3-3 影響平衡的因素

影響平衡的因素 3-3 平衡位置如何隨著影響平衡的變因移動，可利用法國科學家勒沙特列 (H. L. Le Châtelier)所提出的勒沙特列原理預測： 若一平衡系受到某一因素影響時，反應會向抵消此因素的方向移動，直到達成新的平衡。 本節將介紹濃度、壓力及溫度此三項變因對平衡的影響情形。 2

影響平衡的因素 3-3 3-3.1 濃度對平衡的影響 3-3.2 壓力對平衡的影響 3-3.3 溫度對平衡的影響 3-3.4 勒沙特列原理的應用 3

濃度對平衡的影響 3-3.1 實例 1：鉻酸鉀與二鉻酸鉀的平衡 4

濃度對平衡的影響 3-3.1 鉻酸根的濃度減少，而橙色之二鉻酸根的濃度增 加，故溶液變為橙色。 根據勒沙特列原理： 當滴入鹽酸時，氫離子的濃度增加， 為抵消此因素，反應必須向右移動，因此黃色之 鉻酸根的濃度減少，而橙色之二鉻酸根的濃度增 加，故溶液變為橙色。 反之，滴入氫氧化鈉溶液時， 因氫氧離子與氫離子中和，而使氫離子濃度降低， 所以反應必須向左移動，以抵消此因素，故溶液 變回黃色。 5

濃度對平衡的影響 3-3.1 實例 2： 血紅色 6

濃度對平衡的影響 3-3.1 於 t1 時在平衡系中添加 NaOH，產生 Fe(OH)3 沉澱， 因為 Fe3+ 的濃度降低，致使平衡向右移動， 因此血紅色的 FeSCN2+ 濃度減少； 於 t2 時達成新的平衡。 濃度與平衡的關係 7

濃度對平衡的影響 濃度對平衡的影響 3-3.1 結論：在平衡系中 1. 加入反應物或移除產物  向右移動 平衡狀態 。 平衡狀態 。 向右移動 2. 移除反應物或加入產物  平衡狀態 。 向左移動 8

範例 3-8 定溫時，反應 BaSO4(s) ⇌ Ba2+(aq) + SO42－(aq) 達平衡後，分別進行下述操作： (a)加入硫酸鋇　 (b)加入氯化鋇　 (c)加入硫酸鈉 回答下列問題： (1) 平衡狀態如何移動？ (2) 各離子的平衡濃度如何改變？ 9

範例 3-8 解答 (a)在平衡系中加入固體溶質，不會破壞平衡狀態，故平衡不移動。 (1) (b) [Ba2＋] 增大，故平衡向左移動。 (c) [SO42－] 增大，故平衡向左移動。 (1) (a)各離子的平衡濃度均不變。 (b) BaSO4 的莫耳數增加，但是濃度不變；[Ba2＋]較原平衡時大，[SO42－] 較原平衡時小。 (c) BaSO4 的莫耳數增加，但是濃度不變；[Ba2＋]較原平衡時小，[SO42－] 較原平衡時大。 (2) 10

練習題 3-8 在平衡系 2CrO42－(aq) + 2H+(aq) ⇌ Cr2O72－(aq) + H2O(l)中，加入下列何種物質會使 CrO42－ 之平衡濃度減少？(多重選擇題) (A) K2CrO4(s) (B) BaCl2(s) (C) 少量濃 HNO3(aq) (D) NaOH(s) (E) K2Cr2O7(s) 11

壓力對平衡的影響 3-3.2 在氣體的反應中，若反應前、後氣體總莫耳數 不相等，則改變反應系體積會造成平衡移動。 在氣體的反應中，若反應前、後氣體總莫耳數 不相等，則改變反應系體積會造成平衡移動。 根據勒沙特列原理，容器體積縮小，則系統的 總壓力增加，要抵消此因素，則平衡必須向氣 體莫耳數較少的一方移動。 相反地，若擴大容器體積，則平衡將朝向氣體 莫耳數較多的一方移動。 12

壓力對平衡的影響 3-3.2 實例 1：氨的合成反應 加大反應系統的壓力，反應向氣體莫耳 數較少的一方移動， 加大反應系統的壓力，反應向氣體莫耳 數較少的一方移動， 反應物係數和＝1+3＝4， 產物係數和＝2， 故平衡向氨的生成方向移動， ⇒氨的產率提高。 13

壓力對平衡的影響 3-3.2 實例 2：在一支注射針筒中充入 NO2 氣體後密閉， 則其中 NO2 可與 N2O4 達成平衡狀態 14

壓力對平衡的影響 3-3.2 因 NO2 與 N2O4 之濃度皆增大，故筒內氣體顏色變深，此時反應向右移動； 壓縮體積，可見筒內氣體的顏色變深， 再度達平衡後，容器內氣體的顏色較壓縮瞬間略 淺，但仍較原平衡時之顏色深。 15

壓力對平衡的影響 3-3.2 實例 3：一氧化碳與二氧化氮反應生成 二氧化碳與一氧化氮 反應物係數和＝1+1＝產物係數和， 實例 3：一氧化碳與二氧化氮反應生成 二氧化碳與一氧化氮 反應物係數和＝1+1＝產物係數和， 壓縮或擴大反應系的體積，各物質濃度 同時增加或減少相同倍率， 反應商 Q 之值仍與 K 值相等， ⇒ 平衡不移動。 16

壓力對平衡的影響 壓力對平衡的影響 3-3.2 結論： ★ 若體積縮小，則壓力增大，平衡狀態會向氣態成分之係數和較小的一邊移動。 ★ 若擴大體積，則壓力減小，平衡狀態會向氣態成分之係數和較大的一邊移動。 ★ 若反應式左右兩邊氣態成分之係數和相等之平衡系，改變體積或壓力不會使平衡移動。 壓力與平衡的關係 17

範例 3-9 壓縮下列平衡系的體積，預測各反應的平衡移動方向。 (1) P4(s) + 6Cl2(g) ⇌ 4PCl3(g) (2) PCl3(g) + Cl2(g) ⇌ PCl5(g) (3) PCl3(g) + 3NH3(g) ⇌ P(NH2)3(g) + 3HCl(g) 解答 (1) 因為 P4 為固態，壓縮體積只對 Cl2 及 PCl3 的濃度有 影響，右邊氣體係數為 4，左邊氣體係數為 6，故平 衡向右移動。 (2) 右邊氣體係數為 1，左邊氣體係數和為 2，故平衡向 右移動。 (3) 左、右兩邊氣體係數和皆為 4，故壓縮容器體積，平 衡不移動。 18

練習題 3-9 750 ℃時，CH4(g) + H2O(g) ⇌ CO(g) + 3H2(g) 的反應達平衡，下列各項操作可使平衡向何方移動？ (1) 除去 H2O(g)。 (2) 壓縮容器體積。 (3) 定溫、定容下，加入惰性氣體。 (4) 定溫、定壓下，加入惰性氣體。 答：向左 答：向左 答：不移動 答：向右 19

溫度對平衡的影響 3-3.3 冰過的西瓜較未冰者口感更為鮮甜？ 加等量果糖的冰咖啡與熱咖啡，冰咖啡似乎苦味較淡？ 原因之一是因為果糖的甜度會隨溫度而變化： 溫度的改變造成平衡的移動，也可以勒沙特列原理來加以解釋。 低溫時，平衡向右，使得β-果糖的百分率較高溫時大，所以冰涼後的水果就比較甜了。 20

溫度對平衡的影響 3-3.3 實例 1：哈柏法合成氨的反應 此反應為放熱反應，溫度升高相當於施加熱能於 此平衡系； 根據勒沙特列原理，平衡應向消耗能量的方向移 動， 亦即向左方移動。 結果：[N2]↑、[H2]↑，[NH3]↓ 平衡常數 K 值 。 變小 21

溫度對平衡的影響 3-3.3 實例 2：N2O4 與 NO2 的平衡反應 浸於冰水浴中，混合氣體中大部分為 N2O4，因而幾近無色。 動畫：二氧化氮的可逆反應 浸於冰水浴中，混合氣體中大部分為 N2O4，因而幾近無色。 浸於熱水浴中，混合氣體中有更多的 NO2，因而呈暗紅色。 在室溫時，混合氣體中有 NO2，因而呈淡紅棕色。 22

溫度對平衡的影響 3-3.3 實例 2：N2O4 與 NO2 的平衡反應 此反應向右為吸熱反應，當升高溫度，平衡向消 耗能量的一方移動，即向右移動， 反應物 N2O4 的濃度減少，產物 NO2 的濃度增加， 故容器內氣體的顏色變深， 平衡常數 K 值 。 若降低溫度，則容器內氣體顏色變淡， 變大 變小 23

溫度對平衡的影響 溫度對平衡的影響 3-3.3 結論： 增大 變小 ★溫度升高時，平衡會向吸熱的方向移動； ★溫度下降時，平衡會向放熱的方向移動；  吸熱反應之平衡常數隨溫度的升高而 ， 增大  放熱反應之平衡常數隨溫度的升高而 ， 變小 動畫：影響平衡的因素 24

溫度對平衡的影響 3-3.3 溫度與催化劑的差異 變因 影響 溫 度 催化劑 反應 速率 溫　度 催化劑 反應 速率 升高溫度使正、逆反應速率增加的程度並不相等，故溫度可改變平衡狀態 加入催化劑使正、逆反應速率增加的程度相等，故催化劑不改變平衡狀態 平衡 常數 能改變平衡常數 不改變平衡常數 25

勒沙特列原理的應用 3-3.4 哈柏法是工業上製造氨的方法： 26

勒沙特列原理的應用 3-3.4 哈柏法製氨： 以鐵粉作為催化劑，並混合氧化鉀及氧化鋁，以加強催化效果。 在反應中，催化劑可等量增加正、逆反應速率，縮短反應達到平衡的時間，但並不會改變平衡位置，故無法提高氨的產率。 27

勒沙特列原理的應用 3-3.4 高壓 低溫 在高壓的條件下，平衡向生成氨的一方移動，且高壓下反應物的碰撞頻率增大，反應速率亦增大； 哈柏法製氨： 從勒沙特列原理來看，有利於氨的生成的條件為： (壓力)、 (溫度)。 高壓 低溫 在高壓的條件下，平衡向生成氨的一方移動，且高壓下反應物的碰撞頻率增大，反應速率亦增大； 但壓力太高，將導致成本提高，且危險性也大，故一般製氨採用的壓力約為： 350 ∼ 500 大氣壓。 降低溫度時，平衡向放熱的方向移動，對氨的生成有利， 但因低溫時反應速率太慢，故須提高溫度以增加反應速率。 因此，必須在兩者之間尋求最佳條件，目前工業生產氨時所選擇的最適當溫度約為 500 ℃。 28

範例 3-10 下列哪些措施，可使哈柏法製氨的反應之平衡向右移動？ N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH＝－92.1 kJ (A)加入更多的氫氣 (B)將生成的氨氣移出 (C)提高反應溫度 (D)加大反應系的壓力 (E)加入更多的催化劑 29

練習題 3-10 升高溫度，下列各反應的平衡常數如何改變？ (1) Zn(s) + Cu2+ (aq) ⇌ Zn2+(aq) + Cu(s) (2) H2O(l) ⇌ H+(aq) + OH－(aq) (3) 3O2(g) + 285 kJ ⇌ 2O3(g) 答：變小 答：變大 答：變大 30

學習成果評量 答： (1) 向右移動 (3) 向右移動 (2) 不移動 (4) 不移動 下列平衡系依所加措施，將使平衡如何變化？ (1) 2NOBr(g) ⇌ 2NO(g) + Br2(g) (減壓) (2) 3Fe(s) + 4H2O(g) ⇌ Fe3O4(s) + 4H2(g) (增壓) (3) C(s) + CO2(g) ⇌ 2CO(g) (減壓) (4) C(s) + CO2(g) ⇌ 2CO(g) (加 C(s)) 答： (1) 向右移動 (3) 向右移動 (2) 不移動 (4) 不移動 31

學習成果評量 下列平衡系依所加措施，將使平衡如何變化？ 顏色有何變化？ N2O4(g) ⇌ 2NO2(g) 所加措施 平衡變化 顏色變化 (1)加壓 (2)減壓 (3)升高溫度 (4)降低溫度 向左移動 變深 向右移動 變淺 向右移動 變深 向左移動 變淺 32