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课程: 化学 > 单元 8

课程 1: 平衡系数
科学
化学
化学平衡
平衡系数
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平衡常数 K

Google课堂
可逆反应、平衡和平衡常数 K。如何计算 K, 以及如何使用 K 来确定反应在平衡状态是否强烈趋向于产物或反应物。 

要点

  • 可逆反应 可以正向或逆向进行。
  • 平衡状态 是指正向反应的速率等于反向反应的速率的状态。所有反应物和产物浓度在平衡状态下都是恒定的。
  • 对于反应aA+bB⇋cC+dD， 平衡常数Kc, 也称作 K 或 Keq, 有以下的方法定义：
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
  • 对于不平衡的反应, 我们可以写一个类似的表达式, 称为 反应商 Q, 等于平衡状态的Kc。
  • Kc 和 Q 可用于确定反应是否处于平衡状态，计算平衡时的浓度，以及估计反应是否有利于平衡时的产物或反应物。

引言: 可逆反应和平衡

可逆反应可以正向和逆向进行。在一个封闭的系统中, 大多数反应理论上是可逆的, 尽管有些反应如果严重有利于反应物或产物的形成, 可以被认为是不可逆转的。我们在编写可逆反应方程时使用的双半箭头符号, ⇋, 是一个很好的视觉提醒, 这些反应可以前进生成产物, 或向后生成反应物。可逆反应的一个例子是从四氧化二氮N2O4中生成二氧化氮 NO2,
N2O4(g)⇋2NO2(g)
想象一下, 我们在室温下向一个疏散的玻璃容器添加了一些无色 N2O4(g)。 如果我们一直盯着小瓶, 我们会观察到安慰剂中的气体变成黄色的橙色, 逐渐变暗, 直到颜色保持不变。我们可以绘制 NO2 和 N2O4 在这个过程中的浓度, 你可以在下图中看到。
y轴上的浓度和x轴上的时间的图表。 二氧化氮的浓度从零开始并且增加直至其在平衡浓度下保持恒定。 四氧化二氮的浓度从任意初始浓度开始，然后降低直至达到平衡浓度。 在平衡时，四氧化二氮和二氧化氮的浓度都不随时间变化。
四氧化二氮可逆转化为二氧化氮的浓度与时间的关系图。在虚线指示的时间, 两个物种的浓度都是不变的, 反应处于平衡状态。图像: Graph modified from OpenStax Chemistry, CC BY 4.0
最初，样品仅包含N2O4的浓度为0 M。当N2O4转化成NO2，NO2的浓度增加到某个点，由左边的图中的虚线表示，然后保持不变。 类似地，N2O4的浓度从初始浓度开始降低，直至达到平衡浓度。 当N2O4和NO2的浓度保持不变时，反应达到平衡。
所有反应都倾向于一种化学平衡状态, 即正向过程和反向过程发生的时间 都以相同的速度进行 由于正向和反向速率相等, 反应物和产物的浓度为在平衡状态下保持不变。重要的是要记住, 即使浓度在平衡状态下是不变的, 但反应仍在发生!这就是为什么这种状态有时也被称为 动态平衡 。
根据所有不同反应物种在平衡状态下的浓度, 我们可以定义一个称为平衡常数 Kc, 它有时也被写作 Keq 或 K 。c 在下标代表浓度, 因为平衡常数可以描述摩尔浓度, 以molL为单位。 平衡常数可以帮助我们了解反应在平衡状态下的产物或反应物的浓度是否更高。我们也可以使用 Kc 来确定反应是否已经处于平衡状态。

如何计算Kc?

考虑以下方程式
aA+bB⇋cC+dD
如果我们知道所有物质的浓度，我们可以计算出Kc的值
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
其中 [C] and [D]是平衡产物浓度;[A] 和 [B]为平衡反应物浓度;并且a, b, c, 和d 是平衡反应的化学计量系数。浓度通常以摩尔度表示, 其单位为molL.
五个玻璃杯颜色各不相同, 最左边的小瓶结霜, 无色, 第二个小瓶向左含有深黄色的液体和气体。左边第三、第四和第五瓶内的液体和气体颜色越来越深。
四氧化二氮, 一种无色液体和气体, 与二氧化氮 (一种橙褐色气体) 处于平衡状态。两个物种的平衡常数和平衡浓度取决于温度!从左到右的温度 -196 ∘C, 0 ∘C, 23 ∘C, 35 ∘C, 和 50 ∘C. 图像来源: Eframgoldberg on Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
在计算 Kc 时, 需要记住一些重要的事情:
  • Kc是特定反应在特定温度下的常数。如果您更改反应的温度, 则 * Kc 也会更改。
  • 纯固体和纯液体 (包括溶剂) 不包括在平衡表达式中。
  • Kc 通常没有单位, 这取决于教科书。
  • 反应必须与作为最低可能的整数值写入的系数平衡, 以获得 Kc 的正确值。
注意: 如果任何反应物或产物都是气体，我们也可以在气体的部分压力中写平衡常量。我们通常提到这个值， Kp，请告诉它，如果使用浓度，Kc。然而，在本篇文章中，我们将重点放在 Kc。

如何用Kc测量平衡反应的程度？

Kc 可以给我们一些关于反应物和产品浓度在平衡的信息:
  • 如果 Kc 非常大，~ 1000 或更多, 我们将有大多数产物。
  • 如果 Kc非常小，~0.001 或更少，我们将拥有大部分反应物。
  • 如果 Kc 在0.001 和1000之间, 反应物和产物的浓度处于平衡。
通过使用这些指导方针，我们可以很快估计，反应是否会大力支持正向反应，使产物——非常大 Kc或者——强烈支持逆向反应，非常小的Kc，——或者在彼此之间。

举例

Part 1: 从平衡浓度计算Kc

让我们研究在硫酸盐和氧气之间产生的平衡反应，以产生三氧化硫：
2SO2(g)+O2(g)⇋2SO3(g)
反应在某些温度下处于平衡状态,T, 并测量以下平衡浓度:
[SO2]=0.90M[O2]=0.35M[SO3]=1.1M
我们可以计算反应在温度 T 下的 Kc :
Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]
如果我们将已知的平衡浓度代入上述方程, 我们将得到:
Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]=[1.1]2[0.90]2[0.35]=4.3
由于计算的 Kc值在0.001和1000之间，我们预计该反应在平衡时具有显着浓度的反应物和产物，而不是主要具有反应物或主要是产物。

Part 2: 使用反应系数 Q 检查反应是否处于均衡状态

现在我们知道这个温度的平衡常数：Kc=4.3。 想象一下，我们在相同温度T下有相同的反应，但这次我们在不同的反应容器中测量以下浓度：
[SO2]=3.6M[O2]=0.087M[SO3]=2.2M
我们想知道这种反应是否处于平衡状态，但我们如何才能解决这个问题呢？ 当我们不确定我们的反应是否达到平衡时，我们可以计算反应系数, Q:
Q=[SO3]2[SO2]2[O2]
在这一点上，你可能想知道为什么这个等式看起来如此熟悉以及 Q 与 Kc的区别。 主要区别在于我们可以在任何时候计算Q，无论反应是否达到平衡，但我们只能在均衡时计算 Kc。 通过比较Q和 Kc，我们可以判断反应是否处于平衡状态，因为Q=Kc表示反应正处于均衡状态。
如果我们使用以上浓度计算 Q ，我们就能获得：
Q=[SO3]2[SO2]2[O2]=[2.2]2[3.6]2[0.087]=4.3
因为 Q 的值等于 Kc, 我们知道新的反应也在均衡状态。耶!

示例2: 使用Kc找到平衡组成部分

让我们考虑一个平衡混合物 N2, O2 和 NO:：
N2(g)+O2(g)⇋2NO(g)
我们可以写平衡常量表达式如下：
Kc=[NO]2[N2][O2]
我们知道平衡常量为3.4×10−21，并且我们也知道以下平衡浓度：
[N2]=[O2]=0.1M
NO(g)在平衡时的浓度是多少？
由于 Kc小于0.001，我们预测反应物N2 和 O2将以比产物，NO，以更高的浓度存在，从而处于均衡状态。 因此，我们希望我们计算的NO浓度与反应物浓度相比非常低。
如果我们知道N2 和 O2的均衡浓度为0.1 M，我们可以重新排列Kc的等式来计算 NO的浓度：
Kc=[NO]2[N2][O2]                把 NO 这一项单独放在一边.
[NO]2=K[N2][O2]       开方，求 [NO]的值.
[NO]=K[N2][O2]
如果带入平衡浓度值 Kc, 我们获得：
[NO]=K[N2][O2]=K[N2][O2]=(3.4×10−21)(0.1)(0.1)=5.8×10−12M
正如预测的那样，NO, 5.8×10−12M,的浓度远小于反应物[ textN2]和 [ textO2]的浓度。

总结

这是一张海边沙滩的照片。人们躺在沙滩巾上，身上覆盖着淡黄色的沙子，蓝绿色的海水中有一些游泳的人。海滩周围被小镇上的房屋环绕着。
如果进入水中的人的比率等于人们离开水的比率，那么系统处于平衡状态！ 即使海滩游客仍然在沙滩和水面之间移动，海滩上的总人数和水中的人数将保持不变。 图片来源: penreyes on flickr, CC BY 2.0
  • 可逆反应 可以正向或逆向进行。
  • 平衡状态 是指正向反应的速率等于反向反应的速率的状态。所有反应物和产物浓度在平衡状态下都是恒定的。
  • 对于反应aA+bB⇋cC+dD， 平衡常数Kc, 也称作 K 或 Keq, 有以下的方法定义：
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
  • 对于不平衡的反应, 我们可以写一个类似的表达式, 称为 反应商 Q, 等于平衡状态的Kc。
  • Kc 和 Q 可用于确定反应是否处于平衡状态，计算平衡时的浓度，以及估计反应是否有利于平衡时的产物或反应物。

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