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在教学过程中发现,学生在利用“等效平衡规律”解决实际问题时存在问题.学生对许多实际情况不能准确判断是否是“等效平衡”,即使确认是“等效平衡”问题后,也存在该应用“等效平衡规律”中哪一条规律才能正确解决的问题.在实际教学过程中,对“等效平衡”概念剖析和对“等效平衡规律”中应用时应注意的特定条件的分析,对解决此类问题有所突破.
对于“等效平衡”的概念,在化学上是如此认定的:在一定条件下(定温、定容或定温、定压),对同一可逆反应,只是起始时加入物质的情况不同,而达到平衡时,任何相同组分的含量均相同,这样的化学平衡就互称为“等效平衡”.从认定中可看出,化学平衡状态的建立只与条件有关,而与建立平衡的途径无关,因而对同一可逆反应,从不同的状态开始,只要达到平衡时条件(温度、浓度、压强等)完全相同,则它们达到的平衡状态就可互称为“等效平衡”.如:在常温常压下,对可逆反应2SO2(g) + O2(g) ?葑2SO3(g)而言,对于SO2、O2和SO3物质的量分别按①2mol、1mol、0mol;②0mol、0mol、2mol;③0.5 mol、0.25mol、1.5 mol等三种初始状态开始;虽①是从正反应方向开始,②是从逆反应方向开始,③是从正逆反应方向同时开始,但由于①、②、③三种情况如果按方程式的计量关系折算成同一方向的反应物,对应各组分的物质的量均相等(如将②、③折算为①),因此三者在平衡后互为等效平衡.
接着是要正确理解和掌握“等效平衡规律”.“等效平衡规律”有以下三种情况:①恒温、恒容条件下的等效平衡.对于反应前后气体分子数不等的可逆反应(即一般可逆反应),在定温、定容的条件下,只改变起始加入物质的“物质的量”,如通过可逆反应的化学计量数比换算成同一半边的物质的“物质的量”与原平衡相同,则两个平衡等效;②特殊情况,等体积反应(恒温).在定温、定容的情况下,对于反应前后气体分子数不改变的可逆反应(即特殊可逆反应),只要反应物(或生成物)的物质的量比值与原平衡相同,则两个平衡等效;③恒温、恒压条件下的等效平衡.在定温、定压情况下,改变起始时加入物质的“物质的量”,只要按化学计量数换算成同一半边的物质的“物质的量”之比与原平衡相同,则达平衡后与原平衡等效.如对可逆反应aA(g) + bB(g)?葑cC(g) + dD(g) (a + b ≠ c + d)右进行如下归纳.对此可逆反应如第一次初始加入a mol A和b molB,第二次初始加入xmol A、ymolB、z mol C和w mol D.在定温、定容的条件下,若两次反应互为等效平衡,则一定要满足以下两个关系式:x + z × a ÷ c = a和y + w × b ÷ d = b.而对在定温、定容或在定温、定压(a + b=c + d)的可逆反应则只要求由极端假设法确定出两初始状态的物质的量的比值与原平衡相同,即(x + z × a ÷ c ):(y + w × b ÷ d )= a:b,则达到平衡后两个平衡等效.如上所述,在应用“等效平衡规律”解决实际问题过程时,一定要分析问题中的条件和发生可逆反应的各生成物和各反应物的化学计量数之和的情况.
如:一定温度下,在恒容密闭容器中发生如下反应:2A(g)+B(g)3C(g),若反应开始时充入2molA和2molB,达平衡后A的体积分数为a%.其它条件不变时,若按下列四种配比作为起始物质,平衡后A的体积分数大于a%的是()
A.2molC
B.2molA、1molB和1molHe(不参加反应)
C.1molB和1molC
D.2molA、3molB和3molC
解析:本题主要考查有关化学平衡的相关问题.
本题只有通过“等效平衡规律”才能很好地解决,而此题的条件为“等温等容和气体总体积不变”,符合“等效平衡规律”中第二条规律情况.故在等温等容的条件下,对于气体总体积不变的反应2A(g)+B(g)?葑3C(g),充入任意物质的量的C,都与充入2 mol A和1 mol B等效,且平衡时A的体积分数大于a%,故A符合题意;而充入He时对所给化学平衡没有影响,则B选项中A的体积分数亦大于a%,而C、D皆相当于在2 mol A和1 molB达到平衡的基础上,增大B的浓度使化学平衡向右移动,A的体积分数减小,故本题答案为(A)、(B).
在面对实际问题时,还应对具体的反应进行正确的分析,看化学平衡状态之间是否是等效平衡,能否利用“等效平衡规律”来解决问题.
又如在恒温时,一固定容积的容器内发生如下反应:2NO2 (g) ?葑N2O4 (g)达平衡时,再向容器内通入一定量的NO2 (g),重新达到平衡后,与第一次平衡时相比NO2的体积分数()
(A). 不变 (B). 增大
(C). 减小 (D). 无法判断
解析:我们可以假设后面通入一定量的NO2 (g)也在上述反应的温度和压强下发生如下反应2NO2 (g)?葑 N2O4 (g)并达平衡,此时两个反应就是在恒温、恒压下的等效平衡,两个反应体系下的NO2的体积分数就必定相同.然后再把后面反应中的混合气体全部挤压在题中的固定容器内,这时相当于对原体系加压,对于反应2NO2 (g)?葑 N2O4 (g)必定向正反应方向移动,这样NO2 在体系中的体积分数肯定减小,则得到正确答案C.如果不用“等效平衡”原理来解决此题,对在已经平衡的体系内通入一定量的NO2 ,整个体系的压强和作为反应物的NO2 的量就都有所增加,平衡向正反应方向移动,就会使得NO2的量有所减少,N2O4的量有所增加,但由于无法知道NO2 反应减少后剩下的量以及N2O4的增加量故无法判断体积分数的变化,势必会误选答案(D) 可见只要对“等效平衡规律”中所述的等效平衡情况能正确理解并对其对应的关系式熟悉掌握,在解答实际问题时就能游刃有余、信手拈来.
对于“等效平衡”的概念,在化学上是如此认定的:在一定条件下(定温、定容或定温、定压),对同一可逆反应,只是起始时加入物质的情况不同,而达到平衡时,任何相同组分的含量均相同,这样的化学平衡就互称为“等效平衡”.从认定中可看出,化学平衡状态的建立只与条件有关,而与建立平衡的途径无关,因而对同一可逆反应,从不同的状态开始,只要达到平衡时条件(温度、浓度、压强等)完全相同,则它们达到的平衡状态就可互称为“等效平衡”.如:在常温常压下,对可逆反应2SO2(g) + O2(g) ?葑2SO3(g)而言,对于SO2、O2和SO3物质的量分别按①2mol、1mol、0mol;②0mol、0mol、2mol;③0.5 mol、0.25mol、1.5 mol等三种初始状态开始;虽①是从正反应方向开始,②是从逆反应方向开始,③是从正逆反应方向同时开始,但由于①、②、③三种情况如果按方程式的计量关系折算成同一方向的反应物,对应各组分的物质的量均相等(如将②、③折算为①),因此三者在平衡后互为等效平衡.
接着是要正确理解和掌握“等效平衡规律”.“等效平衡规律”有以下三种情况:①恒温、恒容条件下的等效平衡.对于反应前后气体分子数不等的可逆反应(即一般可逆反应),在定温、定容的条件下,只改变起始加入物质的“物质的量”,如通过可逆反应的化学计量数比换算成同一半边的物质的“物质的量”与原平衡相同,则两个平衡等效;②特殊情况,等体积反应(恒温).在定温、定容的情况下,对于反应前后气体分子数不改变的可逆反应(即特殊可逆反应),只要反应物(或生成物)的物质的量比值与原平衡相同,则两个平衡等效;③恒温、恒压条件下的等效平衡.在定温、定压情况下,改变起始时加入物质的“物质的量”,只要按化学计量数换算成同一半边的物质的“物质的量”之比与原平衡相同,则达平衡后与原平衡等效.如对可逆反应aA(g) + bB(g)?葑cC(g) + dD(g) (a + b ≠ c + d)右进行如下归纳.对此可逆反应如第一次初始加入a mol A和b molB,第二次初始加入xmol A、ymolB、z mol C和w mol D.在定温、定容的条件下,若两次反应互为等效平衡,则一定要满足以下两个关系式:x + z × a ÷ c = a和y + w × b ÷ d = b.而对在定温、定容或在定温、定压(a + b=c + d)的可逆反应则只要求由极端假设法确定出两初始状态的物质的量的比值与原平衡相同,即(x + z × a ÷ c ):(y + w × b ÷ d )= a:b,则达到平衡后两个平衡等效.如上所述,在应用“等效平衡规律”解决实际问题过程时,一定要分析问题中的条件和发生可逆反应的各生成物和各反应物的化学计量数之和的情况.
如:一定温度下,在恒容密闭容器中发生如下反应:2A(g)+B(g)3C(g),若反应开始时充入2molA和2molB,达平衡后A的体积分数为a%.其它条件不变时,若按下列四种配比作为起始物质,平衡后A的体积分数大于a%的是()
A.2molC
B.2molA、1molB和1molHe(不参加反应)
C.1molB和1molC
D.2molA、3molB和3molC
解析:本题主要考查有关化学平衡的相关问题.
本题只有通过“等效平衡规律”才能很好地解决,而此题的条件为“等温等容和气体总体积不变”,符合“等效平衡规律”中第二条规律情况.故在等温等容的条件下,对于气体总体积不变的反应2A(g)+B(g)?葑3C(g),充入任意物质的量的C,都与充入2 mol A和1 mol B等效,且平衡时A的体积分数大于a%,故A符合题意;而充入He时对所给化学平衡没有影响,则B选项中A的体积分数亦大于a%,而C、D皆相当于在2 mol A和1 molB达到平衡的基础上,增大B的浓度使化学平衡向右移动,A的体积分数减小,故本题答案为(A)、(B).
在面对实际问题时,还应对具体的反应进行正确的分析,看化学平衡状态之间是否是等效平衡,能否利用“等效平衡规律”来解决问题.
又如在恒温时,一固定容积的容器内发生如下反应:2NO2 (g) ?葑N2O4 (g)达平衡时,再向容器内通入一定量的NO2 (g),重新达到平衡后,与第一次平衡时相比NO2的体积分数()
(A). 不变 (B). 增大
(C). 减小 (D). 无法判断
解析:我们可以假设后面通入一定量的NO2 (g)也在上述反应的温度和压强下发生如下反应2NO2 (g)?葑 N2O4 (g)并达平衡,此时两个反应就是在恒温、恒压下的等效平衡,两个反应体系下的NO2的体积分数就必定相同.然后再把后面反应中的混合气体全部挤压在题中的固定容器内,这时相当于对原体系加压,对于反应2NO2 (g)?葑 N2O4 (g)必定向正反应方向移动,这样NO2 在体系中的体积分数肯定减小,则得到正确答案C.如果不用“等效平衡”原理来解决此题,对在已经平衡的体系内通入一定量的NO2 ,整个体系的压强和作为反应物的NO2 的量就都有所增加,平衡向正反应方向移动,就会使得NO2的量有所减少,N2O4的量有所增加,但由于无法知道NO2 反应减少后剩下的量以及N2O4的增加量故无法判断体积分数的变化,势必会误选答案(D) 可见只要对“等效平衡规律”中所述的等效平衡情况能正确理解并对其对应的关系式熟悉掌握,在解答实际问题时就能游刃有余、信手拈来.