一、平衡常數的意義
在特定溫度時,平衡常數的大小代表反應向右進行的程度。平衡常數愈大,平衡時生成物所占的比例通常愈高;平衡常數愈小,則反應物所占的比例通常愈高。
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在特定溫度時,平衡常數的大小,代表反應向右進行的程度。
aA(g)+bB(g) ⇌ cC(g)+dD(g)
K= [C]c[D]d / [A]a[B]b =分子/分母 -
平衡常數數值與平衡狀態的關係如下:
平衡常數大小與平衡傾向 比較項目 K 值極大的反應 K 值極小的反應 平衡常數數值 分子 ≫ 分母
約 > 103分子 ≪ 分母
約 < 10-3平衡傾向 有利正反應,往生成物方向 有利逆反應,往反應物方向 平衡狀態 [生成物] ≫ [反應物] [生成物] ≪ [反應物] 實例與說明 800 K 時,一氧化碳與氧氣的燃燒:
2CO(g)+O2(g) ⇌ 2CO2(g)
Kp= PCO₂2 / PCO2PO₂ =7.1 × 1027
達平衡時,CO 或 O2幾乎完全反應成 CO2,故 CO 或 O2的分壓極小,可視為完全反應。298 K 時,氮氣氧化為一氧化氮:
N2(g)+O2(g) ⇌ 2NO(g)
Kp= PNO2 / PN₂PO₂ =2.0 × 10-31
達平衡時,NO 的分壓極小,表示幾乎不反應;即室溫時,此反應不發生。 -
平衡常數的大小只能表示達平衡時的濃度相對關係,與反應速率無關。
例:室溫下,甲烷燃燒的平衡常數 Kp為極大值(1042),事實上,甲烷在室溫下與氧氣幾乎不反應,反應速率極慢。
二、平衡常數的應用
平衡常數可用來判斷反應進行的方向,也可用來計算反應物與生成物達到平衡時的濃度。判斷方向時,需比較任意時刻的反應商 Q 與平衡常數 K。
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平衡常數可用來判斷反應進行的方向。
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反應商:在可逆反應過程中的任一時間點,將反應物與生成物的濃度代入平衡常數表示式中,所得的數值稱為反應商,以 Q 值表示。
aA(g)+bB(g) ⇌ cC(g)+dD(g)
Q= [C]c[D]d / [A]a[B]b
其中 [A]、[B]、[C]、[D] 為任意時刻的濃度。 -
平衡常數 K 的表示式與反應商 Q 相同,但代入的是達平衡時的濃度:
K= [C]c[D]d / [A]a[B]b
其中 [A]、[B]、[C]、[D] 為達平衡時的濃度。 -
利用比較反應商 Q 與平衡常數 K 的關係,可判斷反應方向。
例:448℃ 時:
H2(g)+I2(g) ⇌ 2HI(g)
Kc= [HI]2 / [H2][I2] =50反應商 Q 與平衡常數 K 的關係 比較項目 Q < Kc
未平衡Q = Kc
平衡Q > Kc
未平衡反應方向 生成物濃度太低,或反應物濃度太高。
正反應速率 > 逆反應速率,反應向右。正反應速率=逆反應速率,反應達平衡狀態。 生成物濃度太高,或反應物濃度太低。
逆反應速率 > 正反應速率,反應向左。反應商 Q 的計算 [H2]=1.00 M
[I2]=1.00 M
[HI]=1.00 M
Q= (1.00)2 / (1.00)(1.00) =1.00<Kc
⇒ 反應向右直至平衡[H2]=1.00 M
[I2]=1.00 M
[HI]=7.07 M
Q= (7.07)2 / (1.00)(1.00) =50.0=Kc
⇒ 平衡[H2]=1.00 M
[I2]=1.00 M
[HI]=10.00 M
Q= (10.00)2 / (1.00)(1.00) =100>Kc
⇒ 反應向左直至平衡
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反應商:在可逆反應過程中的任一時間點,將反應物與生成物的濃度代入平衡常數表示式中,所得的數值稱為反應商,以 Q 值表示。
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平衡常數可用來計算反應物和生成物達到平衡時的濃度。
例:某溫度時,可逆反應:
H2(g)+I2(g) ⇌ 2HI(g), Kc=50
若 [H2]=1.00 M、[I2]=1.00 M、 [HI]=1.00 M,計算過程如下:-
先以反應商 Q 判斷反應方向:
Q= [HI]2 / [H2][I2] = (1.00)2 / (1.00 × 1.00) =1.00<Kc(50)
故反應向右移動,直到達平衡狀態。 -
利用反應式列出各成分濃度,將濃度變化量設為 x:
反應物與生成物的濃度變化 H2(g) I2(g) 2HI(g) 初始濃度 1.00 1.00 1.00 反應中間的濃度變化 -x -x +2x 平衡時的濃度 1.00-x 1.00-x 1.00+2x -
將上述各物質濃度代入平衡常數表示式,解出未知數 x:
Kc=50.0= (1.00+2x)2 / [(1.00-x)(1.00-x)]
∴ x ≈ 0.67
[H2]=[I2]=1.00-0.67=0.33 M
[HI]=1.00+2 × 0.67=2.34 M
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先以反應商 Q 判斷反應方向: