高中化学等效平衡规律及其应用

陈延林

[摘 要]化学平衡是高中化学的重难点知识，等效平衡是化学平衡的进一步拓展。近年来高考化学中有关等效平衡知识的考查较为频繁，难度不尽相同。为了使学生牢固掌握等效平衡的相关规律，并能在解题中灵活运用，教师应做好相关理论知识的讲解，使学生牢固记忆、深入理解，同时展示等效平衡规律在解题中的具体应用，启发学生有效掌握等效平衡规律的应用技巧。

[关键词]高中化学;等效平衡;规律;应用

[中图分类号]    G633.8            [文献标识码]    A          [文章编号]    1674-6058（2022）02-0072-03

高中化学等效平衡涉及的知识点多而零碎，且较为抽象，对学生的理解能力要求较高。教学中，教师应给学生详细讲解等效平衡的相关知识，帮助学生更好地理解等效平衡的本质以及不同类型等效平衡之间的区别与联系，并通过例题的讲解以及习题的训练进一步夯实学生的知识基础，助其积累解答等效平衡问题的经验与技巧，实现解题能力的进一步提升。

一、等效平衡的定义及类型

（一）等效平衡的定义

在一定條件（恒温恒容或恒温恒压）下，同一可逆反应体系，无论是从正反应开始，还是从逆反应开始，在达到化学平衡状态时，任何相同组分的百分含量（体积分数、物质的量分数）均相同，这样的化学平衡称为等效平衡。

为了使学生更好地理解该定义，教师可设计如下问题让学生思考并回答：（1）等效平衡的外界条件有哪些？（2）等效平衡和“完全相同的平衡状态”是否相同？（3）等效平衡状态和平衡建立的途径是否相关？通过对问题的讨论可知，探讨等效平衡时需要明确外界条件是恒温恒容还是恒温恒压;等效平衡并不是完全相同的平衡，只是相同组分的百分含量对应相同;等效平衡研究的是平衡状态，和反应的初始情况有关，和平衡建立的途径、物质加入的次数无关。

（二）等效平衡的类型

根据外界条件以及反应前后体积是否变化，将等效平衡分为三种类型。Ⅰ类：T、V一定，[ΔV≠0]的体系，等价转化后，对应各物质起始投料的物质的量与原平衡起始态相同。Ⅱ类：T、V一定，[ΔV=0]的体系，等价转化后，反应物或生成物的物质的量的比例与原平衡起始态相同。Ⅲ类：T、p一定，等价转化后，反应物或生成物的物质的量的比例与原平衡起始态相同。三类等效平衡适用条件不同，为了确保学生能够灵活运用等效平衡的相关知识来解题，教师应与学生一起总结等效平衡的相关规律，并利用多媒体课件为学生直观展示不同类型的等效平衡，进一步深化学生对不同类型等效平衡的认识与理解，防止学生在解题中张冠李戴。

为了使学生更好地理解三类等效平衡，教师可鼓励学生2人一组围绕等效平衡类型相互提问，以暴露学生在理解上的问题，而后询问学生对于三类等效平衡还有哪些不清楚，据此为学生做针对性讲解，帮助学生牢固掌握三类等效平衡。

二、等效平衡的规律

高中化学等效平衡规律是各类测试考查的重点。从大的方面来看，等效平衡属于化学平衡的范畴，因此无论哪一类等效平衡均遵循勒夏特列原理。在解答等效平衡类习题时可利用勒夏特列原理来判断化学平衡的移动方向。另外，不同类型的等效平衡还遵循各自的一些规律。学生只有牢固地掌握相关规律，才能结合具体的问题情境做出正确的判断。Ⅰ类等效平衡的规律为：平衡时各组分的百分含量、物质的量、物质的量浓度均相同。Ⅱ类等效平衡的规律为：各组分的百分含量相同，物质的量以及物质的量浓度同比例变化。Ⅲ类等效平衡的规律为：各组分的百分含量、物质的量浓度相同，物质的量同比例变化。

高中化学课堂上，仅让学生死记硬背等效平衡规律是行不通的，教师应与学生一起总结等效平衡规律的应用技巧，使学生掌握分析等效平衡的注意事项，搞清楚等效平衡的本质。在讲解等效平衡的规律时，教师还应预留一定的课堂时间，鼓励学生相互交流，使学生能够学习他人之长，及时发现与纠正自身的理解误区，为学生正确应用等效平衡规律解题打好基础。

三、等效平衡规律的应用技巧

通过总结近年来高考化学中有关等效平衡的试题，可将其归纳为三种题型。不同题型的解题方法不同，解题时应注重相关技巧的应用，以获得事半功倍的解题效果。

题型一：通过物质的量判断是否为等效平衡。该类题型相对简单，运用等效平衡规律不难进行判断。解答该类题型的技巧为：首先通过审题明确反应的外界条件，然后观察反应前后气体的体积是否发生变化，最后结合等效平衡类型做出判断。

题型二：通过物质的加入比例判断是否为等效平衡。部分习题往往通过改变反应物的比例，要求学生分析相关的参数。该类题型涉及两种情形，相应的解题技巧如下：（1）等比例改变反应物。当T、V相同时，先建立等效平衡，然后按照给出的条件对反应进行叠加，运用勒夏特列原理判断平衡的移动方向，由此判断出相关参数的变化情况。当T、p相同时，等比例加入反应物以原平衡为等效平衡，各反应物与生成物的体积分数和物质的量浓度不会发生改变，而反应物与生成物物质的量会等比例发生变化。（2）不等比例改变反应物。先建立等效平衡，然后分析增加或减少物质给化学平衡带来的影响。

题型三：判断物质转化率和浓度的关系。部分习题将转化率和物质的浓度改变与等效平衡结合起来，考查学生综合分析问题的能力。该类题型难度较大，解答时应注意应用以下技巧：（1）因压强和温度改变促使平衡正向移动时，反应物的转化率一定增大。（2）多种反应物参加的可逆反应，如a A（g） + b B（g） [ ][     ] c C（g） + d D（g），需要具体问题具体分析。当其中一种反应物的浓度增加时，另一种反应物的转化率提高，自身的转化率一般降低。当T、V不变，等比例增大反应物浓度时，若为气体计量数之和减小的反应，则反应物的转化率均增加;若为气体计量数之和增大的反应，则反应物的转化率均减少;若为气体计量数之和不变的反应，则反应物的转化率均不变。当[T]、[p]不变，等比例增大反应物浓度时，反应物转化率不变。分解反应也遵循该规律，如可逆反应a A（g） [ ][     ]  b B（g） +  c C（g），当T、V不变，[a=b+c]时，无论如何改变反应物浓度，反应物的转化率不变;[a<b+c]时，增加反应物浓度，反应物的转化率减小;[a>b+c]时，增加反应物浓度，反应物的转化率增大;当T、p不变，等比例增大反应物浓度时，反应物的转化率不变。

需要注意的是，在解答等效平衡题时，教师应引导学生灵活运用极限法、三段式法计算相关参数的范围以及具体的值。

四、等效平衡规律的应用举例

因为高中化学等效平衡知识较为抽象，所以教学中教师要为学生优选、精讲经典例题并进行讲解，以进一步深化学生的理解，使其更好地积累解题经验与技巧;同时还应设计相关的专题，强化学生的思维训练，使学生真正突破学习难点。

[例题]在一体积恒定的容器中，分别加入2 mol A和1 mol B，发生可逆反应：2A（g） + B（g） [ ][     ] x C（g），达到平衡后，C的体积分数为w %。若保持容器的体积和温度不变，向容器中分别加入0.6 mol A，0.3 mol B，1.4 mol C，达到平衡后C的体积分数仍为w %，则x的值为（ ）。

A.2   B.3   C.2或3   D.无法确定

解析：因该可逆反应的反应前后化学计量数不确定，因此需要结合等效平衡的类型进行分类讨论。当[ΔV≠0]时，要想满足题意需要符合Ⅰ类等效平衡，再根据反应比例系數可知，应满足[0.6+2.8/x=2]，解得[x=2]。当[ΔV=0]时，符合Ⅱ类等效平衡，此时[x=3]，加入的物质的量转化后和原平衡对应物质的比例相等，仍满足题意，综上选择C项。

[训练习题一]在一固定体积的密闭容器中，发生可逆反应：2A（g） + B（g） [ ][     ] 3C（g） + D（g），反应开始时分别加入2 mol A和1 mol B，达到平衡时C的浓度为a mol/L。若保持容器体积与温度不变，以下配比在达到平衡后， C的浓度仍为a mol/L的是（ ）。

A. [4 mol A+2 mol B]

B. [2 mol A+1 mol B+3 mol C+1 mol D]

C. [3 mol A+1 mol B+1 mol C]

D. [3 mol C+1 mol D]

解析：该题较为基础，主要考查学生对三类等效平衡的熟练掌握程度。分析可知，题给条件为T、V不变，且[ΔV≠0]，符合Ⅰ类等效平衡。联系Ⅰ类等效平衡可知，只要将物质按照反应比例系数转化为反应物后满足2 mol A和1 mol B即可，显然只有D项符合题意。

[训练习题二]在T ℃条件下体积均为2 L的3个恒容密闭容器中发生反应：3A（g） + B（g） [ ][     ] x C（g），按照不同方式投入反应物：甲容器[3 mol A+2 mol B];乙容器[9 mol A+6 mol B];丙容器2 mol C。充分反应后均达到平衡，测得甲、乙容器中A的浓度分别为[c1] mol·L-1、[c2] mol·L-1，甲、丙容器中C的体积分数分别为[w1]%、[w3]%，甲、乙容器中混合气体的密度分别为[ρ1] g·L-1、 [ρ2] g·L-1，则（ ）。

A. 达到平衡的时间：[乙容器>甲容器]

B. 不管[x]取何值均有[3ρ1=ρ2]

C. 若[x<4]，则[c2>3c1]

D. 若[x=4]，则[w1>w3]

解析：该题综合考查等效平衡下达到平衡的时间、混合气体的密度、某物质的浓度、某物质的体积分数，难度较大。通过该习题的训练，可进一步提升学生综合分析问题的能力。A项，甲、乙两容器只有投入的反应物的量不同，投入的量越大反应速率越大，达到平衡所需的时间越短，错误;B项，甲容器物质的量是乙容器物质的量的3倍，质量也是如此，因其容积恒定，则不管[x]取何值均有[3ρ1=ρ2]，正确;C项，恒温恒容下，乙容器等效为在甲容器平衡的基础上将压强增大3倍，而当[x<4]时，平衡正向移动，则[c2<3c1]，错误;D项，[x=4]时，甲、丙容器的平衡不等效，甲容器相当于在丙容器反应的基础上增大B的物质的量，则B的体积分数增大，C的体积分数减小，即[w1<w3]，错误。综上选择B项。

[训练习题三]在一定温度下，将2 mol SO2和1 mol O2通入一个一定容积的密闭容器内，发生下列反应：2SO2+O2  [ ][      ] 2SO3，当反应进行到一定程度时，反应混合物处于化学平衡状态。保持容器内温度不变，用a、b、c表示初始时加入的SO2、O2、SO3的物质的量，如果a、b、c取不同的数值，它们需要满足一定的相互关系，才能保证达到平衡状态时反应混合物中三种气体的体积分数和上述平衡完全相同。请填写下列空白。

（1）如果[a=0]，[b=0]，那么[c=]              。

（2）如果[a=0.5]，那么[b=]             ，[c=]             。

（3）a、b、c的取值需要满足的一般条件是                       ，                           。（用两个方程式表示，其中一个只含有a和c，另一个只含有b和c）

解析：由化学方程式2SO2 + O2  [ ][      ] 2SO3可以看出，这是一个反应前后气体分子数不相等的可逆反应，在恒温定容状态下，构建同一个化学平衡状态。初始时，无论怎样改变三种气体的物质的量，使得化学反应从正反应开始，或者从逆反应开始，或者正、逆反应同时开始，其构建的化学平衡状态的效果都相同，即它们存在等效平衡关系。（1）如果[a=0]，[b=0]，那么表明反应从逆反应开始，根据化学方程式得出，反应从2 mol SO2开始，通过将反应的化学计量数的比换算成SO2和O2的物质的量，和反应从2 mol SO3和1 mol O2的混合物开始是等效的，因此[c=2]。（2）因为[a=0.5]，小于2，表明正、逆反应是同时开始的，根据化学方程式得出，想要0.5 mol SO2反应，需要加入0.25 mol O2，通过等价转化可以知道，其和0.5 mol SO2是一样的，这时加入1.5 mol SO3和起始时加入2 mol SO3是等效的，因此[b=0.25]，[c=1.5]。（3）题目中要求2 mol SO2和1 mol O2与c mol SO3构建等效平衡，根据化学方程式可知，c mol SO3等效转化后和c mol SO2与[c2] mol O2等效，所以[a+c=2]，[b+c2=1]。

综上所述，高中化学等效平衡知识点多且抽象，常在各类测试中作为压轴题出现，难度较大，极易失分。为了帮助学生攻克这一学习难点，教师应为学生系统地讲解等效平衡知识，加强与学生的互动，驱使学生主动思考，使其更好地理解与掌握等效平衡的相关规律，明确不同类型的等效平衡规律成立的条件;同时做好等效平衡相关规律的应用讲解，帮助学生厘清应用等效平衡规律解题的思路。

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（责任编辑 罗 艳）

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