar、CH4等“惰气”将随原料气一起进入合成塔。分离掉从合成塔流出气体中的NH3后,补充新原料气,经加压、调温后再次进入合成塔,再分离NH3……经多次循环,“惰气”在进入合成塔原料气中含量逐渐增大。
因进入合成塔原料气总压强为定值,“惰气”增多,即N2、H2分压强下降,所以合成氨的效率逐渐降低。如500 ℃,3。03×107 Pa下,N2与H2经合成塔后,气体中含16。%(体积分数)NH3。
在同样条件下,若原料气中有15%(体积分数)惰气,NH3仅为12。8%(体积分数)。生产上的措施是,把“惰气”(Ar、CH4等)含量达10%(体积分数)的原料气放空。
(2)增大反应物浓度中的某些问题
①SO2+ O2=SO3正反应是体积缩小的过程,因在反应条件下SO2转化率已超过95%,没有必要采取加压措施。
生产上采取适度增大O2浓度,使SO2为7%(体积分数,下同)、O2为11%,余为N2,以增大SO2转化率。若O2浓度过大,即SO2浓度小,会显著降低设备的生产能力;若SO2浓度过高,不仅SO2转化率降低,而且反应释放的热量大,使体系温度升高,不利于SO2转化(参考温度对平衡的影响)。
②4NH3+5O2=4NO+6H2O ΔrHm=-907 kJ/mol反应中NH3和O2的物质的量之比为1∶1。25。实际的反应速率,因O2增多而加快,在NH3和O2的物质的量之比为1∶(1。
8~2。0)时达到最大值,若O2含量继续增大,NH3转化率不再增大。一般采用NH3含量为10%~11%(体积分数,下同),此时NH3和O2物质的量之比为1∶(1。9~1。7)。NH3含量增多,可能达到NH3在空气中的爆炸极限(450 ℃,NH3的体积分数是12%为下限),若NH3含量少,不仅NO少而且反应释放的热不足以维持Pt-Rb催化剂所需的温度(850 ℃~800 ℃)。
③变换反应CO+H2O=CO2+H2 ΔrHm=-41 kJ/mol 这是一个反应前后气态物质的物质的量相同的放热过程。综合考虑反应速率和CO的转化率,一般采用600 K~650 K。
适度加大H2O的浓度有助于提高CO的转化率。如500 K时,
在恒温、恒容及一定的总压强下,增大c(H2O)就是降低c(CO),所以只能适度增大c(H2O)。因所用催化剂不同的两个实例见下表。
变换过程反应前后气态物质的物质的量相同,增大总压强无助于提高CO的转化率。然而生产上这个反应是在6。06×105 Pa下的变换塔中进行的,此处加压是为了提高变换塔的生产效率。恒温下,6。
06×105 Pa 时一个变换塔相当于在1。01×105 Pa时的6个变换塔的效率。
④合成氨原料气中N2和H2的物质的量之比为1∶3,原因是此比值时,NH3的产率最高。500 ℃,202×105 Pa下的数据为
举此例是想说明,并非所有反应都应该采取改变浓度来促进平衡移动的方法。
(3)弱电解质的电离平衡
弱电解质在溶液中部分电离并达平衡,如CH3COOHCH3COO- + H+ K=1。8×10-5(此平衡相当于前述合成氨的平衡──恒温)。
①加水稀释弱电解质溶液,电离度增大,但电离形成的c(H+)、c(CH3COO-)却减小。
加水稀释是溶液总体积增大的过程,加水瞬间,CH3COOH、CH3COO-、H+均以同等倍数减小,只是c(CH3COO-)、c(H+)减小更甚,有利于平衡向电离方向移动。此结果可认为是前面“浓度、压强对平衡移动的影响”中论述的(3)在另一种情况下的体现。
②把少量固体CH3COONa加到CH3COOH溶液中(忽略加CH3COONa时溶解热效应和体积改变,即恒温、恒容),溶解瞬间,因c(CH3COO-)(总)浓度增大,平衡向生成CH3COOH方向移动。
结果是,c(CH3COOH)、c(CH3COO-)比原先增大,而c(H+)下降。此情况和前面“浓度、压强对平衡移动的影响”中论述的(1)相似。
③把少量固态KNO3加到CH3COOH溶液中(忽略热效应、体积改变及盐效应,即恒温、恒容),因CH3COOH、CH3COO-、H+浓度未变,平衡不发生移动。
此处的KNO3相当于前述在恒温、恒容下加入“惰气”。
【附】若把CH3COONa溶液加入到CH3COOH溶液中,可分成两步讨论:先求算混合液中c(CH3COOH)、c(CH3COO-),而后考虑CH3COO-对CH3COOH电离平衡的影响。
上述加水等对CH3COOH电离平衡的影响,也适用于加水等对其他弱电解质电离平衡的影响,只是影响程度不同。
温度对化学平衡的影响
化学反应的热效应取决于正、逆反应活化能的差值。
若正反应活化能更大,则正向反应为吸热过程。热效应和反应温度、反应速率间没有直接关系。例如,
(1)改变温度对热效应(吸收或释放)大的反应的影响大。
k1、k2分别是在T1、T2下的平衡常数,ΔrHm为反应焓变,R为摩尔气体常数。
下表列出几个反应在不同温度下的平衡常数:
由上表数据可得到两个结论:
①反应焓变大的反应,K值随温度改变时的变化大。
②对于某个具体反应,低温下改变温度对平衡常数的影响更大。
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