2010年10月29日 星期五

化學平衡Chemical Equilibria-自由能與平衡常數的關係

有機化學的基礎189

1.      平衡是指正反應與逆反應速率一樣的狀態。在平衡狀態,初始物質和產物的濃度不會改變,因此這些物質的濃度是恆定的常數。

2.      自由能的改變ΔG°控制化學平衡-也就是一個反應愈是放能(自由能ΔG°的負值愈大),平衡常數K就愈大,並且平衡有利於製造產物:

ΔG°=-RTlnK=ΔH°-TΔS°…………(2)

注:在這裡R是理想氣體常數(1.987cal/K),T是絕對溫度kelvins。

3.      因為在有機化學反應,「熱含量enthalpy」對「自由能變化」的重要性,比「熵entropy」大得多,所以,鍵能的改變通常也與平衡常數有關。

4.      從自由能公式(2)可看出,自由能變化和熱含量變化都與「平衡常數K」相關。

5.      舉例來說,如果我們知道有個反應在22℃(295K)的平衡常數K=1000,就可以解開自由能變化的數值ΔG°(如果熵變化ΔS°可以省略,那麼計算出來的自由能變化ΔG°,也是焓變化ΔH°):

ΔG°=-1.987cal/K×295 K×ln(1000)

=-4050cal/mole=-4.05kcal/mole

6.      相反地,如果我們知道自由能變化的數值ΔG°=+10kcal/mole,我們就可利用公式(2)解開平衡常數的數值:

lnK =-ΔG°/RT

K = e-ΔG°/RT

= e-10,000cal/(1.987cal/K×295K)

= 3.9×10-8

7.      對一個A和B化合物產生C和D的可逆反應,平衡常數K,可用平衡狀態下的物質濃度比例來表示,也可用正反應和逆反應的速率常數比例來表示。

A+B ←逆反應速率k-1、正反應速率k→ C+D………(3)

K=[C][D]/[A][B] …………(4)

K=k1/k-1         ………………(5)

8.      因為自由能變化ΔG°會指數性地影響平衡常數,自由能ΔG°一點點的改變,往往會造成平衡常數非常大的改變。

9.      舉例來說,假如有個反應在295K的溫度下,自由能變化ΔG°=-1.35kcal/mole,平衡常數K=10;而另一個反應在295K的溫度下自由能變化ΔG°=-2.7kcal/mole,平衡常數就變成K=100。

10.  事實上,自由能每增加1.35kcal/mole,平衡常數就增加10倍,如下表。

平衡常數與自由能的關連Dependence of equilibrium constant(K) onΔG°

ΔG°

K

0

1

-1.35

10

-2.7

100(102)

-4.05

1000(103)

-5.4

10,000(104)

n   翻譯編寫 Marye Anne Fox, James K. Whitesell《Organic Chemistry》

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