非均相平衡

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簡介

非均相平衡是指所有反應物和產物都處於不同相的化學平衡。均相平衡是指所有反應物和產物都處於同一相的平衡。

化學平衡定義為正向反應和逆向反應發生的速度相等。根據反應物和產物的相態，平衡分為兩種型別：均相平衡和非均相平衡。當平衡過程中反應物和產物結合形成單一相（無論是氣相還是液相）時，稱為均相平衡。在這種情況下，反應物和產物的濃度可能差異很大。另一方面，如果體系中反應物、產物或兩者都存在於多個相中，則稱為非均相平衡，例如氣體與固體或液體反應的情況。

什麼是化學平衡？

1803年，Berthollet 發現一些化學反應是可逆的，這導致了化學平衡的概念。任何反應混合物必須具有相等的正向和逆向反應速率才能處於平衡狀態。要達到化學平衡，正向反應和逆向反應的速率必須相等。

如果一個化學過程處於平衡狀態，則反應物和產物的濃度穩定或不再隨時間變化。化學平衡分為均相平衡和非均相平衡兩種，這取決於平衡時反應物和產物的狀態。“homo”和“hetero”字首分別源於希臘語中“相似”和“不同”的意思。

什麼是非均相平衡？

顧名思義，非均相平衡是指反應物和產物至少存在於兩種不同物質狀態中的平衡。例如，冰水平衡體系中的平衡反應表示如下：

$$\mathrm{H_2 O_{(S)} \leftrightarrow H_2 O_{(l)}}$$

因此，在上式中，反應物和產物的狀態不同。體系中存在兩種型別的物質：液體和固體。由於平衡體系中反應物和產物的狀態或相態不同，因此被稱為非均相平衡體系。碳酸鈣分解成氧化鈣和二氧化碳就是一個非均相平衡的例子。

由於反應物和產物存在於不同的相中，非均相平衡的平衡常數表示式與均相平衡的表示式不同。當反應物和產物以純液體或固體相存在於平衡時，它們的濃度不計入計算。

非均相平衡的例子

以下是一些在非均相平衡下發生的典型化學反應示例。

• 溴在室溫下自然以液態存在。它很容易變成蒸汽，在兩個階段都是紅色的。在平衡狀態下，**溴蒸汽**的凝結和蒸發速率相同。方程式如下：

  $$\mathrm{Br_{2(l)} \leftrightarrow Br_{2(g)}}$$

  這是一個非均相平衡體系，因為溴作為反應物和產物都存在於多個相中，並且體系處於平衡狀態。

• 另一個非均相平衡體系的例子是碳和**二氧化碳**之間的反應。當**固體碳**和氣態二氧化碳混合時，會產生氣態**一氧化碳**。在這個平衡過程中，正向反應和逆向反應的速率相同。方程式如下：

  $$\mathrm{CO_{2(g)} + C_{(s)} \rightarrow 2CO_{(g)}}$$

  您可以觀察到，由於反應物和產物都以固態或氣態存在，上述平衡反應是非均相的。

• 另一個非均相平衡的例子是**氯氣**和**PCl₃**在平衡狀態下的反應。因為在這個平衡體系中，氯氣以氣態參與反應，並以固態形成**五氯化磷**，三氯化磷以液態存在。方程式如下：

  $$\mathrm{PCl_{3(l)} + Cl_{2(g)} \leftrightarrow PCl_{5(s)}}$$

• **水蒸氣**與高溫**碳**的反應是另一個非均相平衡的突出例子。方程式如下：

  $$\mathrm{H_2 O_{(g)}+ C_{(s)} \leftrightarrow H_{2(g)} + CO_{(g)}}$$

  如您所見，上述反應處於平衡狀態，其中紅熱的碳處於固相，**水蒸氣、一氧化碳**和氫氣處於氣相。因此，它是一個非均相平衡的例子。

非均相平衡反應的平衡常數

平衡常數表示平衡時產物與反應物之間的關係。用K_C表示。在K_C中，C代表濃度，因為反應物和產物的濃度用於推導平衡常數。例如，請看下面給出的典型反應：

$$\mathrm{aA + bB ↔ cC + dD}$$

$$\mathrm{K_{C} = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^{a}[B]^b}}$$

在非均相平衡中，不包括固體、純液體和溶劑的濃度，因為它們不隨溫度而顯著變化，因此被視為單位或1。在制定非均相平衡反應的平衡常數時，這一點很重要。下面給出一些例子：

• 溴的反應（平衡）

  $$\mathrm{Br_{2(l)} \leftrightarrow Br_{2(g)}}$$

  $$\mathrm{K_C =[Br_2]}$$

• 碳和二氧化碳的反應

  $$\mathrm{CO_{2(g)} + C_{(s)} → 2CO_{(g)}}$$

  $$\mathrm{K_C= \frac{[CO]^2}{[CO_2]}}$$

均相平衡反應

如果反應的所有反應物和產物都處於相同的相或物質狀態，則該反應被稱為“均相平衡反應”或“均相平衡”。考慮一下一氧化碳和氫氣的反應。方程式如下：

$$\mathrm{CO_{(g)}+ 2H_{2(g)} \leftrightarrow CH_3 OH_{(g)}}$$

因為一氧化碳、氫氣和甲醇都以氣態存在於反應中，並且反應處於平衡狀態，所以它被稱為均相平衡。

結論

非均相平衡定義為來自不同相的反應物和產物之間的平衡。相反，在均相平衡中，反應物和產物處於同一相。計算平衡常數將允許您確定反應速率，而不管平衡如何。非均相平衡的例子包括碳酸鈣分解成氧化鈣和二氧化碳，而均相平衡的例子包括一氧化碳與氫氣反應生成甲醇。

常見問題

1. 非均相平衡和均相平衡的區別是什麼？

如果所有反應物和產物都處於同一相，則為均相平衡；如果反應物和產物處於不同相，則為非均相平衡。

2. 碳酸鈣的分解是均相平衡反應嗎？

是的，因為碳酸鈣處於固態，而產物處於固態和氣態。因此它是非均相體系。反應如下：

$$\mathrm{CaCO_{3(s)} \leftrightarrow CaO_{(s)} + CO_{2(g)}}$$

3. 影響化學平衡的因素有哪些？

平衡受體系的溫度、壓力和濃度的影響。

4. 誰發現了化學平衡？

化學平衡理論是由 F. H. van't Hoff 提出的（1884-1886）。

5. 化學平衡理論是什麼？

當正向反應和逆向反應的速率相等時，就達到了化學平衡。這就是化學平衡理論。