高中化學_選修化學III_化學平衡_單元一：可逆反應與化學平衡_鍾曉蘭

各位同學大家好,我們今天想要討論的主題是化學平衡,我是新北高中中小孩老師,那今天的化學平衡的單元一,我們所要討論的是可逆反應與化學平衡的意義。 在單元一的學習目標跟大綱裡面,我們首先會先討論到可逆反應的定義,可逆反應的實力, 非可逆反應的意義以及它的實力的問題,還有化學平衡的定義,化學平衡的條件,化學平衡的特性,以及化學平衡的一些實力。 接著我們先來看一下可逆反應的定義的問題,究竟什麼是可逆反應呢? 其實是在許多的化學反應的生成的過程當中,它是可以進行可逆的,不但反應物能夠互相碰撞,變成生成物,稱為正反應,我們用向右的箭頭表示。 它事實上在密閉系統中,生成物也可以不斷的碰撞,會互相反應而產生原來的反應物,稱為逆反應,以向左的箭頭表示。 這種正反應跟逆反應能夠同時進行的反應,我們就會稱之為叫可逆反應。 譬如說氮氣跟氫氣碰撞的結果可以產生氨氣,反過來在密閉系統中,氨氣不斷的碰撞的時候,有可能在分解,再變成了氮氣跟氫氣。 所以在這樣的反應中,我們就會呈現一個左右同時存在的箭頭,就被稱之為叫可逆反應。 在可逆反應的實力裡面,以物理變化來講,我們常見的例子有水的蒸發跟凝結。 我們想想看,在一個淺淺的盤子裡面有裝水,有一段時間之後,水就會慢慢的蒸發,可是如果它是一個開放系統,水會變成蒸發到乾為止。 但是反過來,你平常的時候會看到一個寶特瓶,寶特瓶如果你把蓋子鑽緊的結果,你會發現到一段時間之後,寶特瓶裡面有很多細小的水滴,事實上它就達到了一個可逆反應的現象。 水不斷的蒸發成水蒸氣,同時候水蒸氣也會不斷的碰撞再凝結成水,它就是一個可逆反應。 再來就是物質的溶解跟結晶的過程中,如果我們把糖丟在水裡面去攪拌,糖會溶解到水裡面變成糖水溶液。 可是事實上,水溶液中的糖分子不斷的撞擊的結果,有可能再凝結,應該說凝固回來變成糖分子。 所以,當糖在水中溶解的過程中,它不斷的進行溶解跟凝固,也就是結晶這兩個可逆的反應,直到它達到一個平衡的階段。 在化學反應的可逆反應裡面,譬如說酸鹼指示劑的變色,酸鹼指示劑的變色來講的話,如果你放在酸裡面,石蕊柿子可能從藍色變成紅色, 可是你把柿子再放到鹼裡面的時候,可能它又從紅色變回藍色,這就是一個可逆的變化的情況。 再來我們看到硫酸酮晶體變成無水硫酸酮粉末的時候,硫酸酮晶體本來是藍色的,我加熱把它蓋住之後,它會變成無水的硫酸酮。 可是如果無水硫酸酮粉末的白色遇到了結晶的水,遇到了水,再凝結回去的時候,又可能變成藍色的硫酸酮晶體,這就是一個可逆反應。 化學反應的逆反應,使生成物碰撞發生斷裂,變為原來的反應物。 但是在物理反應的逆反應,則是碰撞時造成能量的轉移。 我們以水蒸氣凝結來說,是水蒸氣碰撞時發生能量轉移而產生的相變。 當能量轉移的時候,水蒸氣的能量變少而轉變成了水。 但是不是所有的化學反應都是可以進行正逆反應的。有些反應,正反應一旦發生之後,即使你的生成物不斷的碰撞,也難以再進行逆反應。 所以有些化學反應的逆反應是非常非常難發生的。舉一個最明顯的例子,就是燃燒反應。 我們想到木材燃燒的過程中可以變成二氧化碳跟水蒸氣,可是即使是在密閉系統中,你把二氧化碳跟水蒸氣不斷的碰撞, 它有可能再變回木材嗎?我想同學們都看過這樣的實際例子,是不可能的事情。 所以燃燒的反應中,木材可能因為燃燒變成二氧化碳跟水蒸氣,但是它的產物二氧化碳跟水蒸氣即使不斷的碰撞, 它也沒有辦法再變回木材。這就是一個不可逆反應的最明顯的實例。 再來我們來談到的是化學平衡的定義跟實例。到底什麼是化學平衡呢? 它必須要在一個定溫的密閉系統中,這個反應是可逆反應的進行。 當這個可逆反應的正反應速率跟逆反應速率相等的時候,我們就稱這個平衡狀態稱為叫化學平衡。 也就是說這個正反應跟逆反應的速率相等時,一個可逆反應已經達到了所謂的化學的平衡。 再來我們就是以一個實際的例子來看大理石跟吸巖酸的反應。我們可以看到這個圖裡面就是一個密閉的情況,就是蓋子是蓋著的,然後裡面有一塊大理石,然後溶液是吸巖酸。 這個例子大家看過,當大理石碰到吸巖酸的時候會不斷的冒泡泡。 如果今天的塞子是打開的話,二氧化碳不斷會冒出來,直到你的大理石或者是吸巖酸其中一個用盡為止。 可是如果我們塞上塞子之後,雖然有冒氣泡,但一段時間之後我們從聚光線上看起來,冒泡泡的情況下不太明顯了,就有可能達到所謂的反應的平衡。 這種情況就是因為大理石跟吸巖酸反應生成二氧化碳、氯化鈣跟水,但是它的產物也不斷的碰撞再變回大理石跟吸巖酸。 這就是一個化學反應中可逆反應,但前提是到底在什麼情況下化學反應才會達到平衡呢? 我們就來談到第一件事情剛剛講到一定要定溫,因為當一個已經達到平衡的系統溫度改變時,原有的平衡會被破壞掉。 如果你沒有辦法在定溫情況下的話,它是不會達到正反應速率跟逆反應速率一致的情況。 所以化學反應平衡的第一件事情一定要在定溫的情況下,第二件事情一定要在密閉系統,特別是有氣體的參與或者是氣體的產物。 剛剛的大理石的那個例子就非常明顯,如果你把塞子打開二氧化碳跑掉,它是沒有辦法進行逆反應的,也沒有辦法達到化學平衡。 所以如果你是有氣體產生的反應或氣體生成的反應,密閉系統是非常重要的,不能讓氣體跑掉,因為氣體跑掉是沒有辦法進行可逆的反應的。 再來就是第三件事情,如果像燃燒它是沒有辦法達到平衡的,因為它逆反應無法進行,就沒有辦法達到正反應速率跟逆反應速率相等的條件。 所以第三件事情,這個化學反應的本身必須是可逆反應的。 再來就是必須為不完全反應,這件事情就是大家一定要注意一件事,就是如果我的反應物完全變成了生成物,那就不會有正反應的持續產生了。 所以就是不可以有任何一個反應物全部用完,也就是反應物跟生成物最後的濃度不可以為零,因為如果有任何一個為零,不是正反應不會發生,就是逆反應不會發生。 所以它這個地方纔說的第四個條件是必須為不完全反應,簡單的來講,你的反應物不能完全被用完。 或者是講另外一件事,就是不管是在反應物也好、生成物也好,沒有任何一個東西可以濃度為零纔行。 在第四個,第五個,也就是我們剛剛說的正反應速率必須要等於逆反應速率,纔有辦法達到所謂的平衡的觀念。 再來我們談到化學平衡的特性,特性第一件事情就是最後是動態的平衡,也就是達到平衡之後,正反應繼續持續進行,逆反應也持續進行。 兩者都沒有停止,它並不是靜止的,也就是從微觀來看,以剛剛的例子來講,碳酸鈣跟鹽酸不斷地在碰撞當中,然後二氧化碳跟氯化鈣還有水也不斷地在碰撞當中。 在微觀的世界來講,粒子是不斷地在運動,也不斷地進行碰撞,讓正反應能發生、逆反應能發生,它並不是一個靜止的。 但是在達成化學平衡的時候,用我們的眼睛能觀察,就是具觀的觀察世界裡面來講,顏色不再改變,濃度不再改變,壓力不再改變,或者是我們說的濃度已經達到一個均衡的狀況。 所以就變成說,具觀上它其實是一個恆定的、穩定的,或者是說我們說具觀上不再變化,但是微觀上,粒子持續在運動當中,也持續在進行正反應跟逆反應。 但是我們要注意就是,最後達到平衡的時候,各個平衡濃度大小不會隨著時間而改變,但是有一件事情請同學們要特別注意,但是並不表示達到平衡之後,反應物的濃度一定要等於生成物濃度,這件事情是不一定的,因為會跟它反應物的特性有關係,最後達到的情況,每一種反應可能都不盡相同。 但是不是達到平衡的時候,正反應的反應物,或者逆反應的生成物來講,它會多多相等,這件事情的觀念是不對的,是濃度不再改變,而不是所有物種的濃度要一樣。 不知道各位同學,我再附送一次,是達到平衡時,具觀上沒有改變,微觀持續在運動,整體上來講,我去測量出來的各個物種的濃度不再變化, 不是表示正反應的反應物來講,跟生成物來講,濃度要一樣,希望同學們要注意這件事情。 最後我們談到一個化學平衡的實例,以剛剛的生成氨氣這件事情來看,我們可以看到氮氣跟氫氣碰撞的結果會變成氨氣,剛剛有提到它是一個可逆反應,可逆反應的最明顯的地方就是它會出現一個雙箭頭。 好,我們以這個例子來看,一開始起始的反應的時候只有氮氣跟氫氣,而且氮氣跟氫氣的濃度來講,以這邊來看的話,一個是2,一個是6,逐漸反應的過程中,氮氣跟氫氣碰撞的結果會變成氨,我們可以看到氫氣用的量是3倍, 氮氣用的量只有一倍,用掉的量會跟係數一致,也就是氮氣用掉量跟氫氣用掉量會是1比3,而氨氣逐漸生成,生成量會是2,所以它會用掉的量跟生成量會跟它的係數是一致的,也就是氮氣用掉一倍,氫氣用掉三倍,而氨氣生成兩倍,我們可以從圖形中看到。 那達到平衡以後,也就是大家的物種濃度已經維持一定的時候,這時候就已經達到所謂的平衡,這時候氫氣、氮氣或氨氣,它的濃度都會是一致的,不會再改變了,可是我剛剛講過,從微觀的觀點來講,彼此之間還是在不斷的碰撞,正反應持續進行,逆反應也持續進行,所以它是一個動態的平衡, 具觀上是穩定的,可是微觀上卻是持續在運動當中,持續在進行當中,這是一個動態平衡的觀點,所以我們要注意這個圖形裡面就可以明顯的告訴各位,它會有一個用量的比例,也就是用掉跟生成的比例是等於係數比,正反應速率會等於逆反應速率的時候,在具觀上就不會再有明顯的變化,事實上具觀上我們看到它的濃度就是維持一定的情況。 那我們剛剛在單元一裡面主要是介紹了可逆反應的特性,實際的例子,還有化學平衡的一些性質定義等等,希望同學去注意我們剛剛說到的條件的部分,還有到底具觀跟微觀上有哪一些不同,有些觀念釐清對於接下來我們要取的單元二跟單元三來講會更清楚的去了解它的內容是什麼。