新聞常報導 冬天天氣冷 民眾常緊閉門窗 導致室內空氣不流通 此時若使用熱水器或瓦斯 室內會有燃燒不完全的一氧化碳生成 一氧化碳無色無味 容易在不經意間吸入 出現昏眩、疲倦想吐 甚至在昏迷中死亡 當患者送到醫院急救 會施以高壓氧治療 加速一氧化碳排出、改善組織缺氧 你是否有注意到 上述現象是個可逆反應的化學平衡問題嗎？ 是什麼原因造成的呢？ 法國化學工程師勒沙特列擔任化學教授時 研究了各種因素對化學平衡的影響 並於1888年提出「勒沙特列原理」 在平衡狀態的系統中 物質的濃度、壓力、體積或溫度變化時 平衡會向「抵銷改變的方向」移動 以對抗外來的改變 讓平衡系統盡量維持現狀 回到一氧化碳中毒現象 由於一氧化碳對血紅素的結合力為氧氣的200至250倍 室內一氧化碳濃度過高時 反應會向右進行 一氧化碳會搶先與血紅素結合 導致體內組織無充足含氧 因此產生一氧化碳中毒的症狀 而高壓氧治療 會將病人置於大於1.4大氣壓的環境 間歇吸入純氧 迫使反應向左進行 讓血紅素恢復成攜帶氧氣 有效改善組織缺氧 並加速一氧化碳排出 避免危害身體 從勒沙特列原理可知 影響化學平衡移動的因素如畫面 讓我們先來討論 濃度對平衡移動的影響 如畫面的反應式 在鉻酸鉀溶液中 滴加數滴鹽酸後 為了用掉外來多的氫離子 平衡會向右反應移動 以速率的角度來看 加入鹽酸、氫離子濃度增加的瞬間 正反應速率增加 但逆反應的速率不變 造成正反應速率大於逆反應速率 平衡向正反應方向移動 而在t₂時 新的正、逆反應速率相等 再次達到新平衡 若以Q值來看 加入氫離子後 氫離子濃度上升 導致瞬間Q值小於K 所以平衡右移 以物質濃度來看 在t₁前 反應為平衡狀態 加入鹽酸後 氫離子上升 平衡向右移動 使得鉻酸根濃度減少 而二鉻酸根濃度增加 所以溶液變成橙色 在t₂時 反應再度達到新平衡 此時鉻酸根會減少 二鉻酸根會增加 氫離子雖然會減少 但最後平衡的濃度比原來的多 莫耳數的變化也一樣 在此例子中要注意 氫離子增加濃度 最終氫離子新平衡濃度 會大於原平衡濃度 相反的 若是減少氫離子濃度 則最終氫離子新平衡濃度會比原平衡量較少 而若用delta代表變化量 達新平衡的變化量比例如畫面 若平衡的溶液改加入微量氫氧化鈉溶液 平衡會往哪個方向移動呢？ 由於加入的氫氧根離子 會與氫離子進行酸鹼中和反應 使得氫離子濃度減少 為了補齊突然減少的氫離子 需要抵消此因素 則平衡向左移動 溶液再變回黃色 從反應速率來看 加入氫氧化鈉溶液後 由於氫離子濃度瞬間減少 正反應速率變小 但逆反應速率不變 因此正反應速率小於逆反應速率 平衡向左 在t₂時 新的正、逆反應速率相等 再次達到新平衡 若以Q值來看 因氫離子濃度瞬間減少 導致Q值大於K 所以平衡左移 以物質濃度來看 在t₁前 反應系統處於平衡狀態 加入氫氧化鈉溶液後 氫離子下降 平衡向左移動 在t₂時再度達到新平衡 此時鉻酸根濃度會增加 二鉻酸根濃度會減少 雖然氫離子會增加 但最後平衡的濃度仍比原來的少 莫耳數的變化也有相同趨勢 而如果在溶液原平衡中加水 平衡會往哪個方向移動？ 加水稀釋了所有的離子濃度 且方程式的係數象徵粒子的莫耳數 為了抵消濃度下降的因素 平衡必須往係數和大的方向移動 增加粒子數目來抵抗濃度改變 故須向左反應 從反應速率來看 加水的瞬間 正反應速率變小 逆反應速率也變小 但因正反應速率減少比較多 則正反應小於逆反應 平衡向左 在t₂時 新的正、逆反應速率相等 再次達到新平衡 從物質濃度來看 在t₁前 反應處於平衡狀態 加入水後 所有離子濃度下降 平衡向左移動 在t₂時再度達到新平衡 但所有離子濃度皆比原平衡濃度小 而莫耳數的變化則與濃度不同 由於往逆反應方向移動 鉻酸根、氫離子的莫耳數增加 二鉻酸根的莫耳數減少 若觀察溶液 顏色會先變淺 再變深 但仍比最初淺 若以Q值來看 將稀釋後的離子濃度代入公式 左邊反應物的係數和較大 導致分母項的次方影響較大 Q的數值變小較多 因此加水瞬間Q值大於K 所以平衡向左移動 達平衡後 各物種濃度均下降 想想看 從Q值與K值的角度來思考 為什麼所有物質再次達平衡的濃度均變小呢？ 因為反應的平衡向左 二鉻酸根必定變小 由於定溫情況下 平衡常數值不變 將二鉻酸根代回常數值中 為了維持其定值 分母項也必須變小 則加水稀釋後所有物質濃度均會變小 來看異相平衡的例子 平衡式如畫面所示 由前面的學習 在此平衡式中 加入鋇離子或鉻酸根離子會使平衡左移 如果加入鉻酸固體的話 平衡會往哪邊移動呢？ 答案是平衡不移動！ 在異相平衡中 加入或減少原物系已有的固體 平衡不會移動 因為固體的密度為定值 固體質量變大時 其體積也會等量變大 所以固體濃度為一定值 由於固體濃度固定 則增減固體的量並不影響其平衡狀態 經過前面的學習 請想想看 若在此溶液原平衡中加水 平衡會往哪個方向移動？ 答案是平衡向右 而溶液顏色會先變淺再變深 與最初的平衡溶液的顏色相同 從反應速率來看 加水後 逆反應速率瞬間變小 但由於固體的濃度為一定值 正反應速率不變 則新的正反應大於逆反應 平衡向右 在t₂時 再次達到新平衡 新的正、逆反應速率相等 且等於原平衡的速率 而從物質濃度來看 在t₁前 反應系統處於平衡狀態 加水後所有離子下降 平衡向右移動 在t₂時再度達到新平衡 與鉻酸根、二鉻酸根平衡的例子不同的是 所有離子濃度皆與原平衡濃度相同 但莫耳數的變化則與濃度不同 由於往正反應方向移動 鋇離子、鉻酸根離子的莫耳數增加 鉻酸鋇的莫耳數減少 若以Q值來看 將所有稀釋後的離子濃度代入Q Q數值變小較多 加水時 Q值瞬間小於K 平衡向右移動 達平衡後 各物質濃度必須回到原來的濃度 是由於在定溫之下K值為定值 即離子濃度乘積的值必須固定 所有離子濃度皆與原平衡濃度相同 讓我們來練習與思考一下這個問題 最後讓我們來做個總結吧！