处处可见的动态平衡
在我们的生活中,许多状态都处于一种动态平衡中,例如大气平衡、水平衡、物理平衡、化学平衡、生态平衡、人体体液的酸碱平衡、人口发展平衡、贸易平衡、供求平衡等。在高中学习阶段,我们也将接触许多平衡体系。因此,了解和学习有关动态平衡的知识将具有极其重要的意义。 图示
动态平衡
动态平衡是物质系统在不断运动和变化情况下的宏观平衡。世界上没有绝对的、静止的平衡,平衡是一个动态的过程。例如密闭容器内水的气一液平衡,液态水和水蒸气的平衡可用下式来表示:
H2O(l) H2O(g)
如果单位时间内从液相进入气相的水分子数(水的蒸发)恰好等于从气相进入到液相的水分子数(水的凝聚),该体系就不再有净的变化,即密闭容器中水的蒸气压趋于某一定值,此时出的蒸发和水蒸气的凝聚处于平衡状态,而且是一种动态平衡,因水的蒸发与凝聚仍在不断进行。这虽然是水的状态的动态平衡过程,但其思想方法同样也适用于一切的动态平衡过程。
动态平衡与物理学中的勒夏特列原理
勒夏特列原理:当改变动态平衡系统的一种外界条件(如浓度、压强或温度等)时,平衡就被打破,并向能够减弱这种改变的方向移动。该原理不仅适用于物理、化学平衡体系,更是自然界中的一条普遍规律,它对于所有的动态平衡都是适用的也适用于物理平衡,例如水的三态变化:升高温度,平衡向吸热方向移动,有利于水蒸发为气态;降低温度,平衡向放热方向移动,有利于水凝固成冰。
化学平衡是动态平衡
19世纪50-60年代,热力学的基本规律已明确起来,但是一些热力学概念还比较模糊,数字处理很烦琐,不能用来解决稍微复杂一点的问题,例如化学反应的方向问题。当时,大多数化学家正致力于有机化学的研究,也有一些人试图解决化学反应的方向化学反应的方向问题。这种努力除了质量作用定律之外,还有其他一些人试图从别的角度进行反应方向的探索,其中已有人提出了一些经验性的规律。
在这一时期,丹麦人汤姆生和贝特罗试图从化学反应的热效应来解释化学反应的方向性。他们认为,反应热是反应物化学亲合力的量度,每个简单或复杂的纯化学性的作用,都伴随着热量的产生。贝特罗更为明确地阐述了与这相同的观点,并称之为“最大功原理”,他认为任何一种无外部能量影响的纯化学变化,向着产生释放出最大能量的物质的方向进行。
19世纪60-80年代,霍斯特曼、勒夏特列和范霍夫在这一方面也做了一定的贡献。首先,霍斯特曼在研究氯化铵的升华过程中发现,在热分解反应中,其分解压力和温度有一定的关系,符合克劳胥斯一克拉佩隆方程:dp/dt=Q/T(V'-V)
其中Q代表分解热,V、V'代表分解前后的总体积。范霍夫依据一述方程式导出的下式:
lnK=-(Q/RT)+c