于生活一隅窺見平衡之奧妙
——由化學平衡到生活中的平衡

曾文欣，楊思怡，田曼，王小雅，魏靈靈，陳亞芍，焦桓

陜西師范大學化學化工學院，西安 710062

生活中小到生物體的呼吸，大到宇宙之間的塵埃碰撞，無時無刻不在發(fā)生著化學反應，許多奇跡般的變化都讓我們目不暇接。“烈火焚燒若等閑”“爆竹聲中一歲除”“蠟炬成灰淚始干”等詩句都描繪著古代人們對化學反應的直觀認識。

化學之美不僅美在變幻莫測的表象，深藏于內(nèi)的化學原理更是以其高度凝練、精悍準確的語言揭示著大自然中繁雜的物質(zhì)變化。美國著名化學家Pualing曾對他的學生說過：你們將來可能不再學習化學，你們甚至可能會把在化學課上學習的一切化學現(xiàn)象都忘記，但是，無論如何，請你們不要忘記勒夏特列原理[1]。勒夏特列原理體現(xiàn)著化學中重要的動態(tài)平衡思想，就讓我們以勒夏特列原理為契機，邂逅神奇的化學平衡吧！

1 溯源

“我是化學平衡，你們可以叫我平平。下面，就讓我來介紹我自己吧！”剛踏上探索化學的康莊大道，一個小精靈就映入我們的眼簾，帶領我們開啟這段旅途。

“我的身世，可要追溯到好幾百年前！”

公元1798年，法國化學家Berthollet出征印度時，偶然察覺到在鹽湖周圍堆積著由于高濃度的鹽溶液緩慢蒸發(fā)所產(chǎn)生的碳酸鈉沉積物，而該過程的化學反應式恰是當時廣為人知的反應Na2CO3+CaCl2→ CaCO3+ 2NaCl的逆反應。公元1803年，Berthollet提出有些化學反應式不只有單向反應，也可以進行逆向反應。

挪威科學家Guldberg和Waage于1862-1863年研究發(fā)現(xiàn)，“化學反應在平衡時，無論初始物質(zhì)投入多少，最后反應物和產(chǎn)物都會達到一定比例”的特殊關系。19世紀70年代Gibbs在其論文“關于復相物質(zhì)的平衡”中，在對2NO2?N2O4這個反應的處理中初步確立了“平衡常數(shù)”的概念[2]。1884年，Van’t Hoff發(fā)表的“化學動力學研究”中正式形成了“化學平衡常數(shù)”這一概念。

以Le Chatelier于1888年正式提出的內(nèi)容為“如果改變可逆反應的條件(如濃度、壓強、溫度等)，化學平衡就被破壞，并向減弱這種改變的方向移動”的“勒夏特列原理”為標志，化學平衡理論基本完善。

“此時，我的廬山真面目，才真正展示在大家面前?！逼狡阶院赖卣f。

2 萬變不離其宗

“在化學反應中，有人說我對反應會起到反作用，有人說利用好我就獲益匪淺。你們覺得呢？”平平疑惑地眨著眼睛，開始向我們做自我介紹。

2.1 氮氣工廠

大部分化學反應不能進行完全，存在平衡，當影響化學平衡的外部條件發(fā)生改變時，平衡將移動，直到新的平衡的建立?；瘜W反應并不能進行完全，對期待提高產(chǎn)率的工廠而言，不見得是一件好事。人類一直在尋找高效固氮的方法以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量。其中一個重要途徑就是“Haber-Bosch”(哈伯)法：N2+ 3H2?2NH3，通過Fe/Ru基催化劑加快反應速率，提高單位時間的固氮量，從而極大地提升了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，哈伯因此獲得1918年諾貝爾化學獎。研究人員通過研究生產(chǎn)NH3中存在的化學平衡，發(fā)現(xiàn)改變影響平衡的其他條件——溫度、壓強以及反應物的濃度等同樣可以提升產(chǎn)量。根據(jù)勒夏特列原理，在合成氨的過程中，升高溫度、增大壓強、增大氮氣濃度，平衡均可向右移動。但是，若體系中氮氣的摩爾分數(shù)≥ 50%時，增大氮氣濃度，事實并非如此[1]，這是否說明勒夏特列原理并不可信呢？當然不是！原因是在其他條件不變的情況下，充入氮氣就相當于“膨脹”，改變了反應體系中各物質(zhì)的反應活度商。在實際的化工生產(chǎn)中，合成氨廠一般采用20-50 MPa、500 °C的合成條件，以保證反應進行程度和速率。

勒夏特列原理有其普遍性，也有局限性。對于一個基于化學反應的化工過程，更需要綜合各種因素、全面分析，明確其應用的條件和解決問題的范圍，以找到最合適的反應條件。

2.2 人體之家

化學反應的平衡使世間萬物及其變化過程有條不紊。在中國和西方醫(yī)學的早期，都一致認為機體是以穩(wěn)態(tài)和平衡為條件進行正常的生命活動。人體內(nèi)的酸堿平衡就是這種平衡的具體體現(xiàn)[3]。

走進人體之家，我們看見消化道內(nèi)正在消化高蛋白、水果蔬菜等各種食物。在維持酸堿平衡的血液緩沖、肺調(diào)節(jié)、腎調(diào)節(jié)、組織細胞調(diào)節(jié)四大調(diào)節(jié)機制(圖1)的協(xié)調(diào)作用下，機體的pH穩(wěn)定維持在7.35-7.45，保證機體的健康、協(xié)調(diào)和穩(wěn)定。

圖1 人體內(nèi)的pH調(diào)節(jié)機制

血液系統(tǒng)是維持酸堿平衡的主力干將，主要由NaH2PO4/Na2HPO4、Na2CO3/H2CO3、血漿蛋白緩沖體系、血紅蛋白緩沖體系和氧合血紅蛋白緩沖體系這五種緩沖對構(gòu)成。當人體酸含量過高時，平衡會向降低H+濃度的方向移動，緩沖堿中和人體內(nèi)的酸。而在堿性物質(zhì)含量過高時，OH-會被緩沖酸中和，在循環(huán)往復中保持體液pH的相對恒定。

肺通過改變肺泡內(nèi)二氧化碳的排出量以保持人體pH相對恒定。腎臟主要通過調(diào)節(jié)腎小管細胞的泌氫作用，將多余的酸性物質(zhì)以尿液的形式排出體外，也可以通過改變排泄的碳酸氫根離子，提供巨大的緩沖能力[4]，維持酸堿平衡。組織細胞內(nèi)液主要通過H+? K+離子的交換過程，維持電中性的同時也使人體的pH處于相對穩(wěn)定狀態(tài)[5]。

2.3 遙遠之外

“在遙遠的天空之外也可以發(fā)現(xiàn)我的存在。不信？看看吧?！?/p>

平流層的臭氧在大氣中的含量至關重要，它可以屏蔽太陽紫外線的輻射。若臭氧過少，過強的輻射會威脅人類的生存，而臭氧過多則會導致生命體神經(jīng)中毒。臭氧在大氣層中含量通過O + O2?O3的動態(tài)平衡得以維持。但近年來，人們使用大量的含氟利昂制冷劑，臭氧層被撕出“大空洞”。起初，人們認為氟是破壞臭氧層的罪魁禍首，但多年后Molina和Rowland[6]提出氯才是破壞臭氧層的元兇：氟氯烴分解出氯原子會奪取臭氧的氧，通過反應Cl· + O3→ O2+ ClO·，ClO· + O3→ O2+ Cl·破壞大氣中的臭氧平衡，產(chǎn)生臭氧層空洞(圖2)。于是，人們圍繞氟研制出了新型制冷劑R134a-1,1,1,2-四氟乙烷作為替代品，它不僅不會破壞臭氧層且制冷效果好，一舉成為制冷產(chǎn)品的首選材料。為更好地保護環(huán)境和地球，人類應減少破壞臭氧層物質(zhì)的排放，大力推進更多氟利昂替代品的開發(fā)。

圖2 氟氯烴破壞臭氧平衡

月壤中的水也存在類似的平衡。月球上的水以氣態(tài)和固態(tài)的方式存在并進行不斷的循環(huán)，構(gòu)成一個動態(tài)的“收支”平衡。月球上的水分來源主要形成了兩大理論，一是太陽風里的氫轟擊月表或月壤中的氧，形成羥基、水分子；另一理論是彗星與小行星撞擊月球?qū)е律倭克诌M入月球。那么月壤中的水以何種方式脫離呢？中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所團隊借助納米離子探針，分析了嫦娥五號從月球表面取回的玄武巖中的熔體包裹體、磷灰石的水含量和氫同位素，推測嫦娥五號著陸區(qū)月幔源區(qū)水的脫離是風暴洋地區(qū)長期的火山噴發(fā)，使水以H2的形式丟失，從而使源區(qū)水含量變低[7]。月壤中水的含量與分布由多方因素決定，緯度也可影響水含量，水通過不斷地形成和脫離，保持較為穩(wěn)定的含量和狀態(tài)，這些都給人類探索宇宙提供了更多的想象空間。

無論化學反應的形式如何發(fā)生變化，它們都“換湯不換藥”，皆是以可逆反應為前提的有條件的、相對意義上的動態(tài)平衡——反應的正反應速率與逆反應速率相等并且不為零時，反應物的濃度與生成物的濃度不再改變，達到一種表面看似靜止的平衡狀態(tài)[8]。而當條件發(fā)生變化時，這種相對的平衡狀態(tài)就會被破壞，更甚者可能帶來災害或危害，例如化工廠爆炸，人體生病。我們只要學會理解化學平衡的本質(zhì)、掌握其規(guī)律，合理地選擇化學反應的條件，就可以在最大程度上利用好它，在生產(chǎn)、生活中取得最大裨益。

3 生活中更廣泛意義上的平衡

“大家不僅僅在具體的化學反應中能見到我們的身影，留意我們身邊，平衡處處存在！”平平興高采烈地向我們介紹起來。

3.1 維持平衡

“下面我來介紹一下我的‘足部’——維持平衡。維持平衡，恰如我腳踏大地，這樣才能做到行穩(wěn)致遠?！?/p>

我們所處的地球，動物排出二氧化碳，綠色植物吸收二氧化碳，在循環(huán)中建立起了最初生物圈中的二氧化碳平衡。

但在工業(yè)革命時期，工廠排放的二氧化碳超過了植物所能調(diào)節(jié)的限度，碳氧平衡被打破，環(huán)境問題逐步顯現(xiàn)。2021年諾貝爾物理學獎的獲獎者真鍋淑郎，早在60年前就預測了二氧化碳濃度增加會導致全球氣候變化，他認為溫室效應一旦控制不住，世界必將遭受滅頂之災。最新統(tǒng)計表明，每年超過百萬人的死亡歸因于異常的溫度[9]，同時，溫室效應使海洋溫度上升，冰川融化，將導致無數(shù)人遷居……

在此過程中，科學家們也在不斷探索維持二氧化碳濃度平衡的途徑，減排、吸收和綜合利用都得到了不同程度的進展。除捕獲封存、常規(guī)制冷、提高采油收率及合成尿素、碳酸鹽和聚碳酸酯等工業(yè)化過程，利用電化學、光化學、均相熱化學和非均相熱化學催化轉(zhuǎn)化CO2現(xiàn)成為高度關注的研究熱點(圖3)。其中，費托合成通過CO2和H2分子在催化劑表面發(fā)生解離吸附，產(chǎn)生的C在形成中間體后可偶聯(lián)生成不同類型的烷烴和烯烴，而接力催化路線則是費托合成與耦合反應的綜合，通過三步接力法路徑，極大地提高了二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇的選擇性。

圖3 二氧化碳的利用途徑[10]

中國政府制定了2030年實現(xiàn)“碳達峰”的方案，國際上，150多個國家共同簽訂了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，多國都通過大量撥款支持、鼓勵相關技術創(chuàng)新，發(fā)展可持續(xù)能源，立法減少化工能源的使用等方法限制二氧化碳的排放量。

“幸好人類現(xiàn)在已經(jīng)認識到了碳氧平衡的重要性。通過人類現(xiàn)在的不懈努力，二氧化碳的濃度又開始回到正軌……”望著一片青山綠水，平平快樂得手舞足蹈。

3.2 利用平衡

“這樣看來，我是不是非常重要？”平平得意洋洋地說，“在生活各個方面，我們的用武之地可多呢！”

3.2.1 無土栽培

人類社會飛速發(fā)展，耕地緊張、生產(chǎn)技術推廣難度大、農(nóng)業(yè)人口減少等問題嚴重限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。隨著無土栽培技術的日趨成熟，營養(yǎng)液取代土壤有效解決了傳統(tǒng)土壤栽培中存在的水分、空氣、養(yǎng)分供應矛盾。營養(yǎng)液核心在于其配方組成與管理，包括能夠提供植物生長所必須的礦物元素、能直接被吸收并長時間保持均衡有效的元素濃度比例、適宜作物生長的pH范圍[11]。

美國科學家Hoagland及其團隊[12]1933年設計出的營養(yǎng)液配方至今仍是無土栽培的基礎。在配制該營養(yǎng)液過程中，沉淀溶解平衡與酸堿平衡的應用尤顯重要。例如，Ca2+與HPO42-、PO43-同時存在時可能產(chǎn)生磷酸鈣沉淀，為減少沉淀造成的損耗，一方面可降低陰陽離子濃度，利用沉淀平衡原理促進其溶解[13]；另一方面可降低pH，在影響沉淀平衡的同時提高營養(yǎng)元素有效性、補充植物生長所需氯元素，但強酸環(huán)境會使植物吸收Ca2+產(chǎn)生很強的拮抗作用，甚至造成植物根系腐爛，故須設法在沉淀溶解與作物生長之間尋找到一個“二者兼顧”的平衡點。

3.2.2 管道腐蝕

化工設備防腐是生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)，其中金屬管道的腐蝕與水密不可分。二氧化碳溶于水所形成的碳酸，對部分鋼鐵的腐蝕性甚至強于鹽酸。當水中溶解的腐蝕性鹽類對金屬的離子水合能大于其原子、離子的結(jié)合能時，也會使金屬離子析出，造成對金屬破壞(圖4)。

圖4 CO2腐蝕金屬的化學反應過程示意圖[14]

為了延長管道的使用壽命，科學家們提出通過化學平衡的方法防止碳酸鈣沉淀、二氧化碳的侵蝕等現(xiàn)象發(fā)生。金屬管道中所含有的二氧化碳與通入的水間存在以下可逆反應：

管道中的碳酸會首先轉(zhuǎn)化為HCO-3，但如果二氧化碳濃度不足以保持HCO-3濃度的平衡，就會生成碳酸鹽水垢。

所以在水未達到飽和碳酸鹽硬度、水中游離二氧化碳濃度大于碳酸鹽濃度的情況下，利用排污法除去水垢進行防腐的方法應運而生。而適當降低水溫不僅會增大二氧化碳的溶解度，維持冷卻水系統(tǒng)中的鹽類平衡，還增大了碳酸鈣等鹽的溶度積，使得水垢難以生成，從多角度延長了金屬管道的使用壽命。

3.3 平衡普遍存在

平衡是普遍存在的。整個世界都是由無數(shù)個相關聯(lián)和不相關聯(lián)的平衡組成的，牽一發(fā)動全身，“亞馬遜流域的一只蝴蝶扇動翅膀，會掀起密西西比河流域的一場風暴”。在生物界中，被捕食者與捕食者的平衡牽動著整個食物網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)平衡，物種微小的變化存在都可能導致這種平衡被破壞，造成生態(tài)系統(tǒng)破壞、物種毀滅的后果；在物理學中，力在不同方向存在平衡，一旦力的平衡被打破，就會造成難以穩(wěn)固的局面；在社會發(fā)展中，政治經(jīng)濟的不平衡會引發(fā)社會劇烈變革，繼而建立新的平衡。哲學上則流傳有“道法自然”的平衡法則，中國人的中庸之道正是根植于此。它們的規(guī)律都解釋著——平衡并非孤立，一著不慎，滿盤皆輸。

4 結(jié)語

本文以充滿趣味的方式，從平衡家族的冰山一角出發(fā)學習化學平衡，引導我們初步認識平衡。進一步分析了平衡的普遍性，列舉生活、工業(yè)生產(chǎn)中化學平衡的作用及其在不同學科間的關聯(lián)。幫助大家樹立平衡的觀念，了解平衡的動態(tài)性、變化性和穩(wěn)定性間的關聯(lián)，認識到平衡是宇宙存在和發(fā)展的關鍵，建立平衡、維持平衡、打破平衡、形成新的平衡等一系列過程共同推動了世界的發(fā)展和進步，唯有正確認識平衡及其作用原理和條件，才能幫助我們更好地認識世界，改造世界。