化學平衡 - 99(基礎3)

3-1 平衡狀態

一.化學反應的類型：

1.不可逆反應：該化學反應只朝一個反應方向進行，此種反應即是。如，

2H2(_g) O2(_g)^ 2H2O(_g)

C(g)O2(g)CO2(g)

2.可逆反應：大部分化學反應，當其發生反應時，不但反應物粒子互相碰撞發生正向反應，同時間生成物粒子也會相互碰撞而發生逆向反應，此種正、逆反應同時進行的反應，即是，通常以表示。如，N2(_g) 3H2(_g) 2NH₃₍_g₎。

二.化學平衡：

1.定義：若一化學反應為可逆反應，當其正反應與逆反應的反應速率相等時，即可稱之為達到化學平衡。

2.巨觀觀點：

(1)必須是一密閉系統，且一切巨觀的性質(濃度、顏色、壓力、、、)均不再改變。

(2)各物種濃度(分壓)代入平衡常數式中，必須符合平衡常數。

3.微觀觀點：

(1)達平衡時，反應並未停止，仍持續進行。

(2)達平衡時，以動力學而言，正逆反應速率要相等。

4.性質：

(1)達化學平衡時，反應物與生成物的濃度會維持不變。

(2)反應須於密閉系統、且定溫下進行，才可能達化學平衡。

(3)平衡時是一動態平衡，反應並未停止，仍持續進行。

(4)平衡的達成與反應途徑無關。

(5)正逆反應速率變化圖，如圖4 所示。 1

(6)加入催化劑，只能改變達到平衡時間，無法改變平衡狀態。

3.平衡系狀態方程式無法得知：

(1)平衡時物種的濃度(須由實驗測得)。

(2)達平衡時的速率(與反應物的本性有關)。

(4)由哪一個方向達成平衡。

圖4 反應速率變化圖圖1 4 濃度變化圖2

三.平衡動力論：以化學反應AB C 為例。

1.反應速率變化：定溫下，將 A 與 B 混合於密閉容器中，反應向生成物一方進行；

此時因為 A 、 B 的濃度逐漸減少，所以正反應速率也隨之逐漸下降，但生成物C 的濃度則逐漸增加，故其逆反應的反應速率則隨之增加；直到兩反應速率一樣時，

則達成平衡，如圖4 所示。1

2.濃度變化：因為 A 、 B 為反應物，因此一開始反應，其濃度會逐漸減少，而生成物 C的濃度則逐漸增加，當達平衡時三者的濃度則維持不變，但三者的濃度則沒有一定的比例關係。如圖4 所示。 2

1.欲觀察定溫、定容下的反應，H2(g) I2(g) 2HI₍_g₎是否達平衡，可由下列哪種性質不變而得知 (A)密度 (B)顏色 (C)總質量 (D)總壓力。

2.下列各選項中，屬於化學平衡特性的有 (A)正逆反應速率相等 (B)正逆反應速率常數相等 (C)反應物與產物濃度相等 (D)正逆反應均停止 (E)巨視性質不變。

3.於密閉系統中，當反應到達平衡時，該系統 (A)反應必為可逆反應 (B)總壓力不變 (C) 每一點的溫度相同 (D)正向和逆向反應皆停止 (E)產物和反應物的濃度皆不再改變。

4.室溫下，已知某化學反應已達到平衡，則下列各項敘述中，正確的是 (A)正向反應與逆向反應之速率相同 (B)反應物與生成物之濃度相同 (C)反應物完全變為生成物 (D) 正向反應及逆向反應均停止。

5.於在下列各項敘述中，屬於化學反應達成平衡所需條件的是 (A)反應物失去它們的活性 (B)正反兩方向的反應具有相等的速率 (C)正反兩方向的反應完全停止 (D)反應物和產物的濃度相等 (E)產物的總質量和反應物的總質量相等。

6.下列哪些是化學反應達平衡狀態所須具備的條件？ (A)溫度固定 (B)反應物濃度等於生成物濃度 (C)反應物與生成物的濃度維持一定 (D)反應系統之總質量固定 (E)正反應速率等於逆反應速率。

7.下列各項敘述中，可以說明反應已達平衡的是 (A)反應已停止 (B)反應物濃度等於生成物濃度 (C)正反應速率等於逆反應速率 (D)各成分物質濃度不在改變 (E)物系的溫度不再改變。

8.影響化學平衡狀態的因素有：　(A)濃度　(B)壓力　(C)溫度　(D)催化劑　(E)改變活化能。

9.定溫下，就N2O4(g) 2NO₂₍_g₎而言，下列各組初濃度的配對中，達平衡時的狀態會完全相同的有哪些？

甲乙丙丁戊

]

[N₂O₄ 0.04 0 0.02 0.03 0.01 ]

[NO₂ 0 0.08 0.04 0.02 0.06

10.反應CO(g)NO2(g) CO₂₍_g₎ NO₍_g₎為一可逆反應，則由下列各選項中，可知道該

) (

NO2 g 分壓一定。

11.下列各平衡系統中，屬於異相平衡的是 (A)N2O4(g) 2NO₂₍_g₎ (B)N2(_g) 3H2(_g) )

(

2NH3 _g (C) 2^ ^ (^ ) )

(

4 2

2CrO _aq H _aq Cr₂O₇²₍^_aq₎ H₂O₍_l₎ (D)CaCO3 s( ) )

( 2 )

(s CO g

CaO  。

12.反應N2(_g) 3H2(_g) 2NH₃₍_g₎，於達平衡時，不必然具有下列哪一種性質？ (A)正反應速率等於逆反應速率 (B)系統壓力維持不變 (C)濃度比[N2]：[H₂]：[NH₃]＝ 1：3：2 (D)各物種莫耳數不變。

<Homework 4-1>

1.在下列各項中，哪一項是一種化學反應達成平衡所需的條件？ (A)反應物失去它們的活性 (B)正反方向的反應具有相等的速率 (C)正反兩方向的反應完全停止 (D)反應物和產物的濃度相等 (E)產物的總質量和反應物的總質量相等。(B)

2.定溫下，反應aA( )g bB( )g cC_{( )}_g dD_{( )}_g 達平衡，則下列敘述中，正確的有 (A)正向反應速率與逆向反應速率相等 (B)[ ] [ ] [ ] [ ]A  B  C  D (C)[ ] [ ] [ ] [ ]A  B  C  D (D)正向反應與逆向反應均已停止。(A)

3.下列各項反應中，哪一個反應不屬於可逆反應？ (A)黃色的鉻酸鉀溶液，滴入少許鹽酸後變橙色 (B)煤氣燃燒 (C)哈柏法製氨 (D)硝酸鋇與鉻酸鉀產生鉻酸鋇沈澱。(B) 4.已知，化學反應H2( )g I2( )g 2HI_{( )}_g ，若反應前[H2] [ ] I2 ，則該反應達平衡時，其

濃度與時間的正確關係圖是(表示反應速率、^t代表時間)(B)

(A)　　　 (B)　　　

的濃度。如， _b

a.若Q Kc，則表示生成物濃度太高，故反應逆向進行，直到Q Kc才會平衡。

b.若QKc，則表示反應物濃度太高，故反應正向進行，直到Q Kc才會平衡。

c.若Q Kc，則表示反應已達平衡。

1.試寫出下列各反應之平衡常數⁽Kc⁾的表示法：

(1)AgBr(_s) ^2SO3²(^_aq) Ag(S₂O₃)³₂^₍_aq₎ Br₍^_aq₎ (2)Zn(_s) ^2Ag(^_aq) Zn₍²_aq^₎ 2Ag₍_s₎

2.於400^oC 時，有反應N2(_g)3H2(_g) 2NH₃₍_g₎，其平衡常數K 1.6410^⁴atm^²，如改成以莫耳濃度(C_M)為單位，則此溫度下的Kc ^？

3.已知，反應 A2(_g) 3B2(_g) 2AB₃₍_g₎，於₇₂₇^o_C的分壓平衡常數為Kp，則其濃度平衡常數Kc應等於 (A)Kp (B)

1 (C)(1000R)Kp (D)(1000R)²Kp。

4.將COCl2 g( )置於一2 升容器中，並加熱使其分解成CO及Cl₂；今達平衡時， M

COCl ] 4

[ ₂  。若再添加COCl2 g( )氣體於容器中並使再其度達到平衡，測得 M

COCl ] 16

[ ₂  。問再度達到平衡時的^[CO^]與首次平衡時的^[CO^]的比值是 (A)1 (B)2 (C)3 (D)4 。

5.定溫下，反應AB C ，當反應系統中所加入的反應物濃度^{[ A}^]與^[B^]皆變成原

6.下列各反應的正反應，於達平衡時最接近完全反應的是 (A)AgI( s) Ag₍^_aq₎I₍^_aq₎，^K_c ^¹^.⁵^¹⁰^¹⁶

(B)CH3COOH(aq) CH₃COO₍^_aq₎ H₍^_aq₎，^K_c ^¹^.⁸^¹⁰^⁵ (C)CaO(s) CO2(g) CaCO₃₍_s₎ H₍^_aq₎，^K_c ^²^.⁸^¹⁰²

(D)Cu₍²_aq^₎ 4NH₃₍_aq₎ Cu(NH₃)²₄^₍_aq₎，^K_c ^²^.⁰^¹⁰¹⁴

7.已知，25^oC 時，反應PCl5 g( ) PCl₃₍_g₎ Cl₂₍_g₎的^Kp 0.20^atm。今在一密閉容器中通入PCl5 g( )，當反應達平衡時，系統的總壓為3.0atm，則PCl5 g( )的解離率是多少？

8.將6.0mol的氮氣與16.0mol的氫氣裝於一個 L2 的容器中。並將此混合物維持於 K

638 ，直到呈平衡。經分析得知，產生8.0mol的氨。則該溫度下，反應的Kc ^？

二.平衡常數與化學反應方程式的關係：

1.方程式逆向，平衡常數變成倒數：

c K

K 1

 。

2.方程式

 n

倍，平衡常數則變成

n

次方：K_c (K_c)ⁿ。 3.方程式相加，則平衡常數相乘：Kc Kc1Kc2。 4.方程式相減，則平衡常數相除：Kc Kc1Kc2。

三.平衡常數與反應速率常數的關係：若反應方程式aAbB cCdD是一步驟完成反

12.已知，1500^oC時，反應H2(g)CO2(g) H₂O₍_g₎ CO₍_g₎，Kc ^⁴^.⁰；2H2O(_g) )

( ) 2 2(

2H _g O _g _， K_c 5.010^¹⁰M ，求1500^oC時反應2CO(_g) O2(_g) 2CO₂₍_g₎

的平衡常數。

13. 反應 CaCO3 s( ) CaO₍_s₎ CO₂₍_g₎的平衡常數 ^Kp ¹^.¹⁶^atm⁽⁸⁰⁰^o^C⁾。試計算將

g 0 .

20 的碳酸鈣置於10.0L的真空容器中，加熱至800^oC，而達到平衡時，則未發生反應的碳酸鈣百分率是多少？

14.已知，反應 A2 B 的平衡常數K 10，則下列有關此反應的敘述中，正確的是 (A) 平衡時^[B^]為^{[ A}^]的10倍 (B) 平衡時^{[ A}^]為^[B^]的10倍 (C) 平衡時^[B^]為

[ A 的10倍(D)平衡時^{[ A}^]²為^[B^]的10倍。

15.將0.03mol的CO2 g( )與0.03mol的碳同置於1.64L的真空密閉容器中，加熱至

727 進行反應，CO2(g) C(s) 2CO₍_g₎，維持定溫下達平衡時，測得其混合氣體的平均分子量為36，則

(1)此溫度之Kp ^？

(2)欲使容器中的碳在平衡時剩 3

1，則反應前加入的CO₂應改成多少莫耳？

16.於某溫度時， HI 有20%會進行下列反應，2HI( )_g H_{2( )}_g I_{2( )}_g 。若將0.5mol的 HI 於此溫度下置入容器中，當平衡時，

(1)該反應之平衡常數是多少？

(2)混合物中所存在的各成分莫耳數是若干？

17.於25^oC 時，5mol的 A 及5mol的 B 在體積 1 升之密閉容器中混合，反應達平衡時，生成1mol的C 與1mol的 D ，則

(1)計算A(g)B(g) C₍_g₎ D₍_g₎的平衡常數⁽Kc⁾。

(2)25^oC 時，將莫耳數皆為4 莫耳的 A 、B 、C 、D 四種氣體混合於 1 升密閉容器中，

反應達平衡時 A 的濃度若干？

18.某特定濃度的化合物A，在定溫時有20％解離，其反應式如下，2A( )_g 3B_{( )}_g C_{( )}_g 。

在同一溫度下，若初時有1.5mol的B( )g 與0.5mol的C( )g 存在，則平衡時，混合物的總莫耳數是多少？

19.在定溫、定容下，何者可以判斷下列二反應皆已達平衡狀態？

(a)顏色不變(b)分壓不變(c)總壓不變(d)總質量不變(e)各物濃度不變(f)密度不變(g)總莫耳數不變。

(甲)N O2 4( )g 2NO_{2( )}_g (乙)H2( )g I2( )g 2HI_{( )}_g

<Homework 4-2>

9.於25^oC時H2(g) I2(g) 2HI₍_g₎的Kp ^⁸^.²^¹⁰²，則HI( g)的分解百分率是多少？

4-3 平衡移動的原理

當一平衡系統處於平衡時(正、逆反應速率相等)，若改變了溫度、濃度、壓力時，會使得正、逆反應的反應速率變成不一樣，而使得平衡發生了移動；催化劑雖然可改變反應速率，但對於正、逆反應是等量影響，所以無法使平衡發生移動。而法國科學家勒沙特列，則針對濃度、溫度、壓力對平衡移動的影響，提出了勒沙特列原理。

一.勒沙特列原理：當反應條件(溫度、壓力、濃度)發生改變時，會使得平衡發生移動；

而平衡移動的原則是反應往減少此外加因素方向移動，並使其達到一種新的平衡狀態。

二.濃度對平衡的影響：多了就用；少了就給。

1.增加反應物濃度或減少生成物濃度，則平衡往生成物方向移動。

2.增加生成物濃度或減少反應物濃度，則平衡往反應物方向移動。

3.加入平衡系統中的固態物種，則因為沒有影響該系統的濃度，故平衡不移動。

4.以A(g)B(g) C₍_g₎ D₍_g₎為例；當平衡時，再加入 A 時，正反應速率會因為增加反 應分子 A 而增快，因此破壞了平衡(往右移動)，而隨著反應往進行，也導致了C、 D 濃度增加，因此逆反應速率亦隨之增加。最後又趨於平衡狀態，平衡後各物種濃 度有增有減，但

] ][

[

] ][

[ B A

C 的比值，則沒有變化，整個過程的速率與時間關係圖，如圖43、濃度與時間關係圖，如圖4 所示。4

圖 43 速率與時間關係圖圖4 濃度與時間關係圖4 三.壓力對平衡的影響：加壓往氣體係數和小移動；減壓往氣體係數和大移動。

1.反應方程式兩邊氣體係數和相等者：不論加壓或減壓平衡都不移動。以H2(g) I2(g) )

2HI(_g 為例，加壓時的速率與時間變化關係圖，如圖45、濃度與時間變化關係圖，如圖4 6 ；減壓時的速率與時間變化關係圖，如圖4 7 、濃度與時間變化關係圖，如圖4 8 。

加壓時

圖45 反應速率與時間的關係圖圖46 濃度與時間變化關係圖

減壓時

圖4 7 反應速率與時間的關係圖圖4 8 濃度與時間變化關係圖 2.若反應方程式兩邊氣體係數和不相等者：以反應3H2(_g) N2(_g) 2NH₃₍_g₎為例；當

壓力增加時，平衡往氣體係數和小者移動(往右)，速率與時間變化關係圖，如圖 4 9 、濃度與時間變化關係圖，如圖4 10 ；若減壓，則平衡往氣體係數和大者移動(往左)，速率與時間變化關係圖，如圖4 11 、濃度與時間變化關係圖，如圖

4 12 。

加壓時

圖4 9 反應速率與時間的關係圖圖4 10 濃度與時間變化關係圖

減壓時

圖4 11 反應速率與時間的關係圖圖4 12 濃度與時間變化關係圖 3.縮小容器體積，增加氣相反應系統的總壓，則平衡往氣體總莫耳數較小(氣體係數總

和較小)的一方移動，使反應系統總壓下降，才可再次達平衡。

4.增加容器體積，減少氣相反應系統的總壓，則平衡往氣體總莫耳數較大(氣體係數總和較大)的一方移動，使反應系統總壓增加，才可再次達平衡。

5.若氣相反應系統，兩邊的氣體莫耳總數相等(體係數總和相等)，則不論加壓或減壓，

平衡均不發生移動。

6.當加入惰性氣體於平衡系統中，則

物種的分壓(濃度)均變小，故平衡會往氣體總莫耳數大的方向移動。

(2)定容下加氦(反應系統的體積固定)，雖然總壓增加，但平衡系統中的每一物種的分壓(濃度)均不變，故平衡不會發生移動。

7.加壓於凝相平衡系統中，則平衡往體積小、密度大的一方移動。

四.溫度對平衡的影響：增溫往吸熱，降溫往放熱。

1.溫度升高，不論吸熱或放熱反應，其正、逆反應速率均會增加，但對吸熱反應的影響比放熱大；所以，正、逆反應的速率增加量不一樣，故會造成平衡的移動；而溫

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