濃度改變的效果The Effect of a Change in Concentration

化學原理啟迪152

1.  我們將討論合成氨的反應，來瞭解要怎麼預測，一個平衡系統的濃度改變造成的影響。假設有某個反應的平衡位置，每種物質的濃度如下

[N2]=0.399M,  [H2]=1.197M, 和 [NH3]=0.202M

2.  如果在固體體積的容器中，突然注入每公升1莫耳的氮氣N2到這個系統，會發生什麼事情？我們可以利用計算反應商數Q來回答這個問題。

3. 在這個系統達到新的平衡之前，每種物質的濃度

[N2]0=0.3999M+1.000M=1.399M，1.000M是增加的氮氣N2。

[H2]0=1.197M

[NH3]0=0.202M

特別留意，以上的濃度稱為「初始濃度」，因為系統已經不再處於平衡狀態了。

4. 然後，計算「反應商數Q」

Q=[NH3]0²/[N2]0[H2]0³=(0.202)²/(1.399)(1.197)³=1.70×10^-2

5.  因為我們還不知道平衡常數K，所以我們必須從題目提供的那一組平衡濃度，計算出平衡常數，K=[NH3]²/[N2][H2]³=(0.202)²/(0.399)(1.197)³=5.96×10^-2

6.  因為是氮氣N2的濃度增加，我們預估，反應商數比平衡常數小，Q＜K。這個系統將會往右移來達到新的平衡位置。我們略過計算，直接摘要結果如下：

平衡位置Ⅰ		平衡位置Ⅱ
[N2]=0.399M	增加N21.000mol/L	[N2]=1.348M
[H2]=1.197M	→	[H2]=1.044M
[NH3]=0.202M		[NH3]=0.304M

7.  這些數據顯示，平衡位置確實往右移：跟原本的平衡位置相比，「氫氣H2」的濃度減少，「氨氣NH3」的濃度增加，並且因為增加「氮氣N2」，「氮氣」的濃度增加。(不過值得特別注意的是，新加入1.000 mole的氮氣之後，容器裡的「氮氣」的數量立刻開始減少，因為整個化學反應往右移。)

8. 我們可以利用勒沙特列原理，清楚預測平衡移動的方向。

9. 因為輸入的「壓力」是增加「氮氣」，勒沙特列原理預測系統將會往消耗掉「氮氣」的方向移動。這樣才會減輕新增加的改變。所以，勒沙特列原理準確地預測增加「氮氣」會造成系統往右移動。

10.  如果添加的是「氨氣NH3」而不是「氮氣」，這個系統就會往左移動，以消耗掉氨氣。

11.  因此，我們可以用勒沙特列原理來解釋這個例子：一個處於平衡狀態的系統，如果加入氣體反應物或產物，這個系統將會往遠離「新增加的化合物」的方向移動，以減少「增加的化合物」。

12.  如果有氣體的反應物或產物被移走，這個系統將會往移走物質的方向移動，以增加「減少的化合物」。

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

徐弘毅：

1.  下圖是網路上Nivaldo J. Tro《Introductory Chemistry》說明，「四氧化二氮N2O4」轉變為「二氧化氮NO2」的反應：N2O4(g)←→NO2(g)

2.      左邊的方框內有：4個「NO2」分子和2個「N2O4」分子，這是分子們互相碰撞之後達到的平衡狀態；如果加入圓框裡的2個「NO2」分子，會變成什麼樣子呢？

3.  結果，平衡狀態變成右邊方框的情形：4個「NO2」分子和3個「N2O4」分子。為了抵銷系統增加「NO2」的力量，增加1個「N2O4」分子；有2個「NO2」結合成1個「N2O4」分子。

4.  從N2O4(g)←→NO2(g)平衡方程式來看，系統往左移動：N2O4(g)←NO2(g) 。

5.      接下來是倒過來的情況，左邊的方框內同樣有：4個「NO2」分子和2個「N2O4」分子，這是分子們互相碰撞之後達到的平衡狀態；如果加入中間的那1個「N2O4」分子，會變成什麼樣子呢？

6.  結果，平衡狀態變成右邊方框的情形：6個「NO2」分子和2個「N2O4」分子。為了抵銷系統增加「N2O4」的力量，而增加2個「NO2」分子。有1個「N2O4」分子，裂開成為2個「NO2」分子。

7. 從N2O4(g)←→NO2(g)平衡方程式來看，系統往右移動：N2O4(g) →NO2(g) 。