1 宣道中學 化學測驗 化學平衡 S.6S 24/11/2008 1. 考慮以下氣態平衡(gaseous equilibrium): PCl5(g)
⇌
PCl3(g) + Cl2(g) ∆H = +88 kJ 預測下列各反應狀態(reacting conditions)的改變,對以上反應的平衡位置(position of equilibrium)會有甚麼影響。 並以反應速率(rate of reaction)的變化解釋你的答案。 (a) 增加溫度(temperature) (b) 增加總壓強(pressure) (c) 加入少量的 Cl2(g) (d) 加入少量的 PCl5(g)(e) 加入合適的正催化劑(positive catalyst)
2. 在 140°C 以下,氣態的氧化氮(IV) (gaseous nitrogen(VI) oxide),NO2 是由 NO2(g) 與
N2O4(g) 的平衡混合物組成的。 (a) 試指示涉及在平衡中的兩種物質的顏色。 (b) (i) 當 N2O4(g) 及 NO2(g) 的平衡混合物由室溫開始加熱至 100°C,顏色便會變 深。而冷卻時顏色便會轉淡。下列反應的 ∆H 是正號還是負號? N2O4(g)
⇌
2NO2(g) (ii) 若增加對該平衡混合物的壓強,它的顏色有甚麼變化? (c) 試述下列的改變時平衡常數的值和 N2O4(g) 及 NO2(g) 的平衡濃度有甚麼影響?(i) 該平衡混合物(equilibrium mixture)的體積減半;
(ii) 對平衡混合物加熱。
在一測定下列可逆反應(reversible reaction)的平衡常數(equilirbium constant),Kc 的
實驗中,
2HI(g)
⇌
H2(g) + I2(g)將 0.21 g 碘化氫(hydrogen iodide)放在體積為 100 cm3 的球形瓶(spherical vessel)中, 然後加熱至 530°C。然後將此瓶放入碘化鉀溶液中打破。其中的碘(iodine)需 4.0 cm3 0.1 M 硫代硫酸鈉溶液(sodium thiosulphate solution)與它反應。
(d) 雖然我們想測量在 530°C 的碘量,但為何在室溫下吸收碘仍可接受?
(e) 由上述資料,計算上述平衡在 530°C 的平衡常數。
(f) 若該球形瓶的體積由 100 cm3 增至 200 cm3,問下列各項的值與前者比較有何變
化?
(i) 在平衡時碘的摩爾數(mole number)。
(ii) 此反應的平衡常數。
2
3. 一元酸 (monobasic acid)X(摩爾質量(molar mass) = 125 g mol-1)能夠在水和苯(benzene)
中溶解。把 3 g 的 X 與 50 cm3 的苯和 50 cm3 的水搖勻,直至完全溶解,發現 25.0 cm3 的 水溶液層(aqueous layer)需要 17.5 cm3
的 0.5 M 氫氧化鈉(sodium hydroxide)水溶液來 中和(neutralise)。計算 X 在水與苯之間的分配系數(distribution coefficient)。
4. (e) 乙酸(ethanoic acid)與乙醇(ethanol)的反應可以用下列方程式表示: CH3COOH(ℓ) + C2H5OH(ℓ)
⇌
CH3COOC2H5(ℓ) + H2O(ℓ)12.01 g 的乙酸與 4.61 g 的乙醇在有催化劑(catalyst)的情況下反應。在 298 K,當 反應達到平衡時,5.04 g 的乙酸已經反應。 (i) 寫出使這反應依正向進行的一個合適催化劑的名稱。 (ii) 計算這反應在 298 K 時的平衡常數(Kc)。 (iii) 要再使 0.60 g 的乙酸發生反應,需要另外加入多少質量的乙醇? (iv) 加入更多同一的催化劑會否影響 Kc 的值?請解釋。 (7 分)
3 1. (a) 增加反應體系的溫度,將會增加正反應速率和逆反應速率。而正反應為吸熱反應, 溫度提升將使正反應速率增加幅度較大。故此平衡位置向右轉移。 (b) 增加總壓強令反應體系的各氣態物種濃度增加,正反應速率和逆反應速率同時增 加。而逆反應產生較少分子,故逆反應速率增加較高。故此平衡位置向左轉移。 (c) 加入少量的 Cl2(g) 會使體系的逆反應速率增加,從而使平衡位置向左轉移。 (d) 加入少量的 PCl5(g) 會使體系的正反應速率增加,從而使平衡位置向右轉移。 (e) 加入合適的正催化劑會同時令體系的正反應速率和逆反應速增加。增加速率的程度 相同,平衡位置保持不變。 2. (a) NO2(g) 紅棕色, N2O4(g) 無色或淺黃色 (b) (i) 加熱時,平衡位置向 NO2(g) 的一方移動。即加熱會向吸熱的一方移動,所 以 ∆H 是正值。 (ii) 增加壓強時,平衡混合物的顏色會先變深 (體積減少的緣故),但隨後顏色 會稍微變淡 (平衡位置向 N2O4(g) 一方移動)。 (c) (i) 平衡混常數值不變。 體積減半 (壓強增大),平衡位置向 N2O4(g)
⇌
2NO2(g) 右移。但兩者的濃度都增大,因為體積減少的緣故。 (ii) N 2O4(g)⇌
2NO2(g) 正向:吸熱 逆熱:放熱 將平衡混合物加熱,平衡位置向吸熱的一方移動,所以 平衡常數增大 NO2 的平衡濃度增加,N2O4 的平衡濃度減少。 (d) 因為我們假設平衡位置的移動是需要一段時間。所以我們只需迅速用碘化鉀將碘 吸收,其誤差仍可接受。 (e) I2 + 2S2O32-→ S4O62- + 2I- I2的摩爾數 = 0.1×4×10-3×0.5 = 2×10-4 mol 原來 HI的摩爾數 = 1.64×10-3 mol ∴ 2HI(g)⇌
H2(g) + I2(g) 1.64×10-3 0 0 1.64×10-3 - 2×10-4 2×10-4 2×10-4 ∴ Kc = (2×10-4)2 / (1.44×10-3)2 = 0.0193 (f) (i) 碘的摩爾數不變。因為反應方程式兩邊氣態物的分子數相同,減壓對平衡 位置並無影響。 (ii) 平衡常數不變。因為平衡常數是溫度的函數。4 3. 在滴定中,NaOH(aq) 的摩爾數 = 0.5 M × 17.5 × 10-3 dm3 = 8.75 × 10-3 mol X 在 25 cm3 水溶液層中的摩爾數 = 8.75 × 10-3 mol 在分配平衡,X 在 50 cm3 水溶液層中的摩爾數 = 8.75 × 10-3 × 2 mol = 0.0175 mol 水溶液層中的 [X] = 3 3 dm 10 50 mol 0175 . 0 − × = 0.35 M X 的總摩爾數 = 1 -mol g 125 g 3 = 0.024 mol X 在苯中的摩爾數 = (0.024 – 0.0175) mol = 6.5 × 10-3 mol 苯層中的 [X] = 3 3 3 dm 10 50 mol 10 5 . 6 − − × × = 0.13 M KD = [X] 水層中的 [X] 苯層中的 = M 0.35 M 13 . 0 = 0.371
4. (e) (i) 濃硫(VI) 酸 /氫氯酸 / HCl氣體 1
(ii) CH 3CO2H + C2H5OH
⇌
CH3CO2C2H5 + H2O 起始摩爾數 052 . 60 01 . 12 068 . 46 61 . 4 0 0 ½ = 0.2 = 0.1 ½5 平衡摩爾數 052 . 60 04 . 5 01 . 12 − 0.1 – 0.084 0.084 0.084 ½ = 0.116 = 0.016 ½ Kc = 3.80 016 . 0 116 . 0 ) 084 . 0 ( 2 = × (沒有單位) (接受 3.70 – 3.80) 1 (答案數值給 ½ 分;單位給 ½ 分。) (iii) 0.6g 的 乙酸 = 0.01 mol CH3CO2H + C2H5OH