lnK=-nFE/RT
平衡常数 $K$ 与电动势 $E$ 之间的关系可通过以下公式进行关联:
一、基本公式关系
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标准状态下的关系式
在298K标准状态下,平衡常数 $K$ 与标准电动势 $E^\circ$ 的关系为: $$ \ln K = -\frac{nFE}{RT} $$
其中:
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$n$ 为电子转移数
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$F$ 为法拉第常数($96485 , \text{C/mol}$)
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$R$ 为气体常数($8.314 , \text{J/(mol·K)}$)
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$T$ 为温度(单位:开尔文,298K时常用)
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实际状态下的修正公式
实际电动势 $E$ 受内阻、浓度等因素影响,需通过以下公式计算: $$ E = E^\circ - \frac{RT \ln Q}{zF} $$
其中 $Q$ 为反应商,$z$ 为电子转移数。
二、公式推导与说明
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平衡常数的定义 :$K = \frac{[C]^c ^d}{[A]^a [B]^b}$,表示反应达到平衡时生成物浓度幂的乘积与反应物浓度幂的乘积之比。
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电动势的定义 :标准状态下,反应商 $J=1$,此时 $E = E^\circ$。
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温度的影响 :$K$ 仅与温度有关,而 $E$ 受温度、浓度等因素影响,因此两者数值无直接依赖关系。
三、应用示例
已知某反应在298K时的标准平衡常数 $K^\circ = 6.3 \times 10^24$,若已知标准电动势 $E^\circ$,可通过上述公式计算反应商 $Q$: $$ \ln K = -\frac{nFE}{RT} \implies Q = K \cdot e^{-\frac{nFE}{RT}} $$
通过 $Q$ 可判断反应方向:若 $Q > K$,反应正向进行;若 $Q < K$,反应逆向进行。
平衡常数与电动势通过上述公式紧密关联,且两者均受温度影响,但与反应物浓度无关。