化学反应的平衡常数和影响因素.doc

关于化学平衡的浅析摘要：化学平衡是在宏观条件一定的可逆反应中，化学反应正逆反应速率相等，反应物和生成物各组分浓度不再改变的状态。根据勒夏特列原理，如一个已达平衡的系统被改变，该系统会随之改变来抗衡该改变。本文拟就化学平衡及其移动的本质、化学反应的平衡常数和等温方程、化学平衡的应用作几点讨论。关键字：化学平衡 勒夏特列原理 平衡常数 等温方程 应用1.化学平衡及其移动的本质化学平衡及其移动，是经典热力学阐释化学反应限度与反应推动力关系的重要表达方式。经典热力学从物质的宏观状态变化的角度出发，探讨反应中的能量变化关系，并将化学反应式两边看作化学变化前、后的两种热力学状态。通过反应前、后的状态变化，即反应的温度、焓变和熵变阐明了反应进行的推动力，即（吉布斯自由能变化）。从而为一个反应能否自发进行提供了判断的依据。当然，该推动力仅仅是建立在反应物和生成物互不混合的纯态基础上。对一个实际的反应系统，即使反应的，反应能自发进行，系统的实际反应推动力还要包括反应物、生成物相互混合过程对吉布斯自由能的影响。因此，一个反应系统的反应推动力实际是： 纯态混合影响（）反应物生成物（）（） 反应进度 经典热力学的研究建立了反应系统的推动力与反应限度（平衡常数）之间的关系为rm 。从而确立了化学反应的能量变化与反应限度之间的关系。从经典热力学有关化学反应平衡理论的概述可以看出：化学平衡是反应系统的热力学状态变化的结果和体现；平衡常数与反应体系温度息息相关；反应平衡体系中各物质的浓度，由平衡常数所决定，但其又以系数的幂次方关系对平衡体系产生影响；反应的推动力或平衡常数可以在一定的反应条件下，由反应物的转化率间接地表达，但平衡体系变化，必然伴随转化率的变化；经典反应热力学仅从反应前、后状态的能量变化的角度出发，去探讨反应的可能性与限度问题，始终都未涉及反应从始态到终态之间的过程问题，也就是说，热力学基础上建立的对化学反应问题的结论，与反应速率之间没有任何的联系。经典热力学有关平衡移动的理论，为化学反应的应用，提供了反应的状态条件（如反应体系物料配比、压力、温度等）选择的理论依据。2. 化学反应的平衡常数和等温方程 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,也不管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除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值是个常数,用K表示,这个常数叫化学平衡常数。假设有一理想气体的化学反应为 aA（g）+bB（g）=gG(g)+hH(g),当达到平衡时，gG+hH=aA+bB （1）因为A B C D均是理想气体，根据理想气体在一定温度下的化学势表示式B=B+RTIn（PB/PB),则上式可写为 gG+gRTIn(PG/P)+hH+hRTIn(PH/P)=aA+aRTIn（PA/P)+bB+bRTIn（PB/P) （2）即 In (PG/P)g(PH/P)h/(PA/P)a(PB/P)b=-1/RT*(gG+hH-aA-bB) （3）式中，PB为B物质在平衡时的分压。因为等式右边各项都只是温度的函数，因此在温度一定时，等式右边为一常数。所以 (PG/P)g(PH/P)h/(PA/P)a(PB/P)b=常数=K （4）当然，参加反应的物质在平衡时的分压，可能由于起始组成的不同而又不同的数值，但平衡时上式中的比例关系在一定温度时却是一定值。不因各气体平衡分压的不同而改变。该比例式称为反应的“标准平衡常数”，以K表示。有上式可知，标准平衡常数K是无量纲的量。如果令 gG+hH-aA-bB=rGm （5）则式（3）亦可表示为 rGm=RTInK (6)很显然，rGm是指产物和反应物都处于标准态时，产物的吉布斯函数和反应物的吉布斯函数总和之差，故称反应的“标准吉布斯函数变化”。一般来说，rGm的正负不能指示化学反应进行的方向，然而根据式（6),由于标准平衡常数K可以指示反应的限度，所以亦是指示反应限度的量。假若上述反应在定温定压条件下进行，其中各分压是任意的，而不是平衡状态时的分压。那么，当此反应进行时，反应系统的吉布斯函数变化应为 rGm=(gG+hH)-(aA+bB） =（gG+hH-aA-bB)+RTIn(PG/P)g(PH/P)h/(PA/P)a(PB/P)b令 QP=PG/P)g(PH/P)h/(PA/P)a(PB/P)b并将式（5）或者式(6)代入，则 rGm=rGm+RTInQP或rGm=RTInK+RTInQP上式称为范特霍夫等温方程。QP称为“分压商”。推广到任意化学反应，只需用aB代替PB/P，于是，等温方程可统一表示为 rGm=rGm+RTInQaQa称为“活度商”。从等温方程可以看出： 当QaK时，rGm0，反应能够逆向进行； 当Qa=K时，rGm=0，反应达到平衡。 rGm表示反应的吉布斯函数改变量，在定温定压不做其他功的条件下，rGm的 正负可以指示化学反应能够进行的方向3.化学平衡的应用 3.1 解释生活现象 打开冰镇啤酒瓶把啤酒倒入玻璃杯，杯中立即泛起大量泡沫。啤酒瓶中二氧化碳气体与啤酒中溶解的二氧化碳气体达到平衡，打开啤酒瓶，二氧化碳的压力下降,据化学平衡移动原理知:平衡向放出二氧化碳的方向移动,以减弱气体压力下降对平衡的影响；温度是保持平衡的条件，玻璃杯的温度比冰镇啤酒的温度高，根据化学平衡移动原理，平衡应向减弱温度升高的方向的方向移动，即向吸热的方向移动，而从溶液中放出二氧化碳是吸热的，所以，应从溶液中放出二氧化碳气体移动，即向吸热的方向移动，而从溶液中放出二氧化碳是吸热的，所以，应从溶液中放出二氧化碳气体 3.2 解释工业生产问题 近年来，某些自来水厂在用液氯进行消毒处理时还加入少量液氨，其反应化学方程式为：NH3 + HClO = H2O + NH2Cl（一氯氨），NH2Cl较HClO稳定，加液氨后，使HClO部分转化为较稳定的NH2Cl，当HClO开始消耗后，化学平衡向左移动，又产生了HClO，延长液氯杀菌时间。 3.3 与环境保护有关 人类目前对煤与石油的过度使用，使空气中的 CO2浓度增大，导致地球表面温度升高，形成了温室效应。科学家对二氧化碳的增多带来的负面效应较为担忧，于是提出将二氧化碳通过管道输送到海底这样可以 缓解空气中CO2浓度的增加。依化学平衡移动原理来分析这种做法的科学性。在海洋深处存在：CO2+H2O= H2CO3=H+HCO32- 由于海底压强大温度低，这有利于CO2的溶解，从而加大二氧化碳与水的反应，使海水的酸性增强，这会造成海水环境的破坏，给海洋环境带来可怕的后果。消除这些影响可行的办法是减少化石能源的利用，开发新的能源。 3.4 洗涤剂的有效利用 我们知道，油性污垢中的油脂成分因不溶于水而很难洗去。油脂的化学组成是高级脂肪酸的甘油酯，如果能水解成高级脂肪酸和甘油，那就很容易洗去。油脂水解的方程式是：(RCOO)3C3H5 +3H2O=3RCOOH+C3H5(OH) 3 这是一个可逆反应，日常生活中以洗衣粉(或纯碱)作洗涤剂，其水溶液呈碱性，能与高级脂肪酸作用，使化学平衡向正反应方向移动。高级脂肪酸转化为钠盐，在水中溶解度增大，因此油污容易被水洗去。在日常生活中，洗衣粉等洗涤剂易溶于温水(特别是加酶洗衣粉)是由于温度升高，洗衣粉溶解度增大，即：浓度较大。温水有利于酶催化蛋白质等高分子化合物水解，同时蛋白质的水解、油脂的水解都是吸热反应，适当提高水温，会使洗涤效果更佳，但也应该注意，一味追求高水温会降低酶的催化能力，使其失去活性，从而降低洗涤效果。 3.5 健康人的血液pH值基本上稳定在7.357.45之间 原来人的血液里存在着H2CO3HCO3-缓冲系统。在这一缓冲系统中加入少量的酸或碱，其pH值无显著变化。而纯水无缓冲能力，加入少量的酸或碱都会使溶液的pH变化几个单位。H2CO3HCO3-缓冲系统中，存在着H2CO3=（可逆）H+HCO3-的电离平衡，加入少量酸使平衡逆向移动，生成更多碳酸，分解为CO2和H2O通过肺部排出体外，这就防止了pH减小。当加入少量碱时，OH-和H+中和，平衡正向移动，以增大血液酸度补偿损失。这时，身体的反馈作用就表现为通过肺部减少CO2排出量，通过肾脏增加HCO3-的排出量。正是由于血液里存在着抗酸抗碱的缓冲系统，加之体内外的补偿机制同时协作发挥影响，使血液里pH值基本稳定在一定范围之内。4. 小结 在实际生产中需要知道：如何控制反应条件，使反应按照我们所需要的方向进行，在给定条件下反应进行的最高限度时什么等等，这些问题都有赖于热力学的基本知识。把热力学基本原理和规律应用于化学反应可以从原则上确定反应进行的方向，平衡的条件，反应能达到的最高限度，以及导出平衡时物质的数量关系，并用平衡常数来表示。本文只是通过其中的几方面作了简单的探讨，初步了解了化学平衡的相关知识。参