姚秀成

（云南師范大學(xué)附屬怒江州民族中學(xué)，云南怒江 673200）

通過(guò)對(duì)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能運(yùn)用勒夏特列原理判斷化學(xué)平衡的移動(dòng)方向，能比較轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、百分含量等。但勒夏特列原理只適用于定性分析，往往只適合改變某一個(gè)條件，若多個(gè)條件同時(shí)發(fā)生改變，從定量的角度分析更加準(zhǔn)確。等效平衡是化學(xué)平衡的拓展，學(xué)生在高考中運(yùn)用等效平衡的思想解決問(wèn)題更加快速準(zhǔn)確，但等效平衡又是學(xué)生很難理解的一個(gè)內(nèi)容。筆者將從定性和定量的角度分析等效平衡，從而使學(xué)生體會(huì)到定性分析和定量分析的應(yīng)用。

一、從定量的角度引出等效平衡的概念

例1：在一定溫度下，分別在兩個(gè)容積均為1L的密閉容器中，按下列物質(zhì)的量向容器中投料，發(fā)生如下反應(yīng)：。已知容器A平衡時(shí)，H2的平衡轉(zhuǎn)化率為20%，試分析：兩個(gè)容器達(dá)到平衡時(shí)，A、B容器中各物質(zhì)的物質(zhì)的量為多少？各物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為多少？

解：對(duì)于A容器，平衡時(shí)，H2的平衡轉(zhuǎn)化率為20%，所以△c(H2)=1mol/L，20%=0.2mol/L。

三行式如下：

對(duì)于B容器，設(shè)轉(zhuǎn)化的H2的物質(zhì)的量濃度為xmol/L，三行式如下：

由于溫度相同，

經(jīng)計(jì)算得出，A、B兩容器中，H2(g)的物質(zhì)的量均為0.8mol，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為40%；I2(g)的物質(zhì)的量均為0.8mol，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為40%；2HI(g)的物質(zhì)的量均為0.4mol，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%。兩平衡等效，由此引出等效平衡的定義。在一定條件（恒溫恒容或恒溫恒壓）下，同一可逆反應(yīng)體系無(wú)論是從正反應(yīng)開(kāi)始，還是從逆反應(yīng)開(kāi)始，或是正逆反應(yīng)同時(shí)開(kāi)始，只要起始投料“相當(dāng)”，達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，任何相同組分的百分含量（體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）均相同，這樣的化學(xué)平衡稱(chēng)為等效平衡。

例2：在恒溫恒容的密閉容器中，按下列五種情況進(jìn)行投料，是否等效？

上述五種不同投料情況，按極值轉(zhuǎn)化的思想全部轉(zhuǎn)化為SO2(g)和O2(g)，得到如下情況：

由此發(fā)現(xiàn)，按照極值轉(zhuǎn)化的思想，①②③三種情況相當(dāng)于投料相同，一定等效。④起始投料與前三種情況對(duì)比，SO2(g)的物質(zhì)的量相同，但O2(g)的物質(zhì)的量不同，相當(dāng)于增大了O2(g)的濃度。根據(jù)勒夏特列原理，平衡向著正反應(yīng)方向移動(dòng)，④達(dá)到的平衡與前三種不等效。⑤的起始投料與前三種情況的起始投料比相同，這時(shí)是否等效，需要我們?cè)诤竺孢M(jìn)行討論。

二、從定性和定量的角度分析恒溫恒容條件下的等效平衡的條件

（一）恒溫恒容條件下，對(duì)于反應(yīng)前后氣體體積不變的可逆反應(yīng)

例3：將例1中A容器改為2molH2(g)，2molI2(g)投料，重新計(jì)算各物質(zhì)的物質(zhì)的量為多少？各物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為多少？

經(jīng)計(jì)算，H2(g)的物質(zhì)的量均為1.6mol，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為40%；I2(g)的物質(zhì)的量均為1.6mol，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為40%；HI(g)的物質(zhì)的量均為0.8mol，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%。與A容器中的平衡等效。

由此得出：恒溫恒容條件下，對(duì)于反應(yīng)前后氣體體積不變的可逆反應(yīng)，要求極值等比投料才可以使平衡等效。

（二）恒溫恒容條件下，對(duì)于反應(yīng)前后氣體體積變化的可逆反應(yīng)

例4：恒溫恒容（1L）的密閉容器C、D中，按下列物質(zhì)的量向兩容器中投料，發(fā)生反應(yīng)：2SO2(g)+O2(g)。

分析：C、D兩容器所達(dá)到的平衡是否等效？

1.定量角度

方法1：設(shè)C容器達(dá)到平衡時(shí)，SO2轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為2xmol，D容器達(dá)到平衡時(shí)，SO2轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為4ymol。

根據(jù)溫度相同，K1=K2，

C、D兩容器不等效。達(dá)到平衡時(shí)，D容器中SO2(g)、O2(g)的百分含量比C容器小，SO3(g)的百分含量比C容器大。

方法2：設(shè)C容器達(dá)到平衡時(shí)，SO2的物質(zhì)的量濃度為amol/L，O2的物質(zhì)的量濃度為bmol/l，SO3的物質(zhì)的量濃度為cmol/L，則。

若D容器與C容器等效，則容器D達(dá)到平衡時(shí)，SO2的物質(zhì)的量濃度為2amol/L，O2的物質(zhì)的量濃度為2bmol/l，SO3的物質(zhì)的量濃度為2cmol/L，此時(shí)，。當(dāng)溫度相同時(shí)，K3=K4，而此時(shí)K3＞K4，不相等，說(shuō)明容器D達(dá)平衡時(shí)，各物質(zhì)的量濃度不是上述假設(shè)結(jié)果。為了使K3=K4，D容器中SO2(g)、O2(g)的濃度要比假設(shè)結(jié)果小，SO3(g)的濃度要比假設(shè)結(jié)果大，才能滿足K值相等。

由此得出：C、D兩容器不等效。

2.定性角度

我們將D容器的體積擴(kuò)大為原來(lái)的兩倍后，可以得到E容器（圖略）。因?yàn)镃、E兩容器中各物質(zhì)的濃度相等，所以C、E兩容器等效。由E容器到D容器，相當(dāng)于壓強(qiáng)增大，平衡要向正反應(yīng)方向移動(dòng)。在平衡時(shí)，D容器中SO2(g)、O2(g)的百分含量比C容器小，SO3(g)的百分含量比C容器大。

由此得出：恒溫恒容條件下，對(duì)于反應(yīng)前后氣體體積變化的可逆反應(yīng)，要求極值等量投料才可以使平衡等效。

三、從定性和定量的角度分析恒溫恒壓條件下的等效平衡的條件

（一）恒溫恒壓條件下，對(duì)于反應(yīng)前后氣體體積變化的可逆反應(yīng)

例5：將例3中的恒溫恒容改為恒溫恒壓的密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)，按下圖所示方式投料，

分析：F、G兩容器所達(dá)到的平衡是否等效？

1.定量角度

在恒溫恒壓條件下，設(shè)F容器中達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，SO2(g)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為2xmol，G容器中達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，SO2(g)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為4ymol

假設(shè)F容器達(dá)到平衡時(shí)的體積為VL

根據(jù)PV=nRT，可知在相同的溫度和壓強(qiáng)下，體積之比等于物質(zhì)的量之比，G容器達(dá)到平衡時(shí)的體積為，所以K6=。

根據(jù)K5=K6，x=y，可知兩平衡等效。達(dá)到平衡時(shí)，G容器中SO2(g)、O2(g)、SO3(g)的百分含量與F容器相同。

2.定性角度

F、G兩容器中各物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度相同，壓強(qiáng)相同，類(lèi)似于G容器中有兩個(gè)F容器同時(shí)建立平衡，所以F、G兩容器等效。

（二）恒溫恒壓條件下，對(duì)于反應(yīng)前后氣體體積不變的可逆反應(yīng)

例6：在兩個(gè)相同溫度和壓強(qiáng)的密閉容器（H、I）中，分別充入1molH2(g)、1molI2(g)和2molH2(g)，2molI2(g)發(fā)生如下反應(yīng)：H2(g)+I2(g)2HI(g)，分析H、I是否等效？

1.定量角度

解：由于該反應(yīng)為氣體體積不變的反應(yīng)，設(shè)H容器的體積為VL，H2轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為xmol，則I容器的體積為2VL，H2轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為2ymol

根據(jù)K值相等，得出x=y。達(dá)到平衡時(shí)，H2(g)、I2(g)、2HI(g)百分含量相同，兩平衡等效。

2.定性角度

H、I兩容器中，各物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度相同，壓強(qiáng)相同，類(lèi)似于H容器中有兩個(gè)I容器同時(shí)建立平衡，所以H、I兩容器等效。

由此得出：恒溫恒壓條件下，不管反應(yīng)前后氣體體積是否改變，要求極值等比投料才可以使平衡等效。

四、等效平衡的應(yīng)用

（一）適用于特殊下轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、百分含量等的判斷

例7：在恒溫恒容的密閉容器中發(fā)生如下反應(yīng)。

1.PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)

達(dá)到平衡后再充入PCl5(g)，平衡向________ 方向移動(dòng)，達(dá)到平衡后，PCl5(g)(g)的轉(zhuǎn)化率________ ，PCl5(g)的百分含量________ 。

答案：正反應(yīng) 減小 增大。

達(dá)到平衡后再充入HI(g)，平衡向________ 方向移動(dòng)，達(dá)到平衡后，HI的分解率________ ，HI的百分含量________ 。

答案：正反應(yīng) 不變 不變。

3.2NO2(g)N2O4(g)

達(dá)到平衡后再充入NO2(g)，平衡向________ 方向移動(dòng)，達(dá)到平衡后，NO2(g)的轉(zhuǎn)化率________ ，NO2(g)的百分含量________ 。

答案：正反應(yīng) 增大 減小。

在以上幾種情況中，根據(jù)勒夏特列原理，增大反應(yīng)物的濃度，平衡均向正向移動(dòng)，正向移動(dòng)的結(jié)果是反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量增大，但起始的物質(zhì)的量也增大。根據(jù)轉(zhuǎn)化率=×100%，由于分子、分母均增大，所以不能直接判斷轉(zhuǎn)化率的大小，但從等效平衡的角度可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、百分含量等作出判斷。

（二）應(yīng)用等效平衡思想模型降低解題難度，減少計(jì)算量

例8：在5L恒容密閉容器中充入A(g)和B(g)，發(fā)生反應(yīng)A(g)+B(g)C(g)+D(g)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

求a、b的值？

根據(jù)K=1，求得a=0.06。

③方法一：按照② 的方法進(jìn)行計(jì)算，求得a=0.03。

方法二：應(yīng)用等效模型可以發(fā)現(xiàn)②③等效，直接得出a=0.03。

分析：等效平衡是一種思維分析方式和解題方法，等效平衡使化學(xué)平衡試題的解題策略和方法研究更加科學(xué)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)和做題更加高效[1]。

五、結(jié)束語(yǔ)

筆者從定性和定量的角度研究了等效平衡及其應(yīng)用，定性分析和定量分析不僅適用于等效平衡的構(gòu)建，而且適用于化學(xué)平衡的其他應(yīng)用以及水溶液中的離子平衡，如稀釋問(wèn)題、化學(xué)反應(yīng)速率大小的判斷等。從定性的角度分析化學(xué)試題有直觀、方便的特點(diǎn)，但有些反應(yīng)涉及多種因素的變化。當(dāng)定性分析結(jié)果不一致時(shí)，教師從定量的角度進(jìn)行分析更容易讓學(xué)生接受。