科普大赛 | 化学平衡在人类活动中的应用

学术 2024-09-18 09:02 吉林

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引言

化学平衡是高中化学重要教学内容，更是化学科学作用于人类活动的理论支柱。从产品生产、生物调节、医药发展、环境保护、生活质量改善和生命起源六个方面进行了素材整理，旨在对学生自学有一点帮助。化学平衡理论使得人类更真实地理解化学反应的过程与机制，进而更好地指导人类活动。在化学反应中反应物与生成物之间“平衡态”的状态称之为化学平衡状态，其为化学科学重要理论支柱。随着计算机科学、人工智能的发展，如化学仿真模拟技术是利用计算机程序和应用来对客观物质、化学反应进程、状态等进行的模拟计算,是一种全新的实验研究手段，使得人类对化学平衡理论的认知进一步的完善。化学平衡在人类活动中的应用，将化学平衡理论与人类活动紧密联系起来^[1]，可以用社会责任的理念重构科技普及过程。

1 化学平衡理论核心概念

在19世纪初工人发现高炉炼铁的高炉出口含有大量的CO，最初人们认为是CO和铁矿石接触时间不够长导致，故采取了增加炼铁炉高度的策略，以期使反应达到完全进行，当时在英国就曾经建起过30米的高炉，但实践发现CO的含量并未减少。后续对高炉炼铁的深入研究，让化学家认识到化学反应并不是都能够完全进行，可逆反应的化学平衡原理才得以被研究及重视^[2]，并借此改进炼铁工艺，见图1（引用自https://zhuanlan.zhihu.com/p/45187945）。19世纪末，化学家贝特洛特和塞盖尔在提出了化学平衡的概念，发展了现代化学动力学理论；化学家勒夫勒和吉布斯在此基础上提出了热力学平衡概念，至此构成了化学平衡基本原理。

Fig.1 Troubles about blast furnace ironmaking process

图1 有关高炉炼铁工艺的困扰

在高中化学知识体系中化学平衡原理是核心概念之一，帮助学生理解和预测化学反应的进行，理解在化学反应中反应物和产物的浓度、压强、温度等外界因素是如何相互作用的，真正掌握化学反应的规律。如在酸碱反应中了解酸碱中和反应的平衡状态，从而预测酸碱溶液的性质；在氧化还原反应中理解氧化还原反应的发生规律，预测反应的方向和速率；在工业生产中的应用帮助工程师合理设计工艺流程，提高生产效率。化学平衡原理是在一个化学反应中，反应物和生成物的浓度、压强及其他相关因素达到一定的比例关系时，反应达到平衡状态的常见现象。在化学平衡中反应速率永远不等于0，正向反应和逆向反应的速率相等，使得反应系统中各种物质的浓度等物理量保持恒定。其基本概念包括平衡常数、平衡定律、Le Chatelier原理等^[3]。平衡常数（Kc）是描述反应物质在平衡状态下各种物质浓度的比例关系的参数，它可根据热力学数据计算得出也可以同时实验测得。平衡定律规定了在一定温度下，平衡反应中的物质浓度比例保持不变。Le Chatelier原理定性描述了对平衡状态进行干扰时，反应会偏向恢复原平衡状态（阻碍但不抵消），见图2。

Fig.2 Le Chatelie’s Principle

图2 Le Chatelier原理

2 化学平衡与工业生产活动

工业生产过程一般为复杂体系，各化学反应的化学平衡对最终结果都有影响。工业上实现高效的化学变化过程需要依据化学平衡理论进行调控，以提高产量、降低成本和提升产品质量，但实际工业生产活动中还需考虑速率问题，若条件改变后速率和平衡移动都是有利的则在成本、装置允许的情况下加强条件供给、若条件改变后速率和平衡移动是相悖的（如某些反应升高温度速率增加而化学平衡逆向移动）则需要调控为提升单位时间内产率的最佳条件。如合成氨反应用于生产氨气，氨气是重要的化肥和化工原料。该反应的化学平衡方程式：N₂(g) + 3H₂(g) ⇌2NH₃(g)，氨气的单位时间内工业生产效率是工艺重点。工程师利用Le Chatelier原理，通过调控温度、压强和反应物浓度达成目标。如增加反应物氮气和氢气的初始浓度比例，利用高压条件，使反应向生成氨气的方向偏移；通过控制反应温度实现平衡的快速达成，寻找反应速率高且化学平衡逆向移动最佳的关系，即实际产率高；通过及时通过液化分离出氨气（液态），降低生成物浓度，使平衡正向移动，提高氨气平衡产率等，见图3。

Fig.3 Simplified process of ammonia synthesis

图3 合成氨简化流程

再如硝酸是广泛用于农业、制药和化学工业的重要化学品。如利用氨气制取硝酸的催化氧化步骤平衡方程式：4NO(g) + 5O₂(g) ⇌4NO(g)+6H₂O（g）△H=-1025kJ•mol^-1，可通过调节反应物浓度、反应温度和催化剂的选择，实现快速平衡和优化产出，如通过增加氧气的浓度提升速率和平衡正向移动程度；通过控制变量法调整反应温度，通过多次实验确定速率和平衡移动综合考量的最优解，从而增加硝酸的单位时间生成量。

3 化学平衡与生物体内调节

化学平衡在生物体内许多生理过程中有重要的作用。呼吸系统的酸碱平衡、细胞内离子平衡以及酶催化反应的平衡调节，都对生物体能够维持正常的生理功能有重要贡献^[4]。如呼吸系统中的酸碱平衡。呼吸过程人体会摄入氧气并排出二氧化碳。二氧化碳在血液中溶解，形成碳酸酐，碳酸酐与水反应生成碳酸，而碳酸又进一步微弱电离为氢离子和碳酸根离子。平衡方程式为：CO₂+ H₂O⇌H₂CO₃ ⇌H⁺+HCO₃^-，呼吸系统通过平衡反应调节体内酸碱平衡。当血液中的二氧化碳浓度增加时，反应向正向移动产生更多的氢离子，氢离子会与血液中的碱性物质（如碳酸氢根离子）结合，二氧化碳浓度减少时，反应逆向移动减少氢离子的产生，保持体液的酸碱度在正常的范围，见图4。

Fig.4 Acid-base balance in human body

图4 人体中的酸碱平衡

再如在细胞内离子平衡对于维持正常的细胞功能至关重要。细胞膜上的离子通道可以通过开关效应来控制细胞内外离子的通透性，见图5（引用自https://www.sohu.com/a/422468882_120066229）。

Fig.5 Membrane ion channels

图5 细胞膜离子通道

当细胞内离子浓度不平衡时，离子通道可以通过释放或吸收特定离子来恢复平衡。以细胞内外的钠离子和钾离子浓度为例，其浓度差异对神经传导和肌肉收缩起着决定作用。当神经细胞受到刺激时，细胞膜上的钠离子通道打开，钠离子进入细胞内部导致细胞内钠离子浓度升高。随后细胞膜上的钾通道打开，钾离子从细胞内流出，使得细胞外钾离子浓度升高。细胞内外的钠离子和钾离子浓度得以恢复平衡，细胞能够重新接收下一次刺激。

4 化学平衡与医药医疗

在医药生产中，不同的药物配方需要经过精确的调配比例才能确保药物的治疗效果和安全性。药物中常含多种活性成分，需要通过调整各组分的浓度来达到理想的治疗效果，通过了解各成分之间的反应平衡关系最佳比例，使药物在人体内达到最佳的平衡状态。如药物的副作用控制是重要研究方向。药物的副作用往往与其在体内的分布和代谢有关，而这些过程是复杂的化学平衡结果。通过调整药物的配方、剂量和给药方式等来控制药物在体内的浓度，通过平衡药物的疗效和副作用之间的关系，削弱副作用，提高药物的可接受性。还可以通过进一步了解个体差异和病理过程，实现药物配方的个性化定制，提高治疗的精确性和效果。如关节炎病因是在关节滑液中形成了尿酸钠晶体，尤其在寒冷季节易诱发关节疼痛。其平衡方程式为：①HUr+H₂O⇌Ur^–+H3O⁺，②Ur^–(aq)+Na⁺(aq)⇌NaUr(s)。医生据此可以给病人合理建议，如提升生活环境温度，使②逆向移动，减少尿酸钠结晶的生成。再如医生为病人解释“人体代谢性酸中毒”病症的成因——肾脏病变引起的碳酸氢根离子丢失，见图6。

Fig. 6 Causes of metabolic acidosis in human body

图6 人体代谢性酸中毒成因

5 化学平衡与地球环境保护

我国大力发展新能源汽车，主要原因是抑制大气污染物如二氧化硫和氮氧化物对环境产生的巨大破坏、二氧化碳造成的温室效应。两种污染物存在平衡方程式：2SO₂(g)+ O₂(g)⇌2SO₃(g)；NO(g)+ 0.5O₂(g)⇌NO₂(g)。通过适当的反应条件和催化剂，如在二氧化硫催化氧化装置中使用了V₂O₅催化剂，可以使反应向产生三氧化硫方向快速转化，借此变废为宝生产硫酸。要注意的是虽然催化剂不能改变平衡状态，但是可以通过其专一性、活性对多重平衡体系中的主、副反应产生不同程度的影响，从而提升主要产物的选择性。通过催化剂的选择和反应条件的控制，也可以降低氮氧化物的含量。再如我国提出的碳达峰和碳中和目标，二氧化碳通过平衡转化为优质有机物的难题已经被科学家攻克^[5]。以二氧化碳→甲醇→甲醛→1,2-二羟基丙酮（DHA）→DHAP→GALP的生物酶催化过程（说明：从热力学理论上分析，所有的反应都存在逆反应，可认为所有的反应都存在着热力学平衡。从平衡理论上而言，所有的反应都不会真正的反应完全。只不过很多反应由于正反应的速率常数远大于逆反应的速率常数，可以认为“完全反应”），见图7。

Fig.7 C3 material transformation

图7 C3物质转化

DHA和GALP在催化作用下生成六碳糖磷酸物，最终经过异构化合成葡萄糖，见图8。

Fig.8 C6 material conversion

图8 C6物质转化

通过对化学平衡的内部反应、外界环境调节，科学家已经可以用较低成本在解决二氧化碳超标的同时获得营养物质。

6 化学平衡与人类生活质量提升

菠菜富含维生素、铁元素等营养物质，是美味又富有营养的对有益人体蔬菜。菠菜中含有草酸，结构简式为HOOC-COOH，是一种二元弱酸，其电离平衡方程式：HOOC-COOH⇌HOOC-COO^-+H⁺、HOOC-COO^-⇌^-OOC-COO^-+H⁺，当草酸进入人体后在胃酸作用下电离平衡逆向移动，草酸浓度升高，以分子形式存在的草酸在药理上具有一定毒性，大量且长期的摄入草酸会腐蚀胃黏膜；另外草酸根会跟人体内的Ca²⁺形成草酸钙沉淀，有一定造成人体缺钙或肾结石风险^[6]，虽然只有极大量的食用菠菜才会造成以上问题，但烹饪菠菜的方法仍需要人们关注。可以采取多种方法避免以上问题。第一，除去草酸。在炒制菠菜前可先将菠菜用热水焯，因草酸溶于水而去除。第二，将草酸转化为沉淀。我国传统汤羹“菠菜豆腐汤”的做法蕴含平衡原理。经过计算知每100g菠菜中含300mg草酸，每100g豆腐约含240mg钙。每70g豆腐中的Ca²⁺，可以结合100g菠菜中的草酸。原理为草酸钙沉淀存在沉淀溶解平衡：CaC₂O₄(s)⇌Ca²⁺(aq)+C₂O₄^2-(aq),当含有豆腐中的钙离子溶于水后，加入菠菜提升了草酸根浓度，使Qc=c(Ca²⁺)·c(C₂O₄^2-)大于K_sp(CaC₂O₄)，沉淀溶解平衡逆向移动，生成草酸钙且菠菜中草酸含量降低。

再如种植菜需要的营养液制备与使用，直接决定了蔬菜的长势。在配制植物营养液过程中，沉淀溶解平衡与酸碱平衡应用广泛。Ca²⁺与HPO₄^2-、PO₄^3-同时存在时可能产生磷酸钙沉淀，为减少沉淀造成的磷元素损耗，可降低阴阳离子浓度，利用沉淀平衡原理促进沉淀溶解；同时也可以适当降低pH，降低磷酸根浓度使沉淀溶解。

7 化学平衡与地外生命的探寻

生命体的产生归根结底可以用化学语言简化为：氧化剂和还原剂之间的不平衡状态有关的化学反应。地球上好氧生物会消耗葡萄糖和氧气等产生二氧化碳和水；厌氧微生物可以代谢氢产生甲烷。这些平衡方程式是产生生命的根本原因。人类在寻找宇宙中生命星球或适宜人类居住星球的探索一直没有停下，土木二在现阶段的研究中是有价值的^[7]，见图9（引用自https://www.sohu.com/a/400059534_610722）。

Fig. 9Conception of Tuwei 2 section

图9 土卫二剖面构想

旅行者1号探测器观测土卫二时，经过研究论证确定土卫二的冰层下有一个含盐冰下海洋，检测到H₂存在。由于可用于代谢反应的物质必须以不平衡的浓度存在，这样生命体才能从环境中摄取能量，以促使自身系统达到平衡状态。故若有还原剂的产生，通过氧化还原平衡的存在可以确定一定会产生氧化剂，如二氧化碳、氧气或双氧水等。这为细胞的产生提供了条件，土卫二上已经有生成甲烷所必需平衡方程式：4H₂+CO₂⇌CH₄+2H₂O，这是厌氧细菌获取能量的主要反应，经常发生在人类的肠道。通过以上方法人类正在积极探索地外生命。

结束语

以上列举了与人类活动息息相关的常见化学平衡教学素材。它们的作用及跨学科思考可以帮助学生更好地树立化学平衡的观念^[8]。通过了解平衡的动态性、变化性和稳定性间的关联，初步认知化学平衡这一化学科学的重要理论，理解建立平衡、维持平衡、打破平衡和人工构建新的平衡等一系列过程共同推动了人类社会的发展。具备“化学变化与平衡观念”素养，主动去探寻身边更多的事物运行规律，从而达成“格物致知”的科学素养进阶目标^[9]。

参考文献

[1] 潘海专.“社会责任”引领下的“化学平衡移动”的教学设计[C]//江苏省教育学会.2020学术年会报告文集.2021:4.

[2] 韩建丰,高凌蕊.素养为本的深度学习作业设计——以“化学反应限度的认知”作业设计为例[J].中小学教学研究,2023,24(02):37-41.

[3] 傅献彩,沈文霞,姚天杨编．物理化学（第四版）[M]．北京：高等教育出版社.1990.

[4] 曾文欣,杨思怡,田曼,等.于生活一隅窥见平衡之奥妙——由化学平衡到生活中的平衡[J].大学化学,2022,37(09):302-307.

[5] 唐琳.我国科学家将二氧化碳人工合成葡萄糖和脂肪酸[J].科学新闻,2023,25(01):14.

[6] 李晓丹,王佳,吴晓英.草酸钙肾结石形成的饮食因素及健康教育[J].护理研究,2010,24(23):2074-2076.

[7] 高凌云.土卫二上有生命吗[J].现代物理知识,2011,23(04):51.

[8] 郭津含,王秀红,杨海艳,等.基于化学史与学科逻辑的“化学反应限度”单元教学设计[J].化学教学,2024(02):41-47.

[9] 韩建丰,高凌蕊.培养科学思维与创新能力的化学奥林匹克竞赛培训[J].化学教育(中英文),2023,44(23):120-125.

审稿人意见

文章选题立意很好，例子也比较丰富，但有以下几点需要关注：

1.文章配图比较少，阅读对象并不是刚学完反应原理的学生，而更多的是大众群体，因此图文结合更能达到科普的效果。

2.文章中有部分例子中存在错误，如“工程师利用 Le Chatelier 原理，通过调控温度、压强和反应物浓度达成目标。”该处在后续说明了温度的作用解决速率的问题，因此不能说对该反应的综合调控中都是利用了 Le Chatelier 原理，合成氨反应的综合调控实质是速率限度共同的结果。此外，“化学平衡方程式：4NO(g) + O2(g) + 2H2O(g)

⇌ 4HNO3(aq)，第一方程式是没有配平的，第二反应符号是否能利用可逆是有待商榷（后文中如Al(OH)3和HCl等反应可逆符号有同样问题），第三反应仅会出现在教学中两个反应叠加解决某些问题，硝酸工业的真实过程实际上并没有该过程。

“通过适当的反应条件和催化剂，如在二氧化硫催化氧化装置中使用了 V2O5催化剂，可以使反应向产生三氧化硫方向快速转化，借此变废为宝生产硫酸。”中“快速转化”也是速率的问题而非限度。

3.文章中有部分例子需要再次核实与斟酌，如“当血液中的二氧化碳浓度增加时，反应向正向移动产生更多的氢离子，氢离子会与血液中的碱性物质（如碳酸根离子）结合”中作者写到的平衡中并未出现碳酸根，根据教材上此处的解释就是根据HCO3-/H2CO3缓冲对来解释。

4.方程式等化学符号字体需保持统一。

5.最后一段论文文献出现相同引用，缺少[9].

5.文章例子比较多，希望对其他例子的科学性再次进行删查。

作者1：韩建丰北京市广渠门中学 hanjianfenghao@sina.com

作者1：高凌蕊首都师范大学第二附属中学 m15311483692@163.com

审稿人：沈剑

编辑：朱真逸

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