化学平衡常数为什么会因为系数改变?

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化学平衡常数为什么会因为系数改变?

2024-01-11 18:46| 来源: 网络整理| 查看: 265

我学这部分的时候把平衡常数理解为概率。

你可以认为化学反应的本质是分子的有效碰撞。就以氢气燃烧来说,两个方程式: 2H_{2}+O_{2}=2H_{2}O (1)这个式子表示的意思是个 H_{2} 分子同时和个 O_{2} 分子有效碰撞产生水的过程。 4H_{2}+2O_{2}=4H_{2}O (2)这个式子表示的意思是个 H_{2} 分子同时和个 O_{2} 分子有效碰撞产生水的过程。

很明显式子(2)条件更苛刻,需要同时找到四个氢气和两个氧气,本质上也就是同时发生两次方程式(1),根据概率的乘法运算,同时发生两次独立事件的概率应该等于发生一次的概率的平方,如果把平衡常数认为是概率,那么式子(2)的平衡常数就是平方。

不仅如此,如果你把平衡常数理解为概率的话,很多东西就能讲通了。

为什么反应过程中要用浓度来计算?因为能找到那个分子的概率就和浓度相对应。为什么反应物写在分子上,生成物写在分母上?可以从氢气燃烧的那一段理解中得到,事实上反应发生只需要找到反应物就可以了,和生成物没有关系。但是对于可逆反应来说,考虑到逆反应的发生(逆反应发生的概率只和生成物浓度有关,和反应物无关)。平衡常数的意义就是发生一次正反应的同时逆反应没有发生。根据概率运算法则,平衡常数的写法很符合直觉。平衡的本质是正逆反应速率相等,那为什么说“平衡常数的意义就是发生一次正反应的同时逆反应没有发生“?分子碰撞理论不仅仅要求分子碰撞,还要求是激发态的分子才可以。因此反应的本质是找到激发态分子的概率。由于各个组分的激发态分子比率并不是相同的,因此可以近似理解为平衡常数反映了在当前浓度下,反应物激发态分子碰撞的概率等于生成物激发态分子碰撞的概率(正逆反应速率相等)。为什么认为固体的浓度等于1?因为固体分子并不会乱跑,不存在“找到固体分子的概率“这一说法。为什么往体系中加入无关气体,平衡不变?事实上你可以认为反应变弱了。因为找到反应物分子相撞的概率确实变小了,但同时别忘记能找到生成物进行逆反应的概率也变小了,所以总体来说平衡不变。为什么平衡常数只和温度有关?根据分子碰撞理论,不光要找到反应的分子,还要求是“有效分子”。就是说这个分子需要是具有一定能量,处于激发态的分子。提高温度显然能增加激发态分子的比率,而且根据反应时分子能量的图像看出来,反应物和生成物由基态转为激发态所需要的能量不同,因此理解为正逆反应对温度的敏感程度不同,那么平衡常数就以受到影响。其他手段并没有提高找到活化分子的概率,因此和平衡无关。

ps:这套理论仅仅是帮助理解平衡,并不能正确的解释平衡。比如这个理论会导致平衡常数和反应速率直接挂钩,但是好像并没有这么绝对的关系。具体的平衡计算是根据吉布斯自由能来的,与热力学相关,这里不做更深的讨论。



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