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第三章 下午 3 1 回到办公室(第11页)

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贝托莱将他的思考写进了一本书,于1803年出版,题为《论化学静力学》(Essaidestatiquechimique),但由于他的推理中存在一些错误,该书并没有立即引起广泛的关注。

经过一定时间后,可逆反应达到表面上的静止状态,反应物和生成物共存,各组分浓度随时间保持恒定,这种情况就称为化学平衡(chemicalequilibrium)。

可逆反应无论从正反应开始,还是从逆反应开始,都可以达到同样的平衡状态(所以此时我们对反应物和生成物的区分变得很随意)。

我们刚刚所说的反应达到了平衡的静止状态只是从宏观层面来讲。

而从微观层面上来看,内部反应仍在继续向两个方向进行。

在一定的时间间隔内,反应物转化为生成物,而生成物又马上会转化为反应物。

这就使得反应物的浓度和生成物的浓度保持不变。

所以,化学平衡是一种动态平衡,而不是静态平衡(指反应进行到此就完全停止)。

另外,各物质的浓度是相互联系的。

如果其中一个有变化,其他的物质也都会发生变化。

这就意味着必须有一种数学关系来把它们的变化联系起来。

这种关系被称为质量作用定律(lawofmassa),由化学家彼得·瓦格(PeterWaage,1833—1900)和数学家卡托·马克西米利安·古德贝格(ilianGuldberg,1836—1902)于1864年提出。

他们都是挪威人,而且还是郎舅关系(瓦格娶了古德贝格的一个姐妹)。

这个定律定义了一个叫作平衡常数(equilibriumt)的量,其值取决于反应的类型和温度。

另外,不可逆反应可以认为是一种极限情况,它的平衡常数趋于无限大。

平衡状态下,反应物和生成物的浓度保持恒定,但我们可以通过作用于一些外部因素来改变化学平衡。

首先就是浓度,如前面提到过的,从反应外部哪怕只改变一种物质的浓度,其他所有物质的浓度都会改变。

其次就是温度,而对于气态物质来说,还可以改变压强,温度和压强都能影响化学平衡。

法国化学家亨利·路易·勒夏特列(Henri-LouisLeChatelier,1850—1936)在1884年提出的一个理论使我们可以预见这种外部扰动的影响。

他指出,任何处于平衡状态的化学系统,在受到外界作用时,都会倾向于将作用本身的影响降到最低。

这一原理在实际操作中也非常重要,它可以确定发生反应的最佳条件,从而获得想要的产物。

运用热力学的方法可以研究化学平衡[55]。

化学反应实际上涉及能量的变化,而研究能量交换和转化的热力学正好为我们研究化学反应提供了有用的工具。

化学热力学定义了一些特殊的量,称为状态函数(statefun),它们对描述化学反应行为极为有用。

其中有一个被称为吉布斯自由能(Gibbsfreeenergy)[以美国物理学家和化学家乔赛亚·威拉德·吉布斯(JosiahWillardGibbs,1839—1903)的名字命名]的状态函数可以预测一个反应是否会自发进行。

如果自由能的改变量是负数(放能反应),反应将自发进行。

如果改变量为正数(吸能反应),则不会自发反应。

最后,如果自由能的变化等于零,反应就会处于平衡状态(见第四章第1节拓展:反应的自发性、热力学和动力学)。

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