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物理化学:平衡取决于施加的约束

平衡常数相同,不代表转化率相同。容器约束改变反应过程中的分压,应该先推导物质的量和分压,再解平衡方程。

课程专题: 物理化学

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这份指南适合谁

用虚构反应学习化学热力学、理想气体活度及平衡稳定性。DeVoe为免费宏观主线,Atkins覆盖更广物理化学,McQuarrie与Simon连接分子状态;不提供真实物质数据或反应速率。

选择你的起点

需要免费热力学基础

用DeVoe学习体系、势、混合物与化学平衡。

需要物理化学全课程

需连接量子理论和动力学时选Atkins。

需要分子解释

微积分和基础化学热力学后读McQuarrie与Simon。

三本书如何取舍

Thermodynamics and Chemistry

Howard DeVoe

免费教材,侧重宏观热力学

什么情况下适合读
会导数、对数与物质的量平衡。
什么情况下选别本
希望单靠此书完成量子化学或光谱学。
建议阅读范围
热力学势、混合物、反应、多组分平衡。
局限与取舍
严谨定义使约束显形,但需做的不只是向K代数值。

选书前试做

写分压pA、pB对应的无量纲理想气体活度。

检查标准: 分别为pA/p°、pB/p°,Q与K不可带压力单位。

官方免费阅读 ↗

书目信息与获取方式 →

物理化学

Peter Atkins; Julio de Paula; James Keeler · 版次: 12 · 2022

广覆盖课程教材

什么情况下适合读
大纲横跨热力学、分子理论和动力学。
什么情况下选别本
只需集中、低成本的平衡参考。
建议阅读范围
第十二版Focus 5简单混合物、6化学平衡;之后用13统计热力学。
局限与取舍
广度有助连接,但初读需收缩范围,数字资源取决于所购组合。

选书前试做

恒压p°下写A⇌2B的pB/p°。

检查标准: 为2x/(1+x),不是2x;总物质的量改变。

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分子热力学

Donald A. McQuarrie、John D. Simon · 1999

分子热力学路线

什么情况下适合读
希望以能级和分子计数解释宏观量。
什么情况下选别本
需要较大Physical Chemistry原书的全部非热力学部分。
建议阅读范围
分子能级基础、热力学函数、化学平衡。
局限与取舍
分子解释增加深度也需要数学;所选书专注热力学。

选书前试做

固定V=n0RT/p°,由物质的量写分压。

检查标准: pA/p°=1−x、pB/p°=2x,总压不再固定。

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开始前需要会什么

能区分反应进度和转化分数吗?

x=ξ/n0无量纲;即使n0=1 mol,也不能把1与有单位的ξ相加。

能推导分压吗?

用p_i=n_iRT/V,或恒总压时用y_iP;两约束需不同表达式。

应最小化哪个势?

恒T、P用Gibbs能,恒T、V用Helmholtz能;同温度平衡化学势给同一个K。

六步学习计划

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  1. 列明模型

    建议阅读范围: 体系与状态量。

    要做的练习: 列固定量、未知x与允许区间。

    检查标准: 0<x<1,两容器约束不同。

  2. 平衡物质的量

    建议阅读范围: 混合物与反应。

    要做的练习: 带单位推导nA、nB和总量。

    检查标准: 总量n0(1+x),不是n0。

  3. 构造活度

    建议阅读范围: 理想气体混合物。

    要做的练习: 分别推导两容器的Q。

    检查标准: 每个压力均除p°。

  4. 解恒压

    建议阅读范围: 化学平衡。

    要做的练习: 解Q=4并排除不合范围根。

    检查标准: x=1/√2。

  5. 改变约束

    建议阅读范围: 势与后续题。

    要做的练习: 解恒容并求末态总压。

    检查标准: x=(√5−1)/2,总压(1+x)p°。

  6. 检验稳定性

    建议阅读范围: 化学势。

    要做的练习: 证Q跨K单调增加,并说明最小化判据。

    检查标准: RT ln(Q/K)由负变正,不等于速率预测。

原创例题与解析

恒总压下的平衡转化率

虚构理想气体反应A⇌2B,恒T时无量纲Kp=4,初始纯A为n0=1 mol,保持总压P=p°。求平衡转化分数x。

前提假设

理想混合物,仅此反应,恒温,无相变,能够达到平衡;0<x<1,p°>0,x=ξ/n0。K为题设,不来自真实数据拟合。

  1. nA=n0(1−x),nB=2n0x,总量n0(1+x),所以pA/p°=(1−x)/(1+x),pB/p°=2x/(1+x)。
  2. Q=4x²/(1−x²)=4,故x²=1−x²,允许根x=1/√2。
  3. Q从0单调增至无穷,ΔrG=RT ln(Q/Kp),故恒T、P下G在根前下降、根后上升。

答案与解释

x≈0.7071,nA≈0.2929 mol,nB≈1.4142 mol。

检验结果

无量纲分压约0.1716、0.8284,和为1,商为4;单调性证明此理想模型内唯一全局平衡最小值。

改变假设,再做一题

刚性容器改变平衡结果

保持初始量、T和Kp,改为固定V=n0RT/p°。求转化率,并解释适用哪个势的最小化。

  1. 此时pA/p°=1−x、pB/p°=2x,Q=4x²/(1−x),分子增加使总压上升。
  2. Q=4给x²=1−x,物理根(√5−1)/2≈0.6180,另一根为负;总压约1.6180p°。
  3. Q仍单调增加;恒T、V下Helmholtz能对反应进度的导数为RT ln(Q/Kp),给唯一最小值。不可直接套恒T、P下的G最小判据。

答案与解释

恒容x≈0.6180,不同于0.7071;常数不变,分压路径和受约束势改变。

检验结果

以x²=1−x精确验Q=4;两题均未给动力学,不能推达到平衡的时间。

常见误区

带单位的平衡常数

采用无量纲活度并说明标准态。

把总物质的量固定

A变2B会改变总量。

任何条件都用一个势

最小化必须同时说明固定变量。

进入下一阶段之前

  • 从容器约束推导活度。
  • 求解并检查两个平衡转化率。
  • 解释稳定性而不冒充速率结论。

参考来源与版本

来源确认日期:

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