溫度改變對化學平衡的影響(一)

化學原理啟迪156

1.      有一點必須清楚地認知到，雖然氣體壓力(數量或體積)的改變，會改變平衡位置，但不會改變平衡常數(假設這是理想氣體)。

2.      舉例來說，增加反應物會使得平衡位置往右移動，但是平衡常數完全不受影響。新的平衡濃度仍舊符合原本的的平衡常數。

3.      然而，溫度對平衡的影響就不同了，因為平衡常數的數值K會隨著溫度變化而改變。我們可以用勒沙特列原理預測改變的方向。

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

徐弘毅：

1.      為什麼「氣體壓力(數量或體積)的改變，會改變平衡位置，但不會改變平衡常數」？

2.      氣體壓力改變，並沒有改變粒子本身的能量（粒子的數量與動能），只是改變粒子彼此之間的距離，並因此改變碰撞頻率。

3.      所以，雖然平衡位置改變，但是因為，「反應物粒子的總能量」與「產物粒子的總能量」的比例沒有改變，所以，「平衡常數」是一樣的。

4.      化學反應：jA+kB→lC+mD的「平衡常數K」＝[C]^l[D]^m/[A]^j[B]^k。[ ]代表在平衡狀態下每種物質的濃度。

5.      「產物C和D」的濃度說明，每單位體積有多少顆粒子可以碰撞？「係數l和m」說明在平衡狀態下，C和D物質的數量比例應該是多少？應該要有效碰撞多少次來打斷或鍵結化學鍵？每種物質的數量比例通常用「莫耳數」為單位。

6.      反應物「A、 B」和它們的係數「j、k」，道理也是一樣。

7.      所以，[C]^l[D]^m就是產物粒子的總能量。[A]^j[B]^k是反應物粒子的總能量。

8.      以哈柏法為例，合成氨的平衡反應方程式是N2(g)+3H2(g)←→2NH3(g) 。

9.      要合成1莫耳的NH3粒子，每單位體積的「氮氣N2」分子必須跟全部的氣體有效碰撞1次，使自己的分子化學鍵斷裂，才能得到一顆、一顆獨立的「N氮原子」。

10.  以上的描述用數學表達：[N2] ×1。注：[N2]是氮氣分子的濃度，也是每單位體積的「N2氮氣」分子數。

11.  然後，一顆、一顆獨立的「N氮」原子，再跟其他的「H2」分子有效碰撞3次，每次有效碰撞，撞斷「氫氣H2分子」的化學鍵，並取得1顆「H氫原子」鍵結，才變成「氨NH3分子」。其他的「H2」分子，用「H2」的濃度表示，寫成[H2]。

12.  以上正反應的碰撞過程，用數學表達：

｛〔( [N2]×1) ×[H2]〕×[H2]｝×[H2] ＝ [N2]¹×[H2]³

13.  逆反應的情況就是，每單位體積的「NH3氨氣分子」，至少要跟其他的氣體粒子有效碰撞2次，目的是要撞開1個「氮N」原子與1個「氫H」原子，使「NH3氨」分子瓦解成H2,H,N。方程式可寫成NH3→1/2N2+3/2H2。

14.  以上逆反應的碰撞過程，用數學表達：

[NH3]×[NH3]=[NH3]²

15.  化學平衡，就是正反應與逆反應的粒子碰撞，互相競爭，最後達成平手的狀態，平衡狀態的指標就是「平衡常數K」。以哈柏法為例，K=[NH3]² /[N2]¹×[H2]³

16.  如果一個容器裡，組成分子的原子顆粒數固定，代表化學鍵的能量固定：環境溫度固定，代表每個粒子的動能固定。

17.  壓縮或放大體積，改變粒子的活動空間，會使系統中各類氣體粒子的濃度提升或減少，這會影響每次碰撞之間的距離、碰撞的頻率，但是沒有影響到粒子本身的能量與移動速率。

18.  所以，雖然平衡位置移動，但是「反應物粒子的總能量」與「產物粒子的總能量」的比值「平衡常數K」，還是維持固定不變。

19.  溫度對平衡的影響就不同了，因為平衡常數的數值K會隨著溫度變化而改變。這是因為溫度中的熱能會改變粒子的能量，使得「反應物粒子的總能量」與「產物粒子的總能量」都改變了。