河北 劉志峰 韓雪松

本文闡述了化學平衡移動的實質(zhì)，提出了對化學平衡移動方向進行判斷的兩類方法。指出在平衡移動方向判斷中存在的錯誤認識。分析了平衡移動是一過程變量，它與平衡時的狀態(tài)函數(shù)無必然關系。整理化學平衡移動方向和移動結果分析的教學策略，介紹了其在離子平衡中的應用。

1 問題的提出

化學平衡在高中化學反應原理模塊中既是重點也是難點內(nèi)容。由于教材對化學平衡移動方向原理的描述缺失與混亂，不同教師對化學平衡移動原理理解不同，對化學平衡移動方向判斷的標準不同，經(jīng)常會導致同一個試題得出相反的結論與解釋。為此，我們有必要分析化學平衡移動的實質(zhì)，明確判斷移動方向的方法及適用范圍，指出在化學平衡移動方向判斷中的錯誤認識，梳理該內(nèi)容的教學策略。

2 化學平衡移動概念界定

化學平衡移動指的是什么？任何一個化學平衡移動過程，都可用圖1表示。

圖1

化學平衡移動與三個狀態(tài)有關：“原平衡態(tài)1”、改變條件后的“非平衡態(tài)”、在新的條件下達到的“新平衡態(tài)2”。由“原平衡態(tài)1”經(jīng)過“非平衡態(tài)”到達“新平衡態(tài)2”的過程，叫作化學平衡的移動。一個反應體系處于平衡狀態(tài)時，是沒有“方向”的，“平衡移動方向”是指由“非平衡態(tài)”到達“新平衡態(tài)2”的方向。所以分析移動方向時，要看從“非平衡態(tài)”到“新平衡態(tài)2”的過程中，反應物和生成物是如何轉化的，如果在此過程中，反應物減少，生成物增多，則該平衡向正反應方向移動，反之，向逆反應方向移動。

3 化學平衡移動方向的判斷依據(jù)

3.1 實踐經(jīng)驗的定性判斷依據(jù)

3.1.1 正反應速率和逆反應速率的相對大小

外界因素是通過改變反應速率從而影響化學平衡的，從動力學角度看，在已建立的平衡狀態(tài)的基礎上，條件的改變使單位體積內(nèi)活化分子數(shù)目及有效碰撞幾率發(fā)生改變，使正反應速率與逆反應速率發(fā)生變化至不相等，打破原來的平衡狀態(tài)而使化學平衡發(fā)生移動?；瘜W平衡移動方向取決于條件改變后“非平衡態(tài)”的正反應速率與逆反應速率的競爭。

即“非平衡態(tài)”時：當v(正)>v(逆)時，化學平衡正向移動；當v(正)

3.1.2 勒夏特列原理

高中教材中，主要介紹運用勒夏特列原理來判斷化學平衡的移動方向。該原理具體表述如下：如果改變影響平衡的條件之一(如溫度、壓強以及參加反應的化學物質(zhì)的濃度)，平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動。

在運用勒夏特列原理判斷移動方向時，需要注意以下兩點：

(1)“改變的條件”為“一個”

改變的條件應該為“一個”，若同時改變“多個”條件，則運用勒夏特列原理未必能做出準確的判斷。

在通入N2后，c(N2)的濃度會增大，但容器體積也會增大，所以c(H2)和c(NH3)均會減少。此題變化的條件不是“一個”而是“多個”，此時利用勒夏特列原理不一定能做出正確的判斷，上述平衡可能正向移動、逆向移動或不移動。

(2)正確認識“改變的條件”

對該題有兩種解釋：①“再加入1 mol PCl5(g)”增大了反應物濃度，平衡正向移動。②“再加入1 mol PCl5(g)”增大了反應體系壓強，平衡逆向移動。

造成錯誤解釋的原因，就是沒有正確認識“改變的條件”。各組分的分壓同時增大或減小相同的倍數(shù)而引起體系總壓的改變才能認為是“改變壓強”。在本題中，“再加入1 mol PCl5(g)”只是改變了反應物的濃度，所以①解釋正確。

3.2 化學熱力學方面的定律判斷依據(jù)

3.2.1 濃度商與平衡常數(shù)的相對大小

對于某可逆反應，設該反應在一定溫度下的平衡常數(shù)為K，在“非平衡態(tài)”時的濃度商為Q。若K>Q，平衡將朝正方向移動；若K

3.2.2 ΔrGm與0的相對大小

在3套高中化學教材中，都設置了有關化學反應方向的教學內(nèi)容，在該部分內(nèi)容中，介紹了利用ΔG判斷化學反應的方向。

當某可逆反應處于平衡狀態(tài)時(ΔrGm=0)，改變影響平衡的一個條件到“非平衡態(tài)”(此時ΔrGm≠0)，若ΔrGm<0，則化學平衡向正反應方向移動。若ΔrGm>0，則化學平衡向逆反應方向移動。若ΔrGm=0，則化學平衡不移動。

由此可知，所有平衡移動問題，實際上都是“非平衡態(tài)”時的ΔrGm的計算問題。因為高中階段不涉及ΔrGm的計算，所以該方法不會實際應用在解題中。

3.2.3 兩者的統(tǒng)一

若Kθ=Q，則ΔrGm=0，體系處于平衡狀態(tài)，改變條件對平衡沒有影響。

若Kθ0，化學平衡將向逆反應方向移動。

若Kθ>Q，則ΔrGm<0，化學平衡將向正反應方向移動。

由此可知，依據(jù)Q與Kθ的相對大小判斷化學平衡和依據(jù)ΔrGm與0的相對大小判斷化學平衡移動方向兩者是相互聯(lián)系的，也是統(tǒng)一的。

3.3 化學平衡移動方向判斷的錯誤方法

誤區(qū)1：利用轉化率作為平衡移動的判斷依據(jù)

誤區(qū)2：利用百分含量作為平衡移動的判斷依據(jù)

誤區(qū)3：利用等效平衡原理作為平衡移動的判斷依據(jù)

表1

如圖2所示，再向1 L的容器甲中通入1 mol H2和 1 mol I2，相當于向恒壓密閉容器乙中再通入1 mol的 H2(g) 和1 mol I2(g)，然后再將容器容積由2 L壓縮為 1 L，即容器丙。因該反應氣體體積不變，所以壓縮過程中平衡不移動。由此可知，建立的“新平衡(容器丙)”與“原平衡(容器甲)”等效。所以，反應物的轉化率不變，各物質(zhì)的百分含量不變。

圖2

但不能因此就說平衡沒有發(fā)生移動，不管從v(正)和v(逆)的相對大小、勒夏特列原理，還是從Qc和K的相對大小分析，該平衡都會向正反應方向移動。

表2

如圖3所示，再向1 L的容器甲中通入1 mol PCl5(g)，相當于向恒壓密閉容器乙中再通入1 mol的PCl5(g)，然后再將容器容積由2 L壓縮為1 L，即容器丙。因該反應正方向為氣體物質(zhì)的量增大的方向，所以壓縮過程中平衡逆向移動。由此可知，建立的“新平衡(容器丙)”與“原平衡(容器甲)”相比，相當于增大壓強。PCl5的轉化率減小，PCl5百分含量增大，Cl2和PCl3百分含量減小。

圖3

由以上例題可以看出：等效平衡說的是“原平衡態(tài)1”與“新平衡態(tài)2”是“等效”的。在比較物質(zhì)的轉化率、百分含量時也是用“原平衡態(tài)1”與“新平衡態(tài)2”進行比較。而化學平衡移動方向是看從“非平衡態(tài)”到“新平衡態(tài)2”的過程中物質(zhì)發(fā)生了什么樣的轉化。兩者研究的對象是不同的，所以也沒有必然的關系(如圖1)。

所以，以上錯誤解釋忽略了平衡移動是一個過程，錯誤地用新、舊平衡狀態(tài)的參數(shù)(物質(zhì)的轉化率或百分含量)作為平衡移動判斷依據(jù)，等效平衡討論的也只是平衡狀態(tài)的參數(shù)，不涉及反應的過程，而化學平衡移動恰好就是描述化學反應過程的概念。分析本身沒有抓住平衡移動的本質(zhì)。因此，用物質(zhì)的轉化率、百分含量的變化等作為平衡移動方向的判斷依據(jù)是不合理的，經(jīng)常不能得到正確答案。

4 化學平衡移動的過程與結果辨析

化學平衡的移動：我們把可逆反應中舊化學平衡的破壞、新化學平衡建立的過程，叫作化學平衡的移動，也就是由“原平衡態(tài)1”經(jīng)過“非平衡態(tài)”到達“新平衡態(tài)2”的過程，叫作化學平衡的移動。化學平衡的移動指的是從舊平衡被破壞到新平衡的建立這一過程，而不是“新”“舊”兩平衡態(tài)之間的關系。

化學平衡移動的結果：在對比“原平衡態(tài)1”與“新平衡態(tài)2”時，如對比兩個平衡狀態(tài)的各物質(zhì)體積分數(shù)如何變化、反應物的轉化率如何變化等，這些比較都是比較平衡移動的結果，與平衡移動方向無關，與新平衡建立的過程和途徑無關。等效平衡是描述兩個平衡狀態(tài)函數(shù)的關系，屬于化學平衡移動的結果范疇，不能說明平衡移動的方向。

5 教學策略歸納

綜合以上內(nèi)容，我們可以將其判斷方法歸納如下：

(1)改變多種反應物中的某一種物質(zhì)的濃度或改變多種生成物中某一種物質(zhì)的濃度才是改變濃度，無論分析移動的方向還是結果，都按改變濃度分析。

(2)同等比例改變所有反應物和生成物的濃度，才是改變壓強，無論分析移動的方向還是結果，都按改變壓強分析。

(3)同等比例改變所有反應物濃度或同等比例改變所有生成物濃度，分析平衡移動方向時按改變濃度分析，分析平衡移動結果時按改變壓強分析。

解釋：達到平衡后，再通入2 mol NH3，同等比例地增大了生成物的濃度，當分析平衡移動方向時，按照濃度來考慮，增大了生成物濃度，平衡向逆反應方向移動。當分析體積分數(shù)時，按增大壓強分析，增大壓強，平衡正向移動，NH3的體積分數(shù)增大，即：a

6 拓展應用

6.1 分析弱電解質(zhì)電離平衡的移動

表3

加水稀釋時，同等比例地減少了所有微粒的濃度，它就像氣體反應中的減小壓強，所以平衡會向著微粒數(shù)目增多的方向移動，即向正反應方向移動，所以電離度增大，但反應式中所有微粒的濃度減小，導電率減弱。

加少量冰醋酸時，增大了反應物的濃度，平衡正向移動。從結果上看相當于減小溶液體積，即增大所有物質(zhì)的濃度，平衡會向著微粒數(shù)目減小的方向移動，所以電離度減小，但c(H+)增大，導電能力增強。

6.2 分析鹽類水解的平衡的移動

表4

加水稀釋時，同等比例地減少了所有微粒的濃度，它就像氣體反應中的減小壓強，所以平衡會向著微粒數(shù)目增多的方向移動，即向右移動(H2O作為純液體不會出現(xiàn)在平衡常數(shù)中，所以正反應可以看作微粒個數(shù)增多的反應)，水解程度增大。但反應式中所有微粒的濃度減小，pH增大。