物理化學中的化學平衡內容*

岳可芬 趙爽 王小芳

(西北大學化學與材料科學學院 陜西西安 71006)

最近，我院對教育部高等學校化學與化工學科教學指導委員會為化學類專業本科教學制定的2010.2版本“化學類專業化學教學基本內容”的完成情況進行統計，發現有關化學平衡、標準平衡常數及化學平衡等溫式在大一普通化學、大二物理化學中均有涉及[1-2]。另外，化學平衡和化學平衡移動原理也是高中化學中的重點和難點[3]。

作為物理化學的重要組成部分[4]，化學平衡主要研究化學反應進行的程度以及影響化學平衡的因素，其一系列規律不僅在化學基礎理論中占有極重要的地位，而且在實踐中具有指導意義。在物理化學課程中講授的內容不是對已有知識的簡單重復，而是對已有知識的提高、深化。在講授時應重點解決以下幾方面的內容。

1 van′t Hoff等溫方程的推導

根據物理化學課程前章所學化學勢推導出化學反應的van′t Hoff等溫式，即:

(1)

(2)

式(1)和式(2)在普通化學中只是提到和應用，沒有推導。

通過K?與Q的相對大小判斷化學反應的方向和限度，實質仍然是熱力學第二定律中通過ΔrGm的正負號(即化學勢的相對大小)判斷化學反應的方向和限度。化學勢的概念及其應用在物理化學中是第一次涉及，前行課程中均未提及。式(1)的推導也算是化學勢在化學反應中的應用。

2 非均相體系平衡常數與活度

關于化學平衡的計算，除理想均相體系的平衡常數與熱力學狀態函數的相互求算、平衡常數及相關的平衡轉化率的計算外，對非均相體系平衡常數的求算或由此求算活度等也是很有意義的[5]。

例題1求下列非均相反應在298K，標準壓力p?下的平衡常數[5]：

2Ag(s)+Hg2Cl2(aq)=2AgCl(aq)+2Hg(l)

(Ⅰ)

已知Hg2Cl2(s)和AgCl(s)在水中的飽和濃度分別為6.5×10-7mol·dm-3和1.3×10-5mol·dm-3，其標準摩爾生成Gibbs自由能分別為-210.66kJ·mol-1和-109.72kJ·mol-1。設溶液為理想溶液。

2Ag(s)+Hg2Cl2(c?)=2AgCl(c?)+2Hg(l)

(Ⅱ)

所以有:

可見，利用標準摩爾生成Gibbs自由能、化學勢等熱力學函數計算平衡常數是物理化學的優勢。

3 外界條件對化學平衡的影響

在高中化學、大一普通化學中均談到Le Chatelier原理，但都只有定性討論而沒有或少有定量計算。因此，物理化學中講外界條件對化學平衡的影響時，應側重于外界條件的改變對化學平衡移動的定量討論。

3.1 溫度對化學平衡的影響

若參加反應的物質均處于標準態，根據物理化學中的Gibbs-Helmholtz方程，則有：

(3)

(4)

(5)

大一普通化學中未提到式(3)，僅用式(5)做一些計算[1]。而在物理化學中很自然引出式(3)，進一步可推導出式(4)和式(5)[2]。

3.2 壓力和惰性氣體對化學平衡的影響

當參加反應的物質都是理想氣體，體系總壓力為p，體系達平衡時，有：

(6)

(7)

總之，通過學習物理化學中的化學平衡章節，要求學生不僅能定性地判斷化學反應方向、化學平衡移動的方向，而且能定量地計算化學反應進行的程度及化學平衡移動的程度，解決實際工作中遇到的問題。

[1] 史啟禎.無機化學與化學分析.北京:高等教育出版社,1998

[2] 傅獻彩,沈文霞,姚天揚,等.物理化學(上冊).第5版.北京:高等教育出版社,2006

[3] 汪毅.化學教與學,2010(4):44

[4] 張志紅,趙秀峰.大學化學,2010,25(2):60

[5] 韓德剛,高執棣,高盤良.物理化學.北京:高等教育出版社,2001