A-level 化学/AQA/模块 2/平衡

一个平衡反应是指反应物，例如 A + B，成功碰撞并反应生成产物 C + D。'逆'反应也同时发生，即 C + D 再次反应生成 A + B。当这个体系达到一个点，A、B、C 和 D 的浓度保持不变时，该反应被称为处于动态平衡。此时，反应看起来已经停止了，但正逆反应仍然以相同的速率进行。然而，这种平衡位置处于一半点的的情况非常罕见。

上面的平衡反应可以用以下方程式表示

$A+B\leftrightarrow C+D$

勒沙特列原理

勒沙特列原理可以用来预测在化学平衡反应中改变条件时会发生的改变。他的原理指出

"如果一个处于平衡状态的体系受到压力、温度或浓度变化的影響，则该体系将移动以抵抗这种变化。"

使用这个原理相对简单；无论你在反应条件中改变了什么，体系都会向相反的方向移动，试图恢复平衡状态。

例如，让我们考虑二氧化氮形成四氧化二氮的反应

2NO₂ ↔ N₂O₄ ΔG = 45.53 kJ/mol

温度：可以看出，这里的反应是吸热的（从周围环境吸收热量）。如果反应条件发生变化，例如温度升高，则平衡将试图通过降低温度来抵抗这种变化，从而向吸热方向移动，即向右侧移动。相反，如果温度降低，则平衡将试图通过向放热方向移动来抵抗这种变化，从而再次升高温度，因此体系将向左侧移动。

压力：为了确定当总压力发生变化时平衡反应将如何移动，必须查看反应中每个物质的摩尔数。在上面关于二氧化氮的反应中，可以从方程式中看出，摩尔数最多的那一侧是左侧。因此，增加该反应的压力会导致平衡向右侧移动，因为它是摩尔数较少的 gas，从而再次降低压力。

浓度：如果一个平衡反应中的一种化学物质的浓度发生了变化，那么体系将通过向增加或减少浓度的方向移动来抵抗这种变化，具体取决于发生了什么变化。考虑以下反应

H₂ + I₂ ↔ 2HI

如果你在上面的平衡中加入大量的碘化氢，则体系将向左侧移动以去除加入的过量的 HI 浓度。同样，如果加入大量的碘，则体系将向右侧移动以降低浓度。

平衡与工业

氨

对于许多反应，必须在反应条件上进行折衷，以获得最佳的产物收率。尽管例如，一个反应可能在极高的温度下产生最多的产物，但在工业上产生如此高的温度是不切实际的。

考虑哈伯法，其中氢气和氮气反应生成氨

3H₂ + N₂ ↔ 2NH₃ ΔG = -92.4 kJ/mol

正反应是放热的，因此反应在低温下有利。即使是这种情况，如果温度过低，反应物分子将几乎没有动能，因此氢气和氮气之间的碰撞将非常微弱，反应将不会发生，从而导致没有氨气的形成。因此，必须折衷使用约 450 °C 的温度，导致只有 10-20% 的氨气收率。

哈伯法也受到高压的青睐，因为在平衡方程式的右侧，气体的摩尔数较少。产生极高的压力是一个困难而昂贵的过程，因为产生这种压力所需的能量可能很高，用于承受这种高压的容器的成本也可能很高。这里的折衷压力为 250atm。

甲醇

甲醇主要用作化学原料，即作为制造其他化学品的起始原料，尤其是在制造甲醛中使用。甲醛反过来用于制造塑料，例如酚醛树脂。

美国 Indycar 的燃料是甲醇，与汽油汽车相比，甲醇汽车有一个优势，即甲醇火灾可以用水扑灭。

全世界每年生产 3300 万吨甲醇，主要来自以下反应。

CO + 3H₂ ↔ CH₃OH ΔH = -91kJ mol⁻¹

起始混合物称为合成气，它是通过甲烷或丙烷与蒸汽反应制成的。勒沙特列原理告诉我们，甲醇合成反应将在低温高压下获得最高的收率。但实际上，在 500K 的温度和 10,000 kPa 的压力下，使用的折衷条件产生大约 5-10% 的收率。

乙醇

这是酒精饮料中的酒精，因此，用酵母中的酶作为催化剂，发酵糖（如葡萄糖）来生产乙醇已有数千年历史，这并不奇怪。

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

乙醇也用于药物、化妆品、洗涤剂和油墨，目前乙醇的主要来源是通过分馏后裂解从原油中获得的乙烯。

乙醇是通过乙烯的水合（加水）可逆反应制成的，并通过吸附在二氧化硅上的磷酸催化剂加速。

H₂C=CH₂ + H₂O ↔ CH₃CH₂OH ΔH = -46kJ mol⁻¹

在使用的温度下，产物和反应物都是气态的。将勒沙特列原理应用于该平衡预测，最大收率将在高压下产生，迫使平衡向气体分子较少的右侧移动，低温迫使平衡向右侧移动以释放热量，过量的蒸汽迫使平衡再次向右侧移动以减少蒸汽浓度。然而，实际问题包括：低温会降低反应速率，从而降低平衡达到的速度，高压往往会导致乙烯聚合（形成聚乙烯），高压还会增加建造工厂的成本和运行所需的能量成本，过量的蒸汽会简单地稀释催化剂。

在实践中，使用约 570K 的温度和 6500 kPa 的压力，获得约 5% 的乙醇收率。将未反应的乙烯从反应混合物中分离出来，并再次在催化剂上循环使用，直到获得 95% 的转化率。

催化剂

有些反应需要使用催化剂才能在合理、高效的时间内达到平衡。催化剂不会影响平衡的位置；它同样加速正逆反应，因此只会增加达到平衡的速率！

催化剂通过为平衡反应中的反应物和产物提供更低的活化能的替代反应途径而起作用，而活化能保持不变。