예를 들어 액체와 같이 모든 물질이 동일한 응집 상태에 있는 일반적인 형태의 가역 화학 반응을 고려하십시오.
aA + bB D cC + 디디,
여기서 A와 B는 직접 반응의 출발 물질입니다. C와 D는 직접 반응 생성물입니다. a, b, c 및 디- 화학양론적 계수.
물질 A와 B의 농도가 가장 높은 초기 순간에 직접 반응 속도도 가장 높을 것이며 질량 작용의 법칙에 따라 다음과 같습니다.
u pr \u003d k 1 C A a C B in (6.1)
여기서 k 1은 직접 반응의 속도 상수입니다.
시간이 지남에 따라 물질 A와 B의 농도가 감소하고 결과적으로 직접 반응 속도도 감소합니다.
초기 순간에 물질 C와 D의 농도는 0이고 결과적으로 역반응 속도는 0이되고 시간이 지남에 따라 물질 C와 D의 농도가 증가하여 결과적으로 역반응의 속도도 증가하고
u arr \u003d k 2 C C with C D 디 (6.2)
여기서 k 2는 역반응의 속도 상수입니다.
평형에 도달하는 순간 농도는 평형 값을 취하고 속도는 서로 같습니다 u pr \u003d u arr, 따라서
k 1 C A a C B c = k 2 C C c C D 디 (6.3)
속도 상수를 한 방향으로 이동하고 농도를 다른 방향으로 이동해 보겠습니다.
두 상수의 비율은 상수이며, 이를 화학 평형 상수라고 합니다.
평형상수는순방향 반응 속도가 역방향 반응 속도보다 몇 배 더 크거나 작은지.
평형 상수반응 생성물의 화학양론적 계수의 거듭제곱에 대한 반응 생성물의 평형 농도 곱의 화학량론 계수의 거듭제곱에 대한 출발 물질의 평형 농도의 곱에 대한 비율이다.
평형 상수의 값은 반응 물질의 특성과 온도에 따라 달라지며 평형 순간의 농도에는 의존하지 않습니다. 그 비율은 항상 평형 상수와 수치적으로 동일한 상수 값이기 때문입니다. 용액의 물질 사이에 균질 반응이 발생하면 평형 상수는 K C로 표시되고 기체 사이의 경우 K P로 표시됩니다.
여기서 Р С, Р D , Р А 및 Р В는 반응 참가자의 평형 압력입니다.
방정식 사용 클래피론-멘델레예프, K P와 K C 사이의 관계를 결정할 수 있습니다.
볼륨을 오른쪽으로 이동
p = RT, 즉 p = CRT(6.9)
각 시약에 대해 방정식 (6.9)를 (6.7)로 대체하고 단순화합니다.
여기서 Dn은 반응에 참여하는 기체 참가자의 몰수 변화입니다.
DN = (초 + 디) - (a + c) (6.11)
따라서,
K P \u003d K C (RT) D n (6.12)
방정식 (6.12)에서 K P = K C, 반응에 참여하는 기체의 몰수가 변하지 않거나(Dn = 0) 시스템에 기체가 없는 경우.
불균일 공정의 경우 시스템의 고체 또는 액체 상의 농도가 고려되지 않는다는 점에 유의해야 합니다.
예를 들어, 모든 물질이 기체이고 형식이 있는 경우 2A + 3B \u003d C + 4D 형식의 반응에 대한 평형 상수는 다음과 같습니다.
D가 고체이면
평형 상수는 이론적으로나 실제적으로 매우 중요합니다. 평형 상수의 수치는 화학 반응의 실제 가능성과 깊이를 판단할 수 있게 합니다.
K > 1인 경우그런 다음 이 반응은 상당한 수율의 반응 생성물과 함께 진행됩니다. K > 10 4 이면 반응이 비가역적입니다. K라면< 1, то такая реакция нетехнологична; если K < 10 -4 , то такая реакция невозможна.
평형 상수를 알면 평형 순간에 반응 혼합물의 조성을 결정할 수 있고 반응 생성물의 수율 상수를 계산할 수 있습니다. 평형 상수는 실험적 방법을 사용하거나 평형 순간에 반응 혼합물의 정량적 조성을 분석하거나 이론적인 계산을 적용하여 결정할 수 있습니다. 표준 조건 하의 많은 반응에서 평형 상수는 표 값입니다.
6.3. 화학 평형에 영향을 미치는 요인. 르샤틀리에의 원리
시스템에 대한 외부 작용에 따라 화학 평형이 이동합니다. 즉, 초기 물질과 반응 생성물의 평형 농도가 변경됩니다. 외부 영향의 결과로 반응 생성물의 평형 농도가 증가하면 평형이 오른쪽으로(직접 반응 방향으로) 이동한다고 말합니다. 외부 영향으로 인해 초기 물질의 평형 농도가 증가하면 평형이 왼쪽으로(역반응 방향으로) 이동한다고 말합니다.
화학 평형의 이동에 대한 다양한 요인의 영향은 다음을 반영합니다. 르샤틀리에의 원리 (1884): 안정적인 화학 평형 상태에 있는 시스템이 온도, 압력 또는 농도를 변경하여 외부에서 작용하면 화학 평형은 생성된 효과의 효과가 감소하는 방향으로 이동합니다.
촉매는 화학 평형을 이동시키지 않고 시작을 가속화할 뿐이라는 점에 유의해야 합니다.
일반적인 반응에 대한 화학 평형 이동에 대한 각 요인의 영향을 고려하십시오.
aA + bB = cC + 디 D±Q.
농도 변화의 영향. Le Chatelier 원리에 따르면, 평형 화학 반응의 구성 요소 중 하나의 농도가 증가하면 이 구성 요소의 화학 처리가 발생하는 반응이 증가하는 방향으로 평형이 이동합니다. 반대로 구성 요소 중 하나의 농도가 감소하면 해당 구성 요소가 형성되는 방향으로 평형이 이동합니다.
따라서 물질 A 또는 B의 농도가 증가하면 평형이 순방향으로 이동합니다. 물질 C 또는 D의 농도가 증가하면 평형이 반대 방향으로 이동합니다. A 또는 B의 농도가 감소하면 평형이 반대 방향으로 이동합니다. 물질 C 또는 D의 농도가 감소하면 평형이 순방향으로 이동합니다. (도식적으로 다음과 같이 작성할 수 있습니다. -C A 또는 C B ®; -C C 또는 C D ¬; ¯ CA 또는 C B ¬; ¯ C C 또는 CD ®).
온도의 영향.평형에 대한 온도의 영향을 결정하는 일반 규칙은 다음 공식을 갖습니다. 온도 증가는 흡열 반응(-Q)으로의 평형 이동에 기여합니다. 온도를 낮추면 평형이 발열 반응(+Q)으로 이동하는 데 기여합니다.
열 효과 없이 진행되는 반응은 온도 변화에 따라 화학 평형을 이동시키지 않습니다. 이 경우 온도의 증가는 더 빠른 평형 확립으로 이어질 뿐이며, 이는 주어진 시스템에서 가열 없이도 더 오랜 시간 동안 달성될 수 있습니다.
따라서 발열 반응(+Q)에서는 온도가 증가하면 평형이 반대 방향으로 이동하고, 반대로 흡열 반응(-Q)에서는 온도가 증가하면 평형이 정방향으로 이동합니다. 방향 및 반대 방향으로 온도 감소. (도식적으로 다음과 같이 작성할 수 있습니다. at +Q -T ¬; ¯T ®; at -Q -T ®; ¯T ¬).
압력의 영향.경험에서 알 수 있듯이 압력은 기체 물질이 참여하는 평형 반응의 변위에만 눈에 띄는 영향을 미치며, 이 경우 반응에 참여하는 기체 참가자의 몰수 변화(Dn)는 0이 아닙니다. 압력이 증가함에 따라 평형은 더 적은 수의 기체 물질이 형성되는 반응으로 이동하고 압력이 감소하면 더 많은 수의 기체 물질이 형성되는 방향으로 이동합니다.
따라서 Dn = 0이면 압력은 화학 평형의 이동에 영향을 미치지 않습니다. 만약 DN< 0, то увеличение давления смещает равновесие в прямом направлении, уменьшение давления в сторону обратной реакции; если Dn >0이면 압력이 증가하면 평형이 반대 방향으로 이동하고 압력이 감소하면 직접 반응 방향으로 이동합니다. (도식적으로 다음과 같이 작성할 수 있습니다. Dn = 0에서 P는 영향을 미치지 않습니다. Dn 0 -P ¬, ¯P ®에서). Le Chatelier의 원리는 동종 시스템과 이종 시스템 모두에 적용 가능하며 평형 이동의 질적 특성을 제공합니다.
대부분의 화학 반응은 가역적입니다. 반대 방향으로 동시에 흐릅니다. 정반응과 역반응이 같은 속도로 진행되는 경우 화학 평형이 일어난다. 예를 들어, 가역적 균일 반응: H 2 (g) + I 2 (g) ↔ 2HI (g)에서 질량 작용의 법칙에 따른 직접 반응과 역 반응의 비율은 농도의 비율에 따라 달라집니다. 즉, 직접 반응 속도: υ 1 = k 1 [Н 2 ]. 역반응 속도: υ 2 \u003d k 2 2.
H 2 및 I 2가 초기 물질인 경우 첫 순간 정방향 반응 속도는 초기 농도에 의해 결정되고 역반응 속도는 0입니다. H 2 와 I 2 가 소모되어 HI가 형성되면서 정반응 속도는 감소하고 역반응 속도는 증가한다. 얼마 후 두 속도가 균등화되고 시스템에 화학 평형이 설정됩니다. 단위 시간당 형성되고 소비되는 HI 분자의 수는 동일해집니다.
화학 평형에서 직접 반응과 역반응의 속도는 V 1 \u003d V 2와 같으므로 k 1 \u003d k 2 2입니다.
k 1과 k 2는 주어진 온도에서 일정하기 때문에 그 비율은 일정합니다. K로 나타내면 다음과 같습니다.
K -를 화학평형상수라 하고 위의 식을 질량작용의 법칙(Guldberg - Vaale)이라 한다.
일반적으로 aA+bB+… ↔dD+eE+… 형식의 반응에 대해 평형 상수는 다음과 같습니다. 
. 기체 물질 사이의 상호 작용에 대해 반응물이 평형 분압 p로 표시되는 표현이 자주 사용됩니다. 언급된 반응에 대해 
.
평형 상태는 주어진 조건에서 반응이 자발적으로 진행되는 한계를 나타냅니다(ΔG<0). Если в системе наступило химическое равновесие, то дальнейшее изменение изобарного потенциала происходить не будет, т.е. ∆G=0.
평형 농도 사이의 비율은 어떤 물질이 출발 물질로 사용되는지에 따라 달라지지 않습니다(예: H 2 및 I 2 또는 HI). 균형은 양쪽에서 접근할 수 있습니다.
화학 평형 상수는 반응물의 특성과 온도에 따라 달라집니다. 평형 상수는 압력(너무 높은 경우)과 시약 농도에 의존하지 않습니다.
온도, 엔탈피 및 엔트로피 계수의 평형 상수에 대한 영향. 평형 상수는 간단한 방정식 ΔG o =-RT ln K에 의해 화학 반응 ΔG o의 표준 등압-등온 전위의 변화와 관련됩니다.
ΔG o (ΔG o<<0) отвечают большие значения К, т.е. в равновесной смеси преобладают продукты взаимодействия. Если же ∆G o характеризуется большими положительными значениями (∆G o >>0), 초기 물질이 평형 혼합물에서 우세합니다. 이 방정식을 통해 ΔG o 값과 시약의 평형 농도(부분 압력)에서 K를 계산할 수 있습니다. ∆G o =∆Н o -Т∆S o 를 고려하면 일부 변환 후 다음을 얻습니다. 
. 이 방정식에서 평형 상수가 온도 변화에 매우 민감하다는 것을 알 수 있습니다. 시약의 성질이 평형 상수에 미치는 영향은 엔탈피 및 엔트로피 계수에 대한 의존성을 결정합니다.
르샤틀리에의 원리
화학 평형 상태는 이러한 일정한 조건 하에서 언제든지 유지됩니다. 조건이 변하면 평형 상태가 교란됩니다. 이 경우 반대 프로세스의 속도가 다른 정도로 변하기 때문입니다. 그러나 얼마 후 시스템은 다시 평형 상태에 도달하지만 이미 변경된 새로운 조건에 해당합니다.
조건의 변화에 따른 평형의 이동은 일반적으로 Le Chatelier 원리(또는 평형 이동 원리)에 의해 결정됩니다. 평형 상태에 있는 시스템이 평형 위치를 결정하는 조건 중 하나를 변경하여 외부로부터 영향을 받는 경우 프로세스의 흐름이 생성된 효과의 효과를 약화시키는 프로세스 방향으로 이동합니다.
따라서 온도의 증가는 공정 방향으로 평형 이동을 일으키고 그 과정에는 열 흡수가 수반되며 온도 감소는 반대 방향으로 작용합니다. 유사하게, 압력의 증가는 부피의 감소를 수반하는 공정 방향으로 평형을 이동시키고 압력의 감소는 반대 방향으로 작용합니다. 예를 들어, 평형 시스템 3H 2 + N 2 2H 3 N, ΔH o = -46.2 kJ에서 온도 증가는 H 3 N이 수소와 질소로 분해되는 것을 촉진하는데, 이 과정이 흡열이기 때문입니다. 압력이 증가하면 부피가 감소하기 때문에 평형이 H 3 N 형성 쪽으로 이동합니다.
반응에 참여하는 물질 중 일정량이 평형 상태에 있는 시스템에 추가되면(또는 그 반대의 경우 시스템에서 제거됨) 순방향 및 역방향 반응 속도가 변경되지만 점차적으로 다시 동일해집니다. 즉, 시스템은 다시 화학 평형 상태에 도달합니다. 이 새로운 상태에서 시스템에 존재하는 모든 물질의 평형 농도는 초기 평형 농도와 다르지만 이들 사이의 비율은 동일하게 유지됩니다. 따라서 평형 상태에 있는 시스템에서 다른 모든 물질의 농도를 변경하지 않고 한 물질의 농도를 변경하는 것은 불가능합니다.
Le Chatelier 원리에 따라 평형 시스템에 추가 양의 시약을 도입하면이 물질의 농도가 감소하는 방향으로 평형이 이동하여 상호 작용 제품의 농도가 증가합니다 .
화학 평형 연구는 이론적 연구와 실제 문제 해결 모두에 매우 중요합니다. 다양한 온도와 압력에 대한 평형 위치를 결정함으로써 화학 공정을 수행하는 데 가장 유리한 조건을 선택할 수 있습니다. 프로세스 조건의 최종 선택에서 프로세스 속도에 대한 영향도 고려됩니다.
예 1반응물의 평형 농도로부터 반응의 평형 상수 계산.
평형 농도 [A] = 0.3 mol ∙ l -1인 경우 반응 A + B 2C의 평형 상수를 계산합니다. [B]=1.1몰·l-1; [C] \u003d 2.1 mol ∙ l -1.
해결책.이 반응의 평형 상수에 대한 표현은 다음과 같습니다. 여기서 문제 조건에 표시된 평형 농도 =5.79로 대체하겠습니다.
예 2. 반응물의 평형 농도 계산. 반응은 방정식 A + 2B C에 따라 진행됩니다.
물질 A와 B의 초기 농도가 각각 0.5와 0.7 mol∙l -1이고 반응의 평형 상수 K p =50인 경우 반응물의 평형 농도를 결정하십시오.
해결책.물질 A와 B의 각 몰에 대해 물질 C의 2몰이 형성되며 물질 A와 B의 농도 감소를 X mol로 표시하면 물질 농도의 증가는 2X mol과 같습니다. 반응물의 평형 농도는 다음과 같습니다.
CA \u003d (o.5-x) mol ∙ l -1; C B \u003d (0.7-x) mol ∙ l -1; C C \u003d 2x 몰 ∙ l -1
엑스 1 \u003d 0.86; × 2 \u003d 0.44
문제의 조건에 따라 값 x 2가 유효합니다. 따라서 반응물의 평형 농도는 다음과 같습니다.
CA \u003d 0.5-0.44 \u003d 0.06 mol ∙ l -1; C B \u003d 0.7-0.44 \u003d 0.26 mol ∙ l -1; C C \u003d 0.44 ∙ 2 \u003d 0.88 mol ∙ l -1.
예 3평형 상수 Kp의 값에 의한 반응의 Gibbs 에너지 ΔG o의 변화 결정. Gibbs 에너지를 계산하고 평형상수가 Kp=1.0685∙10 -4일 때 700K에서 CO+Cl 2 =COCl 2 반응의 가능성을 결정하라. 모든 반응 물질의 분압은 동일하며 101325 Pa입니다.
해결책.∆G 700 =2.303∙RT 
.
이 프로세스의 경우:
∆Go 이후<0, то реакция СО+Cl 2 COCl 2 при 700К возможна.
예 4. 화학 평형의 이동. N 2 + 3H 2 2NH 3 -22 kcal 시스템에서 평형이 어느 방향으로 이동할까요?
a) N 2 농도 증가;
b) H 2 농도 증가;
c) 온도가 올라갈 때;
d) 압력이 감소할 때?
해결책. Le Chatelier 규칙에 따르면 반응 방정식의 왼쪽에 있는 물질의 농도가 증가하면 효과가 약화되는 경향이 있는 과정이 발생하여 농도가 감소합니다. 균형은 오른쪽으로 이동합니다(케이스 a 및 b).
암모니아 합성 반응은 발열 반응입니다. 온도가 증가하면 평형이 왼쪽으로 이동하여 충격을 약화시키는 흡열 반응 쪽으로 이동합니다(사례 c).
압력 감소(사례 d)는 시스템의 부피 증가로 이어지는 반응, 즉 N 2 및 H 2 형성 쪽으로.
실시예 5가스 혼합물의 부피가 세 번 감소하면 시스템 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (r)의 순방향 및 역방향 반응 속도가 몇 번 변경됩니까? 시스템의 균형은 어느 방향으로 이동할 것인가?
해결책.반응 물질의 농도를 나타내자: = ㅏ, =비,=와 함께.질량 작용의 법칙에 따르면 부피가 변화하기 전의 순방향 및 역방향 반응 속도는 다음과 같습니다.
v pr \u003d Ka 2 b, v arr \u003d K 1 s 2
균질 시스템의 부피를 3배로 줄인 후 각 반응물의 농도는 3배로 증가합니다. 3a,[O2] = 3b; = 3초.속도 v "np의 새로운 농도에서 직접 및 역 반응:
v" np = K(3a) 2 (3b) = 27 Ka 2 b; v o 6 p = K 1 (3c) 2 = 9K 1 c 2 .
; 
결과적으로 순방향 반응 속도는 27배, 역방향 반응 속도는 9배 증가했습니다. 시스템의 평형은 SO 3 의 형성 쪽으로 이동했습니다.
실시예 6반응의 온도 계수가 2인 경우 온도가 30에서 70 0 C로 증가함에 따라 기상에서 진행되는 반응 속도가 몇 배로 증가하는지 계산하십시오.
해결책.온도에 대한 화학 반응 속도의 의존성은 공식에 따라 Van't Hoff 실험 규칙에 의해 결정됩니다.
따라서 70°C에서의 반응 속도는 30°C에서의 반응 속도보다 16배 더 큽니다.
실시예 7균질 시스템의 평형 상수
CO (g) + H 2 O (g) 850 ° C에서 CO 2 (g) + H 2 (g)는 1입니다. 초기 농도가 다음과 같은 경우 평형에 있는 모든 물질의 농도를 계산합니다. [CO] ISC = 3 mol / l, [H 2 O] ISH \u003d 2 mol / l.
해결책.평형 상태에서 순방향 반응과 역방향 반응의 속도는 동일하며 이러한 속도의 상수 비율은 일정하며 주어진 시스템의 평형 상수라고 합니다.
V np= 케이 1[CO][H2O]; V오비피 = 에게 2 [CO2][H2];
문제의 조건에서는 초기 농도가 주어지고 식에서는 Kr시스템에 있는 모든 물질의 평형 농도만 포함합니다. 평형 순간에 농도 [СО 2 ] Р = 엑스정부. 시스템의 방정식에 따르면, 이 경우에 형성된 수소의 몰수는 또한 엑스정부. 같은 횟수의 기도 (엑스 mol / l) CO 및 H 2 O는 엑스 CO 2 및 H 2의 몰. 따라서 네 가지 물질 모두의 평형 농도(mol/l)는 다음과 같습니다.
[CO 2] 피 \u003d [H 2] 피 \u003d 엑스;[CO] P = (3 –x); P =(2-x).
평형 상수를 알면 값을 찾습니다. 엑스,그런 다음 모든 물질의 초기 농도:
; 엑스 2 \u003d 6-2x-3x + 엑스 2; 5x \u003d 6, l \u003d 1.2 mol / l.
평형 상수
평형 상수- 주어진 화학 반응에 대해 화학적 평형 상태에 있는 출발 물질과 생성물의 열역학적 활동(또는 반응 조건, 분압, 농도 또는 fugacity에 따라) 사이의 비율을 결정하는 값(법률에 따름) 대량 행동의). 반응의 평형 상수를 알면 반응 혼합물의 평형 조성, 생성물의 한계 수율을 계산하고 반응 방향을 결정할 수 있습니다.
평형 상수를 표현하는 방법
예를 들어, 일산화탄소 산화 반응의 경우:
2CO + O 2 \u003d 2CO 2
평형 상수는 다음 방정식에서 계산할 수 있습니다.
어디 Δn- 반응 중 물질의 몰수 변화. 그것은 분명하다 케이엑스압력에 따라 다릅니다. 반응 생성물의 몰수가 출발 물질의 몰수와 같으면 (), 그러면.
표준 평형 상수
이상 기체 혼합물에서 반응의 표준 평형 상수(반응 참가자의 초기 분압이 표준 상태 = 0.1013MPa 또는 1atm의 값과 같을 때)는 다음 식으로 계산할 수 있습니다.
구성 요소의 상대적 분압은 어디에 있습니까?표준 평형 상수는 차원이 없는 양입니다. 그녀는 다음과 관련이 있습니다. Kp비율:
대기로 표현하면 다음과 .
표준 초기 상태에서 실제 가스 혼합물의 반응에 대해 가스의 부분 fugacity는 부분 압력 = 0.1013MPa 또는 1atm과 같다고 가정합니다. 케이에프와 관련된 K0비율:
어디 γ 나는- 혼합물에서 i 번째 실제 가스의 fugacity 계수.이기종 시스템의 반응에 대한 평형 상수
FeO t + CO g = Fe t + CO 2g평형 상수(기체가 이상적이라고 가정)는 다음과 같은 형식을 갖습니다.
깁스 에너지의 평형 상수 및 변화
평형 상수 및 반응 속도 상수
가역 화학 반응의 경우 평형 상태에서 정반응과 역반응의 속도가 같다는 사실에 근거하여 평형 상수는 정반응과 역반응의 속도 상수로 표현할 수 있습니다. 예를 들어, 기본적인 가역적 1차 화학 반응의 경우
어디 케이 1직접 반응의 속도 상수이고, k2- 뒤집다. 이 중요한 관계는 화학 동력학과 화학 열역학 사이의 "접점" 중 하나를 제공합니다.평형 상수 계산 방법
반응의 평형 상수를 결정하기 위한 계산 방법은 일반적으로 반응 중 Gibbs 에너지의 표준 변화를 어떤 식으로든 계산하는 것으로 귀결됩니다( ∆G0) 다음 공식을 사용합니다.
, 여기서 범용 기체 상수는 입니다.Gibbs 에너지는 시스템 상태의 함수입니다. 즉, 프로세스 경로, 반응 메커니즘에 의존하지 않고 시스템의 초기 및 최종 상태에 의해서만 결정됩니다. . 따라서 직접 정의나 계산을 하면 ∆G0어떤 반응이 어떤 이유로 어려운지, 다음과 같은 중간 반응을 선택할 수 있습니다. ∆G0알려져 있거나 쉽게 결정할 수 있으며, 그 합은 문제의 반응을 제공할 것입니다(헤스의 법칙 참조). 특히, 원소로부터 화합물을 형성하는 반응이 이러한 중간 반응으로 자주 사용된다.
Gibbs 에너지의 변화와 반응의 평형 상수에 대한 엔트로피 계산
엔트로피 계산 방법 ΔG반응은 가장 일반적이고 편리한 것 중 하나입니다. 다음 비율을 기준으로 합니다.
또는 각각 기준깁스 에너지 변화:
여기 ∆H0일정한 압력과 온도에서 반응의 열 효과, 계산 방법 및 실험적 결정 방법이 알려져 있습니다. 예를 들어 Kirchhoff 방정식을 참조하십시오.
반응 동안 엔트로피의 변화를 구하는 것이 필요합니다. 이 문제는 다음과 같은 여러 가지 방법으로 해결할 수 있습니다.
- 열 데이터에 따르면 - Nernst 열 정리에 기반하고 반응 참가자의 열용량의 온도 의존성에 대한 정보를 사용합니다. 예를 들어, 정상적인 조건에서 고체 상태인 물질의 경우:
따라서 열용량의 온도 의존성을 알고 있다면 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
이 공식의 다소 단순화된 버전은 물질의 열용량의 합이 온도와 무관하고 298K에서 열용량의 합과 같다고 가정하여 얻습니다.
그리고 열용량의 합을 0으로 하여 훨씬 더 단순화된 계산이 수행됩니다.
에서 평형 상수로의 전환은 위의 공식에 따라 수행됩니다.
통계 열역학 방법에 의한 평형 상수 계산
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화학 평형은 가역 화학 반응의 상태입니다.
AA + 비비= 씨 C+ 디디,
시간이 지남에 따라 반응 혼합물의 반응물의 농도에는 변화가 없습니다. 화학 평형 상태는 다음과 같습니다. 화학 평형 상수:
어디 시성분의 농도는 평형완벽한 혼합물.
평형 상수는 평형 몰 분율로 표현될 수도 있습니다. X 나는구성 요소:
기상에서 일어나는 반응의 경우 평형 분압으로 평형 상수를 표현하는 것이 편리합니다. 파이구성 요소:
이상 기체의 경우 파이 = CI RT그리고 파이 = XiP, 어디 피총 압력이므로 KP, 케이씨그리고 케이엑스다음 관계로 관련됩니다.
K P = K C (RT) c+d–a–b = K X P c+d–a–b. (9.4)
평형 상수는 다음과 관련이 있습니다. r G o 화학 반응:
(9.5)
(9.6)
변화 r G또는 rF주어진 (반드시 평형일 필요는 없는) 분압에서의 화학 반응에서 파이또는 농도 시구성 요소는 방정식으로 계산할 수 있습니다. 화학 반응 등온선 (반트 호프 등온선):
. (9.7)
. (9.8)
에 따르면 르샤틀리에의 원리외부 영향이 평형 상태에 있는 시스템에 가해지면 외부 영향의 영향을 줄이는 방식으로 평형이 이동합니다. 따라서 압력이 증가하면 기체 분자 수가 감소하는 방향으로 평형이 이동합니다. 평형 혼합물에 반응 성분을 첨가하면 이 성분의 양이 감소하는 방향으로 평형이 이동합니다. 온도의 증가(또는 감소)는 열의 흡수(방출)로 진행되는 반응의 방향으로 평형을 이동시킵니다.
정량적으로 온도에 대한 평형 상수의 의존성은 다음 방정식으로 설명됩니다. 화학 반응의 등압선 (반트 호프 등압선)
(9.9)
그리고 화학 반응의 isochores (van't Hoff 아이소코어)
. (9.10)
다음과 같은 가정하에 방정식 (9.9)의 적분 rh반응은 온도에 의존하지 않으며(좁은 온도 범위에서 사실임) 다음을 제공합니다.
(9.11)
(9.12)
어디 씨-통합 상수. 따라서 의존성 ln 케이 1에서 피 /티선형이어야 하며 직선의 기울기는 - rh/아르 자형.
내부 통합 케이 1 , 케이 2, 그리고 티 1, 티 2 제공:
(9.13)
(9.14)
이 방정식을 사용하여 서로 다른 두 온도에서 평형 상수를 알면 다음을 계산할 수 있습니다. rh반응. 이에 따라 안다. rh한 온도에서 반응과 평형 상수를 계산하려면 다른 온도에서 평형 상수를 계산할 수 있습니다.
예
CO (g) + 2H 2 (g) \u003d CH 3 OH (g)
500K에서. 에프 고 500K에서 CO(g) 및 CH 3 OH(g)의 경우 –155.41kJ입니다. mol –1 및 –134.20 kJ. 각각 mol –1.
해결책. 가다반응:
r 고 오= 에프 고(CH3OH)- 에프 고(CO) = –134.20 – (–155.41) = 21.21kJ. 몰 -1 .
= 6.09 10 –3 .
예 9-2. 반응 평형 상수
동일하다 케이 P = 1.64 10 –4 at 400 o C. 10% N 2 를 NH 3 로 변환하기 위해 등몰량의 N 2 와 H 2 혼합물에 적용해야 하는 전체 압력은 얼마입니까? 가스는 이상적이라고 가정합니다.
해결책. mol N 2 반응하자. 그 다음에
| N2(g) | + | 3H2(g) | = | 2NH3(g) | |
| 초기 수량 | 1 | 1 | |||
| 평형 수량 | 1– | 1–3 | 2 (총: 2–2) | ||
| 평형 몰분율: |
따라서, 케이 X= 
그리고 케이피 = 케이엑스. 피 –2
= 
.
결과 공식에 = 0.1을 대입하면
1.64 10 –4 =
, 어디 피= 51.2기압
예 9-3. 반응 평형 상수
CO (g) + 2H 2 (g) \u003d CH 3 OH (g)
500K에서 케이 P = 6.0910–3. 1mol의 CO, 2mol의 H2 및 1mol의 불활성 기체(N2)로 구성된 반응 혼합물을 500K 및 100atm의 전체 압력으로 가열한다. 평형 혼합물의 조성을 계산하십시오.
해결책. 1몰의 CO를 반응시키십시오. 그 다음에
| 장부) | + | 2H 2 (g) | = | CH3OH(g) | |
| 초기 금액: | 1 | 2 | 0 | ||
| 평형량: | 1– | 2–2 | |||
| 평형 혼합물의 합계: | 3–2 mol 성분 + 1 mol N 2 \u003d 4–2 mol | ||||
| 평형 몰분율 | |||||
따라서, 케이 X= 
그리고 케이피 = 케이엑스. P-2 = 
.
따라서 6.09 10 –3 = 
.
이 방정식을 풀면 = 0.732가 됩니다. 따라서 평형 혼합물에서 물질의 몰 분율은 = 0.288, = 0.106, = 0.212 및 = 0.394입니다.
예 9-4. 반응을 위해
N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH 3 (g)
298K에서 케이 P = 6.0 10 5 , 그리고 에프 호(NH 3) \u003d -46.1kJ. 몰 -1 . 500K에서 평형 상수 값을 추정합니다.
해결책. 반응의 표준 몰 엔탈피는
r 호= 2에프 호(NH 3) \u003d -92.2kJ. 몰 -1 .
방정식 (9.14)에 따르면, 
=
Ln(6.0 10 5) + 
= –1.73, 어디서 케이 2 =
0.18.
발열 반응의 평형 상수는 온도가 증가함에 따라 감소하며 이는 Le Chatelier의 원리에 해당합니다.
작업
- 평형 혼합물에서 1273K 및 총 압력 30atm에서
- 2000 o C 및 1 atm의 전체 압력에서 물의 2%가 수소와 산소로 해리됩니다. 반응의 평형 상수 계산
- 반응 평형 상수
- 반응 평형 상수
- 1.79×10–2 mol I 2 가 들어 있는 3L 용기를 973 K로 가열했습니다. 평형 상태에서 용기의 압력은 0.49 atm인 것으로 나타났습니다. 이상 기체를 가정하고 반응에 대한 973 K에서의 평형 상수를 계산하십시오.
- 반응을 위해
- 반응을 위해
- 0.341 mol PCl 5 및 0.233 mol N 2를 포함하는 1리터 용기를 250 o C로 가열했습니다. 평형 상태에서 용기의 총 압력은 29.33 atm이었습니다. 모든 기체가 이상적이라고 가정하고 용기에서 일어나는 반응에 대해 250 o C에서 평형 상수를 계산하십시오.
- 반응 평형 상수
- 25°C에서 에프 고(NH3) = –16.5kJ. 몰 -1 . 계산하다 r G각각 3 atm, 1 atm 및 4 atm과 같은 N 2 , H 2 및 NH 3 의 분압에서 NH 3 형성 반응. 이러한 조건에서 반응이 자발적으로 진행되는 방향은?
- 발열 반응
- 보르네올(C10H17OH)의 이소보르네올로의 기상 이성체화 반응의 평형 상수는 503K에서 0.106입니다. 보르네올 7.5g과 이소보르네올 14.0g의 혼합물을 5L 용기에 넣고 평형이 될 때까지 503K를 유지했습니다. 도달했다. 평형 혼합물에서 보르네올과 이소보르네올의 몰분율과 질량을 계산하십시오.
- 반응의 평형
- 400 o C에서 부피의 10% NH 3를 포함하는 평형 혼합물을 얻기 위해 H 3 부분과 N 2 1 부분의 혼합물에 적용되어야 하는 총 압력을 계산하십시오. 반응에 대한 평형 상수
- 250 o C 및 1 atm의 전체 압력에서 반응에 따라 PCl 5가 80% 해리됩니다.
- 반응을 위해 2000 o C에서
- 평형 상수가 다음인 반응의 표준 엔탈피를 계산하십시오.
a) 2배 증가, b) 온도가 298K에서 308K로 변할 때 2배 감소 - 300K와 600K 사이의 온도에 대한 반응 2C 3 H 6 (g) \u003d C 2 H 4 (g) + C 4 H 8 (g)의 평형 상수의 의존성은 방정식으로 설명됩니다.
CO 2 (g) + C (tv) \u003d 2CO (g)
17%(부피 기준) CO 2 를 포함합니다. 전체 압력이 20 atm일 때 가스에 몇 퍼센트의 CO 2가 포함됩니까? 가스가 25% CO 2 를 포함하는 압력은 얼마입니까?
이러한 조건에서 H 2 O (g) \u003d H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g).
CO (g) + H2O (g) \u003d CO2 (g) + H2 (g)
500 o C에서 Kp= 5.5. 1 mol CO와 5 mol H 2 O의 혼합물을 이 온도로 가열했습니다. 평형 혼합물에서 H 2 O의 몰 분율을 계산하십시오.
N 2 O 4 (g) \u003d 2NO 2 (g)
25 o C에서 Kp= 0.143. 이 온도에서 1g의 N 2 O 4가 있는 1리터 용기에 설정될 압력을 계산하십시오.
나는 2 (g) = 2I (g).
250°C에서 r G o \u003d -2508 J. mol -1. 250 o C에서 PCl 5가 PCl 3 및 Cl 2로 전환되는 정도가 30%가 되는 총 압력은 얼마입니까?
2HI (g) \u003d H2 (g) + I2 (g)
평형 상수 케이 P = 1.83 10 –2 at 698.6 K. 3리터 용기에서 10g의 I2와 0.2g의 H2가 이 온도까지 가열될 때 몇 그램의 HI가 형성됩니까? H 2 , I 2 및 HI의 분압은 얼마입니까?
PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g)
CO (g) + 2H 2 (g) \u003d CH 3 OH (g)
500K에서 케이 P = 6.0910–3. CO와 H2를 1:2 비율로 취한 경우 90% 수율로 메탄올을 생산하는 데 필요한 총 압력을 계산하십시오.
CO (g) + 2H 2 (g) \u003d CH 3 OH (g)
500K 및 10bar에서 평형 상태입니다. 가스가 이상적인 경우 다음 요소는 메탄올 수율에 어떤 영향을 미칩니 까? 티; b) 프로모션 피; c) 다음에서 불활성 가스를 추가합니다. V= 상수; d) 다음에서 불활성 기체의 첨가 피= 상수; e) 다음에 H 2 추가 피= 상수?
2NOCl (g) \u003d 2NO (g) + Cl2 (g)
NOCl의 분압이 0.64bar일 때(처음에는 NOCl만 존재함) 227oC 및 총 압력 1.0bar로 설정합니다. 계산하다 r 고 오반응을 위해. Cl 2의 분압이 0.10bar가 되는 전체 압력은 얼마입니까?
N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH 3 (g)
400 o C에서 케이 = 1.60 10 –4 .
PCl5(g) = PCl3(g) + Cl2(g).
질소 분압이 0.9 atm이 되도록 시스템에 N 2 를 추가하면 PCl 5 의 해리도는 얼마입니까? 전체 압력은 1atm으로 유지됩니다.
N 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2NO (g)
Kp = 2.510–3. 총 압력 1bar에서 N 2 , O 2 , NO 및 불활성 가스의 평형 혼합물은 80%(부피 기준) N 2 및 16% O 2 를 포함합니다. NO는 부피의 몇 퍼센트입니까? 불활성 기체의 분압은 얼마입니까?
인 케이 = –1.04 –1088 /티 +1.51 10 5 /티 2 .
반응의 방향과 물질 농도의 이동을 나타내는 정량적 특성을 화학 반응의 평형 상수라고 합니다. 평형 상수는 온도와 반응물의 특성에 따라 달라집니다.
가역 및 비가역 반응
모든 반응은 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
- 거꾸로 할 수 있는, 서로 반대되는 두 방향으로 동시에 흐르고;
- 뒤집을 수 없는적어도 하나의 초기 물질을 총 소비하면서 같은 방향으로 흐르는 것.
비가역 반응에서 불용성 물질은 일반적으로 침전물 또는 가스 형태로 형성됩니다. 이러한 반응에는 다음이 포함됩니다.
- 연소:
C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + H 2 O;
- 분해:
2KMnO 4 → K 2 MnO 4 + MnO 2 + H 2 O;
- 침전물 또는 가스 형성과의 연결:
BaCl 2 + Na 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2NaCl.
쌀. 1. BaSO 4 의 침전.
가역 반응은 특정한 일정한 조건에서만 가능합니다. 원래 물질은 즉시 구성 부분으로 분해되어 다시 수집되는 새로운 물질을 제공합니다. 예를 들어, 반응 결과 2NO + O 2 ↔ 2NO 2 산화질소(IV)는 산화질소(II)와 산소로 쉽게 분해됩니다.
평형
일정 시간이 지나면 가역 반응 속도가 느려집니다. 화학 평형이 달성됨 - 순방향 및 역방향 반응 속도가 동일하기 때문에 시간이 지남에 따라 출발 물질 및 반응 생성물의 농도에 변화가 없는 상태. 평형은 균질 시스템에서만 가능합니다. 즉, 모든 반응 물질은 액체이거나 기체입니다.
수소와 요오드의 상호 작용 반응의 예에서 화학 평형을 고려하십시오.
- 직접적인 반응 -
H 2 + I 2 ↔ 2HI;
- 역반응 -
2HI ↔ H2 + I2 .
수소와 요오드의 두 가지 시약이 혼합되자마자 단순 물질만 반응하기 때문에 요오드수소는 아직 존재하지 않습니다. 많은 수의 시작 물질이 서로 활발하게 반응하므로 직접 반응 속도가 최대가 됩니다. 이 경우 역반응은 진행되지 않으며 그 비율은 0이다.
직접 반응 속도는 그래픽으로 표현할 수 있습니다.
ν pr = k pr ∙ ∙ ,
여기서 k pr은 직접 반응의 속도 상수입니다.
시간이 지남에 따라 시약이 소모되고 농도가 감소합니다. 따라서 순방향 반응 속도가 감소합니다. 동시에 새로운 물질인 요오드화수소의 농도가 증가합니다. 축적되면 분해되기 시작하고 역반응 속도가 증가합니다. 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
ν아르 = 케이아르 ∙ 2 .
분자 계수가 2이므로 요오드화수소는 제곱입니다.
어느 시점에서 순방향 반응과 역방향 반응의 속도가 같아집니다. 화학 평형 상태가 있습니다.
쌀. 2. 반응 속도 대 시간 그래프.
평형은 출발 물질 쪽으로 또는 반응 생성물 쪽으로 이동할 수 있습니다. 외부 요인의 영향을 받는 변위를 Le Chatelier의 원리라고 합니다. 평형은 온도, 압력, 물질 중 하나의 농도에 의해 영향을 받습니다.
상수 계산
평형 상태에서는 두 반응이 모두 진행되지만 동시에 속도가 균형을 이루기 때문에(ν pr \u003d ν arr) 물질의 농도가 평형 상태에 있습니다(평형 농도가 형성됨).
화학 평형은 요약 공식으로 표현되는 화학 평형 상수를 특징으로 합니다.
K p \u003d k pr / k arr \u003d const.
반응 속도 상수는 반응 속도 비율로 표현할 수 있습니다. 역반응의 조건식을 보자:
aA + bB ↔ cC + dD.
그러면 순방향 반응과 역방향 반응의 비율이 같습니다.
- νinc = kinc ∙ [A] 파 ∙ [B] 피비
- ν arr = k arr ∙ [C] pc ∙ [D] p d .
따라서 만약
ν pr \u003d ν 아르,
k ex ∙ [A] p a ∙ [B] p b = k arr ∙ [C] p c ∙ [D] p d .
여기에서 상수의 비율을 표현할 수 있습니다.
k arr / k inc = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p a ∙ [B] p b .
이 비율은 평형 상수와 같습니다.
K p = [C] p c ∙ [D] p d / [A] p a ∙ [B] p b .
쌀. 3. 평형 상수의 공식.
이 값은 순방향 반응 속도가 역방향 반응 속도보다 몇 배 더 큰지를 나타냅니다.
우리는 무엇을 배웠습니까?
최종 생성물에 따른 반응은 가역적 반응과 비가역적 반응으로 분류된다. 가역 반응은 양방향으로 진행됩니다. 출발 물질은 최종 생성물을 형성하고, 최종 생성물은 출발 물질로 분해됩니다. 반응 중에는 순방향 반응과 역방향 반응의 속도가 균형을 이룹니다. 이 상태를 화학 평형이라고 합니다. 출발 물질의 평형 농도 곱에 대한 반응 생성물의 평형 농도 곱의 비율로 나타낼 수 있습니다.
주제퀴즈
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