谈谈压强对于化学平衡的影响

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1、第 1 页,共 6 页谈谈压强对于化学平衡的影响 先看看中学化学教科书上是怎么说的： 全日制普通高级中学教科书（必修加选修） 化学 第二册 【人民教育出版社化学室编著 人民教育出版社 2007 年 1 月 第 2 版 】P38： 我们可以合成氨反应为例来说明压强对化学平衡的影响： N2(g)3H2(g)2NH3(g) 在该反应中，1 体积 N2与 3 体积 H2反应生成 2 体积 NH3， 即气态物质的总体积发生了变化，反应后气体总体积减少了。表 2-1 列入的是 450时 N2与 H2反应生成 NH3的实验数据。表表 2-1 450时时 N2与与 H2反应生成反应生成 NH3的实验数据的实验

2、数据 压强/MPa15103060100NH3 / %2.09.216.435.553.669.4从上述实验数据可以看出，对于反应前后气体总体积发生变 化的化学反应，在其它条件不变的情况下，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： 2HI(g) H2(g) I2(g)（2 体积） （1 体积） （1 体积） 在这种情况下，增大或者减小压强都不能使化学平衡发 生移动。 * 实验数据好像很明显地验证了结论的正确性，但是增 大压强的确切意思并未明确地揭示出来。 再来看：普通高

3、中课程标准实验教科书 化学 选修 4 化 学反应原理 【人民教育出版社 课程教材研究所 化学课程教第 2 页,共 6 页材研究开发中心 编著 人民教育出版社 2007 年 2 月第 3 版】 P21：正数第五行：对于气体反应来说，增大压强（减小容器 容积） 减小压强（增大容器容积） * 这几句话虽然是针对反应速率说的，但实际上谈到 对化学平衡的影响时，意义也是一样的【注意括号中的内容！ 】 讨论一下上面的内容： 合成氨工业上是怎样增大气体压强的呢？合成氨时，是用压 缩机把氮氢混合气（一般为物质的量之比为 1 ：3） ，压入合 成塔中，合成塔的容积是一定的，所以增大压强就是继续往 进鼓气，也就是

4、说，如果 1MPa 时，合成塔中一共有 amol 混 合气的话，5MPa 时，合成塔中一共就得有 5amol 混合气 【此时，氮气、氢气的浓度都是都是 1MPa 时的 5 倍！】 ，根据测 出的氨气的体积分数，可以知道，该反应在（温度都是 450）5MPa 压强下的平衡点比 1MPa 压强下的平衡点靠右。 也就是说如果我们把 1MPa 压强下的 5 个合成塔中的平衡混 合气，压入一个合成塔中【也就是相当于减小反应容器的容 积】 ，氨气的平衡体积分数也能够从 2.0%增大到 9.2% 。结 合选修 4 上面的内容，我们可以确定：在讨论压强对化学平 衡的影响时，增大压强的确切意思是：1、确实减小（

5、压缩）减小（压缩） 反应器的容积反应器的容积【比如有活塞的反应器】 ；2、相当于减小（压 缩）反应器的容积【比如同等比例地增大平衡混合物中各种同等比例地增大平衡混合物中各种 气体的浓度气体的浓度】 。合起来看：所谓增大压强的实质就是所谓增大压强的实质就是同等程度同等程度 地地增大平衡体系中的所有气体的浓度。增大平衡体系中的所有气体的浓度。 ？ 反应器容积不变，充入惰性气体，为什么不能认为是增 大压强？ ！ 反应器容积不变，充入惰性气体，容器中气体的总压强 确实增大了，但是平衡体系中的气体反应物，气体生成物的 浓度并没有增大，正反应速率，逆反应速率都不发生改变， 平衡不会移动，所以，不能认为是增

6、大压强！不能认为是增大压强！第 3 页,共 6 页？ 保持压强不变，充入惰性气体，为什么认为是减小压强？所谓“压强不变”是指容器中气体的总压强不变，这样一来， 必须一边充入惰性气体，一边增大反应器的容积增大反应器的容积，这会使得 平衡体系中的所有气体的浓度减小，平衡体系中的所有气体的浓度减小，其实质与减小压强是一 样的，所以，必须按照减小压强来考虑。 综合以上两点：充入惰性气体【与反应无关的气体】 ，就当没 有这回事，只考虑题设条件下反应器的容积变化即可。 ？ 合成氨反应的平衡体系，如果温度、容积不变，充入氨 气，平衡究竟是向哪个方向移动？应该按照浓度考虑？还是 应该按照压强考虑？ ！ 这个问

7、题如果看懂了上述内容，应该是不成问题的了。 因为充入氨气，不能够“同等程度地同等程度地增大平衡体系中的所有增大平衡体系中的所有 气体的浓度气体的浓度” ，所以绝不能按照压强考虑！按照浓度考虑， 平衡左移。？ 可是，解释某些题目时，好像说是“相当于增大了压强” ，是什么意思？ ！ 这种情况出现在直接按照实际移动方向，无法得到明确 答案的题目中。比如确定氢气的体积分数怎样变化。因为根 据实际移动方向-左移，得到的是，氢气物质的量增大【左 移造成】 ，气体的总物质的量也增大【左移和加入氨气共同 造成】 ，就无法确定氢气的体积分数怎样变化。这时候，利 用等效平衡的知识，假想假想一条与实际情况途径不同，

8、但是最途径不同，但是最 终结果相同终结果相同的虚拟途径：把要加入的氨气先充入一个与原来 的反应温度相同，容积适当（能够达到与原来的平衡等效） 的容器中，分解并且达到平衡【此平衡体系与原来的平衡体 系完全相同，即氢气的体积分数等都相同。 】然后，把这个 容器中的混合气压入原来的反应器中【注意，此时充入的是 三种气体都有的平衡混合物，而不是题目中说的纯氨气】 ， 此时，各组分的浓度都同等程度地增大，相当于增大压强第 4 页,共 6 页【注意，这是假想的！】 ，平衡右移【注意，这是假想的！】 ， 所以氢气的体积分数减小。 【这里还有一点小问题：右移时虽然氢气的物质的量减 小了，但是气体的总物质的量也

9、是减小了，怎么能够确定氢 气的体积分数是减小了？这是因为右移时，氢气减少 3 的时 候，气体总量减少 2.也就是说，在一个真分数（氢气的体积 分数小于 1）的分子上减去 3，分母上减去 2 的时候，分数 的值肯定是变小。 】 综上所述，如果是同等程度地改变各组分气体的浓度，综上所述，如果是同等程度地改变各组分气体的浓度， 就应该按照压强考虑；如果不是同等程度地改变各组分气体就应该按照压强考虑；如果不是同等程度地改变各组分气体 的浓度（比如改变一种或者部分几种）的浓度（比如改变一种或者部分几种） ，就应该按照浓度考，就应该按照浓度考 虑。虑。 ？ 在 500时，一个固定容积的密闭容器中，发生合成

10、氨 的反应，达到平衡时，氮气、氢气、氨气的物质的量之比为 1 ：2 ：1，现在再向其中加入 1mol 氮气，2mol 氢气，1mol 氨气，我知道平衡是向右移动，也就是向气体体积减小的方 向移动。问题是：反应器不是固定容积吗？怎么会“向气体 体积减小的方向移动”？ ！ 是的，这也是不少同学的疑问。首先说明，上题中平衡 右移无疑问是正确的。平衡移动时，反应器的容积是不会减 小的。所以，问题在于“向气体体积减小的方向移动”这句 话。如果我们说成“向气体的物质的量减小的方向移动”或 者“向气体分子数减小的方向移动” ，是不是就没有问题了呢？ 是吧。可见那个“向气体体积减小的方向移动”是会引起误 解的

11、。但是为什么有许多人（包括上面的教科书）这样说呢？ 这是因为根据阿佛加德罗定律：同温、同压下，气体的体积 与物质的量成正比。也就是说，平衡移动的方向是：如果气 体处于同温同压下，则是向气体体积减小的方向移动。看得 出来，人们这样说，是默认了“如果气体处于同温同压下” 这个假设的前提的。为了避免混淆，我们以后不再说：增大第 5 页,共 6 页压强，平衡向气体体积减小的方向移动。而说：增大压强，增大压强， 平衡向向气体的物质的量减小的方向移动；或者说向气体分平衡向向气体的物质的量减小的方向移动；或者说向气体分 子数减小的方向移动。子数减小的方向移动。 ？ 一定温度下，合成氨的平衡体系，如果增大压强

12、，不是 正反应速率增大，逆反应速率也增大吗，为什么平衡会右移？！ 这个问题，我们用平衡常数来解释一下。我们知道一定 温度下，在合成氨的平衡体系中，有：C (NH3)2K = C (N2)C (H2)3假设把反应器的容积压缩至原来的一半，此时（平衡移动开始 以前）三种气体的浓度都成为原来的 2 倍，上式变为（用 Q 表 示，叫做反应商）：2C (NH3)2 4 C (NH3)2Q = = 2C (N2)2C (H2)3 2C (N2)8C (H2)31 C (NH3)2 1= = K4 C (N2)C (H2)3 4由于温度没有改变，所以 K 不变，所以反应就应该使那个 Q 的 分子变大，分母减

13、小【即向趋近 K 的方向变化】 【肯定同时改变， 不可能只改变分子或者只改变分母。 】 ，也就是说，氨气浓度要 增大，氮气、氢气浓度要减小，即右移。 ？ 上题中，达到新的平衡以后，与原来的平衡态比较，是第 6 页,共 6 页氨气的浓度增大了，氮气、氢气的浓度减小了吗？！ 不是。都是增大了。这也可以用平衡常数解释：氨气 浓度增大是肯定的【因为 1、反应器体积减小了；2、平衡右移， 生成的氨气物质的量增加了。 】 ，平衡常数表达式中分子增大了， 分母也必须增大，才能保持分数值不变，所以氮气、氢气的浓 度也都是增大了【改变压强造成的平衡移动，不可能使它们不 发生同时同样的改变。 】根据温度一定时，平

14、衡常数不变，可以 推出以下结论：（证明略）改变压强造成平衡移动时，增大压强，各气体组分的平衡改变压强造成平衡移动时，增大压强，各气体组分的平衡 浓度增大；减小压强，各气体组分的平衡浓度减小。与平衡是浓度增大；减小压强，各气体组分的平衡浓度减小。与平衡是 否移动以及移动方向无关。否移动以及移动方向无关。 ？ 改变压强造成平衡移动时，反应物的转化率如何改变？！ 这个简单：右移增大；左移减小；不移不变。因为改变压强造成平衡移动时，反应物的起始总量没有改变， 所以有如上简单结论。 ？ 可是就像上面说的，把合成氨的平衡体系加压，平衡右 移，氮气、氢气的转化率应该增大吧？但是它们的平衡浓度比 原来的平衡浓度是增大了呀，这怎么解释？ ！课本（选修 4）P29 下面给出的转化率计算公式，适用于 恒容反应！对于变容反应，公式中的浓度都应该改为物质的量。 改变压强造成平衡移动时，对于气体的密度，平均摩尔质量， 气体体积分数等的影响，参见有关内容，这里不再重复。