妙用Q与K 辅助“化学平衡移动”教学

作者:未知

  [摘   要]利用浓度商Q与平衡常数K的大小关系比较,详细地解释了因温度、压强、浓度等外界条件的改变而引起的化学平衡的移动。从培养学生化学专业素养的角度,让学生学会通过分析Q与K推导得出化学平衡移动的结果,从而提高学生分析和解决化学问题的能力。
  [关键词]化学平衡移动; 平衡常数;浓度商
  [中图分类号]   G633.8        [文献标识码]   A        [文章编号]   1674-6058(2019)14-0070-02
  “化学平衡移动”的相关知识点是高中化学的教学重点和难点,如何能让学生更加清晰和深刻地理解外界条件改变时化学平衡移动的方向,一直是广大一线化学教师努力研究的重要课题。本文将从外界条件改变时浓度商Q与平衡常数K的大小关系变化的角度出发,探讨化学平衡的移动,致力于让学生通过科学的推导得出正确的结论,从而不用再走一贯的“背化学”的路子。
  一、化学平衡移动的一般判断方法
  1.简单记忆法
  很多教师在讲授化学平衡移动这一内容时常采用实验的方法进行课堂引入,通过实验结果为学生概括出化学平衡移动的规律。例如,苏教版高中化学教材《化学反应原理》一章就用[Cr2O2-7(橙)+H2O?2CrO2-4(黄)+2H+]平衡体系说明问题,通过加入NaOH溶液和HNO3溶液来改变溶液中的H+浓度,然后根据溶液颜色的变化得出结论“减少生成物浓度,平衡正向移动;增加生成物浓度,平衡逆向移动”,最后让学生记忆相关的结论。为了帮助学生记忆,这时教师还会引入勒夏特列原理,即改变一种外界因素,平衡总是朝着减弱这种改变的方向移动。虽然引入勒夏特列原理能让学生快速地记住平衡移动的结果,但是缺少了过程性的推导,必然会在很多学生心里留下“为什么”,更别说提高学生的专业素养了。
  2.反应速率判断法
  在处理化学平衡移动问题时,可能很多教师还会从反应速率的角度出发,因为平衡移动的本质可认为是外界条件改变后使得v正和v逆不再相等。例如,平衡体系:[Cr2O2-7(橙)+H2O?2CrO2-4(黄)+2H+],在加入NaOH溶液时,由于生成物H+浓度降低,使得v逆减小,而v正不变,便有v正大于 v逆,最后平衡正向移动。这种方法在解决浓度对平衡移动的影响问题上比较成功,但对于压强、温度和催化剂对平衡移动的影响问题就表现得力不从心,这是因为压强、温度的改变或使用催化剂会使得正、逆反应速率都发生了改变,这时候很难直观判断v正和v逆的相对大小,也就无法判断平衡的移动方向。可见,这种方法的应用有很大的局限性。
  二、通过比较浓度商Q与平衡常数K的大小确定化学平衡移动的方向
  根据现在高考化学的出题模式,大部分高中教师在讲化学平衡时都会引入浓度商Q这个概念。Q的表达式与平衡常数K完全相同,只不过Q中各物质的浓度并不一定是平衡浓度,换句话说,平衡时的Q即为K。可逆反应的一个重要特点就是总朝着平衡状态的方向进行,即向Q = K 的方向进行。现以平衡体系[Cr2O2-7(橙)+H2O?2CrO2-4(黄)+2H+]为例来说明平衡移动的判断方法。该平衡体系Q的表达式如式(1)。
  若改变条件使体系[Q<K],为了再次达到Q = K的效果,平衡必然朝Q增大的方向移动(当K不变时)。从Q的表达式(1)可以看出,只有反应朝着正向进行才能增加生成物(分子)的浓度,同时减少反应物(分母)的浓度,使得Q值(分数值)增大,最后才有可能再次达到Q = K。因此, [Q<K]时平衡会正向移动;同理,若改变条件使体系 [Q>K]时,平衡将逆向移动,因为这样才能减小Q值,使其最终与K相等;若改变外界条件,Q 与K仍然相等,则平衡不移动。虽然以上的结论也可以通过大学无机中的化学反应等温式推出,但那样会增加高中生的负担,不建议提前导入该内容。
  接下来,从Q与K相对大小的角度出发谈谈外界各种条件改变时平衡的移动情况。
  1.浓度对平衡的影响
  同样以平衡體系Cr2O[2-7] (橙)+  H2O[?]2CrO[2-4](黄) +  2H+为例,在体系平衡时Q = K,向体系中加入NaOH时,H+浓度将减小,得到新的浓度商Q?,根据式(1)可知[Q?<Q],故[Q?<K],平衡将正向移动。同理,增加H+浓度,使得[Q?>K],平衡逆向移动;增加Cr2O[2-7]浓度,使得[Q?<K],平衡将正向移动。这样便可通过推导的形式得出结论:“增大反应物浓度或减小生成物浓度([Q?<K]),平衡将正向移动;减小反应物浓度或增大生成物浓度([Q?>K]),平衡逆向移动。”
  2.压强对平衡的影响
  以合成氨的平衡体系[N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)]  为例,其Q的表达式如式(2)。
  大多数情况下,压强的改变是通过体系体积的改变来实现的。平衡时有Q = K,当体系的压强增大为原来的2倍时,相当于体系的体积变为原来的1/2,这一瞬间所有的物质的浓度都变为原来的2倍,这时将得到新的浓度商Q?。简单的计算可知Q? =  Q/4,故Q?< K,平衡将正向移动(气体分子数减小的方向);同理,若将体系的压强减小为原来的1/2,这时Q? =4Q,即Q? > K,平衡逆向移动(气体分子数增加的方向)。从数学的角度分析,造成以上结果的原因是Q的表达式中分子和分母浓度的总次方数不同。那么在体积变化时,各物质浓度变化的倍数相同,但分子和分母变化的总倍数却不同,Q值必然改变。
  对于反应前后气体分子数相等的可逆反应,即Q的表达式中分子和分母浓度的总次方数相同的可逆反应,例如[I2(g)+H2(g)?2HI(g)],其Q的表达式如式(3)。不难发现,压强改变后其Q的表达式中分子和分母变化的倍数相等,即Q?= Q = K,因此平衡不移动。
  当然,对于气体也可用分压商Qp来判断,其结果与浓度商Q完全一样。
  3.温度对平衡的影响
  对于一个平衡体系,某一时刻改变温度的瞬间,实际上浓度商Q并没有改变,改变的是平衡常数K。K与温度T的关系在一般高中教材中并没有提及,那么我们可以向学生展示大学中T与K的关系式[1][如式(4)所示]。
  式(4)中R为常数,当Δ [H>0]时,K与T同向变化,即T增大则K增大;当Δ [H<0]时,K与T反向变化,即T增大K减小。下面以N2(g)+ 3H2(g)[?]2NH3(g),Δ [H<0]的体系为例探讨温度对平衡的影响。当温度T升高时,得到新的平衡常数K?,由于Δ[H<0],故[K?<K],即有 [Q>K?],平衡将逆向移动(吸热方向);同理,温度T降低时,则有[K?>K],即[Q<K?],平衡正向移动(放热方向)。可见,温度是通过改变K让平衡发生移动的,和浓度、压强的情况有着本质的区别。如果不是通过对Q和K的分析,很难让学生理解这一点。
  4.催化剂对平衡的影响
  对于一个平衡体系,加入催化剂并没有改变Q和K,即始终有Q = K,因此平衡不移动。
  综上所述,通过Q与K的比较能更科学地解决平衡移动的问题,且容易被高中生所接受,能让学生更清晰、更深层次地理解化学平衡的移动,而不是停留在记忆层面,同时提高学生分析、解决化学问题能力及其专业素养。
  [  参   考   文   献  ]
  [1]  宋天佑,程鹏,徐家宁,等.无机化学[M].北京:高等教育出版社,2015 .
  (责任编辑 罗   艳)
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