善用平衡常數(shù)——釋疑難點(diǎn)

石乾坤

摘 要：判斷一個(gè)反應(yīng)的程度有多大或者能不能發(fā)生，可以從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度，用平衡常數(shù)來衡量：即一般地認(rèn)為：K>1×105 時(shí)，該反應(yīng)進(jìn)行得就基本完全了.K<1×10-5 時(shí)，該反應(yīng)不能發(fā)生.以教材上的問題為情境，探討了如何運(yùn)用平衡常數(shù)，釋疑難點(diǎn).并結(jié)合高考考查，洞悉工藝流程操作中加入NH4HCO3與金屬離子的反應(yīng)規(guī)律.

關(guān)鍵詞：動(dòng)力學(xué);平衡常數(shù);釋疑難點(diǎn);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）04-0099-02

問題情境：人教版選修5第32頁圖2-6：“乙炔的實(shí)驗(yàn)室制取及性質(zhì)檢驗(yàn)”裝置圖中，產(chǎn)生的氣體先通入CuSO4溶液，其目的主要是除去H2S和PH3氣體…

發(fā)生的反應(yīng)之一是：

CuSO4 + H2SCuS↓ +H2SO4

很學(xué)生提出該反應(yīng)違背了“強(qiáng)酸制弱酸”的原理，能發(fā)生嗎？

分析問題 反應(yīng)進(jìn)行的程度與平衡常數(shù)（K）有關(guān).一般地認(rèn)為：K>1×105 時(shí)，該反應(yīng)進(jìn)行得就基本完全了.K<1×10-5 時(shí)，該反應(yīng)不能發(fā)生.那么可以從這個(gè)角度來分析：

解決問題 該反應(yīng)的離子方程式為：Cu2++H2SCuS↓+2H+ K

根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式可知：

K=c2（H+）c（Cu2+）·c（H2S）

=c（H+）·c（HS-）c（H2S）×c（H+）·c（S2-）c（HS-）

×1c（Cu2+）·c（S2-）

=Ka1·Ka2·1Ksp（CuS）

=1.3×10-7×7.1×10-11×16.3×10-36

=1.47×10181×105

因此，該反應(yīng)可以徹底完成.

拓展與思考 一定溫度下反應(yīng)

Cu2++H2SCuS↓+2H+ K=1.47×1018

由此可知該反應(yīng)的逆反應(yīng)K1=11.47×10-181×10-5，則逆向反應(yīng)程度就非常小，能否說明金屬硫化物就都不能溶于非氧化性強(qiáng)酸呢？

事實(shí)上實(shí)驗(yàn)室制H2S的原理是：

FeS+H2SO4FeSO4+H2S↑

經(jīng)過推導(dǎo)演算，該反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=Ksp（FeS）Ka1·Ka2=1×10-191×10-7×1×10-15=1×103

規(guī)律 1.金屬硫化物能否溶于非氧化性酸，關(guān)鍵是看Ksp是否足夠小.

若Ksp<1×10-27，則不溶于非氧化性強(qiáng)酸（如H2SO4，HCl等）.

2.判斷一個(gè)反應(yīng)的程度有多大或者能不能發(fā)生，可以用平衡常數(shù)來衡量：即一般地認(rèn)為：K>1×105 時(shí)，該反應(yīng)進(jìn)行得就基本完全了.K<1×10-5 時(shí)，該反應(yīng)不能發(fā)生.

例 （2019年Ⅲ卷26年）高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料.

寫出“沉錳”的離子方程式.

分析 根據(jù)流程圖（如圖1所示）中的信息可知：反應(yīng)物有Mn2+ 和HCO-3，產(chǎn)物有MnCO3;再根據(jù)電荷守恒和原子守恒，能推出產(chǎn)物還有CO2和H2O.

拓展與思考Fe3+與HCO-3反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)物是Fe（OH）3和CO2而該反應(yīng)產(chǎn)物為什么是MnCO3，而不是Mn（OH）2或者是二者的混合物呢？

圖1

點(diǎn)撥分析 仍然可以從平衡常數(shù)的角度分析：

假設(shè)反應(yīng)①：

Mn2++2HCO-3Mn（OH）2 +2CO2 K1

根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式可知：

K1=c2（H2CO3）c（Mn2+）·c2（HCO-3）

=c2（H2CO3）·c2（H+）·c2（OH-）c（Mn2+）·c2（OH-）·c2（HCO-3）·c2（H+）

=K2wKsp（Mn（OH）2）·K2a1

=（1×10-14）2（2.1×10-13）·（4.4×10-7）2=2.5×10-3

因?yàn)镵1很小，所以得到的Mn（OH）2 可以忽略.

假設(shè)反應(yīng)②：

Mn2++2HCO-3MnCO3+CO2 +H2O K2

根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式可知：

K2=c（H2CO3）c（Mn2+）·c2（HCO-3）

=c（H2CO3）·c（CO2-3）·c（H+）c（Mn2+）·c（CO2-3）·c（HCO-3）·c（H+）·c（HCO-3）

=Ka2Ksp（MnCO3）·Ka1=4.7×10-112.24×10-11×4.4×10-7

=4.77×106>1×105

因?yàn)镵2>105，反應(yīng)基本完全，所以反應(yīng)②是主要的，即主要產(chǎn)物是MnCO3

建立模型：如圖2所示

用模：（對點(diǎn)練習(xí)）

1.（沉鐵）（2009年北京 28節(jié)選） FeSO4溶液與稍過量的NH4HCO3溶液混合，得到含F(xiàn)eCO3的濁液.請寫出相關(guān)反應(yīng)的離子方程式.

2.（沉鋁）（2020 安徽定遠(yuǎn)）堿式硫酸鐵

[Fe（OH）SO4]是一種用于污水處理的新型髙效絮凝劑，在醫(yī)藥上也可于治療消化性潰瘍出血.工業(yè)上利用廢鐵屑（含少量氧化鋁、氧化鐵等）生產(chǎn)堿式硫酸鐵的流程如下：

已知：部分陽離子以氫氧化物形式沉淀時(shí)溶液的 pH 見表1.

加入少量 NaHCO3的目的是.3.（沉鐵）（2020 山西實(shí)驗(yàn)）重鉻酸鉀是一種重要的化工原料，一般由鉻鐵礦制備， 鉻鐵礦的主要成分為FeO·Cr2O3，還含有硅、鋁等雜質(zhì).制備流程如圖4所示：

寫出步驟7中涉及的離子方程式.

參考答案：

（1）FeSO4+2NH4HCO3FeCO3↓+（NH4）2SO4+CO2↑+H2O

（2）（2020 安徽定遠(yuǎn)）解析：廢鐵中有氧化鋁雜質(zhì)，所以加入 NaHCO3 來調(diào)節(jié) pH到弱堿性，來沉淀鋁離子.

答案：調(diào)節(jié) pH，使溶液中的 Al3+沉淀

（3）（2020 山西實(shí)驗(yàn)）

答案：Fe2++2HCO-3FeCO3+CO2+H2O

參考文獻(xiàn)：

[1]劉新運(yùn)，危青，戴子林.碳酸氫銨沉釩新工藝試驗(yàn)研究[J].中國標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報(bào)，2014（05）：65-68.

[責(zé)任編輯：季春陽]