課題X：可逆反應與動態平衡
哈囉！歡迎來到化學平衡的奇妙世界。你有沒有想過，為什麼有些反應好像永遠都「完成不了」？又或者，大型化學工廠如何能如此高效地生產大量產品？答案就在於理解可逆反應，以及一種特殊的狀態，叫做動態平衡。
在這一章，我們將探討能正向和逆向進行的反應。我們會了解反應「達致平衡」的意義，並揭示化學家如何巧妙地將反應推向他們想要的特定方向。別擔心這聽起來很複雜；我們會用簡單的例子和比喻來逐一解構。我們開始吧！
可逆反應與不可逆反應
你目前學過的大多數反應都只朝一個方向進行。當你燃燒一張紙，它會變成灰燼。你無法輕易地將灰燼變回紙張。這就是不可逆反應。
例子：鎂在空氣中燃燒。 $$2Mg(s) + O_2(g) \rightarrow 2MgO(s)$$
然而，許多化學反應卻是雙向的。產物可以互相反應，重新形成原來的反應物。這些被稱為可逆反應。我們用一個特殊的雙向箭號 ($$\rightleftharpoons$$) 來表示。
從左到右進行的反應稱為正反應。
從右到左進行的反應稱為逆反應（或倒退反應）。
例子：加熱水合硫酸銅(II)。藍色晶體受熱會變成白色粉末，但如果你把水加到白色粉末中，它又會變回藍色！ $$CuSO_4 \cdot 5H_2O(s) \rightleftharpoons CuSO_4(s) + 5H_2O(g)$$ （藍色水合固體） $$ \rightleftharpoons $$ （白色無水固體） + （水蒸氣）
重點歸納
不可逆反應只朝一個方向進行 (→)。可逆反應則可以同時朝兩個方向進行 ($$\rightleftharpoons$$)，即正反應和逆反應同時發生。
什麼是動態平衡？
想像一下一家繁忙的商店。不斷有人進去，也不斷有人出來。如果每分鐘進入的人數與每分鐘離開的人數相同，那麼店內總人數就會保持不變。從外面看，似乎沒有任何變化，但實際上店內卻是人來人往，不斷流動。這正是動態平衡的絕佳比喻！
在可逆反應中，當正反應的速率等於逆反應的速率時，系統便達到動態平衡狀態。
- 動態（Dynamic）：這意味著反應並沒有停止！正反應和逆反應仍然在持續進行。
- 平衡（Equilibrium）：這意味著沒有總體變化。反應物和產物的量（濃度）保持不變，因為它們形成的速度與被消耗的速度相同。
動態平衡的特點
一個系統若要達到動態平衡，必須具備以下特點：
- 正反應和逆反應的速率相等。
- 所有反應物和產物的濃度都保持不變。
- 它只能發生在密閉系統中，即沒有物質可以進入或離開系統。
- 宏觀性質（例如顏色、壓力、濃度）不隨時間改變。
快速回顧：重要區別！
常見錯誤：以為反應在平衡狀態時就停止了。
正確理解：反應仍在進行中！它們只是完美地平衡著，就像兩隊實力相當的拔河隊，以相同的力量拉扯著繩子。
重點歸納
動態平衡是可逆反應中的一種狀態，此時正反應和逆反應的速率相等，導致反應物和產物的濃度保持不變。這是一種平衡狀態，而非靜止狀態。
平衡常數 (Kc)
在平衡狀態時，反應物和產物的濃度雖然是恆定的，但這並不代表它們的濃度是相等的。有時候產物會很多而反應物很少，有時候情況則剛好相反。平衡常數 (Kc) 是一個數值，它告訴我們平衡的位置。
如何書寫 Kc 表達式
對於一個普遍的反應：
$$aA(aq) + bB(aq) \rightleftharpoons cC(aq) + dD(aq)$$
平衡常數表達式可寫為：
$$K_c = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$$
讓我們來逐一分析：
- 方括號 [ ] 代表「某物質的濃度」，單位是 mol dm⁻³。
- 產物的濃度總是放在分子（上方）。
- 反應物的濃度總是放在分母（下方）。
- 化學計量係數（平衡方程式中的數字 a, b, c, d）會變成每個濃度的冪。
非常重要的規則：我們不會將純固體 (s) 或純液體 (l) 的濃度納入 Kc 表達式中。這是因為它們的「濃度」（密度）本質上是恆定的，在反應過程中不會改變。
例子：對於反應 $$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$，其表達式為： $$K_c = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$$
Kc 值告訴我們什麼？
- 如果 Kc 值很大（例如 > 1000）：分數的分子遠大於分母。這表示在平衡狀態時，產物的量遠多於反應物。我們稱此為平衡向右移動。
- 如果 Kc 值很小（例如 < 0.001）：分數的分母遠大於分子。這表示有更多的反應物而不是產物。我們稱此為平衡向左移動。
- 如果 Kc 值約為 1：在平衡狀態時，反應物和產物的量都相當可觀。
請記住，反應的 Kc 值只會隨溫度變化而改變。
涉及 Kc 的計算
例子：在某特定溫度下，反應 $$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$ 的平衡濃度分別為 [H₂] = 0.10 mol dm⁻³、[I₂] = 0.20 mol dm⁻³ 和 [HI] = 1.04 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。 $$K_c = \frac{(1.04)^2}{(0.10)(0.20)}$$
步驟 3：計算數值。 $$K_c = \frac{1.0816}{0.02} = 54.08$$
（注意：Kc 通常沒有單位。）
重點歸納
Kc 是平衡狀態時產物濃度與反應物濃度之間的比例。大的 Kc 值表示反應有利於產物生成，而小的 Kc 值則表示反應有利於反應物。除非溫度改變，否則其值保持恆定。
改變平衡位置（勒沙特列原理）
化學工程師通常希望盡量提高產物的產量。他們可以透過「擾動」平衡來實現這一目標。系統的反應由一個非常重要的概念所描述：勒沙特列原理。
勒沙特列原理指出：如果對處於平衡狀態的系統施加改變，平衡位置將會朝著抵銷該改變的方向移動。
你可以這樣想：系統不喜歡被改變。無論你對它做了什麼，它都會試圖做出相反的反應，以回復到平衡狀態。
讓我們先看看課程中你需要了解的兩個因素：濃度和溫度。
1. 濃度改變的影響
這不會改變 Kc 的值。它只會使平衡位置發生移動。
考慮反應： $$Fe^{3+}(aq) + SCN^-(aq) \rightleftharpoons [Fe(SCN)]^{2+}(aq)$$ （淡黃色） + （無色） $$ \rightleftharpoons $$ （血紅色）
- 改變：增加更多反應物（例如：更多 Fe³⁺）。
系統反應：試圖*消耗*多餘的 Fe³⁺。
結果：平衡向右移動。正反應受有利，產生更多血紅色產物。 - 改變：移除產物（例如：移除 [Fe(SCN)]²⁺）。
系統反應：試圖*補充*被移除的產物。
結果：平衡向右移動。正反應受有利。 - 改變：增加更多產物（例如：更多 [Fe(SCN)]²⁺）。
系統反應：試圖*消耗*多餘的產物。
結果：平衡向左移動。逆反應受有利，產生更多反應物。
2. 溫度改變的影響
這是唯一能改變 Kc 值的因素。
要理解這一點，我們需要知道反應是放熱反應（釋放熱量，ΔH 為負值）還是吸熱反應（吸收熱量，ΔH 為正值）。讓我們把「熱量」當作一種化學物質來看待！
對於放熱反應（熱量是產物）： $$A + B \rightleftharpoons C + \text{heat}$$
- 改變：升高溫度（增加熱量）。
系統反應：試圖*消耗*多餘的熱量。
結果：平衡向左移動（吸熱方向）。產物的量減少，因此 Kc 減少。 - 改變：降低溫度（移除熱量）。
系統反應：試圖*產生更多*熱量。
結果：平衡向右移動（放熱方向）。產物的量增加，因此 Kc 增加。
對於吸熱反應（熱量是反應物）： $$A + B + \text{heat} \rightleftharpoons C$$
- 改變：升高溫度（增加熱量）。
系統反應：試圖*消耗*多餘的熱量。
結果：平衡向右移動。產物的量增加，因此 Kc 增加。 - 改變：降低溫度（移除熱量）。
系統反應：試圖*產生更多*熱量。
結果：平衡向左移動。產物的量減少，因此 Kc 減少。
你知道嗎？催化劑的角色。
那如果加入催化劑會怎樣呢？這是一個常見的考試陷阱題！
催化劑能以相同的程度加快正反應和逆反應的速率。這表示系統能更快地達到平衡，但它不會改變平衡的位置，也不會改變 Kc 的值。這就像在兩個城市之間建造一條新的、更快的道路——它不會改變城市的大小，只是讓你在它們之間移動得更快。
重點歸納
勒沙特列原理幫助我們預測平衡系統如何應對改變。系統總是試圖抵銷你所施加的改變。記住，只有溫度的改變才能影響 Kc 的數值。