浅析化学平衡中的“等效平衡”

浅析“等效平衡”“等效平衡”是化学平衡内容的重要知识点之一，但对这一知识点的学习、理解和应用，学生往往感到困难重重，难以把握其实质，更谈不上灵活运用了。现将有关内容整理成文，以求对“等效平衡”的理解与应用有所突破。一、“等效平衡”的概念1、内容：同一可逆反应在相同条件下，不论从正反应方向，还是从逆反应方向，或者中间状态投料起始，平衡后，只要反应混合物各组分的物质的量（或气体体积）分数对应等，这样的平衡互称“等效平衡”。2、解析：（1）“等效平衡”不同于“完全相同的平衡状态”，它包括“完全相同的平衡状态”。“完全相同的平衡状态”是指：平衡时，反应混合物各组分的物质的量（或气体体积）分数要对应相等，且两平衡的反应速率也相同。“等效平衡”则只要求反应混合物各组分的物质的量（或气体体积）分数对应相同。如：mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)，当m+n=p+q时，即反应前后气体总体积不变的可逆反应，达平衡后，改变压强，平衡不移动，反应混合物的物质的量（或气体体积）分数对应相同，所以二者为“等效平衡”。但此平衡与原平衡速率不等，故不是“完全相同的平衡状态”。（2）对于“同一可逆反应在相同条件下，不论从正反应方向，还是从逆反应方向，或者中间状态投料起始，在一定条件下平衡后，可为“等效平衡”，教材中指出：对于可逆反应：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)实验证明在1L的密闭容器中，有催化剂存在的条件下加热到800℃，无论是充入0.01molCO和0.01molH2O，还是充入0.01molCO2和0.01molH2，反应都达到相同的平衡状态。对于这一事实，我们也可从理论上推出，上述相同条件下的两种情况可表示如下：投料方式I：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)起始投料(mol):0.010.0100平衡I(mol):0.0050.0050.0050.005投料方式II：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)起始投料(mol):000.010.01某时刻(mol):0.0050.0050.0050.005分析：相同条件下的投料方式II，反应向逆反应方向进行，假定某时刻容器内反应进行到CO2和H2都剩余0.005mol，则此时的逆反应速率与平衡I的逆反应速率相等。此时生成的CO和H2O（g）也都是0.005mol，与平衡I中CO和H2O（g）浓度相同，故正反应速率与平衡I的正反应速率也相同。平衡I中V正=V逆，则投料方式II也是V正=V逆，即达到平衡状态，各组分的物质的量分数对应相等。所以上述两种投料方式的平衡状态是相同的。同理，可以分析从中间状态起始投料的情况。二、“等效平衡”的规律影响化学平衡的外界条件有温度、浓度、压强等，外界条件相同时，平衡状态就相同，即为等效平衡状态。而压强对化学平衡的影响是通过改变浓度实现的，所以当温度不变、反应物起始浓度相同时，即为相同的外界条件，平衡后的状态就是等效平衡状态。1、恒温恒容，极值等量在恒温恒容时，只要反应物各组分的起始投料量的物质的量相同，其浓度就相同，则外界条件相同，平衡时为等效平衡状态。不同的投料方式按完全反应（事实上不可能完全反应）计算，得出的投料量若与原投料相同，即极值等量，亦达到等效平衡。[例1]在一固定容积的密闭容器中，加入2molX和1molY，发生如下反应：2X（g）+Y(g)3Z(g)+R(g)，当反应达到平衡后，Z的浓度为ωmol/L。若维持容器的体积和温度不变，按下列四种配比起始进行反应，达到平衡后，Z浓度仍为ωmol/L的是：A、4molX+2molYB、2molX+1molY+3molZ+1molRC、3molZ+1molY+1molRD、3molZ+1molR分析：要保证Z的浓度不变，只要两平衡状态等效即可。根据题设条件（恒温恒容，原投料为X、Y），将选项中的Z、R按完全反应转化为X、Y，则选项为：A、4molX+2molYB、4molX+2molYC、2molX+2molYD、2molX+1molY只有D选项的投料量与原投料相同，即极值等量，两平衡为等效平衡。故该题的答案为：D我们再来分析一下A、C的情况，二者都先拿出与原投料相同的X（2mol）、Y(1mol)，则A、C中都相当于又加入了反应物，增大了反应的浓度，平衡正向移动，故与原平衡不是等效平衡。2、恒温恒压，极值等比恒温恒压时，要保持浓度不变，只要将不同的投料方式按完全反应（事实上不可能完全反应）计算，得出的投料量若与原投料量等比即为等效平衡。因为投料量按比例变化时，要保持压强不变，体积也应按相同比例变化，故浓度不变，为等效平衡。[例2]若例1中的容器改为恒压容器，其他条件不变，则符合条件的选项有哪些？分析：按照恒温恒压，极值等比和例1的极值转化，则该题的答案就是与原投料量等比的选项：A、B、D。3、温度改变，不能相同不存在既不吸热，又不放热的化学反应。因此，只要温度发生变化，平衡就会移动，就不会有等效平衡状态。[例3]在一个容器固定的反应器中，有一可左右滑动的密封隔板，两侧分别进行如图所示的可逆反应。各物质的起始加入量如下：A、B、C均为0.4mol，D为6.5mol,F为2.0mol,设E为Xmol。A(g)+B(g)2C(g)D(g)+2E(g)2F(g)可移动隔板当X一定范围内变化时，均可以通过调节反应器的温度，使两侧反应都达到平衡，并且隔板恰好处于反应器的正中位置。若X分别为4.5和5.0，则在这两种情况下，反应达平衡时，A的物质的量是否相等，并说明理由。分析：只有在这两种情况下达到的平衡是等效平衡，A的物质的量才能相等。现在这两种情况是在不同温度下达到化学平衡的，因此二者不可能等效平衡，故A的物质的量不相等。4、特例：对于反应前后总体积不变的可逆反应，无论恒温恒容，还是恒温恒压条件下，只要极值等比就可达到等效平衡状态。这里我们分析一下恒温恒容的情况，例如，在H2(g)+I2(g)2HI(g)中，恒温恒容时，①充入2molH2和2molI2②充入4molH2和4molI2，讨论两种情况是否等效。可首先将②看成恒压容器，则两情况平衡时是等效平衡，然后将②压缩到原容器体积，平衡不移动，由此可理解两种情况下的平衡是等效平衡。三、“等效平衡”的应用[例4]完全相同的两个容器M和N，M中装有O2和SO2各1g，N中装有O2和SO2和2g。在相同温度下达到平衡时，SO2的转化率M中为a%，N中为b%，a%和b%的关系：①两容器均为等压时（）②两容器均为定容时（）A：a%b%B：a%=b%C：a%b%D：无法判断分析：①依据“恒温恒压、极值等比”，很容易选出B。②先把N容器看成恒压容器，则M和N中平衡时为等效平衡状态，转化率相等。再将N压缩为原体积，平衡向正反应方向移动，故SO2转化率增大，答案为C。[练习]：1、完全相同的两个固定容积的容器A和B，在相同条件下，A中充入2molN2和3molH2，平衡时NH3的物质的量为1.6mol，B中充入4molN2和6molH2，平衡时，NH3的物质的量范围是______________[答案]3.2moln(NH3)4mol2、①在平衡体系中，再充入N2O4，并保持容器体积不变。反应达到平衡时，NO2和N2O4物质的量的比值应：A：不变B：增大C：减少D：可能增大也可能减少②若上题改为充NO2呢？[答案]都选C正确、深入地理解等效平衡，有助于我们对化学平衡的认识，更有效地解决有关化学平衡问题