在“變與不變”中尋找化學(xué)平衡的“真諦”

陳麗雪

眾所周知，化學(xué)平衡是中學(xué)化學(xué)階段十分重要的基本理論之一，于是“判斷是否達(dá)到化學(xué)平衡狀”在高中化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)中就顯得特別重要。大多數(shù)教師都是從化學(xué)平衡狀態(tài)的特征入手，簡(jiǎn)單歸納出化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷標(biāo)志：

其一，化學(xué)平衡的本質(zhì)標(biāo)志，V正=V逆≠0;其二，化學(xué)平衡狀態(tài)的特征標(biāo)志，即可以間接判斷可逆反應(yīng)是否到達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志，如體系中各組分的物質(zhì)的量濃度或體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)保持不變等;其三，化學(xué)平衡狀態(tài)的特殊標(biāo)志，即在特定環(huán)境、特定反應(yīng)中，能間接判斷可逆反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志。它不是一般的普通規(guī)律，而是有條件的特殊規(guī)律，它們要在一定條件下才能作為已經(jīng)達(dá)到平衡的依據(jù)。如恒溫恒容下，對(duì)于有氣體參與（體系中可存在固、液態(tài)物質(zhì)）的反應(yīng)，得符合反應(yīng)前后氣體反應(yīng)物和生成物的計(jì)量數(shù)不相等這一條件，則反應(yīng)體系中總壓強(qiáng)不再隨時(shí)間變化才能表明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)等等。筆者認(rèn)為如此歸納并不能反應(yīng)化學(xué)平衡狀態(tài)建立的本質(zhì)，而且情況的多樣性不僅會(huì)增加學(xué)生的記憶量，還容易導(dǎo)致學(xué)生將簡(jiǎn)單問題復(fù)雜化。

所謂化學(xué)平衡狀態(tài)，就是在一定條件下反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，反應(yīng)體系中同一物質(zhì)的正向反應(yīng)速率等于其逆向反應(yīng)速率，此時(shí)反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)（有氣體參加的可逆反應(yīng)）不再改變。這里必須強(qiáng)調(diào)“平衡狀態(tài)是相對(duì)的”，是相對(duì)于不平衡狀態(tài)而言，它的建立必須經(jīng)過由不平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶鉅顟B(tài)這一過程。

因此筆者認(rèn)為能作為化學(xué)平衡狀態(tài)標(biāo)志的量，首先是一個(gè)變化量，其次要隨反應(yīng)（時(shí)間變化）由變化量（不平衡）轉(zhuǎn)化為（到）不變量（平衡）這一過程。例如：對(duì)于反應(yīng)mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g），當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，即表明已達(dá)到平衡狀態(tài)。如：⑴各物質(zhì)的物質(zhì)的量（n）或各物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度（分?jǐn)?shù)）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不再變化。⑵各氣體的體積或體積分?jǐn)?shù)不再變化。⑶在單位時(shí)間內(nèi)消耗了mmolA同時(shí)生成mmolA，即V正=V逆（對(duì)同一物質(zhì)而言速率相等）。⑷在單位時(shí)間內(nèi)消耗了nmolB同時(shí)消耗了pmolC，即V正=V逆（對(duì)不同物質(zhì)而言速率成比例）。⑸若m+n≠p+q，總壓強(qiáng)不再變化。⑹體系顏色不再變化（反應(yīng)過程中有明顯顏色變化）。⑺體系溫度不再變化（任何反應(yīng)都伴隨能量變化）等等。

不能作為化學(xué)平衡狀態(tài)標(biāo)志的量有兩種情況，一種是不變量，另一種是變化量不能確定經(jīng)過反應(yīng)（時(shí)間變化）最終變成不變量。例如：對(duì)于反應(yīng)mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g），當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，均無(wú)經(jīng)過“變→不變”過程，則不能表明已達(dá)到平衡狀態(tài)。如⑴總體積、總壓強(qiáng)、總物質(zhì)的量不再變化（如反應(yīng)前后氣體體積不變的反應(yīng)，即m+n=p+q時(shí)）。⑵在單位時(shí)間內(nèi)消耗了mmolA同時(shí)生成qmolD（因?yàn)榫w現(xiàn)正反應(yīng)方向，無(wú)法確定V正=V逆）。⑶v（A）：v（B）：v（C）：v（D）=m：n：p：q（反應(yīng)過程中任何時(shí)刻都滿足，V正不一定等于V逆）⑷Mr、密度不再改變（對(duì)于當(dāng)m+n=p+q，Mr、密度至反應(yīng)開始一直保持不變）等等。

綜上所述，對(duì)于化學(xué)平衡狀態(tài)標(biāo)志的判斷，最本質(zhì)的就是分析“量”是否為變化量，進(jìn)一步尋找“變→不變”的過程，若滿足，即表明達(dá)到平衡狀態(tài)。

在具體實(shí)踐的過程中，筆者認(rèn)為可以結(jié)合大多數(shù)教師現(xiàn)今做法及最本質(zhì)的判斷，把這部分題型簡(jiǎn)單分為兩類，不同類別的題型采用不同的方法，將使這部分知識(shí)的解題簡(jiǎn)單化，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解化學(xué)平衡狀態(tài)的建立過程。具體分類如下：

第一類：直接涉及速率。

解題技巧：尋找速率（本質(zhì)）標(biāo)志——V正=V逆≠0

要點(diǎn)：1.體現(xiàn)正、逆反應(yīng)兩個(gè)方向;

2.對(duì)于同一物質(zhì)而言，變化量（速率）之間比例相等;對(duì)于不同物質(zhì)而言，變化量（速率）之間比例應(yīng)與化學(xué)計(jì)量數(shù)一致。

簡(jiǎn)稱：正逆相等

【解析】A項(xiàng)，等式中直接體現(xiàn)正逆兩個(gè)方向，符合第一個(gè)條件，由于不同物質(zhì)之間數(shù)值應(yīng)與方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比1：2相一致，即v（O2）正：v（NO）逆=5：4，于是4v（O2）正=5v（NO）逆，故A正確;B項(xiàng)，生成NO與消耗NH3均體現(xiàn)的是可逆反應(yīng)的正反應(yīng)方向，不符合第一條件，故錯(cuò)誤;C項(xiàng)，若增加容器體積，反應(yīng)物與生成物的濃度同時(shí)下降，所以正、逆反應(yīng)速率隨濃度改變也將減小，故C錯(cuò)誤;D項(xiàng)，等式中直接體現(xiàn)的均為正反應(yīng)方向，故錯(cuò)誤。

【答案】A。

例2.下列說法中，可以證明反應(yīng)N2（g）+3H2（g）2NH3（g）已達(dá)到平衡狀態(tài)的是（）

A.1個(gè)N≡N鍵斷裂的同時(shí)，有3個(gè)H—H鍵形成

B.1個(gè)N≡N鍵斷裂的同時(shí)，有3個(gè)H—H鍵斷裂

C.1個(gè)N≡N鍵斷裂的同時(shí)，有6個(gè)N—H鍵斷裂

D.1個(gè)N≡N鍵斷裂的同時(shí)，有6個(gè)N—H鍵形成

【解析】此類題型也屬直接涉及速率題型。A項(xiàng)，N≡N鍵斷裂與H—H鍵形成分別體現(xiàn)正、逆兩個(gè)反應(yīng)方向，符合第一個(gè)條件，不同物質(zhì)之間數(shù)值應(yīng)成比例1：3，所以正確;B項(xiàng)，N≡N鍵斷裂與H—H鍵斷裂均體現(xiàn)的是正反應(yīng)方向，所以錯(cuò)誤;C項(xiàng)，N≡N鍵斷裂與那N—H鍵斷裂分別體現(xiàn)正、逆兩個(gè)反應(yīng)方向，符合第一個(gè)條件，不同物質(zhì)之間數(shù)值應(yīng)成比例1：6（其中1個(gè)NH3中含有3個(gè)N—H），所以正確;D項(xiàng)，N≡N鍵斷裂與N—H鍵形成均體現(xiàn)的是正反應(yīng)方向，所以錯(cuò)誤;

【答案】AC。

第二類：涉及其它變化量

解題技巧：尋找“變→不變”過程

簡(jiǎn)稱：變量不變

【解析】因?yàn)閙+n與p+q的關(guān)系不確定，故無(wú)法確定該反應(yīng)是否是體積改變的反應(yīng)，故①不一定是平衡狀態(tài);因容器是“不傳熱的固定容積的密閉容器”，反應(yīng)過程中，體系中的溫會(huì)度隨時(shí)間發(fā)生變化，則溫度為一變量，故②當(dāng)溫度不變時(shí)說明達(dá)到平衡狀態(tài);各組分的濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨反應(yīng)進(jìn)行會(huì)隨之改變，是變量，故③④各組分的濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再改變，反應(yīng)處于平衡狀態(tài);速率之比等于方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比是一規(guī)律，不論反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)都存在這一關(guān)系，不是變量，不存在變化到不變的過程，故⑤不一定是平衡狀態(tài);“單位時(shí)間內(nèi)mmolA斷鍵反應(yīng)”表達(dá)出正反應(yīng)方向速率，”同時(shí)pmolC也斷鍵反應(yīng)”表達(dá)出逆反應(yīng)方向速率，且比例一致，故⑥能說明反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài);⑦此反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物均為氣體，體系的總質(zhì)量和總體積始終不變，體系的密度始終不變化，故⑦不能說明反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)。

【答案】B

例2.[2018浙江4月選考]反應(yīng)N2（g）+3H2（g）2NH3（g）△H<0，若在恒壓絕熱的容器中發(fā)生，下列選項(xiàng)表明一定已達(dá)平衡狀態(tài)的是

【解析】A.此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在絕熱容器中，隨反應(yīng)進(jìn)行溫度升高，是一變量，當(dāng)溫度不再變化，變量從“變→不變”，說明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A正確;B.此反應(yīng)在恒壓條件下進(jìn)行，壓強(qiáng)始終不變，非變量不能根據(jù)壓強(qiáng)判斷是否為平衡狀態(tài)，故B錯(cuò)誤;C.相同時(shí)間內(nèi)，H-H鍵的斷開和N-H鍵的生成，均表示正反應(yīng)方向，且“數(shù)目相等”不滿足計(jì)量數(shù)關(guān)系，所以無(wú)法判斷平衡，故C錯(cuò)誤;D.容器內(nèi)氣體的濃度c（N2）：c（H2）：c（NH3）=1：3：2，各組分的濃度是否發(fā)生變化無(wú)法判斷，就無(wú)法判斷平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤;故選A。

【答案】A