對勒夏特列原理常見誤解分析及教學(xué)建議

山東 劉樹領(lǐng)

勒夏特列原理是法國科學(xué)家亨利·勒夏特列于 1888年概括提出的。盡管它是源自于對實(shí)際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)，但兩次諾貝爾獎得主、著名化學(xué)家鮑林曾在學(xué)生畢業(yè)典禮上告誡學(xué)生：“你可以忘記化學(xué)中的很多東西，但不要忘記勒夏特列原理”，由此可知勒夏特列原理在化學(xué)家眼里是多么的重要。但當(dāng)前許多教材編者正是基于其源自于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，故認(rèn)為其缺少科學(xué)推理，且在實(shí)際應(yīng)用中易出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致編寫教材時對其進(jìn)行淡化處理，沒有給予其應(yīng)有的重要地位。事實(shí)上，在教學(xué)中只要勒夏特列原理應(yīng)用得當(dāng)，就能避免過多繁雜的定量計(jì)算與分析，使得平衡移動方向問題的解答變得簡單，在當(dāng)前倡導(dǎo)變化觀念與平衡思想等化學(xué)核心素養(yǎng)方面具有重要的指導(dǎo)與引導(dǎo)作用。在此拋磚引玉，期待各位教材編寫專家、化學(xué)同仁重新審視勒夏特列原理，并給予其足夠的重視。

1 對勒夏特列原理常見錯誤觀點(diǎn)的分析

1.1 對勒夏特列原理內(nèi)容的翻譯存在誤解

經(jīng)百度百科搜索，其英文描述“Every system in stable chemical equilibrium submitted to the influence of an exterior force which tends to cause variation either in its temperature or condensation (pressure，concentration，number of molecules in the unit of volume)，in its totality or only in some of its parts,can undergo only those interior modifications change of temperature，or of condensation，of a sign contray to that resulting from the exterior force.”?，F(xiàn)將對應(yīng)的中文譯文摘錄為“任何穩(wěn)定化學(xué)平衡系統(tǒng)承受外力的影響，無論整體地還是僅僅部分地致使其溫度或壓縮度(壓強(qiáng)、濃度、單位體積的分子數(shù))，若它們單獨(dú)發(fā)生的話，系統(tǒng)可以做內(nèi)在的調(diào)節(jié)，使溫度或壓縮度發(fā)生變化，該變化與外力引起的改變是相反的?！庇衫障奶亓性淼脑济枋隹芍?，該原理只說明了平衡移動方向與外力(即外界條件)改變方向是相反的，即可以定性判斷平衡移動的方向，但沒有定量分析移動后的結(jié)果。由此可知，勒夏特列原理內(nèi)容并沒有“減弱”這一含義，只有平衡向外界改變的反方向移動這一屬性，所以說當(dāng)前人教版魯科版等教材把勒夏特列原理內(nèi)容描述為“如果改變影響平衡的條件之一(如溫度、壓強(qiáng)以及參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的濃度)，平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動”，是偏離了勒夏特列原理的本意，出現(xiàn)一些令人遺憾的錯誤也就不可避免，正如“真理越雷池一步就是謬論”。若把“減弱”改為“阻礙”“抵制”等詞語，就能重現(xiàn)勒夏特列原理的偉大。

1.2 勒夏特列原理僅是一個經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，缺少嚴(yán)密的理論推導(dǎo)

1.2.1濃度對化學(xué)平衡的影響

1.2.2壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響

1.2.3溫度對化學(xué)平衡的影響

由上述定量分析可知：改變影響平衡體系(濃度、壓強(qiáng)或溫度)中任一條件時，平衡總是向阻礙這種改變的方向移動，這證明了勒夏特列原理具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理依據(jù)。

1.3 對三個外界影響因素內(nèi)涵存在誤解

影響化學(xué)平衡的三個外界因素濃度、壓強(qiáng)、溫度，大家都比較熟悉，但在具體應(yīng)用時常常因其內(nèi)涵理解出現(xiàn)歧義，而導(dǎo)致在解答問題時不知如何分析。

(1)保持體積不變，升高溫度；

(2)保持溫度和體積不變，充入一定量的氨氣；

(3)保持溫度和體積不變，充入一定量的氦氣；

(4)保持溫度和壓強(qiáng)不變，充入一定量的氦氣；

(5)保持溫度和壓強(qiáng)不變，充入一定量的氮?dú)狻?/p>

【分析】(1)體積不變、升高溫度時，有人根據(jù)氣體方程pV=nRT知，溫度升高，平衡體系壓強(qiáng)增大，故得出平衡應(yīng)正向(氣體物質(zhì)的量減少)移動的錯誤結(jié)論，究其錯因就是對溫度與壓強(qiáng)影響存在誤解。溫度影響的外在特征就是指只改變平衡體系的溫度，不改變平衡體系的各組分濃度，而壓強(qiáng)影響的實(shí)質(zhì)特征就是濃度影響。

(2)溫度和體積不變，充入一定量的NH3時，有人依據(jù)pV=nRT推知，容器內(nèi)充入NH3必然導(dǎo)致平衡體系的壓強(qiáng)增大，故得出平衡正向移動的錯誤結(jié)論，究其錯因就是對濃度和壓強(qiáng)影響存在認(rèn)識上的誤解。濃度影響是指平衡體系中只有一種組分的濃度發(fā)生變化，而壓強(qiáng)影響是指平衡體系的各組分濃度同等程度地增大或縮小，否則就不屬于壓強(qiáng)影響的范疇。

(3)溫度和體積不變，充入氦氣時，有人依據(jù)pV=nRT推知，容器內(nèi)充入氦氣導(dǎo)致壓強(qiáng)變大，故得出平衡正向移動的錯誤結(jié)論，究其錯因就是對壓強(qiáng)影響存在誤解。壓強(qiáng)影響是通過改變反應(yīng)體系的濃度來實(shí)現(xiàn)的，稀有氣體不參與任何化學(xué)反應(yīng)，對平衡體系中各組分的濃度沒有任何影響，故平衡不移動。通常所說的壓強(qiáng)影響是指平衡體系(或反應(yīng)體系)的壓強(qiáng)，不一定就是容器內(nèi)的壓強(qiáng)。事實(shí)上容器內(nèi)壓強(qiáng)是平衡體系(或反應(yīng)體系)壓強(qiáng)與非組分(或雜質(zhì))氣體壓強(qiáng)加和而成，當(dāng)容器內(nèi)不存在非組分(或雜質(zhì))氣體時，則容器內(nèi)壓強(qiáng)與平衡體系(或反應(yīng)體系)壓強(qiáng)是等同關(guān)系；當(dāng)容器內(nèi)存在非組分(或雜質(zhì))氣體時，則容器內(nèi)壓強(qiáng)大于平衡體系(或反應(yīng)體系)壓強(qiáng)。本題中雖然充入氦氣，但并沒有改變平衡體系的壓強(qiáng)，其簡單判斷方法就是分析平衡體系的各組分濃度有沒有發(fā)生變化。

(4)溫度和壓強(qiáng)不變，充入氦氣時，有人根據(jù)容器內(nèi)壓強(qiáng)不變而得出平衡不移動的錯誤結(jié)論，究其原因就是沒有理解影響平衡的壓強(qiáng)就是平衡體系的壓強(qiáng)，只有平衡體系的壓強(qiáng)不變時平衡才不發(fā)生移動。事實(shí)上充入氦氣，容器體積增大，平衡體系的壓強(qiáng)變小，故平衡向逆反應(yīng)方向移動。

綜上所述，勒夏特列原理中涉及的濃度、壓強(qiáng)、溫度等的具體含義為：濃度改變僅是指溫度不變時平衡體系中的一種組分濃度發(fā)生變化；壓強(qiáng)改變僅是指溫度不變時平衡體系的壓強(qiáng)變化，表現(xiàn)在所有氣體組分的濃度均同等程度地發(fā)生變化；溫度改變是指在所有組分濃度不變時只有平衡體系的溫度發(fā)生變化。

1.4 對勒夏特列原理使用條件的誤解

化學(xué)平衡的實(shí)質(zhì)從微觀上講是正逆反應(yīng)速率相等，從宏觀上講是各組分的濃度不再發(fā)生變化，而勒夏特列原理則是研究平衡受到外界因素影響的變化方向，因而運(yùn)用勒夏特列原理解答相關(guān)問題時，首先給定反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，若沒有達(dá)到平衡則不能使用；其次是分析改變了哪一種外界條件，若多種外界條件改變則不能使用。

圖1

【分析】根據(jù)平衡實(shí)質(zhì)可知，a、b兩圖象中正逆反應(yīng)速率曲線的交點(diǎn)恰好是反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，交點(diǎn)之前均沒有達(dá)到平衡，故不能運(yùn)用勒夏特列原理，其溫度、壓強(qiáng)的變化可以認(rèn)為是反應(yīng)自身進(jìn)行導(dǎo)致的結(jié)果；交點(diǎn)之后的正逆反應(yīng)速率不再相等，則分別是由外界溫度、壓強(qiáng)變化導(dǎo)致的，因而可以運(yùn)用勒夏特列原理來解答反應(yīng)的能量變化(放熱或吸熱)、反應(yīng)前后氣體的總物質(zhì)的量變化(變大、變小或不變)等問題，即a圖象中正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，b圖象中(a+b)

同理對c圖象，根據(jù)反應(yīng)物X的百分含量變化特點(diǎn)可判斷，在Q點(diǎn)之前反應(yīng)是正向進(jìn)行，直到Q點(diǎn)時恰好達(dá)到平衡，因而Q點(diǎn)之后的變化才能運(yùn)用勒夏特列原理分析得出正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。

由上述分析可知，勒夏特列原理使用時首先要找到舊平衡狀態(tài)，然后再分析外界改變的是哪一種條件。平衡之前的改變可以認(rèn)為是反應(yīng)在達(dá)到平衡狀態(tài)的過程中自身引發(fā)的改變。

1.5 對勒夏特列原理的用途誤解

化學(xué)平衡無論如何移動，最終都會達(dá)到新的平衡狀態(tài)，其中伴隨著組分濃度、百分含量、壓強(qiáng)大小、轉(zhuǎn)化率等物理量的變化。

( )

A.增大為原來2倍

B.比原來大，但不到2倍

C.不變

D.減小

【分析】此題答案在B、C之間出現(xiàn)爭議。有人依據(jù)所學(xué)勒夏特列原理認(rèn)為：在一定溫度下，縮小體積則導(dǎo)致體系壓強(qiáng)增大、CO2濃度瞬間變大，使平衡將逆向移動來減弱體系壓強(qiáng)、CO2濃度增大，故再次平衡后“CO2的濃度比原來大但不到2倍”，即選B 。有人根據(jù)平衡常數(shù)K=[CO2]可知，溫度不變時則K不變，則新平衡的CO2濃度與原平衡時相同，故答案為C。為何出現(xiàn)此矛盾呢？

其實(shí)，平衡移動方向與移動結(jié)果是兩個不同的概念，移動方向僅是與外界改變的方向相反，屬于過程階段，而移動結(jié)果則是平衡狀態(tài)時對應(yīng)的各種物理量，這個結(jié)果可以是原狀態(tài)也可以出現(xiàn)變化，故正確答案為C。

2 勒夏特列原理重要性的體現(xiàn)

勒夏特列原理盡管來源于過去實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，但隨著時代的發(fā)展煥發(fā)出其科學(xué)活力并展現(xiàn)出應(yīng)用的廣泛性。

2.1 勒夏特列原理具有普適性

科學(xué)研究的目的就是從錯綜復(fù)雜的現(xiàn)象中找到其隱含的本質(zhì)關(guān)系，進(jìn)而用通俗易懂的文字或公式表達(dá)出來，所以科學(xué)不是為了追求復(fù)雜與故作深奧，而是為了簡明扼要，通常用模型來體現(xiàn)。勒夏特列原理不但能運(yùn)用于化學(xué)平衡，還能使用于其他的平衡系統(tǒng)，如物理學(xué)上粒子之間的引力與斥力之間的均衡關(guān)系、物體的靜止或勻速狀態(tài)、電磁感應(yīng)等；化學(xué)上離子鍵、共用電子對的穩(wěn)定，溶液中各種平衡體系等；生物學(xué)上的生態(tài)平衡、種群平衡、元素或物質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)等；醫(yī)學(xué)上的免疫系統(tǒng)相對穩(wěn)定性、內(nèi)環(huán)境酸堿度、血液中紅白細(xì)胞的相對穩(wěn)定等；心理學(xué)上的情緒逆反、距離產(chǎn)生美等，都可以運(yùn)用勒夏特列原理去分析、去理解，都是平衡系統(tǒng)本身對外界因素影響的一種反應(yīng)與調(diào)整，這種調(diào)整既可以完全恢復(fù)也可以部分恢復(fù)。突出勒夏特列原理的靈活運(yùn)用，能夠使學(xué)生感受到不同學(xué)科之間的共性與融合，形成完整的科學(xué)知識體系，利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、靈活遷移解答實(shí)際問題的能力。

2.2 勒夏特列原理具有簡潔性

分析或解答問題時，一般習(xí)慣于從宏觀角度給予分析與研究，而勒夏特列原理具有得天獨(dú)厚的宏觀定性分析功能，因此突出其重要性，利于培養(yǎng)學(xué)生的宏觀思維、整體思維及思維的簡潔性。

【分析】平衡中再通入mmol A時，A濃度瞬間增大，故平衡一定正向移動。為了討論方便，不妨先構(gòu)建等溫等容下的等同平衡，然后再在等溫等壓下把兩個平衡體系加和，最后在等溫等容條件下分析、解答問題。具體過程如圖2所示。

圖2

在兩個平衡體系加和過程中，因溫度與壓強(qiáng)不變，故平衡不發(fā)生移動，各組分濃度、轉(zhuǎn)化率等物理量均無變化，但在加壓下使體積由2V恢復(fù)原狀V時，則依據(jù)勒夏特列原理較易分析。

(1)當(dāng)a=(b+d)時，平衡不移動，A平衡轉(zhuǎn)化率不變。

(2)當(dāng)a>(b+d)時，平衡正向移動，A平衡轉(zhuǎn)化率變大。

(3)當(dāng)a<(b+d)時，平衡逆向移動，A平衡轉(zhuǎn)化率變小。

假若運(yùn)用濃度商與平衡常數(shù)大小關(guān)系來判斷時，則需列三段式來計(jì)算(第1次平衡轉(zhuǎn)化率為x，第2次平衡轉(zhuǎn)化率為y)。

第1次通入mmol A時,達(dá)到平衡時

起始量(mol)m0 0

第2次通入mmol A時,重新達(dá)到平衡時

起始量(mol) 2m0 0

由上可知，分析平衡移動方向及平衡轉(zhuǎn)化率大小關(guān)系等問題時，勒夏特列原理更簡潔快速。

3 教學(xué)建議

3.1 突出勒夏特列原理的科學(xué)性

勒夏特列原理盡管源自于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，但現(xiàn)在已經(jīng)通過數(shù)理邏輯推理可得，因而在教學(xué)中應(yīng)淡化其是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的教學(xué)意識，畢竟經(jīng)驗(yàn)不是科學(xué)，是沒有經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯推理證明的，可能存在意外情況。因在教學(xué)中，從平衡常數(shù)與濃度商之間的關(guān)系角度給予其定量分析與證明，以突出勒夏特列原理的科學(xué)性、邏輯性。

3.2 修改當(dāng)前勒夏特列原理內(nèi)容的文字描述

勒夏特列原理只能用來判斷平衡移動的方向、沒有判斷平衡移動結(jié)果的功能，所以把人教版教材描述“如果改變影響平衡的條件之一(如溫度、壓強(qiáng)以及參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的濃度)，平衡將向減弱這種改變的方向移動”中“減弱”修改為“抵制”或“阻礙”，只不過是“抵制”或“阻礙”的結(jié)果大多數(shù)為減弱、個別為抵消(反應(yīng)式只有一側(cè)為氣體的可逆反應(yīng)符合)而已。

3.3 突出勒夏特列原理使用的條件