压强对化学平衡的影响实验的改进

・案例研究・　聚焦课堂　

“多重表征＂　

——浅谈　的应用　“化学观念’’的渗透　

“压强对化学平衡影响＂的教学　

林美凤　（上海杨浦高级中学，上海杨浦２０００９２）　

摘要：本文以“压强对化学平衡影响”的教学为例，采取多种表征方法，进行“压强对化学平衡影响”的认识，引导学生从化学的　视角去认识事物、解决问题，让学生在学习过程中体会和感悟化学基本观念，逐渐地形成化学基本思想、观点和方法。　关键词：化学教学；化学观念；多重表征　文章编号：１００５—６６２９（２０１３）１０—００３４—０４　中图分类号：Ｇ６３３．８　文献标识码：Ｂ　

随着课改的不断深入和全面展开，人们越来越清　

楚地认识到：化学学习的最终目的不是在若干年后留　给学生多少化学知识的记忆，而是学生通过化学知识　的学习，能否学会用化学的视角认识事物、解决问题，　

即在学生头脑中根植化学基本观念。现以“压强对化学　平衡影响”的教学为例，谈谈如何运用多重表征”］，进　

行化学学习，渗透化学观念。　

“压强对化学平衡的影响“是学生学习中的难中　之难，具体体现在以下几个方面：　

（１）混淆浓度与压强改变的区别。如反应：２Ａ（ｇ）＋　

Ｂ（ｇ）—＝ｃ（　＋Ｄ（ｇ），若恒温匣容下通入气体Ｃ，从浓度角　度看，Ｃ的浓度增加，平衡逆向移动，从压强角度看，恒　

温恒容通人Ｃ，体系的压强增大，平衡应正移，平衡到底　如何移动？　

（２）混淆压强对化学反应速率与化学平衡的影响。　

如：对于Ａ（曲＋Ｂ（　—＝２ｃ（曲＋Ｄ（曲，减压化学反应速率减　

少，平衡正移，学生往往误认为正移，正反应速率就增　大。　（３）没有真正地理解化学平衡影响中的压强变化。　

如反应：Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｇ）；一２ｃ（曲＋Ｄ（　一Ｑ（Ｑ＞０），升温平衡　

正移，但学生认为：ＰＶ＝ｎＲＴ，温度升高，压强也增大，平　衡应该逆移。　（４）难以理解压强对平衡移动方向和平衡移动结　果影响的不一致性。如化学反应：ａＡ（ｇ）一ｂＢ（ｇ）＋ｃＣ（ｇ），　在恒温恒容下通入Ａ，增加Ａ的浓度，平衡正移，如果　

1 压强对化学平衡的影响

说明：

①改变体系的压强相当于改变体系的体积，也就相当于改变气体物质的浓度（如增大体系的压强相当于增大气体物质的浓度），所以压强对化学平衡的影响对应于浓度对化学平衡的影响。

②对反应前后气体体积不变的平衡体系，压强改变不会使平衡发生移动。

③恒温恒容条件下，向容器中充入稀有气体，平衡不发生移动。因为虽然气体总压强增大了，但各反应物和生成物的浓度都不改变。

④恒温恒压条件下，向容器中充入稀有气体，平衡会向气体体积增大的反应方向移动。因为此时容器体积增大了，各反应物和生成物的浓度都降低从而引起平衡移动。

【例 题1】反应 NH4HS(s)H2S(g) +NH3(g)在某温度下达到平衡，下列各种情况下，平衡不发生移动的是( )

A.移走一部分NH4HS B.其他条件不变，通入SO2气体

C.其他条件不变，充入NH3 D.保持压强不变，充入氮气

【例题2】某温度下，在固定容积的容器中，可逆反应 A(气）+3B(气)2C(气）达到平衡。测得平衡时物质的量之比为A ：B：C=2：2：1。保持温度不变，以2 : 2 :1的体积比再充入A、B、C，则 （ ）

A.平衡向正反应方向移动 B.平衡不移动

C.C的百分含量增大 D.C的百分含量有可能减小

小结：

变式探究一

恒温恒压下，在2molN2和6molH2反应达到平衡的体系中，通入1 mol的N2和3 mol的H2，下列说法正确的是 （ ）

A.平衡向正方向移动，N2的体积分数增大

B.平衡向正方向移动，N2的转化率减少

C.达到新平衡后，NH3的物质的量浓度不变

D.达到新平衡后，NH3的物质的量是原平衡的1.5倍

第 1 页,共 6页谈谈压强对于化学平衡的影响先看看中学化学教科书上是怎么说的：全日制普通高级中学教科书（必修加选修） 化学 第二册 【人民教育出版社化学室编著 人民教育出版社2007年1月第2版 】P38：我们可以合成氨反应为例来说明压强对化学平衡的影响： N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)在该反应中，1体积N2与3体积H2反应生成2体积NH3，即气态物质的总体积发生了变化，反应后气体总体积减少了。表2-1列入的是450℃时N2与H2反应生成NH3的实验数据。表2-1 450℃时N2与H2反应生成NH3的实验数据压强/MPa15103060100NH3 / %2.09.216.435.553.669.4从上述实验数据可以看出，对于反应前后气体总体积发生变化的化学反应，在其它条件不变的情况下，增大压强，会使化学平衡向着气体体积缩小的方向移动；减小压强，会使化学平衡向着气体体积增大的方向移动。在有些可逆反应里，反应前后气态物质的总体积没有变化，例如： 2HI(g) H2(g) ＋ I2(g) （2体积） （1体积） （1体积）在这种情况下，增大或者减小压强都不能使化学平衡发生移动。* 实验数据好像很明显地验证了结论的正确性，但是增大压强的确切意思并未明确地揭示出来。再来看：普通高中课程标准实验教科书 化学 选修4 化学反应原理 【人民教育出版社 课程教材研究所 化学课程教第 2 页,共 6页材研究开发中心 编著 人民教育出版社2007年2月第3版】P21：正数第五行：对于气体反应来说，增大压强（减小容器容积）…… 减小压强（增大容器容积）…… * 这几句话虽然是针对反应速率说的，但实际上谈到对化学平衡的影响时，意义也是一样的【注意括号中的内容！】讨论一下上面的内容：合成氨工业上是怎样增大气体压强的呢？合成氨时，是用压缩机把氮氢混合气（一般为物质的量之比为1 ：3），压入合成塔中，合成塔的容积是一定的，所以增大压强就是继续往进鼓气，也就是说，如果1MPa时，合成塔中一共有amol混合气的话，5MPa时，合成塔中一共就得有5amol混合气【此时，氮气、氢气的浓度都是1MPa时的5倍！】，根据测出的氨气的体积分数，可以知道，该反应在（温度都是450℃）5MPa压强下的平衡点比1MPa压强下的平衡点靠右。也就是说如果我们把1MPa压强下的5个合成塔中的平衡混合气，压入一个合成塔中【也就是相当于减小反应容器的容积】，氨气的平衡体积分数也能够从2.0%增大到9.2% 。结合选修4上面的内容，我们可以确定：在讨论压强对化学平衡的影响时，增大压强的确切意思是：1、确实减小（压缩）反应器的容积【比如有活塞的反应器】；2、相当于减小（压缩）反应器的容积【比如同等比例地增大平衡混合物中各种气体的浓度】。合起来看：所谓增大压强的实质就是同等程度地增大平衡体系中的所有气体的浓度。 ？ 反应器容积不变，充入惰性气体，为什么不能认为是增大压强？！ 反应器容积不变，充入惰性气体，容器中气体的总压强确实增大了，但是平衡体系中的气体反应物，气体生成物的浓度并没有增大，正反应速率，逆反应速率都不发生改变，平衡不会移动，所以，不能认为是增大压强！第 3 页,共 6页 ？ 保持压强不变，充入惰性气体，为什么认为是减小压强？所谓“压强不变”是指容器中气体的总压强不变，这样一来，必须一边充入惰性气体，一边增大反应器的容积，这会使得平衡体系中的所有气体的浓度减小，其实质与减小压强是一样的，所以，必须按照减小压强来考虑。综合以上两点：充入惰性气体【与反应无关的气体】，就当没有这回事，只考虑题设条件下反应器的容积变化即可。 ？ 合成氨反应的平衡体系，如果温度、容积不变，充入氨气，平衡究竟是向哪个方向移动？应该按照浓度考虑？还是应该按照压强考虑？！ 这个问题如果看懂了上述内容，应该是不成问题的了。因为充入氨气，不能够“同等程度地增大平衡体系中的所有气体的浓度”，所以绝不能按照压强考虑！按照浓度考虑，平衡左移。 ？ 可是，解释某些题目时，好像说是“相当于增大了压强”，是什么意思？！ 这种情况出现在直接按照实际移动方向，无法得到明确答案的题目中。比如确定氢气的体积分数怎样变化。因为根据实际移动方向---左移，得到的是，氢气物质的量增大【左移造成】，气体的总物质的量也增大【左移和加入氨气共同造成】，就无法确定氢气的体积分数怎样变化。这时候，利用等效平衡的知识，假想一条与实际情况途径不同，但是最终结果相同的虚拟途径：把要加入的氨气先充入一个与原来的反应温度相同，容积适当（能够达到与原来的平衡等效）的容器中，分解并且达到平衡【此平衡体系与原来的平衡体系完全相同，即氢气的体积分数等都相同。】然后，把这个容器中的混合气压入原来的反应器中【注意，此时充入的是三种气体都有的平衡混合物，而不是题目中说的纯氨气】，此时，各组分的浓度都同等程度地增大，相当于增大压强第 4 页,共 6页【注意，这是假想的！】，平衡右移【注意，这是假想的！】，所以氢气的体积分数减小。【这里还有一点小问题：右移时虽然氢气的物质的量减小了，但是气体的总物质的量也是减小了，怎么能够确定氢气的体积分数是减小了？这是因为右移时，氢气减少3的时候，气体总量减少2.也就是说，在一个真分数（氢气的体积分数小于1）的分子上减去3，分母上减去2的时候，分数的值肯定是变小。】综上所述，如果是同等程度地改变各组分气体的浓度，就应该按照压强考虑；如果不是同等程度地改变各组分气体的浓度（比如改变一种或者部分几种），就应该按照浓度考虑。 ？ 在500℃时，一个固定容积的密闭容器中，发生合成氨的反应，达到平衡时，氮气、氢气、氨气的物质的量之比为1 ：2 ：1，现在再向其中加入1mol氮气，2mol氢气，1mol氨气，我知道平衡是向右移动，也就是向气体体积减小的方向移动。问题是：反应器不是固定容积吗？怎么会“向气体体积减小的方向移动”？！ 是的，这也是不少同学的疑问。首先说明，上题中平衡右移无疑问是正确的。平衡移动时，反应器的容积是不会减小的。所以，问题在于“向气体体积减小的方向移动”这句话。如果我们说成“向气体的物质的量减小的方向移动”或者“向气体分子数减小的方向移动”，是不是就没有问题了呢？是吧。可见那个“向气体体积减小的方向移动”是会引起误解的。但是为什么有许多人（包括上面的教科书）这样说呢？这是因为根据阿佛加德罗定律：同温、同压下，气体的体积与物质的量成正比。也就是说，平衡移动的方向是：如果气体处于同温同压下，则是向气体体积减小的方向移动。看得出来，人们这样说，是默认了“如果气体处于同温同压下”这个假设的前提的。为了避免混淆，我们以后不再说：增大第 5 页,共 6页压强，平衡向气体体积减小的方向移动。而说：增大压强，平衡向向气体的物质的量减小的方向移动；或者说向气体分子数减小的方向移动。 ？ 一定温度下，合成氨的平衡体系，如果增大压强，不是正反应速率增大，逆反应速率也增大吗，为什么平衡会右移？ ！ 这个问题，我们用平衡常数来解释一下。我们知道一定温度下，在合成氨的平衡体系中，有： [C (NH3)]2 K = ————————— [C (N2)]×[C (H2)]3假设把反应器的容积压缩至原来的一半，此时（平衡移动开始以前）三种气体的浓度都成为原来的2倍，上式变为（用Q表示，叫做反应商）： [2C (NH3)]2 4 [C (NH3)]2 Q = ————————— = —————————— [2C (N2)]×[2C (H2)]3 2[C (N2)]×8[C (H2)]3 1 [C (NH3)]2 1 = —— × ————————— = ——— K 4 [C (N2)]×[C (H2)]3 4由于温度没有改变，所以K不变，所以反应就应该使那个Q的分子变大，分母减小【即向趋近K的方向变化】【肯定同时改变，不可能只改变分子或者只改变分母。】，也就是说，氨气浓度要增大，氮气、氢气浓度要减小，即右移。 ？ 上题中，达到新的平衡以后，与原来的平衡态比较，是第 6 页,共 6页氨气的浓度增大了，氮气、氢气的浓度减小了吗？ ！ 不是。都是增大了。这也可以用平衡常数解释：氨气浓度增大是肯定的【因为1、反应器体积减小了；2、平衡右移，生成的氨气物质的量增加了。】，平衡常数表达式中分子增大了，分母也必须增大，才能保持分数值不变，所以氮气、氢气的浓度也都是增大了【改变压强造成的平衡移动，不可能使它们不发生同时同样的改变。】根据温度一定时，平衡常数不变，可以推出以下结论：（证明略） 改变压强造成平衡移动时，增大压强，各气体组分的平衡浓度增大；减小压强，各气体组分的平衡浓度减小。与平衡是否移动以及移动方向无关。 ？ 改变压强造成平衡移动时，反应物的转化率如何改变？ ！ 这个简单：右移—增大；左移—减小；不移—不变。 因为改变压强造成平衡移动时，反应物的起始总量没有改变，所以有如上简单结论。 可是就像上面说的，把合成氨的平衡体系加压，平衡右移，氮气、氢气的转化率应该增大吧？但是它们的平衡浓度比原来的平衡浓度是增大了呀，这怎么解释？！课本（选修4）P29下面给出的转化率计算公式，适用于恒容反应！对于变容反应，公式中的浓度都应该改为物质的量。改变压强造成平衡移动时，对于气体的密度，平均摩尔质量，气体体积分数等的影响，参见有关内容，这里不再重复。

压强对化学平衡的影响

化学平衡是指在封闭条件下，化学反应中反应物与生成物的浓度达到一定比例的状态。压强是指单位面积上的力的大小，对化学平衡的影响主要体现在气相反应中，下面将从三个方面分别阐述压强对化学平衡的影响。

一、压强对气相反应平衡位置的影响

气相反应中，当反应物与生成物的气体分子数不等时，压强的变化会影响反应的平衡位置。根据Le Chatelier定律，增加压强会使平衡位置向压力增加的方向移动。

1.反应物分子数较多时：

当反应物的气体分子数较多时，增加压强会使平衡位置向生成物的方向移动。这是因为增加压强会使反应物浓度减小，而生成物浓度增大，从而减小反应物分子数过多的不利影响，使反应物转化为生成物，达到平衡。

2.反应物与生成物分子数相等时：

当反应物和生成物的气体分子数相等时，增加或减小压强不会改变平衡位置。因为对于该类反应，反应物与生成物的浓度已经达到平衡浓度，增加或减小压强不会改变反应物与生成物的浓度比例，平衡位置保持不变。

3.生成物分子数较多时：

当生成物的气体分子数较多时，增加压强会使平衡位置向反应物的方向移动。增加压强会使生成物的浓度减小，而反应物浓度增大，从而减小生成物分子数过多的不利影响，使生成物转化为反应物，达到平衡。

二、压强对气相反应速率的影响 在气相反应中，压强的变化会影响反应速率。增加压强会使反应速率加快，而减小压强则会使反应速率减慢。这是因为增加压强会增加气体分子的碰撞频率和碰撞力度，从而增加反应发生的机会，促进反应速率的加快；减小压强则会减少气体分子的碰撞频率和碰撞力度，导致反应发生的机会减少，使反应速率减慢。

三、压强对平衡常数的影响

压强的变化对于达到新的平衡时反应物与生成物的浓度比例有影响，从而对平衡常数有影响。对于气相反应，在Le Chatelier定律的影响下，增加压强会使平衡常数增大，而减小压强则会使平衡常数减小。平衡常数的变化与压强的关系可以通过Gibbs-Helmholtz方程进行推导。Gibbs-Helmholtz方程可以表示为∆G = -RTlnK，其中∆G为自由能变化，R为气体常数，T为温度，K为平衡常数。根据Gibbs-Helmholtz方程可以看出，增加压强会使∆G变小，从而使平衡常数增大；减小压强则会使∆G变大，从而使平衡常数减小。