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由於化學平衡狀態的建立,只與條件有關,即與溫度、壓強(或容器的容積)、反應物或生成物的起始量的相對關系有關,而與反應進行的方向無關。因此在一定條件下(恆溫恆容或恆溫恆壓),對反應物和生成物都為氣體的同一可逆反應,只要起始時加入物質的物質的量不同,而達到化學平衡時,同種物質的百分含量相同,這樣的平衡稱為『等效平衡』。化學平衡是歷年來高考的重點和熱點,而化學平衡中的『等效平衡』更是化學平衡中的難點,如何判定兩個或多個平衡體系是『等效平衡』,筆者通過對眾多涉及『等效平衡』題目的研究中尋找到了一種方法,並把其稱為一邊倒法。
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一邊倒法的步驟
第一步是通過可逆反應的化學計量數比換算成同一邊物質的物質的量。
第二步是看可逆反應類型[等體積反應(反應前後氣體分子數不等的可逆反應)、不等體積反應(反應前後氣體分子數不等的可逆反應)]。
第三步是看條件(恆溫恆容或恆溫恆壓)。
第四步得出結論:
1.在恆溫恆容條件下,對於不等體積反應,只改變起始時加入物質的物質的量,如通過一邊倒法換算成同一邊物質的物質的量與原平衡相同,則兩平衡等效,否則不是『等效平衡』。
2.在恆溫恆容條件下,對於不等體積反應,只改變起始時加入物質的物質的量,如通過一邊倒法換算成同一邊物質的物質的量不相同,既使與原平衡成比例(不相同時),則兩平衡不是『等效平衡』。
3.在恆溫恆容條件下,對於等體積反應,只改變起始時加入物質的物質的量,如通過一邊倒法換算成同一邊物質的物質的量相同或原平衡成比例(不相同時),則兩平衡等效,否則不是『等效平衡』。
4.在恆溫恆壓條件下,對於不等體積反應,只改變起始時加入物質的物質的量,如通過一邊倒法換算成同一邊物質的物質的量相同或原平衡成比例(不相同時),則兩平衡等效,否則不是『等效平衡』。
5.在恆溫恆壓條件下,對於等體積反應,只改變起始時加入物質的物質的量,如通過一邊倒法換算成同一邊物質的物質的量相同或原平衡成比例(不相同時),則兩平衡等效,否則不是『等效平衡』。
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『等效平衡』的特征
1.反應混合物中的各相應組分的物質的量相等或成比例(不相同時)。
2.反應混合物中的各相應組分的物質的量濃度相等或成比例(不相同時)。
3.反應混合物中的各相應組分的質量分數、物質的量分數、體積分數等百分含量相同。
4.相應反應物的轉化率相同。
瑞景中學謝裕梅老師撰寫的稿件——『古代詩歌鑒賞專題復習之1』下周六繼續刊登。
——編者
典型例題
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例1.在一個固定容積的密閉容器中,加入2molA和1molB,發生反應2A(g)+B(g)→3C(g)+D(g) ,達到平衡時,C的濃度為cmol/L,若維持容器的容積和溫度不變,按下列4種配比作為起始物質,達到平衡時,C的濃度仍為cmol/L的是( )。
A.4molA、2molB
B.1molA、0.5molB、1.5molC、1molD
C.1molB、2molC、1molD
D.3molC、1molD
解析:本題是恆溫恆容條件下的『等效平衡』問題。
對於該條件下的反應,初始態是2molA和1molB或是3molC和1molD,兩者是完全等效的,最終達到的平衡狀態完全相同。故D正確。
2A(g)+B(g)→3C(g)+D(g)
原平衡起始:(mol) 2 1 0 0
A中起始:(mol) 4 2 0 0
B中起始:(mol) 1 0.5 1.5 1
將C、D完全轉化
為A、B(一邊倒法)
C中起始:(mol) 1 2 1
將C、D完全轉化
為A、B(一邊倒法)
與原平衡相比,A選項是與原平衡中相應物質的物質的量不相同但成比例,可由於恆溫恆容條件下,故不為『等效平衡』。B和C與原平衡中相應物質的物質的量不相同但也不成比例,因此B和C錯誤,故本題答案為D。
例2.將裝有1molHI的容器密封並加熱,部分HI分解成H2和I2(g)並達到化學平衡。此時I2(g)的體積分數為x%,若在該容器中加入2molHI後密封,加熱到相同溫度使之達到平衡,設此時I2的體積分數為y%,則x與y的關系為( )。
A.x>y B.x<y C.x=y D.x?y
解析:本題是恆溫恆容下反應前後等體積反應的可逆反應,且反應物只有HI,則無論起始時反應物的量為多少,達到平衡時也與原平衡是『等效平衡』。因此,各組分的體積分數均相同,故本題答案為C。
例3. (一)恆溫、恆壓下,在一個可變容積的容器中發生如下反應:A(g)+B(g)→C(g)
(1)若開始時放入1molA+1molB,到達平衡後,生成amolC,這時A的物質的量為___mol。
(2)若開始時放入3molA和3molB,到達平衡後,生成C的物質的量為_____mol。
(3)若開始時放入xmolA、2molB和1molC,到達平衡後,A和C的物質的量分別為ymol和3amol,則x=___mol,y=___mol。平衡時,B的物質的量(選填一個編號)。
(甲)大於2mol (乙)等於2mol (丙)小於2mol (丁)可能大於、等於或小於2mol
(4)若在(3)的平衡混合物中再加入3molC,待再次達到平衡後,C的物質的量分數是____。
(二)若維持溫度不變,在一個與(一)反應前起始體積相同,且容積固定的容器中發生上述反應。
(5)開始時放入1molA和1molB到達平衡後生成bmolC。將b與(1)小題中的a進行比較_____(選填一個編號)。
(甲)a>b (乙)a<b
(丙)a=b (丁)不能比較a和b的大小
作出此判斷的理由是_____________。
解析:(一)(1)由反應A(g)+B(g)→C(g)知,反應達平衡後,若有amolC生成,則必有amolA物質消耗,此時剩餘A的物質的量為(1-a)mol。
(2)在恆溫、恆壓下,若投放3molA和3molB,則所佔有的體積為(1)中的3倍。由於A、B的投放比例與(1)相同,故平衡時與(1)等效,而C的物質的量為3amol。
(3)由於達平衡時C的物質的量為3amol,故此平衡狀態與(2)完全相同。若把C的物質的量完全轉化為A和B,A、B的物質的量應與(2)完全相等。
A(g)+B(g)→C(g)
起始:(mol) x 2 1
將C完全轉化為A、B(mol) x+1 2+1 0
平衡後:(mol) y 3a
據題意有:x+1=3,x=2mol,y=(3-3a)mol
平衡時,B的物質的量為(3-3a)mol,由於該反應起始時投放的物質為A、B、C均有,即從中間狀態開始達平衡,故平衡可能向左、向右或不移動,也即3a可能大於1、小於1或等於1,(不移動時,3-3a=2,3a=1),故(3)中B的物質的量應為(丁)。
(4)在(3)的平衡中,再加入3molC,所達的平衡狀態與(1)、(2)、(3)皆為等效狀態,因此C的物質的量分數為-=-
(二)(5)因此時容器的容積不變,而(1)中容器的容積縮小,(5)小題中容器相當於在(1)的基礎上減壓,則平衡逆向移動,故反應達平衡後a>b,即應填(甲)。
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