我們知道在定溫的密閉系統中

一個可逆的化學反應

不會將反應物全部變成產物

而是會達到一個動態平衡的狀態

但你知道要怎麼判斷一個可逆化學反應

已經達動態平衡了嗎？

想到了嗎

當定溫下

可逆化學反應達動態平衡時

反應物和生成物的濃度、壓力、莫耳數

和顏色等巨觀性質不會發生變化

因此我們可以利用外觀不再改變的這項特質

來設計一個有顏色變化的可逆化學反應實驗

透過觀察顏色來判定是否達到平衡

而我們也學過

在定溫的情況下

當可逆反應達動態平衡時

生成物濃度係數次方的乘積

除以反應物濃度係數次方的乘積為一定值

該數值稱為平衡常數Kc

且我們可利用平衡常數

來計算出平衡時各種物質的濃度

但你有想過嗎？

在不知道平衡常數的情況下

要如何測定出可逆化學反應的平衡常數呢？

接下來就讓我們一起來設計這個實驗

學習如何測定可逆化學反應的平衡常數

由於我們要透過觀察顏色來進行本次實驗

所以我們選擇淺黃色的鐵離子

與無色的硫氰根離子

會生成血紅色的硫氰酸鐵離子的可逆反應

來進行這項實驗

因此我們的實驗目的為

求定溫下水溶液中鐵離子和硫氰根離子

生成硫氰酸鐵離子的平衡常數

並驗證在定溫下

同一個反應的平衡常數必為相近值

那麼實驗應該如何設計

才能求出反應的平衡常數呢？

我們知道這個可逆反應式的平衡常數

可以表示為畫面中的式子

假設這個反應平衡前後的濃度變化量為x

我們就可以將平衡常數表示為

x除以鐵離子減x和硫氰根離子減x的乘積

因此若要計算出該平衡常數

只要能知道平衡時硫氰酸鐵離子的濃度即可

那要怎麼知道

平衡時硫氰酸鐵離子的濃度呢？

首先我們要做一個假設

當我們以定量的硫氰根離子

和遠遠過量的鐵離子混合時

因鐵離子過量迫使反應完全向右

溶液中的硫氰根離子完全反應成硫氰酸鐵

即硫氰酸鐵離子的莫耳數

就是原來加入的硫氰根離子的莫耳數

並可將此一濃度較高的溶液作為標準溶液

想一想

如果使用同一種容器

另外配製一個與標準液體積相同的溶液

採用同濃度的硫氰根離子

但使其與濃度較低的鐵離子溶液混和時

新溶液與標準溶液兩者的顏色會有差別嗎

根據朗伯-比爾定律

溶液濃度與溶液吸光度成正比

由於兩個同種溶液高度相同

但新溶液的濃度較低

因此顏色會比標準溶液的顏色淡

想一想

若不改變反應物的初始濃度

要怎麼做才能讓新溶液與標準溶液顏色一致？

你想到了嗎？

同一種溶液只要溶液吸光度一樣

顏色就會一致

因此在標準溶液濃度較高的情況下

只要使標準溶液光的路徑長變短

也就是降低標準溶液的高度

就能使兩者的顏色一致

而這個同時看兩個試管

慢慢減少標準液

直到兩邊顏色看起來一樣深的方式

稱為比色法

並可得知溶液生成物的濃度

與比色管中溶液高度成反比

因此我們可以透過比色法

來測量兩溶液顏色一致時的溶液高度

並由已知的標準溶液濃度

來計算出新溶液生成物的濃度x

並透過這個式子來計算出平衡常數

確定實驗目的、實驗原理方式後

我們需要準備兩項實驗藥品

一個是含有鐵離子的溶液

0.25M酸化的硝酸鐵溶液20毫升

另一個是含有硫氰根離子的溶液

0.0020M硫氰化鉀溶液25毫升

實驗器材有

吸取配製溶液準確度較高的

分度吸量管與安全吸球

放置不同濃度溶液的容量瓶

避免比色光源自底部漫射出去的

平底比色管與試管架

標示編號的標籤紙

比色光源的燈箱

黑色紙或布、滴管、燒杯

量測溶液高度的尺

以及實驗手套

以避免接觸到具有毒性的硫氰化鉀

開始實驗前

先準備好要紀錄實驗結果的表格

也就是要記錄比色結果溶液高度的表格

以及計算溶液中各離子濃度與平衡常數表格

實驗步驟分為溶液配製與比色兩步驟

首先要製作標準溶液

與數個不同濃度的待測溶液

準備5支比色管

分別貼上編號0到4的標籤紙

置於試管架上

再分別加入定量的硫氰根離子

以分度吸量管吸取0.0020M硫氰化鉀溶液5毫升

分別放入5支比色管中

接著製作標準溶液

在0號比色管中

加入0.20M酸化硝酸鐵溶液5毫升

並均勻混合

因為鐵離子濃度遠大於硫氰根離子

可假設反應完全向右

故標準液平衡時的硫氰酸鐵離子濃度

即為混合硫氰根離子的初濃度

接下來要準備不同濃度的酸化硝酸鐵溶液

依照表格中的配方

以不斷稀釋的方法

分別配製出甲、乙、丙、丁四瓶不同濃度的溶液

以甲溶液為例

以分度吸量管吸取0.20M硝酸鐵溶液10毫升

放入25毫升的容量瓶

再加蒸餾水至刻度線

使溶液體積成為25毫升

並將溶液混合均勻

此即甲溶液

最後配製不同濃度的待測溶液

各取 甲、乙、丙、丁溶液5毫升

依序加入1至4號比色管中

第二個步驟是比色

先取0號比色管和1號比色管

分別以黑紙或布包覆其表面

以避免四周光源的干擾

在燈箱光源上面進行比色

由管口上方向下俯視

用滴管先吸出較深色的0號比色管溶液

放在乾淨的燒杯中

直到顏色與1號比色管相同為止

最後量測並記錄兩支比色管的溶液高度

接著重複步驟1至3的比色方式

以同樣方法在燈箱上同一位置觀察顏色變化

避免燈箱光線不均造成誤差

分別進行編號0的標準液

和2、3、4的比色

並記錄溶液高度

實驗完成後

首先就是利用比色原理

溶液生成物的濃度

與比色管的高度成反比的定律

根據比色後溶液高度的結果

推算出各比色管溶液平衡時的硫氰酸鐵離子濃度

想一想

鐵離子和硫氰根離子的初濃度

是否就是酸化硝酸鐵溶液

與硫氰化鉀溶液的濃度呢？

因為兩個反應物是以等體積混和

所以鐵離子的濃度是酸化硝酸鐵濃度的2分之1

而硫氰根離子的濃度也是硫氰化鉀濃度的2分之1

你答對了嗎？

接著我們可透過已知的反應物初始濃度

和前面計算出的硫氰酸鐵離子濃度

先分別計算出反應平衡時

鐵離子與硫氰根離子的濃度

然後再計算出各比色管對應的平衡常數

最後可以計算出平衡常數的平均值

實驗做完了

但你有想過

這些實驗過程產生的溶液或物質該怎麼處理嗎？

由於很多化學物質會對人體或環境造成傷害

本實驗產生的廢棄物包含硫氰化鉀及硝酸鐵

都是屬於無機鹽類

必須倒入重金屬類廢液桶中

交由環保單位處理喔

學習完平衡常數的測定實驗

最後來做個重點整理吧

來推算平衡時反應物的濃度