“等效平衡”—想说爱你不容易

虐乳淫刑(全肉) 陆正红

发表于《理科考试研究》第9期 ISSN1008-4126

“等效平衡”是中学化学的重点和难点，也是考试的热点，一直备受命题老师的青睐。统计江苏近5年的高考，有2次考到了“等效平衡”。“等效平衡问题”实质是指利用等效平衡(同一平衡或相似平衡)来进行有关问题的分析、判断和有关量的计算。“等效平衡”在解决化学平衡类的题目中一直发挥着重要的作用。下面本人结合自己的教学谈谈我的理解与思考。

第一个方面：

“等效平衡”理论依据：化学平衡的建立与过程无关，只与始末状态有关。(如：①无论反应从正反应方向开始，还是从逆反应方向开始;②投料是一次还是分成几次;③反应容器体积经过扩大—缩小或缩小—扩大的过程。)只要起始浓度相当，就能建立“等效平衡”。

第二个方面：

“等效平衡问题”解题一般思路：首先，理解等效平衡概念。等效平衡是指在一定条件(恒温恒容或恒温恒压)下，只是起始加入情况不同的同一可逆反应达到平衡后，任何相同组分的体积分数或物质的量分数均相等的平衡。其次，掌握等效平衡的几种情况。在等效平衡中，有一类特殊的平衡，不仅任何相同组分的含量(体积分数、物质的量分数)均相同，而且相同组分的物质的量均相同，这类等效平衡又互称为“同一平衡”。“同一平衡”是等效平衡的特例。另外，在恒温、恒容条件或恒温、恒压下满足一定条件可以建立等效平衡。第三，判断是否建立等效平衡。判断是否建立等效平衡，根据不同特点的反应和外部条件，有以下几种情况：(1)恒温恒容下，改变起始时加入物质的物质的量，对于反应前后气体分子数不变的可逆反应，通过化学计量数计算，把投料量换算成与原投料量同一侧物质的物质的量，只要物质的量的比值与原平衡相同，两平衡就是等效平衡。此时，各配料量不同，只导致其各组分的浓度、反应速率、平衡压强等分别不同于原平衡，而各组分的百分含量相同。(2)恒温恒容下，改变起始时加入物质的物质的量，对于反应前后气体分子数不等的可逆反应，通过化学计量数计算，把投料量换算成与原投料量同一侧物质的物质的量，若保持其数值相等，则两平衡是等效平衡。此时，各组分的浓度、反应速率、平衡压强等分别于原平衡相同，亦称同一平衡。(3)恒温恒压下，改变起始时加入物质的物质的量，不论反应前后气体分子数是否发生变化，根据化学方程式的化学计量数换算成同一侧物质的物质的量，只要物质的量的比值与原平衡相同，两平衡就是等效平衡。此时的情形与(2)相似，但投料量不同，不能称为同一平衡。

第三个方面：

以全国高考试卷(江苏卷)高考2题作为实例，应用“等效平衡”解决实际问题：

例1.(2010年第14题)在温度、容积相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如附表所示。

(已知N2(g)+3 H2(g) 2NH3 (g) △H=-92.4 kJ·mol-1)：

附表 平衡时的数据

下列说法正确的是

A.2 cl> c3 B.a+b=92.4 C.2 p 2< p 3 D.α1+α3 <1

命题者提供的参考答案是B、D。(B答案有人提出质疑，这里不详细说明)

看到这道题，就会想到用“等效平衡”解决。该题一般分析思路如下：题目前提条件是“等温、等容”且反应两边的气体分子数不等。那么对于这一类反应，在等温、等容条件下要建立“等效平衡”必须符合的条件是：利用“一边倒”的方法将物质完全转化到同一侧，各物质的物质的量分别相等。由此，我们可以很快判断上题“甲”和“乙”是“等效平衡”且是“同一平衡”，到达平衡时，其状态完全相同。所以选项中A和C很快可以判断正误。又因为“甲”和“乙”是从两端开始反应的，“甲”中生成的NH3与“乙”中反应掉的NH3是相等的，同理，“甲”中反应掉的“N2和H2”与“乙”中生成的也是相等的。由此可以判断出“甲”和“乙”两容器中反应物的转化率之和为“1”。而对于“丙”容器中进行的反应，我们也是可以借助于“等效平衡”来判断。“丙”的投料是“乙”的两倍，我们可以借助于一个“中间状态”，如下图。

将“丙”中NH3分成两等份，分别在两个“乙”中反应，中间有一块可移动的隔板。反应达到平衡时，隔板两边的体系与“乙”属于“同一平衡”。然后移走隔板，平衡不移动，此时的平衡与“乙”“等效”，但不是“同一平衡”，其容器体积、各物质的物质的量均为“乙”的两倍。然后将该容器的体积压缩至原来的一半，此时压强增大，平衡向正反应方向移动，将消耗N2和H2，所以α2>α3,;2b>c;2 p 2> p 3。该题考查了学生“等效平衡“的建立，可以从反应物向生成物也可以从生成物向反应物建立，只与始末态有关，与过程无关。只要满足一定的条件，建立起来的平衡就属于“等效平衡”。另外还要求学生学会用建模思想，巧妙利用“等效平衡”，准确找到“中间状态”，借助于“中间状态” 解决“化学平衡”的相关问题。

例2.(2013年第15题)一定条件下存在反应：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)，其正反应放热。现有三个相同的2L恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，在Ⅰ中充入1molCO和1molH2O;在Ⅱ中充入1molCO2和1molH2,在Ⅲ中充入2molCO和2molH2O，在700℃条件下开始反应。达到平衡时，下列说法正确的是

容器Ⅰ、Ⅱ中正反应速率相同容器Ⅰ、Ⅲ中反应的平衡常数相同容器Ⅰ中CO的物质的量比容器Ⅱ中的多容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和小于1命题者提供的参考答案是C、D。

该题与2010年第14题是出奇的相似，当然该题也要用“等效平衡”的知识来解决。但是该题一改往日的常态“恒温密闭容器”，而是变成了“恒容绝热(与外界没有热量交换)密闭容器”，想必这样的变化会让不少的学生在此摔跤吧!该题如果条件改为“恒温恒容”，那么正确答案就很容易判断了。其实，这类题目，万变不离其宗!虽然题中是“恒容绝热”，但是我们仍可以在原来“恒温恒容”的基础上再加以变化。由于该反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)，其正反应放热，容器Ⅰ中充入1molCO和1molH2O，反应开始向正方向进行，正方向放热，温度升高，反应速率加快;容器Ⅱ中充入1molCO2和1molH2，反应开始向逆方向进行，逆方向吸热，温度降低，反应速率减慢，所以A选项错误。对于C选项，我们可以借助于“中间状态”(即在恒温、恒容的容器中充入相应物质)判断。假设容器Ⅰ、Ⅱ是“恒温恒容”，这样两容器达到平衡时，属于“等效平衡”，容器中的CO的物质的量相等。而题中容器Ⅰ中温度升高，可视为在“中间状态”的基础上升温，平衡将逆向移动;容器Ⅱ中温度降低，可视为在“中间状态”的基础上降温，平衡正向移动，所以很容易判断C选项正确。由于容器Ⅰ、Ⅲ中反应达到平衡时，两容器内的温度不等，且容器Ⅲ的温度高于容器Ⅰ，所以平衡常数不等，B选项错误。同样，我们在判断D选项时，也可以借助于“等效平衡”。如果容器Ⅰ、Ⅱ是“恒温恒容”，那么当反应到达平衡时，容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和等于1。题中容器Ⅰ中温度升高，容器Ⅰ中CO的转化率较“中间状态”小;容器Ⅱ中温度降低，容器Ⅱ中CO2的转化率也较“中间状态”小，所以D选项，容器Ⅰ中CO的转化率与容器Ⅱ中CO2的转化率之和小于1，正确。

综上分析可知，“等效平衡问题”解题核心思想：合理寻找中间过程。对于有些反应从表面上看与原平衡并不是“等效平衡”，我们要善于运用“等效思维”，找出合理的“中间状态”，建立等效平衡体系，然后再通过条件改变，判断平衡是否移动以及移动方向，从而判断现平衡与原平衡的关系。

参考文献：

1. 2010年全国普通高等学校招生统一考试 江苏 化学试卷

2. 2013年全国普通高等学校招生统一考试 江苏 化学试卷

3. 徐志宏 对一类化学平衡与反应热综合试题的思考——对2010年高考江苏化学卷第14题的商榷[J].中学化学教学参考，2013(4).

4.王祖浩 高中化学教学参考书[M].南京：江苏教育出版社，2006.