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化學平衡常數原理是什麽?

2014-12-29知識

奈何我等高中生知識儲備實在有限,只能非常粗淺地談一下了。

(***註:以下推導非常非常非常不嚴謹,僅起一個幫助理解的作用)

先設一個反應 aA+bB==cC+dD(*)

首先我們根據有效碰撞理論知道,反應速率的影響因素有很多很多,但是總的可以看作兩個方面:

(1)能量要夠

(2)位置要對

這裏的能量比較復雜,與溫度、動能等等有關,而第二點的「位置」,即分子間的相對位置,則要牽扯到概率問題了。

綜上,一個化學反應的正反應速率大概可以寫成:

v_+=K_+\cdot P

其中 K_+ 是一個常數,與能量方面有關;而P 則是反應物分子能發生碰撞的概率。這個概率該怎麽計算呢?

對於反應(*) ,它的正反應能發生的條件是:在空間內,要同時存在a個A分子和b個B分子。我們把空間中存在1個A分子的概率記為 P(A) ,B同理。則根據數學知識可以知道,兩粒子同時存在的概率P 為:

P=P(A)\cdot P(B)

那麽,同時存在a個A和b個B的概率就是:

P=P^a(A)\cdot P^b(B)

好了,這下我們只需要搞清楚一個問題:分子在空間中分布的概率如何表示?

其實遠在天邊近在眼前。有這麽一個物理量,它同時與粒子數目和體積有關,也反映了粒子的分布——那就是物量濃度!來看它的定義式:c=\frac{n}{V} ,其實就是單位體積內的分子數目,這與剛才所說的概率是可以對應的。

於是我們把概率替換為濃度,正反應計算式就成了:

v_+=K_+\cdot c^a(A)\cdot c^b(B)

而逆反應同理: v_-=K_-\cdot c^c(C)\cdot c^d(D)

(這倆在高中題目中還挺常見)

當反應達到平衡時,正逆反應速率相等,則有:

\frac{v_+}{v_-}=\frac{K_+}{K_-}\cdot \frac{c^a(A)\cdot c^b(B)}{c^c(C)\cdot c^d(D)}=1

令 \frac{K_+}{K_-}=K ,則得到 化學平衡常數

K=\frac{c^c(C)\cdot c^d(D)}{c^a(A)\cdot c^b(B)}

而K根據定義,代表能量方面的因素,所以平衡常數僅與溫度有關。

正如開頭所言,這是一個非常粗暴的推導,真正的原理可以去找一本無機化學教材自學一下~