◇ 北京 安金利商曉芹(特級教師)

巧用平衡常數(shù)速解平衡移動難題

◇ 北京 安金利1商曉芹2(特級教師)

人教版《選修4》中明確指出:在一定溫度下,當(dāng)一個可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時,生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值是一個常數(shù),這個常數(shù)就是該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù),用符號K表示.化學(xué)平衡常數(shù)表明反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行的程度,K值越大,該反應(yīng)進(jìn)行得越完全,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越大;反之,反應(yīng)就越不完全,轉(zhuǎn)化率就越小.K值只受溫度影響,與反應(yīng)物或生成物的濃度無關(guān).勒夏特列原理是判斷化學(xué)平衡移動方向的重要原理,但只能定性解決其他條件不變時,改變某個外界條件,平衡移動的方向問題.如果變化條件增多,有時依據(jù)勒夏特列原理很難判斷出平衡移動的方向.解題時如果借助平衡常數(shù),通過計算將定性分析轉(zhuǎn)變成定量比較,有了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)做支撐,可以使平衡移動方向的判斷更為快速準(zhǔn)確,從而順利突破平衡移動判斷的難點(diǎn).下面介紹幾種巧用平衡常數(shù)速解平衡移動難題的方法.

1 判斷轉(zhuǎn)化率變化趨勢及可逆反應(yīng)進(jìn)行的方向

現(xiàn)有恒溫、恒容條件下的可逆反應(yīng):

(1)①向容器中充入amolA氣體和bmolB氣體;②向容器中充入amolA氣體和nbmol(n＞1)B氣體.二者均達(dá)到平衡狀態(tài)后,②中A的轉(zhuǎn)化率增大,B的轉(zhuǎn)化率如何變化?

(2)在相同條件下,向容器中充入一定量的A、B、C、D4種氣體,可逆反應(yīng)會向哪個方向進(jìn)行?

例1在一定溫度下,將1molCO和1molH2O(g)通入容積為1L的密閉容器中,并按下式反應(yīng):CO(g)＋H2O(g)?CO2(g)＋H2(g),回答下列問題:

(1)若通入1molCO和1molH2O(g),測得反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時生成0.5molCO2,求CO和H2O的轉(zhuǎn)化率.

(2)在相同條件下,若通入1molCO和4molH2O(g),一段時間后反應(yīng)也達(dá)平衡狀態(tài),求CO和H2O的轉(zhuǎn)化率.

(3)在相同條件下,若向該容器中通入1molCO、2molH2O(g)、0.5molCO2和2molH2,該反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)?若未達(dá)到平衡,指出反應(yīng)進(jìn)行的方向.

分析(1)應(yīng)用“三段式”法求算CO和H2O的轉(zhuǎn)化率及該反應(yīng)在此溫度下的平衡常數(shù).(2)溫度不變時,反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)不變,利用這一性質(zhì)進(jìn)行求解.(3)向容器中任意充入4種氣體后,先將各物質(zhì)的濃度帶入平衡常數(shù)表達(dá)式求出K′.若K′＜K,說明反應(yīng)要向正反應(yīng)方向進(jìn)行;若K′＝K,則反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài);若K′＞K,則反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行.

結(jié)論當(dāng)其他條件不變時,只增大H2O(g)的濃度,CO的轉(zhuǎn)化率增大,H2O的轉(zhuǎn)化率卻是減小的.

2 解釋加水稀釋促進(jìn)弱電解質(zhì)電離及鹽類水解的問題

對于弱電解質(zhì)的稀溶液,加水稀釋促進(jìn)弱電解質(zhì)電離,電離出的離子物質(zhì)的量增加,但離子濃度為什么會減小?對于這樣的問題,巧用電離平衡常數(shù)就能很快解決.

例2已知25℃時,醋酸溶液中CH3COOH?CH3COO－＋H＋,電離平衡常數(shù)為1.75×10－5.現(xiàn)有0.10mol·L－1和0.010mol·L－12種CH3COOH稀溶液,其中c(H＋)之比為________;CH3COOH電離度之比為__________.(說明:進(jìn)行簡化計算時,平衡時c(CH3COOH)可用起始濃度代替,水電離出的c(H＋)、c(OH－)可忽略不計,＝3.16.)

分析依據(jù)溫度不變、電離平衡常數(shù)不變,將2種醋酸溶液中c(H＋)建立聯(lián)系,列方程進(jìn)行求解.

設(shè)0.10mol·L－1CH3COOH溶液中c(H＋)為x.

設(shè)0.010mol·L－1CH3COOH溶液中c(H＋)為y.

可以認(rèn)為0.010mol·L－1CH3COOH溶液是將0.10mol·L－1CH3COOH溶液稀釋10倍得到的,假設(shè)加水稀釋對CH3COOH的電離平衡沒有影響,①與②中c(H＋)之比應(yīng)當(dāng)?shù)扔?0,電離度之比應(yīng)當(dāng)?shù)扔?,而實(shí)際①與②中c(H＋)之比卻是3.16,電離度之比小于1.

這2種方法都能證明:加水稀釋過程中CH3COOH的電離度增大了,加水稀釋促進(jìn)弱電解質(zhì)電離,盡管n(CH3COO－)、n(H＋)會增加,但c(CH3COOH)、c(CH3COO－)、c(H＋)都減小.

我們換個角度來考慮問題,可認(rèn)為0.10mol·L－1CH3COOH溶液是向0.010mol·L－1CH3COOH溶液加入冰醋酸或高濃度的CH3COOH溶液而得到的,溶液中c(H＋)增大而CH3COOH的電離程度卻是減小的.很容易得出:向稀醋酸溶液中加入冰醋酸或高濃度CH3COOH溶液后抑制了CH3COOH電離,但c(CH3COOH)、c(H＋)、c(CH3COO－)都增大了.

結(jié)論對于弱電解質(zhì)的稀溶液來說,加水稀釋會促進(jìn)弱電解質(zhì)的電離,電離出離子的物質(zhì)的量增加而弱電解質(zhì)分子、弱電解質(zhì)電離出的離子濃度卻減小.同理,加水稀釋也能促進(jìn)鹽類的水解.

3 解決弱電解質(zhì)溶液中微粒濃度比的問題

弱電解質(zhì)的電離平衡受外界條件影響,會導(dǎo)致平衡發(fā)生移動,溶液中離子濃度會隨之發(fā)生變化.當(dāng)2種微粒濃度變化趨勢相同時,它們濃度比值的變化用一般方法討論很困難,用電離平衡常數(shù)就很容易了.

(1)加水稀釋;

(2)通入少量HCl氣體;

(3)加入少量CH3COONa晶體.

分析0.1mol·L－1醋酸溶液中存在電離平衡:CH3COOH?CH3COO－＋H＋,改變條件,溶液中3種微粒的濃度發(fā)生如表1.

表1

總之,應(yīng)用平衡常數(shù),對于判斷轉(zhuǎn)化率的變化趨勢、可逆反應(yīng)進(jìn)行的方向、解釋加水稀釋促進(jìn)弱電解質(zhì)電離及鹽類的水解、弱電解質(zhì)溶液中微粒濃度比等相關(guān)難題,就會迎刃而解.

(作者單位:1.北京實(shí)驗學(xué)校(平谷)2.北京一零一中 )