师:同学们好,很高兴又和大家见面了。今天我们要进行化学平衡移动的微专题复习,这是一节复习课。在开课之前,老师想说几句题外话。有句古话叫“授人以鱼不如授之以渔”,这也是教师传道授业解惑的至高境界。今天这节课,老师希望能带给同学们更多思维的碰撞,让大家通过这节课的学习,多思考、再思考。
言归正传,我们来看化学平衡的移动。化学平衡的移动是指从原平衡状态过渡到新平衡状态,这个过程必然会经历平衡被破坏的环节,也就是当(v_{正}\neq v_{逆})时。原本(v_{正}=v_{逆}),变成(v_{正}\neq v_{逆}),一定是有条件改变了。这样,一个完整的化学平衡移动过程就形成了。我们不难发现,在这个移动过程中,平衡被破坏是非常重要的环节。
现在我们来思考几个问题:第一,哪些因素会改变化学反应速率?因为要制造(v_{正}\neq v_{逆})的状态,就需要改变化学反应速率。第二,化学反应速率变化是否一定会导致(v_{正}\neq v_{逆})呢?因为只有(v_{正}\neq v_{逆}),平衡才会发生移动。结合这两个思考,我们就有了第三个问题,哪些因素会造成已达平衡状态的化学反应速率出现(v_{正}\neq v_{逆})的现象?带着这些思考,我们回顾一下之前学过的化学知识。
当改变化学反应条件时,化学反应速率会出现两类变化。一类是化学反应速率不变,比如在恒容容器中充入惰性气体,此时(v_{正})、(v_{逆})均没有发生变化,平衡也不会移动。另一类是化学反应速率发生变化,也有可能速率是等倍率变化,并没有破坏(v_{正})和(v_{逆})的大小关系,比如使用催化剂,它使(v_{正})、(v_{逆})改变程度相同,所以平衡不移动。当然,除了催化剂,气体体积不变时改变压强也有相同情况。那自然也有不同情况,浓度、温度、压强这三个因素发生变化时,都有可能造成(v_{正})、(v_{逆})不同程度的变化,使得(v_{正}\neq v_{逆}),这时就产生了化学平衡移动。那么平衡向哪移动呢?分析可得,当(v_{正}\gt v_{逆})时,平衡向正反应方向移动;(v_{正}=v_{逆})时,反应达到平衡状态,平衡不移动;(v_{正}\lt v_{逆})时,平衡向逆反应方向移动。
了解了平衡移动方向,我们再来总结回顾一下浓度、压强、温度等因素与化学反应的关系。增大反应物浓度或减小生成物浓度,平衡正向移动;减小反应物浓度或增大生成物浓度,平衡逆向移动。对于反应前后气体分子数不等的反应,增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动;减小压强,平衡向气体分子数增大的方向移动。若反应前后气体分子数相等,改变压强平衡不移动。升高温度,平衡向吸热方向移动;降低温度,平衡向放热方向移动。加入催化剂不能使平衡发生移动。
这些规律,前人已经给我们总结好了,就是大名鼎鼎的勒夏特列平衡移动原理:如果改变影响平衡的条件之一,如温度、压强、参与反应化学物质的浓度,平衡将向着能够减小这种改变的方向移动。后来我们研究发现,勒夏特列平衡原理是一个经验规律。我们有更精确的判断方法,那就是平衡常数与浓度商。平衡常数在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,用符号(K)来表示。老师之前一定反复强调过,平衡常数只与温度有关,不受其他因素影响。
浓度商,对于可逆反应来说,在一定温度下,任意时刻反应物与生成物浓度有如下关系式,称之为浓度商。通过浓度商的计算式,我们不难发现它和平衡常数的计算式很相似,我们可以简单理解为平衡常数就是反应处在平衡时的浓度商。因此,通过对比浓度商(Q_{c})和平衡常数(K)之间的大小关系,我们就可以判断出反应所处的状态,得到下面的结论:当(Q_{c}\lt K)时,反应向正反应方向进行,(v_{正}\gt v_{逆});当(Q_{c}\gt K)时,反应向逆反应方向进行,(v_{正}\lt v_{逆});当(Q_{c}=K)时,反应处于化学平衡状态,(v_{正}=v_{逆})。
了解了浓度商与平衡常数之间的关系,以及前面所学的知识,其实我们已经把化学平衡移动相关的知识总结完了。但这节课就结束了吗?并不是,我们学习知识是为了运用知识去解决问题,就像古代《孙子兵法》里说的“知己知彼,百战不殆”,这是为了解决当时的战争问题。同样,我们现在要解决现实学习、生产生活中的实际问题,也需要知己知彼。所以今天老师带领同学们试着换位思考,从题目的角度出发,看看平时我们做的题目以哪些不同方式将化学平衡移动这个信息传递给我们。
我们快速浏览几道题目,请同学们快速寻找题目中与化学平衡移动相关的信息点。不难发现,题目中多处提到缩小容器、增大容积、减小压强、增大压强等具体操作,这都是改变条件的相关信息描述。再看这一题,还能发现题目中有转化率、平衡常数等相关信息点,提示我们可能跟平衡移动有关。还有这道题,通篇没提到平衡移动四个字,但在询问转化率的变化,转化率是一个状态函数,而且这道题有平衡常数,还有图像,所谓“一图胜千言”,图像中所含的信息非常多。
通过前面几道题目的快速浏览,我们发现,对于需要解决的问题,常见的提供信息点的方式有:描述反应条件的改变、状态参数的改变、平衡常数意义的解析以及图像。那么面对这些问题,我们有哪些方法去解决呢?我们有勒夏特列平衡移动原理、(Q_{c})与(K)之间的关系以及三行式求解算法。虽然方法不多,但个个都是“真英雄”。今天老师就带领同学们利用这三大法宝,解决上面的问题。咱们来看这道题,请同学们认真看题,试着求解。
下列叙述及解析正确的是:
A. 二氧化碳生成四氧化碳的反应,在平衡后对平衡体系采取缩小容积、增大压强措施。因为平衡向正反应方向移动,故体系的颜色变浅。这个选项涉及两个重要判断:一是反应是否向正反应方向移动,二是体系的颜色是否变浅。分析题目,此反应是前后气体分子系数为(2→1)的反应,当缩小容积、增大压强时,平衡向着气体分子数减小的方向,即正向移动,方向判断正确。那么颜色呢?颜色与有色物质的浓度相关,题中有色物质是二氧化碳。因为采取缩小容积的方式,所有物质的浓度都会增加,平衡移动会减弱这个过程,但不会让浓度不增加反而减少。所以到达平衡后,体系的颜色一定会比原先深,A选项错误。
B. 氢气和碘蒸汽反应生成碘化氢,分析方程可知这是一个前后气体系数和相等的反应。平衡后对体系采取增大容积、减小压强的措施,因为平衡不移动,故体系的颜色不变。这里同样有两点,减小压强,此反应是可逆反应,不受压强影响,所以平衡不移动。有颜色的物质是碘单质,增大容积所有物质的浓度都降低,所以碘单质浓度降低,颜色变浅,B选项错误。
C. 氯化铁与硫氰酸钾反应生成硫氰酸铁和氯化钾,平衡后加入少量氯化钾固体,因为平衡向逆反应方向移动,故体系颜色变浅。加入氯化钾固体会提供大量钾离子和氯离子,但并不会造成其他物质的浓度变化。此反应有效反应的离子是三价铁离子和硫氰酸根,与钾离子和氯离子关联不大,所以加入氯化钾平衡并不会发生变化,C选项错误。
D. 对于氮气、氢气反应生成氨气,平衡后压强不变冲入氩气,平衡会怎样呢?由于平衡后保持压强不变,冲入氩气会使活塞向外移动,体积变大,所有物质的浓度降低,相当于减压过程。或者理解为氮气、氢气、氨气的分压下降,这是一个(4→2)的反应,减压平衡左移,所以D选项正确。
第一题解决了,我们再看下面一道题。一定条件下,通过下列反应可以实现煤烟气中硫的回收。请同学们仔细通读题目。分析这个方程,这是一个(3→2)气体分子数减小的方程,注意最后一个硫是纯液体,此反应的焓变小于(0),是一个放热反应。
A. 平衡前随反应的进行,容器内的压强始终不变。这是一个前后气体分子系数变化的方程,所以压强始终不变是错误的,A选项错误。
