妙用Q與K 輔助“化學(xué)平衡移動(dòng)”教學(xué)

賴時(shí)軍 韓林 鄧招印

[摘? ?要]利用濃度商Q與平衡常數(shù)K的大小關(guān)系比較，詳細(xì)地解釋了因溫度、壓強(qiáng)、濃度等外界條件的改變而引起的化學(xué)平衡的移動(dòng)。從培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)專業(yè)素養(yǎng)的角度，讓學(xué)生學(xué)會(huì)通過分析Q與K推導(dǎo)得出化學(xué)平衡移動(dòng)的結(jié)果，從而提高學(xué)生分析和解決化學(xué)問題的能力。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)平衡移動(dòng); 平衡常數(shù);濃度商

[中圖分類號]? ?G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ?A? ? ? ? [文章編號]? ?1674-6058（2019）14-0070-02

“化學(xué)平衡移動(dòng)”的相關(guān)知識點(diǎn)是高中化學(xué)的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何能讓學(xué)生更加清晰和深刻地理解外界條件改變時(shí)化學(xué)平衡移動(dòng)的方向，一直是廣大一線化學(xué)教師努力研究的重要課題。本文將從外界條件改變時(shí)濃度商Q與平衡常數(shù)K的大小關(guān)系變化的角度出發(fā)，探討化學(xué)平衡的移動(dòng)，致力于讓學(xué)生通過科學(xué)的推導(dǎo)得出正確的結(jié)論，從而不用再走一貫的“背化學(xué)”的路子。

一、化學(xué)平衡移動(dòng)的一般判斷方法

1.簡單記憶法

很多教師在講授化學(xué)平衡移動(dòng)這一內(nèi)容時(shí)常采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行課堂引入，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果為學(xué)生概括出化學(xué)平衡移動(dòng)的規(guī)律。例如，蘇教版高中化學(xué)教材《化學(xué)反應(yīng)原理》一章就用[Cr2O2-7（橙）+H2O?2CrO2-4（黃）+2H+]平衡體系說明問題，通過加入NaOH溶液和HNO3溶液來改變?nèi)芤褐械腍+濃度，然后根據(jù)溶液顏色的變化得出結(jié)論“減少生成物濃度，平衡正向移動(dòng);增加生成物濃度，平衡逆向移動(dòng)”，最后讓學(xué)生記憶相關(guān)的結(jié)論。為了幫助學(xué)生記憶，這時(shí)教師還會(huì)引入勒夏特列原理，即改變一種外界因素，平衡總是朝著減弱這種改變的方向移動(dòng)。雖然引入勒夏特列原理能讓學(xué)生快速地記住平衡移動(dòng)的結(jié)果，但是缺少了過程性的推導(dǎo)，必然會(huì)在很多學(xué)生心里留下“為什么”，更別說提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)了。

2.反應(yīng)速率判斷法

在處理化學(xué)平衡移動(dòng)問題時(shí)，可能很多教師還會(huì)從反應(yīng)速率的角度出發(fā)，因?yàn)槠胶庖苿?dòng)的本質(zhì)可認(rèn)為是外界條件改變后使得v正和v逆不再相等。例如，平衡體系：[Cr2O2-7（橙）+H2O?2CrO2-4（黃）+2H+]，在加入NaOH溶液時(shí)，由于生成物H+濃度降低，使得v逆減小，而v正不變，便有v正大于 v逆，最后平衡正向移動(dòng)。這種方法在解決濃度對平衡移動(dòng)的影響問題上比較成功，但對于壓強(qiáng)、溫度和催化劑對平衡移動(dòng)的影響問題就表現(xiàn)得力不從心，這是因?yàn)閴簭?qiáng)、溫度的改變或使用催化劑會(huì)使得正、逆反應(yīng)速率都發(fā)生了改變，這時(shí)候很難直觀判斷v正和v逆的相對大小，也就無法判斷平衡的移動(dòng)方向?？梢姡@種方法的應(yīng)用有很大的局限性。

二、通過比較濃度商Q與平衡常數(shù)K的大小確定化學(xué)平衡移動(dòng)的方向

根據(jù)現(xiàn)在高考化學(xué)的出題模式，大部分高中教師在講化學(xué)平衡時(shí)都會(huì)引入濃度商Q這個(gè)概念。Q的表達(dá)式與平衡常數(shù)K完全相同，只不過Q中各物質(zhì)的濃度并不一定是平衡濃度，換句話說，平衡時(shí)的Q即為K。可逆反應(yīng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是總朝著平衡狀態(tài)的方向進(jìn)行，即向Q = K 的方向進(jìn)行?，F(xiàn)以平衡體系[Cr2O2-7（橙）+H2O?2CrO2-4（黃）+2H+]為例來說明平衡移動(dòng)的判斷方法。該平衡體系Q的表達(dá)式如式（1）。

若改變條件使體系[QK]時(shí)，平衡將逆向移動(dòng)，因?yàn)檫@樣才能減小Q值，使其最終與K相等;若改變外界條件，Q 與K仍然相等，則平衡不移動(dòng)。雖然以上的結(jié)論也可以通過大學(xué)無機(jī)中的化學(xué)反應(yīng)等溫式推出，但那樣會(huì)增加高中生的負(fù)擔(dān)，不建議提前導(dǎo)入該內(nèi)容。

接下來，從Q與K相對大小的角度出發(fā)談?wù)勍饨绺鞣N條件改變時(shí)平衡的移動(dòng)情況。

1.濃度對平衡的影響

同樣以平衡體系Cr2O[2-7] （橙）+? H2O[?]2CrO[2-4]（黃） +? 2H+為例，在體系平衡時(shí)Q = K，向體系中加入NaOH時(shí)，H+濃度將減小，得到新的濃度商Q?，根據(jù)式（1）可知[Q?K]，平衡逆向移動(dòng);增加Cr2O[2-7]濃度，使得[Q?K]），平衡逆向移動(dòng)?！?/p>

2.壓強(qiáng)對平衡的影響

以合成氨的平衡體系[N2（g）+3H2（g）?2NH3（g）]? 為例，其Q的表達(dá)式如式（2）。

大多數(shù)情況下，壓強(qiáng)的改變是通過體系體積的改變來實(shí)現(xiàn)的。平衡時(shí)有Q = K，當(dāng)體系的壓強(qiáng)增大為原來的2倍時(shí)，相當(dāng)于體系的體積變?yōu)樵瓉淼?/2，這一瞬間所有的物質(zhì)的濃度都變?yōu)樵瓉淼?倍，這時(shí)將得到新的濃度商Q?。簡單的計(jì)算可知Q? =? Q/4，故Q?< K，平衡將正向移動(dòng)（氣體分子數(shù)減小的方向）;同理，若將體系的壓強(qiáng)減小為原來的1/2，這時(shí)Q? =4Q，即Q? > K，平衡逆向移動(dòng)（氣體分子數(shù)增加的方向）。從數(shù)學(xué)的角度分析，造成以上結(jié)果的原因是Q的表達(dá)式中分子和分母濃度的總次方數(shù)不同。那么在體積變化時(shí)，各物質(zhì)濃度變化的倍數(shù)相同，但分子和分母變化的總倍數(shù)卻不同，Q值必然改變。

對于反應(yīng)前后氣體分子數(shù)相等的可逆反應(yīng)，即Q的表達(dá)式中分子和分母濃度的總次方數(shù)相同的可逆反應(yīng)，例如[I2（g）+H2（g）?2HI（g）]，其Q的表達(dá)式如式（3）。不難發(fā)現(xiàn)，壓強(qiáng)改變后其Q的表達(dá)式中分子和分母變化的倍數(shù)相等，即Q?= Q = K，因此平衡不移動(dòng)。

當(dāng)然，對于氣體也可用分壓商Qp來判斷，其結(jié)果與濃度商Q完全一樣。

3.溫度對平衡的影響

對于一個(gè)平衡體系，某一時(shí)刻改變溫度的瞬間，實(shí)際上濃度商Q并沒有改變，改變的是平衡常數(shù)K。K與溫度T的關(guān)系在一般高中教材中并沒有提及，那么我們可以向?qū)W生展示大學(xué)中T與K的關(guān)系式[1][如式（4）所示]。

式（4）中R為常數(shù)，當(dāng)Δ [H>0]時(shí)，K與T同向變化，即T增大則K增大;當(dāng)Δ [H<0]時(shí)，K與T反向變化，即T增大K減小。下面以N2（g）+ 3H2（g）[?]2NH3（g），Δ [H<0]的體系為例探討溫度對平衡的影響。當(dāng)溫度T升高時(shí)，得到新的平衡常數(shù)K?，由于Δ[H<0]，故[K?K?]，平衡將逆向移動(dòng)（吸熱方向）;同理，溫度T降低時(shí)，則有[K?>K]，即[Q

4.催化劑對平衡的影響

對于一個(gè)平衡體系，加入催化劑并沒有改變Q和K，即始終有Q = K，因此平衡不移動(dòng)。

綜上所述，通過Q與K的比較能更科學(xué)地解決平衡移動(dòng)的問題，且容易被高中生所接受，能讓學(xué)生更清晰、更深層次地理解化學(xué)平衡的移動(dòng)，而不是停留在記憶層面，同時(shí)提高學(xué)生分析、解決化學(xué)問題能力及其專業(yè)素養(yǎng)。

[? 參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ]

[1]? 宋天佑，程鵬，徐家寧，等.無機(jī)化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2015 .

（責(zé)任編輯 羅? ?艷）