2010年9月1日 星期三

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=(PCl)(PDm)/(PAj)(PBk)=(CC×RT)l(CD×RT)m/(CA×RT)j(CB×RT)k

=(Ccl)(CDm)/(CAj)(CBk) × (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》

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