AP 化学/平衡

化学平衡是指反应中产物和反应物的浓度达到平衡状态；当正向反应速率等于逆向反应速率时，不再有净交换。当一个系统中输入和输出保持平衡，且没有变化时，就达到了动态平衡。在动态平衡中，化学物质在分子尺度上快速反应，而它们的浓度在宏观尺度上保持不变。处于动态化学平衡状态的化合物是使用化学平衡概念进行研究和描述的。

平衡定律

平衡定律指出，产物浓度的乘积除以反应物浓度的乘积等于平衡常数（K）。平衡常数是一个数字，它取决于反应和当达到平衡时反应混合物的温度。

字母K被保留为平衡常数的符号。平衡常数的特定类型可以用下标表示

$K_{c}$ = 浓度以摩尔浓度表示
$K_{p}$ = 气体的分压表示反应物和产物的量
$K_{sp}$ = 溶度积
$K_{a}$ = 酸电离常数
$K_{b}$ = 碱电离常数
$K_{f}$ = 生成常数

具体的平衡定律取决于所研究的平衡反应。一般的平衡反应可以写成

\alpha A+\beta B\rightleftharpoons \sigma S+\tau T

上述反应的一般平衡定律写成

K={\frac {\{S\}^{\sigma }\{T\}^{\tau }}{\{A\}^{\alpha }\{B\}^{\beta }}}

处于液态或固态的化合物不应该包含在平衡定律中，因为它们在反应过程中具有恒定的浓度。例如，对于反应

CH_{4}(g)+2O_{2}(g)\rightleftharpoons CO_{2}(g)+2H_{2}O(l)

平衡定律是

K_{c}={\frac {\{CO_{2}\}}{\{CH_{4}\}\{O_{2}\}^{2}}}

水溶液和气体包含在平衡定律中。对于以下反应

NH_{3}(g)+H_{2}O(l)\rightleftharpoons NH_{4}^{+}(aq)+OH^{-}(aq)

平衡定律是

K_{c}={\frac {\{NH_{4}^{+}\}\{OH^{-}\}}{\{NH_{3}\}}}

寻找平衡常数的值

在以下方程式中

{\ce {H2 (g) + Cl2 (g) <=> 2HCl (g)}}

平衡定律是

K_{c}={\frac {\{HCl\}^{2}}{\{H_{2}\}\{Cl_{2}\}}}

寻找平衡常数 $K_{c}$ 值最直接的方法是测量每个反应物和产物的浓度，并将它们的值代入平衡定律。例如，如果上述反应在平衡时的浓度确定为 $\{H_{2}\}=1.0\times 10^{-8}$ ， $\{Cl_{2}\}=3.4\times 10^{-6}$ 和 $\{HCl\}=0.802$ ，则可以将它们代入平衡定律来求解 $K_{c}$

K_{c}={\frac {\{HCl\}^{2}}{\{H_{2}\}\{Cl_{2}\}}}

变为

K_{c}={\frac {\{0.802\}^{2}}{\{1.0\times 10^{-8}\}\{3.4\times 10^{-6}\}}}

代入浓度后，进行适当的运算即可得到 $K_{c}$ 的值。在本例中， $K_{c}=1.89\times 10^{13}$ .

平衡定律的应用

平衡常数的值表明了在化学反应中，反应物转化为产物的程度。因此，从平衡常数K可以推断出平衡混合物的组成。如果平衡常数非常大（即大于 $10^{10}$ ），则平衡时存在的产物量大于反应物量，这意味着反应进行完全。如果K等于1，则平衡时存在的产物量与反应物量相同。当K非常小（即小于 $10^{-10}$ ），形成的产物量极小；没有明显的反应发生。