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化学平衡常数原理是什么?

2014-12-29知识

奈何我等高中生知识储备实在有限,只能非常粗浅地谈一下了。

(***注:以下推导非常非常非常不严谨,仅起一个帮助理解的作用)

先设一个反应 aA+bB==cC+dD(*)

首先我们根据有效碰撞理论知道,反应速率的影响因素有很多很多,但是总的可以看作两个方面:

(1)能量要够

(2)位置要对

这里的能量比较复杂,与温度、动能等等有关,而第二点的「位置」,即分子间的相对位置,则要牵扯到概率问题了。

综上,一个化学反应的正反应速率大概可以写成:

v_+=K_+\cdot P

其中 K_+ 是一个常数,与能量方面有关;而P 则是反应物分子能发生碰撞的概率。这个概率该怎么计算呢?

对于反应(*) ,它的正反应能发生的条件是:在空间内,要同时存在a个A分子和b个B分子。我们把空间中存在1个A分子的概率记为 P(A) ,B同理。则根据数学知识可以知道,两粒子同时存在的概率P 为:

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

那么,同时存在a个A和b个B的概率就是:

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

好了,这下我们只需要搞清楚一个问题:分子在空间中分布的概率如何表示?

其实远在天边近在眼前。有这么一个物理量,它同时与粒子数目和体积有关,也反映了粒子的分布——那就是物质的量浓度!来看它的定义式:c=\frac{n}{V} ,其实就是单位体积内的分子数目,这与刚才所说的概率是可以对应的。

于是我们把概率替换为浓度,正反应计算式就成了:

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

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

(这俩在高中题目中还挺常见)

当反应达到平衡时,正逆反应速率相等,则有:

\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 ,则得到 化学平衡常数

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

而K根据定义,代表能量方面的因素,所以平衡常数仅与温度有关。

正如开头所言,这是一个非常粗暴的推导,真正的原理可以去找一本无机化学教材自学一下~