第8章 化学反应平衡 一、是否题 1.化学平衡常数在低压下可以视为一个仅与温度有关的常数;而在高压下,T和p应该对化学平衡常数均有影响。 错。化学平衡常数仅是温度的函数,与压力无关。 很明显,反应物的浓度或压力可以使化学平衡移动,所以就可以改变平衡常数。 错。化学平衡常数仅是温度的函数。 改变反应温度,不但可以使化学平衡移动,而且可以改变平衡常数。 对。 化学反应的是该反应进行方向的判据。 错。应该是。 化学反应的是该反应在标准状态下进行方向的判据。当化学反应Gibbs函数的变化大于零,则该反应是不可能进行的。 对。 初始时系统内存在的CH4、H2O、CO和H2分别是2mol、1mol、1mol和4mol,当发生了反应进度的气相反应后,则系统内物质的量不会变化。 错。可以导出系统内总物质的量与反应进度的关系是,所以,系统的总物质的量是增加的。 若化学平衡常数随着温度的升高而升高,则反应的标准焓变化为正值 对。因为。 无论在T,p一定,或U,V一定,或T,V一定条件下,对于封闭系统的平衡状态,总是有G为极小值。 错。对于封闭系统的平衡状态,在U,V一定条件下,S是极大值;U,V一定条件下,A是极大值;T,p一定条件下,G是极小值。 二、计算题 1.一容器中开始有物质的量为n0的水蒸气,分解成为氢气和氧气的反应进度为,求各组分的物质的量和摩尔分数。 解:反应式为,各组分的物质的量和摩尔分数可以表示如下。 组分  起始物质的量 平衡物质的量 平衡摩尔分数   H2O(g)  n0 n0    H2(g) 0       O2(g) 0  0.5      n0+0.5 1  2.若系统发生了两个反应   初始时系统中只有2molCH4和3molH2O,用两个反应进度和来表达平衡组成。 解 3.对于理想气体的化学反应:,在145℃下,当压力为1bar时的平衡常数Ka=6.82×10-2,145℃和10bar下的平衡常数为: 解Ka=6.82×10-2。(因为平衡常数仅是温度的函数。) 4.对于理想气相反应,在400K,2bar时Ka=45.6,计算从纯A开始反应的平衡转化率。 解 组分 起始物质的量 平衡物质的量 平衡摩尔分数  A(g) 1 1 (1)/(1+x)  B(g) 0 2x 2x/(1+x)    1+x 1    5.对于理想气相反应,在400K,1bar下从1molA和1molB开始,当达到平衡时,可以得到0.75mol的C,若从3molA和1molB开始,在同样条件下达到平衡时,求可以得到C的物质的量。 组分 第一种情况 第一种情况   起始物质的量 平衡物质的量 摩尔分数 起始物质的量 平衡物质的量 摩尔分数  A(g) 1 0.25 0.125 3 3 (3)/2  B(g) 1 0.25 0.125 1 1 1/2  C(g) 0 0.75 0.375 0  /2   0 0.75 0.375 0  /2    2 1  2 1  有    6.对于理想气相反应,在200℃和2bar时,Ka=15,求(1)按反应物化学计量的化学反应平衡转化率,(2)按1molA,1molB和1mol惰性组分的平衡转化率。 解 75%;(2)67.6% 7.在化学平衡常数计算中,气相组分、液相组分、固相组分所取的标准状态是什么? 气相组分:系统温度、常压下的纯理想气体; 液相组分:系统温度、常压下的纯液体; 固相组分:系统温度、常压下的纯固体。 8.设初始时某体系中H2S与H2O的摩尔比为1:3,并进行以下气相反应: H2S+2H2O=3H2+SO2 试推导用反应进度表示的组分摩尔分数的普遍关系式。 解:用下标1表示H2S,2表示H2O,3表示H2,4表示SO2,反应式为 H2S+2H2O=3H2+SO2 由此可知化学计量数。反应进度的定义为  (1) 由题中所给条件知体系初始时,,对式(1)进行积分,可得某一时刻各物质的量  积分得  同理,可得。总摩尔数为,因此用反应进度表示的组分摩尔分数的普遍关系式为   9.已知合成甲烷气的一个反应为 3H2+CO=CH4+H2O 该气相反应的平衡问题很重要。为了进行研究,需要把平衡常数K表示为反应进度的函数。如果初始时混合物中H2与CO的摩尔比为4:1,试推导该关系式。 解:用小标1代表H2,2代表CO,3代表CH4,4代表H2O,反应式为 3H2+CO=CH4+H2O 由此可知化学计量数。各物质量的变化与反应进度的关系式为  (1) 由题中所给条件,知体系初始时,,若达到平衡时反应进度为,则对式(1)积分可得各物质的量  得  同理,可得。总摩尔数,平衡时各物质的摩尔分数为  本题研究的反应是气相反应,纯物质的标准态逸度取,平衡常数表达式为  (2) 将化学计量数及用反应进度表示的平衡组成代入式(2),得  10.已知在35℃,101.325kPa下达到平衡时N2O4变为NO2的解离分率为0.27,此条件下气体可当作理想气体处理。 试求该气相反应的平衡常数K; 计算在35℃,13.33kPa下达到平衡时的反应进度; 已知温度为318K和298K时,N2O4解离的平衡常数分别为0.664和0.141,试计算在此温度范围内的平均反应热。 解:用下标1表示N2O4,2表示NO2,化学反应式为 N2O4=2 NO2 得到。初始时,,并设n1=1,n2=0,则达到平衡时,n1=1,n2=2,n=1+,平衡时的摩尔分数为  (1) 由于气体可看作理想气体处理,并取参考态压力为101.325kPa,于是化学反应平衡参数为  (2) 将式(1)代入式(2),得用反应进度表示的反应平衡常数表达式为  (3) 由于达到平衡时N2O4变为NO2的解离分率为0.27,即 解离分率=(1-n1)/1==0.27 (4) 将式(4)及已知的压力数据代入式(3),得反应平衡常数值为 K=0.315 由式(3)得  (5) 由于平衡常数K仅与温度有关,而与压力无关,于是当压力变为13.33kPa时,由式(5)便可求得平衡反应进度为  平均反应热可由它与化学反应平衡常数的关系求得  11.设已知甲醇可以由CO加H2按下列反应制取  且反应是在400K,101.325kPa下进行的。通过分析,从反应器得到的平衡气相产品中,H2的含量为40%(摩尔百分数)。 假设为理想气体,试确定平衡产品中CO与CH3OH的组成; 如果反应在500K,101.325kPa下进行,初始物料与(1)相同,能否希望平衡产物中的H2的组成大于或小于40%?(设气体为理想气体。) 已知:上述反应在400K时K=1.52,。 解:用小标1表示CO,2表示H2,3表示CH3OH,由反应式  知化学计量数。对理想气体,平衡常数为  (1) 将y3=1-y1-y2代入式(1),得  (2) 将y2=0.40,K=1.52,p=101.325kPa代入,得到CO及CH3OH的组成为 y1=0.480, y3=1-y1-y3=0.118 (2)由于反应热小于零,这是一个放热反应,当反应温度升高时,平衡常数K将减小,不利于反应向正方向进行,即平衡向左移动,因此平衡产物中的H2的组成将大于40%(摩尔分数)。