化学平衡理论是中学化学最重要的基础理论之一,是研究可逆反应、弱电解质电离、盐类水解的工具性知识,同时也是各类选拔性考试必考的一个大知识点。因为它能够灵活多变地培养学生的分析能力和逻辑思维能力,更是训练学生思维敏捷性的最佳知识,因此这一部分知识倍受广大师生的睛睐。然而,在教学过程中我发现若不弄清下列三个问题,则很容易引起知识上的混乱,一个是压强影响化学反应速率的实质及其等效操作是什么?一个是对勒沙特列原理的理解:是“减弱”还是“抵消”?一个是要弄清题给条件:是等容还是变容?一、压强影响化学反应速率的实质是:必须改变反应物或生成物的浓度。通常所说的“加压”等效于缩小容嚣的体积,“减压”等效于扩大容器的体积。 例1、在密闭容器中,反应2SO3 2SO2+O2 — Q 在某温度下达到平衡,若体系压强增大,平衡怎样移动?不少同学遇到这一问题,往往不假思索地回答:“增大压强,平衡向气体分子数减少的方向移动,即向左移动。”这是很片面的,由PV= nRT,可知P = nRT / V,增大体系压强的途径至少有5种情况,而对该平衡体系的影响却不尽相同。(1)等温压缩容积,平衡向左移。(2)等温等容充入SO2或O2,平衡向左移。(3)温等容充入SO3,平衡向右移。(4)等容升温,平衡向右移动。(5)等温等容充入不参与反应的气体,如He气、N2气,因各物质的浓度不发生变化,所以平衡不移动因此,要注意区别“体系压强增大”与“加压”这两种说法的不同含义。否则,做题时将无所适从。二、改变影响平衡的一个条件,平衡移动的结果只能是“减弱”这种改变,不是“抵消”这种改变,更不会“超越”这种改变。 最直接的例子是课本(人教版95年10月第二版)中[实验1---5],即:对2NO2 N2O4 平衡体系,压缩体积,气体颜色先变深又变浅,但比原平衡状态深。(压缩的瞬间,NO2-和N2O4的浓度都增大,V正 、V逆 都增大,但V正 增大的倍数更大,使平衡向正反应方向移动,结果NO2的浓度与压缩的瞬间相比又减小,但不能减少到原来的浓度,重新达到平衡时,还比原平衡状态的浓度大。)也就是说,对于一个气态平衡体系而言,等温压缩体积,不管平衡怎样移动,再次平衡时,体系内各气体的浓度都比原平衡的大;等温扩大容积,不管平衡怎样移动,再次平衡时,体系内各气体的浓度都比原平衡体系的小。例2、常温下的定容容器中,建立如下平衡:3NO2+H2O NO+2HNO3 ,在其它条件不变时,若往容器中通入少量的氧气后,原体系将会发生的变化的是( )(A)平衡向正反应方向移动 (B)NO的物质的量可能不变(C)NO的物质的量一定会减少 (D)NO2增加的物质的量是通入氧气的物质的量的2倍。分析:设充入a mol O2,则发生2NO+O2 = 2NO2,常温下,该反应几乎不可逆,所以,反应掉2a mol NO,使平衡向右移动,但移动的结果不能再生成2a mol NO 。(答案是A C。)又如:例3、反应2A(气) 2B(气)+ C(气)—Q ,在未用催化剂的条件下,已达平衡,现要使正反应速率降低、[B] 减小,应采用的措施是 ( )(A)升温 (B)增大反应器的体积 (C)增大[A] (D)降温( 答案是B D )三、做有关化学平衡的习题时,要首先明确反应器的容积是定容还是变容。若不能确定,则应讨论。在设计习题时一定要给足反应条件。因为对气态平衡体系而言,“定容”还是“变容”,所得的结果往往是大相迳庭的。 例4、一定温度下在密闭容器进行如下反应 2SO2+O2 2SO3 ,平衡时充入O2气,问SO2、O2、SO3的浓度以及正逆反应速率怎样变化?平衡怎样移动?若充入He气呢?分析:该题即属于条件不明确的习题。因为密闭容器只表明容器内的气体与外界不能交换,没有表明容积可变与否。现在,一些广为流传的资料中有不少这类条件不明确的习题,有的题目虽不错,但所给答案却是错误的或不完整的,造成了知识上的混乱,打消了一部分学生学习化学平衡的信心。现对该题分析如下:(1) 若等温等容,在充入O2的瞬间,[O2]增大,[SO2]、 [SO3]不变,所以V正 增大、V逆 不变,使平衡向右移动,[O2]、[SO2]要减少,[SO3]要增大;重新达到平衡时,[SO2]减少,[O2]、[SO3]都比原来大。若充入He气,因[O2]、[SO2]、[SO3]浓度不发生变化,所以平衡不移动。(2)若等温等压充入O2,则容积必然增大。[SO2]、[SO3]都在瞬间同等程度地减,[O2]却增大,所以V正增大,V逆减小,平衡向右移动,达到平衡时,[SO2] 、[SO3]都比原来小,[O2]比原平衡状态时大。充入He气,容积扩大 ,相当于等温扩大容积,在充入He气的瞬间,V正 、V逆都减小,但V正减小的倍数大,所以平衡向左移动,重新达到的平衡时,[SO2]、[SO3]、[O2]均减小。 例5。一定温度下的密闭容器内,充入2 mol N2 、6mol H2 发生反应:N2+3H2 2NH3达到平衡后,NH3的体积分数为 a%,N2的转化率为m, 方法指导 解等效平衡的题,有一种基本的解题方法——极限转换法。由于等效平衡的建立与途径无关,不论反应时如何投料,都可以考虑成只加入反应物的“等效”情况。所以在解题时,可以将所加的物质“一边倒”为起始物质时,只要满足其浓度与开始时起始物质时的浓度相同或成比例,即为等效平衡。但是,要区分“浓度相同”或“浓度成比例”的情况,必须事先判断等效平衡的类型。有了等效平衡类型和条件的判断,就可以采用这种“一边倒”的极限转换法列关系式了。下面我们看一看这种极限转换法在解题中的运用。 【例1】在1L密闭容器中通入2molNH3,在一定温度下发生下列反应:2NH3 N2 + 3H2,达到平衡时容器内N2的百分含量为a%,若维持容器的体积和温度不变,分别通入下列几组物质,达平衡时,容器内N2的百分含量也为a%的是( )。 A. 3mol H2和1mol N2 B. 2mol NH3和1mol N2 C. 2mol N2和3mol H2 D. NH3, N2和 H2 【解析】这是一个“等效平衡”题。首先判断等效平衡的类型为等温等容下的等效平衡,平衡等效的条件是“反应物的投料相当”。投料相当如何体现在具体的物质当中呢?我们可以采用“一边倒”的极限法。凡能与起始时反应物2molNH3相同的,都可以得到N2的百分含量也为a%,即为等效平衡。根据方程式2NH3 N2 + 3H2分析: A. 将3molH2和1molN2完全转化为NH3,生成NH32mol与起始时反应物2mol NH3相同; B. 2molNH3和1molN2,比起始时2molNH3多了1molN2; C. 将3molH2和2molN2转化为NH3时生成NH32mol,同时余1mol N2,比起始时2molNH3多了1molN2; D. 将和完全转化为NH3时生成NH3 ,再加上加入的 NH3,共为2mol NH3,与起始时2mol NH3相同。 故本题正确答案为A、D。 通过以上的例题分析,可以归纳出“等效平衡”题的解答步骤是:(1)判断题目是否属于“等效平衡”问题;(2)判断等效平衡类型及条件;(3)将已知反应物、生成物中的所有起始物质的物质的量,按化学方程式计量系数全部换算成反应物或生成物;(4)根据题设条件建立等效平衡关系式;(5)解关系式得出答案。 三. 好题精解 知道了“等效平衡”题的常规解题步骤和解题方法,大家处理起类似的问题来就会更有信心了。但是,想要把等效平衡问题融会贯通,还需要在一些综合性较强的题中体会“等效平衡”解题中“极限”的思想。下面提供一道综合性的“等效平衡”题,希望对大家深化对“等效平衡”的认识有所帮助。 【例2】150oC时,向如图所示的容器(密封的隔板可自由滑动,整个过程中保持隔板上部压强不变)中充入4LN2和H2的混合气体,在催化剂作用下充分反应(催化剂体积忽略不计),反应后恢复到原温度,平衡后容器体积变为,容器内气体对相同条件氢气的相对密度为5。 (1)反应前混合气体中V(N2):V(H2)= ;反应达平衡后V(NH3)= ;该反应中N2的转化率为 。 (2)向平衡后的容器中充入的NH3,一段时间后反应再次达到平衡(恢复到150oC) 充入NH3时,混合气体的密度将 ;在达到平衡的过程中,混合气体的密度将 (填“增大”、“减小”或“不变”);反应重新达平衡时混合气体对氢气的相对密度将 5(填“>0”、“<0”或“=0”); 【解析】 (1)从题干内容发现,反应的始态和终态温度和压强相等,前后体积之比等于物质的量之比,又由于终态的平均相对分子质量为10,所以不难算出反应前的平均相对分子质量为,再利用十字交叉很易算出V(N2):V(H2)=1:3;由此便不难求出反应达平衡后的V(N2)、V(H2)、V(NH3)分别为、、,转化率(N2)=。 (2)在第一次平衡体系(平均相对分子质量为5×2=10)中再加入(相对分子质量为17)时,混合气体的密度无疑会增大。但是在达到第二次平衡过程中,是在上次平衡位置上向合成氨反应的逆方向移动,所以该过程中混合气体的密度将逐步减小。而达到第二次平衡时混合气体对氢气的密度仍将等于5。这是因为这两次平衡是属于等温等压下的等效平衡。 从两道例题的分析可以看出,解等效平衡的题,关键在理解概念,判断等效平衡的类型和条件。只要在这个关键问题上思路正确,就能采用极限转化法列出计算式。