版权归原作者所有,如有侵权,请联系我们

[科普中国]-化学平衡

科学百科
原创
科学百科为用户提供权威科普内容,打造知识科普阵地
收藏

化学平衡是指在宏观条件一定的可逆反应中,化学反应正逆反应速率相等,反应物和生成物各组分浓度不再改变的状态。可用ΔrGm=ΣνΑμΑ=0判断,μA是反应中A物质的化学势。根据勒夏特列原理,如一个已达平衡的系统被改变,该系统会随之改变来抗衡该改变。

用可逆反应中正反应速率和逆反应速率的变化表示化学平衡的建立过程。化学平衡的本质:正反应速率等于逆反应速率。

概念基本含义化学平衡的建立是以可逆反应为前提的。可逆反应是指在同一条件下既能正向进行又能逆向进行的反应。绝大多数化学反应都具有可逆性,都可在不同程度上达到平衡。化学平衡则是指在宏观条件一定的可逆反应中,化学反应正逆反应速率相等,反应物和生成物各组分浓度不再改变的状态。可用ΔrGm=ΣνΑμΑ=0判断,μA是反应中A物质的化学势。根据吉布斯自由能判据,当ΔrGm=0时,反应达最大限度,处于平衡状态。根据勒夏特列原理,如一个已达平衡的系统被改变,该系统会随之改变来抗衡该改变。

通常说的四大化学平衡为氧化还原平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡、酸碱平衡。1

化学平衡在分析化学中有着极为重要的应用。

平衡常数化学平衡常数,是指在一定温度下,可逆反应无论从正反应开始,还是从逆反应开始,也不管反应物起始浓度大小,最后都达到平衡,这时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值是个常数,用K表示,这个常数叫化学平衡常数。2

反应aA(g)+bB(g)=cC(g)+dD(g)

K=(Cc×Dd)/(Aa×Bb)

平衡移动在化学反应条件下,因反应条件的改变,使可逆反应从一种平衡状态转变为另一种平衡状态的过程,叫化学平衡的移动。化学平衡发生移动的根本原因是正逆反应速率不相等,而平衡移动的结果是可逆反应到达了一个新的平衡状态,此时正逆反应速率重新相等(与原来的速率可能相等也可能不相等)。

影响化学平衡移动的因素主要有浓度、温度、压强等。

平衡过程(1)过程(动力学角度)

从动力学角度看,反应开始时,反应物浓度较大,产物浓度较小,所以正反应速率大于逆反应速率。随着反应的进行,反应物浓度不断减小,产物浓度不断增大,所以正反应速率不断减小,逆反应速率不断增大。当正、逆反应速率相等时,系统中各物质的浓度不再发生变化,反应就达到了平衡。此时系统处于动态平衡状态,并不是说反应进行到此就完全停止.

(2)过程(微观角度)

从微观角度讲则是因为在可逆反应中,反应物分子中的化学键断裂速率与生成物化学键的断裂速率相等所造成的平衡现象。

等效平衡定义同一可逆反应,一定条件下,当改变起始时反应物或生成物物质的量或物质的量浓度,达到平衡时,混合物中各组分的百分组成相等,这样的平衡称等效平衡。

产生原因:平衡,只与温度、压强和浓度有关,与加料顺序无关。

根据气体状态方程,pV=nRT,可以发现:如果保持温度不变,恒容体系,只要“一边倒”之后,各组分n相同,压强也相同,平衡状态也相同。如果保持温度不变,恒压体系,只要“一边倒”之后,各组分n成同一比例,浓度也相同,那么平衡状态也相同。3

规律与判断(1) 一般可逆反应,恒温恒容时,当起始反应物或生成物的物质的量通过化学计量数换算相同时,则建立等效平衡。

如反应 2SO₂+O₂=(可逆)=2SO₃ 在(A)、(B)条件时建立等效平衡

(A) 起始时加入:2mol SO₂ + 1mol O₂

(B) 起始时加入:2mol SO₃

注意:此情况下,无论反应物还是生成物,起始时物质的量一定要与化学计量数比相同。

(2) 一般可逆反应,恒温恒压时,当起始反应物或生成物的物质的量比(不一定要求与化学计量数比相同)相同时,即建立等效平衡。

如反应 2SO₂+O₂=(可逆)=2SO₃ 在(C)、(D)时建立等效平衡

(C)起始时加入:1mol SO₂ + 1mol O₂

(D)起始时加入:2mol SO₂ + 2mol O₂

(3) 对于反应前后体积不变的气体反应,恒温恒容时,当起始反应物或者生成物的物质的量比(不一定要求与化学计量数比相同)相同时,建立等效平衡。

如反应 H₂+I₂(气) 2HI 在(E)、(F)时建立等效平衡

(E)起始时加入:1mol H₂+2mol I₂

(F)起始时加入:2mol H₂+4mol I₂

影响化学平衡因素影响化学平衡的因素有很多,如压强、温度、浓度等。

勒夏特列原理:如果改变影响平衡的一个条件(浓度压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。

浓度影响在其他条件不变时,增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,有利于正反应的进行,平衡向右移动;增加生成物的浓度或减小反应物的浓度,有利于逆反应的进行平衡向左移动。单一物质的浓度改变只是改变正反应或逆反应中一个反应的反应速率而导致正逆反应速率不相等,而导致平衡被打破。4

压强影响对于气体反应物和气体生成物分子数不等的可逆反应来说,当其它条件不变时,增大总压强,平衡 向 气体分子数减少即气体体积缩小的方向移动;减小总压强,平衡向气体分子数增加即气体体积增大的方向 移动。若反应前后气体总分子数(总体积)不变,则改变压强不会造成平衡的移动。压强改变通常会同时改变正,逆反应速率,对于气体总体积较大的方向影响较大,例如,正反应参与的气体为三个单位体积,逆反应参与的气体为两个单位体积,则增大压强时正反应速率提高得更多,从而使v正>v逆,即平衡向正反应方向移动;而减小压强时,则正反应速率减小得更多,平衡向逆反应方向移动。5

温度影响在其他条件不变时,升高反应温度,有利于吸热反应,平衡向吸热反应方向移动;降低反应温度,有利于放热反应,平衡向放热反应方向移动。与压强类似,温度的改变也是同时改变正,逆反应速率,升温总是使正,逆反应速率同时提高,降温总是使正,逆反应速率同时下降。对于吸热反应来说,升温时正,反应速率提高得更多,而造成v正>v逆的结果;降温时吸热方向的反应速率下降得也越多。与压强改变不同的是,每个化学反应都会存在一定的热效应,所以改变温度一定会使平衡移动,不会出现不移动的情况。6

催化剂影响催化剂能同等程度的改变v正和v逆,对化学平衡移动无影响,但能缩短达到平衡所用的时间。

平衡判定基本特征化学平衡状态具有逆,等,动,定,变、同等特征。

逆:化学平衡研究的对象是可逆反应。

等:处于密闭体系中的可逆反应,平衡时,正逆反应速率相等,即v正=v逆。(对于同一个物质,v正=v逆数值上相等;对于不同物质,vA正:vB逆=a:b,即等于系数比)

动:平衡时,反应仍在进行,是动态平衡,反应进行到了最大程度。(V正=V逆且都不等于0)

定:达到平衡状态时,反应混合物中各组成成份的(百分)含量保持不变,反应速率保持不变,反应物的转化率保持不变。

变:化学平衡跟所有的动态平衡一样,是有条件的,暂时的,相对的,当条件发生变化时,平衡状态就会被破坏,由平衡变为不平衡,再在新的条件下建立新平衡。

同:对于一个确定的可逆反应,不管是从反应物开始反应,还是从生成物开始反应,亦或是从反应物和生成物同时开始, 只要满足各组分物质浓度相当,都能够达到相同的平衡状态。

基本模型关于气体的化学平衡有这两种基本模型,即一种是等容装置,另一种是等压装置。

对于一个反应Aa+Bb=Cc+Dp 其中A,B,C,D为方程式前的计量数。

第一大类:TV不变,即容积不变时。

(1)A+B>C+D 或A+BC+D 或A+B