师:同学们,今天我们要学习化学选择性必修一第二章第二节化学平衡第三课时的内容。本节课的学习目标有三个:一是通过实验探究,理解温度、浓度、压强等对化学平衡状态的影响,进一步构建“化学变化是有条件的”这一学科观念;二是理解勒夏特列原理,能依据该原理分析平衡移动的方向,体会理论对实践的指导作用;三是从Q与K的关系,以及浓度、压强和温度对可逆反应速率的影响,分析理解化学平衡的移动。
在之前的学习中,我们知道化学平衡具有“动”的特征,即外界条件变化时,平衡状态会发生变化。今天我们首先来研究浓度变化对化学平衡的影响。
大家看实验2 - 1,我们先将5毫升0.05摩尔每升的氯化铁溶液和5毫升0.15摩尔每升的硫氰化钾溶液混合,铁离子和硫氰根离子反应,会得到红色的硫氰化铁溶液,此时反应体系达到平衡状态。接着,将所得溶液平均分在a、b、c三支试管中,向试管b中加少量铁粉,向试管c中滴加4滴1摩尔每升的硫氰化钾溶液,然后观察试管b、c中溶液颜色的变化,并与试管a做对比。现在我们来看实验视频。
(播放实验视频)
向试管b中加入少量铁粉,振荡,观察到试管b中溶液颜色变浅;向试管c中滴加4滴1摩尔每升硫氰化钾溶液,振荡,观察到试管c中颜色变深。对比a、b、c三支试管,b中溶液颜色浅于试管a,试管c中溶液颜色深于试管a。
实验中试管b的颜色变浅,说明红色的硫氰化铁浓度减小,反应向逆方向进行。为什么呢?因为加入铁粉后,体系中三价铁离子与铁反应生成亚铁离子,铁离子浓度减小,此时浓度商Q增大,导致Q大于K。由于可逆反应会自发向平衡状态转化,所以反应向逆反应方向进行,使Q逐渐减小,最终达到Q等于K的新平衡状态。
试管c中的颜色变深,说明红色的硫氰化铁浓度增大,反应向正方向进行。原因是滴加浓的硫氰化钾溶液增大了硫氰根离子的浓度,此时浓度商Q减小,导致Q小于K,所以反应向正反应方向进行,使Q逐渐增大,最终达到Q等于K的新平衡状态。
那什么是化学平衡移动呢?
一、概念:在一定条件下,当可逆反应达到平衡状态后,如果改变反应条件,平衡状态被破坏,平衡体系的物质组成也会随之改变,直至达到新的平衡状态。这种由原有的平衡状态达到新的平衡状态的过程,叫做化学平衡的移动。
二、特征:与原平衡相比,新平衡混合物中各组分的浓度百分含量发生改变。
三、过程分析:原平衡状态时,各组分的浓度百分含量保持不变。通过改变条件,如浓度、压强、温度,使得Q不等于K,此时体系处于非平衡状态,各组分的浓度或百分含量发生改变,可逆反应向正反应或逆反应方向移动,重新使得Q等于K,达到新平衡状态,各组分的浓度百分含量又保持不变。这种由平衡状态1到平衡状态2的转化过程,称为化学平衡移动。
四、方向的判断:在等温条件下,对于一个已达到化学平衡的反应,当改变反应物或生成物浓度时,根据浓度商与平衡常数的大小关系,可以判断化学平衡移动的方向。当Q等于K时,可逆反应处于平衡状态;当Q小于K时,化学平衡向正反应方向移动,直到达到新的平衡状态;当Q大于K时,化学平衡向逆反应方向移动,直到达到新的平衡状态。
回到浓度对化学平衡的影响规律。由实验可知,浓度对化学平衡移动的影响规律是:当其他条件不变时,反应物浓度增大或生成物浓度减小,平衡向正反应方向移动;反应物浓度减小或生成物浓度增大,平衡向逆反应方向移动。
从Q和K的关系角度分析浓度对化学平衡移动的影响:如果增大反应物浓度或减小生成物浓度,会导致Q值减小,Q小于K,则平衡向正反应方向移动;而增大生成物浓度和减小反应物浓度都会导致Q值增大,Q大于K,则平衡向逆反应方向移动。
现在我们来看练习一。注意,题干中给的是化学反应方程式,对于可逆的离子反应,我们要写出相应的离子反应方程式。本题如果把题干中的化学方程式改写成离子方程式,就是三价铁离子加硫氰根离子可逆反应生成硫氰化铁。不难看出,加入氯化钾固体并没有改变平衡体系中三种微粒的浓度,故平衡不移动。加入铁粉消耗三价铁离子,使反应物浓度减小,平衡向逆方向移动。而加入氯化铁固体增大了三价铁离子的浓度,使平衡向正方向移动。
现在我们来完成练习二。读题时请注意,此反应体系中Y是固体,其他物质是气体。A选项,消耗两摩尔X和生成3摩尔Z都是正反应方向的速率,不能判断反应是否达到平衡。B选项,由于Y是固体,加入Y并不改变固体的浓度,故正逆反应的速率均不变,平衡不移动。C选项,假设反应正向进行,固体Y的质量减少,又因为物质的总质量不变,所以气体的质量增加,而体积又一定,那么气体的密度变大。如果气体的密度保持不变,则说明反应已经达到平衡状态。D选项,加入X,增大了反应物X的浓度,平衡向正反应方向移动。但是Q值的大小只和化学计量数相关,化学方程式的计量数不变则Q值不变。所以,本题选择C选项。
压强又是如何影响化学平衡的呢?我们来看课本36页的实验2 - 2。在注射器中密闭有二氧化氮和四氧化二氮的平衡体系,活塞在r处时,观察此时平衡体系的颜色。接下来采用将活塞从r处推至1处的方式增大压强,观察现象。体系在活塞1处达到平衡后,通过将活塞由1处拉回至r处的方式减小压强,观察现象。我们来看实验过程中关键时间节点的记录照片。
可见,在加压瞬间,体系颜色突然加深,原因是体积变小,两种气体的浓度都增大。接下来随着时间进行,颜色逐渐变浅直至不变,即二氧化氮的浓度减小,平衡向正方向移动直至平衡。仔细观察,最终体系的颜色还是比未加压时要深。在减压瞬间,体系颜色突然变浅,原因是体积增大,两种气体的浓度都减小。接下来随着时间进行,颜色逐渐加深,直至不变,即二氧化氮浓度增大,平衡向逆方向移动直至平衡。仔细观察,最终体系的颜色还是比未减压时要浅。
通过以上实验我们可以看出,压强增大相当于体系中所有组分浓度同等倍数增大,平衡向气体体积缩小的方向移动,也就是向气体化学计量数之和较小的方向移动。比如增压时二氧化氮与四氧化二氮的平衡体系向生成四氧化二氮的方向移动;而减小压强相当于体系中所有组分浓度同等倍数减小,平衡向气体体积增大的方向,也就是向气体化学计量数之和较大的方向移动。比如减压时二氧化氮与四氧化二氮的平衡体系向生成二氧化氮的方向移动。对于反应前后气体体积相同的反应,改变压强平衡不会发生移动。
