恒温恒压下多相平衡的条件(工科化学（三四）化学反应与能源)

Posted 2023-05-26

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恒温恒压下多相平衡的条件(工科化学（三四）化学反应与能源)

4.3.3影响化学平衡移动的因素

一切化学反应平衡都是相对的，有条件的，是一种动态平衡外界条件改变，平衡遭到破坏，正逆反应速率就不再相等，经历一段时间会建立新的平衡

化学平衡的移动：因外界条件改变，使可逆反应从一种平衡状态转变到另一种平衡状态的过程

化学平衡的移动

4.3.3.1浓度的影响

合成氨的反应是最简单的化学平衡移动的反应

在一定温度下，

1）此反应达到平衡态，此时υ正=υ逆；

2）增大NH3的浓度或者降低H2/N2浓度，υ正<υ逆，平衡向左移动；

3）降低NH3浓度或者增大H2/N2浓度，υ正>υ逆，平衡向右移动

化学平衡朝着浓度改变的反方向移动（加入H2/N2，是H2/N2增加的过程，化学平衡移动的方向是H2/N2减少的方向，即向着生成NH3和消耗H2/N2的方向进行）

在合成氨的反应中，N2取自于空气，成本低，H2取自于煤炭，成本相对高，在合成过程中，加大N2的量，使得H2的转化率达到90%以上。

在合成氨的反应中，把生成的氨气通过工艺及时移走，保证反应向右进行

增大反应物浓度或者减少产物浓度，使得反应向正反应方向进行；

减少反应物浓度或者增大产物浓度，使得反应向逆反应方向进行

4.3.3.2压力的影响

系统压力的改变主要对气态反应起作用

结论：增加体系总压力，平衡将向气体分子总数减小的方向移动

工业合成氨过程中，增大系统压力能使平衡向右移动，一般情况下，合成氨工艺的系统压强使30MPa左右

另：压力的影响（惰性气体）

惰性气体：泛指存在于系统中，但不参与反应的气体（不同于元素化学的惰性气体）

对于气相化学反应来说，当温度和压力都一定时，若往反应系统中充入惰性气体时，往往会改变系统达到平衡时的组成

1）恒温恒压下，总压不变，加入惰性气体，相当于减少了每一种物质的分压，与降低体系总压的效应是一致的；

2）恒温恒容下（反应物浓度和分压力没有发生改变），加入惰性气体平衡不发生移动

课堂习题：在NaOH+HAc=NaAc+H2O的醋酸和氢氧化钠的酸碱中和反应中，把压强从100kPa提高到200kPa后，化学反应向哪个方向移动（答案见文后评论区）

4.3.3.3温度的影响

化学平衡朝着温度改变的反方向进行

温度升高，反应朝着吸热的方向进行。温度升高时，环境给反应提供了更多的热量，丹樱就朝着热量减少的方向进行，反之亦然。（如果一个反应是放热反应，其逆反应一定是吸热反应，反之亦然）。

举例说明：

化学热处理高温气相渗碳中存在这样的反应：2CO(g)⇋C(s)+CO2(g)，试计算298.15K时和1173K时的标准平衡常数

利用盖斯定律求出来焓变和熵变

利用范特霍夫方程求出来标准平衡常数

计算熵变和焓变的时候，注意量纲要统一。最后的结果，用科学计数法表示，切忌使用e指数表示，这是一个初学者易犯的错误，由于得到的最终值是在狄然对数下得到的，为了方便就直接写成以e为底的指数。

4.3.3.4勒夏特列原理（吕查德里）

Le Chatelier,法国化学家，在中学化学里，这个名字被翻译成勒夏特列，但在大学化学里，更多时候被翻译成吕查德里，虽然名字不同，但确确实实是同一个人，出现这种现象的原因是因为这是一个法国人，这个名字在汉字中出现，最开始是从英语翻译过来的。法语先翻译成英语，英语再翻译成汉语，传话传的多了，就传的走样了。

平衡移动原理：对于一个平衡体系来说，如果改变能影响平衡的任何一个条件,平衡就朝着能减弱这种改变的方向进行。

1）反应物浓度增加时，平衡向着反应物浓度减少的方向进行；

2）增大压力时，系统朝着减小压力的方向进行；

3）提高温度时，平衡向温度降低的方向进行

现在我们再看看合成氨的反应为什么要高温高压

先说高压：增大压力，化学平衡朝着压力减少的方向进行，所以反应要在高压下进行，一般是28-30MPa（1个大气压大约0.1MPa）的压力下反应

再说温度：正反应是个放热反应，原则上温度越低，反应越有利于氨的合成，从热力学上讲，这个反应是要求低温的，那为什么还要在400-500℃下进行呢？这是因为这个反应的速率受温度影响很大，越低的温度反应速率越慢，所以这个反应就需要一定的温度来保证反应速率。

合成氨的反应反应控制条件就是：

1，超过量的空气（直接用空气替代氮气，但要循环使用，防止热量流失）

2，足够反应的温度（一般不小于400℃，但也不会超过500℃）

3，足够大的压力（原则上压力越大越好，但要考虑到压力设备的抗压能力）

4，及时除去生成的氨气，降低产物的浓度（除去氨气的方法主要是用水吸收。吸收后稍微加热，氨气还会从水中释放出来。）

下一节我们讲氧化反应反应与原电池