摘 要：化學(xué)平衡常數(shù)是理解和分析化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù).本文詳細(xì)闡述了化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式和計(jì)算方法，探討了化學(xué)平衡常數(shù)在判斷化學(xué)反應(yīng)方向和限度，以及計(jì)算轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)率等方面的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)總結(jié)了化學(xué)平衡常數(shù)在化學(xué)領(lǐng)域中的重要地位.

關(guān)鍵詞：化學(xué)平衡常數(shù)；反應(yīng)方向；反應(yīng)限度；轉(zhuǎn)化率；產(chǎn)率

中圖分類號(hào)：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：1008-0333（2024）34-0118-03

收稿日期：2024-09-05

作者簡(jiǎn)介：曹盼盼（1989.10—），女，江蘇省淮安人，本科，高中二級(jí)教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

化學(xué)平衡常數(shù)是描述化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，生成物與反應(yīng)物濃度之間關(guān)系的物理量[1]，它對(duì)于理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)、判斷反應(yīng)的方向和限度、優(yōu)化反應(yīng)條件等方面具有重要意義.本文旨在全面介紹化學(xué)平衡常數(shù)的概念、表達(dá)式、計(jì)算方法及其在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值，以期為化學(xué)教學(xué)和研究提供參考.

1 化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式及K的計(jì)算

對(duì)于可逆反應(yīng)mA+nBpC+qD，其平衡常數(shù)的表達(dá)式是基于反應(yīng)物和生成物在平衡時(shí)的濃度來定義的.具體來說，化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式為K=［c（C）］p·［c（D）］q［c（A）］m·［c（B）］n，其中c（A）、c（B）、c（C）、c（D）分別表示在平衡時(shí)四種物質(zhì)的濃度，m、n、p、q分別是反應(yīng)物和生成物在化學(xué)方程式中的化學(xué)計(jì)量數(shù).

例1 25 ℃時(shí)，Cl2+H22HCl，K1=2.57×1033；Br2+H22HBr，K2=1.91×1019；Cl2+2HBr2HCl+Br2，K3，則下列說法正確的是（" ）.

A.HBr的電子式為H：Br

B.增加氯氣濃度，可使K3增大

C.反應(yīng)平衡常數(shù)關(guān)系為K3=K1×K2

D.相同條件下，Cl2與H2反應(yīng)進(jìn)行程度較Br2與H2的大

解析 化學(xué)平衡常數(shù)只跟溫度有關(guān)，增加氯氣濃度，不能改變平衡常數(shù)K3，故B錯(cuò)誤；25 ℃時(shí)，

（1）Cl2+H22HCl，K1=2.57×1033，（2）Br2+H22HBr，K2=1.91×1019，（1）-（2）得到Cl2+2HBr2HCl+Br2，K3=c2（HCl）c（Br2）c2（HBr）×c（Cl2）=K1K2，故C錯(cuò)誤；比較K1和K2，則相同條件下，Cl2與H2反應(yīng)進(jìn)行程度較Br2與H2的大，故D正確.

例2 一定溫度下，某可逆反應(yīng)mA（g）+nB（g）pC（g），其平衡常數(shù)K的定義及計(jì)算方式說法正確的是（" ）.

A.K=cm（A）·cn（B）cp（C）

B.若反應(yīng)中各項(xiàng)系數(shù)滿足m+n=p，則K=1

C.K值越大，則說明反應(yīng)過程中越有利于的生成，該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率越大

D.某時(shí)刻增大壓強(qiáng)，將原容器縮小至原來的一半，如果達(dá)新平衡時(shí)，的濃度變?yōu)樵瓉淼?.5倍，則m+ngt;p

解析 由方程式可知K=cp（C）cm（A）·cn（B），故A錯(cuò)誤；若m+n=p，

只能說明該反應(yīng)為等體積反應(yīng)，無法說明K=1，故B錯(cuò)誤；K值越大，說明該反應(yīng)的程度越大，平衡時(shí)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率也越大，故C正確；增大壓強(qiáng)壓縮反應(yīng)器的容積到原來的一半，假如平衡不移動(dòng)，則C的濃度為原來的2倍，然而新平衡狀態(tài)時(shí)，C的濃度變?yōu)樵瓉淼?.5倍，說明化學(xué)平衡逆向移動(dòng)，因此m+nlt;p，D錯(cuò)誤.故選C.

2 化學(xué)反應(yīng)的方向和限度

化學(xué)平衡常數(shù)K可用于判斷化學(xué)反應(yīng)的方向和限度.當(dāng)濃度積Q小于K時(shí)，反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行；Q等于K時(shí)，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；Q大于K時(shí)，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行.K值越大，正向反應(yīng)進(jìn)行的程度越大，即反應(yīng)進(jìn)行得越完全，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越高［2］.

例3 將E和F加入一個(gè)密閉容器中，一定條件下發(fā)生如下反應(yīng)：E（s）+4F（g）G（g），其平衡常數(shù)值隨溫度的變化情況如表1所示.則下列說法正確的是（" ）.

解析 相同溫度下，G（g）E（s）+4F（g）與E（s）+4F（g）G（g）互為逆反應(yīng)，故其平衡常數(shù)互為倒數(shù)，因此，25 ℃時(shí)，反應(yīng)G（g）E（s）+4F（g）的平衡常數(shù)值是15×104=2×10-5，故B錯(cuò)誤；此時(shí)濃度商Qc=0.50.54=8gt;K=2，因此反應(yīng)逆向進(jìn)行，v（正）lt;v（逆），故C錯(cuò)誤；恒溫恒容下，充入氣體則為增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，達(dá)新平衡時(shí)，G的體積百分含量將增大，D正確.故選D.

3 平衡常數(shù)與轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率的聯(lián)系

平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率之間的聯(lián)系在于它們都可表示可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度.其中，平衡常數(shù)不受濃度影響，而轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)物初始濃度變化，在一定條件下，平衡常數(shù)與轉(zhuǎn)化率可相互求算.

例4 特定溫度T下，某可逆反應(yīng)X（g）+Y（g）2Z（g）

的平衡常數(shù)為0.25，小明將10 mol的Z（g）通入體積為10 L的密閉容器中，調(diào)整試驗(yàn)溫度至T，則Z（g）的最大分解率接近于（" ）.

A.50% B.80% C.88% D.95%

解析 在一定溫度下，反應(yīng)X（g）+Y（g）2Z（g）的平衡常數(shù)為0.25，逆反應(yīng)2Z（g）X（g）+Y（g）平衡常數(shù)K=10.25=4，根據(jù)化學(xué)平衡三行計(jì)算，起始濃度為10 mol10 L=1 mol·L-1，設(shè)Z分解濃度為x，則

2Z（g）X（g）+Y（g）

起始量（mol·L-1）100

變化量（mol·L-1）x0.5x0.5x

平衡量（mol·L-1）1-x0.5x0.5x

平衡常數(shù)K=0.5x×0.5x（1-x）2=4；解得x=0.8 mol·L-1，該溫度時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)達(dá)到Z（g）的最大分解率.最大分解率=0.8 mol·L-11 mol·L-1×100%=80%，故選B.

例5 二甲氧基甲烷［CH2（OCH3）2］ 因其出色的水溶性、高含氧量特性、完全燃燒的性能以及低煙氣排放，被視為一種極具潛力的柴油添加劑應(yīng)用候選.工廠生產(chǎn)CH2（OCH3）2時(shí)，多利用催化劑，將37%的甲醛水溶液和甲醇混合加熱，反應(yīng)原理如下：HCHO+2CH3OH催化劑CH2（OCH3）2+H2O.

（1） 為探究反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響，小明記錄了CH2（OCH3）2的濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化，如表2所示.計(jì)算25～50 min中CH2（OCH3）2的平均生成速率為.

（2） 為探究化學(xué)平衡常數(shù)（記作ln·K）與溫度（T）的關(guān)系，小明做了如圖1所示的記錄，據(jù)圖1判斷，該反應(yīng)的ΔH0（填“gt;”、“l(fā)t;”、“=”）.

（3）假如上述可逆反應(yīng)在密閉容器中進(jìn)行，如小明向提升HCHO的轉(zhuǎn)化率，則可以采取的措施為.

A.將容器中的CH2（OCH3）2及時(shí)抽取出來；

B.將可逆反應(yīng)的反應(yīng)溫度進(jìn)行升高

C.向反應(yīng)容器中添加適量甲醇

D.縮小原容器體積至原來的一半

（4）更深入的研究揭示：甲醛的滴加速度、反應(yīng)持續(xù)時(shí)間、催化劑用量以及攪拌速度等因素，均會(huì)對(duì)二甲氧基甲烷CH2（OCH3）2在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)率（該產(chǎn)率并非完全基于平衡狀態(tài)）產(chǎn)生一定影響.為了單獨(dú)探究甲醛滴加速度和攪拌速度對(duì)產(chǎn)率的具體影響，需要進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)分析.小明設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)如表3所示.

①將表3中的具體實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整.

②在研究過程中發(fā)現(xiàn)，甲醛的滴加速率過慢或過快均會(huì)使產(chǎn)率降低.請(qǐng)補(bǔ)充該反應(yīng)的合成機(jī)理：.

解析 （1）25～50 min中CH2（OCH3）2的化學(xué)反應(yīng)速率為v=ΔcΔt=（9.30-9.10）mol·L-150 min-25 min=0.008 mol/（L·min），故答案為0.008 mol/（L·min）.（2）隨溫度升高，K減小，則正反應(yīng)方向放熱，故ΔHlt;0，故答案為：lt;.（3）使化學(xué)平衡向右移動(dòng)，可提高HCHO轉(zhuǎn)化率，減小生成物濃度，化學(xué)平衡向右移動(dòng)，故A正確.反應(yīng)放熱，升高溫度向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故B錯(cuò)誤.增大甲醇濃度，化學(xué)平衡向右移動(dòng)，故C正確.增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故D錯(cuò)誤，答案選AC.（4）①其他條件相同時(shí)才能比較甲醛的滴加速率、攪拌速率對(duì)產(chǎn)率的影響，即反應(yīng)時(shí)間和催化劑的量相同，反應(yīng)2為比較的標(biāo)準(zhǔn)，所以反應(yīng)1和反應(yīng)3的甲醛滴加速率不同，反應(yīng)1與反應(yīng)2相同；反應(yīng)1和反應(yīng)3的攪拌速率不同，反應(yīng)3與反應(yīng)2攪拌速率不同，故答案如下：

11.02702.5803702.5

②若甲醛滴加速度過快，合成反應(yīng)易停滯于中間產(chǎn)物HOCH2OCH3階段，而采用37%濃度的甲醛溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，因其不利于脫水過程，亦難以促使反應(yīng)平衡向正方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降.故答案為：甲醛滴加速度過快，使合成反應(yīng)停滯于中間產(chǎn)物HOCH2OCH3階段，或者實(shí)驗(yàn)采用了37%濃度的甲醛溶液，不利于脫水過程，難以促使反應(yīng)平衡向正方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降.

4 結(jié)束語

化學(xué)平衡常數(shù)是化學(xué)反應(yīng)中重要的物理量之一，它對(duì)于理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)、判斷反應(yīng)的方向和限度、優(yōu)化反應(yīng)條件等方面具有重要意義.本文詳細(xì)介紹了化學(xué)平衡常數(shù)的概念、表達(dá)式、計(jì)算方法及其在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值，希望能為化學(xué)教學(xué)和研究提供參考.

參考文獻(xiàn)：

［1］陳建托.化學(xué)平衡常數(shù)幾個(gè)解題技巧[J].中學(xué)化學(xué)，2024（01）：38-39.

[2] 張小波.化學(xué)平衡常數(shù)在高考試題中的華麗轉(zhuǎn)身[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)（教研版），2023（07）：8-12.

［責(zé)任編輯：季春陽］