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分压平衡常数

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压平 常数
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1 3 2 平衡常數 2 基礎化學 三 平衡常數 3 2 化學反應達到平衡時 反應進行的程度可能有 很大的差異 有些幾近 完全 反應才達平衡 有些則進行極小的程度即達平衡 這些反應 之間的差異 都可以用平衡常數來表達 3 2 1 平衡常數表示式 3 2 2 分壓平衡常數 3 2 3 勻相平衡與不勻相平衡 3 2 4 平衡常數的應用 3 基礎化學 三 平衡常數表示式3 2 1 化學是一門實驗的科學 化學平衡概念的發展便 是如此 1864 年 挪威化學家古柏格 C M Guldberg 1836 1902 和威格 P Waage 1833 1900 在研究許多化學反應之後發現 當一個可逆反應在定溫時達平衡 其產物濃度的 係數次方之乘積與反應物濃度的係數次方之乘積 的比值恆為一常數 4 基礎化學 三 平衡常數表示式3 2 1 以可逆反應 aA g bB g cC g dD g 說明 lA B 為反應物 C D 為產物 a b c d 分別為係數 當此反應達平衡時 各物質濃度間有如式 A B C D 為各物質之體積莫耳濃度 平衡常數表示式 平衡常數 5 基礎化學 三 平衡常數表示式3 2 1 1 平衡常數表示式的表示法係根據化學反應式 而來 平衡常數隨反應式而變 平衡常數表示式 1 反應式逆寫 平衡常數變為原平衡常數之倒 數 6 基礎化學 三 平衡常數表示式3 2 1 1 平衡常數表示式的表示法係根據化學反應式 而來 平衡常數隨反應式而變 平衡常數表示式 2 若反應式各物質係數皆乘以 n 倍 則其平衡 常數表示式成為 新平衡常數為原平衡常數之 n 次方 7 基礎化學 三 平衡常數表示式3 2 1 2 若一個反應是兩個或兩個以上相關反應的總 和 則其平衡常數為該個別反應的平衡常數 之乘積 例如 平衡常數表示式 K3 K1K2 式 1 式 2 得式 3 8 基礎化學 三 平衡常數表示式3 2 1 3 同理 當兩個反應式相減得第三個反應式時 第三個反應式之平衡常數 為該兩反應平衡常 數之商 例如 平衡常數表示式 式 3 式 1 得式 2 9 基礎化學 三 平衡常數表示式3 2 1 500 時 哈柏法製氨 N2 g 3H2 g 2NH3 g 所測得之實驗數據如下 不論各物質之初濃度為何 將達平衡時各物質平衡濃度 代入平衡常數表示式 所得平衡常數恆為 6 02 10 2 三組實驗中 每一組的平衡 濃度皆稱為一 個平衡位置 定溫下 一個 反應的平衡位 置有無限多個 但僅存在一 個平衡常數 10 基礎化學 三 範例 3 3 於 1000 K 時 反應 N2 g O2 g 2NO g 的平衡常 數為 5 0 10 9 在同溫下 4NO g 2N2 g 2O2 g 的平衡常數應為何 解答 將第一個反應式係數乘以 2 倍 再將反應式 逆寫 即成為第二個反應式 設第一個反應 式的平衡常數為 K1 第二個反應式的平衡 常數為 K2 11 基礎化學 三 練習題 3 3 若 A B C 的平衡常數為 4 0 2A D C 的平衡常數為 6 0 則 C D 2B 的平衡常數為何 A 0 38 B 0 67 C 1 5 D 2 7 E 9 0 則 2 可得 C D 2B 故 解答 12 基礎化學 三 分壓平衡常數 Kp 3 2 2 前述的平衡常數都是以平衡時各物質的濃度表示 常以 K 或 Kc 表之 若平衡系中有氣態物質者 也可用其分壓代替濃 度 所求得的平衡常數以 表示 稱為 哈柏法製氨反應 以分壓表示 其平衡常數表示 式為 Kp 分壓平衡常數 13 基礎化學 三 3 2 2 Kc 與 Kp 的關係 n c d a b 氣相平衡系 aA g bB g cC g dD g 分壓平衡常數 Kp 14 基礎化學 三 範例 3 4 光氣 COCl2 是一種戰爭用的毒氣 27 時 光 氣生成反應 CO g Cl2 g COCl2 g 的分壓平衡常 數 Kp 1 50 108 分壓皆以 atm 為單位 則其濃度 平衡常數 Kc 為何 解答 n 1 所以 Kc Kp RT 1 50 108 0 082 300 3 69 109 15 基礎化學 三 練習題 3 4 在 反應中 Kc 與 Kp 的關係為何 解答 4H2 g CS2 g CH4 g 2H2S g 將 n 1 2 4 1 2 代入 可得 Kp Kc RT 2 移項得 16 基礎化學 三 勻相平衡與不勻相平衡3 2 3 反應物與產物皆為同相者 此類反應稱為勻 相平衡 氣相的勻相平衡系中 各物質的濃度或分壓 均為可變量 故皆須表示在平衡常數表示式 中 但在水溶液系統的勻相平衡系中 常有水參 與反應 此時水的濃度幾乎不變 可視為常 數 故不列入平衡常數表示式中 17 基礎化學 三 勻相平衡與不勻相平衡3 2 3 以醋酸在水溶液中的解離反應為例 注意 水在非水溶液中必須列入表示式 18 基礎化學 三 勻相平衡與不勻相平衡3 2 3 在平衡系中 若各物質之狀態不只一相者 稱 為不勻相平衡 在不勻相平衡系中 固態及液態物質的濃度並 不隨反應進行而改變 故皆不列入平衡常數表 示式中 例如 工業上利用碳酸鈣的熱分解反應製造石 灰 在此反應中 碳酸鈣與石灰為固態物質 其 濃度為定值 故不列入平衡常數表示式中 19 基礎化學 三 勻相平衡與不勻相平衡3 2 3 開始時兩容器中含有不同量 的 CaCO3 和 CaO 但在同溫達平衡時 容器中 CO2 的分壓相同 20 基礎化學 三 勻相平衡與不勻相平衡3 2 3 又如固態物質銅與汞離子的反應 其平衡常數表示式中 不需表示固態物質銅 和液態物質汞的濃度 21 基礎化學 三 勻相平衡與不勻相平衡3 2 3 同樣的 水分解為氫氣及氧氣的反應 水的濃度為定值 亦不列入平衡常數表示式中 22 基礎化學 三 範例 3 5 寫出下列各反應的平衡常數表示式 1 2 3 4 答 23 基礎化學 三 練習題 3 5 寫出下列各反應的平衡常數表示式 答 24 基礎化學 三 平衡常數的應用3 2 4 平衡常數大小表示一個反應達到平衡時的反 應程度 平衡常數極大的反應 表示達平衡時 其反 應物幾乎完全變為產物 反之 平衡常數很小的反應 表示達平衡時 僅有很少量的產物生成 產率很低 一 判斷反應進行的程度 25 基礎化學 三 平衡常數的應用3 2 4 二 預測反應進行的方向 反應進行的方向可以用反應商 Q 與平衡 常數比較來判斷 以反應通式 aA bB cC dD 為例 將反應過程中各物質的濃度代入 26 基礎化學 三 平衡常數的應用3 2 4 Q 與 K 的關係 1 Q K 反應 處於平衡狀態 2 Q K 反應 會向左進行 使 Q 值減小 直至平衡 3 Q K 反應 會向右進行 使 Q 值增加 直至平衡 表示產物的濃度較平衡時為大 表示產物的濃度較平衡時為小 27 基礎化學 三 平衡常數的應用3 2 4 以碳酸鉛的分解反應為例 其平衡常數表示式為 在定溫下的密閉容器 其中所加入 PbCO3 之質量 與容器中 CO2 的濃度關係如下圖 A 點表示容器中 CO2 的濃 度大於平衡濃度 即 Q K 故平衡須向左移動 直至 CO2 濃度降低至平衡濃度 即 Q K 28 基礎化學 三 平衡常數的應用3 2 4 以碳酸鉛的分解反應為例 其平衡常數表示式為 在定溫下的密閉容器 其中所加入 PbCO3 之質量 與容器中 CO2 的濃度關係如下圖 B 點表示容器中 CO2 的濃 度小於平衡濃度 即 Q K 故平衡須向右移動 直至 CO2 濃度增加至平衡濃度 即 Q K 29 基礎化學 三 平衡常數的應用3 2 4 再以氧化鎘被氫氣還原的反應為例 其平衡常數表示式為 以 H2O 對 H2 作圖 關係如下圖 在平衡時 H2O 與 H2 成正比 A 點表示 H2O 與 H2 比值小 於平衡時 即 Q K 故平衡須向右移動 使 Q K B 點則使平衡向左移動 30 基礎化學 三 範例 3 6 某溫度時 反應 H2 g I2 g 2HI g 之 Kc 100 一密閉容器中 H2 I2 及 HI 的濃度依序為 1 0 M 1 0 M 及 4 0 M 回答下列問題 1 反應將向何方向進行 2 達到平衡時 各物質的濃度分別為何 31 基礎化學 三 範例 3 6 解答 1 將 H2 1 0 M I2 1 0 M HI 4 0 M 代入反應商關係式中 因為 Q K 故反應向右進行 32 基礎化學 三 範例 3 6 2 設 H2 及 I2 反應掉 x M 可達平衡 解得 x 0 50 M 將平衡濃度代入平衡常數表示式 H2 0 50 M I2 0 50 M HI 5 0 M 故平衡時 解答 33 基礎化學 三 練習題 3 6 在反應 A g 2B g E g 2F g 中 A 及 B 的初 濃度均為 2 00 M 平衡時測得 A 的濃度為 1 20 M 回答下列問題 1 平衡時 B E 及 F 的濃度各為若干 2 平衡常數 Kc 值為若干 3 此反應之 Kp 與 Kc 值是否相等 為什麼 34 基礎化學 三 練習題 3 6 已知 A 的初濃度為 2 00 M 達平衡時為 1 20 M 故反應量 為 0 80 M 則其餘物質之反應量與平衡濃度如下 1 平衡時 B 0 40 M E 0 80 M F 1 60 M 2 將平衡濃度代入平衡常數表示式中 解得 3 相等 因為化學反應式中 左邊氣體的係數總和與右邊氣 體的係數總和相等 解答 35 基礎化學 三 範例 3 7 已知 Pu4 aq F aq PuF3 aq 之平衡常數 Kc 6 0 106 滴加 KF aq 於含 1 0 10 3 M 之 Pu4 aq 中 直到 F 的濃度為 0 10 M 時 Pu4 的濃度為若干 M 36 基礎化學 三 範例 3 7 因為 Kc 值甚大 幾乎完全反應 故達平衡時 Pu4 幾乎完 全用盡 故將 Pu4 完全反應成 PuF3 再向左反應達平衡 設達平衡時 Pu4 x M 因 Kc 極大 故 x 1 0 10 3 即 1 0 10 3 x 1 0 10 3 將平衡濃度代入平衡常數表示式 解得 x 1 7 10 9 M 解答 37 基礎化學 三 練習題 3 7 定溫時 反應 2Ag s Cu2 aq Cu s 2Ag aq Kc 1 0 10 16 將銀片放入 1 0 M 的硫酸銅溶 液中 達平衡時 Ag 的濃度為何 38 基礎化學 三 練習題 3 7 因為平衡常數極小 故 Cu2 幾乎不反應 因 Kc 極小 故 1 0 1 2x 1 0 將平衡濃度代入平衡常數表示式中 即 解得 x 1 0 10 8 M 解答 39 基礎化學 三 學習成果評量 1 寫出以下反應的平衡常數表示式 1 4NH3 g 5O2 g 4NO g 6H2O g 2 Zn s CuSO4 aq Cu s ZnSO4 aq 3 AgCl s Ag aq Cl aq 40 基礎化學 三 學習成果評量 4 CH3COOH l C2H5OH l CH3COOC2H5 l H2O l 5 Cl2 g H2O l H aq Cl aq HClO aq 6 CH3COOH aq OH aq CH3COO aq H2O l 41 基礎化學 三 學習成果評量 2 在 400 時 反應 N2 g 3H2 g 2NH3 g Kc 0 5 當放入 1 mol N2 3 mol H2 和 2 mol NH3 於 2 L 燒瓶中 加熱至 400 回答以下問題 2 1 氫氣的瞬時消耗速率求出此時的 Qc 3 2 會發生何種反應 向左 已平衡 向右 1 N2 1 2 0 5 M H2 3 2 1 5 M NH3 2 2 1 M 2 Qc Kc 所以反應向左進行 解答 42 基礎化學 三 學習成果評量 3 在127 同一容器中濃度同為 0 80 M 之兩反應 物 A 及 B 進行 A g B g 2C g 2D g 達平衡 時測得 C 0 60 M 則 1 A 之平衡濃度為若干 M 3 2 平衡常數 Kc 為何 4 3 平衡常數 Kp 為何 1 A g B g 2C g 2D g 0 80 M0 80 M0 M0 M 0 30 M 0 30 M 0 60 M 0 60 M 0 50 M0 50 M0 60 M0 60 M 解答 43 基礎化學 三 學習成果評量 3 在127 同一容器中濃度同為 0 80 M 之兩反應 物 A 及 B 進行 A g B g 2C g 2D g 達平衡 時測得 C 0 60 M 則 1 A 之平衡濃度為若干 M 3 2 平衡常數 Kc 為何 4 3 平衡常數 Kp 為何 2 A g B g 2C g 2D g 0 50 M0 50 M0 60 M0 60 M 解答 44 基礎化學 三 學習成果評量 3 在127 同一容器中濃度同為 0 80 M 之兩反應 物 A 及 B 進行 A g B g 2C g 2D g 達平衡 時測得 C 0 60 M 則 1 A 之平衡濃度為若干 M 3 2 平衡常數 Kc 為何 4 3 平衡常數 Kp 為何 3 解答
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