如何建立化学平衡思想

摘 要：高中生建立化学平衡思想存在困难,根据化学平衡状态的特征,从化学平衡状态的建立和判断、平衡常数的应用、化学平衡思想的应用等几个方面帮助学生建立化学平衡思想.

关 键 词：平衡思想；平衡状态；平衡常数

高中阶段的学生对可逆反应的相关问题存在认识障碍,如,判断平衡状态的依据是哪些、平衡的移动方向以及平衡移动后相关物质的定量计算,学生感到困难重重.由于这块知识的抽象性,学生无法构建相关的知识网络结构,也难以构建解决平衡的思维方法.面对新的问题情境,学生不能还原已学过的知识,也不会对问题进行分析和解决.因此,对这一模块的教学,教师不能简单传授知识和操练习题,关键是在教学过程中要帮助学生建立化学平衡思想.我们可以从以下几个方面帮助学生建立化学平衡思想.

一、化学平衡状态的建立和判断

化学平衡的研究对象主要是可逆反应,当外界条件一定时,在反应物生成产物的一瞬间,逆反应也就开始了.由于起初生成物浓度很小,逆反应速率也很小,反应物浓度很大,正反应速率开始时最大.随着反应的进行,产物不断生成,反应物不断被消耗,正反应速率随着反应物浓度的下降而渐渐变小,逆反应速率随生成物浓度的上升而不断增大.最终,正反应和逆反应的速率相等,各组分的浓度不再发生变化,达到了化学平衡状态.因此,化学平衡状态具有“动、定、等、变”的特点.可逆反应是否达到平衡状态可以从正逆反应速率相等和组分的浓度不变这两方面判断.

1.平衡状态判断方法之一：正逆反应速率相等

正逆反应速率相等是指反应中同一物质的生成速率和消耗速率相等.根据反应速率理论,同一反应在同一时间用不同物质来表示反应速率,速率比等于系数比.因此,正反应和逆反应可以用不同物质来表示,如果不同物质表示的速率比等于系数比,那么这个反应也就达到了平衡.

如：可逆反应aA（g）+bB（g）?葑cC（g）+dD（g）在一定条件下,如果v（正,A）等于v（逆,A）或者v（正,A）：v（逆,C）等于a：c,则表示此反应达到了平衡.

例1.在一定温度下的固定体积的容器中反应,反应N2（g）+3H2（g）?葑2NH3（g）达到平衡的标志是（）

A.3v（N2）正等于v（H2）正

B.2v（H2）正等于3v（NH3）逆

C.单位时间内生成1mol氮气,同时生成2mol氨气

D.三个H-H键断裂的同时有两个H-N键形成

解析：运用等速来判断平衡,必须要有正、逆两个方向的速率,而且正逆反应速率相等.选项A、C、D只有一个方向的速率,选项B符合速率相等,因此,答案为B.

2.平衡状态判断方法之二：各组分的浓度不再变化

可逆反应由于正逆反应的速率相等达到平衡,因此,各物质的净变化为零.各组分的质量、物质的量、物质的量浓度都不发生变化.

例2.H2（g）+I2（g）?葑2HI（g）已经达到平衡状态的标志是（）

①c（H2）等于c（I2）等于c（HI）

②c（H2）∶c（I2）∶c（HI）等于1∶1∶2

③c（H2）、c（I2）、c（HI）不再随时间而改变

解析：反应达到平衡时,各物质的浓度或物质的量不再变化,各物质间的浓度或物质的量之比没有确定的定量关系.平衡时各物质的浓度或物质的量随着起始浓度的变化而变化.因此,答案为③.

3.平衡状态判断方法之三：其他物理量的间接判断

平衡状态的判断除了上述两种基本依据外,还可以根据气体的总物质的量、气体的压强、气体的密度和气体的相对分子质量等物理量来判断,如果这些物理量不再随时间变化而变化,也可以作为平衡状态的判断依据.运用这些物理量来判断平衡状态,要注意反应的类型.对于气体参加或气体生成的反应,如果反应前后气体分子总数不变的反应（即等体反应）,如,H2（g）+I2（g）?葑2HI（g）,在一定温度下的固定体积的容器中反应,如果气体的总物质的量不变、在一定条件下压强不变、密度不变、混合气体的密度不变不能作为平衡状态的依据.同样道理,一定温度下,可逆反应A（g）+2B（g）?葑C（g）在容积固定的密闭容器中进行,如果混合气体的总物质的量不再变化、混合气体的压强不再变化、混合气体的密度不再变化,不能作为平衡状态的依据.但仅是混合气体的密度不变能作为平衡状态的依据.因此,同样是等体反应,要分清是哪一类等体反应.对于反应前后气体分子总数有变的反应（即非等体反应）,如,N2（g）+3H2（g）?葑2NH3（g）在一定温度下的固定体积的容器中反应,如果混合气体的总物质的量不再变化、混合气体的压强不再变化、混合气体的平均相对分子质量不再变化均可作为平衡状态的依据,只有混合气体的密度不再变化,不能作为平衡状态的依据.

二、化学平衡常数与平衡思想

为了定量描述可逆反应的平衡状态,引入了化学平衡常数.对于一般的可逆反应aA+bB?葑cC+dD；各物质的平衡浓度之间存在一个关系式,即K等于,叫做化学平衡常数表达式.这个常数的大小可以表示反应进行程度的大小,也可以判断反应是否达到化学平衡状态.常数的大小主要由反应物的性质决定,如果一个化学反应的平衡常数的数值在105左右,通常认为,反应可以进行得比较完全；相反,如果一个化学反应的平衡常数的数值在5～10左右,则认为这个反应很难进行.其次,K受外界因素温度的影响,同一个反应,温度不同,反应进行的程度不同,K发生变化,因此,根据K随温度的变化可推测一个反应的热效应.

1.利用化学平衡常数判断反应进行的状态

如,某温度下,可逆反应aA（g）+bB（g）?葑cC（g）+dD（g）

平衡常数为K,若某时刻时,反应物和生成物的浓度关系如下：Qc等于.如果Qc等于K,反应处于平衡状态；如果QcK,反应向逆反应进行.

2.利用化学平衡常数判断反应的热效应

可逆反应aA（g）+bB（g）?葑cC（g）+dD（g）（ΔH>0）,如果升高温度,平衡向吸热反应方向（即正反应方向）移动,K值变大；如果降低温度,平衡向放热反应方向（即逆反应方向）移动,K值变小.因此,如果一个可逆反应的K随温度升高而变大,则正反应为吸热反应.反之,K随温度升高而减小,则正反应为放热反应.

例3.已知反应2CH3OH（g）?葑CH3OCH3（g）+H2O（g）在某温度下的平衡常数为400.此温度下,在密闭容器中加入CH3OH,反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

（1）比较此时正、逆反应速率的大小：v正v逆（填“>”、“<”或“=”）

（2）K300℃>K400℃,则该反应是热反应.

解析：此时的浓度商Q等于等于1.86<400,反应未达到平衡状态,向正反应方向移动,故v正>v逆；温度降低时,K值变大,说明平衡向正反应方向移动,正反应为放热反应.

三、教学活动中平衡思想的应用

平衡思想不仅仅存在于可逆反应中,也存在于弱电解的电离平衡、盐类水解平衡和沉淀溶解平衡中.平衡状态的特点和平衡时的定量关系同样存在于各类平衡体系,勒沙特列原理可以分析任何平衡体系.教师在日常的教学活动中不断渗透和应用平衡思想,让学生在学习化学的过程中体会和领悟平衡思想,以达到会应用.

1.化学平衡思想的应用

情境一：氯气能溶于水,但氯气在饱和食盐水溶解度很小,可用排饱和食盐水收集氯气.氯气中混有的氯化氢气体也可通过饱和食盐水的方式提纯氯气.

解析：将氯气通入水中存在的平衡体系Cl2+H2O?葑H++Cl-+HClO.饱和食盐水中氯离子浓度很大,使上述平衡左移,所以氯气在饱和食盐水中溶解度很小,可用排饱和食盐水法收集氯气.同样,由于HCl极易溶于水,使溶液中Cl-浓度增大,平衡左移,抑制氯气溶于水,因此除去HCl杂质.

2.化学平衡和电离平衡相结合分析反应的本质

情境二：在常温下铝很难与水反应,但铝与氢氧化钠溶液很快反应,产生气泡.

在高一讲课时,教师经常这样分析：在碱的作用下,铝首先会与水反应生成氢氧化铝和氢气,生成的氢氧化铝与碱反应生成了偏铝酸钠和水,因此,铝与碱液反应生成了氢气.对这种解释方式,学生还是难以理解.在这个体系中存在两个平衡体系：（1）H2O?葑H++OH-,（2）2Al+6H2O?葑2Al（OH）3+3H2↑（这个反应的K很小）.金属Al由于金属性较弱,就必须有高浓度的H+,但水是一种很弱的电解质,其中的C（H+）很小,反应无法发生,检测如提高了H+的浓度,则反应就能发生,譬如,把上述水换为盐酸溶液即可.加入盐酸,我们也可以这样说,由于盐酸的加入,破坏了2Al+6H2O?葑2Al（OH）3+3H2↑这个化学平衡,盐酸和2Al（OH）3作用生成了AlCl3,平衡（2）往正反应方向移动.

同样道理,由于Al（OH）3是氢氧化物,若在上述体系中加入NaOH溶液,能和Al（OH）3反应生成NaAlO2,也破坏了（2）化学平衡,于是反应发生了.

3.水解平衡思想的应用

盐溶液的配制和一些胶体的制取,应用了盐类的水解平衡思想.如,为什么配制氯化铁溶液时要加入盐酸,加热饱和氯化铁溶液可以制得氢氧化铁胶体?解析：氯化铁溶液中存在平衡体系为Fe3++3H2O?葑Fe（OH）3+3H+（ΔH>0）,Fe（OH）3（s）?葑Fe33+（aq）+3OH-（aq）（ΔH>0）.由于K（Fe（OH）3）很小,氯化铁溶液中不加盐酸,铁离子不断水解,会产生Fe（OH）3沉淀.加入盐酸,增大了H+浓度,第一个平衡左移而第二个平衡右移,因此,抑制Fe3+的水解.当加热时,水解平衡正移,沉淀溶解平衡逆移,就得到了胶体.

四、反思

化学平衡思想的建立过程不是简单的过程,在教学过程中,教师选择具体的化学问题让学生来分析探讨,从感性上体会到平衡思想.也可以选择经典的化学题,从理性思维上运用平衡思想.总之,化学平衡思想贯穿在整个高中化学的教学中,让学生逐渐领悟,从而学会运用平衡思想定性和定量分析化学反应,理解反应的本质.

（作者单位浙江省绍兴一中分校）