壓力的平衡方程式Equilibrium Expressions Involving Pressure(一)

化學原理啟迪141

1.      到目前為止，我們已經用濃度的角度說明氣體的平衡。氣體的平衡也可以用壓力的角度來描述。氣體壓力和濃度的關係，可從理想氣體方程式看出來：

PV=nRT 或 P=(n/V)RT＝CRT

2.      在這裡，C等於(n/V)：每單位體積(V)的粒子莫耳數(n)。C就是「氣體的莫耳濃度 molar concentrations of the gas」。

K＝[NH3]²/[N2][H2]³＝CNH3²/(CN2)(CH2³)

3.      或者用「平衡的氣體分壓 the equilibrium partial pressures of the gases」來說明：

Kp=PNH3²/(PN2)(PH2³)

4.      在這本教科書，K是指濃度的平衡常數，Kp是指分壓的平衡常數。

5.      一個化學反應中，濃度的平衡常數K和分壓的平衡常數Kp的關係，依據理想氣體定律的規則決定，C=P/RT。舉例來說，氨的合成反應：

K＝[NH3]²/[N2][H2]³=CNH3²/(CN2)(CH2³)

=(PNH/RT)²/(P N2/RT)(P H2³/RT) ³

=(PNH)²/(P N2)(P H2³)×(1/RT)²/(1/RT)⁴

=P NH3²/(P N2)(P H2³)(RT)²=Kp(RT)²

6.      然而，用元素合成氟化氫的反應，

H2(g)+F2(g)←→2HF(g)

7.      所得到的，K和Kp之間的關係

K=[HF]²/[H2][F2]＝CHF²/(CH2)(CF2)

＝(PHF/RT)²/(PH2/RT)(PF2/RT)

＝PHF²/(PH2)(PF2)＝Kp

8.      在這個合成氟化氫的反應裡，K等於Kp。K會等於Kp，是因為反應方程式兩端的係數總和是一樣的(H2+F2：1+1=2HF：2)，所以，RT被消掉了。

9.      可是，合成氨的平衡方程式，分子的次方(1/RT)²跟分母的次方(1/RT)⁴不同，所以，K不等於Kp。

10.  一般化學反應方程式：

jA+kB←→lC+mD

11.  K和Kp的關係是：

Kp＝K(RT)^△n

在這裡，△n是氣體「產物的係數總和」減掉氣體「反應物的係數總和」。

12.  上面的方程式，可以從K和Kp的定義，與壓力與濃度間的關係，輕易地推論出來。利用一般化學反應方程式，我們得到

Kp=(PC^l)(PD^m)/(PA^j)(PB^k)＝(CC×RT)^l(CD×RT)^m/(CA×RT)^j(CB×RT)^k

＝(Cc^l)(CD^m)/(CA^j)(CB^k) × (RT)^l+m/(RT)^j+k=K(RT)^{(l+m)－(j+k)}

＝K(RT)△n

13.  在這裡，△n＝(l+m)－(j+k)，意思是指，氣體產物的係數總和，與反應物的係數總和，的差距。

14.  平衡常數的單位，決定在它的反應類別。舉例來說，下面的反應

H2(g)+F2(g)←→2HF(g)

15.  它的平衡常數K和Kp的單位是

K＝CHF²/(CH2)(CF2)＝(mol/L)²/(mol/L)(mol/L)→沒有單位

Kp=PHF²/(PH2)(PF2)＝(atm)²/(atm)(atm) →沒有單位

16.  這個反應無論K或Kp都沒有單位，而且K等於Kp。因為分子跟分母的次方一樣，所以單位被消掉了。

17.  但是有些反應的分子、分母的次方不一樣，那麼，反應常數就會有(視覺上的apparent )單位，而且，K不會等於Kp。

18.  特別注意，在以上的討論，我們用「視單位apparent units」來稱呼平衡常數。我們這樣說的原因是平衡理論的基礎是熱力學，其中包括每種物質的「參考狀態reference state」，熱力學使得平衡觀念中的濃度或壓力單位被消掉。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》