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化學平衡程度

銅臭 / 2022-07-20

在生產實踐中，只考慮反應速度是不夠的，同時還要考慮反應進行的程度。許多化學反應并不是全部反應物都能轉變成生成物的，往往只能進行到二定程度，這就和化學平衡有關。

一、可逆反應和化學平衡

實踐證明，大多數(shù)的化學反應進行到一定程度就“停滯不前”，不能進行到底。這是因為在反應中，不僅反應物會變成生成物，而且生成物一經生成也會再變成原來的反應物。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，反應既能向一個方向進行，同時又能向相反方向進行的化學反應叫做可逆反應。為了表示反應的可逆性，通常在化學方程式中用兩個相反的箭頭來代替等號。上述反應可以寫為:

一般把反應式中從左到右進行的反應叫正反應;1從右到左進行的反應叫逆反應。

可逆反應的特點是在密閉容器中反應不能進行到底，即反應物不能完全變成生成物。一般講，可逆性是一般化學反應的普遍特征，不反應中這兩個對立進行的傾向都是存在的。但也有個別的反應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:

這個反應的逆反應趨勢極小，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?的分解反應實際上接近完全，可以認為這個反應是不可逆反應或單向反應。

化學反應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。仍以N?和H?合成氨(NH?)為例，當反應開始時，體系中不存在NH?故只有N?和H?的化合，沒有NH?的分解;隨著反應的進行,N?和H?的濃度因不斷消耗而減小，因此正反應的速度也相應地減小;另方面在氨生成后的一瞬間起，就有了逆反應，而且隨著氨的濃度逐漸增大，逆反應速度也相應增大。經過一定時間后，正反應速度便等于逆反應速度。此時，在單位時間內，由正反應進行而減少的N?及H?的分子數(shù)和由逆反應進行而生成的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、逆反應速度相等時，體系所處的狀態(tài)叫做化學平衡，如圖5-3所示。

在反應達到平衡時，盡管反應物和生成物的濃度保持不變，實際上正反應和逆反應仍在不斷地以相等的速度進行，反應并未停止，只是在單位時間內各種物質消耗的數(shù)量和生成的數(shù)量相等，所以化學平衡實質上是一種動態(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，這種平衡就會相應地發(fā)生變化。

二、平衡常數(shù)

化學平衡建立時，各物質濃度間的關系，可以根據(jù)質量作用定律導出。例如合成氨的反應:

式中k正、k逆分別代表正、逆反應的速度常數(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，可逆反應達到平衡時，生成物濃度相應冪次的乘積和反應物濃度相應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。

對于有固體物質參加的多相可逆反應，由于化學上規(guī)定純固體的濃度等于1,因此在平衡常數(shù)的數(shù)學表達式中，純固體物質可以不列入，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，由于反應物的性質不同，故有不同的R值。由于平衡常數(shù)K是正、逆兩反應速度常數(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。所以對某一反應來說，平衡常數(shù)K也隨溫度而變，但在定溫時為一常數(shù)，與生成物和反應物的濃度無關。K值愈大，表示正反應進行得愈完全，物質的轉化率也愈高。利用平衡常數(shù)，可進行有關計算，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混合，當反應達平衡時，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)反應方程式可知，1克分子N?和3克分子H?反應生成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?。因此反應物的初濃度(C初)，應等于平衡時的濃度(C平)加上反應過程中反應物所消耗的濃度(C消耗)。即

答:在某溫度時，此反應的平衡常數(shù)為0.56; N?的初濃度為3.5克分子/升，H:的初濃度為6.5克分子/升。

例2:在密閉容器中，將氧化碳和水蒸氣的混合物加熱，建立下列平衡:

CO(氣)+H?O(氣)⇔CO?(氣) +H?(氣)

在850°C時平衡常數(shù)等于1.0，如果反應開始時，CO的濃度是2克分子/升，水蒸氣的濃度是3克分子/升，求平衡時各物質的濃度和一氧化碳轉化為二氧化碳的百分率?

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