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2.6 反应速率与化学平衡的综合应用 学习化学反应原理,目的在于将化学反应的一般原理应用于实际生产过程和科学研究。化学热力学和化学动力学属两个不同的概念却又互有联系。化学热力学告诉我们一个化学反应在给定条件下能否自发进行,进行的程度有多大,反应物的转化率是多少;而化学动力学则告诉我们在给定条件下该反应进行的快慢。 在实际生产或科学研究中必须同时兼顾这两个问题,综合考虑平衡与速率两方面的各种因素,选择最佳、最经济的生产条件。 例如H2SO4生产中SO2(g)氧化为SO3(g)的反应 SO2(g) + 1/2O2(g) SO3(g) ?rH?m= ?98.89 kJ?mol?1 这是一个气体分子数减少(?rS?m?0)的放热反应(?rH?m?0),根据平衡移动原理,压力愈高、温度愈低愈有利于平衡转化率的提高 。 表 SO2平衡转化率与温度、压力的关系 在19世纪人们发现并使用了Pt催化剂来催化上例反应。由于Pt价格昂贵且易中毒,在20世纪初,发现了钒催化剂。钒催化剂以V2O5为主,K2O为助催化剂,以SiO2为载体以增大多相催化的表面积。在673K与773K之间使用V2O5催化剂,SO2的平衡转化率和反应速率均另人满意。 增加压力既能提高平衡转化率,又增加了气体浓度,对加快反应速率也有利。但由于常压平衡转化率已很高,而增加压力要消耗能源并相应增加对设备材料的要求,所以实际生产采用常压过程。同时,由于SO2成本较高,O2 可从空气中任意获取,为尽量利用SO2使用过量的O2。 综合化学平衡和反应速率两方面的因素,SO2的转化反应条件为: 压力:常压(101.3kPa) 催化剂:V2O5(主)、K2O(助),SiO2载体 温度:673K?773 K; 原料气组成:SO27%~9%;O2~11%;N2~82%。 书写和应用标准平衡常数表达式应注意事项: (1)平衡常数表达式中各物质的浓度(或分压),必须是在系统达到平衡状态时相应的值。 (2)平衡常数表达式要与计量方程式相对应。同一个化学反应,用不同计量方程式表示时,平衡常数表达式不同,得到的数值也不相同。 (3)有纯固体、纯液体参与反应时,它们的浓度为1,不必写入K?的表达式。稀溶液中的溶剂参与反应时,也不必列入。 (4)温度发生改变,化学反应的平衡常数也随之改变,因此,在使用时须注意相应的温度。 平衡常数K? 与化学反应计量方程式有关; N2 + 3H2 2NH3 K?1= (p(NH3)/p?)2?(p(H2)/p?)?3?(p(N2)/p?)?1 1/2N2 +3/2H2 NH3 K?2= (p(NH3)/p?)1?(p(H2)/p?)?3/2?(p(N2)/p?)?1/2 1/3N2 + H2 2/3NH3 K?3= (p(NH3)/p?)2/3?(p(H2)/p?)?1?(p(N2)/p?)?1/3 显然K?1 = (K?2)2 = (K?3)3 例2: 将N2(g)和H2(g)以1?3体积比装入一密闭容器中,在673K、5000kPa压力下反应达到平衡,产生12.5%的NH3(g)(体积比),求该反应的标准平衡常数K?? 解: 合成氨反应为 N2(g) +3H2(g) 2NH3(g) 因起始N2(g)?H2(g)的体积比为1?3,从反应方程式可知N2(g)?H2(g)平衡时的体积比仍为1?3。 由分压定律可求得各组分的平衡分压: p(N2) = (1/4) ? (1? 0.125) ? 5000 kPa = 1093.75kPa p(H2) = (3/4) ? (1? 0.125) ? 5000 kPa = 3281.25kPa p(NH3) = 0.125 ? 5000 kPa = 625kPa K? = [p(NH3)/p?]2?[p(H2)/p?]?3?[p(N2)/p?]?1 = (625/100)2?(3281.25/100) ?3?(1093.75/100) ?1 = 1.01?10?4 平衡常数的意义 (1)平衡常数是可逆反应的特征常数。对同类反应来说,K?越大,反应进行得越完全。 (2)由平衡常数可以判断反应是否处于平衡状态,以及处于非平衡态时反应进行的方向。 如有一可逆反应:aA + bB ? dD
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