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一、等效平衡的概念
1.定义
对于同一可逆反应,当外界条件一定时,无论该反应是从正反应开始,还是从逆反应开始,或是从中间状态(既有反应物又有生成物的状态)开始,只要达到平衡时反应混合物中各组分的分数(质量分数、物质的量分数或体积分数)对应相等就可达到相同的平衡状态,称为等效平衡。
通俗且言简意赅的定义应该为“相同效果的等效平衡”。相同效果指的是达平衡时反应混合物中各组成成分的含量(质量分数、物质的量分数或体积分数)对应相等。例如:
2.标志
由以上定义我们可以看出,判断同一可逆反应达到的平衡状态是否为等效平衡的标志是:达到平衡后,反应混合物中各组分的含量(质量分数、物质的量分数或体积分数)是否对应相等。
理解是否为“等效平衡”的要点:
(1)达到平衡时反应混合物中各组成成分的含量决定于什么条件?——相同物质的起始浓度、压强、温度。
(2)等效平衡的条件是什么?——保持同一物质相同的起始浓度、压强和温度。
3.意义
等效平衡的定义反映了化学平衡状态的建立与化学平衡状态建立的途径无关。
二、等效平衡的类型
1. 恒温恒容条件下的等效平衡
在恒温恒容的情况下,对于同一可逆反应,不论各反应物的起始量是多少,也不管反应物是一次加入还是分几次加入,或是分一次取出还是分几次取出,只要各物质的起始量(质量、物质的量、浓度、体积等)按化学计量数换算成方程式左右两边同一边后对应相同,则两平衡为等效平衡。
(1)对于反应前后气体分子数发生变化的可逆反应
判断方法:极限转化法。
若改变起始加入情况,只要通过可逆反应的化学计量数比换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量与原平衡相等,则两平衡等效。
特点:两次平衡时各组分百分含量、物质的量、浓度均相同。
例1 在一个固定体积的密闭容器中,加入2 mol A和1 mol B发生以下反应:2A(g)+B(g)=3C(g)+D(g),达到平衡时C的浓度为w mol·L-1。若维护容器体积和温度不变,按下列四种配比作为起始物质,达到平衡时,D的浓度也为[w3] mol·L-1的是( )
A.3 mol C+1 mol D
B.2 mol A+2 mol C
C.2 mol A+1 mol B+0.5 mol D
D.1 mol A+0.5 mol B+1.5 mol C+0.5 mol D
解析 本题建立的两个平衡是恒温恒容下的等效平衡,需要各物质的起始量相等。使用极限转化法,将把生成物全部换算成反应物或把反应物全部换算成生成物后,进行比较即可。
A项,3 mol C+1 mol D可完全转化为2 mol A+1 mol B,符合等效平衡条件;
B项,只加入一种反应物和一种生成物反应不能发生,故不成立;
C项,转化后相当于6 mol C和1.5 mol D,不符合等效平衡的条件;
D项,转化后相当于2 mol A+1 mol B或3 mol C+1 mol D,符合等效平衡条件。
答案 AD
(2)对于反应前后气体分子数不变的可逆反应
判断方法:极限转化法。
只要反应物(或生成物)的物质的量的比与原平衡相等,则两平衡等效。
特点:两次平衡时各组分百分含量相同,但物质的量和浓度同比例的变化,如H2(g)+I2(g)⇌2HI(g)。
例2 在一个固定容积的密闭容器里,充入2 mol A和1 mol B发生反应,2A(g) + B(g)⇌xC(g) , 达到平衡后,C的体积分数为w%,若维持容器的体积、温度不变,按0.6 mol A、0.3 mol B和1.4 mol C为起始物质,达到平衡后C的体积分数仍为w%,则x的值为( )
A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
解析 同学们在做本题时一般是把它定位为恒温恒容条件下的等效平衡,将起始时C的物质的量转换成A、B的物质的量,列式如下:
2A(g) + B(g) = [x]C
2 1 [x]
始态1 2 mol 1 mol 0
始态2 0.6 mol+[2.8x]mol 0.3 mol+[1.4x]mol 0
从而得以下方程:0.6mol+[2.8x]mol=2 mol
解得[x=2],故选B。
其实本题还有一个答案,那就是C,为什么呢?若[x]的值为3,则该反应即为反应前后气体分子数不变的可逆反应,在题目条件下同样可以达到等效平衡,很多同学都忽略了这个答案。
答案 BC
2. 恒温恒压条件下的等效平衡
判断方法:极限转化法。
若改变起始加入情况,只要通过可逆反应的化学计量数比换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量之比相等,则两平衡等效。
特点:两次平衡时各组分百分量、c相同,但n同比例变化。
例3 恒温恒压下,向容积可变的密闭容器中充入3 L A和2 L B,发生如下反应:3A(g)+2B(g)=[xC(g)]+[yD(g)] 达到平衡时C的体积分数为m%,若维持温度,压强不变,将0.6 L A、0.4 L B、4 L C、0.8 L D作为起始物质充入密闭容器内,则达到平衡时C的体积分数仍为m%,则[x=] ,[y=] 。
解析 两平衡中C的百分含量一样,说明在恒温恒压下建立的是等效平衡。第一次充入容器内的A、B体积比为3∶2,第二次充入容器的起始物中A、B体积比也为3∶2,另两种起始物C和D的体积比只有等于[x∶y],才能完全转化为A和B,并且满足A、B体积比为3∶2。所以得[x∶y]=4∶0.8=[5n∶n]([n]为自然数)
答案 [5n n]([n]为自然数)。
例4 在某温度下,在一容积可变的容器中,反应2A(g)+B(g)⇌2C(g)达平衡时,A、B和C的物质的量分别为4 mol、2 mol、4 mol。保持温度和压强不变,对平衡混合物中三者的物质的量作如下调整,可使平衡右移的是( )
A. 均减半 B. 均加倍
C. 均增加1 mol D. 均减少1 mol
解析 2A(g) + B(g) ⇌ 2C(g)
原平衡: 4 mol 2 mol 4 mol
各物质的物质的量之比为4∶2∶4=1∶0.5∶1,对于A、B选项,均减半或均加倍,各物质的物质的量之比不变,因此达到的平衡是等效平衡,原平衡不移动;对于C选项,相当于原平衡等效后又加入了0.5 mol的B物质,所以平衡向正向移动;对于D选项,相当于原平衡等效后又减少了0.5 mol B物质,所以平衡向逆向移动。
答案 C
等效平衡问题常用的解题步骤是:1. 分清条件,建立等效平衡;2. 利用勒夏特列原理进行模型转换到真实情景进行解答。
1.定义
对于同一可逆反应,当外界条件一定时,无论该反应是从正反应开始,还是从逆反应开始,或是从中间状态(既有反应物又有生成物的状态)开始,只要达到平衡时反应混合物中各组分的分数(质量分数、物质的量分数或体积分数)对应相等就可达到相同的平衡状态,称为等效平衡。
通俗且言简意赅的定义应该为“相同效果的等效平衡”。相同效果指的是达平衡时反应混合物中各组成成分的含量(质量分数、物质的量分数或体积分数)对应相等。例如:
2.标志
由以上定义我们可以看出,判断同一可逆反应达到的平衡状态是否为等效平衡的标志是:达到平衡后,反应混合物中各组分的含量(质量分数、物质的量分数或体积分数)是否对应相等。
理解是否为“等效平衡”的要点:
(1)达到平衡时反应混合物中各组成成分的含量决定于什么条件?——相同物质的起始浓度、压强、温度。
(2)等效平衡的条件是什么?——保持同一物质相同的起始浓度、压强和温度。
3.意义
等效平衡的定义反映了化学平衡状态的建立与化学平衡状态建立的途径无关。
二、等效平衡的类型
1. 恒温恒容条件下的等效平衡
在恒温恒容的情况下,对于同一可逆反应,不论各反应物的起始量是多少,也不管反应物是一次加入还是分几次加入,或是分一次取出还是分几次取出,只要各物质的起始量(质量、物质的量、浓度、体积等)按化学计量数换算成方程式左右两边同一边后对应相同,则两平衡为等效平衡。
(1)对于反应前后气体分子数发生变化的可逆反应
判断方法:极限转化法。
若改变起始加入情况,只要通过可逆反应的化学计量数比换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量与原平衡相等,则两平衡等效。
特点:两次平衡时各组分百分含量、物质的量、浓度均相同。
例1 在一个固定体积的密闭容器中,加入2 mol A和1 mol B发生以下反应:2A(g)+B(g)=3C(g)+D(g),达到平衡时C的浓度为w mol·L-1。若维护容器体积和温度不变,按下列四种配比作为起始物质,达到平衡时,D的浓度也为[w3] mol·L-1的是( )
A.3 mol C+1 mol D
B.2 mol A+2 mol C
C.2 mol A+1 mol B+0.5 mol D
D.1 mol A+0.5 mol B+1.5 mol C+0.5 mol D
解析 本题建立的两个平衡是恒温恒容下的等效平衡,需要各物质的起始量相等。使用极限转化法,将把生成物全部换算成反应物或把反应物全部换算成生成物后,进行比较即可。
A项,3 mol C+1 mol D可完全转化为2 mol A+1 mol B,符合等效平衡条件;
B项,只加入一种反应物和一种生成物反应不能发生,故不成立;
C项,转化后相当于6 mol C和1.5 mol D,不符合等效平衡的条件;
D项,转化后相当于2 mol A+1 mol B或3 mol C+1 mol D,符合等效平衡条件。
答案 AD
(2)对于反应前后气体分子数不变的可逆反应
判断方法:极限转化法。
只要反应物(或生成物)的物质的量的比与原平衡相等,则两平衡等效。
特点:两次平衡时各组分百分含量相同,但物质的量和浓度同比例的变化,如H2(g)+I2(g)⇌2HI(g)。
例2 在一个固定容积的密闭容器里,充入2 mol A和1 mol B发生反应,2A(g) + B(g)⇌xC(g) , 达到平衡后,C的体积分数为w%,若维持容器的体积、温度不变,按0.6 mol A、0.3 mol B和1.4 mol C为起始物质,达到平衡后C的体积分数仍为w%,则x的值为( )
A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
解析 同学们在做本题时一般是把它定位为恒温恒容条件下的等效平衡,将起始时C的物质的量转换成A、B的物质的量,列式如下:
2A(g) + B(g) = [x]C
2 1 [x]
始态1 2 mol 1 mol 0
始态2 0.6 mol+[2.8x]mol 0.3 mol+[1.4x]mol 0
从而得以下方程:0.6mol+[2.8x]mol=2 mol
解得[x=2],故选B。
其实本题还有一个答案,那就是C,为什么呢?若[x]的值为3,则该反应即为反应前后气体分子数不变的可逆反应,在题目条件下同样可以达到等效平衡,很多同学都忽略了这个答案。
答案 BC
2. 恒温恒压条件下的等效平衡
判断方法:极限转化法。
若改变起始加入情况,只要通过可逆反应的化学计量数比换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量之比相等,则两平衡等效。
特点:两次平衡时各组分百分量、c相同,但n同比例变化。
例3 恒温恒压下,向容积可变的密闭容器中充入3 L A和2 L B,发生如下反应:3A(g)+2B(g)=[xC(g)]+[yD(g)] 达到平衡时C的体积分数为m%,若维持温度,压强不变,将0.6 L A、0.4 L B、4 L C、0.8 L D作为起始物质充入密闭容器内,则达到平衡时C的体积分数仍为m%,则[x=] ,[y=] 。
解析 两平衡中C的百分含量一样,说明在恒温恒压下建立的是等效平衡。第一次充入容器内的A、B体积比为3∶2,第二次充入容器的起始物中A、B体积比也为3∶2,另两种起始物C和D的体积比只有等于[x∶y],才能完全转化为A和B,并且满足A、B体积比为3∶2。所以得[x∶y]=4∶0.8=[5n∶n]([n]为自然数)
答案 [5n n]([n]为自然数)。
例4 在某温度下,在一容积可变的容器中,反应2A(g)+B(g)⇌2C(g)达平衡时,A、B和C的物质的量分别为4 mol、2 mol、4 mol。保持温度和压强不变,对平衡混合物中三者的物质的量作如下调整,可使平衡右移的是( )
A. 均减半 B. 均加倍
C. 均增加1 mol D. 均减少1 mol
解析 2A(g) + B(g) ⇌ 2C(g)
原平衡: 4 mol 2 mol 4 mol
各物质的物质的量之比为4∶2∶4=1∶0.5∶1,对于A、B选项,均减半或均加倍,各物质的物质的量之比不变,因此达到的平衡是等效平衡,原平衡不移动;对于C选项,相当于原平衡等效后又加入了0.5 mol的B物质,所以平衡向正向移动;对于D选项,相当于原平衡等效后又减少了0.5 mol B物质,所以平衡向逆向移动。
答案 C
等效平衡问题常用的解题步骤是:1. 分清条件,建立等效平衡;2. 利用勒夏特列原理进行模型转换到真实情景进行解答。