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等效平衡专题


黄图盛中学 2012 届高三优生弱科 7

等效平衡
一. 概念辨析 概念是解题的基石。只有深入理解概念的内涵和外延,才能在解题中触类旁通,游刃有 余。 人教版教材对等效平衡概念是这样表述的:“实验证明,如果不是从 CO 和 H2O(g)开始反 应,而是各取 0.01molCO2 和 0.01molH2,以相同的条件进行反应,生成 CO 和 H2O(

g),当达到化 学平衡状态时,反应混合物里 CO、H2O(g)、CO2、H2 各为 0.005mol,其组成与前者完全相 同(人教版教材第二册(必修加选修)第 38 页第四段)。”这段文字说明了,化学平衡状态的 达到与化学反应途径无关。即在相同的条件下,可逆反应无论从正反应开始还是从逆反应开 始,还是从既有反应物又有生成物开始,达到的化学平衡状态是相同的,平衡混合物中各组 成物质的百分含量保持不变,也就是等效平衡。 等效平衡的内涵是,在一定条件下(等温等容或等温等压),只是起始加入情况不同的 同一可逆反应达到平衡后,任何相同组分的质量分数(或体积分数)都相同,这样的平衡互 为等效平衡。等效平衡可分为“全等效”平衡和“相似等效”平衡。判断等效平衡的方法:使用 极限转化的方法将各种情况变换成同一反应物或生成物,然后观察有关物质的数量是否相 当。 等效平衡的外延是它的分类, 即不同类型的等效平衡以及其前提条件, 这在具体的解题 过程中有更广泛的应用。等效平衡可分为三种类型: (1)等温等容下,建立等效平衡的条件是:反应物的投料相当。例如,在恒温恒容的两 个相同容器中,分别投入 1mol N2、3mol H2 与 2mol NH3,平衡时两容器中 NH3 的质量分 数相等。 (2)等温等压下,建立等效平衡的条件是:反应物的投料比相等。例如,在恒温恒压条 件下的两个容器中,分别投入 2.5mol N2、5mol H2 与 5mol N2、10mol H2,平衡时两容器 中 NH3 的质量分数相等。 (3)对于反应前后气体体积数不变的可逆反应,无论是等温等容还是等温等压,只要按 相同比例加入反应物和生成物,达平衡后与原平衡等效。 条件 恒温恒容 (△n(g)≠0) 恒温恒容 (△n(g)=0) 恒温恒压 注意事项: 1、等效平衡,转化率不一定相同 ①如在某温度下的密闭定容容器中发生反应 2M(g)+ N(g)=2E(g),若起始时充入 2molE, 达到平衡时气体的压强比起始时增大了 20%,则 E 的转化率是 40%;若开始时充入 2molM 和 1molN,达到平衡后,M 的转化率是 60%。 等效条件 投料换算成相同物质表 示时量相同 结果 两次平衡时各组分百分量、n、c 均相同

投料换算成相同物质表 两次平衡时各组分百分量相同,n、c 同比例变化 示时等比例 投料换算成相同物质表 两次平衡时各组分百分量、c 相同,n 同比例变化 示时等比例

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②如恒温恒压容器中发生反应 2E(g) =2M(g)+ N(g),若起始时充入 2molE,达到平衡时 M 的物质的量为 0.8mol,则 E 的转化率是 40%;若开始时充入 4molE,达到平衡后 M 的物质 的量为 1.6mol,则 E 的转化率仍为 40%,该情况为恒温恒压下的等效平衡。 2、平衡等效,各组分的物质的量不一定相同 ①原料一边倒后,对应量与起始量相等的等效平衡,平衡时各组分的物质的量相等。 ②原料一边倒后,对应量与起始量比相等(不等于 1)的等效平衡,平衡时各组分的物质的 量不相等,但各组分的物质的量分数相等。 二. 方法指导 等效平衡问题由于其涵盖的知识丰富,考察方式灵活,对思维能力的要求高,一直是同 学们在学习和复习“化学平衡”这一部分内容时最大的难点。很多同学们在接触到这一问题 时,往往有一种恐惧感,信心不足,未战先退。实际上,只要将等效平衡概念理解清楚,加 以深入的研究,完全可以找到屡试不爽的解题方法。 等效平衡问题的解答, 关键在于判断题设条件是否是等效平衡状态, 以及是哪种等效平 衡状态。要对以上问题进行准确的判断,就需要牢牢把握概念的实质,认真辨析。明确了各 种条件下达到等效平衡的条件,利用极限法进行转换,等效平衡问题就能迎刃而解了。 解等效平衡的题, 有一种基本的解题方法——极限转换法。 由于等效平衡的建立与途径 无关,不论反应时如何投料,都可以考虑成只加入反应物的“等效”情况。所以在解题时,可 以将所加的物质“一边倒”为起始物质时, 只要满足其浓度与开始时起始物质时的浓度相同或 成比例,即为等效平衡。但是,要区分“浓度相同”或“浓度成比例”的情况,必须事先判断等 效平衡的类型。有了等效平衡类型和条件的判断,就可以采用这种“一边倒”的极限转换法列 关系式了。下面我们看一看这种极限转换法在解题中的运用。 1. 对于一般可逆反应, 在恒温、 恒容条件下建立平衡, 改变起始时加入物质的物质的量, 如果能够按化学计量数换算成同一半边的物质的物质的量与原平衡相同,则两平衡等效。 如:合成氨 N2(g) + 3H2(g) == 2NH3(g)按下列三条途径,在恒温、恒容下建立的平衡等效 Ⅰ 3mol 1mol Ⅱ 0 0 0 2mol

Ⅲ a b c 应满足:b+c/2=1,a+3c/2=3。 例 1.在一固定体积的密闭容器中加入 2 mol A 和 1 mol B 发生反应 2A(g)+B(g) 3C(g)+D(g),达到平衡时 C 的浓度为 w mol· L-1,若维持容器的体积和温度 不变, 按下列四种配比方案作为反应物, 达平衡后, 使 C 的浓度仍为 w mol· L-1 的配比是 ( ) A.4 mol A+2 mol B B.3 mol C+1 mol D+2mol A+1 mol B C.3mol C+1 mol D+1 mol B D.3 mol C+1 mol D 答案:D 2. 在恒温、恒压下,改变起始时加入物质的物质的量,只要按化学方程式系数比换算成 同一半边物质的物质的量之比与原平衡相同,两平衡等效。 如:合成氨 N2(g) + 3H2(g) == 2NH3(g)按下列三条途径建立的平衡为等效平衡 Ⅰ 3mol 1mol 0 Ⅱ 0 0 2mol Ⅲ 3n n x(x≥0)

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小结:若恒温、恒容,则 3n+3x/2=3, n+x/2=1;若恒温、恒压,则(3n+3x/2):(n+x/2)=3: 1 即可。 例 2. 在恒温、恒压下,有下列气体反应分别从两条途径进行 2A(g)+2B(g)=C(g)+3D(g) Ⅰ 2mol Ⅱ 0 2mol 0 0 2mol 0 6mol

下列叙述正确的是( ) A. Ⅰ、Ⅱ两条途径最终达到平衡时,体系内混合气体的百分组成相同。 B. Ⅰ、Ⅱ两条途径最终达到平衡时,体系内混合气体的百分组成不同。 C. 达到平衡时,Ⅰ途径所用的时间与Ⅱ途径所用的时间相同 D. 达到平衡时,Ⅰ途径混合气体密度等于Ⅱ途径混合气体的密度 解析:因反应前后气体体积不变,压强对该平衡无影响,途径Ⅰ、Ⅱ为等效平衡,故选 A、 D 项。 3. 在恒温、恒容下,对于反应前后气体分子数不变的可逆反应,只要反应物(或生成物) 的物质的量比例与原平衡的相同, 两平衡就是等效平衡。 (相当于恒温、 恒压下的等效平衡, 原因是平衡不受压强影响)。 例 3. 在两个密闭容器内, 保持温度为 423K, 同时向 A、 B 两容器中分别加入 a mol、 b mol HI,待反应 2HI(g)H2(g)+I2(g)达到平衡后,下列说法正确的是( ) A. 从反应开始到达到平衡所需时间 tA>tB B. 平衡时 I2 浓度 c(I2)A=c(I2)B C. 平衡时 I2 蒸气在混合气体中体积分数 A%>B% D. HI 的平衡分解率相等 解析:等温下,该反应前后系数不变,平衡不受压强影响,A、B 两容器中的平衡可视为 等效平衡,故应选 D 项。 例 4. 某恒温、 恒容的密闭容器充入 3mol A 和 2mol B, 反应 3A(g)+2B(g) == x C(g)+y D(g) 达到平衡时 C 的体积分数为 m%。若将 0.6mol A,0.4mol B,4mol C,0.8mol D 作为起始物 充入,同温同容下达到平衡时 C 的体积分数仍为 m%,则 x=_______,y=_______。 解析:同温同容下达到平衡时 C 的体积分数仍为 m%,则两平衡为等效平衡,因而有 3A(g)+2B(g)x C(g)+y D(g) Ⅰ 3mol 2mol 0 0 Ⅱ 0.6mol 0.4mol 4mol 0.8mol 所以有:0.6+(3× 4)/x=3,0.6+(3× 0.8)/y=3。 解得:x=5,y=1。 恒温恒容 一边倒 完全相同 三、巩固练习 1.某温度下 1 L 密闭容器中加 1 mol N2 和 3 mol H2,使反应 N2+3H2 2NH3 达到 平衡,测得平衡混合气体中 N2、H2、NH3 物质的量分别为 m mol、n mol、g mol。如温度不 变,只改变初始加入的物质的量,而要求 m、n、g 的值维持不变,则 N2、H2、NH3 加入的 物质的量用 x、y、z 表示时,应满足条件: (1)若 x=0,y=0,则 z= 。 (2)若 x=0.75 mol,则 y= ,z= 。 (3)x、y、z 应满足的一般条件是(请用两个方程式表示,其中一个含 x 和 y,另一个只含 y 和 z) 。
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2、 (双选)在气相条件下(T=500 K),有相同体积的甲、乙两容器,甲容器充人 1 g SO2、 l gO2,乙容器充人 2 g SO2、2g O2 则下列叙述中正确的是( ) A.化学反应速率:乙>甲 B.平衡后 SO2 的浓度:乙>甲 C.SO2 转化率:乙<甲 D.平衡后 O2 的体积分数:乙>甲 3. 在一个盛有催化剂容积可 变的密闭容器中,保持一定的温 度和压强,进行以下反应: N2+3H2 2NH3。已知加入 1molN2 和 4molH2 时,达到平衡 后生成 amolNH3。有恒温恒压下 欲保持平衡时各组分的体积分数 不变。填表(恒温恒压)

4. 在一个固定容积的密闭 容器中,保持一定的温度,进 行以下反应:H2(g)+Br2(g) 2HBr(g)。已知加入 1molH2 和 2molBr2 时,达到平衡后生成 amolHBr。恒温恒压下欲保持 平衡时各组分的体积分数不 变。填写上表空白:

5.I.恒温、恒压下,在一个可变容积的容器中发生如下反应: A(g)+B(g) C(g) (1)若开始时放入 1mol A 和 1 mol B,到达平衡后,生成 a mol C,这时 A 的物质的量为 mol。 (2)若开始时放入 3mol A 和 3 mol B,到达平衡后,生成 C 的物质的量为 mol。 (3)若开始时放入 x mol A,2mol B 和 1mol c,到达平衡后,A 和 C 的物质的量分别是 y mol 和 3a mol,则 x= mol,y = mol。 平衡时,B 的物质的量 (选填一个编号) 甲、 大于 2mol 乙、等于 2mol 丙、小于 2mol 丁、可能大于、等于或小于 2mol 作出此判断的理由是 。 (4)若在(3)的平衡混合物中再加入 3mol C,待再次到达平衡后,C 的物质的量分数是 。 Ⅱ .若维持温度不变,在一个与(1)反应前起始体积相同、且容积固定的容器中发生上述 反应。 (5)开始时放入 1mol A 和 1molB 到达平衡后生成 b mol C。 将 b 与(1)小题中的 a 进行比较 。 甲、a<b 乙、a>b 丙、a=b 丁、不能比较 a 和 b 的大小 作出此判断的理由是 。 答案:1、 (1)2 (2) 2.25 0.5 (3) y=3x 2y+3z = 6 2、AB 3、(1)1.5a (2)0 0.5 (3)2(g-4m) a(g-3m) 4、 (1) 2a (2) . 0 0.5 (3) . 2(g-2m) a(g-m) 5、(1)1-a (2)3a (3)2 3(1-a) 丁 (4)a/(2-a) (5)乙
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