平衡常數 The Equilibrium constant

化學原理啟迪138

1.      科學，基本上是以觀察經驗為依據的－它是奠基於實驗的。平衡的觀念，就是典型的依據實驗而發展的科學。

2.      透過觀察各式各樣的化學反應，挪威化學家 「古爾德貝格Cato Maximillian Guldberg」和 「瓦格Peter Waage」在1864年，提出 「質量反應定律the law of mass action」，作為平衡狀態的定義。

3.      假設有一個化學反應如下：

jA+kB←→lC+mD

4.      這裡，A、B、C、D是化學物質，j、k、l、m是它們在平衡狀態的係數。「質量反應定律」可寫成以下的「平衡方程式equilibrium expression」：

 

5.      括弧[ ] 代表每種化學物質的濃度，K是固定不變的數值，稱為「平衡常數equilibrium constant」

6.      古爾德貝格和瓦格發現，所有的化學反應都依據這個關係來平衡。

7.      當我們把觀察到的濃度，輸入依據「質量反應定律」所建立的「平衡方程式」，就會得到「常數」（溫度固定，並且假設氣體反應是理想氣體）。

8.      因此，一個反應系統的平衡常數，可以透過測量到反應物與產物的濃度，計算出來。

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

徐弘毅：

1.      平衡常數是什麼？反應物與產物的固定比數。

2.      反應物與產物之間的固定比例關係怎麼來的呢？

3.      依據質量守恆定律，化學反應的過程，不會憑空出現原子，也不會無故失去原子。所以，參與反應的化合物和產物都會有固定的數量比例。平衡的化學反應式中，每個化合物的係數，就是他們的莫耳數量比例。

4.      為什麼平衡常數，要用平衡的化學反應中每個化合物的「係數」，當成平衡方程式的「指數」？

5.      舉「哈柏法」的例子來說，合成「氨」的平衡方程式是：

N2+3H2→2NH3

6.      1顆斷裂出來的「氮N」原子，需要跟容器裡所有的氫分子，做多少次有效碰撞，才能夠合成氨分子？ 3次。

7.      1顆「氮N」原子，跟容器裡所有「氫H2」分子有效碰撞一次，得到1顆「氫H」原子，結合成「氮-氫N-H」。

8.      同1顆「氮N」原子，再跟容器裡所有「氫H2」分子有效碰撞第二次，再得到1顆「氫H」原子，結合成「氫-氮-氫H-N-H」。

9.      同1顆「氮N」原子，再跟容器裡所有「氫H2」分子有效碰撞第三次，再得到1顆「氫H」原子，結合成「氨NH3」。

10.  每一次有效碰撞，都是對容器裡所有「氫H2」分子碰撞；容器裡所有「氫H2」分子，就是「氫H2」的「濃度」= 莫耳數/體積 = [H2]。

11.  所以，一顆「氮N」原子，要成為「氨」，必須與「氫H2」碰撞 [H2]³次。

12.  哈柏法中，平衡的方程式顯示需要3莫耳或3顆氫氣分子，平衡方程式就以3做為有效被撞擊的次數(指數)。

13.  「質量反應定律the law of mass action」，是依據的「質量守恆定律」寫出平衡方程式，找到每種化合物的固定的數量比例，並且依據「能量守恆定律」認為，每一個平衡的化學反應，需要打斷與產生的化學鍵數量是固定的，因此，有效碰撞次數也是固定。