物理化學(xué)中的化學(xué)平衡內(nèi)容*

岳可芬 趙爽 王小芳

(西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 陜西西安 71006)

最近，我院對(duì)教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)與化工學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)為化學(xué)類(lèi)專業(yè)本科教學(xué)制定的2010.2版本“化學(xué)類(lèi)專業(yè)化學(xué)教學(xué)基本內(nèi)容”的完成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)有關(guān)化學(xué)平衡、標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)及化學(xué)平衡等溫式在大一普通化學(xué)、大二物理化學(xué)中均有涉及[1-2]。另外，化學(xué)平衡和化學(xué)平衡移動(dòng)原理也是高中化學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。

作為物理化學(xué)的重要組成部分[4]，化學(xué)平衡主要研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度以及影響化學(xué)平衡的因素，其一系列規(guī)律不僅在化學(xué)基礎(chǔ)理論中占有極重要的地位，而且在實(shí)踐中具有指導(dǎo)意義。在物理化學(xué)課程中講授的內(nèi)容不是對(duì)已有知識(shí)的簡(jiǎn)單重復(fù)，而是對(duì)已有知識(shí)的提高、深化。在講授時(shí)應(yīng)重點(diǎn)解決以下幾方面的內(nèi)容。

1 van′t Hoff等溫方程的推導(dǎo)

根據(jù)物理化學(xué)課程前章所學(xué)化學(xué)勢(shì)推導(dǎo)出化學(xué)反應(yīng)的van′t Hoff等溫式，即:

(1)

(2)

式(1)和式(2)在普通化學(xué)中只是提到和應(yīng)用，沒(méi)有推導(dǎo)。

通過(guò)K?與Q的相對(duì)大小判斷化學(xué)反應(yīng)的方向和限度，實(shí)質(zhì)仍然是熱力學(xué)第二定律中通過(guò)ΔrGm的正負(fù)號(hào)(即化學(xué)勢(shì)的相對(duì)大小)判斷化學(xué)反應(yīng)的方向和限度?；瘜W(xué)勢(shì)的概念及其應(yīng)用在物理化學(xué)中是第一次涉及，前行課程中均未提及。式(1)的推導(dǎo)也算是化學(xué)勢(shì)在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用。

2 非均相體系平衡常數(shù)與活度

關(guān)于化學(xué)平衡的計(jì)算，除理想均相體系的平衡常數(shù)與熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)的相互求算、平衡常數(shù)及相關(guān)的平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算外，對(duì)非均相體系平衡常數(shù)的求算或由此求算活度等也是很有意義的[5]。

例題1求下列非均相反應(yīng)在298K，標(biāo)準(zhǔn)壓力p?下的平衡常數(shù)[5]：

2Ag(s)+Hg2Cl2(aq)=2AgCl(aq)+2Hg(l)

(Ⅰ)

已知Hg2Cl2(s)和AgCl(s)在水中的飽和濃度分別為6.5×10-7mol·dm-3和1.3×10-5mol·dm-3，其標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成Gibbs自由能分別為-210.66kJ·mol-1和-109.72kJ·mol-1。設(shè)溶液為理想溶液。

2Ag(s)+Hg2Cl2(c?)=2AgCl(c?)+2Hg(l)

(Ⅱ)

所以有:

可見(jiàn)，利用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成Gibbs自由能、化學(xué)勢(shì)等熱力學(xué)函數(shù)計(jì)算平衡常數(shù)是物理化學(xué)的優(yōu)勢(shì)。

3 外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響

在高中化學(xué)、大一普通化學(xué)中均談到Le Chatelier原理，但都只有定性討論而沒(méi)有或少有定量計(jì)算。因此，物理化學(xué)中講外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響時(shí)，應(yīng)側(cè)重于外界條件的改變對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的定量討論。

3.1 溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響

若參加反應(yīng)的物質(zhì)均處于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，根據(jù)物理化學(xué)中的Gibbs-Helmholtz方程，則有：

(3)

(4)

(5)

大一普通化學(xué)中未提到式(3)，僅用式(5)做一些計(jì)算[1]。而在物理化學(xué)中很自然引出式(3)，進(jìn)一步可推導(dǎo)出式(4)和式(5)[2]。

3.2 壓力和惰性氣體對(duì)化學(xué)平衡的影響

當(dāng)參加反應(yīng)的物質(zhì)都是理想氣體，體系總壓力為p，體系達(dá)平衡時(shí)，有：

(6)

(7)

總之，通過(guò)學(xué)習(xí)物理化學(xué)中的化學(xué)平衡章節(jié)，要求學(xué)生不僅能定性地判斷化學(xué)反應(yīng)方向、化學(xué)平衡移動(dòng)的方向，而且能定量地計(jì)算化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度及化學(xué)平衡移動(dòng)的程度，解決實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題。

[1] 史啟禎.無(wú)機(jī)化學(xué)與化學(xué)分析.北京:高等教育出版社,1998

[2] 傅獻(xiàn)彩,沈文霞,姚天揚(yáng),等.物理化學(xué)(上冊(cè)).第5版.北京:高等教育出版社,2006

[3] 汪毅.化學(xué)教與學(xué),2010(4):44

[4] 張志紅,趙秀峰.大學(xué)化學(xué),2010,25(2):60

[5] 韓德剛,高執(zhí)棣,高盤(pán)良.物理化學(xué).北京:高等教育出版社,2001