化學學習筆記：平衡
大家好！歡迎來到化學平衡的學習筆記。不用擔心，就算這個課題初聽之下有些複雜，我們也會一起慢慢拆解！想像一下，它就好像一場完美平衡的拔河比賽。我們會探討化學反應不只是單向進行的情況，如何用一個特別的數值，叫做平衡常數 (Kc)，來描述這個平衡狀態，以及反應如何根據勒沙特列原理來應對外界條件的改變。了解這些概念對工業上製造有用的化學品來說，是非常重要的！
1. 動態平衡：平衡的藝術
什麼是可逆反應？
你們到目前為止學過的大多數反應都是單向進行的。例如，當你燃燒鎂，它會變成氧化鎂，不會輕易變回鎂。這些是不可逆反應。
然而，許多反應可以同時向前和向後進行！這些就叫做可逆反應。我們會用一個特殊的雙箭頭符號 (⇌) 而不是單箭頭 (→) 來表示。
例子：氮氣和氫氣反應生成氨氣。
$$N_2(g) + 3H_2(g) ightleftharpoons 2NH_3(g)$$
這個意思是，當氮氣和氫氣反應生成氨氣的時候（正反應），氨氣亦會同時分解成氮氣和氫氣（逆反應）。
什麼是動態平衡？
想像一間很繁忙的店鋪。人們不斷進來，亦不斷有人離開。如果進來的人數和離開的人數一樣，店鋪裡面的人數就會保持不變。從外面看，就好像什麼都沒變，但其實裡面是很活躍的！
這個就是動態平衡的精髓。它是一種狀態，當中：
- 正反應的速率等於逆反應的速率。
- 所有反應物和生成物的濃度都保持不變。
- 它之所以叫做「動態」，是因為兩個反應都仍然在進行，只是它們完美地互相抵消了。
平衡的重要條件：
- 系統必須是密閉的。也就是說，沒有任何物質可以進出（好似瓶蓋一樣，封實了）。
- 宏觀性質（例如顏色、濃度、壓力）不會隨時間改變。
重點提示
動態平衡是可逆反應中的一個平衡狀態，當中正反應與逆反應以相同的速率發生，使反應物與生成物的濃度保持不變。它是一種平衡狀態，而不是停止狀態！
2. 平衡常數 (Kc)：一個會說故事的數字
那麼，我們知道在平衡狀態下，濃度是常數。但究竟是生成物多些，還是反應物多些呢？平衡常數 (Kc) 就是一個可以告訴我們答案的數值！
如何寫Kc表達式
對於任何在平衡狀態下的一般可逆反應：
$$aA + bB ightleftharpoons cC + dD$$
平衡常數表達式寫法如下：
$$K_c = rac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$$
讓我們來拆解一下：
- 生成物的濃度寫在上面（分子）。
- 反應物的濃度寫在下面（分母）。
- 方括號 [ ] 代表「某物質的濃度」，單位是mol dm⁻³。
- 化學計量係數（平衡方程式中的a、b、c、d這些數字）會變成每個濃度的冪次。
逐步示例：哈柏法
讓我們先寫出合成氨反應的Kc表達式：
$$N_2(g) + 3H_2(g) ightleftharpoons 2NH_3(g)$$
- 確認生成物：氨氣 (NH₃)。它的係數是2。所以，分子是 [NH₃]²。
- 確認反應物：氮氣 (N₂) 和氫氣 (H₂)。它們的係數分別是1和3。所以，分母是 [N₂]¹[H₂]³。
- 組合起來：
$$K_c = rac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$$
小心！常見錯誤
很容易會忘記將係數用作冪次！在寫Kc表達式的時候，務必再次檢查你的平衡方程式。另外，請記住永遠是 [生成物] 在分子，[反應物] 在分母。
Kc的數值代表什麼意思？
Kc的數值大小告訴你平衡的位置——究竟是有利於生成物還是反應物。
- 如果 Kc很大 (Kc > 1)：分子 ([生成物]) 遠大於分母 ([反應物])。這個意思是在平衡狀態時，生成物多過反應物。平衡位置偏向右邊。
- 如果 Kc很小 (Kc < 1)：分母 ([反應物]) 遠大於分子。這個意思是在平衡狀態時，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的數值只會在恆定溫度下才是常數。如果你改變溫度，Kc的數值都會改變！
計算Kc
要計算Kc，你只需要知道所有反應物和生成物在*平衡狀態時*的濃度，然後將它們代入表達式就行。
計算例子：
對於反應 $$H_2(g) + I_2(g)
ightleftharpoons 2HI(g)$$，在400°C的一個密閉容器中，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。
$$K_c = rac{[HI]^2}{[H_2][I_2]}$$
步驟2：代入平衡濃度。
$$K_c = rac{(1.70)^2}{(0.15)(0.15)}$$
步驟3：計算數值。
$$K_c = rac{2.89}{0.0225} = 128.4$$
（注意：Kc通常無單位） 由於Kc遠大於1，這個結果告訴我們，在這個溫度下，平衡非常有利於生成HI。
重點提示
Kc 是平衡時 [生成物] 與 [反應物] 的比率。大的Kc值意味著反應有利於生成物，而小的Kc值意味著有利於反應物。除非溫度改變，否則Kc是常數。
3. 勒沙特列原理：應對變化
核心思想
如果我們有一個處於平衡狀態的系統，突然間打擾它（例如，加入更多反應物），會發生什麼事呢？法國化學家亨利·勒沙特列發現了這個原理。
勒沙特列原理指出：「當外界條件改變加諸於一個已達平衡的系統時，系統會向一個方向移動，以抵消這個改變。」
類比：蹺蹺板
想像一下平衡就好像一個完美平衡的蹺蹺板。如果你在其中一邊加重量（一個「改變」），它就會失衡。為了抵消這個改變，蹺蹺板需要將部分新增加的重量轉移到另一邊，嘗試重新恢復平衡。化學系統也是這樣！
「平衡移動」是什麼意思？
- 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。
應用勒沙特列原理
讓我們用一個有顏色變化的例子來看看這個原理如何運作。這個反應會由粉紅色變成藍色：
$$Co(H_2O)_6^{2+}(aq) + 4Cl^-(aq) ightleftharpoons CoCl_4^{2-}(aq) + 6H_2O(l)$$
（粉紅色） （藍色）
1. 改變濃度的影響
規則：系統會嘗試清除你添加的東西，並補充你移走的東西。
- 改變：加入更多Cl⁻離子（例如，加入濃鹽酸）。
- 系統反應：「哇，太多Cl⁻了！我要用掉它！」
- 怎麼做：它會有利於正反應，以消耗額外的Cl⁻。
- 結果：平衡會向右移動。溶液會變得更藍。
- 改變：移走CoCl₄²⁻（這很難做到，但假設我們可以）。
- 系統反應：「喂，CoCl₄²⁻去哪了？我要多製造一些出來！」
- 怎麼做：它會有利於正反應，以補充失去的CoCl₄²⁻。
- 結果：平衡會向右移動。
重要一點：改變濃度會使平衡位置移動，但Kc的數值不會改變（只要溫度保持不變）。
2. 改變溫度的影響
規則：將「熱能」視為反應物（吸熱反應）或生成物（放熱反應）。
假設我們的例子反應是吸熱反應，也就是它會吸收熱能。（ΔH是正值）。
$$Heat + Co(H_2O)_6^{2+}(aq) + 4Cl^-(aq) ightleftharpoons CoCl_4^{2-}(aq) + 6H_2O(l)$$
- 改變：提高溫度（加入熱能）。
- 系統反應：「這裡熱到焦了！我要用完這些額外的熱能。」
- 怎麼做：它會有利於吸熱反應（也就是消耗熱能的反應）。
- 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：「好冷啊！我要產生一些熱能。」
- 怎麼做：它會有利於放熱反應（也就是釋放熱能的反應）。
- 結果：平衡會向左移動。溶液會變得更粉紅色。
重要一點：改變溫度是唯一會使Kc數值改變的因素。
- 對於吸熱反應，提高溫度會使平衡向右移動，產生更多生成物。所以，Kc會增加。
- 對於放熱反應，提高溫度會使平衡向左移動，產生較少生成物。所以，Kc會減少。
你知道嗎？
哈柏法 ($$N_2(g) + 3H_2(g) ightleftharpoons 2NH_3(g)$$) 是放熱反應。根據勒沙特列原理，低溫會得到最高的氨產量。然而，在低溫下，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，以合理的速率獲得合理的產量。這真是現實生活中的平衡藝術！
快速回顧：勒沙特列原理總結
- 改變濃度：系統會移動以消耗所添加的物質或補充所移走的物質。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。
你一定可以的！最後總結
這就是化學平衡的核心了！可能需要多些練習，但你一定可以掌握它。只要記住這些重點概念：
- 動態平衡：不是靜止的！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] 的比率。它的數值告訴你平衡時哪一面佔優。
- 勒沙特列原理：系統會抵消你對它施加的任何改變。利用這個原理來預測平衡會如何移動。
繼續練習寫Kc表達式，並將勒沙特列原理應用在不同的情況。你一定可以的！