西元1884年 勒沙特列提出 當一個化學可逆反應達平衡後 若其中的一個狀態被改變 反應就會想辦法抵抗這個改變 讓它的影響變小 就好像分組競賽時 老師為了維持兩組實力均衡 當出現影響平衡的因子時 會進行調整一樣 但這種可逆的化學反應 真的那麼神？ 能自動維持平衡？ 讓我們來設計一個實驗 看看可逆化學反應是否真如勒沙特列所說 出現影響平衡的因素時 平衡會向減少此一因素的方向移動 最後達新平衡 在設計一個實驗時 首先要訂定實驗目的 而我們的實驗目的就是 透過改變影響平衡的因素 探討與驗證勒沙特列原理中對於平衡破壞後 達成新平衡時的反應移動方向 為了方便觀察實驗的結果 可以選擇有顏色變化的可逆化學反應來進行實驗 並以壓力、溫度作為實驗變因 來觀察分別改變這兩個變因時會如何影響可逆化學反應的平衡方向 要進行壓力改變的實驗 只要利用注射筒改變氣體體積就能改變壓力 所以選擇氣體為實驗對象是最容易操作的 而由於紅棕色的二氧化氮很容易倆倆聚合成一個無色的四氧化二氮 稱為雙聚反應 為一可逆的動態平衡反應 因此 就讓我們以二氧化氮雙聚反應的平衡 來探討勒沙特列原理 在確定目的、原理後 實驗所需要的藥品為 二氧化氮與熱水、冰塊 其中二氧化氮可由濃硝酸與銅反應製得 製備二氧化氮所需的藥品為濃硝酸5毫升、銅0.5克 但由於二氧化氮有毒 因此也要準備氫氧化鈉溶液50毫升 以吸收多餘的二氧化氮 避免外洩 全部需要的實驗器材有 用來配製二氧化氮的玻璃試管、雙孔橡皮塞、玻璃彎管、 橡皮管、橡皮管夾、鐵架、燒杯、漏斗 和手套、口罩等實驗護具 以及標籤紙、壓力實驗所需的注射筒與凹槽橡皮塞 溫度實驗所需的大燒杯 開始實驗前 先準備好要記錄實驗結果的表格 以便記錄改變壓力、溫度時 實驗組與對照組的變化 進入二氧化氮製備 首先組合雙孔橡皮塞、玻璃彎管與橡皮管、漏斗 並分別以橡皮管夾與氫氧化鈉溶液 來防止二氧化氮生成時外洩 將6M的濃硝酸5毫升放入試管內並加入0.5克的銅後 立刻將橡皮塞蓋上以生成二氧化氮 由於剛生成的二氧化氮裡混有空氣 應等待紅棕色的二氧化氮產生一段時間後 再以A、B兩支注射筒分別抽取約15毫升的二氧化氮 並迅速以挖好凹槽的橡皮塞封住注射筒 避免外洩 以確保實驗組與對照組的二氧化氮濃度一致 取一支注射筒C 抽進與注射筒A等量的空氣 同樣以橡皮塞封住 開始測試壓力對二氧化氮雙聚平衡系統的影響 分別以增壓與降壓方式進行觀察 增壓 用力推進注射筒A 使其壓力變大、體積變小 觀察並記錄其顏色的變化 並和注射筒B比較 降壓 用力拉出注射筒A 使其壓力變小、體積增加 觀察並記錄其顏色的變化 並和注射筒B比較 接下來 觀察溫度對二氧化氮雙聚平衡系統的影響 將注射筒A內的氣體體積調回與注射筒C體積一致 將A、C兩支注射筒一起放入盛有熱水的燒杯中進行增溫 觀察並記錄兩者的體積變化 達平衡後 再觀察注射針筒A與B內氣體的顏色深淺差異 以冰水替代熱水重複前述步驟的操作 稱作降溫 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 因此實驗後務必確實依照實驗的廢棄物處理方式來處理喔 現在來看看實驗結果的紀錄表格 此表格紀錄壓力對二氧化氮平衡系統的影響 想一想 為什麼注射筒A在壓縮的瞬間顏色會變深？ 你想到了嗎？ 注射筒A在壓縮的瞬間 因為氣體體積突然縮小 會使紅棕色的二氧化氮與無色的四氧化二氮濃度同時瞬間提高 所以顏色瞬間變深 當顏色又慢慢變淺的情況 我們可以知道二氧化氮慢慢變少了 表示加壓後反應其實是向右移動 想一想 為什麼加壓體積縮小後 兩個濃度都上升的情況下 反應會向右而不是向左呢？ 由於壓力實驗是在定溫下進行 我們知道定溫下平衡常數並不會改變 而當二氧化氮濃度與四氧化二氮濃度同時增加為n倍時 因分母的平衡係數比分子大 兩者改變的程度不同破壞了平衡 此時反應商小於平衡常數 因此反應向右 二氧化氮會轉化成四氧化二氮以維持平衡 相反的 注射筒A在減壓時因體積突然變大 二氧化氮與四氧化二氮濃度濃度瞬間下降 因此顏色會瞬間變淺 也因分母的改變比分子大破壞平衡 反應商大於平衡常數 因此四氧化二氮需轉化成二氧化氮以維持平衡 反應會向左進行 現在來看看另一個變因的實驗結果的紀錄表格 溫度對二氧化氮平衡系統的影響 根據實驗結果 注射筒A在熱水中顏色較深 且體積膨脹較注射筒C的空氣為多 相反的 在冷水中則顏色較淺 且體積收縮較空氣嚴重 想一想 這代表二氧化氮雙聚反應是吸熱還是放熱反應？ 當升溫時 顏色較深表示紅棕色的二氧化氮增加 有利於平衡向左移動 而降溫時則顏色變淺 表示無色的四氧化二氮增加 有利於平衡向右移動 因此可推論此反應為放熱反應 想一想 為什麼注射筒A的體積在溫度變化時 會比注射筒C的體積變化較大呢？ 這是因為針筒C裝的是空氣 在溫度變化時 體積純粹受熱脹冷縮的影響 而針筒A除熱脹冷縮外 也會產生平衡系統的改變 在定壓下 升溫時有利於平衡向左移動 使氣體的總莫耳數增加 反之 降溫時有利於平衡向右移動 使氣體的總莫耳數減少 因此針筒A的體積變化量會比針筒C更大 學習完勒沙特列原理二氧化氮雙聚反應實驗 讓我們來做個重點整理吧！ 當可逆的化學反應平衡系統中出現影響平衡的因素時 平衡會向減少此一因素的方向移動 並達成新的平衡狀態 在定溫下加壓時 反應會向係數和小的方向移動 降壓時 反應則向係數和大的方向移動 若想要透過溫度控制讓一可逆的化學反應增加生成物時 對吸熱反應可以升溫 放熱反應則應降溫 同學 這個單元你是否都學會了呢？ 歡迎分享你的心得 我們下次見