化學(xué)平衡常數(shù)淺述

徐昭

摘 要： 化學(xué)平衡常數(shù)是對化學(xué)平衡進(jìn)行定量研究的最重要參數(shù)。新課改以來，全國各省高考試題表明，對于化學(xué)平常數(shù)的考察，除教材難度的考點(diǎn)外，還存在教材沒有明確強(qiáng)調(diào)的考點(diǎn)，如何應(yīng)對化學(xué)平衡常數(shù)全方位、多角度的考察？化學(xué)平衡常數(shù)包含了哪些要點(diǎn)？怎樣求化學(xué)平衡常數(shù)？怎樣用化學(xué)平衡常數(shù)？用化學(xué)平衡常數(shù)可以求什么內(nèi)容？作什么判斷？本文就對“化學(xué)平衡常數(shù)”進(jìn)行全面的介紹。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)平衡常數(shù) 規(guī)則 意義 單位

化學(xué)平衡是中學(xué)化學(xué)最重要的平衡之一，對化學(xué)平衡進(jìn)行定量研究最重要的參數(shù)就是化學(xué)平衡常數(shù)。《2013年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱》（理科·課程實驗標(biāo)準(zhǔn)版）對化學(xué)平衡常數(shù)提出了明確的要求，即“理解化學(xué)平衡常數(shù)的含義，能夠利用化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行簡單的計算”，可見高考對于“化學(xué)平衡常數(shù)”的考察是必然的。而在現(xiàn)行人教版選修4（化學(xué)反應(yīng)原理）中，關(guān)于化學(xué)平衡常數(shù)的表述不多，教材只是強(qiáng)調(diào)了“化學(xué)平衡常數(shù)”的定義，“化學(xué)平衡常數(shù)”只受溫度影響，與反應(yīng)物和生成物的濃度變化無關(guān)，第一個例題求化學(xué)平常數(shù)，第二個例題用化學(xué)平衡常數(shù)。

新課改以來，全國各省高考試題表明，關(guān)于化學(xué)平常數(shù)的考察，除教材難度的考點(diǎn)外，還存在教材沒有明確強(qiáng)調(diào)的考點(diǎn)，現(xiàn)對“化學(xué)平衡常數(shù)”進(jìn)行全面的介紹。

對于一般的可逆反應(yīng)：aA+bB？葑gG+hH，在一定溫度下，達(dá)到平衡時，體系中物質(zhì)的濃度間有如下關(guān)系：

[G]■[H]■/[A]■[B]■=K（K稱為該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)）

平衡常數(shù)能表明化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。一般來說，K>10■，可視為正向反應(yīng)進(jìn)行完全，而K<10■時，視為反應(yīng)不能進(jìn)行，當(dāng)10■

1.平衡常數(shù)的書寫規(guī)則

①如果有固體和純液體參加反應(yīng)，它們的濃度不寫在平衡常數(shù)表達(dá)式中，因為它們的濃度是固定不變的，平衡常數(shù)的表達(dá)式中只包括氣態(tài)物質(zhì)和溶液中各溶質(zhì)的濃度。

如：CaCO■（s）？葑CaO（s）+CO■（g） Kc=[CO■]

CO■（g）+H2（g）？葑H■O（1）+CO（g） Kc=[CO]/[CO■][H■]

②稀溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，如有水參加，水的濃度不寫在平衡關(guān)系式中。

如：Cr■O■■+H■O=2Cr■O■■+2H■ Kc=[CrO■■]■[H■]2/[Cr■O■■]

但是，非水溶液中的反應(yīng)，如果反應(yīng)式中有水（即：有水參加或有水生成），此時水的濃度不可視為常數(shù)，必須寫入平衡關(guān)系式中。如：C■H■OH+CH■COOH？葑CH■COOC■H■+H■O，有：

Kc=[CH■COOC■H■][H■O]/[C■H■OH][CH■COOH]

③同一化學(xué)反應(yīng)，可以用不同的化學(xué)方程式表示，每個化學(xué)方程式都有自己的平衡常數(shù)關(guān)系式及相應(yīng)的平衡常數(shù)。如：373K時，N■O■和NO■的平衡體系：

N■O■（g）？葑2NO■（g） K■=[NO■]■/[N■O■]=0.36

1/2N■O■（g）？葑NO■（g） K■=[NO■]/[N■O■]■=0.60

2NO■（g）？葑N■O■（g） K■=N■O■/[NO■]■=2.78

④對于氣體反應(yīng)，寫平衡常數(shù)關(guān)系式時，除可以用平衡時的物質(zhì)的量濃度表示外，也可用平衡時各氣體的分壓表示。如：

N■（g）+3H■（g）？葑2NH■（g）

可以寫出兩個平衡常數(shù)關(guān)系式：Kc=[NH■]■/[N■]·[H■]■ Kp=P■■/P■·P■■

Kc是以物質(zhì)的量的濃度表示的平衡常數(shù)，其關(guān)系式中的[NH■][N■][H■]是各物質(zhì)的平衡濃度。Kp是以各物質(zhì)的分壓表示的平衡常數(shù)，關(guān)系式中的P■、P■、P■是各物質(zhì)的平衡分壓。

2.平衡常數(shù)的意義

平衡常數(shù)的大小能表示可逆反應(yīng)進(jìn)行的程度。各個化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)的大小相差很大，平衡常數(shù)越大，表示生成物平衡濃度越大，反應(yīng)物平衡濃度越小，也就是反應(yīng)進(jìn)行得越徹底。例如：27℃時，反應(yīng)N■+O■？葑2NO的K=3.84×10■，反應(yīng)2SO■+O■？葑2SO■的K=3.10×10■。這說明上述兩個反應(yīng)達(dá)到平衡后，前者反應(yīng)的程度甚小，幾乎可以認(rèn)為沒有發(fā)生反應(yīng)；后者基本上趨于完全反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率特別高。

利用平衡常數(shù)還可以判斷可逆反應(yīng)進(jìn)行的方向。

對于可逆反應(yīng)：aA+bB？葑pC+qD，若給定A、B、C和D的濃度，則可利用平衡常數(shù)K判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。其方法為：把這些物質(zhì)的濃度代入平衡常數(shù)表達(dá)式中進(jìn)行計算，把計算結(jié)果與平衡常數(shù)進(jìn)行比較：

當(dāng)[C]■[D]■/[A]■[B]■=K時，此反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；

當(dāng)[C]■[D]■/[A]■[B]■

當(dāng)[C]■[D]■/[A]■[B]■>K時，此反應(yīng)就向逆反應(yīng)方向進(jìn)行。

3.平衡常數(shù)的單位

平衡常數(shù)有單位，由于意義不大，通常不寫。有的反應(yīng)平衡常數(shù)單位是1，有的不是1。如：

H■+I■？葑2HI平衡常數(shù)單位是1

N■O■（g）？葑2NO■（g）平衡常數(shù)單位是mol/L

N■（g）+3H■（g）？葑2NH■（g）平衡常數(shù)單位是L■/mol■

[例1]有一密閉抽成真空的容器內(nèi)，放有無水FeSO■與0.095 mol硫黃，通入純氧，把體系加熱，使它們發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在恒定101325Pa及927K下長時間保持平衡，經(jīng)分析該條件下平衡氣相含氧0.005mol，殘渣中并未發(fā)現(xiàn)殘存的硫，試通過計算說明該條件下殘渣是什么。

已知此條件下：

2FeSO■（s）？葑Fe■O■（s）+SO■（g）+SO■（g） K■=1.63×1O9Pa

2SO■（g）？葑2SO■（g）+O■（g） K■=5066.25Pa

[分析]通入純氧反應(yīng)后，無殘存硫，說明全部被氧化為SO■和SO■，若假定第一個反應(yīng)不發(fā)生，則SO■、SO■和O■的分壓必須滿足第二個平衡。因為NO2已知，故可由K■值求出Pso■和Pso■，然后求出第一個反應(yīng)的Qp，并與K■比較，從而判斷假設(shè)是否正確，分析如下：

若生成SO■為xmol，則SO■為：（0.095-x）mol。有：

n■=（0.095-x）+x+0.005=0.1

2SO■（g）？葑2SO■（g）+O■（g）

K■=■=■=5066.25mol/L

所以，x=0.0475mol。

對于反應(yīng)（1）Q■=Pso■·Pso■=（■×101325）■=2.3×10■（Pa■）>Kp。

所以，此時FeSO■不可能發(fā)生分解，殘渣為無水FeSO■。

[練習(xí)]平衡常數(shù)Kc的數(shù)值大小，是衡量化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度的標(biāo)志。在25℃時，下列反應(yīng)的平衡常數(shù)如下：

N■（g）+O■（g）？葑2NO（g） K■=1×10-30

2H■（g）+O■（g）？葑2H■O（g） K■=2×1081

2CO■（g）？葑2CO（g）+O■（g） K■=4×10-92

（1）常溫下，NO分解產(chǎn)生O■反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式為K=？搖 ？搖。

（2）常溫下，水分解產(chǎn)生O■，此時平衡常數(shù)值約為K=？搖 ？搖。

（3）常溫下，NO、H■O、CO■三種化合物分解放出氧氣的傾向大小順序為？搖 ？搖。

（4）北京市政府要求全市對所有尾氣處理裝置完成改裝，以求基本上除去氮氧化物、一氧化碳污染氣體的排放，而改裝后的尾氣處理裝置主要是加入有效催化劑，請你根據(jù)以上有關(guān)數(shù)據(jù)分析僅使用催化劑除污染氣體的可能性。

參考答案：

（1）K=CN■CO■/C■NO

（2）5×10■

（3）NO>H■O>CO■

（4）NO、CO與O■反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，使用合適的催化劑加快反應(yīng)速率，在水蒸氣存在下生成HNO■和CO■，則基本上可以除去污染氣體。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部考試中心編.2013年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱（理科·課程實驗標(biāo)準(zhǔn)版）.高等教育出版社.

[2]總主編王祖浩.主編鄧立新.化學(xué)競賽教程.華東師范大學(xué)出版社.

[3]南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編.無機(jī)化學(xué).高等教育出版社.北京師范大學(xué)華中師范大學(xué).