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化學(xué)平衡程度

銅臭 / 2022-07-20

在生產(chǎn)實踐中，只考慮反應(yīng)速度是不夠的，同時還要考慮反應(yīng)進行的程度。許多化學(xué)反應(yīng)并不是全部反應(yīng)物都能轉(zhuǎn)變成生成物的，往往只能進行到二定程度，這就和化學(xué)平衡有關(guān)。

一、可逆反應(yīng)和化學(xué)平衡

實踐證明，大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)進行到一定程度就“停滯不前”，不能進行到底。這是因為在反應(yīng)中，不僅反應(yīng)物會變成生成物，而且生成物一經(jīng)生成也會再變成原來的反應(yīng)物。例如，在一定條件下(溫度、壓力、催化劑)，N?和H?在密閉容器中可以化合成NH?同時NH?又可分解為N?和H?。這種在同一條件下，反應(yīng)既能向一個方向進行，同時又能向相反方向進行的化學(xué)反應(yīng)叫做可逆反應(yīng)。為了表示反應(yīng)的可逆性，通常在化學(xué)方程式中用兩個相反的箭頭來代替等號。上述反應(yīng)可以寫為:

一般把反應(yīng)式中從左到右進行的反應(yīng)叫正反應(yīng);1從右到左進行的反應(yīng)叫逆反應(yīng)。

可逆反應(yīng)的特點是在密閉容器中反應(yīng)不能進行到底，即反應(yīng) 物不能完全變成生成物。一般講，可逆性是一般化學(xué)反應(yīng)的普遍特征，不反應(yīng)中這兩個對立進行的傾向都是存在的。但也有個別的反應(yīng)兩個相反方向進行的趨勢相差極大，例如加熱氯酸鉀，在加入催化劑(MnO?)后的分解反應(yīng):

這個反應(yīng)的逆反應(yīng)趨勢極小，到目前為止，還沒有什么方法可用KCI和O?為原料合成KClO?。因此，KCIO?的分解反應(yīng)實際上接近完全，可以認為這個反應(yīng)是不可逆反應(yīng)或單向反應(yīng)。

化學(xué)反應(yīng)在密閉容器中不能進行到底的原因，是由于發(fā)生了逆反應(yīng)。仍以N?和H?合成氨(NH?)為例，當反應(yīng)開始時，體系中不存在NH?故只有N?和H?的化合，沒有NH?的分解;隨著反應(yīng)的進行,N?和H?的濃度因不斷消耗而減小，因此正反應(yīng)的速度也相應(yīng)地減小;另方面在氨生成后的一瞬間起，就有了逆反應(yīng)，而且隨著氨的濃度逐漸增大，逆反應(yīng)速度也相應(yīng)增大。經(jīng)過一定時間后，正反應(yīng)速度便等于逆反應(yīng)速度。此時，在單位時間內(nèi)，由正反應(yīng)進行而減少的N?及H?的分子數(shù)和由逆反應(yīng)進行而生成的N?及H?的分子數(shù)相等，因而體系中三種氣體的濃度就不再改變。這種正、逆反應(yīng)速度相等時，體系所處的狀態(tài)叫做化學(xué)平衡，如圖5-3所示。

在反應(yīng)達到平衡時，盡管反應(yīng)物和生成物的濃度保持不變，實際上正反應(yīng)和逆反應(yīng)仍在不斷地以相等的速度進行，反應(yīng)并未停止，只是在單位時間內(nèi)各種物質(zhì)消耗的數(shù)量和生成的數(shù)量相等，所以化學(xué)平衡實質(zhì)上是一種動態(tài)平衡，是在一定條件下的相車劉對平衡。如果條件(溫度、濃度、壓力等)改變，這種平衡就會相應(yīng)地發(fā)生變化。

二、平衡常數(shù)

化學(xué)平衡建立時，各物質(zhì)濃度間的關(guān)系，可以根據(jù)質(zhì)量作用定律導(dǎo)出。例如合成氨的反應(yīng):

式中k正、k逆分別代表正、逆反應(yīng)的速度常數(shù)。當平衡建立時，由于v正=V逆，故

這個式子表明:在一定溫度下，可逆反應(yīng)達到平衡時，生成物濃度相應(yīng)冪次的乘積和反應(yīng)物濃度相應(yīng)冪次的乘積之比是一個常數(shù)，這個常數(shù)K叫做平衡常數(shù)。必須注意，上式只能用于平衡狀態(tài)，各種濃度必須是平衡時的濃度。

對于有固體物質(zhì)參加的多相可逆反應(yīng)，由于化學(xué)上規(guī)定純固體的濃度等于1,因此在平衡常數(shù)的數(shù)學(xué)表達式中，純固體物質(zhì)可以不列入，例如:

3Fe(固) +4H?O(氣)⇔Fe?O?(固) +4H?(氣)

平衡常數(shù)為:

不同的可逆反應(yīng)，由于反應(yīng)物的性質(zhì)不同，故有不同的R值。由于平衡常數(shù)K是正、逆兩反應(yīng)速度常數(shù)的比值，而速度常數(shù)是隨溫度的改變而改變，與濃度無關(guān)。所以對某一反應(yīng)來說，平衡常數(shù)K也隨溫度而變，但在定溫時為一常數(shù)，與生成物和反應(yīng)物的濃度無關(guān)。K值愈大，表示正反應(yīng)進行得愈完全，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率也愈高。利用平衡常數(shù)，可進行有關(guān)計算，舉例如下。

例1:某溫度時，將H:和N:兩種氣體放在一密閉容器內(nèi)混合，當反應(yīng)達平衡時，由實驗測得: [N?]和[H?]各為2克分子/升，[NH?]為3克分子/升。求平衡常數(shù)及N?和H?的初濃度各多少?

根據(jù)反應(yīng)方程式可知，1克分子N?和3克分子H?反應(yīng)生成2克分子的NH?。達平衡時，若要生成3克分子/升的NH?就需要消耗1.5克分子的N?和4.5克分子的H?。因此反應(yīng)物的初濃度(C初)，應(yīng)等于平衡時的濃度(C平)加上反應(yīng)過程中反應(yīng)物所消耗的濃度(C消耗)。即