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浅谈化学平衡认识的几个问题集

来源:摘抄于因特网作者:张楠 点击:所属专题: 化学平衡
一、浅谈化学平衡所处的系统 任何可逆反应在一定条件下总会出现平衡状态,因而化学平衡状态是可逆反应中的特殊状态、必然状态。我们知道,可逆反应是在一个密闭系统中才能出现的,特别是气体的反应更是如此。因此,我们就要弄清所谓的系统 ( 或称为体系 ) 。其实,存在

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一、浅谈化学平衡所处的系统 

任何可逆反应在一定条件下总会出现平衡状态,因而化学平衡状态是可逆反应中的特殊状态、必然状态。我们知道,可逆反应是在一个密闭系统中才能出现的,特别是气体的反应更是如此。因此,我们就要弄清所谓的“系统”(或称为“体系”)。其实,存在着三大系统:孤立系统、封闭系统和开放系统。没有物质和能量交换的系统是孤立系统,没有物质交换但有能量交换的系统是封闭系统,既有物质交换又有能量交换的系统是开放系统。对于社会而言,物质指人,能量指物;即国家之间既有人员的往来,又有物质的交换的体系是一个开放系统。当今世界就是一个开放的系统,只有那些极为偏僻落后的、还过着与世隔绝的部落生活的人群,勉强可以看成是封闭系统(毕竟它与周围还有些经济往来,油盐酱醋的买卖),绝对的孤立系统是不存在的。对于研究化学平衡来说,物质指反应物和生成物,能量指温度。“在一定条件下”,即是指系统使用一定的催化剂,温度、浓度及体系的压强保持一定时所进行的可逆反应。因此,化学平衡所处的系统是一个孤立系统。封闭系统和开放系统是不可能建立相对稳定的平衡状态的。 

在密闭体系中的所有可逆反应有两个特征:一是都自发地趋向平衡,二是平衡可以从任一方向达到。平衡状态是化学反应进行的最大限度,平衡的到达与途径无关,可从正反应或逆反应开始,在相同条件下建立相同的平衡状态。 

孤立系统是僵死的系统,死水一潭,故不是好系统。化学平衡状态是孤立系统的特殊状态,必然状态,因而是一种僵死状态,静止状态(动态平衡)。开放系统才能完成新陈代谢,促进发展,所谓的生态平衡也绝非孤立系统的平衡。 

平衡是暂时的、相对的、有条件的,不平衡才是绝对的。然而,不平衡总是要朝着平衡状态过渡,而绝对地不变条件是没有的,因而平衡总会时时被打破的,要保持绝对的原有平衡是不可能的。况且,孤立的系统是不可能存在的,且孤立系统下的平衡是僵死的,落后的,保守的,没有光明前途的;是自给自足的小农经济的自然表现。因此,保持经济收支平衡、保持生态平衡等等的提法是不一定恰当的。当今的社会是一个开放系统,不可能出现平衡状态的,或者说,有的只是瞬间平衡。那种“收支平衡”,“有一分收入,考虑一分支出”的“平衡观念”正面临着挑战;而“代款买车,按揭买房,提倡超前消费,今天用明天的钱”的观念,都要打破现实的经济收支平衡,而受到越来越多年青人的青来。也许,人们所说的只是“瞬间平衡”,所希望的是不断向有利于自己方向移动的“连续平衡”。 

二、平衡状态和平衡移动过程 

状态是指某一瞬时的样子,它是不随时间变化的。不管时间如何流逝,这一瞬时的样子将依然如故。这相当于我们日常生活中所拍的照片,它留下了人们多少年前的相貌,以供多少年后观看回忆。 

过程是指由若干状态组成的一个系列,它是时间的函数,即随着时间的推移,过程将发生变化,初始状态和最后的状态将不一样。 

化学平衡是一种状态,我们叫它化学平衡状态。它的意思是在一定条件下的可逆反应,只要条件一定,将会出现这么一个时刻,即正、逆反应速率达到相等,反应混合物中各组成成分的量保持恒定,所有可观察的宏观量都保持不变。这就是化学平衡状态。这一时刻称为化学平衡点。如果条件不变,这种状态将会保持下去,即不随时间而改变。这在速率—时间坐标图上表示出来的就是一条平衡于时间轴的一条直线。 

这里要注意的是,不能把平衡点理解为达到平衡的起点,因为它是状态而不是过程,它不是时间的函数。如果理解成平衡的起点,则有平衡的终点,还有中间许多平衡点,把平衡状态弄成了过程,显然是一种错误的理解。 

化学平衡移动是一个过程,因此它将由许多状态构成,它应该有始态(即初始平衡,旧平衡),还有末态(即最终平衡,新平衡),中间还有许多不平衡状态。由始态到末态,即构成一次平衡移动过程。 

  “如果一个可逆反应达到平衡状态以后,反应条件(如如浓度、压强、温度等)改变了,平衡混合物里各组成物质的百分含量也就随着改变而达到新的平衡状态,这叫做化学平衡的移动。”(1995年10月第二版高中化学第三册选修教材)     “我们把可逆反应中旧化学平衡的破坏,新化学平衡的建立过程叫做化学平衡的移动。”(2000年12月第2版高中化学第二册试验修订本·必修加选修) 

显然,后面这个定义更明确地指出了平衡移动是一个从旧平衡到新平衡的过程。从过程也可以更好地体会化学平衡移动与化学平衡状态的关系与区别了。 

三、从孤立系统看平衡的特征 

研究相平衡时发现,平衡只能存在于密闭体系中,而平衡一旦建立,系统的可观察的宏观性质就保持恒定。或当一个化学反应体系达到平衡状态时,所有参与物的浓度和可观察的性质都将保持恒定。但是,一个密闭体系的性质表现为恒定并不意味着这个体系是处于平衡。两种性质恒定的体系是:一种是因为两种相反的过程以相同的速率进行而导致性质恒定;一种是因为各组分间的任何反应的速率太慢以致无法观测到而导致的性质恒定。 

鉴定体系是否处于平衡的准则:

(1) 体系是密闭的;

(2) 可观察的宏观性质是恒定的;

(3) 反应过程是充分可逆的,当一个影响反应速率的因素改变而后又恢复到原始值时,体系的可观察到的性质也发生改变而后又以可观察到的速率回复原始的状态。

以上第一点是指孤立系统,第三点是指动态的可逆反应,第二点是指平衡的标准。 

    “化学平衡状态就是指在一定条件下的可逆反应里,正反应和逆反应的速率相等,反应混合物中各组成成分的百分含量保持不变的状态。” (1995年10月第二版高中化学第三册选修教材)“化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应里,正反应和逆反应的速率相等,反应混合物中各组成浓度保持不变的状态。” (2000年12月第2版高中化学第二册试验修订本·必修加选修) 

这两个定义都包含了以下几点:可逆反应:指范围。       一定条件,指反应条件。       正反应和逆反应的速率相等:判断平衡的标准之一。     不同的是判断平衡的另一标准,一个是说百分含量,一个是指浓度。 

这两个判断平衡的标准是因果关系,还是相互独立的标准呢?我认为二者是相互独立的。正、逆反应速率相等是从可逆反应的横剖面来看的,而百分含量或浓度保持不变则是从可逆反应的纵剖面来看的。从可逆反应的横剖面来看,即看某一时刻(也就是把可逆反应横剖开,是一种状态),正反应和逆反应的速率相等即达平衡状态。从可逆反应的纵剖面来看,即是看可逆反应进行的纵过程,无论是反应混合物中各组成成分的百分含量还是浓度,甚至所有各种宏观量保持不变时是平衡状态。因此,也可以说是正反应速率不变或逆反应速率不变时的状态是平衡状态。因为正、逆反应速率不变了,实际上也就是相等了。只不过这样说只表现了可逆反应的一个侧面而已。 

化学平衡特点是动、定、同、变。

:动态平衡:u=0,u=u¹0

:当一个可逆反应达到平衡时,所有参与物的浓度和可观测的性质都保持恒定。具体表现为“二等七定”:二等:正逆反应速率相等;浓度商相等。七定:① 物质的量一定,② 平衡浓度一定,③ 百分含量保持一定,④ 反应的转化率一定,⑤ 产物的产率一定,⑥ 正反应和逆反应速率一定。⑦ 平衡常数一定平衡时,反应物的转化率最大,产物的产率最大。

:平衡的到达与途径无关。在相同的条件下,一个可逆反应,无论从正反应开始,还是从逆反应开始,或是正、逆反应同时开始,都可以建立相同的平衡状态。

:平衡可以发生移动。 

四、从系统的改变看化学平衡的移动 

从平衡的第四个特点可以看出,可以从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态。平衡发生移动,其包含的意义如下:(1) 必须是一个可逆反应,这是讨论平衡移动的前题;(2) 移动是一个过程,过程与时间有关,必有始态和末态,即有一个旧平衡和一个新平衡;(3) 外部条件(浓度、压强和温度)必然发生改变,这是平衡发生移动的因素;(4) 平衡移动的结果是浓度要发生变化。 

改变反应物或生成物的量、改变温度必然发生平衡移动;改变反应物或生成物的浓度(即非压强引起)也会使平衡发生移动。因为它打破了孤立系统,使之成为封闭系统或开放系统。而建立新的平衡的时刻则可看成是瞬时的孤立系统。 

压强的影响不打破孤立系统,不一定使平衡发生移动。若压强改变造成内乱(内乱是反应本身决定的,即反应前后气体的体积不相等),平衡必移动。 

惰性气体的加入(体积不变),使用催化剂皆不能破坏孤立系统,故不能使平衡发生移动。对于加入惰性气体于定容或定压的密闭容器,加入惰性气体能否影响平衡,关键在于浓度是否改变。若定压时,由于容器体积增大,浓度减小,对于反应前后气体分子数不等的反应,平衡要发生移动;若定容,尽管压强增大,因为浓度未发生变化,平衡不发生移动。 

化学平衡移动不是由内因造成的,而是由外因,即条件的变化所引起。化学平衡移动实质上是外部条件的改变对平衡体系的正、逆反应速率不公正的影响,造成正、逆反应速率的均衡被打破的结果。因此,凡能不等同地改变正、逆反应速率的条件都能引起平衡移动。 

平衡移动,一般会造成速率、平衡浓度、百分含量等都发生变化,但速率、平衡浓度变了,并不意味着平衡一定发生移动。如催化剂的影响,以及对于反应前后气体无体积变化的反应中压强的影响,都有速率变化,而无平衡移动。因此,平衡移动与否应该看百分含量是否改变。 

由此可见,浓度的改变平衡不一定发生移动,而百分含量改变则平衡一定发生移动。回过头来看平衡的定义,则95年教材中的定义比2000年教材的定义更好一些。 

从理论上看,即考虑孤立系统,平衡是绝对的;因为一个处于孤立系统的可逆反应,总要从不平衡状态进入平衡状态的,平衡是可逆反应的终结点。但这是一种精神安慰,是一种理想状态,是乌托邦。因为从实际上看,孤立系统是不存在的,外界的条件经常都在变化,所以,不平衡才是绝对的;这又是残酷的现实。 

五、化学平衡向什么方向移动? 

化学平衡状态是相对的,有条件的,一当外界条件发生变化,平衡就要遭到破坏,造成平衡状态的移动。化学平衡发生移动,一定有外部条件的改变,正、逆反应速率的均衡一定被打破。化学平衡的移动,实际上是对外界条件对化学平衡体系的正、逆反应速率不公正影响的报复行为、反抗行径。因此,正、逆反应速率改变了,或物质的平衡浓度改变了,并不能判断平衡发生了移动。能够造成化学平衡移动的外部条件是浓度、压强和温度,其规律如下: 

在其它条件(即温度、压强)不变的情况下,增大任一反应物的浓度,或减少任一生成物的浓度,都可以使平衡向着正反应的方向(向右)移动;减少任一反应物的浓度,或增大任一生成物的浓度,都可以使平衡向着逆反应的方向(向左)移动。 

在其它条件(即温度)不变的情况下,增大平衡体系的压强,会使平衡向着气体体积缩小(即气体分子数减少)的方向移动;减小平衡体系的压强,会使平衡向着气体体积增大(即气体分子数增加)的方向移动。 

在其它条件(浓度、压强)不变的情况下,升高平衡体系的温度,会使化学平衡向着吸热反应的方向移动;降低平衡体系的温度,会使化学平衡向着放热反应的方向移动。 

要注意这些条件的限制条件。如浓度是指气体或溶液,压强是指气体,且反应前后气体的分子数要改变。由于压强的影响归根结底是浓度的影响,因此在考虑问题时,压强的影响可从浓度的角度去分析,而反应体系中物质同等改变浓度却需要转化为浓度问题去判断平衡移动的方向。对于一个气态的平衡体系中,若体积不变(定容),充入惰性气体(即不与平衡体系中任何物质反应的气体),仅平衡体系的总压强增大,结果对化学平衡并没有影响;若充入惰性气体,保持体系的总压不变(定压,温度不变下体积一定增大了)结果对平衡是有影响的,反应向增大气体体积的方向移动。 

六、怎样理解勒沙特列原理? 

 勒沙特列原理又叫平衡移动原理,它是用来回答当条件改变时,平衡向什么方向移动的。条件是指影响平衡的浓度、压强和温度,而平衡移动的方向总是向着与条件带来影响的相反方向。因此,用勒沙特列原理分析平衡移动的方向时,要注意三点:(1) 根据此原理来确定平衡移动方向时,别忘了它的前提一定是“平衡体系”。例如,对一个刚开始的气态反应来说,不存在平衡移动问题,增大压强,反应总是正向进行而不服从勒沙特列原理。 (2) 只有“一个”条件改变时,才能运用此原理判断;当有“多个”条件改变时,如果多个条件对平衡影响一致,则可强化此平衡的移动;但当多个条件对平衡影响不一致时,就必须考虑各自条件对平衡影响的强度,然后再比较确定平衡移动方向。 (3) 平衡移动的结果是“减弱”这种改变,而不是“消除”这种改变。即通过移动后总会留下或多或少的影响,如果恢复到原来状态,那就没有发生平衡移动。 

另外,催化剂不会影响化学平衡,凡是反应速度的问题都不涉及平衡移动,因此,都不能用勒沙特列原理来解释相关问题。

勒沙特列原理适用于一切平衡。如逆反心理的产生就是一种平衡移动的结果。如果一个教师对两个学生不是一视同仁,而是对一个学生不公平对待,那末就会造成这个学生本已平衡的心理被打破,从而发生移动,产生逆反应心理。逆反心理就是对这种不公平处事的一种报复行为。 

同样,游击战的十六字方针;哪里有压迫,那里就有反抗;压迫越深,反抗越烈。人类破坏了自然界的生态平衡,将遭到自然界的报复。也都是一种平衡移动,都可以用勒沙特列原理来解 

七、现代工业生产是考虑反应速率还是考虑化学平衡多些? 

 化学反应速率是化学动力学的问题,化学平衡是化学热力学的问题。这是两个既相互独立而又相互联系的两门化学学科。化工生产中既要考虑化学反应速率,又要考虑化学平衡,,那末,是考虑前者多些,还是考虑后者多些?在中学化学教材中,化学反应速率讲得少,化学平衡讲得多,给人的印象好象是考虑化学平衡多些?其实,恰恰相反,化工生产中考虑化学反应速率要多得多。这是因为现代化工生产是一个连续的大生产,要源源不断地加入原料,不断地取走产物,它既不是封闭系统,更不是孤立系统,而是一个开放系统。因此,不可能达到平衡。其次,我们是需要化学反应快些,生产周期短些好。由于催化剂对反应速率的影响最大,而催化剂需要一定的活性性温度,所以化工生产一般都要高温,其原因在于此。如合成氨中,考虑化学平衡是需要温度越低越好,而实际生产却是500℃的高温。合成氨选择的适宜条件是:500℃的高温(考虑催化剂和反应速率),适当的高压2×107—5×107 Pa(考虑反应速率和化学平衡及设备和生产技术)、使用铁触媒。在这种条件下,氨的产率也只有百分之十几,这足以说明问题了。 

我们不能纯粹认为化学反应速率是决定反应的快慢,与时间有关,它决定化工生产的周期;而化学平衡是研究反应达到的程度,是讲化工生产的产率,它影响产品的产量。其实,二者都能影响产品的总产量。因为反应速率快了,生产周期缩短,在相同时间内产品的总产量同样会增加。 

那末教材中为什么花了比化学反应速率大得多的篇幅讲化学平衡呢?这是因为它既是化工生产原理,又是电解质溶液的理论,要讲电离平衡、水解平衡、络合平衡都离不开化学平衡原理。 

我们不能纯粹认为化学反应速率是决定反应的快慢,与时间有关,它决定化工生产的周期;而化学平衡是研究反应达到的程度,是讲化工生产的产率,它影响产品的产量。其实,二者都能影响产品的总产量。因为反应速率快了,生产周期缩短,在相同时间内产品的总产量同样会增加。 

那末教材中为什么花了比化学反应速率大得多的篇幅讲化学平衡呢?这是因为它既是化工生产原理,又是电解质溶液的理论,要讲电离平衡、水解平衡、络合平衡都离不开化学平衡原理。 

(责任编辑:化学自习室)
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