平衡常數 Keq 的計算與反應方向|HSC 化學

學習如何計算平衡常數、使用 ICE 表求出未知的平衡濃度,並透過比較 Qc 與 Keq 預測反應方向。內容包括詳細的解題示例,以及具挑戰性的 HSC 風格練習題與完整解答。

一個密封燒瓶中含有氫氣、碘和碘化氫。在此溫度下,平衡常數為 \(K_c=49\)。在某一瞬間,各物質的濃度如下:

  • \([\ce{H2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{I2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{HI}]=1.0\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)

碘化氫的濃度比任一反應物都高。你會預測碘化氫會分解,生成更多氫氣和碘嗎?

事實上,反應會朝正向進行,生成更多碘化氫。

原因在於,平衡取決於特定的濃度比值,而不是哪一種物質的濃度最高。對於這個反應,碘化氫的濃度需要平方:

\[ \frac{[\ce{HI}]^2}{[\ce{H2}][\ce{I2}]} = \frac{(1.0)^2}{(0.20)(0.20)} =25 \]

目前的比值是 25,但混合物要達到平衡,比值必須增加至 49。正向反應會提高這個比值,使系統逐漸趨近平衡。

這就是計算 \(K_{eq}\) 和預測反應方向的核心概念。你需要知道反應在平衡時所要求的比值,計算目前的比值,再將兩者進行比較。

一個密封燒瓶內含有示意性的氫分子、碘分子,以及數量較多的碘化氫分子。濃度標示為 H₂ = 0.20、I₂ = 0.20、HI = 1.0 mol L⁻¹,且 Kc = 49。
燒瓶中 HI 的濃度是任一反應物的五倍,但平衡常數取決於完整的濃度比值。

01平衡常數實際上代表甚麼?

想像你正在調製一杯濃縮果汁飲料。食譜可能要求一份果汁濃縮液配四份水。單憑知道水的份量比濃縮液多,並不能判斷混合物的濃度是否符合要求。你需要將實際比例與食譜要求的比例進行比較。

平衡常數的原理也類似。它描述的是反應達到平衡時,生成物與反應物濃度之間的特定比值。

對於一般的可逆反應:

\[ aA+bB\rightleftharpoons cC+dD \]

平衡常數的表示式為:

\[ K_c=\frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} \]

每個符號都有特定的意思:

  • \(K_c\) 是使用濃度計算的平衡常數。
  • 方括號代表平衡濃度,單位為 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
  • \(a,b,c,d\) 是配平化學方程式中的化學計量係數。
  • 生成物寫在分子。
  • 反應物寫在分母。

最重要的一點是,配平後的化學方程式決定了平衡表示式中的指數。

係數為 2,代表該物質的濃度需要平方;係數為 3,則代表需要立方。

例如,考慮以下反應:

\[ \ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)} \]

其平衡表示式為:

\[ K_c=\frac{[\ce{SO3}]^2} {[\ce{SO2}]^2[\ce{O2}]} \]

注意,\(\ce{SO2}\) 和 \(\ce{SO3}\) 的係數 2 會變成指數。你並不是將它們的濃度乘以 2。

2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ 的分子結構示意圖,展示兩個呈彎曲形的二氧化硫分子、一個雙原子氧分子,以及兩個呈三角平面形的三氧化硫分子。硫原子以藍色表示,氧原子以珊瑚色表示。
配平後的化學方程式顯示,兩個呈彎曲形的 SO₂ 分子與一個 O₂ 分子反應,生成兩個呈三角平面形的 SO₃ 分子。

另外還有兩項值得記住的規則:

  • 純固體和純液體不會列入平衡表示式,因為它們的濃度實際上保持不變。
  • 只有平衡濃度才能代入 \(K_c\)。如果題目提供的是初始濃度,你必須先計算平衡濃度。

在 HSC 的計算題中,使用 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) 作為濃度單位。平衡常數通常以數值表示,而沒有一個通用且固定的單位。

如果你對如何根據配平後的化學方程式寫出平衡表示式仍不太熟悉,可以複習均相反應的平衡表示式。

02根據平衡濃度計算 Keq

當題目提供所有物質在平衡時的濃度,計算 \(K_{eq}\) 通常相當直接。

你需要:

  1. 寫出配平後的化學方程式。
  2. 建立平衡表示式。
  3. 代入平衡濃度。
  4. 計算數值。

例題:計算三氧化硫生成反應的 Keq

對於以下反應:

\[ \ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)} \]

平衡濃度如下:

  • \([\ce{SO2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{O2}]=0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{SO3}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)

計算 \(K_c\)。

步驟 1

\[ K_c=\frac{[\ce{SO3}]^2} {[\ce{SO2}]^2[\ce{O2}]} \]

步驟 2

\[ K_c=\frac{(0.40)^2} {(0.20)^2(0.10)} \]

步驟 3

\[ K_c=\frac{0.160}{0.0040} \]

\[ \boxed{K_c=40.0} \]

數值 40 表示在此溫度下,平衡時生成物較受偏向。

然而,這並不代表反應已經完全進行。系統中仍然會存在一些二氧化硫和氧氣。

另外,請留意指數的重要性。如果忘記將其中一個濃度平方,就會得到錯誤答案。

03使用 ICE 表找出未知的平衡濃度

有時,題目會提供初始濃度和平衡常數 \(K_{eq}\),但要求你計算某種物質在平衡時的濃度。

你不能直接將初始濃度代入平衡表示式。

相反,你需要計算反應進行期間各物質的濃度如何改變。

這時,ICE 表就非常有用。

ICE 代表:

  • I-初始(Initial): 反應開始時的濃度。
  • C-變化(Change): 反應進行時,各物質濃度的變化。
  • E-平衡(Equilibrium): 達到平衡後的最終濃度。

關鍵在於,填寫變化一行時,必須使用配平化學方程式中的化學計量係數。

例如:

\[ \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)} \]

每消耗 1 莫耳氫氣,就會消耗 1 莫耳碘,並生成 2 莫耳碘化氫。

因此,如果氫氣的濃度減少 \(x\),碘的濃度也會減少 \(x\),而碘化氫的濃度則會增加 \(2x\)。

例題:使用 Keq 計算平衡濃度

在某一特定溫度下,以下反應的平衡常數為:

\[ \ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)} \]

其 \(K_c=9.0\)。

初始濃度如下:

  • \([\ce{H2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{I2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{HI}]=0.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)

計算每種物質在平衡時的濃度。

步驟 1

由於初始時沒有碘化氫,因此反應會朝正向進行。

令 \(x\) 代表被消耗的氫氣濃度。

\(\ce{H2}\)\(\ce{I2}\)\(\ce{HI}\)
初始(M)1.001.000.00
變化(M)\(-x\)\(-x\)\(+2x\)
平衡(M)\(1.00-x\)\(1.00-x\)\(2x\)

這裡的 \(+2x\) 非常重要。根據配平後的化學方程式,每消耗一定量的氫氣,就會生成兩倍量的碘化氫。

步驟 2

對於此反應:

\[ K_c=\frac{[\ce{HI}]^2} {[\ce{H2}][\ce{I2}]} \]

代入 ICE 表中的數值:

\[ 9.0=\frac{(2x)^2} {(1.00-x)(1.00-x)} \]

化簡:

\[ 9.0=\frac{4x^2}{(1-x)^2} \]

步驟 3

取正平方根:

\[ 3=\frac{2x}{1-x} \]

重新整理:

\[ 3(1-x)=2x \]

\[ 3-3x=2x \]

\[ 5x=3 \]

\[ x=0.60 \]

步驟 4

將 \(x=0.60\) 代入平衡一行。

氫氣:

\[ [\ce{H2}]=1.00-0.60=0.40\ \mathrm{M} \]

碘:

\[ [\ce{I2}]=1.00-0.60=0.40\ \mathrm{M} \]

碘化氫:

\[ [\ce{HI}]=2(0.60)=1.20\ \mathrm{M} \]

因此:

\[ \boxed{[\ce{H2}]=0.40\ \mathrm{M}} \]

\[ \boxed{[\ce{I2}]=0.40\ \mathrm{M}} \]

\[ \boxed{[\ce{HI}]=1.20\ \mathrm{M}} \]

你可以將這些數值重新代入平衡表示式,檢查答案是否正確:

\[ K_c=\frac{(1.20)^2}{(0.40)(0.40)} =\frac{1.44}{0.16}=9.0 \]

計算所得的濃度符合題目提供的平衡常數。

最後還有一點:達到平衡並不代表反應已經停止。正向和逆向反應仍然持續進行,但兩者的速率相等。這就是為甚麼各物質的濃度能夠保持不變。

H₂ + I₂ ⇌ 2HI 的濃度隨時間變化圖。氫氣和碘的濃度同步由 1.00 mol L⁻¹ 降至 0.40 mol L⁻¹,而碘化氫的濃度則由零增加至 1.20 mol L⁻¹。三條曲線在達到平衡時均逐漸趨於水平。
達到平衡時,各物質的濃度逐漸保持穩定,此時正向和逆向反應仍持續進行,而且兩者的反應速率相等,並且均不為零。

04使用 Q 和 Keq 預測反應方向

現在考慮另一類題目。

題目會提供平衡常數及反應混合物目前的濃度,你需要判斷反應會朝正向還是逆向進行。

這時就需要用到反應商 \(Q_c\)。

反應商使用的表示式與 \(K_c\) 完全相同,但兩者有一個重要分別:

  • \(K_c\) 使用平衡濃度。
  • \(Q_c\) 使用目前時刻的濃度,無論系統是否已達平衡。

對於一般反應:

\[ aA+bB\rightleftharpoons cC+dD \]

反應商的表示式為:

\[ Q_c=\frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} \]

計算出 \(Q_c\) 後,將它與 \(K_c\) 比較。

可能出現三種結果。

比較結果淨反應方向會發生甚麼事?
\(Q_c<K_c\)正向(向右)生成更多生成物。
\(Q_c>K_c\)逆向(向左)生成更多反應物。
\(Q_c=K_c\)沒有淨變化系統已達平衡。

其原理很簡單。

如果 \(Q_c\) 小於 \(K_c\),代表目前混合物的生成物與反應物比值,低於平衡時所要求的比值。正向反應會提高這個比值。

如果 \(Q_c\) 大於 \(K_c\),代表混合物的比值高於平衡時所要求的數值。逆向反應會降低這個比值。

如果兩者相等,系統已經達到平衡。

三個等體積的 A + B ⇌ C 分子示意圖。反應物較多的混合物具有 Q < K,淨反應方向朝正向;處於平衡的混合物具有 Q = K,正向與逆向反應箭頭相等;生成物較多的混合物具有 Q > K,淨反應方向朝逆向。C 以彼此鍵結的 A-B 組合表示。
每個 C 粒子都是由 A-B 鍵結形成的組合;比較粒子數量的相對分布,可以看出為甚麼 Q 會決定淨反應方向。

例題:判斷反應方向

考慮以下反應:

\[ \ce{CO(g) + Cl2(g) <=> COCl2(g)} \]

在某一特定溫度下,\(K_c=5.0\)。

目前的濃度如下:

  • \([\ce{CO}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{Cl2}]=0.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{COCl2}]=0.30\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)

判斷反應會朝哪個方向進行。

步驟 1

\[ Q_c=\frac{[\ce{COCl2}]} {[\ce{CO}][\ce{Cl2}]} \]

步驟 2

\[ Q_c=\frac{0.30}{(0.20)(0.10)} \]

步驟 3

\[ Q_c=\frac{0.30}{0.020} \]

\[ Q_c=15 \]

步驟 4

\[ Q_c=15>K_c=5.0 \]

因此,反應會朝逆向進行。

系統會消耗氯化羰,並生成更多一氧化碳和氯氣。

留意一個有趣的現象:氯化羰的個別濃度最高,但反應仍然會朝逆向進行。反應方向取決於平衡表示式中的比值,而不是簡單比較個別物質的濃度。

05當濃度或體積改變時,Keq 會有甚麼變化?

這是 HSC 題目中另一個常見的混淆點。

假設一個系統最初處於平衡狀態。你加入更多反應物、移除部分生成物,或改變氣體混合物的體積。

濃度會改變,因此反應商也會改變。

然而,只要溫度維持不變,平衡常數就不會改變。

你可以使用以下可靠的解題方法:

  1. 計算擾動發生後、反應尚未作出回應時的新濃度。
  2. 將這些濃度代入反應商表示式。
  3. 將新的 \(Q_c\) 與保持不變的 \(K_c\) 比較。
  4. 預測淨反應方向。

例如,假設一個氣體平衡混合物的體積被壓縮至原來的一半,並且在壓縮過程中沒有反應發生,那麼每種氣體的濃度都會加倍。

但這並不代表 \(Q_c\) 一定保持不變。

為甚麼?因為濃度在分子和分母中所帶的指數可能不同。

對於以下反應:

\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]

\[ Q_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]

兩種濃度加倍時,分子會變成原來的兩倍,但分母會變成原來的四倍。因此,反應商會變成原來的一半。

這就是為甚麼計算 \(Q_c\),通常比單靠文字上的簡單規則預測平衡移動更可靠。

06Keq 計算中的常見錯誤

錯誤正確做法
使用初始濃度計算 \(K_c\)使用平衡濃度,或先透過 ICE 表計算平衡濃度。
將濃度乘以化學計量係數將濃度提升至相應化學計量係數的次方。
比較個別物質的濃度來預測反應方向計算 \(Q_c\),再將它與 \(K_c\) 比較。
假設較大的 \(K_c\) 代表反應已完全進行記住反應物和生成物都可以在平衡時繼續存在。
加入反應物或改變體積後,認為 \(K_c\) 會改變除非溫度改變,否則 \(K_c\) 保持不變。
擾動發生後仍使用原來的濃度計算新的濃度後,才評估 \(Q_c\)。

07練習題與解答

以下題目會由基本的平衡計算,逐步提升至較複雜的問題,當中結合 ICE 表、反應商,以及平衡系統受到擾動後的變化。

問題 1

考慮以下平衡反應:

\[ \ce{PCl5(g) <=> PCl3(g) + Cl2(g)} \]

在某一特定溫度下,平衡濃度如下:

  • \([\ce{PCl5}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{PCl3}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{Cl2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)

計算 \(K_{eq}\),並指出平衡時反應較偏向哪一方。

解答 1

\(K_{eq}=0.10\),因此平衡時較偏向反應物一方。

首先,寫出平衡表示式:

\[ K_c=\frac{[\ce{PCl3}][\ce{Cl2}]} {[\ce{PCl5}]} \]

代入平衡濃度:

\[ K_c=\frac{(0.20)(0.20)}{0.40} \]

\[ K_c=\frac{0.040}{0.40} \]

\[ \boxed{K_c=0.10} \]

由於平衡常數小於 1,因此平衡較偏向反應物。

這並不代表系統中完全沒有三氯化磷或氯氣,而是代表平衡位置較偏向反應物一方。

問題 2

考慮以下平衡反應:

\[ \ce{CO(g) + Cl2(g) <=> COCl2(g)} \]

在固定溫度下,\(K_c=5.0\)。

一個反應容器的初始物質濃度如下:

  • \([\ce{CO}]=0.60\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{Cl2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{COCl2}]=0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)

計算每種物質在平衡時的濃度。

解答 2

平衡濃度分別為:CO 的濃度為 \(0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),Cl2 的濃度為 \(0.20\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而 COCl2 的濃度為 \(0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。

首先,計算初始反應商:

\[ Q_c=\frac{0.20}{(0.60)(0.40)} \]

\[ Q_c=0.833 \]

由於 \(Q_c<K_c\),反應會朝正向進行。

令 \(x\) 代表被消耗的 CO 和 Cl2 濃度。

建立 ICE 表:

\(\ce{CO}\)\(\ce{Cl2}\)\(\ce{COCl2}\)
初始(M)0.600.400.20
變化(M)\(-x\)\(-x\)\(+x\)
平衡(M)\(0.60-x\)\(0.40-x\)\(0.20+x\)

將平衡濃度代入表示式:

\[ 5.0=\frac{0.20+x} {(0.60-x)(0.40-x)} \]

展開分母:

\[ 5.0=\frac{0.20+x} {0.24-x+x^2} \]

重新整理:

\[ 0.20+x=1.20-5x+5x^2 \]

\[ 5x^2-6x+1=0 \]

因式分解:

\[ (5x-1)(x-1)=0 \]

因此:

\[ x=0.20\quad\text{或}\quad x=1.00 \]

第二個解在物理上並不合理,因為它會令 CO 和 Cl2 的濃度變成負數。

因此:

\[ x=0.20 \]

將這個數值代入平衡一行:

\[ [\ce{CO}]=0.60-0.20=0.40\ \mathrm{M} \]

\[ [\ce{Cl2}]=0.40-0.20=0.20\ \mathrm{M} \]

\[ [\ce{COCl2}]=0.20+0.20=0.40\ \mathrm{M} \]

檢查平衡常數:

\[ K_c=\frac{0.40}{(0.40)(0.20)} =5.0 \]

計算所得的濃度符合題目提供的平衡常數。

問題 3

考慮哈柏法(Haber process):

\[ \ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)} \]

在 \(450^\circ\mathrm{C}\) 下,平衡常數為 \(K_c=8.0\)。

一個反應混合物目前含有:

  • \([\ce{N2}]=0.25\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{H2}]=0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{NH3}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)

計算 \(Q_c\),並判斷反應的淨方向。

解釋為甚麼直接比較氨的濃度與氮氣的濃度,會導致不可靠的預測。

解答 3

反應會朝正向進行,生成更多氨。

首先,寫出反應商的表示式:

\[ Q_c=\frac{[\ce{NH3}]^2} {[\ce{N2}][\ce{H2}]^3} \]

代入目前的濃度:

\[ Q_c=\frac{(0.40)^2} {(0.25)(0.50)^3} \]

計算:

\[ Q_c=\frac{0.160}{(0.25)(0.125)} \]

\[ Q_c=\frac{0.160}{0.03125} \]

\[ Q_c=5.12 \]

將結果與平衡常數比較:

\[ 5.12<8.0 \]

因此:

\[ \boxed{Q_c<K_c} \]

淨反應會朝正向進行,生成更多氨。

一個容易犯的錯誤,是留意到氨的濃度高於氮氣的濃度,便假設系統中的生成物過多。

然而,平衡表示式中的氫氣濃度需要提升至三次方。三種物質的濃度都會影響這個比值。

因此,必須使用完整的平衡表示式判斷系統,而不能只比較兩種個別物質的濃度。

問題 4

考慮以下平衡反應:

\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]

在固定溫度下,一個反應容器最初處於平衡狀態,其濃度如下:

  • \([\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  • \([\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)

在反應尚未有時間作出反應之前,容器的體積突然被壓縮至原來的一半。

計算新的反應商,並預測反應會朝哪個方向進行。

解釋為甚麼即使每種氣體的濃度都加倍,壓縮仍然會改變反應商。

兩個密封活塞氣缸內含有相同的五個彎曲形 NO₂ 分子和兩個 N₂O₄ 二聚體。初始容器的體積為 V,平衡濃度為 NO₂ = 0.40 mol L⁻¹ 和 N₂O₄ = 0.16 mol L⁻¹。第二個容器的活塞向下移動,使氣體體積恰好縮減至原來的一半,同時保留全部七個分子。
活塞將氣體體積減半,同時保留相同數量的分子,展示反應尚未有時間作出回應之前所發生的瞬間壓縮。

解答 4

反應會朝正向移動,生成更多 \(\ce{N2O4}\)。

首先,計算原來的平衡常數:

\[ K_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]

\[ K_c=\frac{0.16}{(0.40)^2} \]

\[ K_c=\frac{0.16}{0.16}=1.0 \]

溫度保持不變,因此 \(K_c\) 仍然是 1.0。

當體積減半時,每種氣體的濃度會立即加倍。

因此:

\[ [\ce{NO2}]=0.80\ \mathrm{M} \]

\[ [\ce{N2O4}]=0.32\ \mathrm{M} \]

計算新的反應商:

\[ Q_c=\frac{0.32}{(0.80)^2} \]

\[ Q_c=\frac{0.32}{0.64} \]

\[ Q_c=0.50 \]

比較兩個數值:

\[ Q_c=0.50<K_c=1.0 \]

因此,反應會朝正向進行。

重要的一點是,即使所有濃度都加倍,反應商也不一定保持不變。

分子會加倍,因為 \([\ce{N2O4}]\) 的化學計量係數為 1。

然而,分母會變成原來的四倍,因為 \([\ce{NO2}]\) 需要平方。

因此,\(Q_c\) 會降至原來的一半。

正向反應會消耗兩個二氧化氮分子,生成一個四氧化二氮分子。這也符合壓縮會使平衡偏向氣體粒子數目較少的一方的預測。

問題 5

考慮以下平衡反應:

\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]

一個初始體積為 \(1.00\ \mathrm{L}\) 的密封容器,在固定溫度下處於平衡狀態。

其平衡濃度如下:

\[ [\ce{NO2}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]

\[ [\ce{N2O4}]=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]

容器會經歷以下變化:

  1. 活塞迅速將容器擴大至 \(2.00\ \mathrm{L}\)。隨後,活塞被固定,在膨脹過程中不會發生反應。
  2. 一個理想的選擇性捕集器會移除 \(\ce{N2O4}\),直至其濃度降至 \(0.11\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。此捕集器不會移除任何 \(\ce{NO2}\)。

現在讓反應在固定的 \(2.00\ \mathrm{L}\) 體積下重新達到平衡。

回答以下問題:

(a) 使用原來的濃度計算平衡常數 \(K_c\)。

(b) 計算膨脹後、選擇性捕集器尚未運作之前的 \(Q_c\)。預測此階段的反應方向。

(c) 計算選擇性捕集器運作後新的 \(Q_c\)。預測此時的淨反應方向。

(d) 計算最終平衡時 \(\ce{NO2}\) 和 \(\ce{N2O4}\) 的濃度。解釋為甚麼兩個數學解中只有一個在物理上可行。

三個階段的密封活塞氣缸示意圖,內含彎曲形 NO₂ 分子和 N₂O₄ 二聚體。最初,1.00 L 的容器中兩者的濃度均為 1.00 mol L−1。快速膨脹使體積增加一倍至 2.00 L,同時保留所有分子,令兩者的濃度均降至 0.50 mol L−1。接著,選擇性捕集器只捕集 N₂O₄,使 NO₂ 的濃度維持在 0.50 mol L−1,而 N₂O₄ 的濃度降至 0.11 mol L−1。
膨脹會稀釋兩種氣體,但不會改變分子數量;隨後的選擇性移除只會捕集 N₂O₄,並讓 NO₂ 保留在容器內。

解答 5

選擇性捕集器運作後,反應會朝正向進行。最終平衡濃度為 \([\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而 \([\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。

這道題目較為困難,因為連續兩次變化會以相反的方式影響反應商。

你必須在每次變化後重新計算 \(Q_c\),而不是假設第一次擾動已經決定最終的反應方向。

部分 (a):計算原來的平衡常數。

平衡表示式為:

\[ K_c=\frac{[\ce{N2O4}]}{[\ce{NO2}]^2} \]

代入原來的平衡濃度:

\[ K_c=\frac{1.00}{(1.00)^2} \]

\[ \boxed{K_c=1.00} \]

由於溫度沒有改變,這個數值會保持不變。

部分 (b):計算膨脹後即時的 Q。

體積由 \(1.00\ \mathrm{L}\) 增加至 \(2.00\ \mathrm{L}\)。

由於兩種反應氣體的莫耳數尚未改變,因此兩者的濃度都會減半。

因此:

\[ [\ce{NO2}]=0.50\ \mathrm{M} \]

\[ [\ce{N2O4}]=0.50\ \mathrm{M} \]

計算反應商:

\[ Q_c=\frac{0.50}{(0.50)^2} \]

\[ Q_c=2.00 \]

比較:

\[ Q_c=2.00>K_c=1.00 \]

膨脹後,反應會立即朝逆向進行,生成更多二氧化氮。

這是合理的,因為膨脹會使平衡偏向氣體粒子數目較多的一方。

然而,這還不是反應最終會進行的方向。

部分 (c):計算選擇性捕集器運作後的 Q。

捕集器只會移除 \(\ce{N2O4}\),使其濃度降至 \(0.11\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。

二氧化氮的濃度則保持不變,仍然是 \(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。

因此:

\[ Q_c=\frac{0.11}{(0.50)^2} \]

\[ Q_c=\frac{0.11}{0.25} \]

\[ Q_c=0.44 \]

比較:

\[ Q_c=0.44<K_c=1.00 \]

此時,反應會朝正向進行,生成更多四氧化二氮。

這是整道題目的關鍵變化。

膨脹最初使逆向反應較有利,但移除足夠的生成物後,反應商便會降至平衡常數以下。

淨反應方向取決於目前的濃度,而不是較早之前某次擾動後所預測的方向。

部分 (d):計算最終平衡濃度。

捕集器運作後,下一次平衡計算的初始濃度為:

\[ [\ce{NO2}]=0.50\ \mathrm{M} \]

\[ [\ce{N2O4}]=0.11\ \mathrm{M} \]

反應會朝正向進行:

\[ \ce{2NO2(g) <=> N2O4(g)} \]

令 \(x\) 代表生成的 \(\ce{N2O4}\) 濃度。

建立 ICE 表:

\(\ce{NO2}\)\(\ce{N2O4}\)
初始(M)0.500.11
變化(M)\(-2x\)\(+x\)
平衡(M)\(0.50-2x\)\(0.11+x\)

將平衡濃度代入表示式:

\[ 1.00=\frac{0.11+x}{(0.50-2x)^2} \]

重新整理:

\[ (0.50-2x)^2=0.11+x \]

展開:

\[ 0.25-2x+4x^2=0.11+x \]

合併同類項:

\[ 4x^2-3x+0.14=0 \]

使用二次方程式公式:

\[ x=\frac{3\pm\sqrt{(-3)^2-4(4)(0.14)}}{2(4)} \]

\[ x=\frac{3\pm\sqrt{6.76}}{8} \]

\[ x=\frac{3\pm2.60}{8} \]

得到兩個數學解:

\[ x=0.050\quad\text{或}\quad x=0.70 \]

第二個解不可能成立。

如果 \(x=0.70\),二氧化氮的平衡濃度將會是:

\[ [\ce{NO2}]=0.50-2(0.70) \]

\[ [\ce{NO2}]=-0.90\ \mathrm{M} \]

負濃度在物理上是不可能的。此外,這也代表反應所消耗的二氧化氮超過容器內原本可用的數量。

因此,唯一有效的解是:

\[ x=0.050 \]

計算最終平衡濃度。

二氧化氮:

\[ [\ce{NO2}]=0.50-2(0.050) \]

\[ \boxed{[\ce{NO2}]=0.40\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \]

四氧化二氮:

\[ [\ce{N2O4}]=0.11+0.050 \]

\[ \boxed{[\ce{N2O4}]=0.16\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \]

最後,檢查平衡常數:

\[ K_c=\frac{0.16}{(0.40)^2} \]

\[ K_c=\frac{0.16}{0.16}=1.00 \]

最終濃度符合原來的平衡常數。

重要的教訓是,當連續發生的擾動改變系統組成時,平衡系統的反應方向也可能隨之改變。你不能只記住第一次變化後發生了甚麼事。每當需要判斷反應方向時,都應使用該時刻實際存在的濃度重新計算 \(Q_c\)。

08接下來應該學習甚麼?

現在,你已經能夠使用平衡表示式計算 \(K_{eq}\)、求解未知的平衡濃度,以及使用 \(Q_c\) 預測反應方向。

下一個重要的區別,是理解溫度改變時會發生甚麼事。

加入反應物或改變體積會改變反應商,但改變溫度則可能使平衡常數本身發生變化。要理解原因,就需要將平衡計算與正向及逆向反應的焓變聯繫起來。

繼續閱讀吸熱反應與放熱反應中的溫度如何改變 Keq。