平衡常数 Keq 的计算与反应方向|HSC 化学
学习如何计算平衡常数、使用 ICE 表求出未知的平衡浓度,并透过比较 Qc 与 Keq 预测反应方向。内容包括详细的解题示例,以及具挑战性的 HSC 风格练习题与完整解答。
一个密封烧瓶中含有氢气、碘和碘化氢。在此温度下,平衡常数为 \(K_c=49\)。在某一瞬间,各物质的浓度如下:
- \([\ce{H2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{I2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{HI}]=1.0\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
碘化氢的浓度比任一反应物都高。你会预测碘化氢会分解,生成更多氢气和碘吗?
事实上,反应会朝正向进行,生成更多碘化氢。
原因在于,平衡取决于特定的浓度比值,而不是哪一种物质的浓度最高。对于这个反应,碘化氢的浓度需要平方:
\[ \frac{[\ce{HI}]^2}{[\ce{H2}][\ce{I2}]} = \frac{(1.0)^2}{(0.20)(0.20)} =25 \]
目前的比值是 25,但混合物要达到平衡,比值必须增加至 49。正向反应会提高这个比值,使系统逐渐趋近平衡。
这就是计算 \(K_{eq}\) 和预测反应方向的核心概念。你需要知道反应在平衡时所要求的比值,计算目前的比值,再将两者进行比较。
01平衡常数实际上代表甚么?
想像你正在调制一杯浓缩果汁饮料。食谱可能要求一份果汁浓缩液配四份水。单凭知道水的份量比浓缩液多,并不能判断混合物的浓度是否符合要求。你需要将实际比例与食谱要求的比例进行比较。
平衡常数的原理也类似。它描述的是反应达到平衡时,生成物与反应物浓度之间的特定比值。
对于一般的可逆反应:
\[ aA+bB\rightleftharpoons cC+dD \]
平衡常数的表示式为:
\[ K_c=\frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} \]
每个符号都有特定的意思:
- \(K_c\) 是使用浓度计算的平衡常数。
- 方括号代表平衡浓度,单位为 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
- \(a,b,c,d\) 是配平化学方程式中的化学计量系数。
- 生成物写在分子。
- 反应物写在分母。
最重要的一点是,配平后的化学方程式决定了平衡表示式中的指数。
系数为 2,代表该物质的浓度需要平方;系数为 3,则代表需要立方。
例如,考虑以下反应:
\[ \ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)} \]
其平衡表示式为:
\[ K_c=\frac{[\ce{SO3}]^2} {[\ce{SO2}]^2[\ce{O2}]} \]
注意,\(\ce{SO2}\) 和 \(\ce{SO3}\) 的系数 2 会变成指数。你并不是将它们的浓度乘以 2。
另外还有两项值得记住的规则:
- 纯固体和纯液体不会列入平衡表示式,因为它们的浓度实际上保持不变。
- 只有平衡浓度才能代入 \(K_c\)。如果题目提供的是初始浓度,你必须先计算平衡浓度。
在 HSC 的计算题中,使用 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) 作为浓度单位。平衡常数通常以数值表示,而没有一个通用且固定的单位。
如果你对如何根据配平后的化学方程式写出平衡表示式仍不太熟悉,可以复习均相反应的平衡表示式。
02根据平衡浓度计算 Keq
当题目提供所有物质在平衡时的浓度,计算 \(K_{eq}\) 通常相当直接。
你需要:
- 写出配平后的化学方程式。
- 建立平衡表示式。
- 代入平衡浓度。
- 计算数值。
例题:计算三氧化硫生成反应的 Keq
对于以下反应:
\[ \ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)} \]
平衡浓度如下:
- \([\ce{SO2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{O2}]=0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{SO3}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
计算 \(K_c\)。
步骤 1
\[ K_c=\frac{[\ce{SO3}]^2} {[\ce{SO2}]^2[\ce{O2}]} \]
步骤 2
\[ K_c=\frac{(0.40)^2} {(0.20)^2(0.10)} \]
步骤 3
\[ K_c=\frac{0.160}{0.0040} \]
\[ \boxed{K_c=40.0} \]
数值 40 表示在此温度下,平衡时生成物较受偏向。
然而,这并不代表反应已经完全进行。系统中仍然会存在一些二氧化硫和氧气。
另外,请留意指数的重要性。如果忘记将其中一个浓度平方,就会得到错误答案。
03使用 ICE 表找出未知的平衡浓度
有时,题目会提供初始浓度和平衡常数 \(K_{eq}\),但要求你计算某种物质在平衡时的浓度。
你不能直接将初始浓度代入平衡表示式。
相反,你需要计算反应进行期间各物质的浓度如何改变。
这时,ICE 表就非常有用。
ICE 代表:
- I-初始(Initial): 反应开始时的浓度。
- C-变化(Change): 反应进行时,各物质浓度的变化。
- E-平衡(Equilibrium): 达到平衡后的最终浓度。
关键在于,填写变化一行时,必须使用配平化学方程式中的化学计量系数。
例如:
\[ \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)} \]
每消耗 1 莫耳氢气,就会消耗 1 莫耳碘,并生成 2 莫耳碘化氢。
因此,如果氢气的浓度减少 \(x\),碘的浓度也会减少 \(x\),而碘化氢的浓度则会增加 \(2x\)。
例题:使用 Keq 计算平衡浓度
在某一特定温度下,以下反应的平衡常数为:
\[ \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)} \]
其 \(K_c=9.0\)。
初始浓度如下:
- \([\ce{H2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{I2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{HI}]=0.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
计算每种物质在平衡时的浓度。
步骤 1
由于初始时没有碘化氢,因此反应会朝正向进行。
令 \(x\) 代表被消耗的氢气浓度。
| \(\ce{H2}\) | \(\ce{I2}\) | \(\ce{HI}\) | |
|---|---|---|---|
| 初始(M) | 1.00 | 1.00 | 0.00 |
| 变化(M) | \(-x\) | \(-x\) | \(+2x\) |
| 平衡(M) | \(1.00-x\) | \(1.00-x\) | \(2x\) |
这里的 \(+2x\) 非常重要。根据配平后的化学方程式,每消耗一定量的氢气,就会生成两倍量的碘化氢。
步骤 2
对于此反应:
\[ K_c=\frac{[\ce{HI}]^2} {[\ce{H2}][\ce{I2}]} \]
代入 ICE 表中的数值:
\[ 9.0=\frac{(2x)^2} {(1.00-x)(1.00-x)} \]
化简:
\[ 9.0=\frac{4x^2}{(1-x)^2} \]
步骤 3
取正平方根:
\[ 3=\frac{2x}{1-x} \]
重新整理:
\[ 3(1-x)=2x \]
\[ 3-3x=2x \]
\[ 5x=3 \]
\[ x=0.60 \]
步骤 4
将 \(x=0.60\) 代入平衡一行。
氢气:
\[ [\ce{H2}]=1.00-0.60=0.40\ \mathrm{M} \]
碘:
\[ [\ce{I2}]=1.00-0.60=0.40\ \mathrm{M} \]
碘化氢:
\[ [\ce{HI}]=2(0.60)=1.20\ \mathrm{M} \]
因此:
\[ \boxed{[\ce{H2}]=0.40\ \mathrm{M}} \]
\[ \boxed{[\ce{I2}]=0.40\ \mathrm{M}} \]
\[ \boxed{[\ce{HI}]=1.20\ \mathrm{M}} \]
你可以将这些数值重新代入平衡表示式,检查答案是否正确:
\[ K_c=\frac{(1.20)^2}{(0.40)(0.40)} =\frac{1.44}{0.16}=9.0 \]
计算所得的浓度符合题目提供的平衡常数。
最后还有一点:达到平衡并不代表反应已经停止。正向和逆向反应仍然持续进行,但两者的速率相等。这就是为甚么各物质的浓度能够保持不变。
04使用 Q 和 Keq 预测反应方向
现在考虑另一类题目。
题目会提供平衡常数及反应混合物目前的浓度,你需要判断反应会朝正向还是逆向进行。
这时就需要用到反应商 \(Q_c\)。
反应商使用的表示式与 \(K_c\) 完全相同,但两者有一个重要分别:
- \(K_c\) 使用平衡浓度。
- \(Q_c\) 使用目前时刻的浓度,无论系统是否已达平衡。
对于一般反应:
\[ aA+bB\rightleftharpoons cC+dD \]
反应商的表示式为:
\[ Q_c=\frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} \]
计算出 \(Q_c\) 后,将它与 \(K_c\) 比较。
可能出现三种结果。
| 比较结果 | 净反应方向 | 会发生甚么事? |
|---|---|---|
| \(Q_c<K_c\) | 正向(向右) | 生成更多生成物。 |
| \(Q_c>K_c\) | 逆向(向左) | 生成更多反应物。 |
| \(Q_c=K_c\) | 没有净变化 | 系统已达平衡。 |
其原理很简单。
如果 \(Q_c\) 小于 \(K_c\),代表目前混合物的生成物与反应物比值,低于平衡时所要求的比值。正向反应会提高这个比值。
如果 \(Q_c\) 大于 \(K_c\),代表混合物的比值高于平衡时所要求的数值。逆向反应会降低这个比值。
如果两者相等,系统已经达到平衡。
例题:判断反应方向
考虑以下反应:
\[ \ce{CO(g) + Cl2(g) <=> COCl2(g)} \]
在某一特定温度下,\(K_c=5.0\)。
目前的浓度如下:
- \([\ce{CO}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{Cl2}]=0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{COCl2}]=0.30\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
判断反应会朝哪个方向进行。
步骤 1
\[ Q_c=\frac{[\ce{COCl2}]} {[\ce{CO}][\ce{Cl2}]} \]
步骤 2
\[ Q_c=\frac{0.30}{(0.20)(0.10)} \]
步骤 3
\[ Q_c=\frac{0.30}{0.020} \]
\[ Q_c=15 \]
步骤 4
\[ Q_c=15>K_c=5.0 \]
因此,反应会朝逆向进行。
系统会消耗氯化羰,并生成更多一氧化碳和氯气。
留意一个有趣的现象:氯化羰的个别浓度最高,但反应仍然会朝逆向进行。反应方向取决于平衡表示式中的比值,而不是简单比较个别物质的浓度。
05当浓度或体积改变时,Keq 会有甚么变化?
这是 HSC 题目中另一个常见的混淆点。
假设一个系统最初处于平衡状态。你加入更多反应物、移除部分生成物,或改变气体混合物的体积。
浓度会改变,因此反应商也会改变。
然而,只要温度维持不变,平衡常数就不会改变。
你可以使用以下可靠的解题方法:
- 计算扰动发生后、反应尚未作出回应时的新浓度。
- 将这些浓度代入反应商表示式。
- 将新的 \(Q_c\) 与保持不变的 \(K_c\) 比较。
- 预测净反应方向。
例如,假设一个气体平衡混合物的体积被压缩至原来的一半,并且在压缩过程中没有反应发生,那么每种气体的浓度都会加倍。
但这并不代表 \(Q_c\) 一定保持不变。
为甚么?因为浓度在分子和分母中所带的指数可能不同。
对于以下反应:
\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]
\[ Q_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]
两种浓度加倍时,分子会变成原来的两倍,但分母会变成原来的四倍。因此,反应商会变成原来的一半。
这就是为甚么计算 \(Q_c\),通常比单靠文字上的简单规则预测平衡移动更可靠。
06Keq 计算中的常见错误
| 错误 | 正确做法 |
|---|---|
| 使用初始浓度计算 \(K_c\) | 使用平衡浓度,或先透过 ICE 表计算平衡浓度。 |
| 将浓度乘以化学计量系数 | 将浓度提升至相应化学计量系数的次方。 |
| 比较个别物质的浓度来预测反应方向 | 计算 \(Q_c\),再将它与 \(K_c\) 比较。 |
| 假设较大的 \(K_c\) 代表反应已完全进行 | 记住反应物和生成物都可以在平衡时继续存在。 |
| 加入反应物或改变体积后,认为 \(K_c\) 会改变 | 除非温度改变,否则 \(K_c\) 保持不变。 |
| 扰动发生后仍使用原来的浓度 | 计算新的浓度后,才评估 \(Q_c\)。 |
07练习题与解答
以下题目会由基本的平衡计算,逐步提升至较复杂的问题,当中结合 ICE 表、反应商,以及平衡系统受到扰动后的变化。
问题 1
考虑以下平衡反应:
\[ \ce{PCl5(g) <=> PCl3(g) + Cl2(g)} \]
在某一特定温度下,平衡浓度如下:
- \([\ce{PCl5}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{PCl3}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{Cl2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
计算 \(K_{eq}\),并指出平衡时反应较偏向哪一方。
解答 1
\(K_{eq}=0.10\),因此平衡时较偏向反应物一方。
首先,写出平衡表示式:
\[ K_c=\frac{[\ce{PCl3}][\ce{Cl2}]} {[\ce{PCl5}]} \]
代入平衡浓度:
\[ K_c=\frac{(0.20)(0.20)}{0.40} \]
\[ K_c=\frac{0.040}{0.40} \]
\[ \boxed{K_c=0.10} \]
由于平衡常数小于 1,因此平衡较偏向反应物。
这并不代表系统中完全没有三氯化磷或氯气,而是代表平衡位置较偏向反应物一方。
问题 2
考虑以下平衡反应:
\[ \ce{CO(g) + Cl2(g) <=> COCl2(g)} \]
在固定温度下,\(K_c=5.0\)。
一个反应容器的初始物质浓度如下:
- \([\ce{CO}]=0.60\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{Cl2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{COCl2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
计算每种物质在平衡时的浓度。
解答 2
平衡浓度分别为:CO 的浓度为 \(0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),Cl2 的浓度为 \(0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而 COCl2 的浓度为 \(0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
首先,计算初始反应商:
\[ Q_c=\frac{0.20}{(0.60)(0.40)} \]
\[ Q_c=0.833 \]
由于 \(Q_c<K_c\),反应会朝正向进行。
令 \(x\) 代表被消耗的 CO 和 Cl2 浓度。
建立 ICE 表:
| \(\ce{CO}\) | \(\ce{Cl2}\) | \(\ce{COCl2}\) | |
|---|---|---|---|
| 初始(M) | 0.60 | 0.40 | 0.20 |
| 变化(M) | \(-x\) | \(-x\) | \(+x\) |
| 平衡(M) | \(0.60-x\) | \(0.40-x\) | \(0.20+x\) |
将平衡浓度代入表示式:
\[ 5.0=\frac{0.20+x} {(0.60-x)(0.40-x)} \]
展开分母:
\[ 5.0=\frac{0.20+x} {0.24-x+x^2} \]
重新整理:
\[ 0.20+x=1.20-5x+5x^2 \]
\[ 5x^2-6x+1=0 \]
因式分解:
\[ (5x-1)(x-1)=0 \]
因此:
\[ x=0.20\quad\text{或}\quad x=1.00 \]
第二个解在物理上并不合理,因为它会令 CO 和 Cl2 的浓度变成负数。
因此:
\[ x=0.20 \]
将这个数值代入平衡一行:
\[ [\ce{CO}]=0.60-0.20=0.40\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{Cl2}]=0.40-0.20=0.20\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{COCl2}]=0.20+0.20=0.40\ \mathrm{M} \]
检查平衡常数:
\[ K_c=\frac{0.40}{(0.40)(0.20)} =5.0 \]
计算所得的浓度符合题目提供的平衡常数。
问题 3
考虑哈柏法(Haber process):
\[ \ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)} \]
在 \(450^\circ\mathrm{C}\) 下,平衡常数为 \(K_c=8.0\)。
一个反应混合物目前含有:
- \([\ce{N2}]=0.25\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{H2}]=0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{NH3}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
计算 \(Q_c\),并判断反应的净方向。
解释为甚么直接比较氨的浓度与氮气的浓度,会导致不可靠的预测。
解答 3
反应会朝正向进行,生成更多氨。
首先,写出反应商的表示式:
\[ Q_c=\frac{[\ce{NH3}]^2} {[\ce{N2}][\ce{H2}]^3} \]
代入目前的浓度:
\[ Q_c=\frac{(0.40)^2} {(0.25)(0.50)^3} \]
计算:
\[ Q_c=\frac{0.160}{(0.25)(0.125)} \]
\[ Q_c=\frac{0.160}{0.03125} \]
\[ Q_c=5.12 \]
将结果与平衡常数比较:
\[ 5.12<8.0 \]
因此:
\[ \boxed{Q_c<K_c} \]
净反应会朝正向进行,生成更多氨。
一个容易犯的错误,是留意到氨的浓度高于氮气的浓度,便假设系统中的生成物过多。
然而,平衡表示式中的氢气浓度需要提升至三次方。三种物质的浓度都会影响这个比值。
因此,必须使用完整的平衡表示式判断系统,而不能只比较两种个别物质的浓度。
问题 4
考虑以下平衡反应:
\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]
在固定温度下,一个反应容器最初处于平衡状态,其浓度如下:
- \([\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
- \([\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
在反应尚未有时间作出反应之前,容器的体积突然被压缩至原来的一半。
计算新的反应商,并预测反应会朝哪个方向进行。
解释为甚么即使每种气体的浓度都加倍,压缩仍然会改变反应商。
解答 4
反应会朝正向移动,生成更多 \(\ce{N2O4}\)。
首先,计算原来的平衡常数:
\[ K_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]
\[ K_c=\frac{0.16}{(0.40)^2} \]
\[ K_c=\frac{0.16}{0.16}=1.0 \]
温度保持不变,因此 \(K_c\) 仍然是 1.0。
当体积减半时,每种气体的浓度会立即加倍。
因此:
\[ [\ce{NO2}]=0.80\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{N2O4}]=0.32\ \mathrm{M} \]
计算新的反应商:
\[ Q_c=\frac{0.32}{(0.80)^2} \]
\[ Q_c=\frac{0.32}{0.64} \]
\[ Q_c=0.50 \]
比较两个数值:
\[ Q_c=0.50<K_c=1.0 \]
因此,反应会朝正向进行。
重要的一点是,即使所有浓度都加倍,反应商也不一定保持不变。
分子会加倍,因为 \([\ce{N2O4}]\) 的化学计量系数为 1。
然而,分母会变成原来的四倍,因为 \([\ce{NO2}]\) 需要平方。
因此,\(Q_c\) 会降至原来的一半。
正向反应会消耗两个二氧化氮分子,生成一个四氧化二氮分子。这也符合压缩会使平衡偏向气体粒子数目较少的一方的预测。
问题 5
考虑以下平衡反应:
\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]
一个初始体积为 \(1.00\ \mathrm{L}\) 的密封容器,在固定温度下处于平衡状态。
其平衡浓度如下:
\[ [\ce{NO2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
\[ [\ce{N2O4}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
容器会经历以下变化:
- 活塞迅速将容器扩大至 \(2.00\ \mathrm{L}\)。随后,活塞被固定,在膨胀过程中不会发生反应。
- 一个理想的选择性捕集器会移除 \(\ce{N2O4}\),直至其浓度降至 \(0.11\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。此捕集器不会移除任何 \(\ce{NO2}\)。
现在让反应在固定的 \(2.00\ \mathrm{L}\) 体积下重新达到平衡。
回答以下问题:
(a) 使用原来的浓度计算平衡常数 \(K_c\)。
(b) 计算膨胀后、选择性捕集器尚未运作之前的 \(Q_c\)。预测此阶段的反应方向。
(c) 计算选择性捕集器运作后新的 \(Q_c\)。预测此时的净反应方向。
(d) 计算最终平衡时 \(\ce{NO2}\) 和 \(\ce{N2O4}\) 的浓度。解释为甚么两个数学解中只有一个在物理上可行。
解答 5
选择性捕集器运作后,反应会朝正向进行。最终平衡浓度为 \([\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而 \([\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
这道题目较为困难,因为连续两次变化会以相反的方式影响反应商。
你必须在每次变化后重新计算 \(Q_c\),而不是假设第一次扰动已经决定最终的反应方向。
部分 (a):计算原来的平衡常数。
平衡表示式为:
\[ K_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]
代入原来的平衡浓度:
\[ K_c=\frac{1.00}{(1.00)^2} \]
\[ \boxed{K_c=1.00} \]
由于温度没有改变,这个数值会保持不变。
部分 (b):计算膨胀后即时的 Q。
体积由 \(1.00\ \mathrm{L}\) 增加至 \(2.00\ \mathrm{L}\)。
由于两种反应气体的莫耳数尚未改变,因此两者的浓度都会减半。
因此:
\[ [\ce{NO2}]=0.50\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{N2O4}]=0.50\ \mathrm{M} \]
计算反应商:
\[ Q_c=\frac{0.50}{(0.50)^2} \]
\[ Q_c=2.00 \]
比较:
\[ Q_c=2.00>K_c=1.00 \]
膨胀后,反应会立即朝逆向进行,生成更多二氧化氮。
这是合理的,因为膨胀会使平衡偏向气体粒子数目较多的一方。
然而,这还不是反应最终会进行的方向。
部分 (c):计算选择性捕集器运作后的 Q。
捕集器只会移除 \(\ce{N2O4}\),使其浓度降至 \(0.11\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
二氧化氮的浓度则保持不变,仍然是 \(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
因此:
\[ Q_c=\frac{0.11}{(0.50)^2} \]
\[ Q_c=\frac{0.11}{0.25} \]
\[ Q_c=0.44 \]
比较:
\[ Q_c=0.44<K_c=1.00 \]
此时,反应会朝正向进行,生成更多四氧化二氮。
这是整道题目的关键变化。
膨胀最初使逆向反应较有利,但移除足够的生成物后,反应商便会降至平衡常数以下。
净反应方向取决于目前的浓度,而不是较早之前某次扰动后所预测的方向。
部分 (d):计算最终平衡浓度。
捕集器运作后,下一次平衡计算的初始浓度为:
\[ [\ce{NO2}]=0.50\ \mathrm{M} \]
\[ [\ce{N2O4}]=0.11\ \mathrm{M} \]
反应会朝正向进行:
\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]
令 \(x\) 代表生成的 \(\ce{N2O4}\) 浓度。
建立 ICE 表:
| \(\ce{NO2}\) | \(\ce{N2O4}\) | |
|---|---|---|
| 初始(M) | 0.50 | 0.11 |
| 变化(M) | \(-2x\) | \(+x\) |
| 平衡(M) | \(0.50-2x\) | \(0.11+x\) |
将平衡浓度代入表示式:
\[ 1.00=\frac{0.11+x}{(0.50-2x)^2} \]
重新整理:
\[ (0.50-2x)^2=0.11+x \]
展开:
\[ 0.25-2x+4x^2=0.11+x \]
合并同类项:
\[ 4x^2-3x+0.14=0 \]
使用二次方程式公式:
\[ x=\frac{3\pm\sqrt{(-3)^2-4(4)(0.14)}}{2(4)} \]
\[ x=\frac{3\pm\sqrt{6.76}}{8} \]
\[ x=\frac{3\pm2.60}{8} \]
得到两个数学解:
\[ x=0.050\quad\text{或}\quad x=0.70 \]
第二个解不可能成立。
如果 \(x=0.70\),二氧化氮的平衡浓度将会是:
\[ [\ce{NO2}]=0.50-2(0.70) \]
\[ [\ce{NO2}]=-0.90\ \mathrm{M} \]
负浓度在物理上是不可能的。此外,这也代表反应所消耗的二氧化氮超过容器内原本可用的数量。
因此,唯一有效的解是:
\[ x=0.050 \]
计算最终平衡浓度。
二氧化氮:
\[ [\ce{NO2}]=0.50-2(0.050) \]
\[ \boxed{[\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \]
四氧化二氮:
\[ [\ce{N2O4}]=0.11+0.050 \]
\[ \boxed{[\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \]
最后,检查平衡常数:
\[ K_c=\frac{0.16}{(0.40)^2} \]
\[ K_c=\frac{0.16}{0.16}=1.00 \]
最终浓度符合原来的平衡常数。
重要的教训是,当连续发生的扰动改变系统组成时,平衡系统的反应方向也可能随之改变。你不能只记住第一次变化后发生了甚么事。每当需要判断反应方向时,都应使用该时刻实际存在的浓度重新计算 \(Q_c\)。
08接下来应该学习甚么?
现在,你已经能够使用平衡表示式计算 \(K_{eq}\)、求解未知的平衡浓度,以及使用 \(Q_c\) 预测反应方向。
下一个重要的区别,是理解温度改变时会发生甚么事。
加入反应物或改变体积会改变反应商,但改变温度则可能使平衡常数本身发生变化。要理解原因,就需要将平衡计算与正向及逆向反应的焓变联系起来。