化學學習筆記：平衡
大家好！歡迎來到化學平衡嘅學習筆記。唔使擔心，就算呢個課題初聽落有啲複雜都好，我哋會一齊慢慢拆解！想像一下，佢就好似一場完美平衡嘅拔河比賽咁。我哋會探討化學反應唔只係單向進行嘅情況，點樣用一個特別嘅數值，叫做平衡常數 (Kc)，嚟描述呢個平衡狀態，以及反應點樣根據勒沙得利爾原理嚟應對外界條件嘅改變。了解呢啲概念對工業上製造有用嘅化學品嚟講，係非常重要㗎！1. 動態平衡：平衡嘅藝術
咩係可逆反應？
你哋到目前為止學過嘅大多數反應都係單向進行嘅。例如，當你燃燒鎂，佢會變成氧化鎂，唔會輕易變返鎂。呢啲係不可逆反應。
然而，好多反應可以同時向前同向後進行㗎！呢啲就叫做可逆反應。我哋會用一個特殊嘅雙箭頭符號 (⇌) 而唔係單箭頭 (→) 嚟表示。
例子：氮氣同氫氣反應生成氨氣。
$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$
呢個意思係，當氮氣同氫氣反應生成氨氣嘅時候（正反應），氨氣亦會同時分解成氮氣同氫氣（逆反應）。
咩係動態平衡？
想像一間好繁忙嘅舖頭。人哋不斷入嚟，亦不斷有人離開。如果入嚟嘅人數同離開嘅人數一樣，舖頭入面嘅總人數就會保持不變。由外面睇，就好似乜都冇變咁，但其實入面係好活躍㗎！
呢個就係動態平衡嘅精髓。佢係一種狀態，當中：
- 正反應嘅速率等於逆反應嘅速率。
- 所有反應物同生成物嘅濃度都保持不變。
- 佢之所以叫做「動態」，係因為兩個反應都仍然喺度進行緊，只係佢哋完美地互相抵消咗。
平衡嘅重要條件：
- 系統必須係密閉嘅。即係話，冇任何物質可以進出（好似樽蓋咁，封實咗）。
- 宏觀性質（例如顏色、濃度、壓力）唔會隨時間改變。
重點提示
動態平衡係可逆反應中嘅一個平衡狀態，當中正反應同逆反應以相同嘅速率發生，令反應物同生成物嘅濃度保持不變。佢係一種平衡狀態，而唔係停止狀態嚟㗎！
2. 平衡常數 (Kc)：一個會講故仔嘅數字
咁，我哋知道喺平衡狀態下，濃度係常數。但究竟係生成物多啲，定反應物多啲呢？平衡常數 (Kc) 就係一個可以話畀我哋知答案嘅數值！
點樣寫Kc表達式
對於任何喺平衡狀態下嘅一般可逆反應：
$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$
平衡常數表達式寫法如下：
$$K_c = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$$
等我哋嚟拆解一下：
- 生成物嘅濃度寫喺上面（分子）。
- 反應物嘅濃度寫喺下面（分母）。
- 方括號 [ ] 代表「某物質嘅濃度」，單位係mol dm⁻³。
- 化學計量係數（平衡方程式中嘅a、b、c、d呢啲數字）會變成每個濃度嘅冪次。
逐步示例：哈柏法
讓我們先寫出合成氨反應嘅Kc表達式：
$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$
- 確認生成物：氨氣 (NH₃)。佢嘅係數係2。所以，分子係 [NH₃]²。
- 確認反應物：氮氣 (N₂) 同氫氣 (H₂)。佢哋嘅係數分別係1同3。所以，分母係 [N₂]¹[H₂]³。
- 組合起來：
$$K_c = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$$
小心！常見錯誤
好容易會忘記將係數用作冪次！喺寫Kc表達式嘅時候，務必再次檢查你嘅平衡方程式。另外，請記住永遠係 [生成物] 喺分子，[反應物] 喺分母。
Kc嘅數值代表咩意思？
Kc嘅數值大小話你知平衡嘅位置——究竟係有利於生成物定係反應物。
- 如果 Kc好大 (Kc > 1)：分子 ([生成物]) 遠大於分母 ([反應物])。呢個意思係喺平衡狀態時，生成物多過反應物。平衡位置偏向右邊。
- 如果 Kc好細 (Kc < 1)：分母 ([反應物]) 遠大於分子。呢個意思係喺平衡狀態時，反應物多過生成物。平衡位置偏向左邊。
關鍵點：對於一個指定反應，Kc嘅數值只會喺恆定溫度下先係常數。如果你改變溫度，Kc嘅數值都會改變！
計算Kc
要計算Kc，你只需要知道所有反應物同生成物喺*平衡狀態時*嘅濃度，然後將佢哋代入表達式就得。
計算例子：
對於反應 $$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$，喺400°C嘅一個密閉容器中，發現平衡濃度為：
[H₂] = 0.15 mol dm⁻³
[I₂] = 0.15 mol dm⁻³
[HI] = 1.70 mol dm⁻³
計算Kc。
步驟1：寫出Kc表達式。
$$K_c = \frac{[HI]^2}{[H_2][I_2]}$$
步驟2：代入平衡濃度。
$$K_c = \frac{(1.70)^2}{(0.15)(0.15)}$$
步驟3：計算數值。
$$K_c = \frac{2.89}{0.0225} = 128.4$$
（注意：Kc通常無單位） 由於Kc遠大於1，呢個結果話畀我哋知，喺呢個溫度下，平衡非常有利於生成HI。
重點提示
Kc 係平衡時 [生成物] 與 [反應物] 嘅比率。大嘅Kc值意味著反應有利於生成物，而小嘅Kc值意味著有利於反應物。除非溫度改變，否則Kc係常數。
3. 勒沙得利爾原理：應對變化
核心思想
如果我哋有一個處於平衡狀態嘅系統，突然間打擾佢（例如，加入更多反應物），會發生啲咩事呢？法國化學家亨利·勒沙得利爾發現咗呢個原理。
勒沙得利爾原理指出：「當外界條件改變加諸於一個已達平衡嘅系統時，系統會向一個方向移動，以抵消呢個改變。」
類比：蹺蹺板
想像一下平衡就好似一個完美平衡嘅蹺蹺板。如果你喺其中一邊加重量（一個「改變」），佢就會失衡。為咗抵消呢個改變，蹺蹺板需要將部分新增加嘅重量轉移到另一邊，嘗試重新恢復平衡。化學系統都係咁㗎！
「平衡移動」係咩意思？
- 向右移動意味著正反應速率暫時增加，以產生更多生成物。
- 向左移動意味著逆反應速率暫時增加，以產生更多反應物。
應用勒沙得利爾原理
等我哋用一個有顏色變化嘅例子嚟睇下呢個原理點樣運作。呢個反應會由粉紅色變成藍色：
$$Co(H_2O)_6^{2+}(aq) + 4Cl^-(aq) \rightleftharpoons CoCl_4^{2-}(aq) + 6H_2O(l)$$
（粉紅色） （藍色）
1. 改變濃度嘅影響
規則：系統會嘗試清除你添加嘅嘢，並補充你移走嘅嘢。
- 改變：加入更多Cl⁻離子（例如，加入濃鹽酸）。
- 系統反應：「嘩，太多Cl⁻喇！我要用咗佢！」
- 點做：佢會有利於正反應，以消耗額外嘅Cl⁻。
- 結果：平衡會向右移動。溶液會變得更藍。
- 改變：移走CoCl₄²⁻（呢個好難做到，但假設我哋可以）。
- 系統反應：「喂，CoCl₄²⁻去咗邊呀？我要整多啲出嚟！」
- 點做：佢會有利於正反應，以補充失去嘅CoCl₄²⁻。
- 結果：平衡會向右移動。
重要一點：改變濃度會令平衡位置移動，但Kc嘅數值唔會改變（只要溫度保持不變）。
2. 改變溫度嘅影響
規則：將「熱能」視為反應物（吸熱反應）或生成物（放熱反應）。
假設我哋嘅例子反應係吸熱反應，即係佢會吸收熱能。（ΔH係正值）。
$$Heat + Co(H_2O)_6^{2+}(aq) + 4Cl^-(aq) \rightleftharpoons CoCl_4^{2-}(aq) + 6H_2O(l)$$
- 改變：提高溫度（加入熱能）。
- 系統反應：「呢度熱到燶喇！我要用晒呢啲額外嘅熱能。」
- 點做：佢會有利於吸熱反應（即係消耗熱能嘅反應）。
- 結果：平衡會向右移動。溶液會變得更藍。
- 改變：降低溫度（將其放入冰浴中以移走熱能）。
- 系統反應：「好凍呀！我要產生啲熱能。」
- 點做：佢會有利於放熱反應（即係釋放熱能嘅反應）。
- 結果：平衡會向左移動。溶液會變得更粉紅色。
重要一點：改變溫度係唯一會令Kc數值改變嘅因素。
- 對於吸熱反應，提高溫度會令平衡向右移動，產生更多生成物。所以，Kc會增加。
- 對於放熱反應，提高溫度會令平衡向左移動，產生較少生成物。所以，Kc會減少。
你知唔知？
哈柏法 ($$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$) 係放熱反應。根據勒沙得利爾原理，低溫會得到最高嘅氨產量。然而，喺低溫下，反應速率會慢到難以置信！所以，工業上會採用一個折衷溫度（大約450°C）並使用催化劑，以合理嘅速率獲得合理嘅產量。呢個真係現實生活中嘅平衡藝術！
快速回顧：勒沙得利爾原理總結
- 改變濃度：系統會移動以消耗所添加嘅物質或補充所移走嘅物質。Kc不變。
- 改變溫度：系統會移動以有利於吸熱方向（如果加熱），或放熱方向（如果冷卻）。Kc改變。
你一定得嘅！最後總結
呢個就係化學平衡嘅核心啦！可能需要多啲練習，但你一定可以掌握佢。只要記住呢啲重點概念：
- 動態平衡：唔係靜止㗎！正反應速率 = 逆反應速率。濃度保持不變。
- Kc（平衡常數）：[生成物] 與 [反應物] 嘅比率。佢嘅數值話你知平衡時邊一面佔優。
- 勒沙得利爾原理：系統會抵消你對佢施加嘅任何改變。利用呢個原理嚟預測平衡會點樣移動。
繼續練習寫Kc表達式，並將勒沙得利爾原理應用喺唔同嘅情況。你一定得嘅！