第四節 預測反應方向
反應商數

對於任意可逆反應:

\[a\text{A}\left( \text{g} \right)\ \text{+}\ b\text{B}\left( \text{g} \right)\ \rightleftharpoons \ c\text{C}\left( \text{g} \right)\ \text{+}\ d\text{D}\left( \text{g} \right)\]

量度 \(t\) 時刻體系內各物質的摩爾濃度,然後代入平衡定律的表達式,就可以得到反應體系在該時刻的反應商數,以符號 \({{Q}_{\text{c}}}\) 表示。即:

\[{{Q}_{\text{c}}}=\frac{\left[ \text{C}\left( \text{g} \right) \right]_{t}^{c}\left[ \text{D}\left( \text{g} \right) \right]_{t}^{d}}{\left[ \text{A}\left( \text{g} \right) \right]_{t}^{a}\left[ \text{B}\left( \text{g} \right) \right]_{t}^{b}}\]

在右側的互動中,模擬了在一定溫度下(\(425{{\ }^{\text{o}}}\text{C}\)),氫和碘與碘化氫相互轉化的可逆反應體系中,\({{Q}_{\text{c}}}\) 和 \({{K}_{\text{c}}}\) 隨時間的變化規律。通過調節物質的起始濃度並觀察曲線的變化,回答以下問題。

\[{{\text{H}}_2}\left( {\text{g}} \right) + {\kern 1pt} {{\text{I}}_2}\left( {\text{g}} \right){\kern 1pt} \rightleftharpoons 2{\text{HI}}\left( {\text{g}} \right){\kern 1pt} \]

題目一

反應達至平衡狀態前,\({{Q}_{\text{c}}}\)
  • 大於
  • 小於
  • 大於或小於
平衡常數。 

題解:

可逆反應達至平衡狀態前,隨著物質濃度的變化,反應商數不斷改變,並向平衡常數靠近。此過程中,反應商數可能大於也可能小於平衡常數

隨著反應的進行,\({{Q}_{\text{c}}}\) 不斷
  • 接近
  • 遠離
  • 接近或遠離
平衡常數,最終
  • 大於
  • 小於
  • 等於
  • 大於或等於
  • 小於或等於
平衡常數。

題解:

隨著反應進行,反應商數不斷接近平衡常數,最終與平衡常數相等

對比反應商數與平衡常數,以下哪些屬於兩者的相同之處?

表達式

單位

數值

含義

題解:

反應商數和平衡常數都是將體系內各物質的濃度帶入平衡定律進行計算得到的。所以,兩者的表達式和單位都相同。但是,它們選取的是體系不同狀態下(未達至平衡與達至平衡)物質的濃度,兩者的數值和含義並不相同

反應商數 平衡常數
相同點
  • 表達式
  • 單位
不同點
  • 任意時刻的濃度
  • 數值可能隨時間變化
  • 平衡濃度
  • 數值是固定的
聯繫 反應商數的數值隨著反應的進行,會逐漸接近平衡常數,最終與其數值相等。
平衡常數與反應商數的關係
預測反應方向

現在,我們以氫和碘與碘化氫之間的相互轉化為例,介紹如何利用反應商數和平衡常數的相對大小,預測可逆反應進行的方向。

\[{{\text{H}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \text{+}\ {{\text{I}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \rightleftharpoons \ \text{2HI}\left( \text{g} \right)\]

情況一:\({{Q}_{\text{c}}}\ >\ {{K}_{\text{c}}}\)

氫和碘的濃度將
  • 不斷增加
  • 不斷減少
  • 保持不變
  • 無法判斷
 , 碘化氫的濃度將
  • 不斷增加
  • 不斷減少
  • 保持不變
  • 無法判斷
 , 反應商數則
  • 不斷升高
  • 不斷下降
  • 保持不變
  • 無法判斷
 。 說明凈反應向
  • 正向
  • 逆向
  • 保持平衡
  • 無法判斷
 進行。

題解:

\({{Q}_{\text{c}}}\ >\ {{K}_{\text{c}}}\),說明體系內生成物的濃度比平衡時高,而反應物濃度比平衡時低。所以,逆向反應速率比正向反應速率高,凈反應向逆向進行。生成物濃度逐漸減少,反應物濃度逐漸增加,\({{Q}_{\text{c}}}\) 逐漸降低直至與平衡常數相等。

氫和碘的濃度將
  • 不斷增加
  • 不斷減少
  • 保持不變
  • 無法判斷
 , 碘化氫的濃度將
  • 不斷增加
  • 不斷減少
  • 保持不變
  • 無法判斷
 , 反應商數則
  • 不斷升高
  • 不斷下降
  • 保持不變
  • 無法判斷
 。 說明凈反應向
  • 正向
  • 逆向
  • 保持平衡
  • 無法判斷
 進行。

題解:

\({{Q}_{\text{c}}}\ < \ {{K}_{\text{c}}}\),說明體系內生成物的濃度比平衡時低,而反應物濃度比平衡時高。所以,逆向反應速率比正向反應速率低,凈反應向正向進行。生成物濃度逐漸增加,反應物濃度逐漸降低,\({{Q}_{\text{c}}}\) 逐漸升高直至與平衡常數相等。

氫和碘的濃度將
  • 不斷增加
  • 不斷減少
  • 保持不變
  • 無法判斷
 , 碘化氫的濃度將
  • 不斷增加
  • 不斷減少
  • 保持不變
  • 無法判斷
 , 反應商數則
  • 不斷升高
  • 不斷下降
  • 保持不變
  • 無法判斷
 。 說明凈反應向
  • 正向
  • 逆向
  • 保持平衡
  • 無法判斷
 

題解:

\({{Q}_{\text{c}}}\ =\ {{K}_{\text{c}}}\),說明體系內生成物和反應物的濃度都與平衡時的相同。所以,逆向反應速率與正向反應速率相等,反應處於平衡狀態。生成物和反應物的濃度都將保持不變,反應商數也保持不變且與平衡常數相等。

通過比較反應商數和平衡常數的相對大小,可以預測可逆反應的凈反應方向:

  • \({{Q}_{\text{c}}}\ > \ {{K}_{\text{c}}}\),凈反應向逆向進行;
  • \({{Q}_{\text{c}}}\ < \ {{K}_{\text{c}}}\),凈反應向正向進行;
  • \({{Q}_{\text{c}}}\ = \ {{K}_{\text{c}}}\),可逆反應達至平衡狀態。
預測反應方向
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