MCAT的热化学:您需要知道的一切

学习有关热化学的主要MCAT概念,以及练习问题和答案

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(注:本指南是我们的一部分MCAT普通化学系列)。

目录

第1部分:热化学介绍

第二部分:热化学原理

a)热力学定律

b)吸热和放热反应

c) 自发和非自发反应

d) 吉布斯自由能

第3部分:量热法

一)传热

b)传热形式

第4部分:相变

a) 等温过程

b) 相变图

c)HESS的法律

第5部分:高收益条款

第6部分:基于短文的问答

第7部分:独立练习问题和答案

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第1部分:热化学介绍

化学反应包括化学键的分裂和形成。物理反应在不改变物质化学性质的情况下重新安排分子间的相互作用,例如人们所熟悉的将液态水冻结成固态冰的相变。在相变过程中,键的裂解和形成以及分子间的排列都与热的吸收和释放有关。热化学在各种化学反应的背景下研究这些热量的定量变化。总而言之:热化学是对化学和物理反应中释放、吸收或演化出的热量的定量研究。

作为热力学的一个分支,热化学遵循热力学第零定律、第一定律和第二定律。热力学研究不同形式的能量(如机械能和势能)是如何传递的。这些总体概念将帮助您了解更多关于热化学的知识。有关此主题的更多信息,请参阅参考我们的热力学指南.

在本指南中,有几个重要的术语大胆的在本指南结束时,您还有几个MCAT风格的练习问题为您来测试您的知识。

让我们开始吧!

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第二部分:热化学原理

a)热力学定律

有三条热力学定律对MCAT很重要。在热化学的上下文中,“系统”是指参与化学反应的分子、键和原子。它的“环境”可以指与反应无关的任何东西,包括溶剂、环境空气,甚至是进行反应的房间。

这个热力学第零定律说明如果两个热力学系统与第三个系统处于热平衡,则所有三个系统都彼此处于热平衡。换句话说,第零定律表明,如果系统A和B处于热平衡,系统B和C处于热平衡,那么系统A、B和C都处于热平衡。

即使这三个系统被允许交换能量,也不会有净热交换,这三个系统将拥有相同的温度。因此,第零定律引入了与热相关的温度概念。

注意,一个物体所具有的温度和热量是不同的量。温度是一种物质的平均动能的衡量标准,由单位(C),Kelvin(K)或华氏体(F)给出。是个转移物质之间的温差产生的能量。热量以焦耳(J)为单位。注意,热传递是温度变化的先决条件。

此外,热量是过程函数,而温度是状态函数国家功能导致其值不依赖于到达获得该值的最终“状态”所采取的路径的属性。这与a相反过程功能,其中属性的值根据之前为达到最终状态而采取的步骤而变化。

这个热力学第一定律指出能量是节省的。能源既不是创造也不摧毁;相反,它只能在各个对象和系统之间传输。对于一个封闭的系统,一个可以交换能量但无关紧要的系统,可以说出第一热力学定律:

ΔU=Q-W

其中ΔU=系统内能的变化,
Q=添加到系统中的热量,
w =系统完成的工作

因此,系统的内能可以转化为热损失或热增益,或转化为功的形式。

这个热力学的第二律系统趋向于熵增加的状态。这条法律引入了概念作为混乱程度的衡量标准。为了更好地理解熵,考虑气体、液体和固体的相对熵。气体分子的熵最高,其次是液体,最后是固体。

熵可以用以下方程式来描述:

Δs= k * ln(w)

这里ΔS =熵变,
k =玻尔兹曼常数,
ln(w)= w的自然对数

在这种情况下,W并不代表功,而是代表可能的总数量微观状态系统可以适应。微观状态是指系统中所有可能的粒子方向的任何组合。因此,由于微观状态的数量取决于系统内粒子的数量,系统的熵往往随着粒子的增加而增加。

波尔兹曼常数,由K或者KB,是几个热力学方程中使用的基本常数。虽然您可能不需要记住该常数的确切数量,但认识到它是一个已定义的常数是很有用的。

b)吸热和放热反应

吸热反应能量通常以热的形式从环境传递到系统中的化学反应。因此,系统温度可能升高,而环境温度可能下降。

回想一下,变量Q表示热。因此,ΔQ(最终Q -初始Q)对于吸热体是正的。吸热反应的焓变(ΔH)总是正的(ΔH > 0)。焓是一个热力学量,将在本指南的后面讨论。

放热反应是指系统放出热量的化学反应。导致系统温度下降,而环境温度升高。放热反应的ΔQ是负的。焓变(ΔH)也是负的(ΔH < 0)。

ΔQ和ΔH的区别是什么?焓是一个状态函数,这意味着它的值只取决于过程的开始和结束状态。热是一个过程函数;它的值取决于从开始状态到结束状态所采取的特定过程。此外,当反应在恒压下发生时,ΔH等于ΔQ。

c) 自发和非自发反应

这个吉布斯自由能等式给出:

ΔG=ΔH-TΔS

哪里ΔG是吉布斯自由能的变化,
ΔH焓的变化,
T是系统的温度,
Δ年代是熵的变化

注意,这些热力学性质是用相对值表示的。换句话说,吉布斯自由能、焓和熵的量总是以相对于某个基线值或先前测量值的变化量来提供。

ΔG的值用于确定给定过程是自发的、非自发的还是处于动态平衡状态。火用反应是具有负ΔG的反应。在这些反应中,释放自由能。因为自由能的释放(ΔG<0)是有利的,反应会发生吗自发。吸能反应是具有正ΔG的反应。这些反应需要自由能(ΔG > 0)而且是非接种式。

温度变化(T)影响反应的自发性。随着温度升高,如果反应依赖性,则不自发反应可能变得自发。反应的自由能量变化的迹象可以依赖于温度ΔH和ΔS的反应是正面或既有阴性。注意,由于在Kelvin始终测量温度以进行吉布斯自由能方程,温度将是正(T> 0)。考虑以下条件:

  • If ΔH > 0 and ΔS < 0,则ΔG > 0。反应是能的,不是自发的。

  • 如果ΔH < 0 and ΔS > 0,则ΔG < 0。反应将是自发的、放能的。

  • 然而,如果ΔH和ΔS的迹象是相同的(负或阳性)的迹象,则反应的自发性或非自发性将取决于T.ΔG的幅度可以是负的,等于零,或阳性。

ΔG ΔH Δ年代 T
取决于| T|
+
+
+
取决于| T|
-
-
+
总是+
+
-
+
总是-
-
+
+

尽管可以在MCAT问题上直接提供H和ΔS的数值,但情况并非总是如此。有时,可以通过上下文信息确定ΔH和ΔS的迹象。例如,如果该通道描述了将固体分成多种水分子的反应,或者单个气体分解成2个气态物质 - 熵增加,因此Δs是阳性的。

某些化学反应极为有利,因此ΔG的值极为负值(ΔG<0)。例如,ATP水解形成ADP和无机磷酸盐(Pi)是非常有利的。在这个反应过程中释放的自由能可以用来进行其他化学反应。其中一种情况发生在糖酵解过程中,其中ATP的水解是不稳定的加上以一种非自发的反应推动它前进。

有关糖酵解反应的更多信息,请参阅我们对碳水化合物新陈代谢的指导.

d) 吉布斯自由能

通常,您可能会遇到两个看起来相似但差异很大的值:ΔG和ΔG°。ΔG°表示标准条件下吉布斯自由能的变化。°符号表示所提供的量适用于标准条件:温度为298K,压力为1atm,反应物浓度为1m。该值可计算为:
ΔG°=-RTln(K)

其中K是反应的平衡常数,
R是理想气体常数8.314 J mol-1K-1,
T是反应的温度

有关如何计算平衡常数的更多信息,请参阅化学平衡和动力学指南.

ΔG表示非标准条件下自由能的变化:换句话说,298 K以外的任何温度、1 atm以外的压力和1 M以外的反应物浓度。如果已知非标准条件,则ΔG可根据吉布斯自由能的标准变化ΔG°计算得出。非标准条件下吉布斯自由能的变化通过以下公式计算:

ΔG = ΔG°+ RTln(Q) = -RT ln(K/Q)

其中q是反应商,
K是平衡常数,
R是理想气体常数8.314 J mol-1K-1,
T是反应的温度

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第3部分:量热法

量热法是一种允许在特定约束条件下使用称为热量计的工具计算与化学或物理反应相关的热传递的技术。在恒压量热法中,压力保持不变。这也可以称为等压过程。在定容量热法中,体积是恒定的。这是一个等容(也称为等容)过程,安装在量热计中。

MCAT不会问关于量热计的复杂方程,但应该理解由量热计计算推导出的下列子主题。

一)传热

给定过程中吸收或释放的热量(q)由以下等式给出:

q = mcΔT

其中m是物质的质量,
c是比热的物质,
ΔT是温度的变化,单位是摄氏度或开尔文

请注意,ΔT的单位可以是摄氏度或开尔文。回想一下,一摄氏度单位等于一开尔文度单位(例如,ΔT=10C=10K)。要将以摄氏为单位的温度测量值转换为以开尔文为单位的温度测量值,只需将值273.15与以摄氏为单位的温度相加即可。

在弹量热法中,反应是在密封的环境中进行的。至关重要的是要将环境与外界环境隔离开来。作为这种密封环境的结果,反应(qR)只会与量热计内的环境(qC).根据热力学第一定律和能量守恒定律,任何由反应失去或获得的热量必须完全等于环境获得或失去的热量。
图:设置定容量热计。

图:设置定容量热计。

一旦在实验期间测量这些量,就知道:

QR= Q.C
MRCRΔTR= M.CCCΔTC


其中mR是反应物的质量,
CR是反应物的比热容,
ΔTR是反应物温度的变​​化,
MC是热量表中的液体的质量,
CC是热量表中的流体的比热容量,
和Δt.C是热量计中流体的温度变化

因此,只要知道这些变量中的任何五个,就可以计算出第六个变量。

花点时间预测比热容(c)的单位。比热是将一克物质的温度升高一摄氏度或开尔文所需的能量。质量、温度和热量的单位应该简单明了。质量以千克的国际单位制提供,温度以摄氏度或开尔文的国际单位制提供,热量以卡路里或焦耳的国际单位制提供。总的来说,比热单位必须等于J/(kgK)

b)传热形式

当两种温度不同的物质相互接触时,热量就会从热的物体流向冷的物体。过程中吸收或给出的热量方程在这里适用:q = mcΔT。请注意,热力学第一定律也指出,一个系统释放的热量等于第二个系统获得的热量。

热传递或交换可以通过以下三种方式之一进行:

1.传导:通过接触直接传递热量,且不移动物体

2.对流:通过液体或气体在另一物体上的运动进行的热传递

3.辐射:通过电磁波进行的间接热传递要求两个对象接触

图:不同形式的热传递。在这些图中,系统A最初是热的,而系统A最初是冷的(缺少热量)。

图:不同形式的热传递。在这些图中,系统A最初是热的,而系统A最初是冷的(缺少热量)。

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第4部分:相变

相变是物质改变相时发生的物理变化,而不是化学特性。换句话说,分子内的分子内键不会改变。但是,物质的物理性质(包括密度和温度)会发生改变。

物质的三相是固体,液体和气体。融合的焓,也称为熔合热,是在从固体到液体的相变过程中传递的热量。蒸发焓,也称为汽化热,为从液体到气体相变过程中传递的热量。

a) 等温过程

相变是一个等温过程。也许与直觉相反,材料的温度不变随着材料阶段的变化。当系统吸收或释放热量时,所有传递的热量用于重新排列分子间键,从而在不改变温度的情况下产生相变。

要确定相变期间的传热量,请使用以下方程式:

q=mL

其中m为质量(单位:g),
L为潜热(单位:cal/g)

这个潜热物质的焓是一个能给出等温过程焓的量。

等价方程为:

q=nΔH°

其中n =摩尔数,
ΔH°是相变的标准焓

ΔH°的各种值取决于物质(如水)的特性和发生的相变。例如:
  • 标准焓融合(从固体变为液相)的水等于6 kJ / mol

  • 标准焓凝固水的(从液相变为固相)为-6 kJ/mol

  • 标准焓蒸发水的(从液相变为气相)为41 kJ/mol

  • 标准焓冷凝水的(从气相变为液相)为-41 kJ/mol

  • 标准焓升华水的(从固相变为气相)为51.1 kJ/mol

  • 标准焓沉积(从天然气变为固相)的水是-51.1 kj / mol

请注意,熔合热和凝固热等相反过程的数值大小相等,符号相反。熔合、凝固和其他相关过程的ΔH°值通常会在MCAT上提供给您。
图:MCAT的相关阶段变化。

图:MCAT的相关阶段变化。

b) 相变图

特定物质发生相变时的特定温度和压力用图表表示相变图,其中X轴表示压力,并且Y轴表示温度。每个实线被称为相位边界。

图:压力-温度相变图。

图:压力-温度相变图。

相变不仅仅发生在一个压力和温度下,而是发生在一组不同的压力和温度组合内。这组组合在相图中被描绘为边界线。

这个三相点是所有三条边界线相交的地方,由此产生的温度和压力使得物质的所有三相(固态、液态和气态)可以同时平衡存在。这个临界点是指超过了这一点,就不能再区分液相和气相了;这种物质的密度是均匀的,我们称之为超临界流体。

另一种形式的相变图用x轴表示增加的热量,y轴表示温度。

图:温度-能量相变图。

图:温度-能量相变图。

这个相变图在确定材料的热力学和焓特性时特别有用。由于能量是以焦耳为单位提供的,这种形式的相变图可以提供标准的相变焓(ΔH°)。

c) 赫斯定律

恒热和赫斯定律盖斯定律)表明反应的总焓变是相同的。换句话说,从反应物生成生成物的各个步骤的组合对总焓变没有影响。

ΔH°rxn=ΣΔH°产品- ΣΔH°反应物
ΔH°rxn=ΣΔH°债券破裂- ΣΔH°债券形成的

粘合剂的ΔH°称为其粘合解离能。例如,C-C的粘合解离能为350kJ / mol,对于C = C为611kJ / mol。由于ΔH°的符号是阳性的,因此可以推断出能量被转移到粘合中。

键离解能的相反值为键形成能。例如,C-C的成键能为-350 kJ/mol, C=C为-611 kJ/mol。这些值与键解离能的大小相同。然而,符号相反,因为在成键过程中必须释放能量。

赫斯定律可以推广到其他热力学性质,包括熵和吉布斯自由能。

ΔS°rxn=ΣΔS°产品-∑ΔS°反应物
ΔG°rxn=ΣΔG°产品——ΣΔG°反应物

关于作者

Vikram肖是Shemmassian Academic Consulting的辅导服金宝搏官网务负责人。他取得了完美的MCAT成绩(528分),并带来了多年的专业辅导经验,帮助我们的学生最大限度地提高考试成绩。

致谢:Sarah Jho

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第5部分:高收益条款

量热法:在恒压或恒定体积约束下使用称为热量计的工具计算与化学或物理反应相关的热传递的科学

吸热反应:系统吸收热量的化学反应。ΔQ表示吸热分子是正的

:转移物质之间存在温差时产生的能量,单位为焦耳(J)

:由S表示的无序程度

去能反应:吸收自由能的非梗死反应,导致呈正ΔG值

火用反应:释放自由能的自发反应,产生负ΔG值

放热反应:释放热量的化学反应,值为负ΔQ

热力学第一定律:说明能量守恒的热力学定律;表示ΔU= q - w

吉布斯自由能方程:ΔG=ΔH-TΔS

盖斯定律:ΔH°反应=ΣΔH°产品- ΣΔH°反应物

熔化焓:从固体到液体相变期间的热传递

蒸发焓:在从液体到气体的相变期间传递热量

相位变化:当物质在固态、液态或气态之间发生变化时,温度不变

相变图:绘制特定物质发生相变时的特定温度和压力图

热力学第二定律热力学定律指出,系统趋向于增加熵

比热:使一克物质升温一摄氏度或开尔文所需的能量

温度:一种物质的平均动能的定量度量

三重点:相图的三个边界(固-液、液-气、气-固)相交的点,在这个点上,物质的三个相同时处于平衡状态

热力学第零定律:表示如果两个热力学系统与第三个系统处于热平衡状态,则所有三个系统都彼此处于热平衡状态

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第6部分:基于短文的问答

有限的能源储备和化石燃料对全球环境的影响突出了生物燃料作为可再生能源的必要性。在许多可能的候选化合物中,2-甲氧基乙醇(2ME)是生产生物燃料的最佳候选化合物。研究人员调查了2ME的12种构象异构体的热化学性质。

在测量的数量中,以kcal/mol为单位提供了键离解能。研究发现,这些研究中最不稳定的构象异构体(gGt)的总键能为4.38 kcal/mol高于另一构象异构体(tGg−). 反过来,构象异构体tGg− 是1.6 kcal/mol比构象异构体gGg更稳定−. 特定构象异构体的键离解能如图1所示。

图1:2ME的构象异构体的粘合解离能(Kcal / mol)。

图1:2ME的构象异构体的粘合解离能(Kcal / mol)。

在另一个实验中,Cα- h和Cβ-氢原子被确定为最酸性的。因此,这些氢原子在氧化剂的存在下很容易被提取出来。

计算形成焓2ME,并在室温下燃烧后形成的所得产物。发现所有研究的反应都是吸热的。通过1,3-H原子转移的甲氧乙烯的产生似乎是在室温下2ME热解过程中最重要的路径。这种反应需要比最弱的C更低的能量α − Cβ简单的键裂变。

创造者和归属方:ABDEL-RAHMAN,M.A.,AL-HASHIMI,N.,SHIBL,M.F.,等人。作为可能的生物燃料添加剂的2-甲氧基乙醇热降解的热化学和动力学。SCI报告9。条款编号:4535(2019)。文章全文可从以下网址获得:HTTPS://DOI.ORG/10.1038/s41598-019-40890-2。这篇文章不受SHEMMASSIAN学术咨询公司的版权保护。免责声明:SHEMMASSIAN ACADEMIC CONSULTING不拥有此处提供的文章。创作通用许可证:HTTP://CREATIVECOMMONS.ORG/LICENSES/BY/4.0/。对原始文章进行了更改,以创建MCAT风格的文章。金宝搏官网

问题1:根据图1,2ME中下列哪种键的结合焓最大?

A) Cα- h
B) Cβ- h
C C)α-Cβ
D) Oα- h


问题2:C的杂化状态和电子几何结构是什么α如图1所示?

一)sp2.;三角金字塔形
B) sp2.;四面体
C) sp3.;三角金字塔形
D) sp3.;四面体

问题3:假设Δ文章中描述的燃烧反应的S为正。以下哪项陈述是关于ΔG的燃烧2ME一定是真的吗?

a)Δg是否定的

B) ΔG为正

C) ΔG是零

D,没有足够的信息来确定ΔG的符号

问题4:基于粘合能量值,以下哪种氢原子是最酸性的,或者预期在氧化剂存在下最容易抽象出来?

A) Cα- h
B) Cβ- h
C C)α-Cβ
D) 氢原子的酸性相同

问题5:用于计算2ME及其相关燃烧产物生成焓的最合理温度值是多少?

A) 273K

B) 298K

c)25 c

D) 0摄氏度

回答基于短文的问题

1.答案选择d是正确的。图2描述了2ME的结构及其每个取代基键对应的键解离能(kJ/mol)。键的强度越高,表明键缔合能越高。一个较强的键比一个较弱的键需要更高的每摩尔热能吸收。键的离解能是Cα-H(96.17 kJ/mol),Cβ-H (96.73 kJ/mol)α-Cβ(86.69 kJ/mol)α-H(108.13 kJ/mol)(选择A是正确的)。

2.答案选择d是正确的。Cα与四个独特的原子形成了四个键:两个氢原子,一个碳原子和一个氧原子。因此,Cα有sp3.杂化和VSEPR理论预测的四面体形状(选择D是正确的)。如果Cα原子与三个独特的原子和一个孤电子对结合,然后它将假定为三角金字塔几何体(选择C是不正确的)。服务提供商2.杂化是由原子与其他三个独特的原子或孤对结合而成(选择A和B是不正确的)。

3.答案选择d是正确的。文章指出2ME的燃烧是吸热的,这意味着ΔH的值为正值。该反应在室温下发生,即298 K。吉布斯自由能方程由ΔG=ΔH-TΔS给出。如果ΔH和ΔS均为正值且温度为298 K,则ΔG的符号将取决于ΔH和ΔS的相对大小。由于未提供此信息,没有足够的信息来回答问题(选项D是正确的)。

4.回答选择a是正确的。酸性最强的氢是最容易作为质子除去的氢。氢的酸度与氢与原子的键强度成反比。列出的键的离解能为Cα-H(96.17 kJ/mol),Cβ-H (96.73 kJ/mol), Cɤ(97.47 kJ/mol)。因为Cα-H键的离解能最小,这个键离解所需的能量最小。因此,这个氢原子最容易被氧化剂提取,并且应该被认为是酸性最强的(选项A是正确的;选项B、C和D是不正确的。

5.选项B是正确的。这篇文章指出,假定2ME的燃烧发生在室温下。要把温度从摄氏度转换成开尔文,只需加上273k。因此,25℃的室温等于298k(选项B是正确的)。吉布斯自由能方程以开尔文为单位;因此,提供的温度应该是开尔文(选项C和D是错误的)。在标准温度和压力(STP)下,温度为0℃或273K。STP条件通常用于气体计算,如理想气体定律的应用;因此,它们不适用于这个场景(选择A是不正确的)。

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第7部分:独立练习问题和答案

问题1:假设已知一个反应具有正ΔS和负ΔH。可以得出以下哪一个结论?

a)反应是自发性和止铁的

B)反应是自发的和放能的

c)反应是非植物的

D) 该反应是非自发和(火用)的

问题2:参考下面提供的相图。在30℃的恒定温度下,当压力从1千帕变为5千帕时,这种物质会经历哪些阶段?

phase-change-practice-thermochem-min.png

A) 仅固相

b)仅液相

C)固相到液相

D) 固-液-气相

问题3:在298k和1atm下O2的标准生成焓是多少?

A) 没有足够的信息来回答这个问题

B) 0焦每摩尔

C) 25千焦/摩尔

D) 100 kJ/mol

问题4:水的蒸发潜热为2230 kJ/kg。从100℃完全煮沸1毫升液态水需要多少热量?

A) 0J

B) 2.23 j

C) 223J

D) 2.23kJ

问题5:一个反应的平衡常数为10,反应商为29。以下哪项陈述必须是正确的?

a)Δg是负的;反应将朝向反应物进行,直至达到平衡

b)Δg是负的;反应将朝向产品进展,直至达到平衡

C) ΔG是积极的;反应将朝向反应物进行,直至达到平衡

D) ΔG为正;反应将朝着产物进行,直到达到平衡

回答关键的独立问题

1.选项B是正确的。该反应是自发的(火用的)。回想一下吉布斯自由能方程中的ΔG=ΔH-TΔS。在这种情况下,ΔH为负值,ΔS为正值。因此,无论温度大小,ΔG始终为负值。该负值表示反应是自发的(选择C和D不正确)。这与(火用)反应或释放自由能的反应具有相同的含义(选择B是正确的)。

2.答案选择d是正确的。在30C和1kpa下,物质为固体(位于相图中固-液边界线的左侧)。随着压力的增加,这种物质变成液体,最后变成气体(选项D是正确的;选项A, B和C是不正确的)。

3.选项B是正确的。在标准条件下(298 K,1 atm),自然生成的元素的标准生成焓为0 kJ/mol(选择B是正确的)。

4.答案选择d是正确的。使用方程q=mL计算相变反应的传热。由于水的密度为1 g/1 mL,1 mL的水表示有1 g的水。因此,q=(1 x 10^-3千克)(2230千焦/千克)=2.23千焦=2230千焦(选择D是正确的)。

5.答案选择C是正确的。ΔG可通过以下等式计算:ΔG=-RTln(K/Q)=RTln(Q/K)。题干表示K=10,Q=29。由于Q大于K,Q/K必须大于1,ln(Q/K)必须为正。R和T的值总是正的。因此ΔG将产生正值(选项a和B不正确)。正向反应必须是非自发的。因此,反应将向左进行以达到平衡(选项D不正确)。