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14.2:

平衡常数

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Chemistry
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The Equilibrium Constant

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质量作用定律引入平衡 常数,将反应物和产物的 平衡浓度关联起来。对于一个平衡的化学方程式,其中 A 和 B 是反应物,C 和 D 是产物,小写的 a、b、c 和 d 是它们各自的化学计量系数,平衡常数的表达式 由产物的摩尔浓度 除以反应物的 摩尔浓度得出,全部 加上它们的化学计量系数次方。平衡常数通常 用符号 K 或 Kc 表示,其中下标 c 表示相对于 摩尔浓度的平衡常数。作为摩尔浓度的比值,平衡常数是无单位的。一个远大于 1 的大平衡常数 意味着分子,即 产物的浓度,大于分母,即 反应物的浓度。这表明平衡朝向产物进行,有利于正向反应。相反,一个远小于 1 的小平衡常数 意味着分母大于分子。这意味着平衡 朝向反应物并且有利于逆向反应。对于一个量级等于或 接近 1 的平衡常数,反应物和 产物的相对浓度几乎相同。这表明,无论是正向反应还是逆向反应,都不被支持。对化学方程式的修改 也会改变平衡常数。如果一个平衡常数为 x 的化学反应 被逆转,则该逆转反应的 平衡常数表达式为 正向反应的倒数。所以,新的平衡常数就是 1 除以 x。如果这些系数乘以 另一个因子 n,则平衡常数 变为相同的因子次方。新的平衡常数现在 是 x 的 n 次方。当两个或更多单独的反应加在一起时,整个反应的平衡常数 是各个平衡常数的乘积。所以,新的平衡常数就是 y 乘以 z。对于非均相平衡,平衡常数 表达式不包括纯固体或纯液体 实体。例如,固体硝酸铵分解为 气态氧化亚氮和水蒸气的 平衡常数表达式,不包括硝酸铵—一种 纯固体。这是因为纯固体或液体的 相对摩尔浓度在 反应过程中保持不变。

14.2:

平衡常数

考虑二氧化硫的氧化:

Eq1

对于仅以反应物混合物开始的反应,生成物浓度最初等于零。 当反应朝着正向均衡方向前进时,反应物浓度会下降,生成物浓度会增加。 当达到平衡时,反应物和生成物的浓度保持不变。

如果反应开始时只有生成物存在,则反应将朝着相反方向逐渐达到平衡。 生成物浓度随着时间的推移而下降,反应物浓度也会增加,直到浓度在平衡状态下保持不变。

质量作用定律表示生成物,平衡状态下的浓度与反应物浓度的比值 (升高到各自的化学当量系数) 等于一个常量,称为平衡常量 K 或 KC

因此,上述反应的平衡常量表达如下:

Eq2

其中,下标 ‘c ’表示平衡常数考虑反应物和生成物的摩尔浓度。

平衡常数的大小明确反映了平衡时反应混合物的组成。 当大多数反应物转换为生成物时,显示较大 K 的反应将达到平衡,而较小的 K 则表示在转换极少反应物后,反应将达到平衡。 请记住, K 值的大小并不代表达到平衡的速度或速度。 一些平衡的建立速度非常快,几乎可以瞬间完成,而另一些则非常缓慢,以至于在几天,几年或更长时间内看不到明显的变化。 反应的平衡常数可用于预测含有反应物和 / 或生成物的混合物的行为。 如上文所述的二氧化硫氧化过程所示,化学反应将朝实现平衡所需的任何方向进行。

耦合平衡

许多平衡系统涉及两  种或多种耦合平衡反应,这些反应具有一种或多种常见的反应物或生成物物种。   涉及耦合平衡的系统的 K 值可以与  单个反应的 K 值相关。 这种方法涉及三个基本操作,如下所述:

•改变化学方程的方向基本上会交换“反应物”和“生成物”的特性,因此,反向方程的平衡常量只是正向方程的对等量。

• 将方程中的化学当量系数更改为  x 会 导致平衡常数在同一系数下发生指数变化。

• 将两个或多个平衡方程式相加产率一个整体方程  ,其平衡常数是单个反应 K 值的数学生成物。

异构平衡的平衡常量表达式

对于两个或多个不同相位中涉及反应物和生成物的异构平衡,纯固体或纯液体的浓度包括在平衡常量表达中,如下例所示:

Eq3

这是因为纯液体和纯固体的相对浓度在反应期间保持不变

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第 13.2 节:平衡常数