A-level 化學/AQA/模組 2/平衡

一個平衡反應是指反應物，例如 A + B，成功碰撞並反應生成產物 C + D。'逆'反應也同時發生，即 C + D 再次反應生成 A + B。當這個體系達到一個點，A、B、C 和 D 的濃度保持不變時，該反應被稱為處於動態平衡。此時，反應看起來已經停止了，但正逆反應仍然以相同的速率進行。然而，這種平衡位置處於一半點的的情況非常罕見。

上面的平衡反應可以用以下方程式表示

$A+B\leftrightarrow C+D$

勒沙特列原理

勒沙特列原理可以用來預測在化學平衡反應中改變條件時會發生的改變。他的原理指出

"如果一個處於平衡狀態的體系受到壓力、溫度或濃度變化的影響，則該體系將移動以抵抗這種變化。"

使用這個原理相對簡單；無論你在反應條件中改變了什麼，體系都會向相反的方向移動，試圖恢復平衡狀態。

例如，讓我們考慮二氧化氮形成四氧化二氮的反應

2NO₂ ↔ N₂O₄ ΔG = 45.53 kJ/mol

溫度：可以看出，這裡的反應是吸熱的（從周圍環境吸收熱量）。如果反應條件發生變化，例如溫度升高，則平衡將試圖透過降低溫度來抵抗這種變化，從而向吸熱方向移動，即向右側移動。相反，如果溫度降低，則平衡將試圖透過向放熱方向移動來抵抗這種變化，從而再次升高溫度，因此體系將向左側移動。

壓力：為了確定當總壓力發生變化時平衡反應將如何移動，必須檢視反應中每個物質的摩爾數。在上面關於二氧化氮的反應中，可以從方程式中看出，摩爾數最多的那一側是左側。因此，增加該反應的壓力會導致平衡向右側移動，因為它是摩爾數較少的 gas，從而再次降低壓力。

濃度：如果一個平衡反應中的一種化學物質的濃度發生了變化，那麼體系將透過向增加或減少濃度的方向移動來抵抗這種變化，具體取決於發生了什麼變化。考慮以下反應

H₂ + I₂ ↔ 2HI

如果你在上面的平衡中加入大量的碘化氫，則體系將向左側移動以去除加入的過量的 HI 濃度。同樣，如果加入大量的碘，則體系將向右側移動以降低濃度。

平衡與工業

氨

對於許多反應，必須在反應條件上進行折衷，以獲得最佳的產物收率。儘管例如，一個反應可能在極高的溫度下產生最多的產物，但在工業上產生如此高的溫度是不切實際的。

考慮哈伯法，其中氫氣和氮氣反應生成氨

3H₂ + N₂ ↔ 2NH₃ ΔG = -92.4 kJ/mol

正反應是放熱的，因此反應在低溫下有利。即使是這種情況，如果溫度過低，反應物分子將幾乎沒有動能，因此氫氣和氮氣之間的碰撞將非常微弱，反應將不會發生，從而導致沒有氨氣的形成。因此，必須折衷使用約 450 °C 的溫度，導致只有 10-20% 的氨氣收率。

哈伯法也受到高壓的青睞，因為在平衡方程式的右側，氣體的摩爾數較少。產生極高的壓力是一個困難而昂貴的過程，因為產生這種壓力所需的能量可能很高，用於承受這種高壓的容器的成本也可能很高。這裡的折衷壓力為 250atm。

甲醇

甲醇主要用作化學原料，即作為製造其他化學品的起始原料，尤其是在製造甲醛中使用。甲醛反過來用於製造塑膠，例如酚醛樹脂。

美國 Indycar 的燃料是甲醇，與汽油汽車相比，甲醇汽車有一個優勢，即甲醇火災可以用水撲滅。

全世界每年生產 3300 萬噸甲醇，主要來自以下反應。

CO + 3H₂ ↔ CH₃OH ΔH = -91kJ mol⁻¹

起始混合物稱為合成氣，它是透過甲烷或丙烷與蒸汽反應制成的。勒沙特列原理告訴我們，甲醇合成反應將在低溫高壓下獲得最高的收率。但實際上，在 500K 的溫度和 10,000 kPa 的壓力下，使用的折衷條件產生大約 5-10% 的收率。

乙醇

這是酒精飲料中的酒精，因此，用酵母中的酶作為催化劑，發酵糖（如葡萄糖）來生產乙醇已有數千年曆史，這並不奇怪。

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

乙醇也用於藥物、化妝品、洗滌劑和油墨，目前乙醇的主要來源是透過分餾後裂解從原油中獲得的乙烯。

乙醇是透過乙烯的水合（加水）可逆反應制成的，並透過吸附在二氧化矽上的磷酸催化劑加速。

H₂C=CH₂ + H₂O ↔ CH₃CH₂OH ΔH = -46kJ mol⁻¹

在使用的溫度下，產物和反應物都是氣態的。將勒沙特列原理應用於該平衡預測，最大收率將在高壓下產生，迫使平衡向氣體分子較少的右側移動，低溫迫使平衡向右側移動以釋放熱量，過量的蒸汽迫使平衡再次向右側移動以減少蒸汽濃度。然而，實際問題包括：低溫會降低反應速率，從而降低平衡達到的速度，高壓往往會導致乙烯聚合（形成聚乙烯），高壓還會增加建造工廠的成本和執行所需的能量成本，過量的蒸汽會簡單地稀釋催化劑。

在實踐中，使用約 570K 的溫度和 6500 kPa 的壓力，獲得約 5% 的乙醇收率。將未反應的乙烯從反應混合物中分離出來，並再次在催化劑上迴圈使用，直到獲得 95% 的轉化率。

催化劑

有些反應需要使用催化劑才能在合理、高效的時間內達到平衡。催化劑不會影響平衡的位置；它同樣加速正逆反應，因此只會增加達到平衡的速率！

催化劑透過為平衡反應中的反應物和產物提供更低的活化能的替代反應途徑而起作用，而活化能保持不變。