化学平衡(一)
看懂 K 与 Q 怎么判断移动方向,搞透勒夏特列原理的适用边界
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化学平衡(一)
看懂 K 与 Q 怎么判断移动方向,搞透勒夏特列原理的适用边界
可逆反应
合成氨工业里,工程师们把温度压力调到极致,转化率却始终到不了100%。原因不是技术不行——而是这个反应本身就能「往回走」。
同一时刻来回往复摆动,对应正逆反应同时发生
化学图像分析
可逆反应不会只朝一个方向进行;把各物质浓度和反应速率画成时间曲线,就像给这个“同时进行”的过程录像。先看坐标,再看斜率、平台和突变,平衡移动就不必死记。
入水、出水都未停但水位稳定;改变进出水量后,水位会先响应条件变化,再形成新的稳定值。
建立并应用平衡浓度表
上一页我们看到浓度曲线最终趋于水平——那是平衡的图像特征。但图像只说'到了',不说'到了多少'。要算出各物质在平衡时到底剩多少浓度,得用一张表来整理——这就是平衡浓度表。
期初余额≈初始浓度;本期收支≈变化量;期末余额≈平衡浓度
利用平衡常数判断反应程度
上节我们用平衡浓度表把K算了出来。这一页反过来用:拿到一个K值,能否判断反应'走到了哪一步'?能否直接报出转化率?答案是能,但K和转化率之间不是简单的一一对应。
K大如同悬崖(几乎全部流完);K小如同缓坡(只流一点点)。但流多远还取决于起点位置
用勒夏特列原理预测平衡移
我们已经能用 K 判断反应「能走多远」。可真实体系很少真静止——加压、加热、加反应物随时都在发生。从外部推它一下,平衡朝哪边跑?这正是勒夏特列原理要回答的问题。
加重物(外界改变)→弹簧反推(系统抵抗改变)→停在新平衡
从实验现象归纳影响平衡的
上一页我们用勒夏特列原理预测了平衡怎么走。但这原理不是凭空冒出来的——它来自化学家反复做实验、看到现象、再归纳的结果。这页我们回到实验现场,看看影响平衡的「推手」到底有哪些。
茶叶量=浓度,水温=温度,盖紧盖=压强,搅拌=催化剂。前三者改最终浓度(平衡位),搅拌只加快速度
正反应速率
上一节我们认识了可逆反应——同一反应存在正、逆两个方向。本节聚焦其中之一:正反应速率,看看这个基础量有哪些关键细节。
水位越高放水越快;浓度越高 v正 越大;水位渐低水流渐慢
逆反应速率
上一页讲了正反应把反应物变成生成物的速度。但别忘了「可逆」二字——生成物不会原地不动,它们也会转身变回反应物。
开场进场是正反应,散场出去是逆反应,开演前出口无人,演出后越来越拥挤
动态平衡
可逆反应开始时只有正反应在跑;产物累积后,逆反应开始追赶。当两个方向的速率终于追上彼此——这一刻,反应进入了动态平衡。
进水速率等于出水速率时水位恒定,但水分子持续更新
浓度
上一页我们填过「平衡浓度表」,那一列数字怎么来的?浓度的本质是把「有多少」转成「单位空间里有多少」,就像同样一勺盐撒到大碗里和小碗里——
绝对量相同,碗大浓度低、碗小浓度高;溶剂越多 c 越小
浓度商
如果反应还在进行中,离平衡还差得远——这时候把浓度代入 K 的表达式,算出来的数叫什么?那就是浓度商 Q。
水位低于目标线→进水(正反应),高于→排水(逆反应),等于→动态平衡
化学平衡常数
前页我们用Q判断反应方向——可一旦反应真的停下来,Q就会落在一个固定值上,这个值就叫平衡常数K。
解法不同答案不变;浓度路径不同,K在给定T下不变
反应限度
前面我们看到可逆反应最终停在动态平衡,但「停下来」不等于反应物全部转化。不同反应停下来时的「进度条」位置千差万别——这正是反应限度要回答的问题。
山顶高度是限度(由山形决定),登山速度是速率(由人和路况决定);再快也超不过山顶
转化率
上一页用 K 判断反应进行的程度——但 K 只反映平衡时各物质浓度之比,温度一定时 K 就固定。化学家真正关心的是另一个问题:投入的原料,有多少变成了产物?这就是转化率。
初始库存(投入)vs清掉部分(转化)的比例;商品热门度(K)与配货比(初始浓度)都影响清掉的比例
压强
改变某一物质的浓度可以让平衡移动,那把容器整体压小、所有气体浓度一起抬高呢?'压强'登场——但它有严格的适用条件,不能和浓度混为一谈。
空间被压缩,人往人少(分子数少)的方向挤
本节要点
- ✓平衡≠停止:v正=v逆≠0才是动态平衡的本质
- ✓Q与K比较定方向:Q<K正向,Q>K逆向,Q=K已平衡
- ✓勒夏特列只判方向不判程度,催化剂不移动平衡
- ✓反应限度由K决定,转化率随操作条件而变
- ✓图像突变表条件改变,渐变表平衡移动过程
课后思考
先自己琢磨,再对照参考答案——答案只是思考的起点,不是终点。
参考答案正逆反应速率相等意味着宏观上浓度的增减相互抵消;但微观层面分子仍在持续反应与生成,所以「动态」指微观不停、宏观不动。
参考答案压缩使各物质浓度瞬间翻倍,Q 暂时小于 K(因 Q 分母浓度的幂次之和更高),反应正向进行消耗反应物,直到 Q 重新等于 K。
参考答案催化剂对正逆反应同等加速,不改变平衡位置;K 只是温度的函数。吸热反应升温 K 增大,放热反应升温 K 反而减小。