化学平衡常数K的计算方法主要依据化学反应式和各物质的平衡浓度或分压。以下是具体计算步骤及要点:
一、基本公式
对于一般可逆反应:
aA+bB⇌cC+dD
平衡常数表达式为:
- 浓度平衡常数(Kₐ或K):
K=[A]a[B]b[C]c[D]d
式中,[X]
表示物质X的平衡浓度(单位:mol/L)。
- 压强平衡常数(Kp)(仅适用于气相反应):
Kp=(pA)a(pB)b(pC)c(pD)d
式中,pX为物质X的平衡分压(单位:Pa或atm)。
二、关键规则
-
纯固体或液体:
不参与平衡常数表达式(如固体催化剂、液态水等)。
示例:反应 C(s)+H2O(g)⇌CO(g)+H2(g) 的平衡常数为:
K=pH2OpCO⋅pH2
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溶剂的影响:
若水作为溶剂且浓度变化可忽略,其浓度不写入表达式(如稀溶液中的反应)。
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温度依赖性:
K仅与温度有关,温度改变时K值变化(吸热反应K随温度升高增大,放热反应反之)。
三、计算步骤
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确定反应式:
需明确化学计量数(如系数a、b、c、d)。
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获取平衡浓度或分压:
- 通过实验测定(如分光光度法、压力传感器等)。
- 通过初始浓度和转化率计算(常用“三段式”法)。
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代入公式计算K:
示例:对于反应 2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g),若平衡时浓度分别为0.2、0.1、0.3 mol/L,则:
K=[SO2]2[O2][SO3]2=0.22⋅0.10.32=22.5L/mol
四、特殊场景
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多重平衡规则:
若总反应为多个分反应之和,总反应的K为各分反应K的乘积。
示例:若反应1的平衡常数为K₁,反应2的平衡常数为K₂,总反应为反应1+反应2,则总平衡常数 K总=K1⋅K2 。
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转化率与K的关系:
通过初始浓度和转化率推导平衡浓度。
示例:初始浓度为 [A]0、转化率为α时,平衡浓度 [A]=[A]0(1−α),代入公式计算K。
五、注意事项
- 单位问题:K通常无单位(若用浓度或分压的比值计算),但需注意反应式中物质的量比例。
- 反应方向判断:
通过浓度商Q与K比较:
- Q < K:反应正向进行;
- Q = K:达到平衡;
- Q > K:反应逆向进行。
如果需要具体案例或更复杂的计算(如涉及多步反应或非理想气体),可参考中的详细推导。