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假设思维在化学平衡计算中的应用

来源:未知作者:陈螯 点击:所属专题: 假设法 平衡计算
化学平衡知识点是高中化学中的重点和难点;也是考纲要求的考点,所以学生思维能力的培养与训练尤其重要,特别是有些题目如按照常规的思维方式就如同走进死胡同,如果在作题时慢慢地引导学生将数学的假设思维迁移到化学平衡中,许多难题就会迎刃而解,下面就介绍几种假设

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 化学平衡知识点是高中化学中的重点和难点;也是考纲要求的考点,所以学生思维能力的培养与训练尤其重要,特别是有些题目如按照常规的思维方式就如同走进死胡同,如果在作题时慢慢地引导学生将数学的假设思维迁移到化学平衡中,许多难题就会迎刃而解,下面就介绍几种假设思维在化学平衡计算中的应用。

一、等效假设

化学平衡的特点之一是“同”,即条件不变时无论反应是从正反应开始,还是从逆反应开始,还是从即有反应物又有生成物开始,均可以达到同一平衡状态,等效假设就是通过假设能够达到与原平衡起始物质的浓度(或物质的量)相同的条件,均可达到同一平衡状态的方法。等效平衡也包括两个平衡状态中相同物质的含量完全相同的平衡。

例1、在一个固定体积的密闭容器中,加入2molA和1molB,发生反应2A(气)+ B(气)假设思维在化学平衡计算中的应用3C(气)+ D(气),达到平衡时C的浓度为Wmol/L。若维持容器体积和温度不变,按下列四种方法改变初始物质,达到平衡后C的浓度仍为Wmol/L的是(   )

A、4molA + 2molB                       

B、2molA+1molB+3molC+1molD

C、3molC+1molD+1molB                   

D、3molC+1molD

【解析】在定温定容的条件下,对于反应前后气体体积改变的可逆反应,按不同的配比投入起始物质,要满足平衡后各组分的浓度保持不变,须使各种不同配比的起始物质按可逆反应的化学计量数全部换算成反应物或生成物,其物质的量要相等。对于此题,如果把生成物C和D完全转化为反应物A和B,仍得2molA和1molB,该项就是所求的答案。只有D项符合,因为3molC和1molD完全转化为A、B时,恰好生成2molA和1molB。

二、过程假设

化学平衡的建立只与物质的始态和终态有关,与建立平衡的路径无关,化学平衡的移动是根据勒夏特列原理来进行判断的,但对于一些较为复杂的、抽象的过程却往往难以得出结论,如果将其假设为若干个简单的过程,就会使问题变得简捷明了。从而得以解决,这种假设就是过程假设。

例1:完全相同的两个密闭容器A、B,已知A中装有SO2和O2各1 g, B 中装有SO2和O2各2 g。在同温下反应达到平衡,A中SO2转化率为a%,B中SO2转化率为b%,则A、B两个容器中SO2的转化率关系为(     )

A、a%>b%  B、a%<b%  C、a%=b% D、无法确定

分析:常规思维就是按照转化率的公式分别求出A、B两个容器中SO2的转化率,本题此方法不通,应用过程假设就简单多了。该反应的化学方程式为:2SO2+O2假设思维在化学平衡计算中的应用2SO3将其变化过程假设如下:设容器A为1 L,另假设有一个容器可变的容器B体积为2 L,在B中充入SO2和O2各2 g,在相同温度下达到平衡时,A和B容器中SO2的转化率均为a%,然后将B容器压缩为1 L,平衡态C时容器内压强增大,平衡向生成SO3方向移动,则SO2的转化率增大,所以a<b,选B.

例2、在容积相同且固定不变的四个密闭中进行如下同样的可逆反应:2A(气) +B(气)假设思维在化学平衡计算中的应用 3C(气) +2D(气),起始时,四个容器所盛A,B的量分别是:甲.A2mol. B 1mol ;  乙. A1mol. B 1mol   ;  丙.A2mol. B  2mol  ;  丁. A1mol.  B 2mol 。在相同温度下建立平衡时,A或B的转化率大小关系是(  )

A.A的转化率:甲<丙<乙<丁          

B.A的转化率:甲<乙<丙<丁

C.A的转化率:甲<乙=丙<丁 

D.A的转化率:甲>丙>乙>丁

【解析】A的转化率:由乙→丁,丁相当于在乙的基础上又增加了1molB,增加反应物B的浓度,平衡右移,A的转化率增大,丁>乙。

由乙→丙,同时增大A、B物质的量,可看成在乙中体积缩小一半,即增大压强,平衡向左移动,A的转化率降底,乙>丙。

由甲→丙,丙相当于在甲的基础上又增加了1molB,增加反应物B的浓度,平衡右移,A的转化率增大,丙>甲。

A的转化率:甲<丙<乙<丁,同理,B的转化率:甲>乙>丙>丁。正确答案为A。

例3、将1molSO2和1molO2通入一体积不变的密闭容器中,在一定温度和催化剂作用下,反应2SO2(g)+  O2(g)假设思维在化学平衡计算中的应用 2SO3(g)达到平衡,SO3为0.3mol,此时移走0.5molO2和0.5molSO2,则反应达到新的平衡时SO3的物质的量是(   )

A、0.3mol     B、0.15mol    C、小于0.15molN   D、在于0.15mol ,小于0.3mol

【解析】在同一条件下,对同一可逆反应,达到同一平衡状态有多种途径。如将1molSO2和1molO2通入一体积不变的密闭容器中,在一定温度和催化剂作用下,反应达到平衡,此时移走0.5molO2和0.5molSO2,则反应达到新的平衡状态Ⅰ;若在相同的温度和相同容积的密闭容器中,起始只充入0.5molO2和0.5molSO2,经过一段时间后达到平衡状态Ⅱ。则平衡状态Ⅰ和平衡状态Ⅱ为同一平衡状态。

 一定温度下,将1molSO2和1molO2通入一体积为V的不变的密闭容器中,反应达到平衡,SO3为0.3mol。将0.5molSO2和0.5molO2通入一体积为V的不变的密闭容器中,反应达到平衡,SO3为xmol。设想将两个体积为V且均充入0.5molSO2和0.5molO2的密闭容器压缩为一个体积为V的密闭容器,增大压强,平衡向正反应方向移动,此时容器中SO3的物质的量将大于2x mol,即0.3 > 2x,所以x小于0.15mol,正确答案为C。值得注意的是:假设过程中平衡移动的方向,不一定与改变影响原平衡的条件时平衡移动的方向相同。本题中移走O2与SO2时,平衡应向逆反应方向移动,所以假设过程只能帮助分析转化率或有关量的大小关系等,并不能作为判断平衡移动方向的依据。  

三、极端假设

化学平衡研究的对象是不能完全进行的反应----可逆反应,极端假设就是将可逆反应极端地视为不可逆反应,从而求出某物质量的极大值和极小值。

例1:在一定条件下,向密闭容器中冲入3 mol X气体和1 mol Y气体,发生反应2X(g)+2Y(g) 假设思维在化学平衡计算中的应用3Z(g)+2W(g),达到化学平衡时,侧出的下列各生成物浓度的数据中肯定错误的是(    )。

A、c(Z)=0.75 mol/L    B、c(Z)=1.2 mol/L   C、c(W)=0.80 mol/L   D、c(W)=1.00 mol/L 

分析:次题用常规的“三行式法”无法解答,采用极端假设就能很快选出D,即假定原可逆反应为一个能完全进行的反应,依据X、y的量可知X过量,以Y为计算依据求出Z,W浓度最大分别为1.5 mol/L与1.00 mol/L,所以选D。 

例2、在一密闭容器中进行如下反应:2X2(g)+Y2(g)假设思维在化学平衡计算中的应用2 Z(g),已知反应过程中某一时刻,X2、Y2、Z的浓度分别为:0.2mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L,当达到平衡时,可能存在的数据是(  )

A.X2为0.4mol/L,Y2为0.2 mol/L      B、X2为0.25mol/L   C、X2和Z均为0.15 mol/L          D、Z为0.4mol/L

【解析】当达到平衡时,假设向正反应方向进行到底,则X2、Y2的最小值为0 mol/L,Z的最大值为0.4mol/L。当达到平衡时,假设向逆反应方向进行到底,则X2、Y2的最大值分别为0.4 mol/L、0.2mol/L,Z的最小值为0 mol/L。所以,平衡时X2、Y2、z的浓度的取值范围分别为:0<X2<0.4 mol/L、0<Y2<0.2mol/L、0<Z<0.4 mol/L。再由物料守衡:X2和Z的浓度之和为0.4 mol/L。故正确答案为B。 

上述三种假设思想并不是孤立的,而是相互统一的。往往一个问题需要几种假设才能分析清楚。灵活应用上述三种假设方法将会使复杂问题简单化,提高学习效率。

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