妙用Q與K 輔助“化學平衡移動”教學

來源:用戶上傳      作者:

　　[摘   要]利用濃度商Q與平衡常數K的大小關系比較，詳細地解釋了因溫度、壓強、濃度等外界條件的改變而引起的化學平衡的移動。從培養學生化學專業素養的角度，讓學生學會通過分析Q與K推導得出化學平衡移動的結果，從而提高學生分析和解決化學問題的能力。
　　[關鍵詞]化學平衡移動; 平衡常數;濃度商
　　[中圖分類號]   G633.8        [文獻標識碼]   A        [文章編號]   1674-6058（2019）14-0070-02
　　“化學平衡移動”的相關知識點是高中化學的教學重點和難點，如何能讓學生更加清晰和深刻地理解外界條件改變時化學平衡移動的方向，一直是廣大一線化學教師努力研究的重要課題。本文將從外界條件改變時濃度商Q與平衡常數K的大小關系變化的角度出發，探討化學平衡的移動，致力于讓學生通過科學的推導得出正確的結論，從而不用再走一貫的“背化學”的路子。
　　一、化學平衡移動的一般判斷方法
　　1.簡單記憶法
　　很多教師在講授化學平衡移動這一內容時常采用實驗的方法進行課堂引入，通過實驗結果為學生概括出化學平衡移動的規律。例如，蘇教版高中化學教材《化學反應原理》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溶液來改變溶液中的H+濃度，然后根據溶液顏色的變化得出結論“減少生成物濃度，平衡正向移動;增加生成物濃度，平衡逆向移動”，最后讓學生記憶相關的結論。為了幫助學生記憶，這時教師還會引入勒夏特列原理，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。雖然引入勒夏特列原理能讓學生快速地記住平衡移動的結果，但是缺少了過程性的推導，必然會在很多學生心里留下“為什么”，更別說提高學生的專業素養了。
　　2.反應速率判斷法
　　在處理化學平衡移動問題時，可能很多教師還會從反應速率的角度出發，因為平衡移動的本質可認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，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。這種方法在解決濃度對平衡移動的影響問題上比較成功，但對于壓強、溫度和催化劑對平衡移動的影響問題就表現得力不從心，這是因為壓強、溫度的改變或使用催化劑會使得正、逆反應速率都發生了改變，這時候很難直觀判斷v正和v逆的相對大小，也就無法判斷平衡的移動方向?？梢?，這種方法的應用有很大的局限性。
　　二、通過比較濃度商Q與平衡常數K的大小確定化學平衡移動的方向
　　根據現在高考化學的出題模式，大部分高中教師在講化學平衡時都會引入濃度商Q這個概念。Q的表達式與平衡常數K完全相同，只不過Q中各物質的濃度并不一定是平衡濃度，換句話說，平衡時的Q即為K。可逆反應的一個重要特點就是總朝著平衡狀態的方向進行，即向Q = K 的方向進行?，F以平衡體系[Cr2O2-7（橙）+H2O?2CrO2-4（黃）+2H+]為例來說明平衡移動的判斷方法。該平衡體系Q的表達式如式（1）。
　　若改變條件使體系[Q<K]，為了再次達到Q = K的效果，平衡必然朝Q增大的方向移動（當K不變時）。從Q的表達式（1）可以看出，只有反應朝著正向進行才能增加生成物（分子）的濃度，同時減少反應物（分母）的濃度，使得Q值（分數值）增大，最后才有可能再次達到Q = K。因此， [Q<K]時平衡會正向移動;同理，若改變條件使體系 [Q>K]時，平衡將逆向移動，因為這樣才能減小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。雖然以上的結論也可以通過大學無機中的化學反應等溫式推出，但那樣會增加高中生的負擔，不建議提前導入該內容。
　　接下來，從Q與K相對大小的角度出發談談外界各種條件改變時平衡的移動情況。
　　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Q = K，向體系中加入NaOH時，H+濃度將減小，得到新的濃度商Q?，根據式（1）可知[Q?<Q]，故[Q?<K]，平衡將正向移動。同理，增加H+濃度，使得[Q?>K]，平衡逆向移動;增加Cr2O[2-7]濃度，使得[Q?<K]，平衡將正向移動。這樣便可通過推導的形式得出結論：“增大反應物濃度或減小生成物濃度（[Q?<K]），平衡將正向移動;減小反應物濃度或增大生成物濃度（[Q?>K]），平衡逆向移動?！?
　　2.壓強對平衡的影響
　　以合成氨的平衡體系[N2（g）+3H2（g）?2NH3（g）]  為例，其Q的表達式如式（2）。
　　大多數情況下，壓強的改變是通過體系體積的改變來實現的。平衡時有Q = K，當體系的壓強增大為原來的2倍時，相當于體系的體積變為原來的1/2，這一瞬間所有的物質的濃度都變為原來的2倍，這時將得到新的濃度商Q?。簡單的計算可知Q? =  Q/4，故Q?< K，平衡將正向移動（氣體分子數減小的方向）;同理，若將體系的壓強減小為原來的1/2，這時Q? =4Q，即Q? > K，平衡逆向移動（氣體分子數增加的方向）。從數學的角度分析，造成以上結果的原因是Q的表達式中分子和分母濃度的總次方數不同。那么在體積變化時，各物質濃度變化的倍數相同，但分子和分母變化的總倍數卻不同，Q值必然改變。
　　對于反應前后氣體分子數相等的可逆反應，即Q的表達式中分子和分母濃度的總次方數相同的可逆反應，例如[I2（g）+H2（g）?2HI（g）]，其Q的表達式如式（3）。不難發現，壓強改變后其Q的表達式中分子和分母變化的倍數相等，即Q?= Q = K，因此平衡不移動。
　　當然，對于氣體也可用分壓商Qp來判斷，其結果與濃度商Q完全一樣。
　　3.溫度對平衡的影響
　　對于一個平衡體系，某一時刻改變溫度的瞬間，實際上濃度商Q并沒有改變，改變的是平衡常數K。K與溫度T的關系在一般高中教材中并沒有提及，那么我們可以向學生展示大學中T與K的關系式[1][如式（4）所示]。
　　式（4）中R為常數，當Δ [H>0]時，K與T同向變化，即T增大則K增大;當Δ [H<0]時，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。當溫度T升高時，得到新的平衡常數K?，由于Δ[H<0]，故[K?<K]，即有 [Q>K?]，平衡將逆向移動（吸熱方向）;同理，溫度T降低時，則有[K?>K]，即[Q<K?]，平衡正向移動（放熱方向）?？梢?，溫度是通過改變K讓平衡發生移動的，和濃度、壓強的情況有著本質的區別。如果不是通過對Q和K的分析，很難讓學生理解這一點。
　　4.催化劑對平衡的影響
　　對于一個平衡體系，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。
　　綜上所述，通過Q與K的比較能更科學地解決平衡移動的問題，且容易被高中生所接受，能讓學生更清晰、更深層次地理解化學平衡的移動，而不是停留在記憶層面，同時提高學生分析、解決化學問題能力及其專業素養。
　　[  參   考   文   獻  ]
　　[1]  宋天佑，程鵬，徐家寧，等.無機化學[M].北京：高等教育出版社，2015 .
　　（責任編輯 羅   艷）
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/9/view-14835418.htm