同學們在高中就接觸到了化學平衡部分的內容並做了初步的研究,今天就為大家詳細講述化學中的平衡。
平衡狀態:一般般化學反應都是可逆地進行的,當反應進行到一定程度,正向反應速率等於逆向反應速率,反應物和生成物的濃度不再變化,這種表面靜止的狀態就叫做平衡狀態。
平衡濃度:處在平衡狀態的物質濃度叫做平衡濃度
對於反應mA+nB=pC+qD
在溫度T時,平衡濃度[A][B][C][D]之間有
其中K為該反應在溫度T時的平衡常數,這個常數可以由實驗直接測定(各組分濃度),叫做實驗平衡常數,用K表示,也可以用和K之間的關係間接求得,叫做標準平衡常數。
幾個注意:
(1)一個確定的化學方程式的K值只與反應溫度有關,所以平衡常數的表達式要與化學方程式相對應,並註明反應溫度。有些反應常數受溫度影響較大,有的受影響較小,如醋酸電離,AgCl沉澱等水溶液反應,在室溫範圍內應用時,K可不標明溫度。
(2)關於Kp以上介紹的用濃度表示的化學平衡常數可記作Kc,在氣相反應中,各物的平衡量常用分壓表示,對應的平衡常數為Kp,如合成氨反應中
(3)Kp和Kc的關係在各反應氣體都符合理想氣體 定律(壓力不太大、氣溫不太低)的時候,由 得即可以推得,其中Δn為生成物和反應物氣體計量數之差,R所用單位由氣體分壓單位決定。
(4)相對壓力(濃度)標準平衡常數對於之前的反應中,
其中為p^標準壓力,即10^5pa,可以看出,標準平衡常數是無量綱的。
但是實際情況下的反應很少實在標況下進行的,對於反應
表示任意情況下的自由能變ΔG和關係的式子為:
Van’t Hoff等溫式
1.繼續推導:當各氣體分壓都用標準壓力做單位時,簡化為
來判斷反應進行方向;
將①式代入②中,可以化簡整理得
可以看出,
當 Qp<Kp時,ΔG<0,反應正向進行。
當Qp=Kp時,ΔG=0,反應處於平衡狀態。
當Qp>Kp時,ΔG>0,反應逆向進行。
實際的化學過程中,往往一樣物質能參與多種平衡。
對於反應1 A+B=C K1
反應2 C=D K2
反應3 D=E K3
反應4 2A=2B=2C K4
由上式子看出,反應三為反應一和反應二之和,而K3=K2*K1
相應的,反應一為反應三與反應二之差,這時K1=K3/K2
反應四可看作兩個反應一相加,即K4=K1^2
同學們已能Le Chatelier原理初步判斷條件改變後平衡移動的方向,但利用平衡常數則可以具體計算平衡移動的程度。
化學平衡移動的方向由體系的ΔG決定,即一定溫度下由K和Q決定,在溫度、壓力不變的情況下,K不隨濃度變化,Q隨濃度變化,由Q和K的大小比較可推出化學平衡移動的方向,Q/K的值也表明了起始狀態和平衡狀態之間的差距。
壓力的變化對於固相和液相反應平衡位置幾乎沒有影響。對於那些反應前後計量數不變的氣相反應平衡也沒有影響,因為壓力變化對生成物和反應物分壓產生的影響是等效的。對於那些計量係數變化的氣相反應有影響,其程度可以通過平衡常數進行計算。
要了解溫度對平衡的影響,需要知道溫度對K的影響。由
將兩組數據K1、K2和T1、T2代入上式化簡消元可得
Van’t Hoff方程式
即只要知道某個反應的K1、K2和T1、T2、△H^θ中的四個量時就可以求出第五個量。
例題
第一題 求10^-5pa高真空中CuO分解的最低溫度。
第二題 實驗指出,無水三氯化鋁在熱力學標準壓力下的以下各溫度測定的密度為:(第二行第四欄數據為1.51*10^-3)
2-1 求三氯化鋁在200℃和800℃下的分子式。
2-2 求600℃下的平衡物種。
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