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由一道平衡移動(dòng)試題引發(fā)的思考

2021-09-10 18:09:42王飛王曉波
關(guān)鍵詞:高中化學(xué)

王飛 王曉波

摘 要:平衡條件下的移動(dòng)問(wèn)題,終歸以控制變量為前提,從平衡移動(dòng)原理角度來(lái)分析和解答.探究了改變壓強(qiáng),平衡移動(dòng)方向、生成物的質(zhì)量和物質(zhì)的量n、混合氣體的質(zhì)量和n(總)和生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)φ的變化關(guān)系.

關(guān)鍵詞:平衡移動(dòng);質(zhì)量分?jǐn)?shù);體積分?jǐn)?shù);高中化學(xué)

中圖分類號(hào):G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-0333(2021)10-0100-03

選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》的學(xué)習(xí)對(duì)師生來(lái)說(shuō)有一定難度,特別是近些年題型新穎,甚至與大學(xué)的《物理化學(xué)》、《分析化學(xué)》、《無(wú)機(jī)化學(xué)》銜接默契,增強(qiáng)了講練的難度和困惑.不過(guò)這個(gè)專題的學(xué)習(xí)有章可循,存有一定的規(guī)律.現(xiàn)就平日里的典型練習(xí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)行系統(tǒng)分析解答,供各位同仁參考借鑒,敬請(qǐng)?zhí)岢雠u(píng)指正.

在一體積可變的密閉容器中,加入一定量的X,發(fā)生反應(yīng):mX(g)nY(g)+Z(g),ΔH=Q kJ/mol.反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),Y的物質(zhì)的量濃度與溫度、容器體積的關(guān)系見(jiàn)表1.

表1

1241001.000.750.532001.200.900.633001.30

1.000.70

控制其他條件不變,改變壓強(qiáng),Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)有何變化?

對(duì)反應(yīng)mX(g)nY(g)+Z(g),ΔH=Q kJ/mol來(lái)說(shuō),根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)變化,保持恒容條件下,控制溫度的變化,升高溫度,Y的物質(zhì)的量濃度c(Y)增大,平衡正向移動(dòng),正向吸熱,ΔH>0,即Q>0.保持恒溫條件,控制容器體積的變化,增大容器的體積,相當(dāng)于減壓,當(dāng)容器的體積增大為原來(lái)的n倍,理論上c(Y)減小為原來(lái)的1/n.由表格中的數(shù)據(jù),當(dāng)容器的體積增大為原來(lái)的2倍,c(Y)減小的程度不到原來(lái)的一半,即減壓平衡正向移動(dòng),平衡向物質(zhì)的量增大的方向移動(dòng),m<n+1.

一、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

控制其他條件不變,改變體系的壓強(qiáng),平衡是否發(fā)生移動(dòng)取決于反應(yīng)前后的化學(xué)計(jì)量數(shù).反應(yīng)前后都是氣體而言,混合氣體的總質(zhì)量不變,氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)取決于研究氣體的質(zhì)量.那么,改變壓強(qiáng),平衡移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、生成物的質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)有何變化呢?

增大壓強(qiáng),移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、生成物的質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2:

表2

移動(dòng)方向生成物的物質(zhì)的量n生成物的質(zhì)量生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)m>n+1正向增大增大增大m=n+1不移動(dòng)不變不變不變m<n+1逆向

減小減小減小

減小壓強(qiáng),移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、生成物的質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表3:

表3

移動(dòng)方向生成物的物質(zhì)的量n生成物的質(zhì)量生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)m>n+1

逆向減小減小減小m=n+1

不移動(dòng)不變不變不變m<n+1

正向增大增大增大

生成物的各種量變主要取決于平衡移動(dòng)方向,正向移動(dòng)物質(zhì)的量n、質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增大;逆向移動(dòng)物質(zhì)的量n、質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)均減小.故對(duì)于反應(yīng)mX(g)nY(g)+Z(g) ΔH>0,化學(xué)計(jì)量數(shù)m<n+1,加壓Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小;減壓Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大.

二、體積分?jǐn)?shù)的變化

反應(yīng)mX(g)nY(g)+Z(g) ΔH=Q kJ/mol,當(dāng)化學(xué)計(jì)量數(shù)m=n+1,對(duì)等體積反應(yīng)來(lái)說(shuō),壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)無(wú)影響,生成物的物質(zhì)的量n、混合氣體的n(總)和生成物的體積分?jǐn)?shù)φ均不變.

當(dāng)化學(xué)計(jì)量數(shù)m>n+1,控制其他條件不變,改變壓強(qiáng),平衡移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、混合氣體的n(總)和生成物的體積分?jǐn)?shù)φ見(jiàn)表4所列.

表4

移動(dòng)方向生成物的物質(zhì)的量n

混合氣體的n(總)生成物的體積分?jǐn)?shù)φ增大壓強(qiáng)正向移動(dòng)增大減小

增大減小壓強(qiáng)逆向移動(dòng)減小

增大減小

當(dāng)化學(xué)計(jì)量數(shù)m<n+1,控制其他條件不變,改變壓強(qiáng),平衡移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、混合氣體的n(總)和生成物的體積分?jǐn)?shù)φ見(jiàn)表5詳述.

移動(dòng)方向生成物的物質(zhì)的量n

混合氣體的n(總)生成物的體積分?jǐn)?shù)φ增大壓強(qiáng)逆向移動(dòng)減小減小

減小壓強(qiáng)正向移動(dòng)增大增大

某生成物的體積分?jǐn)?shù)φ=某生成物的物質(zhì)的量混合氣體的總物質(zhì)的量×100%,分子、分母同增減,似乎無(wú)法確定,果真如此嗎?讓我們一起去探究.

在滿足m<n+1條件下的m和n可以取任意整數(shù).為了便于計(jì)算和理解,取得一定量的X為1,并對(duì)m和n都賦予1,即此反應(yīng)為

X(g)Y(g)+Z(g)

初始100

消耗aaa

平衡1-aaa

φ(Y)=a1-a+a+a×100%=a×100%,即φ(Y)=a,其為增函數(shù),也即φ(Y)隨著a的增大而增大.當(dāng)增大壓強(qiáng),平衡逆向移動(dòng),a在減小,所以φ(Y)減小;減小壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),a在增大,所以φ(Y)增大.

再取m=1,n=2,為了便于計(jì)算一定量的X仍舊取1則該反應(yīng)為

X(g)2Y(g)+Z(g)

初始100

消耗aaa

平衡1-aaa

φ(Y)=2a1-a+2a+a×100%=2a1+2a×100%=11+12a×100%,即φ(Y)=11+12a,其為增函數(shù),也即φ(Y)隨著a的增大而增大.當(dāng)增大壓強(qiáng),平衡逆向移動(dòng),a在減小,所以φ(Y)減小;減小壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),a在增大,所以φ(Y)增大.

進(jìn)一步延伸,利用m和n進(jìn)行計(jì)算,該反應(yīng)為mX(g)nY(g)+Z(g),還是為了便于計(jì)算,取一定量的X為1.

mX(g)nY(g)+Z(g)

初始100

消耗aaa

平衡1-anamam

φ(Y)=nam1-a+nam+am×100%=nam1+(n+1-m)am×100%=nam+(n+1-m)a×100%,

即為φ(Y)=1mna+(n+1-m)n,此式子中m和n都是對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù),且mna隨著a的減小而增大,故φ(Y)=1mna+(n+1-m)n為增函數(shù),也即φ(Y)隨著a的增大而增大.當(dāng)增大壓強(qiáng),平衡逆向移動(dòng),a在減小,所以φ(Y)減小;減小壓強(qiáng),平衡正向移動(dòng),a在增大,所以

φ(Y)增大.

三、結(jié)論

1.平衡移動(dòng)條件下的控制變量問(wèn)題均遵循勒夏特列原理.生成物的物質(zhì)的量n、質(zhì)量、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)均隨著平衡移動(dòng)方向而改變.

2.生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)

φ的變化是一致的,且均與生成物的物質(zhì)的量n呈正相關(guān)關(guān)系.

3.任意可逆反應(yīng)mX(g)nY(g)+qZ(g),對(duì)控制變量問(wèn)題的探究,Y或Z的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要取決于Y或Z的質(zhì)量和反應(yīng)體系混合氣體的總質(zhì)量,體積分?jǐn)?shù)亦如此,當(dāng)Y或Z的體積和反應(yīng)體系混合氣體的總體積同增、同減時(shí),增大或減小壓強(qiáng)時(shí),φ(Y)和φ(Z)與其本身的物質(zhì)的量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系.恰如對(duì)本文這類試題而言,改變壓強(qiáng),對(duì)化學(xué)計(jì)量數(shù)m<n+q的深度分析思考需要借助數(shù)學(xué)函數(shù)增減性的思想加以解答.

參考文獻(xiàn):

[1]柳若芍,魏培海.走進(jìn)高中化學(xué)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)[M].北京:首都師范大學(xué)出版社,2008.

[2]王后雄.教材完全解讀[M].西安:陜西師范大學(xué)出版總社有限公司,2017.

[責(zé)任編輯:季春陽(yáng)]

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