什么是范特霍夫方程?
范特霍夫方程(Van't Hoff equation)描述了化学反应的平衡常数 K 如何随温度变化。它把两个温度下平衡常数的比值,与标准反应焓变 ΔH 联系起来。本计算器采用两点积分形式,假设在所考察的温度区间内 ΔH 保持不变,并给出新的平衡常数 K₂,同时输出 \(\ln(K_2/K_1)\) 以及 \(K_2/K_1\) 的比值。
使用方法
输入温度 T₁(单位:开尔文 K)下已知的平衡常数 K₁、标准焓变 ΔH(单位:kJ/mol),以及第二个温度 T₂(单位:开尔文 K)。计算器会将 ΔH 换算为焦耳,代入气体常数 \(R = 8.314\ \text{J/(mol}\cdot\text{K)}\),求出 K₂。当 ΔH 为正(吸热反应)时,升温会使 K 增大;当 ΔH 为负(放热反应)时,升温则会使 K 减小。
公式解析
积分形式的方程为 $$\ln\!\left(\frac{K_2}{K_1}\right) = -\frac{\Delta H}{R}\left(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}\right)$$ 求解 K₂ 可得 $$K_2 = K_1\,\exp\!\left[-\frac{\Delta H}{R}\left(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}\right)\right]$$ 温度必须采用开尔文单位,且 ΔH 与 R 的能量单位要一致,因此计算器会在内部把 ΔH 由 kJ/mol 换算为 J/mol。
计算实例
设 T₁ = 298 K 时 K₁ = 1,ΔH = 50 kJ/mol,T₂ = 308 K。则 \(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} = \frac{1}{308} - \frac{1}{298} = -0.00010897\ \text{K}^{-1}\),\(\frac{\Delta H}{R} = \frac{50000}{8.314} = 6013.95\)。于是 \(\ln(K_2/K_1) = -(6013.95)(-0.00010897) = 0.65535\),\(K_2 = 1 \cdot e^{0.65535} \approx 1.9258\)。对于这个吸热反应,温度升高 10 K,平衡常数几乎翻了一倍。
常见问题
温度一定要用开尔文吗? 是的。该方程要求使用绝对温度;若已知摄氏温度,只需加上 273.15 即可换算。
使用的 R 取值是多少? \(R = 8.314\ \text{J/(mol}\cdot\text{K)}\),同时把 ΔH 由 kJ/mol 换算为 J/mol,使单位相互抵消。
ΔH 是否被视为常数? 是的。两点形式假设 ΔH(以及 ΔS)在该温度区间内基本不变。对于不太大的温度范围,这是一个很好的近似。