Transcript 3-1
第3章
化學平衡
3 化學平衡
氨的合成反應,開啟了化學氮肥的製造大門,大大
改善了人類長期所面對的糧荒問題。大規模的自動
化製氨廠與結實纍纍的農作物,象徵著工業與農業
文明的衝突與平衡;一如製氨程序本身也牽動著化
學平衡與反應速率間的衝突與平衡。有關化學平衡
的相關概念,正是本章所探討的內容。
在定溫的密閉系統中,大多數的化學反應
皆無法完全反應,僅能達到平衡狀態。例如二
氧化氮的二聚反應:
化學平衡
在密閉系統中,通入定量的紅棕色二氧化
氮氣體,可見紅棕色變淡,但顏色達到一定程
度後,即不再改變,證明容器中仍有二氧化氮
存在,並未完全轉變成無色的四氧化二氮。像
這樣,反應達到一定程度後,反應物及產物的
量即不再變化時,稱其已達化學平衡。
第3章
化學平衡
3-1 化學平衡的意義
3-2 平衡常數
3-3 影響平衡的因素
3-4 溶解平衡
3-1 化學平衡的意義
化學平衡狀態達成時,不論反應物或是產
物的量皆不再變化,但是並不意謂反應不
再進行了。
事實上,由分子的層次觀之,此反應處在
動態平衡狀態,
意即正、逆反應仍不斷進行,只是兩者的
反應速率相等。
以水蒸氣與一氧化碳在高溫的密閉容器中反應
H2O(g) + CO(g) → H2(g) + CO2(g) 為例,
在一容器中置入等莫耳數的水蒸氣與一氧化碳,
容器中各物質濃度隨時間的變化如圖:
反應開始後,水蒸氣與一氧
化碳漸漸減少,因為兩者的
初濃度相等,且反應莫耳數
比為 1:1,故兩者的濃度
始終相同。
氫氣與二氧化碳之濃度則漸
增,且生成的莫耳數比亦為
1:1,故兩者也始終維持等
量。
經過一段時間,當達到圖中
虛線處時,反應物及產物的
濃度不再改變,此時即達到
平衡狀態。
以水蒸氣與一氧化碳在高溫的密閉容器中反應
為例,
此反應之反應速率隨時間變化的關係如圖:
反應開始時,容器中僅有反應物,根據碰撞理論,
因為此時的反應物濃度最大,氣體分子的碰撞頻率
最高,故正反應速率最快,
因為產物尚未生成,逆反應速率為零。
隨著時間增加,反應物的濃度漸減,故正反應速率
隨之遞減,但逆反應速率則遞增。
時間到達圖中虛線處時,正逆反應速率相等,即達
到平衡狀態。
此時正逆反應仍然持續進行,只是兩者速率相等,
故為動態平衡。
再以 N2O4(g) → 2NO2(g) 為例,
圖(A):密閉容器中充入 N2O4,容器中僅有極少量
NO2,顏色極淡;
圖(B): N2O4分解生成較多NO2,顏色變深;
再以 N2O4(g) → 2NO2(g) 為例,
圖(C):反應達平衡,容器中 N2O4 及NO2 的濃度
固定,顏色更深;
圖(D): 經過一段時間,仍處於平衡狀態,顏色
不再改變。
平衡狀態與反應進行的方向無關,例如在427℃
時,取 1.00 M 的氫氣與 1.00 M 的碘蒸氣在密
閉容器中進行反應:H2(g)+I2(g) ⇌ 2HI(g)
達平衡時測得:
[H2]=[I2]=0.21 M,[HI]=1.58 M。
若在同樣溫度下,取 2.00 M 的碘化氫蒸氣置於
密閉容器中反應, 2HI(g)⇌H2(g)+I2(g)
達平衡時測得:
[HI]=1.58 M,[H2]=[I2]=0.21 M。
與上述反應結果相同。
以下面表格來看,三種初濃度皆可達到同一平
衡狀態:
範例 3-1
在 100 ℃ 時,將 1.8 克水置入 5.0 升的密閉瓶中,
是否可達成 H2O(l) ⇌ H2O(g)之平衡?並說明原因。
解答 1.8 克水完全蒸發成水蒸氣,其蒸氣壓為
因為 100 ℃時水的飽和蒸氣壓為 1 atm ,而 1.8 克
水完全氣化,蒸氣壓只有0.61 atm ,未達飽和,容
器內只有水蒸氣,沒有液態水,故不為平衡狀態。
練習題 3-1
在N2O4(g) ⇌ 2NO2(g)反應中,下列敘述何者顯示該
反應必定處於平衡狀態?(多重選擇題)
(A) N2O4(g)與NO2(g)的莫耳數比為1:2
(B)定溫時,顏色不變
(C)整個反應系的質量不變
(D)定溫、定壓下,體積不變
(E)定溫、定容下,壓力不變
範例 3-2
反應 N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 於定溫時達平衡,下列
何者NH3(g)的濃度相等?
解答 將上表之反應物完全反應成產物,結果如下
表,則濃度相同者,會有相同的平衡濃度。
練習題 3-2
一氧化碳和二氧化氮反應成二氧化碳和一氧化氮
是可逆反應,在 1 升的容器中分別裝入下列各種
物質,何者無法達到平衡狀態?
(A) 1莫耳 CO 和 1莫耳 NO2
(B) 0.1莫耳 CO2 和 0.5莫耳 NO
(C) 1莫耳 CO 和 1莫耳 CO2
(D) 1莫耳 CO、0.1莫耳 CO2 和 1莫耳 NO
學習成果評量
1.定溫下,將定量的PCl5置入密閉容器中,下
列何圖可能是PCl5分解成PCl3及Cl2之反應
達成平衡的過程?
(A)
(B)
(C)
(D)
2. 有一反應如下:H2(g)+I2(g) ⇌ 2HI(g),在定溫定
容下,下列哪一組的平衡濃度與其他組不同?
組別
最初莫耳數
H2(g)
I2(g)
HI(g)
(A)
1
1
1
(B)
0
0
3
(C)
0.5
0.5
2
(D)
2
2
0