化学平衡移动方向判断方法的研究

根据 范 特 霍 夫 等 温 式 ( Van, t Hoff isotherm ) [ 2～6 ] : △ rGm = R T ln
Q Θ , 就可判断一定温度下化学反应的方向 。 K (C)
Θ 由于体系是恒温过程 , 故 K ( c) 值不变 , 现只比较 ( 1 +
2 x) 与 ( 1 +
的物质的量平衡浓度分别为 c(N 2) 、 c(H 2) 和 c(NH 3) ; 向平衡体 系中再加入 N2 nxL。 于是 ,刚加入 N2 后体系的总体积为 ( n + nx ) L , N2 、 H2
z Q = 1+ V0 c(NH 3) K(C)
Θ
2
= 1, △ rGm = 0, 平衡不移动 。 (3) 当 1
V 0 c(N 2)
> (2 + x ) ,即 C (N 2)
1 Q < 时, Θ < V 0 ( 2 + x) K ( c)
(1 + z) 2 ,很明显 , 不管 c(NH3) 的
1, △ rGm < 0,平衡向正反应方向移动 。
2. 2 判据的例证
可推导 ,在恒温恒压下向氮氢合成氨的平衡体系中加入氢 气后 ,平衡总是会向正反应方向即减少氢气的方向移动的 。 推导如下 : 该条件下 , 设向平衡体系中加入 H2 nyL , 其它题设如 前 。此时的浓度商
( QC = nc(N 2 ) n + ny nc(NH 3) n + ny )2 ny + V0
c (NH 3) c (N 2) c (H2)
3 2
Θ
nc(H 2)
c(H 2)
n + ny
1 +y
2 c(NH 3)
1 +y (1 + y ) 1+
Q=
=
2 c(NH 3)
(1 + y )
2 3
c(N 2)
c(H 2) +
y V0
=
c(N 2)
c(H 2)
y V 0 c(H 2)
2
1. 8055 5. 1 = 0. 5 + 0. 1 2. 6945 × 5. 1 5. 1
第 2期 2009 年 4 月
湖南人文科技学院学报 Journal of Hunan Institute of Humanities, Science and Technology
No. 2 Ap r . 2009
化学平衡移动方向判断方法的研究
( 1. 湖南科技大学化学化工学院 ,湖南 湘潭 411201; 2. 湖南人文科技学院 ,湖南 娄底 417001 ) [摘 要 ]针对恒温恒压条件下判断化学平衡移动方向这一化学平衡中的难点 ,运用理论分析方法推导出了恒温恒压 下化学平衡移动的普适判据 ,并通过实例加以佐证 。研究结果表明 , 在恒温恒压下的气相反应平衡中 , 改变某一反应组 分的含量后 ,平衡移动的方向主要取决于下列几个方面的因素 : ① 该组分的起始平衡浓度的大小 , ② 所加组分的物质的量 的多少 , ③ 反应的类型 , ④ 摩尔体积 。 [关键词 ]恒温恒压 ; 起始平衡浓度 ; 物质的量 ; 气体摩尔体积 ; 移动方向 ; 判据 [中图分类号 ]O6 - 051 [文献标识码 ]A [文章编号 ]1673 - 0712 ( 2009 ) 02 - 0014 - 04
平衡后加入 N 2 x
(L) 3. 000 3. 000 3. 000
加入 N 2 后瞬间各物质浓度
(mo1 /L) N2 0. 7750 0. 8000 0. 8500 H2 0. 1347 0. 10818 0. 07500 NH 3 0. 09028 0. 09183 0. 07500 4. 30 8. 33 15. 7
则此条件下的浓度商
n + nx = nx nc (H 2 ) 3 nc(N 2) + V0 ( ) n + nx n + nx
nxLN2 后 , 平衡移动的方向由 c(N 2) 的大小决定 , 有可能存
(
nc(NH 3)
)2
(
c(NH 3)
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QC =
1 +x
x V0
)2 (
c(H 2)
在下列三种情况 :
3 c(N 2) c(H 2)
2
=
0. 3611 3 = 8. 33 0. 1 × 0. 5389
2
1 +y
)2
y + V0
2 3 3
现在维持体系温度 、 压强不变 , 加入 0. 1000 molN2 后 , 因为温度 、 压强恒定 , K ( c) 仍为 8. 33。加入 N2 之后而在任 意平衡移动发生之前 ,有
Θ
2
3
=
0. 3540 . 23 3 =7 0. 1176 × 0. 5283
2
=
2 2 c(NH 3) (1 + y ) 3 c(N 2) c(H 2 )
y (1 + )3 V 0 c(H 2)
= KC
( 1 + y) y (1 + )3 V 0 c(H 2)
显然 Q < K ( c) , 为了使 Q 还原到 8. 33,平衡必定朝正反 应方向即生成 NH3 的方向而不是增加 N2 的方向移动 。 同理 ,按题设 [ 1 ]条件我们还可以列举无数个例子 ,为了 说明问题 ,在此再列一些例子如表 1 ～6。
x ) V 0 c(H 2)
文中 ,该文作者在问题的分析部分列举的例 3,介绍在恒温 恒压时向氮氢合成氨的平衡体系中加入氮气后 , 判断平衡 将向何方移动 。他们推测“ 可能有人会 …… 得出平衡朝正 反应方向移动 ” , 且充分肯定“ 其实不然 ” 。继后又通过解 析得出 “ 对于一般条件来说 ,在恒 T、 恒 p下加入一种物质 , 使平衡朝着产生更多的添加物的方向移动 ” 的结论 [ 1 ] 。这 一结论确切吗 ? 2 问题分析与讨论
(1 + x ) 2 1+
x V 0 c(N 2)
Θ
Q = Θ K ( c)
某温下 ,一材质导热性能良好且容积可变的容器内存 在下列平衡 : N2 ( g) + 3H2 ( g) 2NH3 ( g) , 在恒温恒压时向 该平衡体系中加入 N2 , 该条件下 , 设 1mol气体的体积为
V 0 L; 第一次体系平衡时容器的体积为 nL; N2 、 H2 和 NH3
Q值
平衡移 动方向 向正 不移动 向逆 向正 不移动 向逆 向正 不移动 向逆
表 2 N2 的加入量 x一定时 C (N 2) 与平衡移动结果的关系 ( V 0 = 1) 序 号
1 2 3
平衡时各物质浓度
(mo1 /L) N2 0. 1000 0. 2000 0. 4000 H2 0. 5389 0. 4327 0. 3000 NH 3 0. 3611 0. 3673 0. 3000
3
依文献 [ 1 ]例 3 题设条件 , V 0 = 1, K ( c) = 8. 33。令平衡时
n (N 2 ) = 0. 5 000mol/L , n (H 2) = 2. 6945mol/L , n (NH 3) = 1. 8055
Θ
mol/L , Q = ( =
c(N 2) c(NH 3)
c(NH 3)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
平衡时各物质浓度
(mo1 /L) N2 0. 1000 0. 1000 0. 1000 0. 2000 0. 2000 0. 2000 0. 4000 0. 4000 0. 4000 H2 0. 5389 0. 5389 0. 5389 0. 4327 0. 4327 0. 4327 0. 3000 0. 3000 0. 3000 NH 3 0. 3611 0. 3611 0. 3611 0. 3673 0. 3673 0. 3673 0. 3000 0. 3000 0. 3000
nx 和 NH3 的物质的量分别为 ( nc(N 2 ) + ) 、 nc(H 2) 和 nc(NH 3) , V0
x ) 的大小 。 V 0 c(N 2)
又因为 (1 + x ) 2 = 1 + x ( 2 + x) ,所以仅比较 ( 2 + x) 与
(
1
V 0 c(N 2 )
) 的 大 小 就 可 以 了 。显 然 , 向 平 衡 体 系 中 加 入
李大塘 ,李静 ,郭军
1
1
2
问题的提出 1
[1 ] 在《 再议化学平衡移动方向与移动结果的关系 》 一
=
2 2 c(NH 3) (1 + x )
( c(N 2) + = KC
x 3 ) c(H 2 ) V0
=
2 2 c(NH 3) + (1 + x ) 3 c(N 2) c(H 2) ( 1 +
Q值
平衡移 动方向 向正 不移动 向逆
・16・
湖南人文科技学院学报
表 3 c (H 2) 一定时 H2 的加入量 y 与平衡移动结果的关系 (V 0 = 1)
总第 107 期
序 号
1 2 3 4 5 6 7 8 9
平衡时各物质浓度
(mo1 /L) N2 0. 1000 0. 1000 0. 1000 0. 2000 0. 2000 0. 2000 0. 4000 0. 4000 0. 4000 H2 0. 5389 0. 5389 0. 5389 0. 4327 0. 4327 0. 4327 0. 3000 0. 3000 0. 3000 NH 3 0. 3611 0. 3611 0. 3611 0. 3673 0. 3673 0. 3673 0. 3000 0. 3000 0. 3000
总第 107 期 李大塘等 : 化学平衡移动方向判断方法的研究
( 2 )当 1
V 0 c(N 2)
・15・
= ( 2 + x ) , 即 c ( N2 ) =
1
V0 ( 2 + x )
时,
Q Θ K ( c)
此 , △rGm 总是小于 0的 ,因而平衡总是向正反应方向移动。 题设条件不变 ,若向平衡体系中加入 NH3 nzL,同样可推导 出判断式
平衡后加入 N 2 x
(L) 0. 04000 8. 000 9. 000 0. 04000 3. 000 4. 000 0. 04000 0. 5000 1. 000
加入 N 2 后瞬间各物质浓度
(mo1 /L) N2 0. 1346 0. 9000 0. 9100 0. 2308 0. 8000 0. 8400 0. 4231 0. 6000 0. 7000 H2 0. 5182 0. 05988 0. 05389 0. 4161 0. 10818 0. 08654 0. 2885 0. 2000 0. 1500 NH 3 0. 3472 0. 04012 0. 03611 0. 3532 0. 09183 0. 07346 0. 2885 0. 2000 0. 1500 6. 43 8. 33 9. 16 7. 50 8. 33 9. 91 8. 19 8. 33 9. 52
( 1 )当 )
3
1
V 0 c(N 2)
c(N 2) +
< ( 2 + x ) , 即 c(N 2) >
1
V 0 ( 2 + x)
时,
Q > Θ K ( c)
1 +x
1 +x
1, △ rGm > 0,平衡向逆反应方向移动 。
[收稿日期 ]2008 - 06 - 20. [作者简介 ]李大塘 ( 1956 - ) ,男 ,湖南安仁人 ,湖南科技大学教授 ,主要从事化学研究与教学工作 。
大小如何 , 1 +
z V0 c(NH 3)
2
总是大于 1,同时 ( 1 + z) 2 也总是大
从上述推导 的 情况 ( 1 ) 可 清 楚 看 出 , 只有 当 V 0 = 1,
c(N 2) ≥0. 5, x > 0 时 , 平衡才总是向逆反应方向移动 。同理
于 1的。那么 , △rGm 总是大于 0 的 ,则平衡总是向逆反应方 向移动 ,即向减少而不是产生更多 NH3 的方向移动。
也就是
( 1 + y) 2 Q = ,由于 V0 c(H2) < 1,则 ( 1 + y )总 y K(c) (1 + )3 V0 c(H 2)
Θ
小于 1 +
y 2 ,也就是 ( 1 + y ) 总小于 V0 c(H 2)
1+
y V0 c(H 2)
3
,因
表 1 c ( N 2 ) 一定时 N 2 的加入量 x 与平衡移动结果的关系 (V 0 = 1) 序 号
2. 1 判据的推导
(1 + x ) 2 1+
x V 0 c(N 2)
因而 ,
QC KC
=
(1 + x ) 2 1+
x V 0 c(N 2)
Θ
现把 KC 换算成标准平衡常数 K (C) , Q C 换算成相对浓 度商 Q。这里 , 因数值上 KC = K (C) , Q C = Q, 也就是