化学教与学 2018年第 7期
勒夏特列原理是一个经过反复验证,可以用于判
断平衡移动方向的经验定律,2007 年第 39 届国际化
学奥林匹克竞赛预备试题第7题考查了勒夏特列原理
的应用,题目内容如下:处于平衡状态的系统对于扰
动 的 反 应 ,总 是 倾 向 于 消 除 其 效 应(P.W.Atkins
“Physical Chemistry”)。让我们看看如何应用此原
理,考虑由下列几种理想气体的反应所建立的化学平
衡:N
2
(g)+3H
2
(g)
2NH
3
(g)。在温度 T=400K 时,
反应物和产物的分压分别是 p(H
2
)=0.376bar,p(N
2
) =
0.125 bar,p(NH
3
)=0.499bar。对此平衡状态,进行下列
几种扰动:(a)恒温下,增加体系的总压力;(b)恒温恒压
下,增加体系中NH
3
的量;(c)恒温恒压下,增加体系中
N
2
的量;(d)恒温恒压下,增加体系中H
2
的量。
(1)加入如 (a)-(d) 所述的扰动后,平衡会向何
方向移动?
(2)假定体系的温度与总压力与问题(1)相同,而
将体系的初始平衡分压改为:p(H
2
)=0.111bar,p(N
2
)=
0.700bar,p(NH
3
)=0.189bar,问题(1)的答案是否会改
变?(说明:1bar=0.1MPa)
本题考查的是密闭体系中,恒温恒压条件下对合
成氨反应中充入 NH
3
、N
2
或 H
2
时平衡移动方向的判
断,原题中还有两个小问题,考查的内容是反应吉布
斯自由能的计算和化学反应等温式,这两部分内容在
高中化学中均未涉及,故不予讨论。有文献
[1~2]
讨论
过恒温恒压条件下增加反应物或生成物的量时合成
氨反应的平衡移动方向的一般结论,但从本题中两个
小问题的初始条件对比可以看出原平衡状态的组成
可能会对平衡移动方向产生影响,本文尝试解析原题
并主要对这一问题展开讨论。
一、平衡移动方向的判断
(a)恒温下,增加体系的总压力
合成氨反应是一个气体的物质的量减小的反应,
根据勒夏特列原理,对于一个已经处于平衡的合成氨
反应体系,恒温下增加体系的总压强时,平衡会向压
强减小的方向移动,即向正反应方向移动。故直接应
用勒夏特列原理可以判断出在问题(1)和(2)中对平
衡体系加入(a)所述的扰动后,平衡均向正反应方向
移动。
(b)恒温恒压下,增加体系中NH
3
的量
在温度和体系总压力保持不变的前提下向平衡
体系中充入 NH
3
、N
2
或 H
2
的过程必然导致体系体积增
大(见图 1,假设反应体系体积从 V 增加到 xV),此时不
能简单地根据勒夏特列原理判断平衡的移动方向。
n
2
(N
2
)
n
2
(H
2
)
n
2
(NH
3
)
恒温恒压充入气体
V xV
n
1
(N
2
)
n
1
(H
2
)
n
1
(NH
3
)
Ⅰ Ⅱ
过程1
恒温扩大
体积
过程2
恒温恒容
充入气体
Ⅰ Ⅱ′ Ⅱ
V xV xV
n
1
(N
2
)
n
1
(H
2
)
n
1
(NH
3
)
n
1
(N
2
)
n
1
(H
2
)
n
1
(NH
3
)
n
2
(N
2
)
n
2
(H
2
)
n
2
(NH
3
)
恒温恒压下合成氨反应平衡移动的讨论
王延广
(金陵中学 江苏 南京 210005)
摘要:从定性到定量讨论了合成氨反应在恒温恒压条件下增加 NH
3
、N
2
或 H
2
的量时化学平衡移动的方向,得出如下结
论:增加 NH
3
的量时平衡逆向移动;增加 H
2
的量时平衡正向移动;增加 N
2
的量时,若原平衡状态中 N
2
的物质的量分数大
于或等于 1/2,平衡逆向移动,若原平衡状态中 N
2
的物质的量分数小于 1/2,平衡可能正向移动、逆向移动或不移动,且平
衡移动方向由增加的 N
2
的量和原平衡体系各组分的物质的量决定。
关键词:合成氨反应;化学平衡;平衡移动;勒夏特列原理
文章编号:1008-0546(2018)07-0054-03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2018.07.018
图 1 恒温恒压充入气体的过程
图 2 恒温恒压充入气体的等效过程
·试题研究·
—— 54
化学教与学 2018年第 7期
可以构建一个中间状态Ⅱ′,将恒温恒压下充入
气体的过程分为两个子过程(见图 2):首先恒温扩大
气体体积,使气体体积从 V 变成 xV(过程 1),然后在恒
温恒容条件下,向反应容器中充入 NH
3
、N
2
或 H
2
至压
强与原容器中气体压强相同(过程 2)。在过程 1 中只
减小了体系压强,在过程 2 中只增加了反应物或产物
浓度,对于这两个过程都可以利用勒夏特列原理判断
平衡移动方向,总过程的平衡移动方向应是两个子过
程移动方向的综合,结果见表 1。
可以看出:恒温恒压下增加 NH
3
会导致体系的
体积增大,压强和浓度两种因素的作用方向相同,均
使平衡向逆反应方向移动,所以在问题(1)和(2)中
对平衡体系加入(b)所述的扰动后,平衡均向逆反应
方向移动;恒温恒压下增加 N
2
或 H
2
会导致体系的体
积增大,压强和浓度两种因素的作用方向相反,究竟
哪种因素起主导作用就不能简单下结论了,不能定
性判断平衡移动方向,所以原题中对平衡体系加入
(c)或(d)所述的扰动后,平衡移动方向不能根据勒
夏特列原理定性判断,需要进行定量计算确定化学
平衡移动方向。
(c)恒温恒压下,增加体系中N
2
的量
如图1,对于化学平衡状态Ⅰ,气体体积为V,假设
体系中气体的总物质的量为 n
1
,则 n
1
=n
1
(N
2
)+n
1
(H
2
)+
n
1
(NH
3
)。
对于化学平衡状态Ⅰ,平衡常数表达式为:
K
c
=
c
2
(NH
3
)
c(N
2
)∙c
3
(H
2
)
=
æ
è
ç
ö
ø
÷
n
1
(NH
3
)
V
2
æ
è
ç
ö
ø
÷
n
1
(N
2
)
V
∙
æ
è
ç
ö
ø
÷
n
1
(H
2
)
V
3
=
n
1
2
(NH
3
)
n
1
(N
2
)∙n
1
3
(H
2
)
× V
2
恒温恒压下充入气体得到状态Ⅱ,其气体体积为
xV,假设体系中气体的总物质的量为 n
2
,则n
2
=n
2
(N
2
)+
n
2
(H
2
)+n
2
(NH
3
),且n
2
=xn
1
。
对于状态Ⅱ,体系的浓度商表达式为:
Q
c
=
c
2
2
(NH
3
)
c
2
(N
2
)∙c
2
3
(H
2
)
=
æ
è
ç
ö
ø
÷
n
2
(NH
3
)
xV
2
æ
è
ç
ö
ø
÷
n
2
(N
2
)
xV
∙
æ
è
ç
ö
ø
÷
n
2
(H
2
)
xV
3
=
n
2
2
(NH
3
)
n
2
(N
2
)∙n
2
3
(H
2
)
× V
2
× x
2
在恒温条件下,合成氨反应的平衡常数保持不
变,为判断平衡移动方向,只需要比较 Q
c
和 K
c
的相对
大小。
若在恒温恒压下,增加体系中N
2
的量,则体系中H
2
和NH
3
的物质的量不变,有如下关系:n
2
(H
2
)=n
1
(H
2
);
n
2
(NH
3
)=n
1
(NH
3
);n
2
(N
2
)=n
2
-n
2
(H
2
)-n
2
(NH
3
)=xn
1
-
n
1
(H
2
)-n
1
(NH
3
)。
故有如下关系:
Q
c
K
c
=
n
2
2
(NH
3
)
n
2
(N
2
)∙n
2
3
(H
2
)
× V
2
× x
2
n
1
2
(NH
3
)
n
1
(N
2
)∙n
1
3
(H
2
)
× V
2
=
n
1
2
(NH
3
)
n
2
(N
2
)∙n
1
3
(H
2
)
× x
2
n
1
2
(NH
3
)
n
1
(N
2
)∙n
1
3
(H
2
)
=
x
2
× n
1
(N
2
)
n
2
(N
2
)
=
x
2
× n
1
(N
2
)
xn
1
- n
1
(H
2
)- n
1
(NH
3
)
=
x
2
× n
1
(N
2
)
x[n
1
(N
2
)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)]-n
1
(H
2
)- n
1
(NH
3
)
令
y = n
1
(N
2
)x
2
-[n
1
(N
2
)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)x
+(n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)]
变形可得 y = n
1
(N
2
)(x -
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)
n
1
(N
2
)
)(x - 1) 。
因为讨论的前提是恒温恒压条件下通入气体,故x
恒大于1。显然,平衡移动方向可以分两种情况讨论:
(1)
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)
n
1
(N
2
)
> 1 时,即原平衡状态中氮气
的物质的量分数小于 1/2 时,根据 x 的大小不同,y 有
三种不同的取值情况:
①若 1 < x <
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)
n
1
(N
2
)
,y<0,即
Q
c
K
c
=
x
2
× n
1
(N
2
)
x[n
1
(N
2
)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)]- n
1
(H
2
)- n
1
(NH
3
)
< 1 ,平
衡向正反应方向移动,此时,因 x =
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)+ n
2
(N
2
)
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)+ n
1
(N
2
)
<
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)
n
1
(N
2
)
,故 充 入 的 氮 气 的 物 质 的 量 小 于
(b)恒温恒压
充入 NH
3
(c)恒温恒压
充入 N
2
(d)恒温恒压
充入 H
2
过程 1
逆向
移动
逆向
移动
逆向
移动
过程 2
逆向
移动
正向
移动
正向
移动
总结果
逆向
移动
无法
判断
无法
判断
表 1 平衡移动方向的定性判断
·试题研究·
—— 55
化学教与学 2018年第 7期
(n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
))
2
- n
1
2
(N
2
)
n
1
(N
2
)
;
②若 x =
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)
n
1
(N
2
)
,y=0,即
Q
c
K
c
=
x
2
× n
1
(N
2
)
x[n
1
(N
2
)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)]- n
1
(H
2
)- n
1
(NH
3
)
= 1,
平 衡 不 移 动 ,此 时 充 入 的 氮 气 的 物 质 的 量 等 于
(n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
))
2
- n
1
2
(N
2
)
n
1
(N
2
)
;
③若 x >
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)
n
1
(N
2
)
,y>0, 即
Q
c
K
c
=
x
2
× n
1
(N
2
)
x[n
1
(N
2
)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)]- n
1
(H
2
)- n
1
(NH
3
)
> 1 ,平
衡向逆反应方向移动,此时充入的氮气的物质的量大
于
[n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)]
2
- n
1
2
(N
2
)
n
1
(N
2
)
。
通过上述分析可以得出如下结论:在原平衡状态
中氮气的物质的量分数小于 1/2 时,恒温恒压下充入
少量N
2
会使平衡向正反应方向移动,充入适量 N
2
可以
使平衡不移动,充入大量 N
2
却会导致平衡向逆反应方
向移动。
在真实的合成氨过程中,原料气中 N
2
和H
2
的物质
的量之比接近1:3,故平衡状态中N
2
的物质的量分数肯
定小于 1/4,在这种情况下,充入少量 N
2
会导致平衡正
向移动,但充入大量N
2
却会导致平衡逆向移动。
在问题(1)中,原平衡状态中 T=400K,反应物和
产物的分压分别是 p(H
2
)=0.376bar,p(N
2
)=0.125bar,
p(NH
3
)=0.499bar,显然氮气的物质的量分数小于 1/2,
此时对平衡体系加入(c)所述的扰动后,平衡可能向
正反应方向移动,可能不移动,也可能向逆反应方向
移动,平衡移动方向由原平衡体系的组成和加入的氮
气的量决定。
(2)
n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)
n
1
(N
2
)
≤ 1 时,y>0,即
Q
c
K
c
=
x
2
× n
1
(N
2
)
x[n
1
(N
2
)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(NH
3
)]- n
1
(H
2
)- n
1
(NH
3
)
> 1 ,平
衡向逆反应方向移动。
即在原平衡状态中氮气的物质的量分数大于或
等于1/2时,恒温恒压充入氮气会使平衡逆向移动。在
问题(2)中,原平衡状态中反应物和产物的分压分别是
p(H
2
)=0.111bar,p(N
2
)=0.700bar,p(NH
3
)=0.189bar,氮
气的物质的量分数大于 1/2,此时对平衡体系加入(c)
所述的扰动后,平衡向逆反应方向移动。
(d)恒温恒压下,增加体系中H
2
的量
在恒温恒压下,增加体系中 H
2
的量,则体系中 N
2
和NH
3
的物质的量不变,有如下关系:n
2
(N
2
)=n
1
(N
2
);
n
2
(NH
3
)=n
1
(NH
3
);n
2
(H
2
)=n
2
-n
2
(N
2
)-n
2
(NH
3
)=xn
1
-
n
1
(N
2
)-n
1
(NH
3
)。
故有如下关系:
Q
c
K
c
=
n
2
2
(NH
3
)
n
2
(N
2
)∙n
2
3
(H
2
)
× V
2
× x
2
n
1
2
(NH
3
)
n
1
(N
2
)∙n
1
3
(H
2
)
× V
2
=
n
1
2
(NH
3
)
n
1
(N
2
)∙n
2
3
(H
2
)
× x
2
n
1
2
(NH
3
)
n
1
(N
2
)∙n
1
3
(H
2
)
=
x
2
× n
1
3
(H
2
)
n
2
3
(H
2
)
=
x
2
æ
è
ç
ö
ø
÷
n
2
(H
2
)
n
1
(H
2
)
3
=
x
2
æ
è
ç
ö
ø
÷
xn
1
- n
1
(N
2
)- n
1
(NH
3
)
n
1
(H
2
)
3
=
x
2
æ
è
ç
ö
ø
÷
x +
(x - 1)(n
1
(N
2
)+ n
1
(NH
3
))
n
1
(H
2
)
3
因x>1,
(x - 1)(n
1
(N
2
)+ n
1
(NH
3
))
n
1
(H
2
)
> 0 ,
æ
è
ç
ö
ø
÷
x +
(x - 1)(n
1
(N
2
)+ n
1
(NH
3
))
n
1
(H
2
)
3
> x
3
,
Q
c
K
c
=
x
2
æ
è
ç
ö
ø
÷
x +
(x - 1)(n
1
(N
2
)+ n
1
(NH
3
))
n
1
(H
2
)
3
<
x
2
x
3
=
1
x
< 1
即恒温恒压充入 H
2
平衡始终会向正反应移动。
故在问题(1)和(2)中对平衡体系加入(d)所述的扰动
后,平衡均向正反应方向移动。
二、勒夏特列原理适用范围的一点思考
勒夏特列原理是一个经过反复验证,可以用于判
断平衡移动方向的经验定律,有很多种不同的表述形
式,但不管是哪种表述形式,都会强调其定性的特点。
勒夏特列原理的内容本身表明了其应用范围:一是针
对已经处于化学平衡状态的系统;二是改变的是温度、
压力、浓度等因素,这三个物理量的共同特点是它们具
有强度性质;三是只改变一个影响化学平衡的因素。
若对于本来未处于化学平衡的系统或改变的是具有广
度性质的物理量如体积,或同时改变多个因素,就不能
简单使用勒夏特列原理定性判断平衡的移动方向。
参考文献
[1] 沈若冰,蔡霞.恒温恒压下化学平衡移动的探讨[J].牡丹
江教育学院学报,2010(6):121
[2] 王颖霞.勒夏特列原理与合成氨的平衡移动[J].大学化
学,2009(5):76-80
·试题研究·
—— 56