影响化学平衡的条件

2019-12-10 13:53:54

第三节影响化学平衡的条件
  
  化学平衡只有在一定的条件下才能保持,当一个可逆反应达到化学平衡状态后,如果改变浓度、压强、温度等反应条件,达到平衡的反应混合物里各组分的浓度也会随着改变,从而达到新的平衡状态。
  
  我们研究化学平衡的目的,并不是希望保持某一个平衡状态不变,而是要研究如何利用外界条件的改变,使旧的化学平衡破坏,并建立新的较理想的化学平衡。例如,使转化率不高的化学平衡破坏,而建立新的转化率高的化学平衡,从而提高产量。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。下面,我们着重讨论浓度、压强和温度的改变对化学平衡的影响。
  
  一、浓度对化学平衡的影响
  
  【实验3-1】在一个小烧杯里混合10mL0.01mol/LFeCl3溶液和10mL0.01mol/LKSCN(硫氰化钾)溶液,溶液立即变成红色。
  
  把该红色溶液平均分入3个试管中。在第一个试管中加入少量1mol/LFeCl3溶液,在第二个试管中加入少量1mol/LKSCN溶液。观察这两个试管中溶液颜色的变化,并与第三个试管中溶液的颜色相比较。
  
  FeCl3与KSCN起反应,生成红色的Fe(SCN)3①(硫氰化铁)和KCl,这个反应可表示如下:
  
  FeCl3+3KSCNFe(SCN)3+3KCl
  
  从上面的实验可知,在平衡混合物里,当加入FeCl3溶液或KSCN溶液后,试管中溶液的颜色都变深了。这说明增大任何一种反应物的浓度都促使化学平衡向正反应的方向移动,生成更多的Fe(SCN)3。
  
  其他实验也可证明,在达到平衡的反应里,减小任何一种生成物的浓度,平衡会向正反应的方向移动;减小任何一种反应物的浓度,平衡会向逆反应的方向移动。
  
  综上所述,在其他条件不变的情况下,增大反应物的浓度或减小生成物的浓度,都可以使化学平衡向正反应的方向移动;增大生成物的浓度或减小反应物的浓度,都可以使化学平衡向逆反应的方向移动。
  
  讨论
  
  运用浓度对化学反应速率的影响以及化学平衡常数不随浓度改变等知识,解释浓度对化学平衡的影响。
  
  在生产上,往往采用增大容易取得的或成本较低的反应物浓度的方法,使成本较高的原料得到充分利用。例如,在硫酸工业里,常用过量的空气使SO2充分氧化,以生成更多的SO3。
  
  二、压强对化学平衡的影响
  
  处于平衡状态的反应混合物里,不管是反应物还是生成物,只要有气态物质存在,那么改变压强也常常会使化学平衡移动。
  
  我们可以用下列反应来说明压强对化学平衡的影响。
  
  用注射器吸入少量NO2和N2O4的混合气体,然后将注射器针头插入橡皮塞中以封口,如图3-8所示。将注射器活塞反复往里推和往外拉,可以观察到随压强变化对化学平衡的影响。当活塞往外拉时,混合气体的颜色先变浅又逐渐变深。应怎样理解呢?这必然是由于针筒内体积增大,使气体的压强减小,浓度也减小,颜色变浅。后来颜色逐渐变深,这必然是由于化学平衡向着生成NO2反应的方向即气体体积增大的方向(每1体积N2O4分解生成2体积NO2)移动了。当活塞往里推时,混合气体的颜色先变深又逐渐变浅。这必然是由于针筒内体积减小,气体的压强增大,浓度也增大,颜色变深。由于化学平衡向着生成N2O4的方向即气体体积缩小的方向移动,因此混合气体的颜色又逐渐变浅了。
  
  上述实验证明,在其他条件不变的情况下,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:
  
  在这种情况下,增大或减小压强都不能使化学平衡移动。
  
  固态物质或液态物质的体积,受压强的影响很小,可以忽略不计。因此,如果平衡混合物都是固体或液体,改变压强不能使化学平衡移动。
  
  三、温度对化学平衡的影响
  
  在吸热或放热的可逆反应里,反应混合物达到平衡状态以后,改变温度也会使化学平衡移动。
  
  【实验3-2】把NO2和N2O4的混合气体盛在两个连通的烧瓶里,然后用夹子夹住橡皮管,把一个烧瓶放进热水里,把另一个烧瓶放进冰水(或冷水)里,如图3-9所示(或见彩图)。观察混合气体的颜色变化,并与常温时盛有相同混合气体的烧瓶中的颜色进行对比。
  
  在NO2生成N2O4的反应里,正反应是放热反应,逆反应是吸热反应。
  
  从上面的实验可知,混合气体受热颜色变深,说明NO2浓度增大,即平衡向逆反应方向移动。混合气体被冷却时颜色变浅,说明NO2的浓度减小,即平衡向正反应方向移动。
  
  由此可见,在其他条件不变的情况下,温度升高,会使化学平衡向着吸热反应的方向移动;温度降低,会使化学平衡向着放热反应的方向移动。
  
  浓度、压强、温度对化学平衡的影响可以概括为平衡移动原理,也叫勒沙特列①原理:如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。
  
  由于催化剂能够同等程度地增加正反应速率和逆反应速率,因此它对化学平衡的移动没有影响。也就是说,催化剂不能改变达到化学平衡状态的反应混合物的组成,但是使用催化剂,能够改变反应达到平衡所需的时间。
  
  平衡移动原理对所有的动态平衡都适用,如对后面将要学习的电离平衡也适用。但是,平衡移动原理也有局限性,如虽然能用它来判断平衡移动的方向,但不能用它来判断建立新平衡所需要的时间,以及在平衡建立过程中各物质间的数量关系等。这需要进一步学习其他理论,在中学阶段不再介绍。
  
  讨论
  
  下列反应达到化学平衡时:
  
  2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
  
  (正反应为放热反应)
  
  如果在其他条件不变时,分别改变下列条件:①增加压强;②增大O2的浓度;③减少SO3的浓度;④升高温度;⑤使用催化剂,将对化学平衡有什么影响?简要说明理由。
  
  资料
  
  勒沙特列简介
  
  勒沙特列是法国一位精力旺盛的科学家,他研究过水泥的煅烧和凝固、陶器和玻璃器皿的退火、磨蚀剂的制造以及燃料、玻璃和炸药的发展等问题。他对乙炔气的研究,致使他发明了氧-乙炔焰,并用于焊接。
  
  勒沙特列特别感兴趣的是科学和工业之间的关系,以及怎样从化学反应中得到最高的产量。他在这个领域里的研究使他于1888年发现了“勒沙特列原理”,他也因此而世界闻名。
  
  勒沙特列曾批评英国钢铁工业中的有些人企图用增加高炉高度的办法来减少高炉气中CO的含量,指出这是背离化学平衡理论的,因此,也是行不通的。
  
  勒沙特列原理广泛应用于工业生产,使化学反应能获得较高的产量,大大提高了工业生产的效益。
  
  阅读
  
  化学反应的方向
  
  自然界里的变化过程都是有方向性的。例如,高处的水总是往低处流,而低处的水不可能自发地往高处流。又如,放在空气中的热开水总是变成冷水,而冷水不可能自发地变成热开水。化学反应也有方向性。例如,铁制品放在潮湿的空气中能自发地生成铁锈,而铁锈却不可能自发地变成铁。很久以来,人们一直在探讨化学反应自发进行的方向。在无数科学家的辛勤努力下,终于发现绝大多数放热反应都能自发地进行,放热越多,反应进行得越完全。这是由于反应放出的热量越多,能量降低得也越多。反应有趋向于最低能量状态的倾向。
  
  然而有些吸热过程在室温时也能进行。例如,冰在室温时会自发地吸热变成水。有些吸热反应在室温时虽不能自发地进行,但当升高温度时却能自发地进行。例如,NH4HCO3的分解反应是吸热反应,在室温时NH4HCO3。不分解,但当加热时,NH4HCO3的分解反应会自发地进行。这是由于反应除有趋向于最低能量状态的倾向外,还有另一趋向于最大混乱度的倾向。在冰中,每个水分子按一定规则有序排列着,当冰融化时,水分子的有序排列遭到破坏,变成较为无序排列的液体状态,即混乱度增大了,因此,冰在室温时能自发地吸热变成水。同样地,将NH4HCO3加热时发生如下反应:
  
  NH4HCO3(s)NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)
  
  由于一种有序的晶体NH4HCO3反应后生成了三种无序的气体分子,使混乱度增大,因此,在加热时NH4HCO3的分解反应能自发进行。
  
  在实际分析化学反应自发进行的方向时,需要综合考虑反应趋向于最低能量状态的倾向和趋向于最大混乱度的倾向这两种因素。表3-3列入了化学反应自发进行的一些情况。
  
  表3-3化学反应自发进行的方向
  
  反应的能量变化混乱度变化化学反应自发进行的方向
  
  放热反应增大任何温度下都能自发进行
  
  放热反应减小较低温度下能自发进行
  
  吸热反应增大高温下能自发进行
  
  吸热反应减小任何温度下都不能自发进行
  
  习题
  
  一、填空题
  
  1.在下表空白处说明反应条件的改变(其他条件不变时)对化学反应速率和化学平衡的影响。
  
  条件改变对化学反应速率的影响对化学平衡的影响
  
  增大反应物的浓度
  
  增大容器气体的压强
  
  升高温度
  
  使用适当的催化剂
  
  2.在一定条件下下列反应达到化学平衡:
  
  2HI(g)H2(g)+I2(g)(正反应为吸热反应)
  
  (1)如果升高温度,平衡混合物的颜色_______。
  
  (2)如果加入一定量的H2,平衡______移动。
  
  (3)如果使密闭容器的体积增大,平衡______移动。
  
  3.化学反应2A+B2C达到化学平衡时,根据以下条件选择正确的选项填空。
  
  (1)升高温度时,C的量增加,此反应______。
  
  ①是放热反应;②是吸热反应;③没有显著的热量变化;④原化学平衡没有发生移动。
  
  (2)如果A、B、C都是气体,达到平衡时减小压强,那么______。
  
  ①平衡不移动;②平衡向正反应方向移动;③平衡向逆反应方向移动;④C的浓度会增大。
  
  (3)如果已知B是气体,增大压强时,化学平衡向逆反应方向移动,那么______。
  
  ①A是气体、C是固体;②A、B、C都是气体;③A、C都是固体;④A是固体、C是气体。
  
  二、选择题
  
  1.在一定条件下,发生CO+NO2CO2+NO的反应,达到化学平衡后,降低温度,混合物的颜色变浅,下列有关该反应的说法中正确的是[]。
  
  A.正反应为吸热反应
  
  B.正反应为放热反应
  
  C.降温后CO的浓度增大
  
  D.降温后各物质的浓度不变
  
  2.下列各反应达到化学平衡后,加压或降温都能使化学平衡向逆反应方向移动的是[]。
  
  A.2NO2N2O4(正反应为放热反应)
  
  B.C(s)+CO22CO(正反应为吸热反应)
  
  C.N2+3H22NH3(正反应为放热反应)
  
  D.H2SH2+S(s)(正反应为吸热反应)
  
  三、下述反应达到平衡时,
  
  1.2NO+O22NO2(正反应为放热反应)
  
  2.N2+O22NO(正反应为吸热反应)
  
  如果①增大压强;②增大O2的浓度;③增大NO2的浓度;④升高温度。分别讨论平衡将向什么方向移动?简述理由。
  
  四、对于处于化学平衡状态的下列反应:
  
  CO+H2O(g)CO2+H2
  
  1.如果降低温度有利于H2的生成,那么正反应是放热反应还是吸热反应?
  
  2.如果要提高CO的转化率,应该采取哪些措施?为什么?
  
  ①实际上主要是[FeSCN]2+的颜色。
  
  ①勒沙特列(H.LeChatelier,1850—1936),法国科学家。