46化学平衡常数

Ch42平衡常數 你還記得動態平衡的特徵嗎？ ?? 圖1 A + B ⇌ C反應達致平衡時，(a) 進行正向反應和逆向反應的速率相等。 圖1 A + B ⇌ C反應達致平衡時， (b) 反應物和生成物的濃度不會有任何變化。 濃度不會隨時間變化。 體系達致平衡。 在平衡狀態下，反應物和生成物的濃度不一定相等。 把氫和碘在密封的試管內混合，讓它們根據以下反應方程式發生反應 ： H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) 找出以下哪幅圖是代表剛好達致動態平衡時的反應體系？解釋你的 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 時間增加 Ans 答案是圖(e)，因為從圖(e)起H2、I2和HI的分量/濃度維持不變。(三個H2分子，三個I2分子和14個HI分子) 定義平衡定律和平衡常數equilibrium constant 讓我們用以下的反應為例： aA + bB ⇌ cC + dD 反應物濃度和生成物濃度在平衡狀態下的關係可寫成： Kc：平衡常數 C和D：生成物 A和B：反應物 a、 b、c 和 d：平衡化學方程式中的計量系數stoichiometric coefficient ([ ]eqm) ：物質在平衡狀態下的摩爾濃度 (以mol dm–3表示) Kc:平衡常數 在定溫下,這比例是一個常數 只要平衡體系是一個均相體系，這個關係是有效的。 有關均相平衡homogeneous equilibrium的更多內容將會在第97頁再作討論。 平衡定律 平衡定律表達在平衡狀態下反應物濃度和生成物濃度的數學式 。 平衡定律指出，在定溫下，反應的平衡常數 (Kc) 是一個固定的值，並不會受反應物或生成物的起始濃度影響。 圖2 古得柏 (18361902) (左) 和偉格 (18331900) (右)，他們為襟兄弟。 寫出以下反應的平衡常數 (Kc) 表示式： (a) N2(g) + O2(g) ⇌ 2NO(g) 寫出平衡常數表示式 寫出以下反應的平衡常數 (Kc) 表示式： (b) P4O10(g) + 6PCl5(g) ⇌ 10POCl3(g) POCl3 :三氯氧化磷 phosphorus oxychloride P4O10:五氧化二磷 Phosphorus pentoxide (b) P4O10(g) + 6PCl5(g) ⇌ 10POCl3(g) (c) Fe3+(aq) + SCN–(aq) ⇌ FeSCN2+(aq) SCN– :硫氰酸鹽離子 Thiocyanate 自我測試 1 寫出以下反應的平衡常數 (Kc) 表示式： (a) 2NO(g) ⇌ N2(g) + O2(g) 自我測試 1 寫出以下反應的平衡常數 (Kc) 表示式： (b) 2SO3(g) + CO2(g) ⇌ CS2(g) + 4O2(g) 自我測試 1 (c) CH3COOH(l) + CH3OH(l) ⇌ CH3COOCH3(l) + H2O(l) 找出以下反應的平衡常數表示式的錯處，並把它改正。 [H2(g)]eqm[S2(g)]eqm [H2S(g)]eqm (a) 2H2S(g) ⇌ 2H2(g) + S2(g) Kc = 2. 寫出以下平衡常數表示式所代表的平衡化學方程式： (a) Kc = 2. (a) 2NO(g) + O2(g) ⇌ 2NO2(g) 2. 寫出以下平衡常數表示式所代表的平衡化學方程式： (b) Kc = (b) 2CH4(g) ⇌ C2H2(g) + 3H2(g) 考慮以下可逆反應： H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) 平衡常數應為： 當方程式倒轉寫成： 2HI(g) ⇌ H2(g) + I2(g) 在相同溫度下平衡常數會變成 平衡常數的數值與該反應的方程式有關﹗ 在H2-I2-HI體系中，Kc表示式的濃度單位可以互相抵消。 H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) (∴ 沒有單位) 考慮另一可逆反應： 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g) 平衡常數應為： (即 mol–1 dm3) 平衡體系中的氣體濃度也可用mol dm−3表示。 (a) 寫出下列反應的平衡常數 (Kc1和Kc2) 表示式： (i) N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) Kc1 = ？ (a) 寫出下列反應的平衡常數 (Kc1和Kc2) 表示式： (ii) 2NH3(g) ⇌ N2(g) + 3H2(g) Kc2 = ？ (b) Kc1和Kc2在數學上有甚麼關係？ (c) Kc1和Kc2的單位分別是甚麼？ Kc1 : mol2 dm6 Kc2 : mol2 dm6 均相平衡homogeneous equilibrium 均相平衡 平衡體系中的 所有反應物和 生成物是同相 例如 氫與碘反應生成碘化氫。 圖3 處於平衡狀態時，所有物質 (H2、I2和HI)是同相的，因此是一個均相平衡。 H2 I2 HI H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) 體系的相是指組成體系的部分，這些部分 (例如固體、液體或氣體) 被清楚的相界分離。 然而在常溫下，雖然油和水都是液態，但含有油和水體系中卻具有兩個不同的相。 多相平衡heterogeneous equilibrium 多相平衡 平衡體系中有 兩個或以上的相 存在 例如 固態碳酸氫鈉的熱分解作用。 2NaHCO3(s) ⇌ Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g) 圖4 處於平衡狀態時，有兩個或以上的相存在的，稱為多相平衡。 在以下反應中，平衡常數是 固體物質的密度在反應過程中維持不變， 因此，固體物質的摩爾濃度是一個常數。 因此，這兩種在Kc’表示式的物質的濃度可包含在平衡常數內。 純淨物質、固體或液體的濃度是等於它們的密度除以摩爾質量。 因此，多相平衡中的固體和液體的濃度並不包括在Kc表示式內。 純淨的液體例如水，它的密度 = 1 g cm–3 = 1000 g dm–3，因此 平衡體系中的所有反應物和生成物是同相時，該體系稱為 _______ 平衡。 平衡體系中有兩種或以上的相存在時，該體系稱為 _______平衡。 均相 多相 下列哪個或哪些反應是多相平衡？寫出這些多相平衡的平衡常數 (Kc) 表示式： (a) CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g) (a) 是多相平衡。 (a) Kc = [CO2(g)]eqm (b) AgCl(s) ⇌ Ag+(aq) + Cl–(aq) (b)是多相平衡。 (b) Kc = [Ag+(aq)]eqm[Cl(aq)]eqm (c) H2O(l) ⇌ H+(aq) + OH–(aq) (c)不是多相平衡。 (d) Fe3+(aq) + SCN–(aq) ⇌ FeSCN2+(aq) (d)不是多相平衡。 平衡常數值的意義 一般而言，平衡常數告訴我們反應混合物的成分。 Kc值較小時 (<<1)， 平衡位置傾向反應物的一方。 平衡體系中主要是反應物。 Kc值較大時 (>>1) ， 平衡位置傾向生成物的一方。 平衡體系中主要是生成物。 圖5 在圖中，平衡體系裏的反應物以綠色方塊表示，生成物則以黃色方塊表示。(此圖只作闡釋概念用途，並非肉眼可觀察到的真像。) (a) Kc值較小時，體系裏有較多反應物。 (b) Kc值較大時，體系裏有較多生成物。 Kc值非常大 顯示化學反應 的完成程度 化學反應的速率 例子1 氫和氯在25°C的反應： 這反應幾乎是完全的 例子2 水蒸氣在25°C的分解： 反應只會極有限地進行 例子3 氫和氧在25°C生成水蒸氣的反應： 除非有火花或其他能量，否則氫和氧不會起反應 活化能activation energy 引發反應的能量稱為活化能 化學反應的速率視乎活化能的大小而定 按反應傾向的完成程度，把下列反應由低至高排列： (a) 4NH3(g) + 3O2(g) ⇌ 2N2(g) + 6H2O(g) Kc = 1 × 10228 (b) N2(g) + O2(g) ⇌ 2NO(g) Kc = 5 × 10–31 (c) 2HF(g) ⇌ H2(g) + F2(g) Kc = 1 × 10–13 (d) 2NOCl(g) ⇌ 2NO(g) + Cl2(g) Kc = 4.7 × 10–4 Ans (b)、(c)、(d)、(a) 如何從實驗中 求出Kc值？ ?? 考慮以下的反應： N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 在500°C利用N2和H2進行實驗，讓混合物反應，直至逹致平衡。 重複實驗兩次。 [NH3(g)]2eqm [N2(g)]eqm[H2(g)]3eqm 表1 實驗 起始濃度 (mol dm3) 平衡濃度 (mol dm3) Kc= 1 [N2(g)] = 1.00 [H2(g)] = 1.00 [NH3(g)] = 0.00 [N2(g)]eqm = 0.92 [H2(g)]eqm = 0.76 [NH3(g)]eqm = 0.16 Kc = 0.06 mol–2 dm6 2 [N2(g)] = 0.0 [H2(g)] = 0.0 [NH3(g)] = 1.00 [N2(g)]eqm = 0.40 [H2(g)]eqm = 1.20 [NH3(g)]eqm = 0.20 Kc = 0.06 mol–2 dm6 3 [N2(g)] = 2.00 [H2(g)] = 1.00 [NH3(g)] = 3.00 [N2(g)]eqm = 2.59 [H2(g)]eqm = 2.77 [NH3(g)]eqm = 1.82 Kc = 0.06 mol–2 dm6 把各種物質的平衡濃度代入以下表示式內： 不管起始濃度是多少，平衡常數在定溫下 是維持不變的。 考慮以下涉及兩種氧化氮的平衡： 2NO(g) + O2(g) ⇌ 2NO2(g) 寫出以上反應的平衡常數表示式。 利用已知的平衡濃度，計算在25°C的平衡常數(Kc)。 [NO(g)]eqm = 1.5 × 10–11 mol dm–3 [O2(g)]eqm = 8.9 × 10–3 mol dm–3 [NO2(g)]eqm = 2.2 × 10–6 mol dm–3 考慮以下反應： 2CH4(g) ⇌ C2H2(g) + 3H2(g) 讓CH4(g)、C2H2(g)和H2(g)的混合物在1700°C達致平衡後，所量度的平衡濃度分別為： [CH4(g)]eqm = 0.0203 mol dm−3、 [C2H2(g)]eqm = 0.0451 mol dm−3和 [H2(g)]eqm = 0.1120 mol dm−3， 計算在這溫度下的平衡常數。 Ans 自我測試 2 在5 dm3的反應瓶裏，氮氣和氯氣的混合物在某溫度下保持平衡， N2(g) + 3Cl2(g) ⇌ 2NCl3(g) 我們發現該平衡混合物含有0.0070摩爾N2(g)，0.0022摩爾Cl2(g)和0.9500摩爾NCl3(g)，計算該反應的平衡常數。 自我測試 Ans 從濃度變化求出平衡常數 無色氣體N2O4和棕色氣體NO2如以下方程式所示達致 平衡： N2O4(g) ⇌ 2NO2(g) 在實驗中，把0.80摩爾N2O4(g)加入5 dm3容器內，讓N2O4(g)與NO2(g)達致平衡。處於平衡狀態時，N2O4(g)的濃度是0.09 mol dm−3，計算這反應的Kc。 解 考慮這個平衡， ICE濃度表 步驟 1 如有需要，計算起始濃度。 解難策略 步驟 2 繪畫ICE濃度表 (起始Initial、變化Change、平衡Equilibrium)，記錄已知的濃度和求出其他的濃度。 從濃度變化計算平衡常數 步驟 3 寫出平衡常數表示式。 步驟 4 把平衡濃度代入平衡常數表示式內。 自我測試 3 某1 dm3容器含有1.00摩爾光氣phosgene，並按以下的反應進行分解： COCl2(g) ⇌ CO(g) + Cl2(g) 平衡時，Cl2的濃度是0.028 mol dm−3，CO和COCl2的濃度分別是多少？ 光氣phosgene 光氣在第一次世界大戰中曾被用作為化學武器。 人體吸入光氣會造成肺水腫 自我測試 Ans COCl2(g) ⇌ CO(g) + Cl2(g) 即 [CO(g)]eqm = 0.028 mol dm3； [COCl2(g)]eqm = 0.972 mol dm3 自我測試 3 (b) 計算反應的平衡常數。 在某定溫下，以下反應的Kc是137.5 mol−1 dm3。 Fe3+(aq) + SCN–(aq) ⇌ FeSCN2+(aq) 在某實驗中，把500 cm3的0.200 mol dm−3 Fe(NO3)3(aq) 溶液與500 cm3的0.200 mol dm−3 KSCN(aq)硫氰酸鉀溶液混合，計算混合物中各種物種的平衡濃度。 解 平衡濃度： [Fe3+(aq)]eqm = 0.100 – 0.0764 mol dm–3 = 0.0236 mol dm–3 [SCN–(aq)]eqm = 0.100 – 0.0764 mol dm–3 = 0.0236 mol dm–3 [FeSCN2+(aq)]eqm = 0.0764 mol dm–3 自我測試 4 在450°C，以下反應的平衡常數是50.0。 H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) 實驗中，若在450°C把0.15摩爾H2和0.15摩爾I2放入5 dm3的容器內，讓混合物進行反應並達致平衡，計算每種物質的平衡濃度。 自我測試 Ans 2. 讓CO和H2混合達致平衡： CO(g) + 2H2(g) ⇌ CH3OH(g) CO和H2的起始濃度分別為0.50 mol dm−3和1.00 mol dm−3 ，平衡時，CO的濃度為0.15 mol dm−3，計算這反應的平衡常數。 3. 把4.00摩爾HI放入抽空了的5.00 dm3瓶子內，然後加熱至800 K，讓體系達致平衡，每種物種的平衡濃度將會是多少？ 2HI(g) ⇌ H2(g) + I2(g) Kc = 0.016 (溫度在800 K時) 計算 x 的數值，x = 0.0808 因此， [H2(g)]eqm = 0.0808 mol dm3 [I2(g)]eqm = 0.0808 mol dm3 [HI(g)]eqm = 0.8  2(0.0808) mol dm3 = 0.638 mol dm3 我們如何從實驗中求出乙醇和乙酸的酯化作用的Kc值？ ?? 步驟 1 寫出酯化作用的平衡方程式。 把已知數量的乙醇和乙酸混合。 把混合物回流加熱約三十分鐘，讓它達致平衡。 在混合物中加入少量濃硫酸作為催化劑。 步驟 2 步驟 3 圖6 把乙醇和乙酸回流加熱，直至體系達致平衡。 步驟 4 利用標準氫氧化鈉溶液滴定平衡混合物，以求出乙酸的平衡濃度。 求出混合物中至少一種物質的平衡濃度。 圖7 利用標準氫氧化鈉溶液 (於滴定管內) 滴定酯化作用的平衡混合物，以求出乙酸的平衡濃度。 在求出物質在某體系的平衡濃度前，我們要先把該化學反應停止，方法是把平衡混合物放進冰浴內冷卻。 步驟 5 根據平衡方程式，計算乙醇、乙酸乙酯和水的平衡濃度。 步驟 6 把平衡濃度代入Kc表示式內。 步驟 7 利用不同起始濃度的乙醇和乙酸重複進行實驗，以求出Kc值。 計算Kc在這溫度下的平均值。 步驟 8 Ch42:Assignment E25:MC(Q8-19) 結構題及其它E26(Q21,22,25,26,27) Dueday: 28 / 4 ( ) Quiz Ch41-42 / ( ) 15min