化學原理啟迪157
1. 從「氮氣」與「氫氣」合成「氨氣」會釋放能量(散熱exothermic)。我們可以把能量當成產物來描述這種狀況：N2(g)+3H2(g)←→2NH3(g)+能量
2. 如果能量用熱能的形式，加入一個平衡的系統中，勒沙特列原理預測，平衡位置將朝消耗掉能量的方向移動，合成氨的例子就是往左移動。
3. 特別注意，往左移動會減低「氨NH3」的濃度，增加「氮氣N2」與「氫氣H2」的濃度，使得平衡常數的數值K變小。實驗觀察到，合成氨的反應的平衡常數K，隨溫度變化而有各種不同的數值：
溫度(絕對溫度K) |
平衡常數K(L2/mol2) |
500 |
90 |
600 |
3 |
700 |
0.3 |
800 |
0.04 |
4. 這個散熱反應，如同勒沙特列原理所說，隨著溫度升高，平衡常數K的數值下降。
5. 另一方面，一個消耗能量的反應(吸熱endothermic reaction)，例如碳酸鈣的分解
能量+CaCO3(s) ←→ CaO(s)+CO2(g)
6. 溫度升高，會使得平衡位置往右移，平衡常數K的數值增加。
7. 簡單說，應用勒沙特列原理，去描述溫度對一個平衡系統的影響，就是把「能量」當成反應物(吸熱反應)或產物(散熱反應)，去預測平衡位置的移動方向；預測的方法跟增加或減少實際的產物或反應物一樣。
8. 雖然勒沙特列原理沒有辦法預測平衡常數K的改變幅度，但是可以準確地預測改變的方向。
9. 我們已經了解勒沙特列原理，如何預測平衡系統的各種改變會造成什麼樣的效果。下表摘要各種改變因素如何影響吸熱反應的平衡位置：N2O4(g)←→2NO2(g)
10. N2O4(g) ←→2NO2(g)反應的平衡位置的移動
改變 |
移動方向 |
增加N2O4(g) |
往右 |
增加NO2(g) |
往左 |
移除N2O4(g) |
往左 |
移除NO2(g) |
往右 |
增加He(g) |
不變 |
縮小容器體積 |
往左 |
放大容器體積 |
往右 |
升高溫度 |
往右 |
減低溫度 |
往左 |
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》
徐弘毅：
1. 當我們討論溫度對平衡系統的影響時，我們把化學反應吸收或釋放的「熱能」，當成「反應物」或「產物」的虛擬物質。
2. 觀察吸熱反應N2O4(g)+能量←→2NO2(g) 發現，增加「N2O4」和升高溫度增加「熱能」，都會使得平衡位置往右移動。減少「N2O4」和減低溫度減少「熱能」，都會使得平衡位置往左移動。
3. 一般的化學反應，如果參與反應的物質「數量」改變，原本平衡的狀態就會被打亂，必須重新透過粒子碰撞追求新的平衡，由於粒子的總數已經跟原本不同了，所以，新的濃度與平衡常數也都會改變。
4. 同樣地，增加或減少虛擬物質「熱能」，等同於改變平衡系統反應物或產物的「數量」，不僅會改變平衡位置，也會改變這個系統的「平衡常數」與參與反應的物質的「濃度」。
5. 為什麼溫度的改變，會改變各個參與反應的物質的濃度？
6. 因為溫度會改變粒子的動量，改變粒子的碰撞力量，這會重新定義，什麼樣的物質在系統中比較穩定，因此改變系統中每種物質的數量。
7. 舉例來說，溫度變高的時候，合成氨的平衡系統中，每個粒子的動能增加，碰撞的強度增強，造成像「氨NH3」這種大型分子的化學鍵，很容易打斷變成「氫氣H2」與「氮氣N2」小型分子。
8. 所以，隨著溫度逐漸升高，從500K增加到800K，平衡常數變得愈來愈小，從90下降到0.04。這代表產物的數量比例愈來愈少，而反應物的數量比例愈來愈多。
9. 對散熱反應來說，溫度上升帶來的熱能，大幅度增加「產物」有效碰撞成「反應物」的力道；吸熱反應正好相反，大幅度增加「反應物」有效碰撞成「產物」的力道。
10. 以「碳酸鈣CaCO3」的分解反應來說，溫度升高會讓固體「碳酸鈣」分子變得比較活潑，化學鍵鬆動，而容易從大顆固體分子「CaCO3」彼此強烈吸引的狀態，變成小顆的固體分子「CaO」與自由活動的氣體分子「CO2」。
11. 一般而言，溫度改變帶給平衡系統的衝擊，應該大於壓力改變。因為溫度所挾帶的熱能，會實際地改變粒子的動能、碰撞力量，天擇出比較穩定的分子。
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