用好浓度商这把钥匙

所谓的浓度商,是指在任意时刻,生成物浓度的幂之积与反应物浓度的幂之积的比值(常用符号Qc表示)。借助浓度商Qc与平衡常数K的比较,定量判断可逆反应是否达到化学平衡状态或平衡的移动方向,有时给分析问题带来方便,有时是分析问题的必经之路。

一、解决定点问题

化学平衡中的有些问题,只能运用浓度商来定量分析解决。

1、判断双向投料时平衡的移动方向

【题1】在容积为1L的恒温密闭容器中充入1molCO2和3molH2发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)。测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如右***所示。若在上述平衡体系中再充0.5molCO2和1.5mol水蒸气(保持温度不变),则此平衡将移动(填“正向”、“不”或“逆向”)。

解析:由于同时增大反应物和生成物浓度,故运用平衡一定原理难以判断平衡移动的方向,若借助浓度商来解析,则问题迎刃而解。

根据***像中的数据,列三段式计算:

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

起始浓度(mol・L-1): 1 3 0 0

转化浓度(mol・L-1):0.75 2.25 0.75 0.75

平衡浓度(mol・L-1):0.25 0.75 0.75 0.75

该反应的平衡常数K=[c(CH3OH)・c(H2O)]/[c(CO2) ・c3(H2)]

=(0.75×0.75)/( 0.25×0.753) =16/3。

保持温度不变,在上述平衡体系中再充0.5molCO2和1.5mol水蒸气,则此时浓度商为:Qc=(0.75×2.25)/( 0.75×0.753) =16/3=K,故平衡不移动。

2、判断恒温恒压时平衡移动的方向

【题2】(2003年全国理综试卷第12题)某温度下,在一容积可变的密闭容器中,反应2A(g)+B(g) 2C(g)达到平衡时,A、B和C的物质的量分别为4moL 、2moL和4moL。保持温度和压强不变,对平衡混合物中三者的物质的量做如下调整,可使平衡右移的是()

A.均减半 B.均加倍 C.均增加1moL D.均减少1moL

解析:前提条件为保持温度和压强不变,选项A、B的投料与原平衡等效,平衡将不移动。对选项C,常出现这样的分析:将“均增加1moL”虚拟为先加入1molA、0.5molB、1molC,此时平衡不移动,再加入0.5molB,则平衡右移。这种分析存在的问题是:当继续增加0.5mol B时,B的浓度增大,但因为恒压,容器的体积增大,A、C的浓度因此降低,这样一来,平衡的移动方向就很难确定。正确的分析为:设容器的体积为V,则可计算该温度下的平衡常数K=V/2,均增加1mol后,由于恒压,体积增大为13V/10,此时浓度商Q=13V/30

3、判断沉淀的生成、溶解与沉淀溶解平衡的移动方向

通过比较溶度积常数(Ksp)与溶液中有关离子浓度的幂之积(即浓度商)可以判断在给定条件下沉淀的生成、溶解或转化,即利用溶度积规则判断。

(1)判断沉淀的生成

【题3】1、AgCl的Ksp=1.80×10-10,将0.002 mol・L-1的NaCl和0.002 mol・L-1的AgNO3溶液等体积混合,是否有AgCl沉淀生成?

解析:混合后,Qc=c(Cl-)・c(Ag+)=0.001×0.001=10-6>Ksp,有沉淀生成。

(2)判断沉淀的溶解

【题4】已知25℃时,Ksp[Fe(OH)3]=8×10―39,向Fe(OH)3沉淀中加入盐酸,使Fe(OH)3溶解后的c (Fe3+)达到1.0 mol・L-1,则应控制溶液的pH=。(已知lg5=0.7)

解析:要使沉淀溶解,则Qc=c(Fe3+)・ c3(OH-) ≤Ksp[Fe(OH)3],代入入数据计算得c (OH-)≤2×10―13,则c (H+)≥1.0×10―14/(2×10―13)=5×10-2,pH≤2-lg5=2-0.7=1.3。

(3)判断沉淀的转化

【题5】已知Ksp(AgCl)=1.8×10-10,Ksp(AgI)=1.0×10-16。AgCl若要在NaI溶液中开始转化为AgI,则NaI的浓度必须不低于。

解析:在AgCl饱和溶液中:c(Ag+)=√(K_(sp(AgCl)) )=√(1.8×〖10〗^(-10) )=1.34×10-5

要产生AgI沉淀,则Qc=c(I-) c(Ag+) >Ksp(AgI),代入入数据计算得c(I-)>Ksp(AgI)/ c(Ag+)=1.0×10-16/1.34×10-5=7.46×10-11 mol・L-1。

二、解释疑点问题

判断有些平衡的移动方向时,学生常常会出现模凌两可甚至是自相矛盾的情况,若运用浓度商来判断,则简单明确。举例如下:

1、向水中加入H2SO4后,水的电离平衡如何移动?

学生对此会产生两种完全对立的认识:一是认为加入H2SO4后使c(H+)增大,使水的电离平衡左移;二是认为加入H2SO4后,H+与OH-中和,使水的电离平衡右移。后者错误的原因在于忽视了H+与OH-中和的产物恰好是水,等同于反应逆向进行。若运用浓度商来解释,则简单明了:温度不变,Kw是常数,加入H2SO4,c(H+)增大,c(H+)・c(OH-)>Kw,故水的电离平衡左移。

2、向CH3COONa溶液中加入少量冰醋酸,醋酸钠的水解平衡如何移动?

与上述问题类类似,学生中存在两种完全相反的认识:一是认为加入冰醋酸后,c(CH3COOH)增大,使水解平衡左移;二是认为加入冰醋酸后,CH3COOH会与CH3COONa水解产生的OH-反应,使平衡平衡右移。用浓度商可解释为:加入冰醋酸,c(CH3COOH)增大,c(CH3COOH)・c(OH-)>Kh,故水解平衡左移。

三、定量解释平衡移动的有关规律

浓度(或压强)对化学平衡或转化率的影响规律,均可以运用浓度商进行定量解释,借此可以强化对平衡移动规律的理解。

1、加水稀释,为什么醋酸的电离平衡右移?

学生习惯于运用勒夏特列原理来解释该问题:加水稀释,使得溶液中溶质微粒的总浓度降低,平衡向着使溶液中微粒数增多的方向移动,即向电离的方向移动。

其实也可以借助浓度商来定量解释:醋酸的电离平衡为:CH3COOH CH3COO-+H+,Ka=c(CH3COO-)・c(H+)/・c(CH3COOH),设把溶液体积加水稀释m(m>1)倍,则此时Qc=ka /m

同理可以解释:(1)压强如何影响有气体参加或生成的可逆反应的化学平衡,(2)压强的变化对可逆反应aA(g)+bB(g) mM(g)+nN(g)(a+b=m+n)的平衡为什么没有影响。

2、为什么压强影响反应aA(g)+bB(g) mM(g)+nN(g)的平衡有三种情况?

设平衡时各组分的浓度为c(A)、c(B)、c(C)、c(D),则平衡常数为K=[ca(A)・cb(B)]/[cc(C)・cd(D)],再假设将容器体积压缩为原来的m倍,则此时:

Qc=[ma・ca(A)・mb・cb(B)]/[mc・cc(C)・md・cd(D)]

=ma+b-m-n・[ca(A)・cb(B)]/[cc(C)・cd(D)]

=ma+b-m-n・K

当a+b>m+n时,Qc>K,平衡逆向移动;当a+b=m+n,Qc=K,平衡不移动;当a+b

用好浓度商这把钥匙

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