關(guān)于高中化學(xué)平衡常數(shù)的兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)

潘紅梅

摘? ?要：平衡常數(shù)是化學(xué)平衡中最重要的核心概念，用于定量表征反應(yīng)進(jìn)行的程度。一定溫度下，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)的狀態(tài)可能不相同，但平衡常數(shù)相等。這為研究化學(xué)反應(yīng)提供了定量依據(jù)，尤其是真實(shí)情境下復(fù)雜的反應(yīng)體系，可運(yùn)用平衡常數(shù)進(jìn)行定量分析。

關(guān)鍵詞：平衡常數(shù);化學(xué)反應(yīng);相等;分析;定量

2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)化學(xué)平衡常數(shù)是表征化學(xué)反應(yīng)限度的物理量，知道化學(xué)平衡常數(shù)的含義。多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)平衡常數(shù)的認(rèn)識(shí)存在兩個(gè)問(wèn)題：“溫度決定平衡常數(shù)”“平衡常數(shù)與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)聯(lián)”。究其原因就是不理解平衡常數(shù)的特征、含義，不能利用平衡常數(shù)從定量的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，本文就此展開(kāi)論述。

1? 溫度決定平衡常數(shù)

對(duì)于平衡常數(shù)特征的教學(xué)，通常采用“根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量的各組分濃度，求算平衡常數(shù)”。下面以工業(yè)制氫氣的兩個(gè)反應(yīng)為例，其中表1提供了反應(yīng)1：CO（g）+H2O（g）？葑CO2（g）+H2（g），ΔH<0，在不同的溫度、壓強(qiáng)下，各組分的初始濃度、平衡濃度;表2呈現(xiàn)了反應(yīng)2：C（s）+H2O（g）？葑CO（g）+H2（g），ΔH>0，在不同的溫度、壓強(qiáng)下，各組分的初始濃度、平衡濃度。

根據(jù)表1、表2中平衡常數(shù)的計(jì)算結(jié)果，平衡常數(shù)與溫度之間的關(guān)系落地生成：“平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度相同平衡常數(shù)相等”，同時(shí)還收獲了“不同的平衡狀態(tài)具有相同的平衡常數(shù)”，為工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控提供重要依據(jù)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了溫度與平衡常數(shù)的關(guān)系，大部分學(xué)生只機(jī)械地記住這一結(jié)論，沒(méi)感受科學(xué)家是如何認(rèn)識(shí)溫度與平衡常數(shù)的關(guān)系。事實(shí)上，荷蘭化學(xué)家范特霍夫已經(jīng)從熱力學(xué)原理推導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系式：從關(guān)系式可知，升高溫度，放熱反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)減小，吸熱反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)增大。利用關(guān)系式ln=（-），還可以判斷變化過(guò)程中的熱效應(yīng)以及平衡移動(dòng)方向。例如根據(jù)表3中一水合氨的電離平衡常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，推斷“氨水的電離是吸熱的過(guò)程，升高溫度有利于一水合氨向電離方向移動(dòng)”。

相比之下，較難的多相反應(yīng)CaCO3（s）？葑CaO（s）+CO2（g），若保持溫度不變，縮小容器體積，則c（CO2）隨時(shí)間變化關(guān)系如圖1所示。再次達(dá)平衡時(shí)，c（CO2）保持不變的根本原因：“溫度相同平衡常數(shù)（K）相等，而K=c（CO2）”。

2? 定量地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)

2.1? 理解“反應(yīng)”“平衡”

平衡常數(shù)的大小反映了化學(xué)反應(yīng)可能進(jìn)行的程度。平衡常數(shù)的數(shù)值越大，說(shuō)明反應(yīng)可以進(jìn)行得越完全[ 1 ]。一般認(rèn)為，平衡常數(shù)非常大（K>105）為完全反應(yīng)，平衡常數(shù)非常小（K<10-5）基本不發(fā)生反應(yīng)，10-5<K<105為可調(diào)控反應(yīng)，提供了定量地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)依據(jù)。在反應(yīng)體系中，學(xué)生常分不清“化學(xué)反應(yīng)”“化學(xué)平衡”誰(shuí)占主導(dǎo)，教師可引導(dǎo)學(xué)生用平衡常數(shù)從定量的角度理解主次關(guān)系。例如鹽酸與醋酸鈉溶液混合時(shí)，化學(xué)反應(yīng)方程式：HCl（aq）+CH3COONa（aq）=CH3COOH（aq）+NaCl（aq），平衡常數(shù)K==5.68×104。與此同時(shí)，混合溶液中存在醋酸的電離平衡：CH3COOH? ?？葑CH3COO-+H+，平衡常數(shù)Ka=1.76×10-5[ 2 ]。

以平衡常數(shù)作為依據(jù)，學(xué)生很容易判斷該混合體系以“化學(xué)反應(yīng)”為主，從而快速解答水溶液體系中微粒關(guān)系問(wèn)題，進(jìn)而建立復(fù)雜反應(yīng)體系的微粒分析模型。

2.2? 判斷反應(yīng)產(chǎn)物

熟悉物質(zhì)間的“陌生”反應(yīng)同樣可以用化學(xué)平衡常數(shù)來(lái)定量分析，之所以說(shuō)“熟悉”“陌生”，“熟悉”是學(xué)生能對(duì)反應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的類(lèi)比，但往往會(huì)類(lèi)推出錯(cuò)誤的結(jié)果;“陌生”是教材中出現(xiàn)過(guò)但只作模糊處理，內(nèi)容不明示。例如“漂白粉在使用時(shí)需要加水浸泡片刻，才能更好地發(fā)揮漂白效果，因?yàn)榇温人猁}溶于水后與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成次氯酸”[ 3 ]。那么家庭中經(jīng)常使用的84消毒液（主要成分是NaClO）漂白原理如何？絕大多數(shù)同學(xué)依據(jù)漂白粉的反應(yīng)原理，認(rèn)為反應(yīng)產(chǎn)物是Na2CO3和HClO，而實(shí)際上生成了NaHCO3和HClO。

（已知25℃時(shí)，K（HClO）=2.95×10-8，Ka1（H2CO3）=4.3×10-7，Ka2（HCO3-）=5.61×10-11[ 2 ]）

如何用平衡常數(shù)判斷該反應(yīng)產(chǎn)物呢？設(shè)NaClO+H2O+CO2=NaHCO3+HClO平衡常數(shù)為K1：

=14.58

假設(shè)2NaClO+H2O+CO2=Na2CO3+2HClO平衡常數(shù)為K2：

=2.77×10-2

兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)相差526倍，由此可以斷定：向次氯酸鹽溶液中通入CO2，無(wú)論CO2量如何，次氯酸鹽溶于水后與空氣中的二氧化碳反應(yīng)都理應(yīng)生成次氯酸和碳酸氫鹽。

2.3? 分析復(fù)雜反應(yīng)

漂白粉漂白時(shí)為何就生成CaCO3？下面繼續(xù)計(jì)算Ca（HCO3）2轉(zhuǎn)化成CaCO3（Ca2++2HCO3-=CaCO3+H2O+CO2）的平衡常數(shù)K3：

從平衡常數(shù)K3=4.76×104，可以判斷上述反應(yīng)比較完全。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的試劑有0.0001mol·L-1CaCl2、0.0001mol·L-1NaHCO3溶液、飽和NaHCO3溶液、飽和CaCl2溶液。當(dāng)飽和NaHCO3溶液與飽和CaCl2溶液混合時(shí)，先產(chǎn)生白色沉淀隨后有氣體生成;若把濃度均為0.0001mol·L-1的NaHCO3溶液和CaCl2溶液混合時(shí)無(wú)上述現(xiàn)象，這也剛好解釋了能否用CaCl2鑒別Na2CO3、NaHCO3這一具有爭(zhēng)議性的問(wèn)題。

為什么試劑的濃度會(huì)使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)差異？從定量的角度分析如下：隨著CaCl2溶液的加入，促使NaHCO3溶液中HCO3-電離程度大于其水解程度。即HCO3-？葑CO32-+H+是NaHCO3溶液中的主要平衡，此時(shí)，Ca2+與CO32-結(jié)合生成CaCO3，HCO3-結(jié)合電離出的H+形成H2CO3。在飽和溶液中，Ca2+與CO32-的濃度積（Qc）大于Ksp，產(chǎn)生白色沉淀;濃度均為0.0001mol·L-1的溶液中，Ca2+與CO32-的濃度積（Qc）小于或等于Ksp，宏觀(guān)上無(wú)現(xiàn)象。

反應(yīng)體系中能否產(chǎn)生沉淀，可用溶度積規(guī)則[ 1 ]進(jìn)行定量分析。飽和CaCl2溶液通CO2氣體無(wú)沉淀產(chǎn)生的原因：c（HCO3-）、c（H+）主要來(lái)自H2CO3的第一步電離，溶液中c（HCO3-）≈c（H+），故c（CO32-）Ka2（HCO3-）=5.61×10-11 mol·L-1，此時(shí)Qc=c（Ca2+）·c（CO32-）=3.01×10-10<Ksp。

（已知25℃時(shí)，飽和CaCl2溶液的濃度約為5.38mol·L-1，Ksp=4.96×10-9 [ 2 ]）

酸和鹽的反應(yīng)原理，在初中和高一階段，學(xué)生只會(huì)根據(jù)“強(qiáng)”酸制“弱”酸的反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行定性解釋?zhuān)皬?qiáng)制弱”的反應(yīng)規(guī)律不具有普適性，最典型的化學(xué)反應(yīng)“CuSO4溶液中通H2S氣體時(shí)會(huì)產(chǎn)生黑色沉淀CuS，同時(shí)生成硫酸”，其平衡常數(shù)K===7.9×1016 [ 2 ] ？垌105，可認(rèn)為完全反應(yīng)。因此，選擇性必修《化學(xué)反應(yīng)原理》中引入了“平衡常數(shù)”，它打開(kāi)了我們認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的新視角，有助于我們?nèi)娴卣J(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)。

為落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)新一輪教改目標(biāo)，教學(xué)中要求應(yīng)用已有的知識(shí)解答真實(shí)的情境問(wèn)題，而真實(shí)的問(wèn)題一般都是復(fù)雜的反應(yīng)體系，復(fù)雜體系的反應(yīng)要求能從客觀(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行定量地解釋、分析。因此，教師要加強(qiáng)對(duì)平衡常數(shù)知識(shí)的有效整合，利用平衡常數(shù)，幫助學(xué)生從定量的角度全面認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王磊，陳光巨.化學(xué)反應(yīng)原理（選擇性必修一）[M].濟(jì)南：山東科技出版社，2019：99，54，109.

[2] 王祖浩.化學(xué)反應(yīng)原理[M].南京：鳳凰教育出版社，2014：99-100.

[3] 王祖浩.化學(xué)第一冊(cè)（必修）[M].南京：鳳凰教育出版社，2019：62.

3953500338234