巧辨析 知平衡
——例談化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

■安徽省蒙城第一中學(xué) 郝 丹

■安徽省合肥市第六中學(xué) 馬善恒

可逆反應(yīng)知識(shí)是高中化學(xué)中的重要內(nèi)容,深刻認(rèn)識(shí)可逆反應(yīng)中的化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷,對(duì)于學(xué)習(xí)可逆反應(yīng)至關(guān)重要?；瘜W(xué)平衡內(nèi)容較為抽象,判斷可逆反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)成為學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。

一、化學(xué)平衡狀態(tài)的建立

1.化學(xué)平衡狀態(tài)。在一定條件下,當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)進(jìn)行到正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等時(shí),反應(yīng)物的濃度和生成物的濃度不再發(fā)生變化,達(dá)到一種表面靜止的狀態(tài)。

2.化學(xué)平衡狀態(tài)的建立過程。

3.化學(xué)平衡建立過程中化學(xué)反應(yīng)速率的變化圖像(見圖1)。

圖1

二、化學(xué)平衡狀態(tài)的特征

三、化學(xué)平衡狀態(tài)的判定

1.直接判定。

(1)對(duì)于同一種物質(zhì)而言,這種物質(zhì)的生成速率等于它的消耗速率,說明反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

(2)對(duì)于不同物質(zhì)而言,化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比,但是方向必須相反。即必須是v正與v逆之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比才能判斷是平衡狀態(tài)。

2.間接判定(一般是指恒溫恒容條件下)。

(1)各組分的物質(zhì)的量、物質(zhì)的質(zhì)量、分子數(shù)、氣體的體積、物質(zhì)的量濃度保持不變,說明反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

(2)一般情況下各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、氣體體積分?jǐn)?shù)保持不變,說明反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

(3)若反應(yīng)前后的物質(zhì)都是氣體,當(dāng)ΔVg≠0時(shí),氣體的總物質(zhì)的量,總壓強(qiáng),平均摩爾質(zhì)量,混合氣體的密度(恒溫恒壓)保持不變,說明反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

(4)對(duì)同一物質(zhì)而言,斷裂的化學(xué)鍵的物質(zhì)的量與形成化學(xué)鍵的物質(zhì)的量相等,說明反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

(5)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不再發(fā)生改變,產(chǎn)物的產(chǎn)率不再發(fā)生改變,說明反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

(6)化學(xué)反應(yīng)一般都有熱效應(yīng)(吸熱或放熱),在絕熱的密閉體系中發(fā)生反應(yīng)時(shí),當(dāng)體系中的溫度保持不變時(shí),則反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。

(7)對(duì)于反應(yīng)混合物中存在有顏色變化的物質(zhì)的可逆反應(yīng),若體系中顏色不再改變,則反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

總之,遵循變量不變的思想,便可判斷反應(yīng)達(dá)到平衡。

3.具體方法。

在研究化學(xué)平衡時(shí)要注意“二審”:一審題干條件是恒溫恒容還是恒溫恒壓;二審反應(yīng)特點(diǎn),各物質(zhì)的狀態(tài)和左右兩邊氣體計(jì)量數(shù)之和是否相等。另外要注意學(xué)會(huì)用公式,密度ρ=平均摩爾質(zhì)量以及PV=nRT推出結(jié)論,再進(jìn)行討論,具體問題具體分析。

四、典型題目解析

1.反應(yīng)前后物質(zhì)狀態(tài)都是氣體且化學(xué)計(jì)量數(shù)不相等的反應(yīng)。

例1在一定條件下,某體積不變的絕熱密閉容器中進(jìn)行可逆反應(yīng)N2(g)+3H2(g)2NH3(g),請(qǐng)判斷下列各種情況下能說明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的有( )。

①N2、H2、NH3的濃度相等

②各組分的濃度不再改變

③容器中N2、H2、NH3濃度之比為1∶3∶2

④v正(N2):v正(NH3)=1∶2

⑤v正(N2):v逆(H2)=1∶3

⑥3v正(H2)=2v逆(NH3)

⑦反應(yīng)混合氣體的物質(zhì)的量不再變化

⑧反應(yīng)混合體系的密度不再變化

⑨單位時(shí)間內(nèi)生成n mol N2的同時(shí)生成3n mol的H2

⑩體系的溫度不再改變

A.4個(gè) B.5個(gè) C.6個(gè) D.7個(gè)

解析:①化學(xué)平衡時(shí)反應(yīng)物濃度可能等于生成物濃度,也可能不等,與各物質(zhì)的初始濃度及轉(zhuǎn)化率有關(guān),故錯(cuò)誤。②各組分的濃度不再改變,說明正逆反應(yīng)速率相等,達(dá)到平衡狀態(tài),故正確。③化學(xué)平衡時(shí)容器中N2、H2、NH3濃度之比可能為1∶3∶2,也可能不等于1∶3∶2,與各物質(zhì)的初始濃度及轉(zhuǎn)化率有關(guān),故錯(cuò)誤。④v正(N2)∶v正(NH3)=1∶2,都體現(xiàn)正反應(yīng)速率,未體現(xiàn)正與逆的關(guān)系,故錯(cuò)誤。⑤v正(N2)∶v逆(H2)=1∶3,正逆反應(yīng)速率相等,達(dá)平衡狀態(tài),故正確。⑥3v正(H2)=2v逆(NH3),速率之比不等于計(jì)量數(shù)之比,故錯(cuò)誤。⑦正反應(yīng)體積減小,反應(yīng)混合氣體的物質(zhì)的量不再變化,達(dá)平衡狀態(tài),故正確。⑧體積不變,都是氣體參與的反應(yīng),由知容器內(nèi)氣體的密度始終不變化,故錯(cuò)誤。⑨單位時(shí)間內(nèi)生成n mol N2的同時(shí)生成3n mol的H2,都體現(xiàn)逆反應(yīng)速率,未體現(xiàn)正與逆的關(guān)系,故錯(cuò)誤。⑩正反應(yīng)放熱,且是絕熱密閉容器,因此體系的溫度不再改變,反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài),故正確。

答案:A

2.反應(yīng)前后物質(zhì)狀態(tài)都是氣體且化學(xué)計(jì)量數(shù)相等的反應(yīng)。

例2在恒溫恒容條件下,進(jìn)行反應(yīng)Br2(g)+H2(g)2HBr(g),下列不能作為該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷標(biāo)志的是( )。

①v正(H2)=2v逆(HBr)

②每有1 mol Br—Br共價(jià)鍵斷裂的同時(shí),有2 mol H—Br共價(jià)鍵形成

③混合氣體的密度不隨時(shí)間變化而變化

④混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不隨時(shí)間變化而變化

⑤混合氣體的顏色不隨時(shí)間變化而變化

⑥混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)不隨時(shí)間變化而變化

⑦混合氣體總壓強(qiáng)不隨時(shí)間變化而變化

⑧混合氣體中HBr的質(zhì)量不隨時(shí)間變化而變化。

A.②⑦ B.①②⑦

C.⑤⑥⑧ D.①②③④⑦

答案:D

3.反應(yīng)前后物質(zhì)狀態(tài)既有氣體又有固體的反應(yīng)。

例3在一定溫度下的定容容器中,發(fā)生反應(yīng)Fe2O3(s)+3CO(g2Fe(s)+3CO2(g),能判斷反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是( )。

A.混合氣體的壓強(qiáng)不變

B.混合氣體的密度不變

C.混合氣體的體積不變

解析:該反應(yīng)是一個(gè)氣體體積不變的反應(yīng),無論反應(yīng)是否達(dá)到平衡,氣體的壓強(qiáng)均不變,則混合氣體的壓強(qiáng)不變不能判斷反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài),故A項(xiàng)錯(cuò)誤。由化學(xué)方程式可知,反應(yīng)中氣體的質(zhì)量增大,在定容容器中,由知混合氣體的密度增大,則混合氣體的密度不變,說明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài),故B項(xiàng)正確。該反應(yīng)是一個(gè)氣體體積不變的反應(yīng),無論反應(yīng)是否達(dá)到平衡,氣體的體積均不變,則混合氣體的體積不變不能判斷反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài),故C項(xiàng)錯(cuò)誤。由化學(xué)方程式可知,反應(yīng)向右進(jìn)行時(shí),減小,則混合氣體中不變時(shí),說明正逆反應(yīng)速率相等,反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài),故D項(xiàng)正確。

答案:BD

4.反應(yīng)物為單一固體,生成物全是氣體的反應(yīng)。

例4在一定溫度下的恒容密閉容器中,加入少量A發(fā)生反應(yīng):A(s)B(g)+2C(g)。當(dāng)下列物理量不再發(fā)生變化,可以判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是( )。

①B的體積分?jǐn)?shù)

②混合氣體的壓強(qiáng)

③混合氣體的總質(zhì)量

④混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量

A.①②③ B.②③

C.①④ D.①②③④

解析:①固體A是反應(yīng)物,B、C是生成物且為氣體,任何時(shí)刻生成1 mol B的同時(shí)會(huì)生成2 mol C,B與C的物質(zhì)的量之比始終為1∶2,B的體積分?jǐn)?shù)任何時(shí)刻都不變,①錯(cuò)誤。②這是一個(gè)反應(yīng)前后氣體分子數(shù)改變的反應(yīng),只有達(dá)到平衡時(shí),混合氣體總壓強(qiáng)才不變,因此②正確。③固體A是反應(yīng)物,B、C是生成物且為氣體,反應(yīng)正向進(jìn)行,混合氣體的質(zhì)量增加,當(dāng)混合氣體的總質(zhì)量不變時(shí),說明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài),③正確。④不論反應(yīng)達(dá)沒達(dá)到平衡狀態(tài),B和C的物質(zhì)的量之比都是1∶2,則任何時(shí)刻混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量都不變,④錯(cuò)誤。

答案:B

5.反應(yīng)物為單一固體,生成物部分是氣體的反應(yīng)。

例5恒溫恒容條件下,容器中加入A發(fā)生可逆反應(yīng)A(s)3C(g)+2D(s),下列不能說明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是( )。

A.容器內(nèi)的壓強(qiáng)保持不變

B.氣體的物質(zhì)的量濃度保持不變

C.容器內(nèi)氣體的密度保持不變

D.氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量保持不變

解析:由于該反應(yīng)中只有生成物C是氣體,恒溫恒容條件下,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,氣體C的質(zhì)量和物質(zhì)的量在變化,當(dāng)不再變化時(shí),說明氣體的密度和濃度也不再變化,說明達(dá)到了平衡態(tài)。因此A項(xiàng)、B項(xiàng)、C項(xiàng)均可說明反應(yīng)達(dá)到了平衡態(tài)。D選項(xiàng),由于生成物只有一種氣體,所以相對(duì)分子質(zhì)量一直不變,不能說明反應(yīng)是否達(dá)到平衡態(tài)。

答案:D

6.給定投料比的反應(yīng)。

例6已知反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),在恒溫恒壓的容器中通入1 mol CO2和1 mol H2,下列一定能說明反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)的是( )。

A.氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變

B.氣體的密度不變

C.CO2的體積分?jǐn)?shù)不變

D.容器內(nèi)氣體的總壓不變

解析:根據(jù)反應(yīng)知前后都是氣體物質(zhì),氣體質(zhì)量保持不變,左右兩邊氣體計(jì)量數(shù)不相等,由知,平均相對(duì)分子質(zhì)量在變化,不變則為平衡態(tài),因此A項(xiàng)正確。氣體質(zhì)量保持不變,左右兩邊氣體計(jì)量系數(shù)不相等,恒溫恒壓條件下,氣體體積在變化,由知密度在變化,不變則為平衡態(tài),因此B項(xiàng)正確。給定投料比情況下,如CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),在恒溫恒壓的容器中通入 1 mol CO2和 1 mol H2,CO2的體積分?jǐn)?shù)不變不能說明是平衡狀態(tài),因?yàn)楦鶕?jù)“三段式”計(jì)算:

可知CO2的體積分?jǐn)?shù)為一直不變,C項(xiàng)錯(cuò)誤。恒壓體系,壓強(qiáng)一直不變,所以根據(jù)D項(xiàng)不能判斷是平衡狀態(tài)。

答案:AB