“一邊倒”法判斷等效平衡

孟凡盛 黃芷馨

等效平衡：對(duì)于同一可逆反應(yīng)，在一定條件（恒溫恒容或恒溫恒壓）下，以不同投料方式（從正反應(yīng)、逆反應(yīng)或中間狀態(tài)開始）進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)相同組分在各混合物中的百分?jǐn)?shù)（體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)）相等。

化學(xué)平衡狀態(tài)與建立平衡的條件密切相關(guān)，而與建立平衡的途徑無(wú)關(guān)。

“一邊倒”換算法：通過(guò)已配平的化學(xué)方程式各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，把起始狀態(tài)下右邊物質(zhì)的量全部換算為左邊物質(zhì)的量，或把起始狀態(tài)下左邊物質(zhì)的量全部換算為右邊物質(zhì)的量。

本文給同學(xué)們總結(jié)等效平衡的類型及其特征，提煉判斷依據(jù)。

1.恒溫恒容“全等等效平衡”

判斷依據(jù)：有氣相物質(zhì)參加的反應(yīng)，若不同的起始投入量經(jīng)“一邊倒”法全部換算為反應(yīng)物或生成物后，量是相同的，則所形成的平衡狀態(tài)是完全相同的。

平衡特征：平衡后的混合氣體中同一氣體的質(zhì)量、體積、物質(zhì)的量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量濃度、壓強(qiáng)、反應(yīng)速率等與反應(yīng)途徑無(wú)關(guān)的物理量都完全相同；反應(yīng)放出或吸收的熱量、達(dá)到平衡所需時(shí)間等與反應(yīng)途徑有關(guān)的物理量可以不同。

例1 恒溫時(shí)，反應(yīng)2SO2（g）+ O2（g）2SO3（g）（ΔH<0）分別在甲、乙、丙、丁、戊五個(gè)體積相同的恒容密閉容器中進(jìn)行，已知反應(yīng)的起始狀態(tài)如下表，回答下列問(wèn)題：

（1）填寫上表中的空白，據(jù)此可判斷 （填編號(hào)）一定互為等效平衡。

（2）若x+z =4，y+z/2=2，則丙與 （填編號(hào)）互為等效平衡；達(dá)到平衡時(shí)，這兩個(gè)容器中SO2的 （盡可能多填物理量）相同。

（3）達(dá)到平衡時(shí)，甲中SO2的轉(zhuǎn)化率與丁中SO3的轉(zhuǎn)化率的關(guān)系是____________。

解析：（1）乙、丁經(jīng)“左邊倒”換算后，SO2和O2的物質(zhì)的量都分別為2 mol和1 mol，故甲、乙、丁互為等效平衡。（2） 丙經(jīng)“左邊倒”換算后，SO2和O2的物質(zhì)的量分別為x+z mol和y+z/2 mol，戊經(jīng)“左邊倒”換算后，SO2和O2的物質(zhì)的量分別為4 mol和2 mol，若x+z =4，y+z/2=2，則丙與戊互為等效平衡。根據(jù)恒溫恒容“全等等效平衡”的特征知，丙、戊達(dá)到平衡后，SO2的質(zhì)量、體積、物質(zhì)的量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量濃度、壓強(qiáng)、反應(yīng)速率等物理量相同。（3） 轉(zhuǎn)化率是針對(duì)反應(yīng)物而言的，甲中反應(yīng)向右進(jìn)行，反應(yīng)物是SO2和O2，SO2和O2有轉(zhuǎn)化率；乙中反應(yīng)向左進(jìn)行，反應(yīng)物是SO3，SO2和O2沒(méi)有轉(zhuǎn)化率，只能計(jì)算SO3的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)甲、丁達(dá)到平衡時(shí)，甲中SO2的轉(zhuǎn)化率與丁中SO3的轉(zhuǎn)化率之和為1。

答案：（1）

（2）戊 質(zhì)量、體積、物質(zhì)的量、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量濃度、壓強(qiáng)、反應(yīng)速率

（3） 甲中SO2的轉(zhuǎn)化率與丁中SO3的轉(zhuǎn)化率之和為1

2.恒溫恒容“等比等效平衡”

判斷依據(jù)：反應(yīng)的△n=0（左右氣相物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)相同），若不同的起始投入量經(jīng)“一邊倒”全部換算為反應(yīng)物或生成物后，投料量的比例相同，即可形成等效平衡。

平衡特征：平衡混合氣體中同一氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)等完全相同；平衡混合氣體中同一氣體的質(zhì)量、體積、物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度不相同但成比例；容器內(nèi)混合氣體的密度、壓強(qiáng)、反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間等不相同但成比例。

例2 恒溫恒容時(shí)，反應(yīng)H2（g）+I2（g）2HI（g）（ΔH=-a kJ/mol）分別在甲、乙、丙、丁、戊等五個(gè)體積相等的密閉容器中開始反應(yīng)，已知反應(yīng)的起始狀態(tài)如下表，回答下列問(wèn)題：

（1）填寫上表中的空白，據(jù)此可判斷（填編號(hào)）一定互為等效平衡，達(dá)到平衡時(shí)HI的相同，（填編號(hào)）中c（H2）是（填編號(hào)）中c（H2）的2倍。

（2）若甲與丙互為等效平衡，則x、y、z滿足的關(guān)系是 ；若丙與戊互為等效平衡，則x、y、z滿足的關(guān)系是。

（3）甲達(dá)到平衡時(shí)放出的熱量______ a kJ （填“>”、“<”或“=”）。

解析：（1）經(jīng)“一邊倒”法換算后，甲、乙、丁三個(gè)容器中H2和 I2的物質(zhì)的量之比都為1∶1，三者互為恒溫恒容“等比等效平衡”，達(dá)到平衡時(shí)HI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)或物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相同。經(jīng)“一邊倒”法換算后，乙中H2和 I2的物質(zhì)的量是甲中的2倍，所以達(dá)到平衡時(shí)乙中H2（或I2、HI）的物質(zhì)的量、質(zhì)量、物質(zhì)的量濃度均為甲中H2（或I2、HI）的2倍。（2）由于z molHI分解生成的H2和 I2的物質(zhì)的量之比總為1∶1，所以只要滿足x∶y=1∶1，z≥0，甲與丙就互為等效平衡。經(jīng)“一邊倒”法換算后，丙、戊兩個(gè)容器中H2和 I2的物質(zhì)的量之比相等，即（x+z/2）∶（y+z/2）=2∶3時(shí)，二者互為等效平衡。（3）由于是可逆反應(yīng)，甲中實(shí)際參加反應(yīng)的H2和 I2都小于1 mol，所以放出的熱量小于a kJ。雖然達(dá)到平衡時(shí)，甲、乙的狀態(tài)相同，但從起始到建立平衡的過(guò)程中，實(shí)際參加反應(yīng)的H2和 I2的物質(zhì)的量卻不同，故熱效應(yīng)不同。

3.恒溫恒壓“等比等效平衡”

判斷依據(jù)：對(duì)于任何有氣體參加（不管△n≠0還是△n=0）的可逆反應(yīng)，若不同的起始投入量經(jīng)“一邊倒”法全部換算為反應(yīng)物或生成物后，投料量的比例相同，即可形成等效平衡。

平衡特征：平衡混合氣體中同一氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量濃度都完全相同，混合氣體的密度也相同；同一氣體的質(zhì)量、體積、物質(zhì)的量、總體積等不相同但成比例。

例3 恒溫恒壓時(shí)，反應(yīng)N2（g）+3H2（g）2NH3（g） （ΔH<0）分別在甲、乙、丙、丁、戊等五個(gè)活塞密閉容器中開始反應(yīng)，已知反應(yīng)的起始狀態(tài)如下表，回答下列問(wèn)題：

（1）填寫上表中的空白，據(jù)此可判斷 （填編號(hào)）一定互為等效平衡，達(dá)到平衡時(shí)NH3的相同， （填編號(hào)）中n（H2）是 （填編號(hào)）中n（H2）的2倍。

（2）若丁與戊互為等效平衡，則x、y、z、a滿足的關(guān)系是。

（3）平衡時(shí)，五個(gè)容器中c2（NH3）/[c（N2）· c 3（H2）]是否相等。

解析：（1） “一邊倒”法換算后，甲、乙、丁三個(gè)容器中N2和H2的物質(zhì)的量之比都為1∶4，三者互為恒溫恒壓“等比等效平衡”，達(dá)到平衡時(shí)NH3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)或物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相同。甲、乙兩個(gè)容器可以建立如下模型來(lái)加深理解：

乙容器的體積是甲容器體積的2倍，乙中H2的質(zhì)量和物質(zhì)的量分別是甲中H2質(zhì)量和物質(zhì)的量的2倍。

（2）由于戊中1.2∶3.6 = 1∶3，而z molNH3或a molNH3分解生成的N2與H2的物質(zhì)的量之比總為1∶3，所以只要滿足x∶y=1∶1，z≥0，a≥0，丁、戊則互為恒溫恒壓等比等效平衡。

（3） 無(wú)論是否形成等效平衡，只要溫度相同，同一反應(yīng)的平衡常數(shù)就相同。c2（NH3）/[c（N2）· c 3（H2）]是恒溫時(shí)N2（g）+3H2（g）2NH3（g）的平衡常數(shù)表達(dá)式，故相等。

答案：（1）

2 8

3 12

x+z/2 y+3z/2

1.2+a/2 3.6+3a/2

甲、乙、丙體積分?jǐn)?shù)（或質(zhì)量分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）乙 甲

（2）x∶y=1∶1，z≥0，a≥0

（3）相等