化学平衡的移动

来源:http://www.ewt360.com       发布于 2008-11-04    已有  人阅读

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。

1)浓度、压强对平衡移动的影响

恒温下,改变反应物或()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()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+3H22NH3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转化率增大与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,而增大了浓度的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p2p。在加压瞬间,N2H2NH3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,N2H2浓度或分压强减小,NH3增大。即c3(NH3)>2c1(NH3)2c1(N2)>c3(N2)>c1(N2)H2N2

    平衡移动结果若和原先c1相比,N2H2NH3浓度都增大了,只是NH3浓度或分压强增大更多。即N2H2转化率都增大了。

    ③ 恒温减压,如使pp/2。在减压瞬间,N2H2NH3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,N2H2浓度均增大,NH3浓度减小。即c4(N2)>c1(N2)/2(H2N2)c4(NH3)<c1(NH3)/2。若平衡移动结果与原先c1比,N2H2NH3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AB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。

2)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,

    KClO4 == KCl+2O2        =-4.1 kJmol,约510 ℃分解

    KClO3 == KCl+3/2O2      =-45 kJmol,约380 ℃分解

改变温度对热效应(吸收或释放)大的反应的影响大。

k1k2分别是在T1T2下的平衡常数, 为反应焓变,R为摩尔气体常数。

下列两表分别列出几个反应在不同温度下的平衡常数:



分析上表数据可得到两个结论:

a. 反应焓变大的反应,K值随温度改变时的变化大。

b. 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。

②反应焓变和反应的关系

    实际情况是,发生化学反应(含平衡移动)必伴随焓变,因此反应体系温度必有改变,只是改变量不同。下面讨论3个典型实例。

a. 4NH35O2 == 4NO+6H2O    =907 kJmol 反应释放大量热,在NH3O2的物质的量之比适当时,催化剂Pt-Rh网的温度(Pt-Rh网处于红热状态)由反应释出的热维持。

4FeS211O2 == 2Fe2O3+8SO2    -3 411 kJmol焙烧FeS2时,反应释放的热量维持焙烧炉的高温(FeS2矿石中S的质量分数低于35%,反应释放的热量不足以维持焙烧炉温度)

    铝热法也是借反应释放的热量使还原反应持续进行的。

b. 释放中等程度热量的反应SO21/2O2 == SO3    =99 kJmol

    在接触室中SO2转化为SO3时释放的热量使体系温度升高,因此气体需经热交换适度冷却后,再次进入接触室。如含7(体积分数,下同)SO211 O2的原料气在450 ℃进入第一段接触室,约70 SO2被氧化,温度上升到约600 ℃;经热交换器温度降到约450 ℃,进入第二段接触室,SO2转化总量达94%,温度升高达480 ℃。多段接触,转化可缩短1/3或更多的反应时间(和一段接触转化所需时间相比)

    原料气中SO27%、O211%的有关数据列于下表:

 

    N2+3H2 == 2NH3    =92.4 kJmol反应释放的热量不算很小,因转化率不大,流出气体中含14%~18(体积分数)NH3,所以释放的热量也不多。加上14%~18NH3已接近平衡浓度,所以合成氨只进行一次 (而不像SO2需经二段)转化。

c. 生成水煤气是吸热反应C+H2O(g) == CO+H2    131.5 kJmol, 所以需要补充热量。实际生产过程是:通空气燃烧煤,使煤层温度升高,而后通水蒸气生成水煤气,煤层温度下降,待下降到一定温度后,再次通空气使煤燃烧,煤层温度升高……

(本资料由北京大学化学系严宣申教授提供

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