對於氣態物質來說,體系的壓強(容器的體積)發生變化時,氣態物質的濃度就會隨之發生變化。氣態物質的摩爾濃度可由下式計算:
\[\text{氣態物質的摩爾濃度}\ =\ \frac{\text{物質的摩爾數}\left( \text{mol} \right)}{\text{容器的體積}\left( \text{d}{{\text{m}}^{3}} \right)}\]
可以看出:
因此,對於涉及氣態物質的可逆反應,改變容器的體積(壓強)就會影響可逆反應的平衡狀態。請同學們利用上面的動畫,選擇不同類型的化學反應並改變壓強,觀察反應體系中物質的濃度和平衡常數的變化並完成下面的題目。
\[a\text{A}\left( \text{g} \right)\ +\ b\text{B}\left( \text{g} \right)\ \rightleftharpoons \ c\text{C}\left( \text{g} \right)\ +\ d\text{D}\left( \text{g} \right)\]條件改變 | 體系壓強 | 與原平衡體系相比,新平衡體系 | 凈反應方向 | 平衡常數 | |
---|---|---|---|---|---|
反應物濃度 | 生成物濃度 | ||||
增加容器體積 | |||||
減小容器體積 |
條件改變 | 體系壓強 | 與原平衡體系相比,新平衡體系 | 凈反應方向 | 平衡常數 | |
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反應物濃度 | 生成物濃度 | ||||
增加容器體積 | |||||
減小容器體積 |
條件改變 | 體系壓強 | 與原平衡體系相比,新平衡體系 | 凈反應方向 | 平衡常數 | |
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反應物濃度 | 生成物濃度 | ||||
增加容器體積 | |||||
減小容器體積 |
如何利用「勒沙德利爾原理」解釋壓強的改變對化學平衡的影響?
根據勒沙德利爾原理的描述:平衡體系的條件改變時,平衡位置就會移動以減弱這種改變。所以:
最終達至新的平衡時,體系的平衡常數保持不變。
如何利用「反應商數」解釋壓強的改變對化學平衡的影響?
對於任意可逆反應,
\[a\text{A}\left( \text{g} \right)\ +\ b\text{B}\left( \text{g} \right)\ \rightleftharpoons \ c\text{C}\left( \text{g} \right)\ +\ d\text{D}\left( \text{g} \right)\]
反應商數為:
\[{{Q}_{\text{c}}}\ =\ \frac{{{\left[ \text{C}\left( \text{g} \right) \right]}^{c}}{{\left[ \text{D}\left( \text{g} \right) \right]}^{d}}}{{{\left[ \text{A}\left( \text{g} \right) \right]}^{a}}{{\left[ \text{B}\left( \text{g} \right) \right]}^{b}}}\]任意氣體 \(\text{X}\left( \text{g} \right)\) 的摩爾濃度,可表示為:\[\left[ \text{X}\left( \text{g} \right) \right]\ \left( \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}} \right)\ =\ \frac{{{n}_{\text{x}}}\left( \text{mol} \right)}{\text{V}\left( \text{d}{{\text{m}}^{3}} \right)}\]
將摩爾濃度的表達式代入反應商數,可獲得反應商數與容器體積的關係: \[\displaystyle{ {{Q}_{\text{c}}}\ =\ \frac{{{\left( \displaystyle{\frac{{{n}_{\text{C}\left( \text{g} \right)}}}{\text{V}}} \right)}^{c}}{{\left( \displaystyle{\frac{{{n}_{\text{D}\left( \text{g} \right)}}}{\text{V}}} \right)}^{d}}}{{{\left( \displaystyle{\frac{{{n}_{\text{A}\left( \text{g} \right)}}}{\text{V}}} \right)}^{a}}{{\left( \displaystyle{\frac{{{n}_{\text{B}\left( \text{g} \right)}}}{\text{V}}} \right)}^{b}}}\ =\ {{\text{V}}^{a+b-\left( c+d \right)}}\ \frac{{{\left( {{n}_{\text{C}\left( \text{g} \right)}} \right)}^{c}}{{\left( {{n}_{\text{D}\left( \text{g} \right)}} \right)}^{d}}}{{{\left( {{n}_{\text{A}\left( \text{g} \right)}} \right)}^{a}}{{\left( {{n}_{\text{B}\left( \text{g} \right)}} \right)}^{b}}} }\]
若 \(a+b < c+d\) 時,則 \(a+b-\left( c+d \right)\ < \ 0\)。
對於任意可逆反應(\(a+b>c+d\)):
\[a\text{A}\left( \text{g} \right)\ +\ b\text{B}\left( \text{g} \right)\ \rightleftharpoons \ c\text{C}\left( \text{g} \right)\ +\ d\text{D}\left( \text{g} \right)\]
當體系達至平衡狀態後,將容器的體積壓縮至原來的一半,並使之達至新的平衡狀態。那麼,與原平衡體系相比,新的平衡體系中各物質的濃度具有哪些特點?
對於上述化學反應,其反應商數可寫作:
\[{{Q}_{\text{c}}}\ =\ \frac{{{\left[ \text{C}\left( \text{g} \right) \right]}^{c}}{{\left[ \text{D}\left( \text{g} \right) \right]}^{d}}}{{{\left[ \text{A}\left( \text{g} \right) \right]}^{a}}{{\left[ \text{B}\left( \text{g} \right) \right]}^{b}}}\]由於 \(a+b>c+d\),將容器的體積壓縮至原來的一半,平衡位置將向右移動。變化過程如下:
值得注意的是:當體系再次達至平衡狀態時,生成物的濃度大於原平衡體系的兩倍;反應物的濃度介於原平衡體系的一倍和兩倍之間。