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全方位透析等效平衡

来源:作者:罗成 点击:所属专题: 等效平衡
化学平衡是中学化学中三大理论之一,它是电离平衡、水解平衡的基础,在中学化学教学中占据举足轻重的地位,尽管新教材总体上对化学平衡降低了难度,但它仍是值得重视的高考热点。其中等效平衡是化学平衡教学中的重点和难点,也是高考的热点,为让学生能更好的掌握和应

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化学平衡是中学化学中三大理论之一,它是电离平衡、水解平衡的基础,在中学化学教学中占据举足轻重的地位,尽管新教材总体上对化学平衡降低了难度,但它仍是值得重视的高考热点。其中等效平衡是化学平衡教学中的重点和难点,也是高考的热点,为让学生能更好的掌握和应用等效平衡,下面笔者结合自己的教学体会,对有关等效平衡知识进行了系统的分析。

一、等效平衡的原理

在一定条件(定温、定容或定温、定压)下,只是起始加入情况不同的同一可逆反应达到平衡后,任何相同组分的物质的量分数(或体积分数)均相同,这样的化学平衡互称等效平衡。

二、等效平衡的建立

化学平衡状态的建立与条件(如浓度、温度、压强等)有关,而与建立平衡时的途径无关,因而同一可逆反应,从不同的状态开始,只要达到平衡时的条件(浓度、温度、压强等)完全相同,则可形成等效平衡。

如常温常压下,可逆反应:

2SO2+O2全方位透析等效平衡2 SO3

①2mol 1mol        0

② 0      0           2mol

③1mol 0.5mol    1mol

①从正反应开始,②从逆反应开始,③从正、逆反应同时开始,由于①、②、③三种情况如果按方程式的化学计量数比折算成同一方向的反应物,对应各组分的物质的量均相等[如将②、③折算为①],因此三者为等效平衡。

三、等效平衡的规律

1、定温、定容条件下的等效平衡

Ⅰ类:在定温、定容条件下,对于反应前后气体化学计量数不相等的可逆反应,只改变起始时加入物质的物质的量,若通过可逆反应的化学计量数之比换算成同一边物质的物质的量,所得反应物(或生成物)的物质的量与原起始量对应相同,则两平衡等效。

Ⅱ类:在定温、定容条件下,对于反应前后气体化学计量数相等的可逆反应,只改变起始时加入物质的物质的量,若通过可逆反应的化学计量数之比换算成同一边物质的物质的量,所得反应物(或生成物)的物质的量之比与原起始量之比对应相同,则两平衡等效。

2、定温、定压条件下的等效平衡

在定温、定压条件下,对于反应前后气体化学计量数任意型的可逆反应,只改变起始时加入物质的物质的量,若通过可逆反应的化学计量数之比换算成同一边物质的物质的量,所得反应物(或生成物)的物质的量之比与原起始量之比对应相同,则两平衡等效。

四、等效平衡的解题思想——极值法

无论平衡从哪个方向建立,在判断时,都可以根据题给条件,把生成物全部推算成反应物或把反应物全部推算成生成物,再与平衡开始时加入的物质的量相比较。

推算公式是:某反应物的物质的量+变成生成物而消耗了该反应物的物质的量=原来该反应物的物质的量

理解了上述等效平衡的概念和建立方法,就能顺利应用到实际的解题中。

五、等效平衡的应用

等效平衡的应用通常有三类,第一类是改变起始加入量,第二类是反应物分批加入,第三类是等效平衡的综合应用,现就此例析如下。

1、改变起始加入量时有关等效平衡的计算

⑴改变起始加入量判断平衡时体积分数的大小

例1(2005年江苏化学卷,18题)一定温度下,在恒容密闭容器中发生如下反应:2A(g)+B(g)全方位透析等效平衡C(g),若反应开始时充入2molA和2mol B,达到平衡后A的体积分数为a%。其他条件不变时,若按下列四种配比作为起始物质,平衡后A的体积分数大于a%的是( )

A、2mol C                                  B、2mol A、1molb和1mol He(不参加反应) 

C、1molB和1mol C                    D、2mol A、3molB和3 mol C

解析:本题考查了上述“定温、定容”条件下的等效平衡规律中的第2类等效平衡问题。首先把各选项中的C都折算成A和B,再与题干相比较。选项A中把“2mol C”完全转化为“4/3molA和2/3mol B”,可设想分两步进行,第一次先加入4/3molA和4/3mol B,与题干中比例一致,与原平衡等效,平衡后A的体积分数为a%,第二次再加入2/3mol B,会使平衡逆向移动,A的物质的量增加(但总物质的量减小),故平衡后A的体积分数大于a%;选项B中所充入的“1mol He”不能改变各组分分压,对平衡无影响,只需分析加入“2mol A、1mol B”的情况即可,其分析原理与选项A类似,故平衡后A的体积分数也大于a%;选项C中把“1molB和1mol C” 完全转化为“4/3molA和5/3mol B”,也可假设分批加入,第一次先加入4/3molA和4/3mol B,与原平衡等效,平衡后A的体积分数为a%,第二次再加入1/3mol B,会使平衡正向移动,A的物质的量减小(但总物质的量增加),故平衡后A的体积分数小于a%;选项D中把“2mol A、3molB和3 mol C” 完全转化为“4molA和4mol B”,与原平衡等效,平衡后A的体积分数为a%。故符合题意的为AB。

⑵改变起始加入量时计算平衡时物质的量浓度大小

例2(2004年北京理综卷,14题)在一定温定容的密闭容器中有如下平衡:H2(g)+I2(g) 全方位透析等效平衡2HI(g),已知H2和I2的起始浓度均是0.10mol/L,达到平衡时HI的浓度为0.16 mol/L,若H2和I2的起始浓度均变为0.20mol/L 时,则平衡时的H2浓度(mol/L)是 ( )

A、0.16mol/L         B、0.08mol/L         C、0.04mol/L       D、0.02mol/L

解析 此题仍运用等效平衡规律处理,仍假设第一种情况的反应体系的体积为VL,第二种情况的反应体系的体积为2VL,则在等温条件下,两者建立等效平衡。其中H2的平衡浓度相同,为0.02mol/L(由第一种情况平衡时,HI浓度为0.16mol/L,可推知H2转化浓度为0.08mol/L,则剩余浓度为0.02mol/L 得)。这样,由第二种情况的反应体积为2VL压缩到VL时,平衡不移动,但H2、I2和HI的浓度均增大2倍,所以H2的平衡浓度则为0.04mol/L。应选C。

⑶利用等效平衡讨论可逆反应化学计量数

例3、在一固定体积的密闭容器中,充入2molA和1mol B,发生反应2A(g)+B(g)全方位透析等效平衡XC(g),达平衡后,C的体积分数为w%,若维持容器容积和温度不变,按0.6mol A、0.3molb和1.4mol C为起始配比投入,达平衡后,C的体积分数也为w%,则x的值为( )

A、1            B、2                  C、3               D、4

解析 看题意多数学生认为这是“恒温恒容”条件下的等效平衡问题,常用极端假设法,即完全推算到A、B这两种反应物一端,即有0.6+1.4×2/x=2,或0.3+1.4×1/x=1,得x=2,应选B。然而还应考虑到等效平衡的另一种情况,即定温、定容条件下对于反应前后气体化学计量数不变的可逆反应,只要反应物(或生成物)的物质的量之比与原起始量之比对应相同,则两平衡等效,即为当x=3时的情况,因此本题正确答案应为B、C。

2、反应物分批加入时有关等效平衡的计算

⑴反应物分批加入时判断平衡移动方向

例4(2003年全国新课程卷,12题)某温度下,在一容器可变的容器中,反应2A(g)+B(g)全方位透析等效平衡C(g)达到平衡时,A、b和C的物质的量分别为4mol、2mol 和4mol。保持温度和压强不变,对平衡混合物中三者的物质的量作如下调整,可使平衡右移的是 ( )

A、均减半      B、均加倍       C、均增加1mol      D、均减小1mol

解析本题考查了上述规律中“定温、定压”条件下的等效平衡问题。选项A、B中三者比例为2:1:2,与题中比例一致,为等效平衡,平衡不移动。C可设想为两步加入,第一次加入1mol A、0.5mol B、1mol C,此时平衡不移动,第二次再加入0.5mol B(此法与一次性各加入1mol 等效),提高反应物B的浓度,平衡向右移动。D中均减小1mol,也可设想为两步进行,先将A减小1mol,B减小0.5mol,C减小1mol,此时平衡不移动,再将B减小0.5mol,降低反应物b的浓度,平衡向左移动,故本题应选C。

⑵反应物分批加入时判断平衡时体积分数的大小

例5(2004年广东化学卷,5题)在恒温时,一固定容积的容器内发生如下反应:2NO2(g)全方位透析等效平衡N2O4(g)达到平衡时,再向容器中通入一定量的NO2,重新达到平衡后,与第一次平衡时相比,NO2体积分数 ( )

A、不变 B、增大 C、减小 D、无法判断

解析 有关“等效平衡”问题,一般都假设过程:设原平衡在建立前初始时,只放入NO2其物质的量是amol,此时容器的体积为VL,再加入的NO2是nmol,此时容器的体积为(a+n)VL,两种情况下在等温等压条件下建立的平衡状态是相同的(即等效平衡),此时NO2的体积分数相同。再把容器的体积由(a+n)VL压缩为VL时(因为题设条件是等温等容,所以需把假设过程的虚设体积恢复至原体积),该可逆反应的原平衡会发生正向移动,再建立新的平衡状态,此时反应物NO2的体积分数会比原平衡减小。故应选C。

3、等效平衡的综合应用

例6(2003年江苏化学卷,26题)Ⅰ. 恒温、恒压下,在一个可变容积的容器中发生如下反应:A(g)+B(g) 全方位透析等效平衡C(g)

⑴若开始时放入1molA和1mol B,到达平衡后,生成AmolC,这时A 的物质的量为 mol。

⑵若开始时放入3molA和3 mol B,到达平衡后,生成C的物质的量为 mol。

⑶若开始时放入xmolA、2 molB和1mol C,到达平衡后,A和C的物质的量分别是ymol和3amol,则x =      y =          

平衡时,B的物质的量 (选填一个编号)。

(甲)大于2mol         (乙)等于2mol            (丙)小于2mol          (丁)可能大于,等于或小于2mol

作出判断的理由是 。

⑷若在⑶的平衡混合物中再加入3mol C,待再次达到平衡后,C的物质的量分数是                     

Ⅱ. 若维持温度不变,在一个与⑴反应前起始体积相同、且容积固定的容器中发生上述反应。

⑸开始时放入1molA和1molB到达平衡后生成bmolC。将B与⑴小题中的A进行比较 (选填一个编号)。

(甲)A<B       (乙)A>B          (丙)A=B        (丁)不能比较A和B的大小

作出此判断的理由是               

解析本题综合考查了恒容和恒压两种情况下的等效平衡。Ⅰ中的后三问都是考查恒温、恒压下的等效平衡。

Ⅰ、⑴由反应A(g)+B(g) 全方位透析等效平衡C(g)知,反应到达平衡后,若有amol的C生成,则必有amol的A消耗,此时剩余A的物质的量为(1-a)mol。

⑵起始量改为3molA和3 mol B,相当于3个1molA和1mol B,或理解为需将容器扩大为原来的3倍,才可保持恒温、恒压。根据第⑴问答案,C的物质的量为3amol。因而可确定,在定温定压的条件下起始量为3mol A、 3molB和0mol C与1molA 、1molB和0mol C为等效平衡。所以这两种状态达到平衡时C的体积分数一定相同,因而状态⑵下,A、B、C的物质的量都是状态⑴下的3倍。

⑶将状态⑶与状态⑵看成是等效平衡,把xmolA、2 molB和1mol C全部转换成反应物,为(x+1)molA、3mol B、0mol C,故可求出x=2mol,平衡时A、B、C的物质的量与状态⑵相同,故反应后A的物质的量y=(3-3a)mol,b的物质的量为(3-3a)mol,而(3-3a)与2大小比较,完全取决于a的数值。若a>1/3,n(B)<2mol;若a=1/3,n(B)=2mol;若A<1/3,n(B) >2mol,故答案为“丁”。

⑷根据化学方程式,状态⑶中,2mol A、2molB和1mol C等效于3mol A、 3molB和0mol C,在此平衡混合气体中再加入3mol C,相当于6mol A、 6molB和0mol C,达到平衡时C的物质的量分数是多少,根据上述规律,应与1mol A、1molB和0mol C中的C的物质的量分数相同。

               A(g)+ B(g) 全方位透析等效平衡C(g)

起始量: 1mol      1mol      0mol

平衡量: 1-amol 1-amol amol

故C的物质的量分数为a/(2-a)。

Ⅱ是考查恒温、恒容下的等效平衡。

⑸因此时容器的容积不变,而⑴中容器的容积缩小,⑸小题中容器相当于在⑴的基础上减小压力,使所给平衡向逆反应方向移动,故反应达到平衡后ab,故答案为(乙)。

答案⑴(1-a) ⑵3a ⑶2 3-3a (丁)

理由若3a>1,b的物质的量小于2mol;若3a=1,则b的物质的量等于2mol;若3a<1,则b的物质的量大于2mol。

a/(2-a)

⑸(乙)因为⑸小题中容器的容积不变,而⑴中容器的容积缩小,所以⑸小题的容器中的压力小于⑴小题容器中的压力,有利于逆向反应,故反应达到平衡后ab

启示解此类题目首先判断是否是等效平衡,是什么条件下(恒容与恒压)的等效平衡,然后根据解等效平衡的方法解题,即恒容时必须遵循物料守恒,恒压时必须遵循换算后一边反应物质的物质的量之比与原平衡相同。等效平衡问题充分考查了学生思维的严密性、整体性、灵活性、深刻性等。

(责任编辑:化学自习室)
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