Sunday, February 10, 2013

chem01 每單位體積,某個「反應物」粒子,變成「產物」的有效碰撞總次數,也可以看成每單位體積碰撞總能量


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化學平衡Chemical Equilibria-自由能與平衡常數的關係(二)
2010/12/09 08:50:58瀏覽539|回應0|推薦0
平衡常數K,依據質量反應定律,比較平衡狀態下,反應後、前各物質濃度乘積的比例。




有機化學的基礎190


研析心得:


1. 平衡常數K,依據質量反應定律,比較平衡狀態下,反應後、前各物質濃度乘積的比例。


jA+kB←→lC+mD



K[C]l[D]m[A]j[B]k



2. 各物質濃度乘積( [C]l[D]m[A]j[B]k)是什麼?參與反應的物質粒子的總撞擊力;依據碰撞理論化學平衡是粒子互相碰撞的結果,平衡常數是正反應與逆反應的碰撞力量的比值。


3. 濃度」([A] [B] [C] [D]),物質粒子每單位空間的數量;平衡方程式的「係數」(jklm),代表要反應成某個化合物需要經歷的有效碰撞的次數


4. 以物質的「濃度」當底數,「係數」當成指數,乘出來的結果([A]j[B]k[C]l[D]m)是:每單位體積,某個「反應物」粒子,變成「產物」的有效碰撞總次數,也可以看成每單位體積碰撞總能量


5. 舉例來說,合成的反應:N2(g)+3H2(g)←→2NH3(g)。反應物「氮氣N2」與「氫氣H2」斷裂的分子碎片「N」、「H」這些離子碎片與「氫氣H2」,至少有效碰撞2次,才組成2個氨NH3分子。因此碰撞成的總能量是[NH3]2


6. 在平衡狀態下,「產物的濃度乘積」與「反應物的濃度乘積」相比,就是在比較「反應物變成產物的總能量」與「產物變成反應物的總能量」,當環境條件固定的時候,這是一個固定的數值,稱為「平衡常數」。


7. 由於而正反應速率來自於「反應物變成產物的總能量」,逆反應速率來自於「產物變成反應物的總能量」,所以,比較這正、逆反應速率,也會得到平衡常數


Kk1/k1



8. 那麼,取平衡常數K自然對數「lnK」,這是什麼意思呢?


9. 自然界的能量總是兩兩相對,互相抗衡,取得平衡。一個平衡的反應就是正反應的力量與逆反應的力量,互相抗衡的結果。一個原子或分子的系統平衡,由原子核的正電荷力量與電子的負電荷力量,相互抗衡而得。


10. 兩兩相對的能量,如何在空間中運動的呢?原子核正電荷與周圍電子互相推擠的力量,造成原子或分子不斷地旋轉,這股旋轉的力量持續不斷,造成原子或分子在空間中筆直往前移動,所以,空間中的粒子是一邊旋轉一邊直線前進的。


11. 如果把一個粒子在三度空間中旋轉往前的運動軌跡,像壓花那樣壓扁在一個平面上,就會出現螺旋狀往外擴展的花紋圖形(筆直前進的力量,轉化為不斷放大的螺旋圈圈)。


12. 螺旋能量線上的每一個點「自然數e」,都是由粒子的正電與負電協力做成的。從圖形來看,自然對數的數值變大一點點,螺旋能量線就延伸得出非常大一圈。


13. 所以,物質粒子濃度增加、速率增加、溫度增加一點點,正反應與逆反應的比例就會指數性巨幅增加。這就是為什麼自由能變化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。


14. 自然對數lnx是什麼?截彎取直的數值,也就是直接推測螺旋從圓心往外擴的直線距離單位。如果是用三度空間中的粒子運動來看,自然對數就是粒子從起點旋轉前進到某個點的直線距離單位。


15. RTlnK」是什麼?


16. ln」的底數是「自然數e」,「自然數e」指出這是正、逆反應二股力量構成的活動,也就是基本單位是兩兩相對的力量;「K」是正、逆反應達到平衡的總能量比例;


17. lnK」是達到平衡,基本單位「e」需要乘上自己的次數(指數),是衡量達到平衡所需能量的單位。


18. RT」溫度中蘊含的熱能。熱能「RT」,能推動粒子旋轉前進,影響粒子的動能,因此連帶影響達到平衡的速度;所以,「RT」乘上「lnK」是物質粒子在特定溫度下,達到平衡的能量單位。


19. 依據ΔG°=-RTlnK,自由能變化如果是負數,就會產生自發性反應,為什麼?


20. 不要忘了「平衡常數K」是「正反應速率」/「逆反應速率」的比值,如果「正反應速率」遠遠快於「逆反應」,那麼,它的「自然對數lnK」就是正數。


21. 加上系統溫度很高,絕對溫度是正數,那麼,「熱能」會使已經超前的正反應速率變得更快,因此,系統很容易自己起反應,不需要任何外力。


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