壓力的平衡方程式Equilibrium Expressions Involving Pressure(二)

化學原理啟迪142

徐弘毅：

1.      依據普魯斯特的「定比定律」與道耳頓的「原子說」，每種化合物都由固定比例的元素組成。所以，每種化學反應都有一個平衡方程式，說明反應物如何以固定數量比例，組成特定數量的產物。

2.      從平衡方程式來看，固定數量的反應物，與固定數量的產物相比，是一個固定的比例數值。所以，反應物的濃度，與產物的濃度相比，會出現一個固定的數值－常數K。

3.      這是因為，「濃度」是一種計算分子數量的單位。「濃度」的定義是「每公升的莫耳數」，1莫耳是6×10²³顆分子。

4.      反應物的壓力與產物的壓力相比，為什麼也是固定的數值(平衡常數)呢？

5.      因為，壓力的來源是粒子撞擊容器牆壁的力量，在固定的溫度下，粒子的平均動能是固定。因此，平衡的化學反應方程式，比較反應物的壓力與產物的壓力，得到的也是一個固定的數值－「平衡常數Kp」。

6.      為什麼從濃度比較而來的「平衡常數K」，與從壓力比較而來的「平衡常數Kp」，絕大多數的情況是不一樣的？

7.      首先要討論，為什麼會有化學平衡？化學平衡，來自於分子彼此的碰撞。

8.      濃度的「平衡常數K」，就是比較反應物與產物的有效碰撞的次數，發現它是一個固定的比例數值。

9.      在哈柏法中，「氮氣的濃度」，以它在平衡的方程式中的「係數1」，當成「指數¹」→[N2]，意思是：合成氨，每公升所有的氮氣粒子，要有效地被撞擊1次。

10.  「氫氣的濃度」，以它在平衡的方程式中的「係數3」，當成「指數³」→[H2]³，意思是：要合成氨，每公升的所有氫氣粒子，要有效地被撞擊3次。

11.  [N2]× [H2]³「氮氣」乘「氫氣」的意思是，兩種氣體互相碰撞，「氮氣」被有效碰撞1次，「氫氣」被有效碰撞3次。

12.  有效碰撞的意思是，碰撞之後，分子中鍵結原子的化學鍵打斷，並且與其它原子重新組合排列。

13.  以哈伯法來說，「氫氣」被有效碰撞3次，是指有3個「氫」分子的化學鍵被打斷了，並且與「氮」原子結合；氮氣被有效碰撞1次，就是有1個「氮氣」分子的化學鍵被打斷了，並且與「氫」原子結合。

14.  如果氮氣分子碰撞之後，雖然化學鍵打斷，但是沒有與氫原子結合，不算有效碰撞。所以，必須氮氣分子的化學鍵被打斷，並且與3個獨立活動的氫原子結合，才算有效碰撞。

15.  什麼是壓力的「平衡常數Kp」？比較反應物與產物的有效碰撞的能量，發現它是一個固定的比例數值。

16.  P=nRT/V 壓力=(粒子莫耳數×常數×溫度)/體積。PN2= nN2 RT/V = N2 energy /V 氮氣的分壓= 每單位體積的氮氣粒子的能量。

17.  以哈柏法來說，(PN2)是，每單位體積「氮氣粒子」有效碰撞1次的總能量。

18.  (PN2/RT) 是 每單位體積「氮氣粒子」有效碰撞1次的總能量，占每單位體積的總能量的比例；這個能量的比值，剛好等於「密度」：氮氣粒子的數量÷體積。

19.  因為這都是計算氮氣質點部分，占整體空間的比例。以(n/V)來說，氮氣粒子的數量是「質點」，空間是容器「體積」；以(PN2/RT)來說，氮氣粒子的碰撞能量「PN2」可以看成「質點」，「RT」是漫布在周遭的熱能，可以看成「體積」。同樣的情況可以類推到(PH2/RT)、( PNH3/RT)身上。

20.  (PN2/RT) 是「每單位體積氫氣粒子」有效碰撞1次的能量，佔周遭總能量的比例；(PH2/RT)³ 是「每單位體積氫氣粒子」有效碰撞3次的能量，佔周遭總能量的比例。

21.  (PN2/RT)×(PH2/RT)³，是反應物互相碰撞成產物需要的總能量，佔周遭空間總能量的比例。

22.  ( PNH3/RT)² ，是產物互相碰撞變成反應物需要的總能量，佔周遭空間總能量的比例。

23.  ( PNH3/RT)² / (PN2/RT)×(PH2/RT)³，求出來的比值是固定的常數，因為要打斷的化學鍵的數量是固定的。但是因為打斷每種化學鍵的難易不同，需要的能量不一樣，所以，比值不一定會是1。

24.  反應物與產物有效碰撞能量的「比例常數Kp」，等不等於，反應物與產物有效碰撞次數的「比例常數K」？

25.  通常是不一樣的。因為有效碰撞的次數雖然一樣，但是能量的數值，跟密度的數值是不一樣的。

26.  以數學來看，有效碰撞的次數一樣，就是「指數」一樣，能量數值跟密度數值不一樣，就是「底數」不一樣。例如39² 與 45²，雖然指數都是「²」，但是因為底數不一樣「39」、「45」，計算出來的數值會不一樣。

27.  所以，反應物與產物的有效碰撞能量，相比的結果，通常會與，反應物與產物的有效碰撞數量，相比的結果，不一樣。

28.  但是也會有例外的情況。例如，用「氫氣H2」與「氟氣F2」合成「氟化氫HF」的反應：H2(g)+F2(g)←→2HF(g)

29.  這是因為周遭空間的能量RT，套進平衡方程式後，剛好都抵消掉了。結果，這個平衡方程式變成在比較，每種粒子撞擊容器的力量－「分壓」。

30.  因為氣體粒子的數量愈多，粒子撞擊容器的壓力愈大；在理想狀態下，數量跟壓力會成比例增加，所以，比較每種氣體的分壓，就會等於比較每種氣體的密度(數量/體積)。