由一道平衡移動(dòng)試題引發(fā)的思考

王飛 王曉波

摘 要：平衡條件下的移動(dòng)問(wèn)題，終歸以控制變量為前提，從平衡移動(dòng)原理角度來(lái)分析和解答.探究了改變壓強(qiáng)，平衡移動(dòng)方向、生成物的質(zhì)量和物質(zhì)的量n、混合氣體的質(zhì)量和n（總）和生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)φ的變化關(guān)系.

關(guān)鍵詞：平衡移動(dòng);質(zhì)量分?jǐn)?shù);體積分?jǐn)?shù);高中化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2021）10-0100-03

選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》的學(xué)習(xí)對(duì)師生來(lái)說(shuō)有一定難度，特別是近些年題型新穎，甚至與大學(xué)的《物理化學(xué)》、《分析化學(xué)》、《無(wú)機(jī)化學(xué)》銜接默契，增強(qiáng)了講練的難度和困惑.不過(guò)這個(gè)專題的學(xué)習(xí)有章可循，存有一定的規(guī)律.現(xiàn)就平日里的典型練習(xí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)行系統(tǒng)分析解答，供各位同仁參考借鑒，敬請(qǐng)?zhí)岢雠u(píng)指正.

在一體積可變的密閉容器中，加入一定量的X，發(fā)生反應(yīng)：mX（g）nY（g）+Z（g），ΔH=Q kJ/mol.反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，Y的物質(zhì)的量濃度與溫度、容器體積的關(guān)系見(jiàn)表1.

表1

1241001.000.750.532001.200.900.633001.30

1.000.70

控制其他條件不變，改變壓強(qiáng)，Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)有何變化？

對(duì)反應(yīng)mX（g）nY（g）+Z（g），ΔH=Q kJ/mol來(lái)說(shuō)，根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)變化，保持恒容條件下，控制溫度的變化，升高溫度，Y的物質(zhì)的量濃度c（Y）增大，平衡正向移動(dòng)，正向吸熱，ΔH>0，即Q>0.保持恒溫條件，控制容器體積的變化，增大容器的體積，相當(dāng)于減壓，當(dāng)容器的體積增大為原來(lái)的n倍，理論上c（Y）減小為原來(lái)的1/n.由表格中的數(shù)據(jù)，當(dāng)容器的體積增大為原來(lái)的2倍，c（Y）減小的程度不到原來(lái)的一半，即減壓平衡正向移動(dòng)，平衡向物質(zhì)的量增大的方向移動(dòng)，m<n+1.

一、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

控制其他條件不變，改變體系的壓強(qiáng)，平衡是否發(fā)生移動(dòng)取決于反應(yīng)前后的化學(xué)計(jì)量數(shù).反應(yīng)前后都是氣體而言，混合氣體的總質(zhì)量不變，氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)取決于研究氣體的質(zhì)量.那么，改變壓強(qiáng)，平衡移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、生成物的質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)有何變化呢？

增大壓強(qiáng)，移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、生成物的質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2：

表2

移動(dòng)方向生成物的物質(zhì)的量n生成物的質(zhì)量生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)m>n+1正向增大增大增大m=n+1不移動(dòng)不變不變不變m<n+1逆向

減小減小減小

減小壓強(qiáng)，移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、生成物的質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表3：

表3

移動(dòng)方向生成物的物質(zhì)的量n生成物的質(zhì)量生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)m>n+1

逆向減小減小減小m=n+1

不移動(dòng)不變不變不變m<n+1

正向增大增大增大

生成物的各種量變主要取決于平衡移動(dòng)方向，正向移動(dòng)物質(zhì)的量n、質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增大;逆向移動(dòng)物質(zhì)的量n、質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)均減小.故對(duì)于反應(yīng)mX（g）nY（g）+Z（g） ΔH>0，化學(xué)計(jì)量數(shù)m<n+1，加壓Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小;減壓Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大.

二、體積分?jǐn)?shù)的變化

反應(yīng)mX（g）nY（g）+Z（g） ΔH=Q kJ/mol，當(dāng)化學(xué)計(jì)量數(shù)m=n+1，對(duì)等體積反應(yīng)來(lái)說(shuō)，壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)無(wú)影響，生成物的物質(zhì)的量n、混合氣體的n（總）和生成物的體積分?jǐn)?shù)φ均不變.

當(dāng)化學(xué)計(jì)量數(shù)m>n+1，控制其他條件不變，改變壓強(qiáng)，平衡移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、混合氣體的n（總）和生成物的體積分?jǐn)?shù)φ見(jiàn)表4所列.

表4

移動(dòng)方向生成物的物質(zhì)的量n

混合氣體的n（總）生成物的體積分?jǐn)?shù)φ增大壓強(qiáng)正向移動(dòng)增大減小

增大減小壓強(qiáng)逆向移動(dòng)減小

增大減小

當(dāng)化學(xué)計(jì)量數(shù)m<n+1，控制其他條件不變，改變壓強(qiáng)，平衡移動(dòng)方向、生成物的物質(zhì)的量n、混合氣體的n（總）和生成物的體積分?jǐn)?shù)φ見(jiàn)表5詳述.

移動(dòng)方向生成物的物質(zhì)的量n

混合氣體的n（總）生成物的體積分?jǐn)?shù)φ增大壓強(qiáng)逆向移動(dòng)減小減小

減小壓強(qiáng)正向移動(dòng)增大增大

某生成物的體積分?jǐn)?shù)φ=某生成物的物質(zhì)的量混合氣體的總物質(zhì)的量×100%，分子、分母同增減，似乎無(wú)法確定，果真如此嗎？讓我們一起去探究.

在滿足m<n+1條件下的m和n可以取任意整數(shù).為了便于計(jì)算和理解，取得一定量的X為1，并對(duì)m和n都賦予1，即此反應(yīng)為

X（g）Y（g）+Z（g）

初始100

消耗aaa

平衡1-aaa

φ（Y）=a1-a+a+a×100%=a×100%，即φ（Y）=a，其為增函數(shù)，也即φ（Y）隨著a的增大而增大.當(dāng)增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，a在減小，所以φ（Y）減小;減小壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，a在增大，所以φ（Y）增大.

再取m=1，n=2，為了便于計(jì)算一定量的X仍舊取1則該反應(yīng)為

X（g）2Y（g）+Z（g）

初始100

消耗aaa

平衡1-aaa

φ（Y）=2a1-a+2a+a×100%=2a1+2a×100%=11+12a×100%，即φ（Y）=11+12a，其為增函數(shù)，也即φ（Y）隨著a的增大而增大.當(dāng)增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，a在減小，所以φ（Y）減小;減小壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，a在增大，所以φ（Y）增大.

進(jìn)一步延伸，利用m和n進(jìn)行計(jì)算，該反應(yīng)為mX（g）nY（g）+Z（g），還是為了便于計(jì)算，取一定量的X為1.

mX（g）nY（g）+Z（g）

初始100

消耗aaa

平衡1-anamam

φ（Y）=nam1-a+nam+am×100%=nam1+（n+1-m）am×100%=nam+（n+1-m）a×100%，

即為φ（Y）=1mna+（n+1-m）n，此式子中m和n都是對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，且mna隨著a的減小而增大，故φ（Y）=1mna+（n+1-m）n為增函數(shù)，也即φ（Y）隨著a的增大而增大.當(dāng)增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，a在減小，所以φ（Y）減小;減小壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，a在增大，所以

φ（Y）增大.

三、結(jié)論

1.平衡移動(dòng)條件下的控制變量問(wèn)題均遵循勒夏特列原理.生成物的物質(zhì)的量n、質(zhì)量、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)均隨著平衡移動(dòng)方向而改變.

2.生成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)

φ的變化是一致的，且均與生成物的物質(zhì)的量n呈正相關(guān)關(guān)系.

3.任意可逆反應(yīng)mX（g）nY（g）+qZ（g），對(duì)控制變量問(wèn)題的探究，Y或Z的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要取決于Y或Z的質(zhì)量和反應(yīng)體系混合氣體的總質(zhì)量，體積分?jǐn)?shù)亦如此，當(dāng)Y或Z的體積和反應(yīng)體系混合氣體的總體積同增、同減時(shí)，增大或減小壓強(qiáng)時(shí)，φ（Y）和φ（Z）與其本身的物質(zhì)的量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系.恰如對(duì)本文這類試題而言，改變壓強(qiáng)，對(duì)化學(xué)計(jì)量數(shù)m<n+q的深度分析思考需要借助數(shù)學(xué)函數(shù)增減性的思想加以解答.

參考文獻(xiàn)：

[1]柳若芍，魏培海.走進(jìn)高中化學(xué)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)[M].北京：首都師范大學(xué)出版社，2008.

[2]王后雄.教材完全解讀[M].西安：陜西師范大學(xué)出版總社有限公司，2017.

[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]