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等效平衡的题如何处理?

来源:作者:周书峰 点击:所属专题: 等效平衡 化学平衡解题思维
等效平衡和物理中的等效电路差不多,所谓等效平衡,是指一定条件下(定温、定压或定温、定容)进行的某可逆反应,只是起始加入情况不同,达到平衡后,各组分的百分含量(物质的量分数或体积分数或质量分数)相同的平衡状态。等效平衡是化学平衡中的一种特殊情况。(下面

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等效平衡和物理中的等效电路差不多,所谓等效平衡,是指一定条件下(定温、定压或定温、定容)进行的某可逆反应,只是起始加入情况不同,达到平衡后,各组分的百分含量(物质的量分数或体积分数或质量分数)相同的平衡状态。等效平衡是化学平衡中的一种特殊情况。(下面可逆符号等图无法上传,请谅解) 

一、等价转化思想 

教材有一段叙述:对于可逆反应CO(气) + H2O(气)<==>CO2(气)+H2(气),加入0.01molCO和0.01molH2O(气)在一定条件下反应,达到平衡状态。如果不是从一氧化碳和水蒸气开始反应,而是反过来各取0.01mol二氧化碳和氢气,在相同的条件下进行反应,达到平衡时,反应混合物的组成与前者完全相同。

这里讲的就是等效平衡中的一种情况,其隐含的思维方法即等价转化思想,也就是将0.01molCO2 和0.01molH2按化学计量关系进行换算,相当于投入CO和H2O(气)各0.01mol,投入的物料相当,建立的化学平衡完全相同。

又如,对于一定条件(定温、定压或定温、定容)下进行的可逆反应 
               2SO2(气)+O2(气)<==>2SO3(气)
始态一: 2mol          1mol               0  
始态二: 0                0                   2mol  
始态三: 1mol           0.5mol           1mol
       以上三种不同的加入情况,按照化学计量关系换算到左边,都相当于2molSO2和1molO2;换算到右边,都相当于2mol SO3,投入的物料守恒,因此达到完全相同的平衡状态,若用a、b、c分别代表起始加入的SO2、O2、SO3的物质的量,若要达到与上述情况相同的平衡状态,按等价转化思想不难得出a、b、c应满足的关系式:a+c=2 ,b+c/2=1。

这种等价转化方式俗称“一边倒”,按照“一边倒”方式转化后,若投入物料守恒,则建立的化学平衡状态完全相同,即各反应情况下,平衡态组分的各物理量均相同(如平均分子量、各气体的物质的量及总物质的量、混合气体的密度、压强、百分含量等)。 

二、叠加思想 
       对于定温定压下进行的某可逆反应,只是起始加入情况不同,欲判断是否建立等效平衡可采用叠加思想。如定温定压下进行的可逆反应
                2SO2(气)+O2(气)<==> 2SO3(气)
始态一: 2mol            1mol               0  
始态二: 4mol            2mol               0  
       可以看出两种始态物料的物质的量之比相同,即始态二投入物料是始态一的两倍,在压强不变的情况下,始态二恰是两个始态一的叠加,以框图形式可表示为: 

始态一 平衡态一 始态二 平衡态二 

通过图示,我们不难看出,平衡态一与平衡态二中各组分的物质的量分数相同,即两平衡等效。

由此我们得出:

对于定温定压下进行的某可逆反应,若两种始态中各物质的物质的量之比相同,可设甲始态投入物料是乙始态物料的N倍,则甲反应可视为N个乙反应的叠加,甲的平衡态也就相当于N个乙的平衡态的叠加,在平衡混合物中,各组分的物质的量分数相同,即平衡等效。

结合等价转化思想,我们可进一步拓展得出:“一边倒”之后若投入物料的比例相同,平衡等效,且平衡态组分的物理量满足:物质的量成倍数关系,其它物理量如密度、浓度、平均分子量、组分的百分含量均相同。

三、放缩思想  

对于定温定容条件下发生的可逆反应 
               2SO2(气)+O2(气)<==>2SO3(气)
始态一: 2mol            1mol              0  
始态二: 4mol             2mol             0  
       两种始态物质的量之比相同,达到平衡时各组分的物质的量分数相同吗?我们设计如下过程辅助判断:定温定容下,假设始态一达到平衡的过程如图所时:

始态一 平衡态一 

由于始态二投入物料为始态一的两倍,利用叠加思想将始态二先进行等压条件下的等价转化,则 

始态二 平衡态二 

始态一的叠加 平衡态一的叠加 

根据勒沙特列原理,在压缩的过程中,平衡要移动,所以平衡态二与平衡态一不再相同,两平衡不再等效。之所以有这个结果,是因为该反应前后气体分子数不同,压强变化,平衡移动。相应的,若反应前后气体分子数相同,则平衡不受压强影响,在以上条件下可建立等效平衡。 
       这一分析思路即放缩思想。将该原理与等价转化思想、叠加思想综合利用,可以较深刻地理解定温定容时等效平衡建立的条件:
       若反应前后气体分子数相同,则投入物料“一边倒”后比例相同,平衡等效(很容易得出,平衡时组分的物质的量、浓度、密度等相同,百分含量及平均分子量相同)。
       若反应前后气体分子数不同,则须投入物料“一边倒”后守恒,平衡才等效。
       在以上分析推理中,等价转化思想、叠加思想、放缩思想作为思考问题的方法和工具,三者相互联系、相互补充,使得过程清晰明了,有助于学生对原理和实质的理解。实际上,这三种思维方法也适用于解答一般平衡问题。掌握这三种思维方法,对于培养学生的思维能力,提高学习效率大有裨益。

(责任编辑:化学自习室)
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