化学反应速率与化学平衡

这是一篇关于化学反应速率与化学平衡的思维导图，包括化学平衡、化学反应方向、化学反应调控、活化能、化学反应速率五部分内容。

化学反应速率与化学平衡

• 化学平衡
  • 化学平衡状态
    • 在一定条件下，像合成氨这样的可逆反应体系中，当正，逆反应的速率相等时，反应物和生成物的浓度保持不变，我们称之为化学平衡状态，简称化学平衡。化学平衡是一种动态平衡
  • 化学平衡常数
    • K是常数，称为化学平衡常数（固体和纯液体物质一般不列入浓度商和平衡常数）
      • 通常，K越大，说明平衡体系中生成物所占的比例越大，反应进行的程度越大，即该反应进行的越完全，平衡时反应物的转化率越大（一般来说，K>10^5,该反应就进行的基本完全）
    • 通常情况下只受温度的影响
  • 影响化学平衡的因素
    • 当可逆反应达到平衡时，其他条件不变的情况下，如果增大反应物浓度（或减小生成物的浓度），反应向正方向移动；同理，如果减小反应物的浓度，（或增大生成物的浓度），反应向逆方向移动
      • 概要
    • 在等温条件下，对于一个已达到化学平衡的反应，当改变反应物或生成物浓度时，根据浓度商与平衡常数的大小关系，可以判断化学平衡移动的方向
      • 当Q=K时，可逆反应处于平衡状态
      • 当Q<K时，化学平衡向正反应方向移动，直至达到新的平衡状态
      • 当Q>K时，化学平衡向逆反应方向移动，直至达到新的平衡状态
  • 压强对化学平衡的影响
    • 对于有气体参加的可逆反应，当达到平衡时，在其他条件不变的情况下，增大压强（减小容器的容积）会使化学平衡向气体体积缩小的方向移动；减小压强（增大容器的容积）会使平衡向气体体积增大的方向移动。反应的总体积没有变化的可逆反应，增大或减小压强都不能使化学平衡发生移动
  • 温度对于化学平衡的影响
    • 在其他条件不变得情况下，升高温度，会使化学平衡向吸热反应的方向移动；降低温度，会使化学平衡向放热反应的方向移动
    • 如果改变影响平衡的一个因素（如温度，压强及参加反应的物质的浓度），平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。这就是勒夏特列原理，也称化学平衡移动原理
  • 催化剂能够同等程度地改变正反应和逆反应速率，因此，它对化学平衡的移动没有影响。也就是说，催化剂不能改变化学平衡状态的反应混合物的组成，但是，使用催化剂能够改变反应达到平衡所需要的时间
• 化学反应的方向
  • 实验发现，大多数放热反应时可以自发进行的，有些吸热反应也可以自发进行
  • 科学家用熵（符号为S）来度量这种混乱的程度。对于同一种物质，气态时的熵值最大，液态时的次之，固态时的最小。体系有自发地向混乱度增加（即熵增）的方向转变的倾向
  • 不能只根据熵增或熵减来判断化学反应进行的方向
    • 事实上，只有孤立体系（与环境既没有物质交换也没有能量交换）或者绝热体系（与环境既没有物质交换有没有热量交换），自发过程才向着熵增的方向进行
    • 焓变和熵变都不能单独作为判断反应自发进行方向的依据。必须综合考虑体系的焓变和熵变
      • 在等温等压条件下得封闭体系中（不考虑体积变化做功以外的其他功）自由能（符号为△G,单位为KJ/mol）的变化综合反映了体系的焓变和熵变对自发过程的影响：△G=△H-T△S。这时，化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直到体系大大平衡。即：当△G<0时，反应能自发进行;当△G=0时，反应处于平衡状态；当△G>0时，反应不能自发进行
        • 由上述关系式可知：当△H<0,△S>0时，反应能自发进行
        • 当vH>0,△S<0时，反应不能自发进行
        • 当△H>0,△S<0时或△H<0,△S<0时，反应能否自发进行与温度有关。一般低温时，△H的影响为主，高温时△S的影响为主，而温度影响的大小要视△H，△S的数值而定
• 化学反应的调控
  • 工业合成氨时人类科学技术的一项重大突破：N2（g）+3H2≒2NH3 △H =-92.4KJ/mol
    • 在实际生产中，还需要考虑浓度对化学平衡的影响等。例如：采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。此外，应将NH3分离后的原料气循环利用，并及时补充氮气和氢气，使反应物保持一定的浓度，有利于合成氨反应
    • 升高温度，增大压强，增大反应物浓度及使用催化剂等，都可以时合成氨的反应速率增大；降低温度，增大压强，增大反应物浓度等有利于提高苹果混合物中氨的含量，催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。
    • 压强
      • 合成氨时压强越大越好。但是压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，需要的动力越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益（我国的合成氨厂一般采用的压强为10MPa~30MPa）
    • 温度
      • 合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。目前，实际生产中一般采用的温度为400~500℃
    • 催化剂
      • 通常采用加入催化剂的方法，改变反应历程，降低反应的活化能，时反应物在较低温度时能较快地发生反应。目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化
    • 总之，影响化学反应进行的因素主要有两个方面，首先是参加反应的物质组成，结构和性质等本身因素，其次是温度，压强，浓度，催化剂等反应条件。化学反应的调控，就是通过改变反应条件使一个可逆发生大的反应按照某一个方向进行
• 活化能
  • 通过光辐照，放射线辐照，超声波，电弧，强磁场，高速研磨等，总之，向反应体系输入能量，都有可能公安变化学反应速率
  • 概念：发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量，这种分子叫做活化分子。活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差，这叫做反应的活化能
  • 催化剂之所以能改变化学反应速率，是因为它能改变反应历程，改变反应的活化能，使更多的反应物分子成为活化分子，增大了单位体积内反应物分子中火花、、活化分子的数目，从而增大了化学反应速率
    • 概要
  • 其他条件相同时，升高温度，反应物分子的能量增加，使一部分原来能量较低的分分钟变成活化分子，从而增加了反应物分子中活化分子的百分数，使得单位时间内有效碰撞的次数增加，因而化学反应速率增大
    • 概要
  • 当其他条件相同时，反应物浓度增大，单位体积内活化分子数增多，单位时间内有效碰撞的次数增加，化学反应速率增大，同理，可以解释反应物浓度降低会使化学反应速率减小
    • 压强对于反应速率的影响使通过对浓度的影响来实现的
    • 概要
• 化学反应速率
  • 概念:单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加来表示
  • 影响因素：由反应物的组成,结构和性质等因素决定（内因）。浓度,压强,温度及化学剂等因素也会影响反应速率（外因）
  • 可以通过定性观察和定量测定
    • 恒压漏斗：消除因液体滴入引起的体积差