如何正確理解與應用勒夏特列原理

勒夏特列原理,又稱平衡移動原理,各種版本教材對這個原理的表述大同小異。高中化學人教版《化學反應原理》(2007年2月第3版)中關於勒夏特列原理的描述為:“如果改變影響平衡的條件之一(如溫度、壓強,以及參加反應的化學物質的濃度),平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動”。

勒夏特列原理是一條經驗規律,可以很方便地分析平衡移動方向問題,大多數情況下也可以半定量判斷平衡移動的結果,即“減弱”。應用勒夏特列原理來判斷平衡移動方向,因為操作簡便而在高中化學中經常使用,但使用時一定要注意適用範圍、準確理解,否則很容易得出錯誤結論。

1.勒夏特列原理指出了化學平衡的自發趨向,這種趨向是化學平衡系統的內部機制,無須外力幫助。這裡所指的化學平衡,不僅僅指化學反應,也包括相平衡(如水蒸氣和冰的平衡)、溶解平衡(如啤酒瓶裡的二氧化碳氣體和溶解在啤酒裡的二氧化碳的平衡或者氯化鈉晶體與它的飽和溶液之間的平衡)等。所有這些平衡,都是物質狀態相互轉化的平衡。例如用勒夏特列原理解釋,為什麼生活中飲用的碳酸型飲料打開瓶蓋倒入玻璃杯時會泛起大量泡沫。碳酸型飲料中未溶解的二氧化碳與溶解的二氧化碳存在平衡:打開瓶蓋時,壓強減小,根據勒夏特列原理,平衡向釋放二氧化碳的方向移動,以減弱壓強減小對平衡的影響。因此,碳酸型飲料打開瓶蓋倒入玻璃杯時會泛起大量泡沫。

2.勒夏特列原理對已達成化學平衡狀態的系統才是有效的,若系統沒有達成化學平衡狀態,無效。所以,使用該原理之前先判斷體系是否達到平衡狀態。

3.勒夏特列原理對維持化學平衡狀態的因素的改變才是有效的,若改變的不是維持化學平衡狀態的因素,無效。例如,對於化學平衡系統,若改變催化劑的用量或組成,不會引起平衡移動,因為催化劑不是維持化學平衡的因素。

4.勒夏特列原理不涉及動力學因素,不能預測平衡移動的快慢。例如,利用勒夏特列原理可預判低溫可以提高合成氨的理論產率,但它並不能判斷需要多長時間才能有這樣高的產率。氨的工業合成條件之所以沒有采取低溫而選擇了高溫,是犧性了熱力學理論產率來換取較高的生產時間效率,因為對於工業生產,“時間就是金錢”。

如何正確理解與應用勒夏特列原理

5.壓強改變,只是指平衡體系中各氣態物質濃度等比例的改變,即改變容器體積或等比例的改變各氣體組分的濃度。雖然各氣體組分的濃度同時改變,但因是等比例改變,只能看成是壓強這一個條件的變化,不能當成幾個濃度條件分別改變。在恆容平衡體系中,再充入某一純氣體物質,只是增大了該物質濃度,而不能當成增大了壓強去應用勒夏特列原理原理。

6.勒夏特列原理適用於某一個外部條件改變(其他條件不變)這種較為簡單的情況。

例如,在一個裝有可移動活塞的容器中進行如下的反應:

N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)。反應達到平衡後,向反應混合物中加入N2,保持溫度和容器體積不變,平衡會向哪個方向移動?若保持溫度和壓強不變,平衡會向哪個方向移動?

在恆容的條件下充入N2(只增大N2的濃度),也就是隻有一種物質的濃度在改變。用勒夏特列原理來判斷平衡移動方向,這是相當容易的(平衡肯定是正向移動)。

但是在恆壓的條件下,在充入N2時,N2的分壓增大,同時H2與NH3的分壓都要減少,是三種物質的濃度發生了改變。這就比較麻煩了,因為N2的分壓增大與NH3的分壓減少,都會導致平衡正向移動。而H2的分壓減小,則會導致平衡逆向移動。這時,平衡到底會向哪個方向移動呢?對於這種包含多個條件改變,導致平衡移動方向恰好還相反的問題,已超出勒夏特列原理適用範圍,應該用有關平衡常數計算的方法去解決。平衡常數是熱力學理論解決化學反應問題的重大成就,是建立在嚴謹的理論基礎之上的。無論在理論上還是實踐上都發揮著巨大的作用,經受了時間的考驗。

7.對非均相體系,有時不能用勒夏特列原理來判斷平衡移動的結果,應該應用相關平衡常數來分析判斷。例如,在一定溫度下的密閉容器中,

CaCO3(s)

如何正確理解與應用勒夏特列原理

CaO(s)+CO2(g)達到平衡後縮小容器體積,根據勒夏特列原理可判斷平衡逆移,但再次達到平衡後CO2的濃度仍不變而不是增大,因為溫度未變,K=c(CO2)不變。再如,當AgCl(s)

如何正確理解與應用勒夏特列原理

Ag+(aq)+Cl-(aq)達到平衡後保持溫度不變加水(仍有AgCl固體存在時),平衡正移,但Ag+ 、Cl- 濃度不變,因為一定溫度時Ksp(AgCl)不變。

勒夏特列原理雖有一定侷限性,但這並不會影響它的應用及思想價值。有的人認為,勒夏特列原理決不只是適用於化學平衡,而是宇宙間的普適原理,從生物學到生理學,從經濟學到社會學,無一不遵從“泛化的勒夏特列原理”——承受外加限制條件的系統具有反抗外加限制條件改變的能力。在電磁學中,有名的楞次定律,其表述模式幾乎和勒夏特列原理一樣。老子《道德經》第七十七章有這樣的話,“天之道,其猶張弓與!高者抑之,下者舉之,有餘者損之,不足者與之,天之道損有餘而補不足。這段話高度概括了“天之道”,勒夏特列原理也符合“天之道”。甚至有人說,人類的情緒也符合勒夏特列原理——你有一個快樂的系統,你若使之不快樂,它會自己找回快樂! 曾獲兩次諾貝爾獎的美國著名化學家鮑林在他的化學教科書說:“如果大學畢業後,同學們不再從事化學研究,就可能會全部忘掉有關化學平衡的所有數學公式,但希望同學們不要忘掉勒夏特列原理。


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