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