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可逆反应(Reversible Reaction)与化学平衡

2020-06-23 996 ℃

在探讨化学平衡前,必须先了解什幺是可逆反应,在一个可逆反应的前提之下,探讨化学平衡,才有意义,换言之,可以探讨化学平衡的反应必定是可逆反应。

首先先来谈谈可逆反应是如何被发现的!西元1798年,拿破仑远征埃及,亟需一名科学家辅佐谘询。因考虑在拉瓦节过世后,法国科学界的领导地位渐渐被克劳德贝托莱(Claude Louis Berthollet)取代,拿破仑遂决定聘任社会声望佳与科学成就卓越的贝托莱,成为其科学顾问。在埃及期间,贝托莱偶然发现,碳酸钠竟沉积在盐湖周围!基于对科学灵敏的认知,他立刻觉察到这应该是高浓度的盐在水体中缓慢蒸发造成的结果,如果要将此结果写成化学方程式,则恰是当时已熟知的方程式Na2CO3+ CaCl2–> CaCO3+ 2 NaCl之逆向反应。于是西元1803年,贝托莱在其着作中,提出了『有些化学反应式不只有单向反应;也可以进行逆向反应』的观点,这也是现今我们所称之「可逆反应(reversible reaction)」的先驱。

那幺什幺是「可逆反应」呢?
在化学实验中,可以观察到有些反应只朝一个方向进行,例如氢氧化钠和盐酸的中和反应(NaOH(aq)+ HCl(aq) –> NaCl(aq)+ H2O),在常温常压下只会向右进行,为『不可逆反应(irreversible reaction)』。然而有些反应:例如在一密闭系统中,水会蒸发形成水蒸气;水蒸气也能凝结形成水,其互变的程度则因温度、压力之变化而有所不同。像这样在固定温度压力等条件的密闭系统下,反应能循化学式之右向进行、也能循其左向进行者,便称为「可逆反应」。通常这样的反应,反应物(reactant)都不会完全用尽,因为在正反应进行的当而,逆反应也会进行,只是正、逆反应的速率,不一定相同,所以有一部分的产物,会再转换成原来的反应物。

既然在一可逆反应中,反应物永远不会用尽,又该如何去判定「停止测量反应」的时间点?

可逆反应(Reversible Reaction)与化学平衡
如果观察到一个化学反应中颜色的改变、排放气泡或沉澱等现象,我们自然能知道,因反应而带来的变化仍持续进行,「反应尚未达到平衡」。例如式(一)的反应,在一透明、且密闭的系统里,四氧化二氮会渐渐转变为二氧化氮。在这过程里,我们能观察到这反应的容器,由透明的外观渐渐呈现红棕色,其色泽反应随时间的增加而加深,故可知二氧化氮的浓度正逐渐提高。
然而经过一段时间,会发现瓶内的颜色不再继续变化了,此时若分析密闭系统中的化学成分,则能发现 (一) 有二氧化氮生成,但四氧化二氮并未用完;(二) 在颜色不再变化之后的各个时间去侦测,并维持密闭系统的温度、压力…等反应条件的恒定,则会发现:四氧化二氮与二氧化氮的浓度维持定值,不随时间变化。而我们把这样的状态,称为达到「化学平衡」。就巨观而言,「化学平衡」就是反应物与产物的浓度都达到定值,不再变化。

然而为什幺一个可逆反应(在反应条件不变的情况下),最终都会达到各个物种浓度不再变化的「平衡」状态呢?

其实在平衡的状态,巨观上浓度看似维持恆定,微观上反应却持续进行,只是单位时间内,各个物种的浓度变化,都达到定值,所以肉眼看不出变化,为一「动态平衡」。微观上,「化学平衡」就是正反应速率等于逆反应速率。

可逆反应(Reversible Reaction)与化学平衡如(图一)所呈现的,若仍以(式一)做说明,在化学反应的初始,四氧化二氮的浓度高于二氧化氮的浓度,所以正反应速率大于逆反应速率(因为浓度越高、反应速率越快),使较多的四氧化二氮被分解成二氧化氮(相对的,较少的二氧化氮形成四氧化二氮)。在此阶段,二氧化氮浓度提高,四氧化二氮的浓度则减少,如此一来,也同时促使
正反应速率随着四氧化二氮浓度的降低而减缓;
逆反应速率随着二氧化氮浓度的增高而增快。

随着正反应速率的减缓、逆反应速率的增快,二氧化氮与四氧化二氮的浓度变化情形都逐渐缓和,直到正反应速率与逆反应速率相等,浓度不再变化,达到动态平衡。

参考资料:
1.高中化学 (泰宇出版社)
2.http://www.chem1.com/acad/webtext/chemeq/Eq-01.html#NAP

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