一道高考平衡題的剖析

田益民

（1江蘇省姜堰中學(xué)化學(xué) 江蘇 姜堰 225500；2南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 江蘇 南京 210097）

原 題：接觸法制硫酸工藝中，其主反應(yīng)在450℃并有催化劑存在下進(jìn)行：2SO2(g)+O2(g)?2SO3(g)+190kJ。在一個(gè)固定容積為5L的密閉容器中充入0.20mol SO2和0.10mol O2，半分鐘后達(dá)到平衡，測(cè)得容器中含SO30.18mol；若繼續(xù)通入0.20mol SO2和0.10mol O2，再次達(dá)到平衡后，______mol＜n(SO3)＜______mol。

解 讀：由于平衡狀態(tài)的建立與途徑無關(guān)，所以可以把原題理解為：450℃，在固定容積為5L密閉容器中，有催化劑存在下進(jìn)行2SO2(g)+O2(g)?2SO3(g)，其中開始Ⅰ：0.20mol SO2和0.10mol O2， 平衡時(shí)生成SO30.18mol； 開始Ⅱ：0.40mol SO2和0.20mol O2，分析達(dá)到平衡時(shí)生成SO3物質(zhì)的量的范圍是多少。

質(zhì) 疑：參考資料給出的答案均為0.36mol＜n(SO3)＜0.40mol，但筆者認(rèn)為0.36mol＜n(SO3)＜ 0.38mol更加嚴(yán)密。

分 析：本題主要考查了外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響，中學(xué)生可以依據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理（即勒夏特列原理）對(duì)具體問題進(jìn)行分析，作為經(jīng)驗(yàn)原理，它主要從定性的角度分析平衡的移動(dòng)。但從命題意圖看，本題重在定量分析，近幾年高考化學(xué)更加注重了熱力學(xué)中化學(xué)平衡常數(shù)的考查，原因就在于可以通過平衡常數(shù)的定量計(jì)算來驗(yàn)證原來通過勒夏特列原理定性得到的結(jié)論。但各省市的考查要求是不同的，譬如近幾年上海市高考化學(xué)試題僅僅局限于化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式的書寫以及溫度對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)的影響，也有許多省市還要求學(xué)生能用化學(xué)平衡常數(shù)判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向、計(jì)算反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率等。那么此題能否運(yùn)用化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行具體計(jì)算呢？下面采用經(jīng)驗(yàn)平衡常數(shù)進(jìn)行演示：

由于同一溫度下，平衡常數(shù)不隨濃度變化，因此若以0.40mol SO2和0.20mol O2為開始量，平衡常數(shù)仍然為40500 L·mol－1，設(shè)此時(shí)O2轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為xmol。

一元三次方程式的求解可以借助卡丹公式或計(jì)算機(jī)程序，筆者利用相關(guān)程序軟件解得x=0.184，經(jīng)過代入驗(yàn)證，結(jié)果正確，開始Ⅱ達(dá)到平衡后SO3物質(zhì)的量為0.368。然而上述方程式的求解已經(jīng)超出中學(xué)要求，高考回避對(duì)高次方程式進(jìn)行運(yùn)算，所以該題考查平衡時(shí)SO3物質(zhì)的量n（SO3）的極值范圍而不計(jì)算具體值是必然的。

關(guān)于SO3物質(zhì)的量的最小值，開始Ⅰ和開始Ⅱ建立的平衡顯然是不等效的，也就是說轉(zhuǎn)化率不同，解決兩者轉(zhuǎn)化率大小問題可以采取下列模型進(jìn)行分析：

Ⅰ與Ⅲ的起始濃度、溫度、壓強(qiáng)均相等，所以Ⅰ與Ⅲ建立的平衡等效，Ⅰ中與Ⅲ中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率相同；將Ⅲ的體積壓縮一半即為Ⅱ，所以Ⅱ相當(dāng)于對(duì)Ⅲ加壓，Ⅱ中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率大于Ⅲ中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率。由此不難發(fā)現(xiàn)，Ⅱ中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率大于Ⅰ中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率，Ⅱ中平衡時(shí)生成的SO3大于0.36mol。

關(guān)于SO3物質(zhì)的量的最大值，如果從可逆反應(yīng)的特點(diǎn)出發(fā)，SO2、O2不可能完全轉(zhuǎn)化為SO3，那么SO3物質(zhì)的量應(yīng)小于0.40mol，其實(shí)這樣的思考是不全面的。下面從兩個(gè)角度進(jìn)行剖析：

角度一：從平衡移動(dòng)原理的角度進(jìn)行分析，法國化學(xué)家勒夏特列總結(jié)出一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：如果改變影響平衡的條件之一（如溫度、壓強(qiáng)，以及參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的濃度），平衡就向著能夠減弱這種改變的方向移動(dòng)，這就是著名的勒夏特列原理。前面也提到該原理主要從定性的角度分析平衡的移動(dòng)方向，但原理的描述中“減弱”二字也足以體現(xiàn)其中的一些定量奧秘，“減弱”不等于“消除”，更不能“逆轉(zhuǎn)”。也就是說，平衡移動(dòng)的結(jié)果決不會(huì)恢復(fù)到原來的平衡態(tài)，也更不會(huì)使被減弱的因素變得比維持原平衡的因素更強(qiáng)大。比如在平衡體系H2(g)+I2(g)?2HI(g)中，H2的物質(zhì)的量為0.01mol，在其他條件不變時(shí)，向平衡體系中再充入0.01molH2，顯然平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，但根據(jù)“減弱”二字的含義，此時(shí)H2的減少量必然小于0.01mol，因此重新達(dá)到平衡后，0.01mol＜n(H2)＜0.02mol。 對(duì)于本題，開始Ⅰ：0.20mol SO2和0.10mol O2，平衡時(shí)生成SO30.18mol，再充入0.20mol SO2和0.10mol O2，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，由于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)繼續(xù)消耗的SO2、O2的物質(zhì)的量必然分別小于0.20mol、0.10mol，所以新平衡體系中SO3的物質(zhì)的量必然小于(0.18+0.20)mol。

綜上所述，對(duì)勒夏特列原理和化學(xué)平衡常數(shù)的考查是高考化學(xué)的新增內(nèi)容，化學(xué)平衡常數(shù)加深了師生對(duì)化學(xué)平衡知識(shí)的理解，從定量的角度解釋許多平衡移動(dòng)問題，但對(duì)高中生而言，不意味著所有與量相關(guān)的平衡題都適合運(yùn)用化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行具體計(jì)算。個(gè)人認(rèn)為平衡題的解決需要準(zhǔn)確把握題型特點(diǎn)，借助相關(guān)理論合理擇用解題策略進(jìn)行突破，文中試題重在考查學(xué)生運(yùn)用平衡理論知識(shí)進(jìn)行極限分析的思維方式。筆者本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度針對(duì)答案提出質(zhì)疑，與同行商榷，不當(dāng)之處，懇請(qǐng)批評(píng)指正，正所謂：“思則得之，不思則不得也！”

［1］ 吳國慶．無機(jī)化學(xué)（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2002：247

［2］ 宋心琦，何少華．化學(xué)反應(yīng)原理［M］．北京：人民教育出版社，2007：28