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化学平衡常数K的几个解题误区

2022-07-05丁艳

中学化学 2022年6期
关键词:平衡常数恒温转化率

丁艳

化学平衡常数K是表明化学反应进行程度的特征值。K值越大,反应正向进行的程度越大,平衡时反应物的转化率越大;反之,越小。初学者可能会出现这样的情况:在书写K的表达式时,把纯固体或纯液体代入;当浓度、压强发生改变时,根据平衡移动的方向来判断K发生改变,疏忽了K只受温度影响等等,这些属于浅表性的问题,能及时纠正。但是笔者发现学生对K进行综合应用时缺乏深层次理解,导致解题的误区。

误区一:“恒温恒压”当“恒温恒容”

例1(2019江苏高考题15)在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下,催化反应相同时间,测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图1中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是()。

A.反应2NO(g)+O2(g)=2NO2(g)的ΔH>0

B.图中X点所示条件下,延长反应时间能提高NO转化率

C.图中Y点所示条件下,增加O2的浓度不能提高NO转化率

D.380℃下,C起始(O2)=5.0x10-4mol· L—,NO平衡转化率为50%,则平衡常数K>2000

误解 D.设NO起始浓度为a mol/L,NO的转化率为50%,则平衡时NO、O2和NO2的浓度分别为0.5a mol/L、(5x10-4-0.25a)mol/L、 0.5a mol/L,根据平衡常数表达式

评析平衡时NO、O2和NO2的浓度分别是0.5amol/L、(5x10-4-0.25a)mol/L、0.5a mol/L 吗?这是恒温恒压体系,反应后体积减小,浓度发生变化,这种解法不准确。这个过程错把“恒温恒压”体系当成“恒温恒容”体系来做,导致浓度的误判。笔者提出了自己的观点:

设NO起始物质的量为amol,NO的转化率为50%,平衡时n(NO2)=n(NO),同一容器,体积相同,则c(NO2)=c(NO)。根据pV=nRT,两边除以V得p=cRT,p、T不变,R为常数,因此容器中总浓度c不变,c=c(NO2)+c(NO)+ c(O2);该反应

2NO(g)+O2(g)-2NO2(g)

在恒温恒压条件下反应,反应后V减小,则c(NO2)+c(NO)变大;因为总浓度c不变,因此c(O2)变小,c(O2)<5.0x10-4mol·L-',K>2000。

误区二:“比值投料”当“真实投料”例2将H2和CO以

(A)=2的方式充入1L的恒容密闭容器中,一定条件下发生反应:

4H2(g)+2CO(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) 100

测得CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图2所示。下列说法正确的是()。

A.该反应的ΔH>0

B.压强大小:P1C.在316℃时,该反应的平衡常数为0.25

D.若在p3和316℃时,起始(A)=3时,则达到平衡时,CO转化率大于50%

误解 C.设H2、CO起始物质的量分别为2 mol、1 mol,体积为1L,则起始浓度分别为2 mol/L、1 mol/L。316℃时,CO平衡转化率为 50%,则

评析若投料改变为4mol、2mol时,CO平衡转化率为50%,计算得到的K≠0.25。温度一定,K一定。而两次得到的K不同,这样的错误还是对“转化率”的理解不到位。投料不同时,CO平衡转化率还为50%吗?起始投料不同,转化率是不同的。转化率为50%对应着特定的起始投料,这个起始投料是多少?根据题意无法确定。因此该题无法求得K。

误区三:“进行程度”当“进行快慢”

例3 甲同学向HNO3酸化的0.05 mol·L—1AgNO3溶液(pH≈2)中加入过量铁粉验证反应:

Fe+2Ag*==Fe2++2Ag

充分反应后生成黄色溶液,试管底部有黑色固体。

对黄色溶液成分进行检测:取样,滴加KSCN溶液,溶液变红,同时有白色沉淀产生(资料:Ag+与SCN—生成白色沉淀AgSCN)。溶液颜色深浅、沉淀量多少与取样时间有关,对比实验记录如下:取样时

进一步查阅资料发现,溶液变黄是Ag+氧化Fe2+的结果,AgNO,溶液与过量Fe涉及到三个互相竞争的反应:

①Fe+2Ag+Fe2++2Ag K1≈1042

②Ag++Fe2+→Fe3++Ag K2≈3

③2Fe3++Fe=-3Fe2+K3≈104

結合以上信息,这三个反应中速率最快的是(填序号)。

误解反应K1>K3>K2,K,最大,①速率最快。

评析注意概念区别:化学反应速率是用来衡量化学反应进行的快慢。化学平衡常数K是用来衡量化学反应进行的程度。反应①、反应③的K均很大,认为两个反应完全进行;反应②的K小,反应进行程度小。

观察现象分析。先分析白色沉淀:i产生大量AgSCN白色沉淀,而反应①②都消耗Ag+,表明虽然反应①进行程度大,但是速率慢,导致Ag+消耗得少,反应②无论快慢,由于进行程度小,短时间内消耗得Ag+也少,所以在较短时间内,还能产生大量白色沉淀;白色沉淀越来越少,因为反应①②都消耗Ag,时间长了后,Ag+浓度减少,生成白色沉淀减少。再分析红色溶液:ii比i红色深,说明Fe3+多了,是因为反应②生成Fe3+的速率大于反应③消耗Fe3+的速率;iii比ii红色浅,虽然反应③速率慢,但是时间长了,而且反应③进行程度大,导致消耗Fe3+多。

判断化学反应速率不可根据化学平衡常数,两者是两个完全不同的概念,代表不同的领域。化学平衡常数是热力学,化学反应速率是动力学。互相竞争的平行反应的结果,不仅取决于化学反应的限度,还取决于化学反应速率。

化学平衡常数是表征化学反应限度的物理量,是高考必考知识点。为避免这些误区的发生,教师要加强教学研究,一要帮助学生理清相关知识的联系与区别,二要有清晰的解题思路、严谨的解题方法来引导学生,三要活络学生的思维,提高学生的化学学科思辨能力。

基金项目:本文系课题“高中化学定义性概念情境学习的教学实践研究”的研究成果。

(收稿日期:2022—04—06)

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