选择性必修1 化学 浓度和压强对化学平衡的影响 逐字稿-5,065字
师:今天我们一起来学习浓度和压强对化学平衡的影响。首先来看学习目标:一、通过实验探究,了解浓度和压强对化学平衡的影响,培养证据推理能力和实验探究能力;二、通过宏微结合,能够运用化学平衡常数对化学平衡移动的原理进行解释,培养宏观辨识与微观探析素养。
大家看,在火灾现场,人的呼吸存在这样的平衡反应。实验表明,空气中一氧化碳浓度较大时,人体就会感到缺氧、胸闷;过多的血红蛋白与一氧化碳结合时,会因窒息而引起死亡。那为什么在逃生和自救时要到通风较好的地方,或者及时吸氧呢?要解决这个问题,我们先来学习浓度对化学平衡的影响。
首先,请大家观察以下实验。本实验用到的试剂有:0.005 摩尔每升氯化铁溶液、0.015 摩尔每升硫氰化钾溶液、1 摩尔每升硫氰化钾溶液、铁粉。
量取 5 毫升 0.005 摩尔每升氯化铁溶液于试管中,再量取 5 毫升 0.015 摩尔每升硫氰化钾溶液,加入氯化铁溶液中,观察到溶液呈现红色。将该溶液平均分装在 3 支试管中,并标记为试管 a、试管 b、试管 c。
向试管 b 中加入少量铁粉,震荡,观察到试管 b 中溶液颜色变浅。向试管 c 中滴加 4 滴 1 摩尔每升硫氰化钾溶液,震荡,观察到试管 c 中颜色变深。对比 a、b、c 三支试管,b 中溶液颜色浅于试管 a,试管 c 中溶液颜色深于试管 a。
实验表明,水溶液中铁离子与硫氰根离子反应达到平衡,溶液呈现红色。当向该平衡体系中加入少量铁粉时,铁粉与铁离子反应,减小了铁离子的浓度,进而使该平衡向左移动,溶液颜色变浅。当向该平衡体系中加入几滴 1 摩尔每升硫氰化钾溶液时,增大了硫氰根离子的浓度,进而使该平衡向右移动,溶液颜色加深。
实验表明,在其他条件不变时,减小反应物浓度,平衡向逆反应方向移动;增大反应物浓度,平衡向正反应方向移动。
通过刚才的实验,我们看到 b 溶液颜色变浅,说明平衡向逆反应方向移动。从平衡常数的角度理解,加入的铁粉和铁离子发生反应,生成亚铁离子,使铁离子的浓度减小,浓度商增大。由于平衡常数保持不变,此时浓度商大于平衡常数,所以平衡逆向移动。而 c 溶液颜色变深,说明平衡向正反应方向移动。这是因为加入了浓度更大的硫氰化钾溶液,使得硫氰根离子浓度增大,浓度商减小。因为平衡常数不变,所以浓度商小于平衡常数,因而平衡正向移动。
由上面浓度的探究实验可知,在其他条件不变的情况下,如果增大反应物浓度或减小生成物浓度,会使浓度商小于平衡常数,平衡会正向移动,此时瞬时速率 v 正大于 v 逆;而减小反应物浓度或增大生成物浓度,会使浓度商大于平衡常数,平衡会逆向移动,即瞬时速率 v 正小于 v 逆。
从这里我们看到,改变反应物或生成物的浓度,平衡会发生移动。但要注意,因为固体或纯液体的浓度是定值,改变固体或纯液体的量并不会影响它们的浓度,也就不会影响 v 正和 v 逆的大小,因而平衡不发生移动。同时,对于离子反应,只有改变实际参加反应的离子的浓度,平衡才会移动。由此可知,平衡的移动与速率有关。
那化学平衡的本质是什么呢?我们知道,化学平衡的本质特征是正逆反应速率相等。那么化学平衡被破坏的原因又是什么呢?平衡的本质是正逆反应速率相等,所以平衡被破坏的本质原因必然是条件的改变使正逆反应速率不再相等,平衡被破坏。当平衡状态被破坏以后,一段时间后,正逆反应速率又会重新相等,即建立新的化学平衡。我们把这种由原来的平衡状态达到新的平衡状态的过程叫做化学平衡的移动。
请大家思考一下,若改变条件,正逆反应速率都改变了,平衡就一定发生移动吗?化学平衡的移动必定伴随着正逆反应速率不等。如果改变条件,正逆反应速率是同等程度的改变,即 v 正和 v 逆依然相等,这种情况下平衡就不发生移动。所以改变条件,即使正逆反应速率都改变,平衡也不一定会发生移动。要清楚,条件改变的瞬间,只有正逆反应速率不等,平衡才会发生移动。
下面我们通过速率 - 时间图来理解浓度对平衡的影响。先来看增大反应物的浓度,反应物的浓度影响正反应速率,所以条件改变的瞬间,正反应速率瞬间增大,而逆反应速率不变,因为此时生成物的浓度不变。一段时间后,两者又达到平衡。
再来看减小生成物的浓度,生成物的浓度影响逆反应速率,所以条件改变的瞬间,逆反应速率减慢,而正反应速率不受影响,维持不变。一段时间后,它们又建立新的平衡。
观察这两张图,它们的共同点是条件改变的瞬间,正反应速率大于逆反应速率,所以这两个平衡都是向正反应方向移动。
接着看增大生成物的浓度,生成物影响逆反应速率,所以瞬间逆反应速率增大,而正反应速率保持不变,一段时间后正逆反应速率又相等,建立新的平衡。
最后看减小反应物的浓度,反应物浓度影响正反应速率,所以减小反应物浓度,瞬间正反应速率减慢,而逆反应速率不变,一段时间后又达到平衡。
对于下面这两张图,它们的相同点在于条件改变的瞬间,瞬时速率都是 v 逆大于 v 正,所以这两个平衡都是向逆反应方向移动。
再看这四张图,它们的共同点是条件改变的瞬间,图像都是连续变化的,没有出现断点,这是浓度的速率 - 时间图的特征。
通过浓度对化学平衡的影响的学习,我们来理解一下开始提到的火灾现场一氧化碳中毒的原理。一氧化碳中毒存在这样的平衡,当吸入新鲜空气时,氧气浓度增大,氧气是生成物,导致浓度商大于平衡常数,化学平衡会逆向移动,从而使一氧化碳和血红蛋白脱离,人体中的血红蛋白分子和氧气分子结合形成氧合血红蛋白分子,满足生命活动的需要。
利用浓度对平衡的影响,在工业生产中,我们可以适当增大廉价的反应物的浓度,使化学平衡正向移动,提高价格较高的原料的转化率。比如在硫酸工业中,二氧化硫的催化氧化这一步,生产过程中通入过量的空气,目的就是增大氧气的浓度,使平衡正向移动,提高二氧化硫的转化率,降低生产成本。
下面请大家完成典例一。氯化铁溶液中加入碘化钾溶液,铁离子和碘离子发生氧化还原反应,生成亚铁离子和碘单质,所以 A 正确,这意味着氯化铁和碘化钾反应存在这样的平衡。
向其中一份加入硫氰化钾溶液,硫氰根离子会和铁离子反应,使铁离子的浓度减小,针对铁离子和碘离子的这个平衡就会逆向移动,从而使碘离子的浓度增大。