均相平衡

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介紹

化學反應是為了透過反應物中發生的某些化學過程獲得特定的產物而進行的。在某些情況下，形成的產物會再次轉化回反應物。也就是說，正在發生逆化學反應。但並非所有化學反應都會發生這種逆反應。

正向反應和逆向反應同時發生的狀態稱為平衡。平衡一詞是由科學家貝特萊特於 1803 年發現的一些反應向反方向移動而引入的。這種化學反應的速率也相同。根據化學反應的相，平衡分為兩種型別：均相平衡和非均相平衡。

什麼是均相平衡？

當參與典型化學反應（已達到化學平衡）的產物和反應物的所有化學物質都處於同一相時，則為均相平衡。這意味著如果反應物處於氣相，則產物也將處於氣相本身。

• 例如，在以下反應中實現了氣相或均相平衡，該反應涉及二氧化硫轉化為三氧化硫。反應為：

$$\mathrm{2SO_{2}(g)\:+\:O_{2}(g)\:\leftrightarrows\:2SO_{3}(g)}$$

這是接觸法中發生的反應，其中製備硫酸。

均相平衡 - 例子。

下面列出了一些實現均相平衡的示例。

• 均相平衡的一個例子是氮和氫之間的反應，在哈伯法制氨過程中導致氨的形成。反應為：

$$\mathrm{N_{2}(g)\:+\:3H_{2}(g)\:\leftrightarrows\:2NH_{2}(g)}$$

• 在以下反應中實現了液相或均相平衡，其中乙酸與醇反應。該過程是酯化反應。反應為

$$\mathrm{CH_{3}COOH(l)\:+\:CH_{3}CH_{2}OH(l)\leftrightarrows\:CH_{3}COOCH_{2}CH_{3}(l)\:+\:H_{2}O(l)}$$

• 另一個例子是氮和氧反應形成一氧化氮。反應為：

$$\mathrm{N_{2}(g)\:+\:O_{2}(g)\:\rightarrow\:2NO(g)}$$

均相反應 - 平衡常數

可以透過將化學反應視為均相平衡來推匯出均相平衡常數。例如：

$$\mathrm{aA\:+\:bB\leftrightarrows\:cC\:+\:dD}$$

可以透過將產物乘積與其指數一起除以反應物乘積與其指數一起獲得平衡常數。方程式為：

$$\mathrm{Kc\:=\:[C]^{c}[D]^{d}/[A]^{a}[B]^{b}}$$

這是當化學反應達到均相平衡時的平衡常數公式。並且也類似於所有反應的平衡常數。因此，平衡常數不取決於參與化學反應的化學物質的相或狀態。

計算平衡常數

藉助相應的方程式可以計算反應的平衡常數。例如，以下形成三氧化硫的反應是均相平衡的一個例子。反應為

$$\mathrm{2SO_{2}(g)\:+\:O_{2}(g)\:\leftrightarrows\:2SO_{3}(g)}$$

用於計算平衡常數的方程式為：

$$\mathrm{Kc\:=\:[C]^{c}[D]^{d}/[A]^{a}[B]^{b}}$$

即：

$$\mathrm{Kc\:=\:[SO_{3}]^{2}/[SO_{2}]^{2}[O_{2}]}$$

透過代入化學物質的相應濃度，可以很容易地獲得平衡常數值。

KC 和 KP 之間的區別

Kc 和 Kp 都是不會完全轉化為相應產物的反應的平衡常數。反應物和產物都在一個可以發生相互轉化的反應中。Kc 和 Kp 之間的主要區別在於 Kc 是與化學物質濃度相關的平衡，而 Kp 是與壓力相關的平衡常數。下面列出了這兩個術語之間的一些區別。

Kc	Kp
它與化學物質的濃度有關，如果已知濃度，則可以計算它。	它與所涉及化學物質的壓力有關。
該值可用於液體和氣體。	該值只能用於氣相中的化學物質。
它以濃度單位表示。	它以壓強單位表示。
用於計算 Kc 的方程式為：$\mathrm{Kc\:=\:[C]^{c}[D]^{d}/[A]^{a}[B]^{b}}$	用於計算 Kp 值的方程式為：$\mathrm{kp\:=\:pR^{r}.pS^{s}/pP^{p}.pQ^{q}}$ 分壓為 p。 .

有一個方程將這兩個術語聯絡起來。並且是：

$$\mathrm{kp\:=\:kc(RT)^{\Delta\:n}}$$

$$\mathrm{\Delta\:n\:=\:摩爾數.}$$

$$\mathrm{R\:=\:0.082062\:L.atm.K^{-1}mol^{-1}}$$

此關係是從理想氣體方程獲得的：

$$\mathrm{PV\:=\:nRT}$$

結論

均相平衡是透過化學反應實現的，其中所涉及的反應和產物都處於同一相。反應物和產物的狀態始終處於氣相或溶液相。這類化學反應有很多。這種型別反應的平衡常數是使用方程式 $\mathrm{Kc\:=\:[C]^{c}[D]^{d}/[A]^{a}[B]^{b}}$ 計算的。並且該值很大程度上取決於相應反應物和產物的濃度。Kp 也是與化學反應相關的另一個平衡常數。Kp 的值與化學物質的分壓有關，而 Kc 與濃度有關。

常見問題

1. 平衡常數取決於什麼因素？

三個因素會影響化學反應的平衡。它們是所涉及的化學物質的濃度、溫度和壓力。如果其中一個因素髮生變化，化學反應將被破壞。

2. 催化劑會影響平衡嗎？

向正向和反向反應同時發生的反應中新增催化劑不會有任何影響。這是因為催化劑會以相同的程度改變正向和逆向反應的速率。因此，該反應的平衡不會有任何變化。

3. 給出一個非均相平衡的例子？

反應物和產物處於不同相的化學反應處於非均相平衡狀態。在大多數情況下，會涉及固相。一個例子是蒸汽與碳反應導致氫氣的形成：

$$\mathrm{H_{2}O(g)\:+\:C(s)\:\longleftrightarrow\:H_{2}(g)\:+\:CO(g)}$$

4. 給出勒夏特列原理？

對已達到化學平衡的化學反應施加任何因素的變化，都會導致系統抵消該變化。從而減少系統已實現的變化的影響。

5. 反應速率和平衡是否相關？

化學反應速率和平衡沒有任何關係。相反，存在一種關係，即正向和逆向反應的速率以相同的速率發生。

6. 非均相平衡的一些例子是什麼？

固體碳酸鈣分解產生 𝐶𝑎𝑂 固體和 $\mathrm{CO_{2}}$ 氣體，在這種情況下反應物和產物處於不同的相，是非均相平衡的例子。類似於固體氧化亞鐵與一氧化碳氣體結合形成固體鐵和二氧化碳氣體。