第 41 章 濃度和温度的變化對化學平衡的影響 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 41.2 壓強或體積變化對化學平衡的影響 41.3 温度變化對化學平衡的影響 41.4 利用勒沙得利爾原理來預測化學平衡位置的移動及此原理的局限性 41.5 化學平衡在工業上的應用重要詞彙進度評估摘要概念圖 P. 1 / 46
41.1 濃度變化對化學平衡的影響平衡常數和平衡位置 平衡位置是反應處於平衡時反應物和生成物的相對分量 它與平衡常數 (K c ) 的關係如下 : K c 值較大時 ( 遠大於 1), 平衡位置靠近生成物的一方 K c 值較小時 ( 遠小於 1), 平衡位置靠近反應物的一方 P. 2 / 46
濃度變化對平衡位置的影響 化學平衡的本質是動態動態的 它會自動對各項條件的變化作出相應的調節自動對各項條件的變化作出相應的調節 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 3 / 46
例子 Fe 3+ (aq) + SCN (aq) FeSCN 2+ (aq) 鐵 (III) 離子 硫氰酸根離子 硫氰酸根合鐵 (III) 離子 黃色 無色 深紅色 圖 41.1 把相同體積的 0.001 M Fe(NO 3 ) 3 (aq) 和 KSCN(aq) 混合所生成的橙黃色平衡混合物 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 4 / 46
情境 1 若把更多 Fe(NO 3 ) 3 (aq) 或 KSCN(aq) 加入平衡混合物中, 橙黃色的溶液會轉為深紅色 (a) 當加入更多 Fe(NO 3 ) 3 (aq) 時, 原來的平衡混合物 ( 左 ) 會轉為深紅色 (b) 當加入更多 KSCN(aq) 時, 原來的平衡混合物 ( 左 ) 會轉為深紅色 圖 41.2 濃度變化對 Fe 3+ (aq) SCN (aq) 和 FeSCN 2+ (aq) 平衡混合物的平衡位置的影響 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 5 / 46
這表示 FeSCN 2+ (aq) 的濃度上升, 平衡位置向右移動 加入 Fe 3+ (aq) 或 SCN (aq) 會令平衡位置向右移 Fe 3+ (aq) + SCN (aq) FeSCN 2+ (aq) 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 6 / 46
情境 2 加入 Na 2 HPO 4 (aq)* 以除去 Fe 3+ (aq) 這使橙黃色溶液轉為淺黃色 * HPO 4 2 (aq) 與平衡混合物中的 Fe 3+ (aq) 結合 (c) 當加入 Na 2 HPO 4 (aq) 以除去 Fe 3+ (aq) 時, 原來的平衡混合物 ( 左 ) 會轉為淺黃色 學習錦囊加入 Na 3 PO 4 (s) 也可把 Fe 3+ (aq) 除去 Fe 3+ (aq) + PO 3 4 (aq) FePO 4 (s) 生成的 FePO 4 (s) 是不溶於水的 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 7 / 46
這表示 Fe 3+ (aq) 的濃度減少, 令部分 FeSCN 2+ (aq) 轉化為 Fe 3+ (aq) 和 SCN (aq) 平衡位置向左移動 把 Fe 3+ (aq) 除去會令平衡位置向左移 Fe 3+ (aq) + SCN (aq) FeSCN 2+ (aq) 黃色無色深紅色 課文重點在平衡體系中, 反應物或生成物的濃度變化會令該體系的平衡位置移動移動 例題 41.1 課堂練習 41.1 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 8 / 46
平衡位置的移動及反應商數 (Q c ) 計算反應商數 (Q c ) 可找出平衡位置的移動方向 Q c 可從任何指定時刻任何指定時刻的濃度計算出來, 而不一定處於平衡狀態下 學習錦囊 Q c 與 K c 的單位相同 aa + bb cc + dd [ C] c [ D] d Q c = [ A] a [ B] b 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 9 / 46
K c 在某特定温度下是一個常數, 不會受濃度變化影響 Q c 值會受濃度變化而改變 透過比較 Q c 值和 K c 值, 可預測反應混合物的平衡位置的移動方向 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 10 / 46
aa + bb cc + dd [ C] c [ D] d Q c = [ A] a [ B] b 數值變化 濃度變化 分母 分子 ( 即 [A] a [B] b ) ( 即 [C] c [D] d ) [A] 及 / 或 [B] 增加 增加 減少 [A] 及 / 或 [B] 減少 減少 增加 [C] 及 / 或 [D] 增加 增加 增加 [C] 及 / 或 [D] 減少 減少 減少 表 41.1 Q c 值隨反應物或生成物的濃度變化而改變 Q c 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 11 / 46
Q c 和 K c 的比較 Q c < K c Q c > K c Q c = K c 平衡位置的移動方向 向右移動或向生成物的方向移動, 即會產生更多生成物 向左移動或向反應物的方向移動, 即會產生更多反應物 平衡位置沒有變化, 即反應物和生成物的濃度維持不變, 體系達至平衡狀態 表 41.2 利用反應商數 (Q c ) 來預測平衡位置的移動 課文重點 當平衡體系受到影響時, 若 Q c < K c, 反應會產生更多生成物 ; 若 Q c > K c, 反應會產生更多反應物 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 12 / 46
例子 濃度= 49.41 (mol dm 3 ) H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) [HI(g)] eqm = 3.114 mol dm 3 [H 2 (g)] eqm = [I 2 (g)] eqm = 0.443 mol dm 3 [ HI(g) ] 2 eqm K c = H (g) I (g [ ] [ ] 2 eqm 2 ) eqm = (3.114 mol dm 3 ) 2 (0.443 mol dm 3 )(0.443 mol dm 3 ) 時間 (min) 於第 25 分鐘達至平衡 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 13 / 46
濃度 加入 HI(g), 使濃度增加至 4.0 mol dm 3 [HI(g)] eqm = 3.114 mol dm 3 [HI(g)] eqm = 3.804 mol dm 3 HI [H 2 (g)] eqm = [I 2 (g)] eqm = 0.443 mol dm 3 [H 2 (g)] eqm = [I 2 (g)] eqm = 0.541 mol dm 3 時間 (min) 圖 41.3 把 HI(g) 加入平衡體系 H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g), 令 H 2 (g) 和 I 2 (g) 的分量增加 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 14 / 46 H 2 或 I 2
在第 50 分鐘及某特定温度下把一 HI(g) 加入平衡混合物中, 平衡體系 會受到影響 [ HI(g) ] 2 Q c = [ (g)] [ I (g)] H2 2 = (4.0 mol dm 3 ) 2 = 81.53 (0.443 mol dm 3 )(0.443 mol dm 3 ) Q c 值較 K c 值大 (49.41) 平衡位置會向左 ( 反應物一方 ) 移動, 重 達至一個 的平衡狀態 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 15 / 46
加入 HI(g) 會令平衡位置向左移 H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) 體系會生成更多反應物 (H 2 (g) 和 I 2 (g)), 至於第 60 分鐘重 達至一個 的平衡狀態 [ HI(g) ] 2 eqm K c = H (g) I (g [ ] [ ] 2 eqm 2 ) eqm = (3.804 mol dm 3 ) 2 = 49.44 (0.541 mol dm 3 )(0.541 mol dm 3 ) 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 16 / 46
課文重點平衡體系的 K c 值在某特定温度下是常數, 它不會受反應物和生成物的濃度變化所影響 例題 41.2 例題 41.3 課堂練習 41.2 課堂練習 41.3 41.1 41.2 41.3 41.1 41.2 41.3 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 P. 17 / 46
41.2 壓強或體積變化對化學平衡的影響方 方 及不同 體 爾數的平衡反應 例子平衡混合物 在 有可移動 的 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 1 爾 3 爾 2 爾 P. 18 / 46
可移動 體積減少, 使壓強上升 可移動 體分子 體分子 圖 41.4 向下 會令 的體積減少, 使 態混合物的壓強上升 把 向下 的體積 態混合物的壓強 41.2 壓強或體積變化對化學平衡的影響 P. 19 / 46
於方 左方 體的 爾數較大, 壓強上升時, 會 平衡位置向右移動 ( 即 體 爾數較小的一方 ) 體積減少或壓強上升會令平衡位置向 體 爾數較小的右方移動 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 1 爾 3 爾 2 爾 學習錦囊 從方 得, 左方有 4 爾的 體分子, 而右方有 2 爾的 體分子 41.2 壓強或體積變化對化學平衡的影響 P. 20 / 46
可移動 可移動 體積增加, 使壓強下 體分子 體分子 圖 41.5 向上 會令 的體積上升, 使 態混合物的壓強下 把 向上 的體積 態混合物的壓強 41.2 壓強或體積變化對化學平衡的影響 P. 21 / 46
態混合物的壓強下, 平衡位置向左移動 ( 即 體 爾數較大的一方 ) 體積增加或壓強下 會令平衡位置向 體 爾數較大的左方移動 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 1 爾 3 爾 2 爾 41.2 壓強或體積變化對化學平衡的影響 P. 22 / 46
方 方 及相同 體 爾數的平衡反應 例子 H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) 方 方 體的 爾數相同 壓強變化不會令 體的 爾數改變, 也對平衡位置沒有影響 例題 41.4 課堂練習 41.4 41.2 壓強或體積變化對化學平衡的影響 P. 23 / 46
41.3 温度變化對化學平衡的影響 當可 反應的温度上升時, 體系會以較 的時間達至平衡 温度上升會同時增加 向反應及 向反應的, 加 的 度 不相同 反應的 K c 值和平衡混合物的成分會有改變 學習錦囊在第 37 章 及過, 反應 會隨温度上升而增加 P. 24 / 46
温度變化對 K c 值和平衡位置的影響 例子 N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) H = +58 kj mol 1 温度 (K) 298 323 343 373 K c (mol dm 3 ) 0.0045 0.027 0.098 0.500 表 41.3 在 N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) 反應中,K c 值隨温度變化而改變 温度,K c 值 平衡位置會向右移動 温度上升有利 反應進 學習錦囊 在可 反應的方 的反應 變 常是 於 向反應的 41.3 温度變化對化學平衡的影響 P. 25 / 46
水 水 (a) 圖 41.6 温度變化對平衡位置的影響 (a) 温度上升 ( 在 水中 ) 令平衡位置向右移動, 產生更多 NO 2 (g) (b) 温度下 ( 在 水中 ) 令平衡位置向左移動, 產生更多 N 2 O 4 (g) 學習錦囊 相反, 温度下 時, 會使以下反應的平衡位置向右移動 2NO 2 (g) N 2 O 4 (g) H = 58 kj mol 1 41.3 温度變化對化學平衡的影響 (b) P. 26 / 46
反應 温度變化 平衡位置的改變 K c 值 反應 上升 向左移動 減少 ( 向 ) 下 向右移動 增加 反應 上升 向右移動 增加 ( 向 ) 下 向左移動 減少 表 41.4 温度變化對 K c 值和平衡位置的影響 課文重點在平衡體系中, 温度上升有利 反應進, 而温度下 有利 反應進 例題 41.5 課堂練習 41.5 41.3 温度變化對化學平衡的影響 41.4 41.5 動 41.1 P. 27 / 46 41.4 41.5
41.4 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動及此原理的局限性 課文重點 勒沙得利爾原理指出, 處於平衡狀態的化學體系 任何一個條件變化而受到影響時, 平衡位置會移動, 以 衡該變化 ( 勒沙得利爾原理 ) P. 28 / 46
利用勒沙得利爾原理來預測濃度變化時平衡位置的移動 例子 Fe 3+ (aq) + SCN (aq) FeSCN 2+ (aq) 黃色無色深紅色 情境 1 若把 的 Fe 3+ (aq) 加入平衡混合物中,Fe 3+ (aq) 的濃度 會增加 根 勒沙得利爾原理, 平衡位置會向右移動, 以 部分 加入的 Fe 3+ (aq) 41.4 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動及此原理的局限性 P. 29 / 46
情境 2 若把 HPO 4 2 (aq) 加入平衡混合物中, 以除去 Fe 3+ (aq),fe 3+ (aq) 濃度 會減少 根 勒沙得利爾原理, 平衡位置會向左移動, 使更多 FeSCN 2+ (aq) 分 來 除去的 Fe 3+ (aq) 41.4 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動及此原理的局限性 P. 30 / 46
利用勒沙得利爾原理來預測當温度變化時平衡位置的移動 例子 情境 1 Co 2+ (aq) + 4Cl (aq) CoCl 2 4 (aq) H = 數 紅色 色 根 勒沙得利爾原理, 若平衡體系的温度上升, 平衡會作出調節, 以除去體系中的 於 向反應是 的, 平衡位置會向右移動 41.4 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動及此原理的局限性 P. 31 / 46
情境 2 若平衡體系的温度下, 平衡也會作出調節, 以增加體系中的 於 向反應是 的, 平衡位置會向左移動 41.4 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動及此原理的局限性 P. 32 / 46
勒沙得利爾原理的局限性 變化 N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) H = +58.1 kj mol 1 温度上升 平衡位置向右移動, 使温度下 壓強上升 ( 温度上升 ) 平衡位置向左移動, 使 體分子的 爾數減少 ( 使壓強下 ) 表 41.5 勒沙得利爾原理的預測 相 41.4 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動及此原理的局限性 P. 33 / 46
勒沙得利爾原理的局限性局限性在下 情 下特 : 當平衡體系 及 態混合物時 ; 當化學方 左右 方 體的 爾數不相 時 ; 及 當同時多於一個條件有所變化時 要預測濃度或温度的變化對化學平衡的影響時, 應使用反應商數反應商數和反應的反應的 變 ( H) 動 41.2 41.4 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動及此原理的局限性 P. 34 / 46
41.5 化學平衡在工業上的應用 酸的工業生產 酸是常用於生產 酸, 而 酸 ( 一 ) NH 3 (aq) + HNO 3 (aq) NH 4 NO 3 (aq) 圖 41.8 酸是 的重要化學 P. 35 / 46
酸的工業生產過 的 3NO 2 (g) + H 2 O(l) 2HNO 3 (aq) + NO(g) 生成的一 化 透過與 的進一 反應而從化學體系中除去 除去一 化, 會令平衡位置向右向右移動 產生更多 酸 41.5 化學平衡在工業上的應用 P. 36 / 46
的工業生產過 在 中, 與 結合, 生成 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) H = 92 kj mol 1 把 生成的 即除去 平衡位置會向右移動, 而生成更多 41.5 化學平衡在工業上的應用 P. 37 / 46
條件變化 除去生成物 NH 3 (g) 壓強上升 温度下 平衡位置的移動 於除去,Q c 值較 K c 值小, 平衡位置會向右移動 於方 右方 體的 爾數較小, 平衡位置會向右移動 於 向反應是 的, 平衡位置會向右移動 表 41.6 NH 3 的產量隨反應條件的變化而增加 的產量增加增加增加 過 的 壓強和温度 常分 是 200 大 壓強 (atm) 和 450 C STSE 41.1 課堂練習 41.6 41.5 化學平衡在工業上的應用 P. 38 / 46
重要詞彙 1. 平衡位置 equilibrium position 2. 反應商數 reaction quotient 3. 勒沙得利爾原理 Le Châtelier s Principle P. 39 / 46
進度評估 1. 分 出平衡常數 (K c ) 和平衡位置 2. 化學平衡受到 時, 平衡位置會有何轉變 3. 反應商數是 它有何重要性 4. 在平衡混合物中加入或除去反應物或生成物時, 反應商數 (Q c ) 會有何變化 5. (a) 若 Q c < K c, 平衡位置會向 個方向移動 (b) 若 Q c > K c, 平衡位置會向 個方向移動 (c) 若 Q c = K c, 平衡位置會有何轉變 6. 在某特定温度下, 物 的濃度變化會 令平衡常數 (K c ) 的數值改變 7. 壓強或體積變化對平衡位置有何影響 P. 40 / 46
8. (a) 温度應 改變 會有利 的平衡反應 (b) 温度應 改變 會有利 的平衡反應 9. 勒沙得利爾原理是 10. 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動方向時有 局限性 11. 化學平衡在工業上有 應用 進度評估 P. 41 / 46
摘要 41.1 濃度變化對化學平衡的影響 1. 反應物或生成物的濃度變化會令平衡體系的平衡位置移動, 至達至 的平衡 2. 平衡體系的 K c 值在某特定温度下是常數, 它不會受反應物和生成物的濃度所影響 3. 透過計算平衡體系的反應商數 (Q c ), 與平衡常數 (K c ) 作比較, 可預測平衡位置的移動方向 (a) 若 Q c < K c, 平衡位置向生成物的方向移動 ( 即向右移動 ) (b) 若 Q c > K c, 平衡位置向反應物的方向移動 ( 即向左移動 ) (c) 若 Q c = K c, 體系達至平衡狀態, 平衡位置不會移動 P. 42 / 46
41.2 壓強或體積變化對化學平衡的影響 4. (a) 在方 方 及不同 體 爾數的平衡反應中, 壓強變化會使平衡位置移動 (b) 在方 方 及相同 體 爾數的平衡反應中, 壓強變化不會使平衡位置移動 41.3 温度變化對化學平衡的影響 5. 温度變化會改變平衡常數的數值, 也會使平衡位置移動 6. 在平衡體系中, 温度上升有利 反應進, 而温度下 有利 反應進 摘要 P. 43 / 46
41.4 利用勒沙得利爾原理來預測平衡位置的移動及此原理的局限性 7. 勒沙得利爾原理指出, 處於平衡狀態的化學體系 任何一個條件變化而受到影響時, 平衡位置會移動, 以 衡該變化 8. 在一 情 下, 勒沙得利爾原理在預測平衡位置 個方向移動時會有局限性 41.5 化學平衡在工業上的應用 9. 在化學工業上, 可應用化學平衡的概念來 化學 的產量 摘要 P. 44 / 46
概念圖 化學平衡 影響 應用於工業上 濃度變化 壓強或體積變化 温度變化 K c 值維持不變 平衡位置移動 K c 值 維持不變 K c 值 有所改變 平衡位置移動 方 左右 方 及 相同數 的 體 爾數 平衡位置不會移動 平衡位置移動 方 左右 方 及 不同數 的 體 爾數 P. 45 / 46
濃度變化 壓強或體積變化 温度變化 平衡位置移動 平衡位置移動 平衡位置移動 預測方 勒沙得利爾原理 概念圖 P. 46 / 46