湖南 左傳鵬
在多年的高三教學(xué)中,筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在分析化學(xué)平衡中的體積分?jǐn)?shù)問題時(shí),經(jīng)常會(huì)認(rèn)為:化學(xué)平衡正向移動(dòng),反應(yīng)物的體積分?jǐn)?shù)必然減小,生成物的體積分?jǐn)?shù)一定增大。事實(shí)真的是這樣的嗎?注重“證據(jù)推理”和“模型認(rèn)知”是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。筆者在教學(xué)時(shí)試著引導(dǎo)學(xué)生回歸氣體體積分?jǐn)?shù)的概念,利用數(shù)學(xué)思維方法,建立模型理性推斷,探討了改變不同條件時(shí),平衡移動(dòng)引發(fā)氣體體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。
1.分體積
分體積是指在相同溫度下,當(dāng)某一組分氣體的壓力為混合氣體的總壓時(shí)所單獨(dú)占有的體積。該關(guān)系也叫阿馬格分體積定律。
2.體積分?jǐn)?shù)
在與混合氣體相同溫度和壓強(qiáng)的條件下,混合氣體中組分B單獨(dú)占有的體積(即分體積VB)與混合氣體總體積(V總)之比,叫做組分B的體積分?jǐn)?shù),用符號φ(B)表示,即
不難發(fā)現(xiàn),組分B的體積分?jǐn)?shù)在數(shù)值上等于組分B在混合氣體中所占的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。
1.改變平衡體系的溫度或壓強(qiáng)
可見,對于反應(yīng)物和生成物各只有一種的可逆反應(yīng),當(dāng)平衡正向移動(dòng),反應(yīng)物的體積分?jǐn)?shù)一定減小,生成物的體積分?jǐn)?shù)一定增大。對于反應(yīng)物或生成物不唯一的可逆反應(yīng),當(dāng)平衡正向移動(dòng),能否得出相同結(jié)論呢?
(1)當(dāng)m+n
設(shè)原平衡時(shí)A、B、C和D的物質(zhì)的量分別為amol、bmol、cmol和dmol,其他條件不變,改變溫度(或容器體積),使平衡右移,A減少了mxmol。
原平衡molabcd
轉(zhuǎn)化molmxnxpxqx
新平衡mola-mxb-nxc+pxd+qx
作差比較可得:
φ′(C)-φ(C)
由于a+b+c+d>c,且m+n
①當(dāng)p≥p+q-m-n,即組分C的化學(xué)計(jì)量數(shù)大于或等于反應(yīng)前后氣體化學(xué)計(jì)量數(shù)之差時(shí),φ′(C)-φ(C)>0,C的體積分?jǐn)?shù)增大;
②當(dāng)p
(2)當(dāng)m+n>p+q。達(dá)到平衡后,其他條件不變,改變溫度(或容器體積),使平衡正向移動(dòng),則n(A)減小,n(B)減小,n(C)增大,n(D)增大,n(總)減小,故φ(C)和φ(D)均增大,根據(jù)體積分?jǐn)?shù)和為1,[φ(A)+φ(B)]之和必然減小,φ(A)和φ(B)是否都減小呢?
同理可證:
φ′(A)-φ(A)
由于a+b+c+d>a,且m+n>p+q,故:
①當(dāng)m≥m+n-p-q,即組分A的化學(xué)計(jì)量數(shù)大于或等于反應(yīng)前后氣體化學(xué)計(jì)量數(shù)之差時(shí),φ′(A)-φ(A)<0,A的體積分?jǐn)?shù)減??;
②當(dāng)m 綜上,當(dāng)其他條件不變,只改變?nèi)萜黧w積(或溫度)時(shí),平衡發(fā)生移動(dòng)。對于反應(yīng)物和生成物各只有一種的可逆反應(yīng),反應(yīng)物的體積分?jǐn)?shù)一定減小,生成物的體積分?jǐn)?shù)一定增大;而對于反應(yīng)物或生成物不唯一的可逆反應(yīng),當(dāng)某一氣體的物質(zhì)的量和體系內(nèi)所有氣體的總物質(zhì)的量同增或同減時(shí),該氣體的體積分?jǐn)?shù)變化情況需通過計(jì)算才能判斷。 以上分析的是只改變溫度或壓強(qiáng),平衡移動(dòng)后各氣體組分體積分?jǐn)?shù)的變化情況。如果在恒容條件下改變平衡體系中組分的濃度,平衡移動(dòng)后,各組分的體積分?jǐn)?shù)又將會(huì)如何變化呢? 2.改變反應(yīng)物的濃度 (1)按原投料比追加投料 【答案】不能確定 減小 增大 【解析】恒溫恒容達(dá)到平衡后,再充入amol N2和bmol H2,平衡右移,n(N2)、n(H2)、n(NH3)及n(總)均增大,根據(jù)定義難以直接比較原平衡(如圖Ⅰ建立的平衡狀態(tài))和新平衡(如圖Ⅲ建立的平衡狀態(tài))體積分?jǐn)?shù)的大小關(guān)系。可先虛擬一個(gè)中間狀態(tài)Ⅱ,Ⅰ與Ⅱ兩平衡狀態(tài)等效,平衡時(shí)各組分體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)相等。 “壓縮”平衡狀態(tài)Ⅱ,得到平衡狀態(tài)Ⅲ,Ⅱ與Ⅲ中起始投料量相同,減小體積,觀察該化學(xué)反應(yīng)方程式中氣體化學(xué)計(jì)量數(shù),利用上文得出的壓強(qiáng)改變時(shí)的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律,可做出判斷:與原平衡相比,φ(N2)的變化不能確定,φ(H2)減小,φ(NH3)增大。 恒溫恒容情況下,對于多反應(yīng)物可逆反應(yīng)或單一反應(yīng)物可逆反應(yīng),如果按原投料比例追加投料,平衡移動(dòng)后,各組分的體積分?jǐn)?shù)變化可以通過虛擬中間狀態(tài)來分析。 (2)改變某種反應(yīng)物的濃度 恒溫恒容情況下,對于多反應(yīng)物可逆反應(yīng),如果只改變某一種反應(yīng)物的濃度,平衡移動(dòng)后,氣體體積分?jǐn)?shù)變化可以借助化學(xué)平衡常數(shù)加以分析。 【答案】增大 減小 不能確定 【解析】恒容通入N2,平衡右移,新平衡與原平衡相比,n(N2)增大,n(H2)減小,n(NH3)增大,n(總)變化不能確定,利用體積分?jǐn)?shù)的概念難以作判斷。不妨借助平衡常數(shù)來探討: 【答案】減小 由此可見,恒溫恒容情況下,對于含多氣體反應(yīng)物的可逆反應(yīng),只增大某一氣體反應(yīng)物的濃度,再次達(dá)平衡后的氣體體積分?jǐn)?shù)可借助化學(xué)平衡常數(shù)分析,當(dāng)題中涉及具體量,可通過數(shù)學(xué)計(jì)算或利用極限法作出判斷。 氣體體積分?jǐn)?shù)是一個(gè)比值定義,它與該組分氣體的物質(zhì)的量及體系內(nèi)所有氣體的總物質(zhì)的量兩個(gè)量有關(guān),當(dāng)平衡移動(dòng)導(dǎo)致這兩個(gè)量同增或同減時(shí),該組分氣體的體積分?jǐn)?shù)將可能增大、可能減小,也可能不變,如果在教學(xué)中對其變化情況只作定性分析的話是無法使學(xué)生信服的。作為高中化學(xué)核心素養(yǎng)的組成要素之一,“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的內(nèi)涵體現(xiàn)在通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系,建立模型并運(yùn)用模型,揭示反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律。因此,面對高三化學(xué)反應(yīng)原理復(fù)習(xí)中類似問題,化學(xué)教師在傳授化學(xué)基礎(chǔ)知識和培養(yǎng)化學(xué)思維的同時(shí),搭建平臺,注重“證據(jù)推理”和“模型認(rèn)知”,激發(fā)學(xué)生潛能,引導(dǎo)學(xué)生樹立獨(dú)立思考的習(xí)慣,培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)思維方法解決化學(xué)問題的意識和能力,提升嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)品質(zhì),促進(jìn)學(xué)生建立質(zhì)和量統(tǒng)一的哲學(xué)觀,這對學(xué)生的終身發(fā)展意義深遠(yuǎn)。三、結(jié)語