解開平衡問題(一)

化學原理啟迪148

我們已經研究解開平衡問題的多數技巧，分析化學平衡的基本程序，摘要如下：

解開平衡問題

1.      寫下這個反應的平衡方程式。 2.      用「質量反應定律the law of mass action」寫下平衡的方程式。 3.      寫出初始濃度。 4.      計算平衡商數，判斷化學反應會朝哪個方向移動，以取得平衡。把達成平衡需要做的改變設定為「x」，用代表改變的「x」與「初始濃度」寫出「平衡濃度」。 5.      把代表「平衡濃度」的代數，套進平衡方程式，解開就得到未知的數值(達到平衡需要做的「改變」與參與反應「各物質的濃度」)。 6.      檢查你計算出來的平衡濃度是不是能得到正確的平衡常數值K。

注：第5.點的平衡方程式，指的是依據「質量反應定律」推展出的平衡方程式。

在前面的範例，我們把等式二端的數值開根號，解開未知的數值，但是這種情況並不常見，所以，我們必須考慮比較常見的問題。

n   假設有一個「氫H2」和「氟F」合成「氟化氫HF」的反應，是用3.000mol的H2和6.000mol的F2混合在3.000公升的細頸瓶中。這個反應的溫度與前面範例一樣，平衡常數是1.15×10²，我們計算每種成分的平衡濃度如下：

l   一開始先寫下反應的平衡方程式：

H2(g)+F2(g) ←→ 2HF(g)

l   平衡的方程式是

K=1.15×10²=[HF]²/[H][F]

l   初始濃度是

[H2]0=3.000mol/3.000L=1.000M

[F2]0=6.000mol/3.000L=2.000M

[HF]0=0

l   在這裡我們要計算「反應商數Q」。因為一開始容器中完全沒有HF，所以，反應一定是往右邊移動，以取得平衡。

l   把要達成平衡，H2必須消耗掉的莫耳數設定為「x」，參與反應的各種物質的濃度可以寫成：

 

初始濃度(mol/L)	改變量(mol/L)	平衡濃度(mol/L)
[H2]0=1.000	－x	[H2]0=1.000－x
[F2]0=2.000	－x	[F2]0=2.000－x
[HF]0=0	2x	[HF]0=0+2x

或者寫成：

	H2(g)	+	F2(g)	← →	2HF(g)
初始濃度	1.000		2.000		0
改變量	－x		－x		+2x
平衡	1.000－x		2.000－x		2x

l   把平衡狀態下各物質濃度代入平衡方程式：

K=1.15×10²=[HF]²/[H2][F2]=(2x)²/(1.000－x)(2.000－x)

為了解開x，我們搬移等號右邊的分母到左邊：

(1.000－x)(2.000－x)(1.15×10²)=(2x)²

得到

(1.15×10²)x²－3.000(1.15×10²)x＋2.000(1.15×10²)=4x²

把次方同樣的x整合起來

(1.11×10²)x²－(3.45×10²)x＋2.30×10²=0

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》

徐弘毅：

1.      衡量一切化學變化必須先有客觀的標準，依據質量守恆定律產生的平衡方程式，和依據質量反應定律推論出來的平衡方程式，就是預測一個化學反應的最後平衡狀態的標準。

2.      初始濃度，是指化學反應之前，那些反應物質的濃度，這是客觀的現實狀態。我們必須了解這些資訊，因為化學平衡來自於粒子們的互相碰撞，不同濃度的物質碰撞的頻率與力量不同，最後達成的平衡狀態不同。

3.      反應商數，化學反應之前各物質的初始濃度，放進依據質量反應定律產生的平衡方程式，比較出來的一個數值。

4.      反應商數，是化學反應開始前的客觀現實狀態。平衡常數，是化學反應最後的平衡狀態。

5.      化學反應過程，參與反應的物質會從反應商數的濃度，變化到平衡常數的濃度，變化的數值(改變量)就是我們需要解開的謎題，設定為「x」。