高中化學_選修化學III_化學平衡_單元五：影響化學平衡的因素_鍾曉蘭

接著我們要上的是單元五,影響化學平衡的因素。 在這影響化學平衡的因素的時候,我們最主要談到一個就是勒沙特列原理的部分。 那我們先來看一下單元五的學習目標與大綱,主要是要談到勒沙特列原理, 以及濃度如何影響平衡,壓力如何影響平衡,最後是溫度如何影響平衡, 還有催化劑為什麼不會影響平衡。 首先我們先談到勒沙特列原理這個名詞以及這個理論, 它的意思是說當你的平衡系統受到外力影響時,系統會朝向抵消這個因素的方向前進。 也就是說如果外在因素包括改變的是濃度、壓力或反應物的濃度時, 有一邊是變大的時候,它會朝向這個因素的影響來講,是減少這個因素影響的方向進行。 而我們用這個氯化亞菇這個例子來看, 六倍的水和氯化亞菇也就是水和氯化亞菇它本身是淺粉紅色的。 如果當你加了更多的氯進去的時候,它會變成四氯的錯合物,它是深藍色的。 然後這個反應它本身是一個吸熱反應,所以我們可以從幾項東西去想, 如果加了氯離子進去,氯離子變多的時候會導致這個平衡向又移動,顏色就會從粉紅色變成深藍色。 而另外一件事情這本身是一個吸熱反應,升高溫度的時候也會讓它從淺粉紅色變成深藍色。 這個例子其實我們可以去做一個實驗,就是我們拿一張濾紙, 然後放上了粉紅色的氯化亞菇,用吹風機吹一吹,它就會從粉紅色變成藍色, 就代表升溫的時候比較有利於藍色的氯化亞菇出現。 那如果說你加水了之後,如果你加水是右邊的生成物變多,它的平衡就會向左進行, 也就會顏色會從深藍色變成淺粉紅色,所以我們可以從顏色來判斷平衡是向右移動還是向左移動。 那到底是如何影響呢?我們來先看接下來講濃度如何影響平衡的。 這有一個反應式是A跟B會升成G跟H,如果在這個反應平衡系統中增加了A或者是B或者是兩個都增加, 那你的Q值就會變得比較小,所以平衡就會向右進行, 那就是向右進行之後就會把AB多的部分消耗掉,所以就是如果反應物變多, 就會傾向向右進行,反之如果生成物變多,就會向左邊進行。 那為什麼呢?我們來解釋一下,剛剛說過那個Q,在上一個單元有說過這個Q的觀念, 如果說是反應物增加,A跟B增加,會讓整個分母變大,那整個值就會小於平衡常數。 我們回想一下,如果Q小於KC的時候,平衡是不是就必須要向右進行? 那簡單講法,反應物變多,就向生成物那邊移動,如果生成物變多,就向反應物移動。 那反過來,如果是反應物減少,反應物減少的話,那就會向左進行,那生成物減少,那就會向右進行。 講簡單來講,就是多的會向少的一方移動,這樣就可以理解到濃度如何影響平衡。 那在濃度如何影響平衡的地方來講的話,有一個非常好的幫助可以去思考的東西,就是用Q,反應商或濃度商。 如果你代進去之後,你的Q是比KC值大的,那就向左進行。 如果Q比KC值要來的小的話,它就會向右進行,所以Q在這裡就非常有幫助去如何判斷說濃度影響平衡這件事情。 那簡單的來說的話,就是我剛剛說過的,多的向少的一方移動,反應物如果變多,就向生成物移動。 生成物如果變多,就向反應物的那一方移動,這樣的觀念就是比較容易去記得,然後也就是提到濃度如何影響平衡。 不過濃度如何影響平衡,最重要的觀念來講,如果要判斷正確,可以用Q跟KC之間的關係去判斷,就絕對沒有問題了。 再來我們要談到濃度如何影響平衡的一個實際的例子,這是所謂的哈勃法之安,氮氣跟氫氣會生成氨氣。 我們可以看到,在這個平衡系統中,一開始已經達到平衡是水平的,在那個瞬間裡面,我們加入了氫氣,就是在凸起來的地方我們加入了氫氣。 當我們加入了氫氣的時候,就是我剛剛提到的反應物變多,所以它必須要向右進行,讓氫氣用掉一些, 然後氮氣也用掉一些,然後讓氨氣變多,也就是向右進行,這樣的目的就是達到一個新的平衡,主要是讓Q值會再次等於KC值就對了。 所以如果你改變了反應物,讓反應物變多,它就會向右進行,可是大家注意一件事情哦,你如果改變了氫,一開始變多,即使是向右進行, 最後新的平衡的氫氣濃度還是比剛開始其實的平衡濃度要來得多。 用一個比較簡單的講法來講,如果你加了氫進去,讓氫氣變多,它會導致Q值變得比KC值來得小,所以平衡要向右移動。 那雖然氫氣被用掉了,可是還是比原來平衡的時候的濃度要來得大,不然的話沒有辦法讓Q值會再次等於KC值, 所以這個可能要注意一下哦,雖然說它會向右進行,氫氣還是比原來的平衡值要來得大。 那用反應速率來看的話,原本紅色的地方是R正等於R逆,當你氫氣變多的時候,氫氣變多的時候是不是讓正反應速率變快? 因為氫氣會影響正反應速率,所以你可以看到一開始的瞬間來講正反應速率是變快。 那正反應速率變快的時候是不是代表氨氣的生成也變多了? 當氨氣生成變多的時候,會導致逆反應速率也隨之變大,那它隨之變大,直到兩者的速率在一樣的時候, 就達到新的R正平衡會等於R逆平衡,就新的正反應速率會等於逆反應速率的時候,就達到第二次的平衡了。 這時候的影響是因為正反應速率變快,影響逆反應速率也隨之變快,直到兩個都變快,卻又相等的時候,就達到新的平衡了。 所以這兩個關係圖,一個是在談濃度的變化,一個是在談反應速率的變化,都是在表示氫氣增加的時候,如何影響原有的平衡狀態。 結論就是,如果反應物變多,Q值會變小,平衡就會向右邊,直到新的Q值等於Kc值的時候,我們就達到再次的平衡。 那壓力如何影響平衡呢?其實跟濃度有點像,不過在這裡的時候我們要考慮到一個觀念,就是左右兩邊的係數的問題。 如果平衡系統因為減少了體積造成壓力增加的時候,我們不會希望壓力無止盡的增加,所以這時候我們希望壓力會比原來你改變的速度大一點。 原來你改變的時候,要來的小一點點的時候,那平衡只好朝向默數少的一方移動,因為默數少的一方移動就會讓壓力的增加變得不是那麼的明顯,這時候就會達到再次平衡。 所以簡而言之,加壓向默數少的一方移動,反之減壓就向默數多的一方移動,也就是減少它的變化就對了。 減少因為你改變這個變因所造成的影響,所以壓力變大要向默數少的一方移動,讓壓力變化沒有那麼大,然後如果壓力減少就要向默數多的一方移動,讓它的變化量不要那麼的顯著。 那如果說兩邊的係數一樣的話,就是我們說的λn等於零的時候,加壓就不會影響了,不管你是加壓也不管是減壓都不會影響。 所以第三個我們要提到的就是,當左右兩邊的係數相等的時候,就是λn等於零的時候,則你加壓來講只是讓濃度變濃,正反應跟逆反應數據是等量變快,那減壓的時候是等量變慢就不會影響平衡了。 所以在壓力對平衡的影響要分成三個,如果加壓是向默數少的,減壓是向默數多的一方移動,如果兩邊的默數一樣,加壓或減壓就不會影響平衡,只是讓反應數據同時變大或同時變小,就是一個等量的改變就對了。 那我們特別談一下那個氫氣加氮氣生成兩倍的HI這裡,這就是非常明顯的左右兩邊的係數都是二的情況。 當我把體積縮小一半的時候,所有的濃度或所有的分壓都會變成兩倍,可是當你變成兩倍的時候,由於左右係數是一樣的,你就會發現它的影響因素就會被抵消掉,也就是你的Q值跟Kc值沒有改變,你的Q值還是等於Kc值,那這樣就不會影響平衡,所以回到我們剛剛說的,如果左右兩邊係數一樣,也就是λn等於零的時候,加壓或減壓並不會影響平衡的移動, 主要是因為你的Q值還是等於Kc值的關係。 那我們用圖形來解釋一下,如果你壓縮了體積,讓濃度都變成兩倍,那速率會變成原來的兩倍,但是正反應速率跟逆反應速率仍然是相等,因此不會影響平衡。 就濃度的觀點來講,就是瞬間我的壓力或我的濃度都變成原來的兩倍,但是變成兩倍之後,我並沒有向右或向左,所以還是平的, 代表說我加壓或減壓其實並沒有影響我的平衡的狀態,我的Q值還是等於Kc值,所以這個第三點可能特別要去注意一下這個問題。 那溫度如何影響平衡呢?是溫度如果改變的時候,譬如說我們都升溫,我正反應速率也好,逆反應速率也好,因為運動速率變快,我的速率都會變快,但是溫度對 反應速率的影響並不是等量的,如果你是吸熱反應,反應速率會影響的比較顯著,也就是說溫度加熱的時候,就升溫的時候,會對吸熱的那一邊改變量比較多,會增加量會比較多。 所以如果一個反應是吸熱反應,可能對正反應速率影響是變兩倍,那逆反應也變快,但是隻有增加一點五倍,那一個兩倍一個一點五倍,大家就可以理解到正反應速率變化的比較多。 所以我們常常會寫一個結論,就是升溫有利於吸熱,降溫有利於放熱的原因就是這樣,那如果是降溫的話,是正反應跟逆反應都會變慢,用我們剛剛的例子來解釋好了。 如果說正反應是吸熱,那降溫的時候,它可能變成原來的二分之一,可逆反應只變成原來的三分之二,所以放熱的那一方變化量比較少,所以降溫的時候會比較傾向於是放熱的那一方。 所以就是因為溫度對反應速率影響是升溫同時變快,降溫是同時變慢,但是變化的比例是不一致的,所以升高溫度對吸熱那一方變化的比例比較多,所以升溫有利於吸熱。 而降溫的時候的話,是放熱的那一方變化量比較不明顯,然後吸熱的那一方下降的比較多,所以降溫的時候會傾向於所謂的放熱的那一方。 所以我們常說升溫有利於吸熱的那一方,降溫則是有利於放熱的那一方。 所以我們再看一下,一般來說平衡常是隨著溫度的變化,反應如果是吸熱的話,那也會有關係,如果你是一個吸熱反應,升溫的時候你的k值一樣會變大。 而回到我們剛剛有提到的,大k值只受兩件因素的影響,一個是溫度,一個是本性。 所以升溫到底k值變大跟變小,並不是溫度變大k值就變大,而是要看你本身是吸熱還是放熱。 如果你是吸熱,那k值的話就會隨著溫度升高而變大,如果你是放熱,因為升高溫度會向另外一方進行,k值反而會變小。 所以吸熱反應的話,它的平衡常數是隨著溫度升高而增加,但是放熱反應的平衡常數則是隨著溫度的升高而變小。 這件事情跟平衡的移動沒有關係,而是吸熱的時候升溫,就會k值會變大,放熱的時候反而升高溫度的時候k值會變小。 主要是因為,我們剛剛有提到,升溫的時候是有利於吸熱那一方,而降溫的話是有利於放熱那一方,這是有一點相關聯的。 在催化劑為什麼不會影響平衡?那催化劑對反應數的影響跟溫度是完全不一樣的。 催化劑是因為你改變了反應途徑,讓活化能同時變小,所以催化劑的影響是正反應跟逆反應數率是等倍率的增加。 因為我剛剛說的,如果是催化劑加進去的時候,正反應也變兩倍,逆反應也變兩倍,所以我的R正跟R逆同時都變壞兩倍,那我就沒有影響啦,所以催化劑就不會影響平衡。 可是回到剛剛說的溫度,對吸熱那一方影響的倍率比較多,對放熱的那一方影響倍率比較小,所以溫度的改變才會影響平衡。 那我們來看一下圖形,這就是我剛剛說過的,你加入催化劑之後,活化能會等量的下降,所以正反應會變兩倍,逆反應可能也會變兩倍,所以兩個同時變兩倍的情況下,它還是R正等於R逆,就不會影響第二次的平衡。 所以即使你加入催化劑,你只是讓正反應跟逆反應等比例加快,所以不影響平衡,那到底影響什麼?它會縮短達到平衡的時間,加入催化劑會讓正反應跟逆反應等量變快,它會縮短達到平衡的時間,但是不會影響平衡常數,也不會影響產量,甚至也不會影響平衡,所以催化劑的影響來講在平衡的地方影響算是很小很小的。 那我們用哈勃法之安這個例子去實際去探討,氮氣跟氫氣生成氨氣的過程有幾個重要條件,你可以看到左右兩邊的係數來講,左邊的係數是4,右邊的係數是2,還有這本身是一個放熱反應,放熱反應的時候溫度對它的影響就要去仔細去思考,所以我們先看一下,如果我們以催化劑加速反應的時候,有沒有改變平衡? 剛剛已經提到,催化劑是讓反應速率等比例增加,所以它不會影響平衡,但是可以縮短平衡所需要的時間,那壓力越大的時候,再回想到我們剛剛說的,加壓要向係數少的一方移動,減壓要向係數大的一方移動, 所以當你壓力變大的時候,其實在這個反應中是要向右邊進行,有利於氨的生成,所以事實上在氨氣、哈勃法之安在工業上面來講,它其實傾向是用比較高的壓力,但是壓力越大的時候會面臨到一個問題,就是你可能在容器的密閉性中,還有工廠的安全性的時候要去思維, 所以就是我雖然知道,或者是工業界上的工程設計師知道,加壓會有利於氨的生成,它也不會無止盡的去產生,它一定會選擇一個比較適合的壓力,所以它會在安全性成本上它去考量,所以壓力雖然大有利於氨生成,但是不能太大,安全性會有一個要考量到的問題, 再來就是升高溫度來講,會讓正反應速率跟逆反應速率都變快,但是可以看到升溫,因為這是一個放熱反應,升高溫度雖然反應速度會變快,但是平衡是比較傾向是右邊,換言之升溫其實不利於氨氣的生成, 但是如果我要讓它的溫度很低,我有利於氨氣的生成,我就會面臨到一個問題,我可能反應是需要比較長的時間,那在工業上的設計來講會需要快、恆、準,會希望反應速率快,產量又不會太少,還有安全性跟成本上的種種考量,所以真正在工業上的哈勃法治安雖然選擇了希望能夠向右,最後還是選擇一個中高溫度, 就是在反應速率跟平衡上,也就是產量的兩者同時去考量上,他選擇了一個四百到五百度C,並不是一個很低的溫度,是考量到所謂的反應速率的問題,而換言之哈勃法治安用勒沙特列原理的觀點,如果要有利於氨氣的生成,第一件事情其實是要降溫, 第二件事情其實是要加壓,因為加壓才會有利於氨氣的生成,所以我們常說是低溫高壓才會有利於氨氣的生成,可是大家可以看到為什麼最後的反應條件卻是高溫跟高壓,那個高溫其實是為了增加反應速率,而不是為了平衡這件事情,所以有些是一個協商的結果,並不是因為理論上我一定要讓氨氣生成的量比較多,有的是要考慮反應速率, 成本,還有安全等等的考量,最後決定的是四百到五百度C,然後壓力的話是幾百個大氣壓,但是不會無止盡的增加,還有為了讓反應速率變快,他有增加催化劑,回到我剛剛說的催化劑並不會增加他的產量,也不會影響他的平衡,目的只是為了讓反應速率變快,縮短達到平衡所需要的時間,這是一個非常好的實際的例子,希望同學能夠去用哈勃法治安去了解勒沙特列的原理, 以及我們剛剛所有東西的一個整體性的思考,然後單元五的地方來講主要是影響化學平衡的因素,提到了勒沙特的原理,勒沙特列原理裡面主要提到的是濃度,壓力,溫度,如何去影響化學平衡,可能是向右可能是向左,簡單來講升溫有利於吸熱,降溫則有利於放熱,增加反應物的濃度也是有利於右邊,就是有利於生成物的生成,加壓則向默數少的一方移動, 減壓則向默數多的一方移動,都是為了減少這個因子所造成的影響,那最後談到的是催化劑,它不會影響平衡,但是卻會讓正反應速率跟逆反應速率等量加快,縮短平衡達到的時間,我們要了解整個勒沙特列的影響才能對工業界上的一些的製造來講造成一個最大最好的一個反應的條件,以及去思考成本安全還有一些其他的因素, 所以在學到這個化學平衡首先跟工業界上的製造真的很大的關係,如果對未來同學想要學所謂的化學製程來講,這觀念是非常重要的,那單元五的部分我們就介紹到這裡。