使用化学标准平衡常数计算公式判断暂态反应方向

场景一

对于气体反应 $ N_2(g) + 3H_2(g) = 2 NH_3(g) $, 判断

1. 容器不变, 增加 \(N_2\) 和 \(H_2\) 时的反应方向
2. 反应物不变, 压缩容器时的反应方向

分析

根据

\[N_2(g) + 3H_2(g) = 2 NH_3(g) \]

标准平衡常数的计算, 对于都是气体, \(C_x\)代表X的浓度

\[K = a * \frac{C_{NH_3}^2}{ C_{N_2} * C_{H_2}^3 } \]

因为只和反应物生成物的化学式计量数有关, 和具体的反应物生成物是什么无关, 上面的式子可以用 \(ABCD\) 简化为

\[A + 3B = 2C \]

\(K\)值计算为

\[K = a * \frac{ C_c^2 }{ C_a * C_b^3 } \]

假定有容器体积 \(1L\),
假定初始反应物为 $ A = 1mol, B = 3mol $,
假定在一个特定的温度下达到平衡态, 反应物有一半变成生成物, 此时 $ A = 0.5mol, B = 1.5mol, C = 1mol $
那么根据上面的式子, 此时的 \(K\) 值为

\[K = a * \frac{ 1^2 }{ 0.5 * 1.5^3 } \]

情况一

如果保持容器空间不变, 往里面增加 \(A\), 或者增加 \(B\), 或者同时增加 \(A\) 和 \(B\), 都会导致分式下方的浓度值变大, 如果要保持 \(K\) 不变, 分式上方的值肯定也要变大, 因此 \(C\) 肯定要变大, 所以此时会产生正向反应, 直到达到新的平衡

推论

容器空间不变

• 单单增加/减少某一种反应物或生成物, 代表着整体的浓度不变, 只是调整了其中某一个物质的浓度, 只要根据 \(K\) 值计算公式简单判断即可.
• 如果同时增加/减少反应物和生成物, 那么就要列出具体的 \(K\) 值计算式子, 根据式子先算出暂态, 如果暂态值比 \(K\) 大, 则会逆向反应, 如果暂态值比 \(K\) 小, 则会正向反应

情况二

如果仅压缩容器空间, 假定空间突然变为 $ \frac{1}{2}L$, 那么暂态下, 浓度都翻倍, 上面的 \(K\) 值式子就变成

\[K' = a * \frac{2^2}{ 1 * 3 ^ 3 } \]

因为 \(K\) 是常量, 此暂态的值明显比常量 \(K\) 值小, 为了让上式回归之前的 \(K\) 值, 则分式下方的值应当变小, 上方的值应当变大, 因此会产生正向反应, 直到达到新的平衡

推论

反应物不变, 增大或减小容器空间, 应当先列出具体的 \(K\) 值计算式子, 先写一个稳态, 再写出新浓度下的暂态, 如果暂态值比 \(K\) 大, 则会逆向反应, 如果暂态值比 \(K\) 小, 则会正向反应

场景二

假设有气体反应式 \(A + B = 4C\) 判断

1. 当容器不变, 充入 \(A\) 气体时的反应情况
2. 当容器不变, 充入等量 \(A\) 和 \(C\) 气体时的反应情况
3. 当反应物不变, 将容器空间压缩时的反应情况

分析

\(K\)值计算为

\[K = a * \frac{ C_c^4 }{ C_a * C_b } \]

1. 当容器不变, 充入 \(A\), 则分式下方增大, 为保持 \(K\) 不变, 上方也要增大, 因此正向反应
2. 当容器不变, 充入等量 \(A\) 和 \(C\), 则分式上方增大比例比下方更大, 为保持 \(K\) 不变, 因此要逆向反应
3. 当反应物不变, 压缩容器空间, 此时 \(C_a, C_b, C_c\) 等比例增大, 因为分式上方是4次方, 增大比例比下方大, 为保持 \(K\) 不变, 因此要逆向反应