对“等效平衡”问题及其思维方法的重新审视

2014-10-17莫明远

化学教学 2014年7期

摘要：对等效平衡问题的本质、题型和思维方法作了全面的阐述，同时列举典型的试题，通过图形等模型方法，变抽象为直观，这对于理解和解决化学平衡中诸如反应物转化率、平衡各组分的百分含量和平衡移动的方向、限度等问题起到极为有益的作用。

关键词：等效平衡；化学平衡；恒温恒容反应；恒温恒压反应

文章编号：1005–6629（2014）7–0088–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学平衡是中学化学一个极其重要的概念，也始终是高考命题的重点。尤其是涉及到一些关于化学平衡的计算问题，学生普遍感到难度较大无从下手，但若能掌握“等效平衡”的思维方法，许多问题就会迎刃而解。其实，等效平衡问题是有其解题规律可循的。多年来，也不断有相关的研究性文章，但是大多数文章仅从解题策略或者解题技巧的层面进行阐述，也有部分文章单纯从等效平衡的试题类型上作出归纳，显然不能帮助读者全方位解读等效平衡问题。本文试图以等效平衡的概念为抓手，以思维方法为切入点，不仅带动各类题型的界定、深入解析和全面突破，尤其对一些思维容量大的典型性问题，通过图形、动画模拟等模型方法，变抽象为直观，力求做到全面、深刻和新颖。希望本文能对读者理解此类问题有所启迪。

1 等效平衡的概念

一定条件（恒温恒容或恒温恒压）下，对于同一可逆反应，若以不同的起始投料方式进行反应，达到化学平衡时，相同组分在平衡混合物中的百分数（体积、物质的量、质量等）相等，则称两种平衡为等效平衡。关于等效平衡还应从下列两个层面上理解：首先，必须明确的是指同一组分在平衡混合物中的百分数相等，而不一定是指物质的量浓度；其次，若各物质的浓度或物质的量与原平衡完全一样，则为相同的平衡即等同平衡。

2 等效平衡的类型和解题的思维方法

对于反应xA（g）+yB（g） pC（g）+qD（g）等效平衡的类型总体可分为以下两大类：

2.1 恒温、恒容条件下的等效平衡

（1）当x+y≠p+q时，只要能通过可逆反应的化学计量系数把不同的投料方式换算成同一种投料方式，则它们互为等效平衡。如恒温、恒容的合成氨反应中，有下列三种投料方式：①1 mol N2，3 mol H2；②2 mol NH3；③0.5 mol N2，1.5 mol H2，1 mol NH3。显然，若将②和③中的NH3全部换算成N2和H2即与①成同一种投料方式，故必定建立等效平衡（其实是等同平衡）。

（2）当x+y=p+q时，只要投料换算后与原来的n（A）：n（B）相同，则它们互为等效平衡，且平衡产物的量与原平衡产物的量对应成正比例关系，起始投料量也对应成正比关系。如恒温、恒容下的反应CO（g）+ H2O（g）

CO2（g）+H2（g）有下列两种投料方式：①2 mol CO，2 mol H2O；

②4 mol CO，4 mol H2O，2 mol CO2，2 mol H2。

若按方式①投料后平衡时CO2的物质的量为a mol，则按投料方式②平衡后CO2的物质的量为多少呢？同样，若将2 mol CO2和2 mol H2全部换算成反应物，相当于起始时投6 mol CO，6 mol H2O，若假设①2 mol CO，2 mol H2O在1L的容器中建立平衡，6mol CO，6 mol H2O在3L的容器中建立平衡，二者互为等效平衡，后者平衡时CO2的物质的量为3a mol，然后将后者从3L压回到1L，平衡不移动，CO2的物质的量仍为3a mol。

2.2 恒温恒压条件下的等效平衡

恒温、恒压，只要起始投料物质的量换算后比例相同，也存在平衡时产物的量对应成正比例关系。如对于恒温恒压下的合成氨反应，有下列三种起始投料方式：①1 mol N2，4 mol H2；②1.5 mol N2，6 mol H2；③0.5 mol H2，1 mol NH3。若①达平衡后氨的物质的量为b mol，则②和③达到平衡后氨物质的量分别为多少呢？由于是在恒温、恒压条件下，②和③的投料分别为①的1.5倍和0.5倍，②相当于在①达到平衡的基础上再“复制”0.5个平衡体系，而③相当于在①达到平衡的基础上再“切掉”0.5个平衡体系，故则②和③达到平衡后氨物质的量分别为1.5b mol和0.5b mol。值得注意的是，该类反应一般要求所有物质均为气体。

2.3 思维方法提升——“等价转换法”

A.当反应达到平衡后，若升高温度，容器内压强不变。

B.当反应达到平衡后，若降低温度，混合气体的颜色加深，则A、B中至少有一种为有色气体。

C.在一定温度下，当容器中气体压强不变时，说明反应已达平衡。

D.若向容器内注入少量C，压强增大但平衡不移动，A的转化率也不变。

解析：A选项中，升高温度平衡右移，虽然气体的总物质的量不变，但是，由于温度升高，混合气体压强必然增大，所以，这种影响不是单一的而是综合的。B选项中，降低温度后平衡左移，混合气体的颜色加深，A、B中至少有一种为有色气体无疑是正确的。一定温度下，像上述等体积的可逆反应，无论有没有达到平衡，混合气体压强始终不变，C选项错误。D选项的迷惑性很强！由于起始时反应物投料比不一定是1：1，故在上述平衡体系中注入少量C时，平衡可能移动，A的转化率也可能发生变化。所以，这种影响也不是单一，而是综合的。

恒温、恒容时，有关转化率变化的规律Ⅰ：

可逆反应aA（g）+bB（g） cC（g），起始按反应物的系数比a：b投料（或单独充入C）并达到平衡后，再充入少量C（g）时：

（1）当a+b>c时，平衡向正反应方向移动，A、B的转化率增大。

（2）当a+b

（3）当a+b=c时，平衡不移动，A、B的转化率不变。

3.2 先同后变的原则

在温度恒定的条件下，涉及体积与压强以及平衡移动有关判断的问题，在进行判断时，可首先设计一些等效平衡的中间状态作为参照标准，即“先同”，然后再根据题设条件观察变化后的趋势，即“后变”，来进行求解。这样能降低思维难度，具有变难为易、化抽象为直观的作用。

请填写以下空白：（1）若x=4.5，则右侧反应在起始时向（填“正反应”或“逆反应”）方向进行。欲使起始反应维持向该方向进行，则x的最大取值应小于。（2）若x分别为4.5和5.0，则在这两种情况下，当反应达平衡时，A的物质的量是否相等？（填“相等”、“不相等”或“不能确定”）。其理由是：。

解析：（1）x=4.5，右侧反应在起始时气体总物质的量为4.5+6.5+2.0=13.0 mol，左侧的反应是等体积反应，气体总物质的量恒为12.0 mol，要使隔板恰好处于反应器的正中位置，则右侧反应在起始时应向气体体积减小的正反应方向移动。假设平衡向右移动的极限是将E全部消耗掉，达到平衡后混合气体为：（6.5-0.5x）+2.0+x=12.0，解得x=7，而根据不为零原则，E不可能全部消耗掉，故x<7。（2）若x分别为4.5和5.0，为使平衡时气体总物质的量达到12.0 mol，则右侧反应向正反应方向移动的程度是不一样的，即反应的温度不同，故左侧的反应在不同温度下进行，平衡移动的程度也不同，故A的物质的量不相等。

总之，等效平衡问题是高中化学的一个难点。在教学过程中，教师应分类归纳，同时列举典型的试题深入分析，通过图形、动画模拟等模型方法，变抽象为直观，帮助学生充分理解等效平衡问题的本质、题型和思维方法，这对于帮助学生建立并运用“等效平衡模型”作中间体，理解和解决化学平衡中诸如反应物转化率、平衡各组分的百分含量和平衡移动的方向及限度等问题将起到极为有益的作用。

参考文献：

[1]徐敏，莫明远.优化烃的衍生物教学的几点思考[J].中学化学教学参考，2002，（12）：11～14.

[2]莫明远，王祖浩.创设问题情景启发自主探究提升科学素养[J].化学教育，2010，（7）：16～29.

[3]莫明远.知识问题化问题情景化[J].中学化学教学参考，2012，（1-2）：62～64.