AP 化學/平衡

化學平衡是指反應中產物和反應物的濃度達到平衡狀態；當正向反應速率等於逆向反應速率時，不再有淨交換。當一個系統中輸入和輸出保持平衡，且沒有變化時，就達到了動態平衡。在動態平衡中，化學物質在分子尺度上快速反應，而它們的濃度在宏觀尺度上保持不變。處於動態化學平衡狀態的化合物是使用化學平衡概念進行研究和描述的。

平衡定律

平衡定律指出，產物濃度的乘積除以反應物濃度的乘積等於平衡常數（K）。平衡常數是一個數字，它取決於反應和當達到平衡時反應混合物的溫度。

字母K被保留為平衡常數的符號。平衡常數的特定型別可以用下標表示

$K_{c}$ = 濃度以摩爾濃度表示
$K_{p}$ = 氣體的分壓表示反應物和產物的量
$K_{sp}$ = 溶度積
$K_{a}$ = 酸電離常數
$K_{b}$ = 鹼電離常數
$K_{f}$ = 生成常數

具體的平衡定律取決於所研究的平衡反應。一般的平衡反應可以寫成

\alpha A+\beta B\rightleftharpoons \sigma S+\tau T

上述反應的一般平衡定律寫成

K={\frac {\{S\}^{\sigma }\{T\}^{\tau }}{\{A\}^{\alpha }\{B\}^{\beta }}}

處於液態或固態的化合物不應該包含在平衡定律中，因為它們在反應過程中具有恆定的濃度。例如，對於反應

CH_{4}(g)+2O_{2}(g)\rightleftharpoons CO_{2}(g)+2H_{2}O(l)

平衡定律是

K_{c}={\frac {\{CO_{2}\}}{\{CH_{4}\}\{O_{2}\}^{2}}}

水溶液和氣體包含在平衡定律中。對於以下反應

NH_{3}(g)+H_{2}O(l)\rightleftharpoons NH_{4}^{+}(aq)+OH^{-}(aq)

平衡定律是

K_{c}={\frac {\{NH_{4}^{+}\}\{OH^{-}\}}{\{NH_{3}\}}}

尋找平衡常數的值

在以下方程式中

{\ce {H2 (g) + Cl2 (g) <=> 2HCl (g)}}

平衡定律是

K_{c}={\frac {\{HCl\}^{2}}{\{H_{2}\}\{Cl_{2}\}}}

尋找平衡常數 $K_{c}$ 值最直接的方法是測量每個反應物和產物的濃度，並將它們的值代入平衡定律。例如，如果上述反應在平衡時的濃度確定為 $\{H_{2}\}=1.0\times 10^{-8}$ ， $\{Cl_{2}\}=3.4\times 10^{-6}$ 和 $\{HCl\}=0.802$ ，則可以將它們代入平衡定律來求解 $K_{c}$

K_{c}={\frac {\{HCl\}^{2}}{\{H_{2}\}\{Cl_{2}\}}}

變為

K_{c}={\frac {\{0.802\}^{2}}{\{1.0\times 10^{-8}\}\{3.4\times 10^{-6}\}}}

代入濃度後，進行適當的運算即可得到 $K_{c}$ 的值。在本例中， $K_{c}=1.89\times 10^{13}$ .

平衡定律的應用

平衡常數的值表明了在化學反應中，反應物轉化為產物的程度。因此，從平衡常數K可以推斷出平衡混合物的組成。如果平衡常數非常大（即大於 $10^{10}$ ），則平衡時存在的產物量大於反應物量，這意味著反應進行完全。如果K等於1，則平衡時存在的產物量與反應物量相同。當K非常小（即小於 $10^{-10}$ ），形成的產物量極小；沒有明顯的反應發生。