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大学化学:化学平衡，平衡常数和反应商

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例子问题

例子问题1:平衡

考虑一下下面的反应:

$2\text{Si}_2\text{H}_6(g)+7\text{O}_2(g)\rightleftharpoons4\text{SiO}_2(g)+6\text{H}_2\text{O}(l)$

给出这个反应的平衡常数的表达式。

可能的答案:

$\frac{(\text{P}_{Si_2H_6})^2(\text{P}_{O_2})^7}{(\text{P}_{SiO_2})^4}$

$\frac{(\text{P}_{SiO_2})^4[(\text{H}_2\text{O}])^6}{(\text{P}_{Si_2H_6})^2(\text{P}_{O_2})^7}$

$\frac{(\text{P}_{SiO_2})^4}{(\text{P}_{Si_2H_6})^2(\text{P}_{O_2})^7}$

$(\text{P}_{Si_2H_6})^2(\text{P}_{O_2})^7(\text{P}_{SiO_2})^4$

正确答案:

$\frac{(\text{P}_{SiO_2})^4}{(\text{P}_{Si_2H_6})^2(\text{P}_{O_2})^7}$

解释：

回想一下如何找到简化方程的平衡常数的表达式:

$aA+bB\rightleftharpoons cC+dD$

$\text{K}_{eq}=\frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$

由于给定的方程中有气体，我们在平衡常数的表达式中只考虑每种气体的分压。记住，这个表达式中只包含水分子和气体分子。不包括纯固体和纯液体。

因此，对于给定的方程，我们可以写出下面的平衡常数:

$\text{K}_{eq}=\frac{(\text{P}_{SiO_2})^4}{(\text{P}_{Si_2H_6})^2(\text{P}_{O_2})^7}$

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例子问题2:平衡

考虑一下下面的反应:

$4\text{HCl}(g)+\text{O}_2(g)\rightleftharpoons 2\text{H}_2\text{O}(l)+2\text{Cl}_2(g)$

反应混合物 $850 \degree C$ 最初包含 $[\text{HCl}]=0.750M$ 而且 $[\text{O}_2]=2.00M$ ．在平衡时, $[\text{HCl}]=0.650M$ ．反应的平衡常数是多少?

可能的答案:

0.250

0.158

0.0121

0.113

正确答案:

0.113

解释：

首先写出平衡表达式:

$K=\frac{[Cl_2]^2}{[HCl]^4[O_2]}$

现在，创建一个像下面这样的图表来跟踪浓度的变化。


最初的	0.750	2.00	0．00
改变	-0.100	-0.025	0.200
平衡	0.650	19.75	0.200

因为我们知道HCl的浓度降低了 0.100M ，我们可以用化学计量比推导出氧气和氯气的变化量。

把平衡浓度代入平衡常数的表达式。

$K=\frac{(0.200)^2}{(0.650)^4(1.975)}=0.113$

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例子问题1:平衡

计算平衡常数 298K 用生成的自由能来反应。

$I_2(g)+Cl_2(g)\rightleftharpoons 2ICl(g)$

$\Delta G^{\degree}_{f} \text{ of I}_2(g)=19.3\frac{kJ}{mol}$

$\Delta G^{\degree}_{f} \text{ of Cl}_2(g)=0\frac{kJ}{mol}$

$\Delta G^{\degree}_{f} \text{ of ICl}(g)=-5.44 \frac{kJ}{mol}$

可能的答案:

$2.39\times 10^5$

$1.95\times 10^5$

$8.55\times 10^4$

$7.44\times 10^5$

正确答案:

$1.95\times 10^5$

解释：

从生成的自由能开始 $\Delta G^{\degree}_{rxn}$ ．

$\Delta G^{\degree}_{rxn}=\Sigma n\Delta G^{\degree}_f \text{ of products}-\Sigma n\Delta G^{\degree}_f \text{ of reactants}$ ，

$\Delta G^{\degree}_{rxn}=2(-5.44)-19.3=-30.18\text{ kJ}$

回想一下连接在一起的方程 $\Delta G^{\degree}_{rxn}$ 有了平衡常数，．

$\Delta G^{\degree}_{rxn} =-RT \ln K$

代入已知信息，解出．

$-30.18(1000)=-(8.314)(298)\ln K$

$\ln K=12.18$

$K=e^{12.18}=1.95\times 10^5$

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例子问题1:化学平衡，平衡常数和反应商

$2NO(g)+Br_{2}(g)\rightleftharpoons 2NOBr(g)$

用所示方程考虑一个反应混合物。平衡时的分压是 113torr 的分压 $Br_{2}$ 是 132torr ．的分压是多少 NOBr 在这个混合物中如果 $k_{p}=30.6$ 在 $298^{\circ}K$ ?

可能的答案:

.308atm 或 234torr

.343atm 或 260.5torr

.362atm 或 275torr

.117atm 或 89.3torr

正确答案:

.343atm 或 260.5torr

解释：

$k_{p}= \frac{P(product)^{a}}{P(reactant)^{b}*P(reactant)^{c}}$

$k_{p}=30.6= \frac{P(NOBr)^{2}}{(\frac{132}{760})*(\frac{113}{760})^{2}}$

用代数方法求分压 NOBr ．

$\sqrt{30.6*(\frac{132}{760})*(\frac{113}{760})^{2}}=P(NOBr)$

0.343atm=P(NOBr)

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例子问题1:平衡

$2NO(g)+Br_{2}(g)\rightleftharpoons 2NOBr(g)$

考虑所示的反应，如果的分压， $Br_{2}$ , NOBr 是 125torr 每一个，混合物处于平衡状态吗?如果没有，反应将朝哪个方向进行，达到平衡 $k_{p}=30.6$ ?

可能的答案:

是的，反应会向生成物移动。

不，反应会向左向反应物方向进行。

是的

不，反应会直接向生成物进行。

正确答案:

不，反应会直接向生成物进行。

解释：

$Q_{p}=\frac{(\frac{125}{760})^{2}}{(\frac{125}{760})*(\frac{125}{760})^{2}}=6.08$

k_p=30.6

自 k>Q 反应不是平衡的。这意味着在平衡状态下，生成物与反应物的比值大于给定条件下的比值。这样，反应就会朝着生成物方向进行，从而达到平衡。

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例子问题6:平衡

$CO(g)+H_{2}O(g)\rightleftharpoons CO_{2}(g)+H_{2}(g)$

在实验室里 .43mol 的而且 .48mol 的 $H_{2}O$ 反应在烧杯。在平衡状态下 .24mol 的依然存在。利用所示方程计算平衡常数。

可能的答案:

$k_{c}=.63$

$k_{c}=.52$

$k_{c}=.28$

$k_{c}=1.93$

正确答案:

$k_{c}=.52$

解释：

用冰桌和 $k_{c}$ 要解的方程。

$H_{2}O$ $CO_{2}$

最初的 .43M .48M

改变 -.19M -.19M +.19M +.19M

平衡 .24M .29M .19M .19M

$k_{c}= \frac{[H_{2}][CO_{2}]}{[CO][H_{2}O]}$

$k_{c}=\frac{.19M*.19M}{.24M*.29M}=.52$

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示例问题7:平衡

$N_{2}O_{4}(g) \rightleftharpoons 2NO_{2}(g)$

找到 $k_{c}$ 如果你从反应开始 $.027M N_{2}O_{4}(g)$ 最后 $.015M N_{2}O_{4}(g)$ 在 STP ．

可能的答案:

$k_{c}=.0096$

$k_{c}=104.2$

$k_{c}=.8$

$k_{c}=1.25$

正确答案:

$k_{c}=.0096$

解释：

使用ICE桌和 $k_{c}$ 要解的方程。

$[N_{2}O_{4}]$ $[NO_{2}]$

最初的 .027M

改变 -.012M +.012M

平衡 .015M .012M

$k_{c}= \frac{[NO_{2}]^2}{[N_{2}O_{4}]}=\frac{.012M^2}{.015M}=.0096$

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例子问题1:化学平衡，平衡常数和反应商

次溴酸在水中溶解 $25^{o}C$ 与一个 $K_{a}=2.3\cdot10^{-9}$ ．什么是 $\Delta G^{o}$ 在这个分解过程中?

可能的答案:

$+33\:\frac{kJ}{mol}$

$-33\:\frac{kJ}{mol}$

$+55\:\frac{kJ}{mol}$

$+49\:\frac{kJ}{mol}$

$-49\:\frac{kJ}{mol}$

正确答案:

$+49\:\frac{kJ}{mol}$

解释：

对于这个问题，我们给出了在给定温度下反应的酸解离常数。题目要求我们求出反应的标准自由能变化。

首先，我们需要使用一个方程，它将标准自由能变化与平衡常数联系起来，如下所示。

$\Delta G^{o}=-RTln(K)$

关于温度，我们需要把题目中给出的单位转换成开尔文的单位。

$T=25+273=298\:K$

知道理想气体是常数吗?我们已经有了解它的所有信息了吗 $\Delta G^{o}$ ．

$\Delta G^{o}=-(8.314\:\frac{J}{mol\cdot K})(298\:K)ln(2.3\cdot 10^{-9})$

$\Delta G^{o}=49279\:\frac{J}{mol}\approx 49\:\frac{kJ}{mol}$

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例子问题1:化学平衡，平衡常数和反应商

$HCO_{3}^{-}(aq)\ +\ H_{2}O(l)\rightleftharpoons\ H_{3}O^{+}(aq)\ +\ CO_{3}^{2-}(aq)$

确定给定反应的酸解离常数表达式。

可能的答案:

$K_{a}=\frac{[H_{3}O^{+}][CO_{3}^{2-}]}{[HCO_{3}^{-}][H_{2}O]}$

$K_{a}=\frac{[HCO_{3}^{-}][H_{2}O]}{[H_{3}O^{+}][CO_{3}^{2-}]}$

$K_{a}=\frac{[HCO_{3}^{-}]}{[H_{3}O^{+}][CO_{3}^{2-}]}$

$K_{a}=\frac{[H_{3}O^{+}][CO_{3}^{2-}]}{[HCO_{3}^{-}]}$

正确答案:

$K_{a}=\frac{[H_{3}O^{+}][CO_{3}^{2-}]}{[HCO_{3}^{-}]}$

解释：

酸解离常数，记为 $K_{a}$ 是酸电离的平衡常数。因此，分子包含化学方程积边各物质浓度的乘积。分母是化学方程反应物侧各物质浓度的乘积。 $H_{2}O$ 在酸解离常数表达式中省略，因为作为溶剂，它是过量的，因此与溶液中的其他物质相比，其浓度的变化可以忽略不计。

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