任務2.2　認識化學反應平衡的影響因素

2.2.1　任務書

本次任務通過碘的平衡反應技能操作訓練，掌握經驗平衡常數的一種測定方法，加深對經驗平衡常數的理解。通過鉻酸鉀和少量H+的平衡反應，觀察和判斷平衡隨濃度改變而移動的方向；通過N2O4和NO2的平衡反應，觀察和判斷平衡隨壓力改變而移動的方向，平衡隨溫度改變而移動的方向。

從而理解化學平衡的概念及特點，了解濃度、壓力和溫度對化學平衡的影響，掌握平衡移動原理。

2.2.2　技能訓練和解析　化學反應平衡常數的測定實驗

1.任務原理

碘溶于碘化鉀溶液達到下列平衡：

在一定溫度下，其平衡常數，為測定［I2］、［I-］和的平衡濃度，可取過量固體碘與已知濃度的KI溶液一起振蕩達到平衡后，取上層清液，用Na2S2O3標準溶液滴定：

2Na2S2O3+I22NaI+Na2S4O6

由于溶液中存在上述平衡，所消耗的Na2S2O3滴定最終得到的是和I2的總濃度：

其中［I2］的濃度可通過同溫度時測量碘和水處于平衡時溶液中的碘濃度代替，設其濃度為：c'=［I2］，則。因此，處于平衡時，形成一個就需要一個I-，所以平衡時，式中［I-］0為KI的起始濃度，將［I2］、［I-］和代入中，可得K值。

2.任務材料

3.任務操作

（1）溶液的配制

取干燥碘量瓶，標上A、B、C，在A瓶中用量筒加入10.00mL KI和10.00mL蒸餾水，再加入研細的1.0g碘。在B瓶中加入20.00mL KI和1.0g碘。在C瓶中加入50.00mL蒸餾水和0.5g碘。蓋好瓶蓋，在室溫下振蕩30min后，靜置10min。

（2）溶液中碘濃度測定

在A瓶中取上層溶液2.0mL，量取40.0mL蒸餾水放入到250mL錐形瓶中，用硫代硫酸鈉溶液滴定到淡黃色，加入5滴淀粉溶液，此時溶液呈藍色，繼續滴加Na2S2O3，并不斷攪拌，滴至藍色剛好消失為止，記錄Na2S2O3標準溶液用量。

在B瓶中重復A瓶同樣的操作。

在C瓶中取上層溶液25.0mL，用Na2S2O3標準溶液滴定，記錄Na2S2O3標準溶液用量。

注意：碘易揮發、升華，有毒性和腐蝕性，要小心使用；滴定速度要快，防止碘揮發被空氣氧化；實驗結束后，碘要回收，其他廢液倒入堿性廢液筒內。

4.記錄與報告單

（1）數據記錄

將數據填入表2-6并進行處理。

（2）操作結論

依據公式________，即可得到此溫度條件下的平衡常數K。

5.問題與思考

（1）實驗中固體碘的量是否要像加熱KI溶液一樣準確？

（2）能否在Na2S2O3溶液滴定之前加入淀粉指示劑？

2.2.3　技能訓練和解析　化學反應平衡常數的影響因素實驗

1.任務原理

當反應的條件（濃度、壓力、溫度）改變時，平衡就被破壞。反應立即按新的條件進行，直到建立新條件下的新平衡。因外界條件變化導致可逆反應從原來的平衡狀態轉變到新的平衡狀態的過程，叫做化學平衡移動。

（1）濃度對平衡移動的影響

已達到平衡的可逆反應，若其他條件不變，改變反應物的濃度，平衡將發生移動。

鉻酸鉀和溶液中的少量H+處于化學平衡狀態，加入硫酸使反應物H+的濃度增加，正反應速率加快，平衡向減少反應物、增加生成物的方向移動；達到新的平衡，重鉻酸鉀的濃度增大。向這個平衡中加入OH-，逆反應速率加快，鉻酸鉀濃度增大。

（2）壓力對平衡移動的影響

在其他條件不變時，增大壓力，平衡向生成四氧化氮的方向移動；減小壓力，平衡向生成二氧化氮的方向移動。

（3）溫度對平衡移動的影響

升高溫度，平衡向吸收熱量的方向移動；降低溫度，平衡向放出熱量的方向移動（四氧化氮解聚需要吸收熱量，二氧化氮結合成四氧化氮的過程會放出熱量）。

2.任務材料

3.任務操作

（1）濃度對化學反應平衡的影響

如圖2-4所示進行任務操作，將數據填入表2-7中。

①取5.0mL K2CrO4（0.10mol/L）溶液放入試管。

②逐滴滴入H2SO4（1mol/L）溶液，觀察顏色變化。

③逐滴滴入NaOH（2mol/L）溶液，觀察顏色變化。

（2）壓力對化學反應平衡的影響

如圖2-5所示進行任務操作，將數據填入表2-8中。

①取一個50.0mL的醫用注射器，里面裝有二氧化氮和四氧化二氮的平衡混合氣體，密封注射器進口。

②向后拉活塞，減小壓力，觀察現象。

③向前推活塞，增大壓力，觀察現象。

（3）溫度對化學反應平衡的影響

如圖2-6所示進行任務操作，將數據填入表2-9中。

①將裝有二氧化氮和四氧化二氮混合氣體的平衡球，分別放入盛有熱水和冷水的燒杯中。

②觀察兩個平衡球中氣體的顏色變化。

4.記錄與報告單

操作結論：

①________反應物（或________生成物）的濃度，平衡向________生成物濃度的方向移動；________反應物（或________生成物）的濃度，平衡向________反應物濃度的方向移動，直至建立新的平衡。

②在其他條件不變時，增大壓力，平衡向氣體分子總數________的方向移動；減小壓力，平衡向氣體分子總數________的方向移動。

③在其他條件不變時，________溫度，平衡向吸熱方向移動；________溫度，平衡向放熱方向移動。溫度變化時，________數值改變。

5.問題與思考

（1）濃度、溫度、壓力變化如何影響化學平衡移動？影響的原因是否相同？

（2）為什么催化劑能影響化學反應速率，而不影響化學平衡？

（3）概述平衡移動原理？

2.2.4　知識寶庫　化學平衡

1.化學平衡定義

化學平衡是可逆反應的最終狀態，可逆反應是指在同一條件下，既可向正向進行又可向逆向進行的反應。化學平衡從動力學角度是指當正、逆反應速率相等時，體系中各物質的濃度不再發生變化，反應達到了平衡。反應開始時，反應物濃度較大，生成物濃度小，根據質量作用定律，正反應速率大于逆反應速率，即v正>v逆。隨著反應的進行，反應物濃度減少，生成物濃度增加，所以v正增加，v逆減小，當v正=v逆時，達到化學平衡。

2.化學平衡的特點

化學平衡具有可逆性、條件性、動態性和相對性的特點。

①可逆性　只有在封閉體系恒溫條件下進行的可逆反應，才能建立化學平衡。

②條件性　化學平衡是在一定條件下建立的。當外界條件改變時，平衡將被破壞，在新條件下建立新的平衡。

③動態性和相對性　從宏觀上看，反應似乎處于停止狀態，體系中各物質濃度不再發生變化；從微觀上看，正、逆反應仍在進行，反應并未停止，只不過v正=v逆而已。

3.化學平衡常數及應用

化學平衡常數是化學平衡的定量標志，它反映了平衡體系中，反應物與生成物之間的關系。

（1）化學平衡常數K

①濃度平衡常數Kc

可逆反應：

在一定條件下達到平衡，濃度平衡常數Kc等于生成物濃度的系數次冪乘積與反應物濃度的系數次冪乘積之比，，其中［A］、［B］、［D］、［E］是平衡時各物質的濃度，單位是mol/L。

②壓力平衡常數Kp對于氣體間的反應，平衡常數可用各氣體分壓表示，如可逆反應：

，其中pA、pB、pE、pD代表A、B、E、D四種物質平衡時的分壓，單位是Pa。

以上Kc和Kp是由實驗得到的，稱為實驗平衡常數。

③標準平衡常數標準平衡常數是無量綱的常數，其值等于各種物質的濃度c除以標準狀態下濃度，各種物質的分壓p除以標準狀態下分壓，其中=1mol/L，=101325Pa。

可逆反應：

在一定溫度下達到平衡時：，對于氣體反應可寫作：。

式中，∏表示連乘；ci是物質i的濃度；pi是氣體i的分壓力；vi是物質i的計量系數，對于反應物vi值為負數，對于生成物vi值為正數。

（2）化學平衡常數K的應用

①平衡常數是可逆反應的特征常數。在一定溫度下，K值與反應物初始濃度無關，與反應從正向還是逆向開始無關，取決于反應物的本性，K值隨溫度而變化。

②平衡常數是反應進行程度的理論標志，K值越大，表明反應向正向進行得越徹底。

③依據K可以判斷反應進行的方向，首先計算濃度商。

式中，Qc為濃度商，其表達式與Kc完全相同，區別是Qc中各物質的濃度是任意狀態下的濃度，而Kc中各物質的濃度是平衡濃度。

當Qc<Kc，反應向正向進行；當Qc=Kc，反應處于平衡狀態；當Qc>Kc，反應向逆向進行。同理，也可依據Qp與Kp大小判斷反應進行方向。

④應用平衡常數，可以進行兩方面的平衡計算：一是確定平衡常數，二是計算平衡組成、轉化率或產率等。

4.化學平衡移動及影響因素

（1）化學平衡移動定義

化學平衡建立是有條件的，反應達到平衡時，反應速率滿足v正=v逆，物質濃度滿足Qc=Kc，分壓力滿足Qp=Kp。當外界條件改變時平衡將被破壞，使可逆反應從一種平衡狀態轉變為另一種平衡狀態的過程稱為化學平衡移動。

（2）化學平衡移動的影響因素

凡是能破壞v正=v逆或Qc=Kc或Qp=Kp的因素，都可使化學平衡發生移動。

①濃度對化學平衡移動的影響

可逆反應：

在一定溫度下達到平衡，v正=v逆、Qc=Kc、Qp=Kp。

若其他條件不變，提高反應物的濃度，使v正提高，Qc減小，導致此時v正>v逆、Qc<Kc、Qp<Kp，平衡被破壞，即平衡向右移動。隨反應的進行，反應物濃度減小而生成物濃度增加，促使正反應速率減小而逆反應速率增加，當v正=v逆、Qc=Kc、Qp=Kp時，體系重新建立新的平衡。同理，降低反應物濃度，平衡向左移動。

②壓力對化學平衡移動的影響　對于氣體間的反應，平衡常數可用各氣體分壓表示，如可逆反應：

在恒溫下，增加平衡體系的總壓力，平衡向氣體分子數減小的方向移動；同理，若減小平衡體系的總壓力，平衡向氣體分子數增加的方向移動。壓力變化只對反應前后氣體分子數有變化的反應有影響，即對（e+d）-（a+b）≠0的反應有影響。

③溫度對化學平衡移動的影響　溫度對化學平衡的影響，與濃度、壓力有本質區別。改變濃度、壓力導致Qc、Qp變化，而改變溫度引起Kc、Kp變化。

吸熱反應：升高溫度，平衡常數增大，平衡向右移動，即向吸熱方向移動。

放熱反應：升高溫度，平衡常數減小，平衡向左移動，即向吸熱方向移動。

無論吸熱反應還是放熱反應，升高溫度平衡都是向吸熱方向移動。同理降低溫度，平衡都是向放熱方向移動。

5.平衡移動原理

法國科學家勒夏特列把反應條件的改變對化學平衡的影響，歸納成平衡移動原理（也稱為勒夏特列原理）：改變某一個平衡條件（如溫度、壓力和濃度等），平衡就像削弱這種改變的方向移動。如溫度升高，就像吸熱方向移動；濃度增大，就向濃度減小方向移動；壓力升高，就向分子數減少來降低壓力的方向移動。總之，移動方向是對“改變”的“對抗”，這個原理具有普遍意義。但必須注意它只適用于平衡體系，沒有達到平衡的體系，不能應用此原理。