善用平衡常数——释疑难点

石乾坤

摘 要：判断一个反应的程度有多大或者能不能发生，可以从反应动力学的角度，用平衡常数来衡量：即一般地认为：K>1×105 时，该反应进行得就基本完全了.K<1×10-5 时，该反应不能发生.以教材上的问题为情境，探讨了如何运用平衡常数，释疑难点.并结合高考考查，洞悉工艺流程操作中加入NH4HCO3与金属离子的反应规律.

关键词：动力学;平衡常数;释疑难点;高中化学

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2021）04-0099-02

问题情境：人教版选修5第32页图2-6：“乙炔的实验室制取及性质检验”装置图中，产生的气体先通入CuSO4溶液，其目的主要是除去H2S和PH3气体…

发生的反应之一是：

CuSO4 + H2SCuS↓ +H2SO4

很学生提出该反应违背了“强酸制弱酸”的原理，能发生吗？

分析问题 反应进行的程度与平衡常数（K）有关.一般地认为：K>1×105 时，该反应进行得就基本完全了.K<1×10-5 时，该反应不能发生.那么可以从这个角度来分析：

解决问题 该反应的离子方程式为：Cu2++H2SCuS↓+2H+ K

根据平衡常数表达式可知：

K=c2（H+）c（Cu2+）·c（H2S）

=c（H+）·c（HS-）c（H2S）×c（H+）·c（S2-）c（HS-）

×1c（Cu2+）·c（S2-）

=Ka1·Ka2·1Ksp（CuS）

=1.3×10-7×7.1×10-11×16.3×10-36

=1.47×10181×105

因此，该反应可以彻底完成.

拓展与思考 一定温度下反应

Cu2++H2SCuS↓+2H+ K=1.47×1018

由此可知该反应的逆反应K1=11.47×10-181×10-5，则逆向反应程度就非常小，能否说明金属硫化物就都不能溶于非氧化性强酸呢？

事实上实验室制H2S的原理是：

FeS+H2SO4FeSO4+H2S↑

经过推导演算，该反应的平衡常数为K=Ksp（FeS）Ka1·Ka2=1×10-191×10-7×1×10-15=1×103

规律 1.金属硫化物能否溶于非氧化性酸，关键是看Ksp是否足够小.

若Ksp<1×10-27，则不溶于非氧化性强酸（如H2SO4，HCl等）.

2.判断一个反应的程度有多大或者能不能发生，可以用平衡常数来衡量：即一般地认为：K>1×105 时，该反应进行得就基本完全了.K<1×10-5 时，该反应不能发生.

例 （2019年Ⅲ卷26年）高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料.

写出“沉锰”的离子方程式.

分析 根据流程图（如图1所示）中的信息可知：反应物有Mn2+ 和HCO-3，产物有MnCO3;再根据电荷守恒和原子守恒，能推出产物还有CO2和H2O.

拓展与思考Fe3+与HCO-3反应时，产物是Fe（OH）3和CO2而该反应产物为什么是MnCO3，而不是Mn（OH）2或者是二者的混合物呢？

图1

点拨分析 仍然可以从平衡常数的角度分析：

假设反应①：

Mn2++2HCO-3Mn（OH）2 +2CO2 K1

根据平衡常数表达式可知：

K1=c2（H2CO3）c（Mn2+）·c2（HCO-3）

=c2（H2CO3）·c2（H+）·c2（OH-）c（Mn2+）·c2（OH-）·c2（HCO-3）·c2（H+）

=K2wKsp（Mn（OH）2）·K2a1

=（1×10-14）2（2.1×10-13）·（4.4×10-7）2=2.5×10-3

因为K1很小，所以得到的Mn（OH）2 可以忽略.

假设反应②：

Mn2++2HCO-3MnCO3+CO2 +H2O K2

根据平衡常数表达式可知：

K2=c（H2CO3）c（Mn2+）·c2（HCO-3）

=c（H2CO3）·c（CO2-3）·c（H+）c（Mn2+）·c（CO2-3）·c（HCO-3）·c（H+）·c（HCO-3）

=Ka2Ksp（MnCO3）·Ka1=4.7×10-112.24×10-11×4.4×10-7

=4.77×106>1×105

因为K2>105，反应基本完全，所以反应②是主要的，即主要产物是MnCO3

建立模型：如图2所示

用模：（对点练习）

1.（沉铁）（2009年北京 28节选） FeSO4溶液与稍过量的NH4HCO3溶液混合，得到含FeCO3的浊液.请写出相关反应的离子方程式.

2.（沉铝）（2020 安徽定遠）碱式硫酸铁

[Fe（OH）SO4]是一种用于污水处理的新型髙效絮凝剂，在医药上也可于治疗消化性溃疡出血.工业上利用废铁屑（含少量氧化铝、氧化铁等）生产碱式硫酸铁的流程如下：

已知：部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的 pH 见表1.

加入少量 NaHCO3的目的是.3.（沉铁）（2020 山西实验）重铬酸钾是一种重要的化工原料，一般由铬铁矿制备， 铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3，还含有硅、铝等杂质.制备流程如图4所示：

写出步骤7中涉及的离子方程式.

参考答案：

（1）FeSO4+2NH4HCO3FeCO3↓+（NH4）2SO4+CO2↑+H2O

（2）（2020 安徽定远）解析：废铁中有氧化铝杂质，所以加入 NaHCO3 来调节 pH到弱碱性，来沉淀铝离子.

答案：调节 pH，使溶液中的 Al3+沉淀

（3）（2020 山西实验）

答案：Fe2++2HCO-3FeCO3+CO2+H2O

参考文献：

[1]刘新运，危青，戴子林.碳酸氢铵沉钒新工艺试验研究[J].中国标准导报，2014（05）：65-68.

[责任编辑：季春阳]