巧設(shè)途徑，妙解高考中平衡比較類問題

龔春鎖

一、問題的提出

化學(xué)平衡問題是化學(xué)高考中的重難點之一.在同溫同容或同溫同壓的條件下，在不同投料方式下建立平衡.對在不同條件下建立的平衡進行比較的問題更是一般平衡問題的延伸和拓展.在近幾年高考中，比較或者計算同一可逆反應(yīng)在不同條件下達到平衡后，各組分的物質(zhì)的量、質(zhì)量、物質(zhì)的量濃度、轉(zhuǎn)化率等相關(guān)量的關(guān)系的問題屢見不鮮.針對此類問題，很多學(xué)生采取直接使用結(jié)論進行解題.在解題過程中過于關(guān)注結(jié)果，以至于對平衡的建立過程過于模糊，對于此類問題無法完全把握，在解題過程中出現(xiàn)丟三落四，無法完整解答的情況.針對此種情況，若引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)平衡建立與途徑無關(guān)的特點，合理的設(shè)計從初態(tài)開始，經(jīng)歷若干中間態(tài)，最終到達平衡態(tài).在這些建構(gòu)中尋找不同條件下平衡之間的聯(lián)系.即通過巧設(shè)途徑，將抽象的無法具體認識的過程轉(zhuǎn)換為直觀的具體的過程將有助于更好的把握此類問題的本質(zhì)，提高處理問題的精度和準確度.

二、巧設(shè)途徑、分析平衡

1.化學(xué)平衡的建立特點

在一定條件（恒溫恒容或恒溫恒壓）下，同一可逆反應(yīng)體系，不管是從正反應(yīng)開始，還是從逆反應(yīng)開始，在達到化學(xué)平衡狀態(tài)時，任何相同組分的百分含量（體積分數(shù)、物質(zhì)的量分數(shù)等）均相同，這樣的化學(xué)平衡互稱等效平衡.

由此可得出以下結(jié)論：

（1）平衡狀態(tài)只與始態(tài)條件有關(guān)，比較時都運用“一邊倒”倒回到起始的狀態(tài)進行比較.

（2）平衡狀態(tài)只與始態(tài)有關(guān)，而與途徑無關(guān).

例如：無論反應(yīng)從正反應(yīng)方向開始，還是從逆反應(yīng)方向開始；投料是一次還是分成幾次；反應(yīng)容器經(jīng)過擴大-縮小或縮小-擴大的過程，只要“一邊倒”倒回到起始的狀態(tài)時溫度和起始濃度一樣，那么達到終態(tài)時建立的平衡之間存在等效關(guān)系.

2.“一邊倒”后的情況分析

在一定條件（恒溫恒容或恒溫恒壓）下，同一可逆反應(yīng)體系不管采用何種加料方式，經(jīng)過一邊倒后有如下兩種情況：

（1）“一邊倒”后所得各物質(zhì)的物質(zhì)的量完全相同，無論在恒溫恒容或恒溫恒壓下均有溫度和起始濃度相同，建立的平衡完全相同，轉(zhuǎn)化率與建立平衡時原始加料時反應(yīng)向什么方向進行有關(guān).

（2）“一邊倒”后所得各物質(zhì)的物質(zhì)的量正好對應(yīng)成比例，即同比例放大或者同比例縮小.

①在恒溫恒壓下，由于體積可變，有溫度和起始濃度相同，建立的平衡等效，各物質(zhì)濃度相同、含量相同、質(zhì)量以及物質(zhì)的量不同.轉(zhuǎn)化率與建立平衡時原始加料時反應(yīng)向什么方向進行有關(guān).

②而在恒溫恒容條件下，體積恒定，則溫度相同，起始濃度對應(yīng)成比例.對此種情況，可通過先將容器的體積放大或縮小使不同體系的起始濃度相同，這樣各體系將要建立然后再壓縮或拉伸使容器體積回到原來的大小，由此可以建立這些平衡之間的聯(lián)系.

3.途徑的設(shè)定建模

綜上所述，在遇到一定條件（恒溫恒容或恒溫恒壓）下，同一可逆反應(yīng)體系出現(xiàn)不同加料方式，對不同加料方式下所建立的平衡進行狀態(tài)比較時.途徑建模如圖1所示

圖1

例1 在同樣溫度下，四個體積相同的密閉容器A、B、C、D，在A中充入2 mol SO2和1 mol O2，在B中充入1 mol SO2、0.5 mol O2、1 mol SO3，在C中充入2 mol SO3，在D中充入2 mol SO2和1 mol O2、 SO3 2 mol.

分析 對四個容器中不同的投料方式進行“一邊倒”后

A中：2 mol SO2和1 mol O2

B中： 2 mol SO2和1 mol O2

C中： 2 mol SO2和1 mol O2

D中： 4 mol SO2和2 mol O2

密閉容器A、B、C中建立完全相同的平衡（濃度相同、含量、質(zhì)量以及物質(zhì)的量均相同；由于A從正向加料，C從逆向加料，二者轉(zhuǎn)化率之和為1）.但對與密閉容器D卻需要繼續(xù)建立途徑如圖2所示.

圖2

在途徑中所建立的中間態(tài)即體積擴大為原來2倍時所建立的平衡與密閉容器A、B、C中建立的平衡等效（濃度相同、含量相同，物質(zhì)的量與質(zhì)量是A、B、C中的2倍.），然后加壓得到容器D的末態(tài)，即相當于密閉容器A、B、C中建立的平衡加壓后向正向移動后所得到的新平衡.

三、真題分析

例2 [2012·天津理綜化學(xué)卷6]已知

2SO2（g）+O2（g）2SO3 （g）；ΔH=-197 kJ·mol-1.向同溫、同體積的三個密閉容器中分別充入氣體：（甲） 2 mol SO2和1 mol O2；（乙） 1 mol SO2和0.5 mol O2 ；（丙） 2 mol SO3 .恒溫、恒容下反應(yīng)達平衡時，下列關(guān)系一定正確的是 （ ）.

A.容器內(nèi)壓強p：p甲=p丙>2p乙

B.SO3的質(zhì)量m：m甲=m丙>2m乙

C.c（SO2）與c（O2）之比k：k甲=k丙>k乙

D.反應(yīng)放出或吸收熱量的數(shù)值Q：Q甲=Q丙>2Q乙

解析

先對甲乙丙三容器中投料“一邊倒”：

（甲） 2 mol SO2和1 mol O2，反應(yīng)從正向開始進行直至達到平衡態(tài)

（乙） 1 mol SO2和0.5 mol O2，反應(yīng)從正向開始進行直至達到平衡態(tài)

（丙） 2 mol SO2和1 mol O2，反應(yīng)從逆向開始進行直至達到平衡態(tài).

（甲）與（丙）二者達到的平衡體系完全相同，平衡混合物中各物質(zhì)的量以及含量均相同.唯一不同的是達到平衡時（甲）中消耗SO2和1 mol O2，（丙）中消耗的是SO3 （g），且（甲）中消耗的SO2的量與（丙）中生成的SO2的量未必相等，但二者物質(zhì)的量之和為2 mol.

即可以建立：

A.容器內(nèi)壓強p：p甲=p丙

B.SO3的質(zhì)量m：m甲=m丙

C.c（SO2）與c（O2）之比k：k甲=k丙=2

D.反應(yīng)放出或吸收熱量的數(shù)值Q：Q甲+Q丙=197 kJ，但Q甲不一定等于Q丙

由此先排除D選項.

（乙）體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量恰好為其它二者的一半，在恒溫恒容條件下，可繼續(xù)建立途徑讓它與（甲）的初始濃度相同，即壓縮體積為原來的一半.則達到平衡時各物質(zhì)的濃度以及含量與（甲）中完全一樣，但是物質(zhì)的量以及質(zhì)量卻為（甲）的一半，即在這個平衡態(tài)時，有：

A.容器內(nèi)壓強p：p甲=p丙=p乙

B.SO3的質(zhì)量m：m甲=m丙=2m乙

C.c（SO2）與c（O2）之比k：k甲=k丙=k乙=2

D.反應(yīng)放出或吸收熱量的數(shù)值Q：Q甲=2Q乙

以這個平衡為始態(tài)將（乙）容器還原為原來的體積（即減壓），在減壓的瞬間，反應(yīng)還沒有來得及移動，此時容器內(nèi)壓強減小為原來的一半.隨后由于減壓導(dǎo)致反應(yīng)向逆向進行，則容器內(nèi)氣體總物質(zhì)的量增大、P總增大，SO3的質(zhì)量減小，但是c（SO2）與c（O2）之比依然為2，消耗的SO2減小.則與（甲）相比較可得

A.容器內(nèi)壓強p：p甲=p丙<2p乙

B.SO3的質(zhì)量m：m甲=m丙>2m乙

C.c（SO2）與c（O2）之比k：k甲=k丙=k乙=2

D.反應(yīng)放出或吸收熱量的數(shù)值Q：Q甲>2Q乙

綜上所述：本題最終選擇B

四、真題感悟

練習(xí) （2010·江蘇卷）在溫度、容積相同的3個密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，保持恒溫、恒容，測得反應(yīng)達到平衡時的有關(guān)數(shù)據(jù)如下（已知N2（g）+3H2（g）2NH3（g）ΔH=-92.4 kJ·mol ）

容器甲乙丙

反應(yīng)物投入量1 mol N2、

3 mol H22 mol NH34 mol NH3

NH3的濃度（mol·L ）

c1c2c3

反應(yīng)的能量變化放出a kJ吸收b kJ吸收c kJ

體系壓強（Pa）p1p2p3

反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率α1α2α3

下列說法正確的是（）.

A.2c1>c3B.a+b=92.4

C.2p2

答案 BD