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全方位透析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 2 SO3① 2mol 1mol 0② 0 0 2mol③ 1mol 0.5mol 1mol①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2AgBg 3Cg,若反应开始时充入 2molA 和2molB,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、2molC B、2molA、1molB 和1molHe(不参加反应) C、1molB 和1molC D、2molA 、3molB 和3 molC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“2molC ”完全转化为“4/3molA 和2/3molB”,可设想分两步进行,第一次先加入4/3molA 和4/3molB ,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,第二次再移走 2/3molB,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“ 1molHe”不能改变各组分分压,对平衡无影响,只需分析加入“2molA、1molB” 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1molC” 完全转化为“ 4/3molA 和5/3molB”,也可假设分批加入,第一次先加入4/3molA 和4/3molB,与原平衡等效,平衡后 A 的体积分数为 a,第二次再加入1/3molB,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“2molA、3molB 和3 molC” 完全转化为“4molA 和4molB”,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22004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H 2gI2g 2HIg,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、I 2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1molB,发生反应2AgBg xCg,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 0.6molA、0.3molB 和1.4molC 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0.61.4 2/x2,或 0.31.41/x1,得 x2,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 x3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2AgBg 2Cg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212,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1molA、0.5molB 、1molC,此时平衡不移动,第二次再加入0.5molB (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2NO 2gN2O4g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,NO 2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 namol,此时容器的体积为1nVL,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1nVL 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AgBg Cg⑴若开始时放入1molA 和1molB,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 molB,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1molC,到达平衡后, A 和 C 的物质的量分别是 ymol和3amol,则 x mol,y mol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3molC,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)ab (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 AgBg Cg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 molB,相当于3 个1molA 和1molB,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3molA、 3molB 和0molC 与1molA 、1molB 和0molC 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1molC 全部转换成反应物,为x1molA、3molB、0molC,故可求出 x2mol,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 y3-3amol,B 的物质的量为3-3amol,而3-3a与2大小比较,完全取决于 a 的数值。若 a>1/3 ,则 nB<2mol;若 a1/3,则 nB2mol;若a<1/3,则 nB >2mol ,故答案为“ 丁”。⑷根据化学方程式,状态⑶中,2molA、2molB 和1molC 等效于3molA 、 3molB 和0molC,在此平衡混合气体中再加入3molC,相当于6molA、 6molB 和0molC,达到平衡时 C 的物质的量分数是多少,根据上述规律,应与 1molA、1molB 和0molC 中的 C 的物质的量分数相同。Ag Bg Cg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 a>b,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 3a1,则 B 的物质的量等于2mol;若3a<1,则 B 的物质的量大于2mol。 ⑷a/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a>b。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。
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