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,也不考虑
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与各反应物浓度的
化学计量数次幂的乘积的比值是个常数,用K表示,这个常数叫化学平衡常数。
平衡常数一般有浓度平衡常数和压强平衡常数。
提出
1864年,古德伯格(G.M.Guldberg)提出化学平衡常数,成为化学平衡的动力学真实图像。
表达式
对于可逆化学反应 mA+nB⇋pC+qD在一定温度下达到化学平衡时,其平衡常数表达式为:
恒温恒压的化学平衡条件为,即
吉布斯自由能达到最小。通过计算可以得到:
分别指
反应物与
生成物,是平衡
摩尔分数,上式定义的叫做平衡常数。
注意问题
① 在应用平衡常数表达式时,
稀溶液中的
水分子浓度可不写。因为稀溶液的密度接近于1 g/mL。水的
物质的量浓度为55.6
mol/L。在化学变化过程中,水量的改变对水的浓度变化影响极小,所以水的浓度是一个常数,此常数可归并到平衡常数中去。
对于不以水为溶剂的溶液中的反应,溶剂的浓度同样是常数。
② 当反应中有固体物质参加时,分子间的碰撞只能在固体表面进行,固体的物质的量浓度对
反应速率和平衡没有影响,因此,固体的“浓度”作为常数,在平衡常数表达式中,就不写固体的浓度。
③ 化学平衡常数表达式与化学方程式的书写方式有关。同一个
化学反应,由于书写的方式不同,各
反应物、
生成物的
化学计量数不同,平衡常数就不同。但是这些平衡常数可以相互换算。
④ 不同的
化学平衡体系,其平衡常数不一样。平衡常数大,说明生成物的
平衡浓度较大,反应物的平衡浓度相对较小,即表明反应进行得较完全。因此,平衡常数的大小可以表示反应进行的程度。
⑤一般认为反应较完全(即
不可逆反应),反应很难进行(即不反应)。
平衡常数的数值大小可以判断反应进行的程度
测定方法
平衡常数可以用实验方法测定,也可以利用热力学数据计算而得。
化学方法
化学方法是通过
化学分析法测定反应达到平衡时各物质的浓度。但必须防止因测定过程中加入
化学试剂而干扰了化学平衡。因此,在进行
化学分析之前必须使化学平衡“冻结”在原来平衡的状态。通常采用的方法是采取骤冷、稀释或加入
阻化剂使反应停止,然后进行分析。例如,要测定反应在2000℃达到平衡时的平衡常数,可以将一定量的水置于耐高温的
合金管中加热,在2 000 ℃时保持一段时间,使之达到化学平衡。然后,将管子骤然冷却,再分析其中H2O、H2、O2的含量,便可计算出在2 000 ℃时这个反应的平衡常数。
物理方法
物理方法就是利用物质的
物理性质的变化测定达到平衡时各物质浓度的变化,如通过测定体系的
折光率、
电导、颜色、压强或容积的改变来测定物质的浓度。物理方法的优点是在测定时不会干扰或破坏体系的
平衡状态。
单位
平衡常数的单位比较复杂,有
标准平衡常数和非标准平衡常数之分,前者的
量纲为一,意思是根据
热力学数据计算的,所以就是统一的一个数据,一个间接体现反应的程度的数据,统一的单位意思。后者的量纲取决于平衡常数的
表达式所用的物质的
物理量。
根据
标准热力学函数算得的平衡常数是标准平衡常数,记作K,又称之为
热力学平衡常数;用平衡时生成物对反应物的压力商或浓度
商表示的平衡常数是经验平衡常数(或),或称作非标准平衡常数。中学教材中涉及的平衡常数是经验平衡常数。
大家知道,一些重要的
热力学函数,如等的
绝对值是无法确定的。为了计算它们的相对大小,需要统一规定一个状态作为比较的标准,这样才不致引起混乱。所谓
标准状态是指在温度和
标准压力(100kPa)下物质的特定状态,简称
标准态。热力学
数据表中的标准态,国际上都已有明确规定。
对于反应物计量系数之和等于生成物计量系数之和的反应,其经验平衡常数是
无量纲的
纯数,与压力、浓度所用的单位无关,而且也等于标准平衡常数之值。
对于反应物计量系数之和不等于生成物计量系数之和的反应,则其经验平衡常数是有
量纲的量,其数值就与压力、浓度所用的单位有关。也只有当压力、浓度的单位与热力学数据表中对应标准态的单位相同时,所计算的经验平衡常数数值才能与标准平衡常数数值相同。
催化剂
对于一个确定的
可逆反应来说,由于反应前后催化剂的化学组成、质量不变,因此,无论是否使用催化剂,反应的始、
终态都是一样的,则反应的标准
吉布斯函数变化是相等的,催化剂对
化学平衡无影响。也就是说,催化剂只是改变了化学反应的动力学途径,而
热力学却仅仅关注变化的始、终两态。
一个
化学反应采用同一种催化剂,可以同等程度改变正、
逆反应速率(使正、逆反应速率等倍增加,但比例不变),从而使化学平衡保持原有的状态。因此,催化剂对化学平衡常数亦无影响。
影响因素
在中学阶段,通常认为化学平衡常数只与温度有关,
吸热反应平衡常数随温度升高而增大,
放热反应则相反。但是严格说来,
化学反应平衡常数是温度与压力的函数,对于不同的化学平衡常数,其情况也有所不同。
在
气相反应中,所有的标准平衡常数都只是温度的函数。如果气体是
理想气体,那么此时其经验平衡常数也只是温度的函数。但对于非理想气体,平衡常数受温度和压力的共同影响。
理论上,只要有凝聚相(固体或者液体)参与的反应,都是温度和压力的函数。但是,在压力变化范围不大的情况下,可以忽略压力对凝聚相体积变化的影响,可以忽略压力对平衡常数的影响。