平衡常數的應用－反應商數Reaction Quotient

化學原理啟迪145

1.      知道一個反應的平衡常數，就可以預測這個反應許多重要的特性：反應變化的移動方向（不包含反應速度），進入平衡狀態後各物質的濃度、特定初始濃度將達到的平衡位置。

2.      【反應程度 The extent of a Reaction】反應常數的大小能指出一個反應將會往哪個方向變化。

3.      反應常數K大於1，代表這個反應達到平衡時，系統內多是產物，平衡位置在右方。反應常數很大的化學反應，參與反應的物質通常會完全消耗掉。

4.      另一方面，反應常數非常小(K＜1)，代表這個反應在平衡狀態時，系統內多是反應物，平衡位置在左邊。也就是這個反應系統裡的物質，沒有發生任何化學變化。

5.      【反應商數Reaction Quotient】當一個化學反應的反應物與產物混在一起，了解這個反應是否平衡，對預測化學變化十分有幫助。如果反應還沒有平衡，那麼，這個反應系統將會往哪個方向移動以達成平衡？

6.      如果這個反應系統中，其中的「反應物」或「產物」的濃度是「零」，那麼這個系統的移動方向將是把缺漏的物質製造出來。

7.      然而，如果反應一開始各種物質(反應物或產物)的濃度都不是「零」，那就很難判斷這個反應會往哪個方向移動以達到平衡。

8.      這種情況下，我們將用「反應商數reaction quotient」來判斷反應方向。反應商數，也是按照物質反應定律獲得的，但是用「初始濃度initial concentration」來取代本來的「平衡濃度」。

9.      舉例來說，合成氨的方程式：

N2(g)+3H2(g)→2NH3(g)

10.  反應商數的方程式是

Q=[ NH3]｡²/[ N2]｡[ H2]｡³

在這裡「｡」代表剛開始反應時的物質濃度，稱為「初始濃度」。

11.  我們比較「反應商數Q」與「平衡常數K」，以判斷系統將往哪個方向移動以取得平衡。

12.  第一、 「反應商數Q」等於「平衡常數K」。這個系統處於平衡狀態，不會往任何方向移動變化。

13.  第二、「反應商數Q」大於「平衡常數K」。這種情況下，產物「初始濃度」與反應物「初始濃度」相比太大。為了讓這個反應達到平衡，一定會發生「產物」變成「反應物」的淨改變。這個系統的反應將會往左移，「減少產物」，「增加反應物」，直到達成平衡為止。

(淨改變：化學變化中，有許多「產物」變成「反應物」，也有許多「反應物」變成「產物」，但是，當這個系統多數的反應是「產物」變成「反應物」，就說這個系統的淨改變或淨反應是「產物」變成「反應物」。)

14.  第三、「反應商數Q」小於「平衡常數K」。這種情況下，產物的「初始濃度」與反應物的「初始濃度」相比太小。這個系統將會往右移，透過「減少反應物」、「增加產物」，來達成平衡。

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

 

徐弘毅：

1.      化學反應的平衡常數，從哪些因素而來？

2.      每種化合物都有固定的原子組成，原子在一般的化學反應中，是不可分割的最小單位，化學反應的過程，原子不會無故消失或出現，所以，反應前後的原子質量、數量都是固定的，這是平衡常數存在的原因。

3.      縱使參與反應的物質份量不一，時多時少，但是因為每種化合物都有固定的原子組成，有限的物質反應掉以後(限量反應物)，多餘的物質就不會再參與反應，所以，比較反應物與產物的數量，結果還是固定的數值，這是平衡常數存在的原因。

4.      因為每種化合物是由固定的原子組成，所以能量固定。原子重組需要打斷或鍵結的化學鍵是固定的，合成或分解需要跨過的活化能門檻也是固定的，所以，比較反應物與產物的能量，會出現固定的數值，這是平衡常數存在的原因。

5.      在特定條件下(溫度、壓力)，每種粒子的動能是固定的。參與反應的粒子，不斷碰撞的結果，最後一定會進入到彼此勢均力敵，「反應物」的粒子碰撞成「產物」，與「產物」粒子碰撞成「反應物」的速率一樣的狀態，最後出現固定的「反應物」與「產物」的濃度比例，這就是平衡常數存在的原因。

6.      各種化合物的穩定度不同，有些分子結構比較穩定，有些分子結構比較不穩定，所有的分子都要追求它們最穩定的狀態，所以，化學反應到最後，參與反應的分子們，一定會變成最穩定的結構，這是平衡常數存在的原因。

7.      化學平衡是動態的，由各種因素互相競爭出最恰當的狀態；平衡常數是綜合所有因素的最後結果。

8.      反應商數，是參與反應的物質的各種因素開始競爭之前的狀態。比較反應商數與平衡常數，就可以預測化學反應將朝哪個方向變化。