前幾天，我?guī)椭艘晃划a(chǎn)后恢復(fù)幾天的女老師。 我以這個(gè)問(wèn)題為例給未來(lái)的高中生解釋一下。 就題目而言，這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有太多亮點(diǎn)。 新穎之處在于，它為學(xué)生提供了一種化學(xué)反應(yīng)速率的“新”表達(dá)方式——即用單位時(shí)間內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)分壓的變化來(lái)表達(dá)反應(yīng)速率。
要說(shuō)不新鮮，確實(shí)沒(méi)什么，因?yàn)檫@并不是第一次在高考題中用氣體分壓代替濃度。 2014年高考全國(guó)綜合科學(xué)第一卷第27題中，已經(jīng)有一道用氣體分壓代替濃度計(jì)算平衡常數(shù)的題。
摘自2014年高考全國(guó)綜合理科第一卷第27題
結(jié)果，課堂上發(fā)生了一件有趣的事情。 學(xué)得好的同學(xué)很順利地算出了正確的結(jié)果。
我進(jìn)一步問(wèn)：“為什么可以直接用氣體分壓而不用濃度計(jì)算呢？” 這難倒了那些問(wèn)答愛(ài)好者。 他們猶豫了很久才說(shuō)道：“因?yàn)槲以?014年就做過(guò)這樣的事情，我問(wèn)了平衡常數(shù)的問(wèn)題，所以我想既然可以用氣壓代替濃度來(lái)計(jì)算平衡常數(shù)，所以我就沒(méi)有了。”想了想，覺(jué)得用壓力來(lái)計(jì)算速率也是可行的。”
是的，這些都是我們的學(xué)生。 如果我沒(méi)有在課堂上問(wèn)這個(gè)問(wèn)題，也許他們已經(jīng)檢查完下面的答案了。 好吧，順便說(shuō)一句，這個(gè)問(wèn)題就過(guò)去了。 他們可能永遠(yuǎn)不會(huì)想到為什么我們可以使用氣體分壓而不是濃度來(lái)計(jì)算平衡常數(shù)和速率。
要解釋這個(gè)問(wèn)題，說(shuō)起來(lái)容易，用理想氣體狀態(tài)方程就可以了。
pV=nRT p=frac{n}{V}RT p=cRT
當(dāng)溫度一定時(shí)pc，這是我們用氣體分壓代替濃度的理論基礎(chǔ)。
但為什么我們的學(xué)生就不能回答呢？ 我想有兩個(gè)原因：第一，我們?cè)诟咭荒昙?jí)學(xué)習(xí)阿伏伽德羅定律及其推論時(shí)，主要使用的是公式pV=nRT。 而且，這個(gè)公式在高中化學(xué)課本上從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)，所以老師只介紹了公式的工具性一面，并沒(méi)有詳細(xì)討論公式的變形； 其次，老師在介紹壓力平衡常數(shù)K_{p}時(shí)，主要介紹的分壓計(jì)算方法是p_{i}=x_{i} p_{total}，而不是p_{i}=c_{i}RT。
我們的學(xué)生只知道一種計(jì)算分壓的方法，而不知道另一種，所以只能依靠“回答問(wèn)題”所獲得的經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決問(wèn)題，也就是學(xué)生所說(shuō)的——“因?yàn)橐郧白鲞^(guò)……” “所以沒(méi)有多想，我就覺(jué)得用壓力來(lái)計(jì)算速度也是可行的。”
那么我們的教學(xué)過(guò)程中是不是沒(méi)有機(jī)會(huì)引入pc的思想呢？我猜不是這樣的
【教學(xué)案例】用蒸餾水稀釋rm K_{2}Cr_{2}O_{7}溶液，預(yù)測(cè)溶液顏色的變化。
rm K_{2}Cr_{2}O_{7} 溶液存在平衡： rm Cr_{2}O_{7}^{2-}+H_{2}O 2CrO_{4}^{ 2-} +2H^{+}
當(dāng)溶液被稀釋的瞬間，各離子的濃度降低相同的倍數(shù)阿伏加德羅定律阿伏加德羅定律，即反應(yīng)物的濃度和產(chǎn)物的濃度都降低。 因此，利用勒夏特列原理不能定性地確定平衡運(yùn)動(dòng)的方向。
【理性思考】當(dāng)原溶液中的反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，各離子的平衡濃度為c({Cr_{2}O_{7}^{2-}})和c({H^{+} }) 分別為 c({CrO_{4}^{2-}})。 假設(shè)稀釋后溶液的體積增加到原來(lái)的n倍(1">n>1)，則稀釋時(shí)各離子的濃度變?yōu)樵瓉?lái)平衡濃度的frac{1}{n}。此時(shí)：
Q_{c}=frac{left[ frac{1}{n}c({CrO_{4}^{2-}}) right]^{2}left[ frac{1}{ n}c({H^{+}})right]^{2}}{ frac{1}{n}c({Cr_{2}O_{7}^{2-}})} =frac{1}{n^{3}}cdot K_{c}
即 Q_{c}，因此平衡向正向反應(yīng)的方向移動(dòng)。
【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】用蒸餾水稀釋重鉻酸鉀溶液，可以觀(guān)察到溶液由稀釋前的橙色變?yōu)橄♂尯蟮狞S色。 證實(shí)在稀釋過(guò)程中，橙紅色{Cr_{2}O_{7}^{2-}}減少，黃色{CrO_{4}^{2-}}增加，即反應(yīng)進(jìn)行正向反應(yīng)。
如果我們仔細(xì)分析上述變化過(guò)程，不難發(fā)現(xiàn)，用蒸餾水稀釋rm K_{2}Cr_{2}O_{7}溶液過(guò)程中的變化與通過(guò)rm Ar的變化類(lèi)似。氣體進(jìn)入合成氨系統(tǒng)中的恒壓裝置。 行為是一樣的。
稀釋溶液的行為與在恒壓條件下將Ar氣通入氨合成系統(tǒng)相同。
添加蒸餾水稀釋并在恒壓條件下充入Ar氣，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度降低相同倍數(shù)，反應(yīng)會(huì)向最能“削弱”這種變化的方向——增加的方向進(jìn)行平衡系統(tǒng)中的粒子數(shù)。 - 執(zhí)行。
從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，pc的思想已經(jīng)包含在里面了。
水或天空
展示的是荷蘭畫(huà)家埃舍爾的木刻作品《水還是天空》。 水中游動(dòng)的魚(yú)兒慢慢進(jìn)化成天空中飛翔的鳥(niǎo)兒。 相比之下，在空間中自由運(yùn)動(dòng)的氣體分子和在溶劑中游動(dòng)的溶質(zhì)粒子不是很相似嗎？ 這就是藝術(shù)品和化學(xué)概念的聯(lián)系方式。
