注册给排水工程师基础考试——普化培训3

第四节化学反应方程式化学反应速率与化学平衡一、化学反应方程式1．化学反应方程的书写：把参加化学反应的反应物的分子式或离子式写在左边,生成物的分子式或离子式写在右边,根据反应物和产物原子总数和电荷总数均相等的原则配平反应方程式。2.化学反应中的有关计算:aA＋bB=gG＋dDnBbannnbaABA,::二.化学反应热效应1.反应热效应:化学反应时所放出或吸收的热叫做反应的热效应，简称反应热。以符号q表示.q﹤0放热；q﹥0吸热。单位：kJmol－12.热化学反应方程式的书写:①标明温度和压力：T=298.15k,P＝100kPa可省略。②右下角标明物质聚集状态：气态：g液态：ι固态：s溶液：aq③配平反应方程式：物质前面的计量系数代表物质的量，可为分数。④标明反应热：q0:放热,q0:吸热例:C(s)+O2(g)=CO2(g);q=－393.5kJmol－13、等容反应热（qV）：等容，不做非体积功的条件下的反应热。△U＝qV，即反应中系统内能的变化量（△u）在数值上等于等容热效应qV。4、焓（H）热力学系统的状态函数，定义式：H≡U＋pV5、等压反应热（qp）：等压，不做非体积功的条件下的反应热。△H=qp，即反应的焓变△H在数值上等于其等压热效应。因此,若反应在等压条件下，可用反应的焓变△H表示反应热效应。通常都是在常压条件下讨论反应的热效应，因此可用焓变表示反应热。△H﹤0放热；△H﹥0吸热。6、反应热效应的理论计算（1）盖斯定律：在恒容或恒压条件下，化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关，而与变化的途径无关。推论：热化学方程式相加减，相应的反应热随之相加减反应（3）＝反应（1）±反应（2）则△H3=△H1±△H2例（1）C(s)+O2(g)=CO2(g);△H1=－393.5kJmol－1(2)CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g);△H2=-283.0kJmol－1（3）C(s)+1/2O2(g)=CO(g)反应（1）－反应（2）=反应（3）故△H3=△H1－△H2＝〔（－393.5）－（-283.0）〕＝－110.5kJmol－1注意:1）方程式乘以系数,相应反应热也应乘以该系数.如反应:（3）＝2反应（1）±3反应（2）则△Hm3=2△Hm1±3△HmC(s)+O2(g)=CO2(g);△H=－393.5kJmol－12C(s)+2O2(g)=2CO2(g);△H=－787kJmol－12）正逆反应的反应热绝对值相等，符号相反。如，CO2(g)=C(s)+O2(g);△H=＋393.5kJmol－1136.在温度为298.15K，压力为101.325kPa下，乙炔、乙烷、氢气和氧气反应的热化学方程式为：2C2H2（g）+5O2（g）===4CO2（g）+2H2O（l）△rHmθ=-2598kJ·mol-12C2H6（g）+7O2（g）===4CO2（g）+6H2O（2）△rHmθ=-3118kJ·mol-1H2（g）+1/2O2（g）====H2O（3）△rHmθ=-285.8kJ·mol-1根据以上热化学方程式，计算下列反应的标准摩尔焓变△rHmθ=（）kJ·mol-1。C2H2（g）+2H2（g）=C2H6（g）(4)（A）311.6（B）-311.6（C）623.2（D）-623.2答案:(4)=1/2｛(1)-(2)｝+2(3)△rH4=1/2(△rH1-△rH2)+2△rH3（2）反应的标准摩尔焓变△rHmθ的计算1)标准条件对于不同状态的物质,其标准的含义不同：气态物质:指气体混合物中,各气态物质的分压均为标准压力Pθ。Pθ=100kPa溶液中水合离子或水合分子：指水合离子或水合分子的有效浓度为标准浓度Cθ。Cθ=1mol.dm-3液体或固体：指在标准压力下的纯液体或纯固体。2)标准状态：反应中的各物质均处于标准条件下称该反应处于标准状态。以“θ”表示。3)物质的标准摩尔生成焓：在标准状态下由指定单质生成单位物质量（1mol）的纯物质时反应的焓变称该物质标准摩尔生成焓。以△fHmθ(298.15K)表示。单位kJmol－1规定：指定单质标准摩尔生成焓为零。△fHmθ(单质，298.15K)=0，如，△fHmθ(H2，g，298.15K)=0；△fHmθ(Zn，s，298.15K)=0【例3－48】已知反应2H2(g)+O2(g)=2H2O(ι)，△rHmθ＝－580kJmol－1，则液态水的标准摩尔生成焓为（）kJmol－1A、－570B、－280C、570D、28013△rHmθ(298.15K)=｛g△fHmθ(G,298.15K)+d△fHmθ(D,298.15K)｝-｛a△fHmθ(A,298.15K)+b△fHmθ(B,298.15K)｝单位：kJmol－1任一反应:aA+bB=gG+dD(4)反应的标准摩尔焓变的计算)K15.298()(mrmrHTH【例3－49】已知在标准压力和298.15K时CO(g)和H2O(g)的标准摩尔生成焓分别为-110.4KJmol-1和-241.7KJmol-1，求生产水煤气反应的C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)的标准摩尔焓变为（）KJmol-1A.-352.1B.+131.3C.-131.3D.+352.1答：B三、化学反应方向判断1、熵及反应的熵变（1）熵：是系统内物质微观粒子的混乱度(或无序度)的量度.符号S.熵是状态函数。熵值越大,系统混乱度越大。（2）热力学第三定律:在绝对零度时,一切纯物质的完美晶体的熵值为零,即S(0K)=0.（3)物质的标准摩尔熵：单位物质量的纯物质在标准状态下的规定熵叫做该物质的标准摩尔熵，以Sθm表示。单位J.mol-1.K-1.(4)物质的标准熵值规律：1)对于同一种物质：SgSlSs3)对于不同种物质：S复杂分子S简单分子4)对于混合物和纯净物：S混合物S纯物质2)同一物质在相同的聚集状态时，其熵值随温度的升高而增大。S高温S低温r=g(G,s)+d(D,g)–a(A,l)–b(B,aq)(2.4b)SmSmSmSmSmr(T)≈r(298.15K)SmSm(6)反应标准摩尔熵变rSөm的计算任一反应:aA+bB=gG+dD2、吉布斯函数变及反应方向(自发性)的判断（1）吉布斯函数：G=H–TS,为一复合状态函数（2）吉布斯函数变：ΔG=ΔH–TΔS（3）反应方向(自发性)的判断：ΔG＜0反应正向自发;ΔG=0平衡状态;ΔG＞0反应逆向自发，正向非自发。考虑ΔH和ΔS两个因素的影响,分为四种情况:1)ΔH＜0，ΔS＞0；ΔG＜0正向自发2)ΔH＞0，ΔS＜0；ΔG＞0正向非自发3)ΔH＞0，ΔS＞0；升高至某温度时ΔG由正值变为负值，高温有利于正向自发4)ΔH＜0，ΔS＜0；降低至某温度时ΔG由正值变为负值，低温有利于正向自发（4）反应自发进行的临界温度为：SHTcΔΔ3.rGөm(298.15K)的计算标准摩尔生成吉布斯函数：在标准状态时，由指定单质生成单位物质的量的纯物质时反应的吉布斯函数变，叫做该物质的标准摩尔生成吉布斯函数。(1)利用物质的标准摩尔生成吉布斯函数计算符号:fGөm(物质，298.15K),单位:kJ.mol-1规定:fGөm(单质，298.15K)＝0反应的标准摩尔吉布斯函数变rGөm计算公式为：任一反应:aA+bB=gG+dDr(298.15K)=gf(G,s,298.15K)+df(D,g,298.15K)-af(A,l,298.15K)-bf(B,aq,298.15K)(2.16b)GmGmGmGmGm(2)利用△rHmθ(298.15K)和△rSmθ(298.15K)的数据求算：△rGmθ(298.15K)=△rHmθ(298.15K)-298.15.△rSmθ(298.15K)41、暴露在常温空气中的碳并不燃烧，只是由于反应C（s）+O2（g）=CO2（g）(已知CO2（g）的△fGmθ(298.15K)=-394.36kJ/mol)A、△fGmθ0,不能自发；B、△fGmθ0；但反应速率缓慢;C、逆反应速率大于正反应速率；D、上述原因均不正确。二化学反应速率1.化学反应速率的表示νB:B物质的化学计量数。反应物取负值，生成物取正值单位:moldm-3s-1对于反应：aA+bB=gG+dDdtBdcvB)(1dtGdcgdtDdcdatBdcbatAdca)(1)(1)(1)(1例：N2+3H2=2NH3103.反应2H2+O2→2H2O的反应速率可表示为（D）（A）（B）（C）（D）全部正确dtdCO)(2dtdCH2)(2dtdCOH2)(2dtNHdcdtHdcdtNdc)(21)(31)(322化学反应速率υ与：反应物浓度(压力)、温度、催化剂等因素有关。2.浓度的影响和反应级数浓度对反应速率的影响:增加反应物或减少生成物的浓度,反应速率加大。(1)质量作用定律：在一定温度下，对于元反应（即一步完成的反应，又称基元反应或简单反应），反应速率与反应物浓度（以反应方程式中相应物质的化学计量数为指数）的乘积成正比。(2)速率方程式元反应：aA+bB=gG+dD速率方程式：υ=κ｛c(A)｝a｛c(B)｝bκ:速率常数，表示反应物均为单位浓度时的反应速率。κ大小取决于反应物性质、温度及催化剂，与反应物浓度无关。n=a+b:称反应级数；（3）非元反应：（即两个或两个以上元反应构成）：aA+bB=gG+dD速率方程式：υ=κ｛c(A)｝x｛c(B)｝y反应级数:n=x+yx、y反应级数，由试验来确定。注意：在书写反应速率方程式时，反应中液态和固态纯物质的浓度作为常数“1”。68．某基元反应2A(g)+B(g)=C(g),将2mol2A(g)和1molB(g)放在1L容器中混合,问反应开始的反应速率是A、B都消耗一半时反应速率的（）倍。A．0．25B.4C.8D.1例题54.对于反应Ａ＋ＢＣ而言，当Ｂ的浓度保持不变，Ａ的起始浓度增加到两倍时，起始反应速率增加到两倍；当Ａ的浓度保持不变，Ｂ的起始浓度增加到两倍时，起始反应速率增加到四倍，则该反应的速率方程式为___________。Ａ.Ｖ＝kＣＡＣＢＢ.Ｖ＝k｛ＣＡ｝２｛ＣB｝Ｃ.Ｖ＝k｛ＣＡ｝{CB}2D.V=k{CA}2{CB}270.反应2H2+2NO—→2H2O+N2的速率方程为V=k{C（H2）}{C（NO）}2，则此反应的总级数为____________。A.4B.3C.2D.12．温度对反应速率的影响温度对反应速率的影响体现在反应速率常数上阿仑尼乌斯公式：Z:指前因子；Ea:活化能(1)温度升高（T↑);速率常数升高k↑（k正↑，k逆↑）;反应速率υ↑。温度每增加10oC，υ或k增大2－3倍。(2)活化能越低Ea↓，速率常数升高k↑,反应速率越高υ↑RTEaZekzRTEaklnln1.反应C（s）+O2（g）==CO2（g）,的△H0,欲加快正反应速率,下列措施无用的是（）A.增大O2的分压;B.升温;C.使用催化剂;D.增加C碳的浓度.6.下列关于化学反应速率常数κ的说法正确的是：（A）κ值较大的反应，其反应速率在任何条件下都大；（B）通常一个反应的温度越高，其κ值越大；（C）一个反应的κ值大小与反应物的性质无关；（D）通常一个反应的浓度越大，其κ值越大。3．活化能与催化剂（1）活化分子：具有足够能量，能发生反应的分子。（1）活化能：活化分子的平均能量与反应物分子平均能量之差。即反应发生所必须的最低能量。Ea(正)－Ea(逆)≈△H（2）催化剂：改变反应历程，降低反应活化能，加快反应速率。而本身组成、质量及化学性质在反应前后保持不变。反应过程EIEIIEa(正)Ea(逆)ΔEΔrHm终态始态(过渡态)III图2.4反应系统中活化能示意图mraa((HEE））逆正Ea(正)=E-EIEa(逆)=E-EIIE4．从活化分子、活化能的观点解释加快反应速率的方法：从活化分子、活