平衡常数的妙用
2020-08-04周异虎
周异虎
摘 要：平衡思想是07版普通高中化学课程标准中提出的化学学科核心素养之一，是新高考重点考查的素养，平衡常数则是平衡思想“王冠”上最璀璨的明珠，是定量化研究平衡的抓手，也是高中生学习中的难点之一，充分地认识并掌握好平衡常数的有关知识显得尤为重要。为此很有必要深挖平衡常数的潜在价值，充分用好平衡常数这一重要工具，提高平衡思想教学的效果。
关键词：平衡 平衡常数 反应方向及程度 粒子浓度大小 盐溶液的酸碱性 平衡移动方向
中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）06（b）-0224-02
从热力学理论上来说，任何反应都有可逆性，其中一个就是平衡状态，该状态下反应体系有个重要参数——平衡常数。平衡常数的大小只取决于反应的本性和温度高低，且平衡常数越大，说明正反应的程度越大。据此，由平衡常数的大小可确定在该温度下可逆反应中的正反应能达到的程度。该文试从应用的角度谈谈平衡常数（中学化学中的五大平衡常数：化学平衡常数Kc或Kp、弱电解质电离平衡常数Ka或Kb、水的离子积常数KW、盐水解平衡常数Kh和难溶电解质溶度积常数Ksp）的奇妙作用。
1 判断酸碱的强弱及溶液中非氧化还原反应型离子反应的方向及程度
在所有弱酸的电离常数Ka或弱碱的电离常数Kb表达式中，总的幂为1，所以各种弱酸或弱碱的强弱程度可以直接由Ka或Kb的大小反应。在同一温度下，Ka或Kb越大，弱酸或弱碱就越强，反之亦然。
例1 解释：为什么强酸可以制出弱酸（这里的强弱只是相对而言），如反应CH3COONa+HCl=CH3COOH+NaCl可以发生，逆反应却不能进行？
解析：CH3COONa+HCl=CH3COOH+NaCl的离子反应式为CH3COO-+H+=CH3COOH
∴假设该反应为可逆反应，其
显然，该反应的平衡常数很大，说明正反应进行的较为彻底，为不可逆反应，其逆反应相当于醋酸的电离，程度很小，认为不进行。
再如，CH3COOH+NaCN=CH3COONa+NaCN的离子反应式为CH3COOH+H+=CH3COO-+HCN
∴假设该反应为可逆反应，其
同理，该反应也是不可逆的反应。可见，凡是强酸与弱碱盐的反应，其的值总大于1，这样的反应可以发生，并且比值越大，反应程度越大。同样的道理，强碱也可以制出弱碱，例如，反应NaOH+NH4Cl=NH3·H2O+NaCl发生，其逆反应就不存在。
例2 反应H2S+CuSO4=H2SO4+CuS↓违反了上述规律，为什么程度却很大？
解析：表面上看该反应是很弱的酸（氢硫酸）制出了强酸（硫酸），不应该存在。但该反应可以认为由以下过程叠加而成：（1）H2S（aq）H+（aq）+HS-（aq） Ka1=1.3×10-7;
（2）HS-（aq）H+（aq）+S2-（aq） Ka2=7.1×10-15;（3）CuS（s）====Cu2+（aq）+S2-（aq） Ksp=6.3×10-36。
∴（1）+（2）-（3）得：H2S（aq）+Cu2+（aq）=2H+（aq）+CuS（s）
显然，在生成极难溶于水的CuS推动下，弱酸（氢硫酸）制出了强酸（硫酸）。看似反常情况其实属于正常。
例3 请解释沉淀转化为何一般总是溶解度小的沉淀转化为溶解度更小的沉淀容易实现，且溶解度差异越大，转化越容易，如Mg（OH）2转化为Fe（OH）3？
解析：Mg（OH）2转化为Fe（OH）3的离子方程式为：3Mg（OH）2+2Fe3+====3Mg2++2Fe（OH）3
∴若该反应为可逆反应，其
反应的完成趋势大得惊人。
综上所述，溶液中非氧化还原反应型离子反应的方向可以由确定反应的平衡常数K的大小来判定，确定平衡常数K的能力是《化学反应原理》中平衡思想的关键能力，反映着学生是否真正对平衡思想理解和融会贯通了，也是新高考将来必考的能力。
2 判断溶液中粒子浓度大小或水解盐溶液的酸碱性
应用平衡常数的定量化功能，可以帮助判断溶液中粒子浓度大小或水解盐溶液的酸碱性。
例4 请确定NaH2PO4溶液的酸碱性，并排出粒子浓度的顺序来。
解析：NaH2PO4溶液中存在的过程如下（一定要按程度由大到小的顺序排列）：
（1）NaH2PO4=Na++H2PO4-
（2）H2PO4-H++HPO42- Ka2=6.3×10-8
（3）H2PO4-+H2OH3PO4+OH-
（4）HPO42-H++PO43- Ka3=4.2×10-13
（5）H2OH++OH- KW=1.0×10-14
又∵影响溶液酸碱性的过程（2）（3）（4）中Ka2>>Kh>Ka3
∴NaH2PO4溶液中，c（H+）>c（OH-），溶液呈酸性（较强），依照以上由强到弱的变化趋势不难排出粒子浓度的顺序如下：c（Na+）>c（H2PO4-）>c（H+）>c（HPO42-）>c（OH-）>
c（H3PO4）>c（PO43-）。
可以看出，多元弱酸与强碱形成的酸式盐溶液的酸碱性取决于酸式盐阴离子水解程度与自身第一步电离程度的相对大小，可由酸式盐阴离子水解平衡常数Kh与盐酸式阴离子自身第一步电离平衡常数（不是相应酸的第一步电离，如H2PO4-的第一步电离平衡常数为Ka2，而不是Ka1）的相对大小来判定。
3 判断平衡移动方向
判断平衡移动方向，用平衡移动原理（又叫勒夏特列原理）或外界条件对平衡影响规律去解决比较合适，用平衡常数与浓度商或离子积的相对大小也可以做出判断，两种方法比较：前者抽象难理解，但掌握了以后用起来简便易行，后者刚好相反。所以刚开始学习平衡移动原理（又叫勒夏特列原理）或外界条件对平衡影响规律时，建议结合平衡常数的必要推导帮助学生过好原理的理解关。
例5 为什么在其他条件不变时，增大压强平衡会向着气体体积缩小的方向移动？
解析：已知，在一定条件下容积为V的密闭容器中反应aA（g）bB（g）达平衡时，（为了方便推导，这里只取一种反应物和一种生成物）。
某时刻瞬间将容器的容积减半（V→V/2），则压强加倍，A、B的浓度瞬间加倍，此时有：
反应体系的
∴当a 总之，在其他条件不变时，增大压强平衡会向着气体计量数和小的方向移动，减小压强平衡会向着气体计量数和大的方向移动，如果反应前后气体计量數和相等，平衡则不发生移动。 弱电解质稀溶液在稀释时电离平衡正向移动、溶液混合过程中难溶电解质是否析出沉淀等原理的理解与此类似，这里不再赘述。 以上，谈了笔者对平衡常数应用粗浅的认识，平衡常数的应用并不止这些，由于才疏学浅，可能挂一漏万，并没有将平衡常数神奇美妙之处充分地展现出来，希望有更多的人参与到挖掘平衡常数这一宝贵矿产的交流研讨中，丰富大家对平衡常数的认识，让平衡思想这一化学核心素养扎根学生的脑海。 参考文献 [1] 张云枝.化学平衡常数巧解平衡中的计算[J].教育现代化：电子版，2016（8）：258. [2] 戴琪琳.化学平衡常数与化学反应的方向与条件[J].中学教学参考，2014（14）：107. [3] 黎叶华.化学平衡常数的妙用[J].大东方，2015（12）：293.
