反应商 Q

反应商$Q$‍是在反应中的给定时间存在的产物和反应物的相对数量。

可逆反应 $\text{aA}+\text{bB}\leftrightharpoons \text{cC}+\text{dD}$‍, 其中 $\text{a}$‍, $\text{b}$‍, $\text{c}$‍, 和$\text{d}$‍是平衡反应的化学计量系数, 我们可以使用以下公式计算 $Q$‍:

这个表达式可能看起来非常熟悉，因为$Q$‍是一个与平衡常数$K$‍密切相关的概念。与基于平衡浓度的$K$‍不同，无论我们是否处于平衡状态，都可以计算$Q$‍。

$Q$‍的大小告诉我们反应容器中是什么。那到底是什么意思？让我们从极端情况开始思考。对于只有反应物的反应, 产品浓度为 $[\text{C}]=[\text{D}]=0$‍。由于我们的分子是零, 那么 $Q=0$‍。对于只有产物的反应, 我们方程的分母中有 $[\text{A}]=[\text{B}]=0$‍ , 所以 $Q$‍ 是无限大。大多数时候, 我们将有一些反应物和产物的混合物, 但你仍然可以记住, 非常小的$Q$‍值告诉你, 反应物占大多数，而非常大的$Q$‍值表示反应容器中产物占大多数。

将$Q$‍和$K$‍在给定的反应中相比, 并告诉我们反应需要向哪个方向达到平衡。你可以把这看作是使用勒夏特列原理( Le Châtelier’s principle)的另一种方式。

根据勒夏特列（LeChâtelier）原理，我们知道当施加压力会使反应远离平衡时，反应将试图调整以恢复平衡。通过比较$Q$‍和$K$‍，我们可以看到我们的反应是如何调整的 - 它是在尝试制造更多的产物，还是在消耗产物来制造更多的反应物？ 或者，我们已经达到平衡吗？

有三种可能性需要考虑:

让我们回想一下上面$Q$‍的表达式。在分子中，我们有产物浓度或分压，以及位于分母的反应物浓度或分压。在$Q>K$‍的情况下，这表明比平衡时存在更多的产物。因此，反应将试图消耗一些过量的产物，并且更倾向于发生逆反应来达到平衡。

在这种情况下，产物与反应物的比率小于平衡时的比率。换句话说，反应物的浓度高于平衡时的浓度; 你也可以将其视为产物浓度过低。为了达到平衡，反应更趋近于正向反应并试图用掉一些过量的反应物来制造更多的产物。

万岁！反应已经达到平衡！由于正向和逆向反应的速率相等，我们的浓度不会改变。

我们知道$Q$‍可能有从零 - 所有反应物 - 到无限大 - 所有产物的可能值。我们也知道，如果浓度没有达到平衡，反应将调整浓度达到平衡。考虑这些想法的另一种方法是根据$Q$‍的所有可能值绘制一个数轴：

为了简化一点，该线可以大致分为三个区域。对于非常小的$Q$‍，~${10}^{-3}$‍ 或更小的值，反应结果主要是反应物。 对于$Q$‍的中间值，介于~${10}^{-3}$‍ 和${10}^3$‍之间，我们的反应容器中含有大量的产物和反应物。最后，当$Q$‍很大，大于~${10}^3$‍时，反应结果主要是产物。

如果我们在我们的数轴上绘制$Q$‍和$K$‍，我们从$Q$‍到$K$‍的方向告诉我们反应是如何调整的。如果我们向右移动，我们正在改变浓度以生产更多产物并趋向正向反应。如果我们向左移动到零，我们正朝着制造更多反应物和趋近逆反应的方向。

我们可以通过平衡反应写出方程然后用给定的浓度来计算$Q$‍。

如果我们将$Q$‍与$K$‍进行比较，我们可以发现 $Q>K$‍。这告诉我们，与平衡状态相比，我们有过量产物，因此趋近逆向反应。

如果我们用$Q$‍和$K$‍的值绘制数轴，我们会得到这样的结果：

我们可以看到$Q$‍落在我们主要全是产物的区域附近，即$K$‍的右边。由于反应将调整为接近$K$‍，我们可以向转变的方向画一个箭头。这个箭头从$Q$‍开始并指向$K$‍，它也指向反应物区域。这告诉我们，我们的反应将趋近于逆向反应，以产生更多的反应物并消耗过量的产物。

正如你所看到的，这两种方法都给出了相同的答案，因此你可以选择最适合你的方法！

我们可以将反应商$Q$‍与平衡常数$K$‍进行比较，以推测反应将如何达到平衡。此外，你可能会在其他化学主题和方程式中看到$Q$‍，因为我们经常对不平衡时各种因热力学而发生的变化感兴趣。敬请期待更多!!