聚焦高考等效平衡

孫秀艷

（承德市承德縣第一中學(xué)，河北 承德 067400）

一、問題的提出

普通高中化學(xué)人教版第二冊(必修加選修)對等效平衡是這樣表述的：“將0.01molCO和0.01mol H2O(g)通入容積為1L的密閉容器里，在催化劑存在的條件下加熱到800℃，結(jié)果生成了0.05molCO2和0.05molH2，而反應(yīng)物CO和H2O(g)各剩余0.05mol（第34頁第四段）?！薄皩嶒炞C明，如果不是從CO和H2O(g)開始反應(yīng)，而是各取0.01molCO2和0.01molH2，以相同的條件進行反應(yīng)，生成CO和H2O(g)，當(dāng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)時，反應(yīng)混合物里 CO、H2O(g)、CO2、H2各為 0.005mol，其組成與前者完全相同（第35頁第二段）。”這兩段文字說明“化學(xué)平衡狀態(tài)的建立與化學(xué)反應(yīng)途徑無關(guān)”。即在一定條件下，可逆反應(yīng)無論從正反應(yīng)開始還是從逆反應(yīng)開始，或正逆反應(yīng)同時開始，只要起始加入物質(zhì)的物質(zhì)的量“相當(dāng)”，就可以建立效果相同的平衡狀態(tài)，也就是等效平衡狀態(tài)，簡稱等效平衡。

二、概念的理解

一定條件：①恒溫、恒容；②恒溫、恒壓。

效果相同的平衡狀態(tài)：①平衡混合物中同一物質(zhì)的分數(shù)（質(zhì)量分數(shù)、體積分數(shù)、物質(zhì)的量分數(shù)）相同；其物質(zhì)的量、濃度等可能不同，但存在比例關(guān)系。②轉(zhuǎn)化成同一邊物質(zhì)后，同一物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率相同。

平衡狀態(tài)只與始態(tài)有關(guān)，而與途徑無關(guān)（如：①反應(yīng)是從正反應(yīng)方向開始還是從逆反應(yīng)方向開始；②投料是一次還是分成幾次；③反應(yīng)容器經(jīng)過擴大－縮小或縮小-擴大的過程），只要起始加入物質(zhì)的物質(zhì)的量“相當(dāng)”，就可以達到相同的平衡狀態(tài)。

三、規(guī)律的運用

1．等效平衡規(guī)律

一定條件下，對可逆反應(yīng)m A(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)，改變起始物質(zhì)的加入量，達到平衡狀態(tài)時規(guī)律如下：

等效平衡類型 等效條件 等效結(jié)果恒溫恒容m+n≠p+q極限轉(zhuǎn)化后相同起始物質(zhì)的物質(zhì)的量·兩次平衡時同一物質(zhì)的分數(shù)相同，但n、c、正逆反應(yīng)速率成比例變化恒溫恒壓極限轉(zhuǎn)化后相同起始物質(zhì)的物質(zhì)的量兩次平衡時同一物質(zhì)的分數(shù)相同、且n、c、正逆反應(yīng)速率均相同m+n=p+q極限轉(zhuǎn)化后相同起始物質(zhì)的物質(zhì)的量數(shù)·值·相·等比··值·相·等比··值·相·等兩次平衡時同一物質(zhì)的分數(shù)、c、正逆反應(yīng)速率相同，但n成比例變化

注意：①極限轉(zhuǎn)化是指根據(jù)題給條件按化學(xué)方程式的計量系數(shù)比把生成物的起始加入量全部折算成反應(yīng)物的量或把反應(yīng)物的起始加入量全部折算成生成物的量，即：n（總起始）=n（起始）+Δn（全折）。②比值相等包含數(shù)值相等。

2．解題方法

（1）分析是否屬于等效平衡問題（審題關(guān)鍵詞：一定條件，改變起始量，分數(shù)、濃度等仍與原平衡相同）。

（2）屬何種類型的等效平衡（審題關(guān)鍵詞：恒溫恒容有體積差、恒溫恒容無體積差、恒溫恒壓）。

（3）極限轉(zhuǎn)化后與原平衡所給起始投料情況進行比較（數(shù)值相等、比值相等）。

（4）建立等效平衡關(guān)系式。

（5）解關(guān)系式得出答案。

3．典例分析

（1）考查等效平衡起始量的判斷

例1：（1993全國）在一定溫度下，把2 mol SO2和1 mol O2通入一定容積的密閉容器中，發(fā)生如下反應(yīng)，2SO2+O22SO3，當(dāng)此反應(yīng)進行到一定程度時反應(yīng)混合物就處于化學(xué)平衡狀態(tài)?，F(xiàn)在該容器中維持溫度不變，令a、b、c 分別代表初始時加入的 SO2、O2、SO3的物質(zhì)的量（mol），如果a、b、c取不同的數(shù)值，它們必須滿足一定的相互關(guān)系，才能保證達到平衡狀態(tài)時，反應(yīng)混合物中三種氣體的百分含量仍跟上述平衡完全相同。請?zhí)羁眨?/p>

①若 a=0，b=0，則 c=___________。

②若 a=0.5，則 b=___________，c=___________。

③a、b、c的取值必須滿足的一般條件是___________，___________。（請用兩個方程式表示，其中一個只含a和c，另一個只含b和c）

解析：由題意可知這是恒溫恒容、有體積差條件下的等效平衡，起始投入量按化學(xué)方程式計量系數(shù)轉(zhuǎn)化成一邊物質(zhì)后應(yīng)滿足數(shù)值相等。①初始態(tài)2m ol SO2和1molO2的混合物極限轉(zhuǎn)化后相當(dāng)于2 mol SO3，故c=2。②若a=0.5，則b=0.5/2＝0.25，此時與題干所設(shè)初始態(tài)的差別是△a=2－0.5＝1.5，△b=1－0.25＝0.75；此時 SO3的初始加入量c必須轉(zhuǎn)化為等效于a=0.5，b=0.75的量，根據(jù)化學(xué)計量系數(shù)比推知c=1.5。③根據(jù)等效平衡的規(guī)律可得如下式子：a+c=2 ，b+c/2=1，a=2b。

答案：①c=2 ②b=0.25，c=1.5③a+c=2 b+c/2=1（或 2b+c=2）

變式：將一定容積的密閉容器改為一個容積可變的密閉容器，當(dāng)溫度不變時，只改變起始加入量，平衡時反應(yīng)混合物中三種氣體的百分含量仍跟上述平衡完全相同，則：

①若 a=0，b=0，則 c___________。

②若 a=0.5，則 b=___________，c___________。

③a、b、c的取值必須滿足的一般條件是_______，___________。

解析：由題意可知這是恒溫恒壓條件下的等效平衡，起始投入量按化學(xué)方程式計量系數(shù)轉(zhuǎn)化成一邊物質(zhì)應(yīng)滿足比值相等。由于起始加入SO2與O2的物質(zhì)的量比為2:1，與化學(xué)方程式前的系數(shù)比相同，無論起始投入SO3的物質(zhì)的量為何值，轉(zhuǎn)化成SO2與O2的物質(zhì)的量比均為2:1。所以，①若a=0，b=0，則C為大于零的任意值；②若a=0.5，則b=0.25，C≥0的任意值。

答案：①C＞0 ②b=0.25，C≥0 ③a=2b C≥0（a、b、c不能同時為零）

（2）考查等效平衡中起始量與平衡量之間的關(guān)系

例2：（2004北京）在一定溫度下，一定體積的密閉容器中有如下平衡：H2(氣)+I2(氣)2HI（氣）。已知H2和I2的起始濃度均為0.10mol·L－1時，達平衡時H I的濃度為0.16 mol·L－1，若H2和I2的起始濃度均為0.20 mol·L－1時,則平衡時 H2的濃度（mol·L－1）是（ ）

A．0.16 B．0.08 C．0.04 D．0.02

解析：恒溫恒容，反應(yīng)前后無體積差，起始相同物質(zhì)的物質(zhì)的量比值相等，為等效平衡問題，故平衡時同一物質(zhì)的濃度成比例變化。通過化學(xué)平衡計算，當(dāng)H 2和I2的起始濃度均為0.10mol·L－1時，平衡時H2的濃度為0.02mol·L－1，則當(dāng)H2和I2的起始濃度均為0.20 mol·L－1時,平衡時 H2的濃度為 0.04m ol·L－1。

答案：C

例3：一定溫度下，某密閉容器中充入1molA2和2molB2，發(fā)生反應(yīng) A2（g）＋B2（g） 2AB（g）；△H=-aKJ/mol(a＞0)，達到平衡后，生成bm ol AB。當(dāng)溫度不變時，若起始加入的 A2、B2、AB 的物質(zhì)的量分別為 x、y、z，則下列說法不正確的是 （ ）

A．若保持恒容，x∶y＜1∶2，z＝0，則達到新平衡狀態(tài)時的A 2轉(zhuǎn)化率一定升高。

B．若保持恒容，x＝0，y=1，z＝2，達到平衡時，吸收的熱量與原平衡放出的熱量之和為aKJ。

C．若保持恒容，x∶y∶z＝1∶1∶b，則達到新平衡狀態(tài)時，A2的體積分數(shù)與原平衡時不同。

D．若保持恒壓，x∶y＝1∶2，z為任意值，則達到新平衡狀態(tài)時AB的物質(zhì)的量為（x+y+z）/3。

解析：由于反應(yīng)前后無體積差，無論恒溫恒容，還是恒溫恒壓，起始投入量轉(zhuǎn)化成一邊物質(zhì)后比值相等即為等效。A選項x∶y＜1∶2，相當(dāng)于增大了B2的物質(zhì)的量，A 2轉(zhuǎn)化率一定升高，正確；B選項x＝0，y=1，z＝2，按化學(xué)方程式前的系數(shù)轉(zhuǎn)化成左邊物質(zhì)的量后與原平衡數(shù)值相等，生成AB和消耗AB的總物質(zhì)的量為2mol，根據(jù)能量守恒定律，消耗與生成等量的AB其能量變化值相等，故達到平衡時，吸收的熱量與原平衡放出的熱量之和為 aKJ，正確；C選項 x∶y∶z＝1∶1∶b，按化學(xué)方程式前的系數(shù)轉(zhuǎn)化成左邊物質(zhì)的量后x∶y＝1∶1，與原平衡比值不等，故A2的體積分數(shù)與原平衡時不同，正確；D選項x∶y＝1∶2，達到新平衡時AB的物質(zhì)的量分數(shù)與原平衡AB的物質(zhì)的量分數(shù)（b/3）相等，又因反應(yīng)前后總物質(zhì)的量不變，所以達到新平衡時AB的物質(zhì)的量為（x+y+z）b/3，錯誤。

答案：D

（3）考查等效平衡與平衡移動的綜合運用

例4：（2008全國Ⅱ）在相同溫度和壓強下，對反應(yīng)CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g）進行甲、乙、丙、丁四組實驗，實驗起始時放入容器內(nèi)各組分的物質(zhì)的量見下表：

物質(zhì)的量 物質(zhì)實驗 CO2 H2 CO（g） H2O（g）甲amol amol 0mol 0mol乙2amol amol 0mol 0mol丙0mol 0 mol amol amol丁amol 0 mol amol amol

上述四種情況達到平衡后，n(CO）的大小順序是（ ）

A．乙＝?。颈郊?/p>

B．乙＞?。炯祝颈?/p>

C．?。疽遥颈郊?/p>

D．?。颈疽遥炯?/p>

解析：由題意可知這是恒溫恒壓條件下的等效平衡，起始量按照方程式前的系數(shù)轉(zhuǎn)化成一邊物質(zhì)后應(yīng)滿足比值相等，則甲、丙為等效平衡，乙、丁為等效平衡；乙、丁兩組實驗中二氧化碳的物質(zhì)的量是甲、丙兩組實驗中二氧化碳物質(zhì)的量的2倍，而氫氣的物質(zhì)的量保持不變，乙、丁兩組實驗所建立的平衡相當(dāng)于在甲、丙兩組實驗基礎(chǔ)上，向體系中又amol CO2，根據(jù)化學(xué)平衡移動原理，增大反應(yīng)物的量平衡向正反應(yīng)方向移動，使CO的物質(zhì)的量增大。故選擇A。

答案：A

（4）利用等效平衡的方法考查不等效平衡的問題

例5：（節(jié)選2003江蘇）恒溫、恒壓下，在一個可變?nèi)莘e的容器中發(fā)生如下發(fā)應(yīng)：A(g)＋B(g)C(g)①若開始時放入1molA和1molB，到達平衡后，生成amolC；

②若維持溫度不變，在一個與（1）反應(yīng)前起始體積相同、且容積固定的容器中發(fā)生上述反應(yīng)，到達平衡后生成b molC。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

（?。┎荒鼙容^a和b的大小

解析：A(g)＋B(g)C(g)的正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，①中為恒溫恒壓，②中為恒溫恒容，①相當(dāng)于在②中容器的基礎(chǔ)上增加壓強，此時平衡正向移動，故可得：a＞b。

答案：乙