平衡常數

當可逆化學反應達到平衡時，每個產物濃度（或壓力）係數次冪的連乘積與每個反應物濃度（或壓力）係數次冪的連乘積成正比，這個比值叫做化學平衡常數，簡稱平衡常數，記作$K$ 。平衡時反應進行得越完全，平衡常數就越大。依據勒沙特列原理，平衡常數只受溫度影響。

平衡常數的種類

以反應$\ a\mathrm {A} +b\mathrm {B} \leftrightarrow c\mathrm {C} +d\mathrm {D}$為例：

濃度平衡常數

濃度平衡常數，代號$K_{\mathrm {c} }$。

適用於氣相或是液相的平衡，以體積莫耳濃度（$[M]$）表示各成分的濃度：

$$K_{\mathrm {c} }={\frac {[C]^{c}[D]^{d}}{[A]^{a}[B]^{b}}}$$

壓力平衡常數

壓力平衡常數，代號$K_{\mathrm {p} }$

僅適用於氣相平衡，以分壓表示各成分的濃度：

$$K_{\mathrm {p} }={\frac {P_{C}^{c}P_{D}^{d}}{P_{A}^{a}P_{B}^{b}}}$$

濃度平衡常數和壓力平衡常數的關係

$$K_{\mathrm {p} }=K_{\mathrm {c} }(RT)^{\Delta n}$$

其中$\Delta n=(c+d)-(a+b)$

證明過程

根據理想氣體反應方程式

$$pV=nRT$$

同除以體積

$$p={\frac {n}{V}}RT=C_{M}RT$$

其中$C_{M}={\frac {n}{V}}$為體積莫耳濃度，所以

$$p(\mathrm {A} )=C_{M}(\mathrm {A} )RT$$

...

代入$K_{\mathrm {p} }$即可得到此式

單位

• $K_{\mathrm {c} }$：$\mathrm {mol} ^{\Delta n}$，常常省略不寫。
• $K_{\mathrm {p} }$：$\mathrm {atm} ^{\Delta n}$或是$\mathrm {mmHg} ^{\Delta n}$或是$\mathrm {Pa} ^{\Delta n}$，常常省略不寫。

意義

平衡常數大，表示達到平衡時，大部分的反應物轉成生成物，生成物產率高，反應物轉化率也高，反之亦然。

平衡常數只和溫度、溶劑種類、本性有關，而與反應速率、體系壓力等無關。反應速率受速率常數影響，當正逆反應速率相等時，反應達到平衡，此時速率常數之比恰為平衡常數。

是否達到平衡，可以與反應商（Q，分為濃度商和壓力商）來比較

• $Q>K$　生成物濃度太高，未達到平衡，反應將向左移動，直到 $Q=K$，才達平衡。
• $Q<K$　反應物濃度太高，未達到平衡，反應將向右移動，直到 $Q=K$，才達平衡。
• $Q=K$　反應已達到平衡狀態。

寫法

通常，固體和純液體不計入平衡常數。

例如：

$${\ce {CaCO3(s) <=> CaO(s) + CO2(g)}}$$

因為碳酸鈣和氧化鈣都是固體，其濃度正比於其密度，在化學平衡的定溫情況下為定值，不會影響平衡狀態與平衡常數，所以

$$K_{\mathrm {c} }=[CO_{2}]$$

又如：

$${\ce {Zn(s) + 2Ag+ (aq) <=> Zn^2+ (aq) + 2Ag(s)}}$$

$$K_{\mathrm {c} }={\frac {[\mathrm {Zn} ^{2+}]}{[\mathrm {Ag} ^{+}]^{2}}}$$

$${\ce {I2(s) <=> I_{2}(CCl_4)}}$$

$$K_{\mathrm {c} }=\mathrm {[I_{2}](CCl_{4})}$$

$${\ce {C(s) + CO2(g) <=> 2CO(g)}}$$

$$K_{\mathrm {c} }={\frac {[CO]^{2}}{[CO_{2}]}}$$