师:同学们,今天我们学习选择性必修一第二章第二节化学平衡第二课时的内容。本节课学习目标如下:一是掌握化学平衡常数的影响因素;二是明确化学平衡常数的含义;三是能够运用平衡常数和浓度商的关系,判断化学反应是否达到平衡以及平衡移动的方向,提升从定量角度分析化学反应的能力;四是学会用三段式法进行化学平衡常数相关计算。
上节课我们学习了化学平衡常数,认识了化学平衡状态,也会书写化学平衡常数表达式。今天我们继续深入学习化学平衡常数,从定量角度进一步认识物质转化的程度。
首先思考,化学平衡常数受哪些因素影响呢?请根据表一提供的数据进行分析。观察表一数据,对于氢气和碘蒸气这同一化学反应,在同一温度下,氢气、碘蒸气和碘化氢的起始浓度不同,但在排除一定误差范围内,平衡常数相等,并且温度越高,平衡常数越小。由此可知,平衡常数(k)只受温度影响。
大家深入思考一下,体系压强改变会影响平衡常数吗?压强改变可能会影响体系中物质的浓度,然而浓度的改变并不影响平衡常数,所以压强不影响平衡常数的大小,即(K)与压强无关。
对于同一化学反应,化学方程式确定后,平衡常数只与温度有关。但对于不同的化学反应,在同一温度下,化学平衡常数又与什么因素有关呢?请认真分析表二数据。通过分析(25)摄氏度时卤素单质与氢气反应生成卤化氢的平衡常数,我们发现不同的化学反应,方程式书写形式不同,物质的性质也不同,化学平衡常数就不同。因此,影响化学平衡常数的内因是反应中物质的性质,而对于同一可逆反应,化学平衡常数只与温度有关。
同学们,我们继续分析表三,思考(25)摄氏度时生成卤化氢反应的平衡常数大小代表什么呢?反应中物质的性质又是如何决定平衡常数的呢?我们先来回顾元素周期律的知识。同一主族的卤族元素从上到下,非金属性逐渐减弱。它们分别与氢气反应的条件不同,氟与氢气在暗处就能发生反应,氯气与氢气反应需要点燃,溴与氢气反应需要加热,碘与氢气反应则需要持续加热,并且还是可逆反应。从反应条件可以看出,氟、氯、溴、碘与氢气反应越来越难,越来越不完全,物质转化的方向由不可逆到可逆。
其次,我们分析(25)摄氏度时生成卤化氢反应的平衡常数(k),由氟到碘逐渐减小。最后可以得出结论,(k)越大,正反应进行的程度越大;(k)越小,该反应进行得越不完全。当(k)大于(10^5)时,该反应基本进行完全,这就是平衡常数的含义。由此可见,根据平衡常数的大小,可以判断可逆反应中物质转化的程度,即化学平衡常数是表明化学反应限度的一个特征,通常情况下只受温度的影响。
在第一课时中,我们学习了浓度商(Q)的概念。对于一般的可逆反应,在任意时刻,生成物浓度的幂次方与反应物浓度的幂次方的比值称为浓度商(Q)。当温度一定,反应达到限度时,(Q = K),说明反应达到化学平衡状态。也就是说,利用(Q)与(K)的关系,可以判断化学平衡状态以及平衡移动的方向。
下面我们通过例题一来看看。(800)摄氏度时,一氧化碳气体和水蒸气反应生成二氧化碳气体和氢气,平衡常数(K = 1)。(t)时刻各物质的浓度已知,要判断此时反应是否达到平衡状态。因为当(Q = K)时,反应达到平衡状态,所以判断某时刻化学反应是否达到平衡状态,就需要知道(Q)是否等于(K)。依题意(K = 1),所以我们需要计算(Q)值。写出浓度商表达式并代入题目数据计算,(Q = 2\gt K),所以可以判断此时反应不处于平衡状态。那该反应向哪个方向进行呢?
根据平衡常数的表达式及含义,某温度下,当(Q\gt K)时,该时刻的生成物浓度比平衡时生成物的浓度大。若要达到平衡状态,反应应向逆反应方向进行。即当(Q\gt K),反应向逆反应方向进行;当(Q\lt K),反应向正反应方向进行。所以在等温条件下,对于一个已经达到化学平衡的可逆反应,当改变反应物或生成物的浓度时,根据浓度商(Q)与平衡常数(K)的大小关系,可以判断化学平衡移动的方向。在同一温度下,当(Q = K)时,可逆反应处于化学平衡状态;当(Q\lt 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\gt K)时,化学平衡向逆反应方向移动,直到达到新的平衡状态。
知道了化学平衡常数的意义和作用,接下来我们学习化学平衡常数的相关计算。大家想一想,对于同一反应,化学平衡常数与温度有关,投料浓度不影响化学反应的平衡常数。如果仅改变投料浓度,达到平衡时,物质的转化率会改变吗?请同学们按下暂停键完成例题二。
例题二:某温度下,将氢气和碘蒸气各(0.1)摩尔气体混合物充入容积为(10)升的密闭容器中,充分反应并达到平衡后,测得氢气的浓度为(0.008)摩尔每升。求反应的平衡常数和碘的转化率。
如何解决关于化学平衡常数的相关计算问题呢?今天我们来构建化学平衡常数相关计算的一般思维模型——三段式法。下面我们分析一下该方法的具体解题步骤:
第一步,列三段式。基本步骤为写出反应的方程式,确定反应物和生成物的初始加入量,确定反应过程的转化量,一般设某物质的转化量为(x),确定平衡量。通常这里的量可以是物质的量,也可以是物质的量浓度。一般情况下,我们会使用物质的量浓度来列出三段式,方便题目的计算。
第二步,写出平衡常数表达式或公式。
第三步,将三段式的具体数据代入平衡常数表达式或公式进行计算,得出结论。
