無機化學教學中化學平衡問題的探析

【摘要】化學平衡是無機化學教學中的一個重要概念，本文將化學平衡的含義、特征以及與之密切相關的平衡常數、轉化率、平衡移動定律、多重平衡在酸堿平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡、氧化還原平衡中的具體應用情況進行了歸納和總結，旨在幫助初學者加深對這部分內容的理解和掌握。

【關鍵詞】平衡體系 無機化學 平衡常數 平衡濃度

無機化學是化學、材料、醫藥、化工、檢驗等許多專業必修的一門重要基礎課程，也是學習分析化學、有機化學、物理化學的前提和基礎。系統的無機化學主要包括化學原理和元素兩大部分，其中化學原理是大多數專業學習無機化學這門課程時的重點內容。有關于化學平衡問題的理論和計算是化學原理的核心部分，在無機化學的學習中占有十分重要的地位。無機化學中涉及到化學平衡內容有諸多章節，按其從屬關系可以分為總論和分論。化學平衡就是總論；分論包括酸堿平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡、氧化還原平衡，這些內容是化學平衡在各自平衡體系中的具體體現和應用。現階段大部分出版的無機化學教材針對這部分內容都是分章節介紹，涉及到常數、公式和原理太多，學生在學習階段難以將相關內容進行聯系融合，掌握有一定難度。教學研究發現，在學習完分論——四大平衡以后，應及時將其與前面總論化學平衡內容進行對比、歸納和總結，找出它們之間的共性和特性，將會有助于幫助學生理解這部分內容。

一、化學平衡的基本含義和特征

1.基本含義

在一定條件下，絕大多數化學反應都是可逆反應，即該反應只能進行到“某一程度”就達到反應的終點。此時反應物的消耗速度和產物的生成速度相等，形成一個動態平衡，該平衡狀態我們稱之為化學平衡。化學平衡的基本含義還包括：化學平衡是可逆反應所能進行的最大限度，達到平衡狀態時系統的組成不再隨時間而變化；平衡常數是狀態函數，因此系統的組成與達到平衡狀態的途徑無關；化學平衡是動態的、有條件的、相對的，當條件發生改變時，平衡就會發生移動，建立與新條件相適應的新平衡。

2.特征

(1)平衡濃度

化學平衡所闡述的具體含義是指可逆反應在一定溫度下達到平衡狀態時，各反應物的濃度與產物的濃度存在一定關系，即“平衡濃度”之間的關系。生成物平衡濃度冪之積與反應物平衡濃度冪之積的比值稱為這一反應的平衡常數。這是解決與此相關的酸堿平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡、氧化還原平衡計算的必要前提。為此，我們還需要了解與平衡濃度相關的起始濃度和變化濃度，明確這三種濃度之間的關系，即起始濃度任意值，變化濃度有比例，平衡濃度相制約。

(2)經驗平衡常數和標準平衡常數

化學反應平衡常數，是表明反應達到最大限度的特征值，可分為經驗平衡常數K和標準平衡常數。兩者在定義和表達形式上雖然相似，但含義卻有很大差異。經驗平衡常數又稱實驗平衡常數，是由實驗測定而獲得的，根據反應類型不同及體系達到平衡時各物質濃度表示方法的差別，可分為濃度平衡常數K，和壓力平衡常數K。。經驗平衡常數通常具有量綱，對于有氣體和溶液同時參加的反應，量綱極為復雜，因此在使用時十分不便。標準平衡常數的表示是以平衡濃度(或平衡分壓)與標準濃度(或標準壓強)的比值(即相對濃度)來代替平衡濃度，從而達到一個無量綱的平衡常數，它同樣可以表達體系達到平衡時各物質的濃度關系，而且使用更為簡潔方便。此外，標準平衡常數標準一致，有對應關系，因此使用更為廣泛。

此外，在使用平衡常數時我們還需要注意以下幾點：平衡體系中固體、純液體以及稀溶液中溶劑水的濃度(活度)都近似，因此它們都不會出現在平衡常數的表達式中；平衡常數是溫度的函數，溫度不變，平衡常數不變；同一化學反應，在同一溫度下，平衡常數的具體數值與方程式的寫法有關，寫法不同，表達式中的指數不同，平衡常數不同；平衡常數是表示化學反應進行程度的一個定量標度，利用平衡常數的大小比較不同反應進行的程度時，各反應的化學計量數必須相同，否則可能得出錯誤結論。

二、化學平衡在各類平衡體系中的具體應用

在實際應用中，化學平衡常常涉及包括平衡常數、轉化率、平衡移動定律和多重平衡等具體問題，這也是掌握化學平衡的重點和難點。下面將詳細討論這些問題在酸堿平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡、氧化還原平衡中的具體應用。

1.標準平衡常數

在總論化學平衡體系中，標準平衡常數一般用來表示。在分論酸堿平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡、氧化還原平衡從反應類型上來說都屬于離子反應。因此反應的標準平衡常數一般用來表示，隨著反應體系的不同，的具體含義也不同，列出了常用標準平衡常數在各平衡中的具體表示形式。在酸堿平衡體系中，經常討論的是水的解離平衡和弱酸、弱堿的解離平衡，平衡常數的表示分別為《研究的側重點是各種復雜體系中溶液蚶值的計算。在沉淀溶解平衡中，判斷多離子共存溶液中沉淀的生成與溶解是計算的重點，衡量的標準就是平衡溶液體系中反應商J與離子積常數的大小。在配位平衡反應中，分別表示配合物的不穩定常數和形成常數，其數值大小分別表示配合物分解或是形成反應趨勢的大小。在電化學氧化還原平衡中，常常考察的具體重點是利用各種反應的電極電勢來計算相應的標準平衡常數。

2.平衡轉化率

對于一般可逆反應，除了標準平衡常數以外，有關化學平衡轉化率的概念也比較多。雖然在不同平衡體系中的叫法各不相同，但是其本質都是一樣的，表示某物質達到平衡時已經轉化的濃度與起始濃度的比值。例如，酸堿平衡體系中的弱酸弱堿的解離度和鹽的水解度；沉淀溶解平衡中的溶解度等。平衡常數與平衡轉化率之間也存在一定關系，一般來說，反應的平衡常數。越大，平衡轉化率也就越大。另一方面，只要化學反應計量方程式與的表達式相匹配，平衡轉化率也可以確定反應程度的相對大小。

3.平衡移動定律

前面的討論我們已知建立化學平衡的條件是相對的，體系的外界條件發生改變，平衡就會發生移動。勒夏特列(Le Chatelier)原理從定性的角度詳細闡述了平衡移動的普遍原理。勒夏特列原理在四大平衡體系中主要是考慮濃度因素——反應商J對于平衡移動的影響，一旦平衡濃度發生改變，平衡必然發生移動。平衡移動的方向主要是考慮反應商J與標準平衡常數的大小，在酸堿平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡反應中影響平衡移動的因素通常分別為溶液pH、pOH值的改變、溶度積的改變和配合物生成與溶解；在氧化還原平衡體系中，濃度改變直接體現在電極電勢的數值，因此電極電勢的改變直接反應出平衡的移動。平衡移動的結果是建立新的平衡體系，最終使得正向和逆向反應速度相等并且反應的對于氧化還原平衡而言則是。

4.多重平衡

以上討論的標準平衡常數、平衡轉化率和平衡移動定。