化学平衡常数.ppt

,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。,學習錦囊,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。,課堂練習 1,(a),(b),(c),(d),(e),(f),時間增加,H2 I2 HI,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 dm3表示),Kc:平衡常數 在定溫下,這比例是一個常數,學習錦囊,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 (18361902) (左) 和偉格 (18331900) (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),例題 1,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),例題 1,POCl3 :三氯氧化磷 phosphorus oxychloride P4O10:五氧化二磷 Phosphorus pentoxide,(b) P4O10(g) + 6PCl5(g) 10POCl3(g),例題 1,(c) Fe3+(aq) + SCN(aq) FeSCN2+(aq),例題 1,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),(a),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),(b),自我測試 1,(c) CH3COOH(l) + CH3OH(l) CH3COOCH3(l) + H2O(l),(c),找出以下反應的平衡常數表示式的錯處，並把它改正。,課堂練習 2,H2(g)eqmS2(g)eqm,H2S(g)eqm,(a) 2H2S(g) 2H2(g) + S2(g) Kc =,(a),(b),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 mol1 dm3),學習錦囊,平衡體系中的氣體濃度也可用mol dm3表示。,課堂練習 3,(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) (i) Kc1 =,課堂練習 3,(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 = ？,(ii) Kc2 =,課堂練習 3,(b) Kc1和Kc2在數學上有甚麼關係？,(b) Kc1 =,課堂練習 3,(c) Kc1和Kc2的單位分別是甚麼？,Kc1 : mol2 dm6,Kc2 : mol2 dm6,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),學習錦囊,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。,學習錦囊,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。,H2O(l)eqm = = 55.56 mol dm3,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 cm3 = 1000 g dm3，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,課堂練習 4,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,課堂練習 4,(b) AgCl(s) Ag+(aq) + Cl(aq),(b)是多相平衡。,(b) Kc = Ag+(aq)eqmCl(aq)eqm,課堂練習 4,(c) H2O(l) H+(aq) + OH(aq),(c)不是多相平衡。,課堂練習 4,(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,X,例子1,氫和氯在25C的反應：,這反應幾乎是完全的,例子2,水蒸氣在25C的分解：,反應只會極有限地進行,例子3,氫和氧在25C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,課堂練習 5,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 1031 (c) 2HF(g) H2(g) + F2(g) Kc = 1 1013 (d) 2NOCl(g) 2NO(g) + Cl2(g) Kc = 4.7 104,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500C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)eqmH2(g)3eqm,表1,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。,例題 2,例題 2,利用已知的平衡濃度，計算在25C的平衡常數(Kc)。 NO(g)eqm = 1.5 1011 mol dm3 O2(g)eqm = 8.9 103 mol dm3 NO2(g)eqm = 2.2 106 mol dm3,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1700C達致平衡後，所量度的平衡濃度分別為： CH4(g)eqm = 0.0203 mol dm3、 C2H2(g)eqm = 0.0451 mol dm3和 H2(g)eqm = 0.1120 mol dm3， 計算在這溫度下的平衡常數。,課堂練習 6,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,例題 3,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 dm3，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 dm3，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 dm3； COCl2(g)eqm = 0.972 mol dm3,自我測試 3,(b) 計算反應的平衡常數。,例題 4,在某定溫下，以下反應的Kc是137.5 mol1 dm3。,Fe3+(aq) + SCN(aq) FeSCN2+(aq),在某實驗中，把500 cm3的0.200 mol dm3 Fe(NO3)3(aq) 溶液與500 cm3的0.200 mol dm3 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 dm3 = 0.0236 mol dm3 SCN(aq)eqm = 0.100 0.0764 mol dm3 = 0.0236 mol dm3 FeSCN2+(aq)eqm = 0.0764 mol dm3,自我測試 4,在450C，以下反應的平衡常數是50.0。,H2(g) + I2(g) 2HI(g),實驗中，若在450C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 dm3和1.00 mol dm3 ，平衡時，CO的濃度為0.15 mol dm3，計算這反應的平衡常數。,課堂練習 6,3. 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),把平衡濃度代入平衡常數表示式內，得出：,計算 x 的數值，x = 0.0808 因此