基于證據(jù)推理的氣體體積分數(shù)變化問題分析

湖南 左傳鵬

在多年的高三教學中，筆者發(fā)現(xiàn)學生在分析化學平衡中的體積分數(shù)問題時，經(jīng)常會認為：化學平衡正向移動，反應物的體積分數(shù)必然減小，生成物的體積分數(shù)一定增大。事實真的是這樣的嗎？注重“證據(jù)推理”和“模型認知”是培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的重要途徑。筆者在教學時試著引導學生回歸氣體體積分數(shù)的概念，利用數(shù)學思維方法，建立模型理性推斷，探討了改變不同條件時，平衡移動引發(fā)氣體體積分數(shù)的變化規(guī)律。

一、體積分數(shù)的概念

1.分體積

分體積是指在相同溫度下，當某一組分氣體的壓力為混合氣體的總壓時所單獨占有的體積。該關系也叫阿馬格分體積定律。

2.體積分數(shù)

在與混合氣體相同溫度和壓強的條件下，混合氣體中組分B單獨占有的體積(即分體積VB)與混合氣體總體積(V總)之比，叫做組分B的體積分數(shù)，用符號φ(B)表示，即

不難發(fā)現(xiàn)，組分B的體積分數(shù)在數(shù)值上等于組分B在混合氣體中所占的物質(zhì)的量分數(shù)。

二、體積分數(shù)變化情況探討

1.改變平衡體系的溫度或壓強

可見，對于反應物和生成物各只有一種的可逆反應，當平衡正向移動，反應物的體積分數(shù)一定減小，生成物的體積分數(shù)一定增大。對于反應物或生成物不唯一的可逆反應，當平衡正向移動，能否得出相同結(jié)論呢？

(1)當m+n

設原平衡時A、B、C和D的物質(zhì)的量分別為amol、bmol、cmol和dmol，其他條件不變，改變溫度(或容器體積)，使平衡右移，A減少了mxmol。

原平衡molabcd

轉(zhuǎn)化molmxnxpxqx

新平衡mola-mxb-nxc+pxd+qx

作差比較可得：

φ′(C)-φ(C)

由于a+b+c+d>c，且m+n

①當p≥p+q-m-n，即組分C的化學計量數(shù)大于或等于反應前后氣體化學計量數(shù)之差時，φ′(C)-φ(C)>0，C的體積分數(shù)增大；

②當p

(2)當m+n>p+q。達到平衡后，其他條件不變，改變溫度(或容器體積)，使平衡正向移動，則n(A)減小，n(B)減小，n(C)增大，n(D)增大，n(總)減小，故φ(C)和φ(D)均增大，根據(jù)體積分數(shù)和為1，[φ(A)+φ(B)]之和必然減小，φ(A)和φ(B)是否都減小呢？

同理可證：

φ′(A)-φ(A)

由于a+b+c+d>a，且m+n>p+q，故：

①當m≥m+n-p-q，即組分A的化學計量數(shù)大于或等于反應前后氣體化學計量數(shù)之差時，φ′(A)-φ(A)<0，A的體積分數(shù)減小；

②當m

綜上，當其他條件不變，只改變?nèi)萜黧w積(或溫度)時，平衡發(fā)生移動。對于反應物和生成物各只有一種的可逆反應，反應物的體積分數(shù)一定減小，生成物的體積分數(shù)一定增大；而對于反應物或生成物不唯一的可逆反應，當某一氣體的物質(zhì)的量和體系內(nèi)所有氣體的總物質(zhì)的量同增或同減時，該氣體的體積分數(shù)變化情況需通過計算才能判斷。

以上分析的是只改變溫度或壓強，平衡移動后各氣體組分體積分數(shù)的變化情況。如果在恒容條件下改變平衡體系中組分的濃度，平衡移動后，各組分的體積分數(shù)又將會如何變化呢？

2.改變反應物的濃度

(1)按原投料比追加投料

【答案】不能確定 減小 增大

【解析】恒溫恒容達到平衡后，再充入amol N2和bmol H2，平衡右移，n(N2)、n(H2)、n(NH3)及n(總)均增大，根據(jù)定義難以直接比較原平衡(如圖Ⅰ建立的平衡狀態(tài))和新平衡(如圖Ⅲ建立的平衡狀態(tài))體積分數(shù)的大小關系。可先虛擬一個中間狀態(tài)Ⅱ，Ⅰ與Ⅱ兩平衡狀態(tài)等效，平衡時各組分體積分數(shù)對應相等。

“壓縮”平衡狀態(tài)Ⅱ，得到平衡狀態(tài)Ⅲ，Ⅱ與Ⅲ中起始投料量相同，減小體積，觀察該化學反應方程式中氣體化學計量數(shù)，利用上文得出的壓強改變時的體積分數(shù)變化規(guī)律，可做出判斷：與原平衡相比，φ(N2)的變化不能確定，φ(H2)減小，φ(NH3)增大。

恒溫恒容情況下，對于多反應物可逆反應或單一反應物可逆反應，如果按原投料比例追加投料，平衡移動后，各組分的體積分數(shù)變化可以通過虛擬中間狀態(tài)來分析。

(2)改變某種反應物的濃度

恒溫恒容情況下，對于多反應物可逆反應，如果只改變某一種反應物的濃度，平衡移動后，氣體體積分數(shù)變化可以借助化學平衡常數(shù)加以分析。

【答案】增大 減小 不能確定

【解析】恒容通入N2，平衡右移，新平衡與原平衡相比，n(N2)增大，n(H2)減小，n(NH3)增大，n(總)變化不能確定，利用體積分數(shù)的概念難以作判斷。不妨借助平衡常數(shù)來探討：

【答案】減小

由此可見，恒溫恒容情況下，對于含多氣體反應物的可逆反應，只增大某一氣體反應物的濃度，再次達平衡后的氣體體積分數(shù)可借助化學平衡常數(shù)分析，當題中涉及具體量，可通過數(shù)學計算或利用極限法作出判斷。

三、結(jié)語

氣體體積分數(shù)是一個比值定義，它與該組分氣體的物質(zhì)的量及體系內(nèi)所有氣體的總物質(zhì)的量兩個量有關，當平衡移動導致這兩個量同增或同減時，該組分氣體的體積分數(shù)將可能增大、可能減小，也可能不變，如果在教學中對其變化情況只作定性分析的話是無法使學生信服的。作為高中化學核心素養(yǎng)的組成要素之一，“證據(jù)推理與模型認知”的內(nèi)涵體現(xiàn)在通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關系，建立模型并運用模型，揭示反應的本質(zhì)和規(guī)律。因此，面對高三化學反應原理復習中類似問題，化學教師在傳授化學基礎知識和培養(yǎng)化學思維的同時，搭建平臺，注重“證據(jù)推理”和“模型認知”，激發(fā)學生潛能，引導學生樹立獨立思考的習慣，培養(yǎng)學生用數(shù)學思維方法解決化學問題的意識和能力，提升嚴謹求實的科學品質(zhì)，促進學生建立質(zhì)和量統(tǒng)一的哲學觀，這對學生的終身發(fā)展意義深遠。