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      對(duì)“等效平衡”問(wèn)題及其思維方法的重新審視

      2014-10-17 00:59莫明遠(yuǎn)
      化學(xué)教學(xué) 2014年7期
      關(guān)鍵詞:化學(xué)平衡

      摘要:對(duì)等效平衡問(wèn)題的本質(zhì)、題型和思維方法作了全面的闡述,同時(shí)列舉典型的試題,通過(guò)圖形等模型方法,變抽象為直觀,這對(duì)于理解和解決化學(xué)平衡中諸如反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率、平衡各組分的百分含量和平衡移動(dòng)的方向、限度等問(wèn)題起到極為有益的作用。

      關(guān)鍵詞:等效平衡;化學(xué)平衡;恒溫恒容反應(yīng);恒溫恒壓反應(yīng)

      文章編號(hào):1005–6629(2014)7–0088–03 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

      化學(xué)平衡是中學(xué)化學(xué)一個(gè)極其重要的概念,也始終是高考命題的重點(diǎn)。尤其是涉及到一些關(guān)于化學(xué)平衡的計(jì)算問(wèn)題,學(xué)生普遍感到難度較大無(wú)從下手,但若能掌握“等效平衡”的思維方法,許多問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。其實(shí),等效平衡問(wèn)題是有其解題規(guī)律可循的。多年來(lái),也不斷有相關(guān)的研究性文章,但是大多數(shù)文章僅從解題策略或者解題技巧的層面進(jìn)行闡述,也有部分文章單純從等效平衡的試題類型上作出歸納,顯然不能幫助讀者全方位解讀等效平衡問(wèn)題。本文試圖以等效平衡的概念為抓手,以思維方法為切入點(diǎn),不僅帶動(dòng)各類題型的界定、深入解析和全面突破,尤其對(duì)一些思維容量大的典型性問(wèn)題,通過(guò)圖形、動(dòng)畫模擬等模型方法,變抽象為直觀,力求做到全面、深刻和新穎。希望本文能對(duì)讀者理解此類問(wèn)題有所啟迪。

      1 等效平衡的概念

      一定條件(恒溫恒容或恒溫恒壓)下,對(duì)于同一可逆反應(yīng),若以不同的起始投料方式進(jìn)行反應(yīng),達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),相同組分在平衡混合物中的百分?jǐn)?shù)(體積、物質(zhì)的量、質(zhì)量等)相等,則稱兩種平衡為等效平衡。關(guān)于等效平衡還應(yīng)從下列兩個(gè)層面上理解:首先,必須明確的是指同一組分在平衡混合物中的百分?jǐn)?shù)相等,而不一定是指物質(zhì)的量濃度;其次,若各物質(zhì)的濃度或物質(zhì)的量與原平衡完全一樣,則為相同的平衡即等同平衡。

      2 等效平衡的類型和解題的思維方法

      對(duì)于反應(yīng)xA(g)+yB(g) pC(g)+qD(g)等效平衡的類型總體可分為以下兩大類:

      2.1 恒溫、恒容條件下的等效平衡

      (1)當(dāng)x+y≠p+q時(shí),只要能通過(guò)可逆反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)把不同的投料方式換算成同一種投料方式,則它們互為等效平衡。如恒溫、恒容的合成氨反應(yīng)中,有下列三種投料方式:①1 mol N2,3 mol H2;②2 mol NH3;③0.5 mol N2,1.5 mol H2,1 mol NH3。顯然,若將②和③中的NH3全部換算成N2和H2即與①成同一種投料方式,故必定建立等效平衡(其實(shí)是等同平衡)。

      (2)當(dāng)x+y=p+q時(shí),只要投料換算后與原來(lái)的n(A):n(B)相同,則它們互為等效平衡,且平衡產(chǎn)物的量與原平衡產(chǎn)物的量對(duì)應(yīng)成正比例關(guān)系,起始投料量也對(duì)應(yīng)成正比關(guān)系。如恒溫、恒容下的反應(yīng)CO(g)+ H2O(g)

      CO2(g)+H2(g)有下列兩種投料方式:①2 mol CO,2 mol H2O;

      ②4 mol CO,4 mol H2O,2 mol CO2,2 mol H2。

      若按方式①投料后平衡時(shí)CO2的物質(zhì)的量為a mol,則按投料方式②平衡后CO2的物質(zhì)的量為多少呢?同樣,若將2 mol CO2和2 mol H2全部換算成反應(yīng)物,相當(dāng)于起始時(shí)投6 mol CO,6 mol H2O,若假設(shè)①2 mol CO,2 mol H2O在1L的容器中建立平衡,6mol CO,6 mol H2O在3L的容器中建立平衡,二者互為等效平衡,后者平衡時(shí)CO2的物質(zhì)的量為3a mol,然后將后者從3L壓回到1L,平衡不移動(dòng),CO2的物質(zhì)的量仍為3a mol。

      2.2 恒溫恒壓條件下的等效平衡

      恒溫、恒壓,只要起始投料物質(zhì)的量換算后比例相同,也存在平衡時(shí)產(chǎn)物的量對(duì)應(yīng)成正比例關(guān)系。如對(duì)于恒溫恒壓下的合成氨反應(yīng),有下列三種起始投料方式:①1 mol N2,4 mol H2;②1.5 mol N2,6 mol H2;③0.5 mol H2,1 mol NH3。若①達(dá)平衡后氨的物質(zhì)的量為b mol,則②和③達(dá)到平衡后氨物質(zhì)的量分別為多少呢?由于是在恒溫、恒壓條件下,②和③的投料分別為①的1.5倍和0.5倍,②相當(dāng)于在①達(dá)到平衡的基礎(chǔ)上再“復(fù)制”0.5個(gè)平衡體系,而③相當(dāng)于在①達(dá)到平衡的基礎(chǔ)上再“切掉”0.5個(gè)平衡體系,故則②和③達(dá)到平衡后氨物質(zhì)的量分別為1.5b mol和0.5b mol。值得注意的是,該類反應(yīng)一般要求所有物質(zhì)均為氣體。

      2.3 思維方法提升——“等價(jià)轉(zhuǎn)換法”

      A.當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡后,若升高溫度,容器內(nèi)壓強(qiáng)不變。

      B.當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡后,若降低溫度,混合氣體的顏色加深,則A、B中至少有一種為有色氣體。

      C.在一定溫度下,當(dāng)容器中氣體壓強(qiáng)不變時(shí),說(shuō)明反應(yīng)已達(dá)平衡。

      D.若向容器內(nèi)注入少量C,壓強(qiáng)增大但平衡不移動(dòng),A的轉(zhuǎn)化率也不變。

      解析:A選項(xiàng)中,升高溫度平衡右移,雖然氣體的總物質(zhì)的量不變,但是,由于溫度升高,混合氣體壓強(qiáng)必然增大,所以,這種影響不是單一的而是綜合的。B選項(xiàng)中,降低溫度后平衡左移,混合氣體的顏色加深,A、B中至少有一種為有色氣體無(wú)疑是正確的。一定溫度下,像上述等體積的可逆反應(yīng),無(wú)論有沒(méi)有達(dá)到平衡,混合氣體壓強(qiáng)始終不變,C選項(xiàng)錯(cuò)誤。D選項(xiàng)的迷惑性很強(qiáng)!由于起始時(shí)反應(yīng)物投料比不一定是1:1,故在上述平衡體系中注入少量C時(shí),平衡可能移動(dòng),A的轉(zhuǎn)化率也可能發(fā)生變化。所以,這種影響也不是單一,而是綜合的。

      恒溫、恒容時(shí),有關(guān)轉(zhuǎn)化率變化的規(guī)律Ⅰ:

      可逆反應(yīng)aA(g)+bB(g) cC(g),起始按反應(yīng)物的系數(shù)比a:b投料(或單獨(dú)充入C)并達(dá)到平衡后,再充入少量C(g)時(shí):

      (1)當(dāng)a+b>c時(shí),平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),A、B的轉(zhuǎn)化率增大。

      (2)當(dāng)a+b

      (3)當(dāng)a+b=c時(shí),平衡不移動(dòng),A、B的轉(zhuǎn)化率不變。

      3.2 先同后變的原則

      在溫度恒定的條件下,涉及體積與壓強(qiáng)以及平衡移動(dòng)有關(guān)判斷的問(wèn)題,在進(jìn)行判斷時(shí),可首先設(shè)計(jì)一些等效平衡的中間狀態(tài)作為參照標(biāo)準(zhǔn),即“先同”,然后再根據(jù)題設(shè)條件觀察變化后的趨勢(shì),即“后變”,來(lái)進(jìn)行求解。這樣能降低思維難度,具有變難為易、化抽象為直觀的作用。

      請(qǐng)?zhí)顚懸韵驴瞻祝海?)若x=4.5,則右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)向 (填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向進(jìn)行。欲使起始反應(yīng)維持向該方向進(jìn)行,則x的最大取值應(yīng)小于 。(2)若x分別為4.5和5.0,則在這兩種情況下,當(dāng)反應(yīng)達(dá)平衡時(shí),A的物質(zhì)的量是否相等?(填“相等”、“不相等”或“不能確定”)。其理由是:。

      解析:(1)x=4.5,右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)氣體總物質(zhì)的量為4.5+6.5+2.0=13.0 mol,左側(cè)的反應(yīng)是等體積反應(yīng),氣體總物質(zhì)的量恒為12.0 mol,要使隔板恰好處于反應(yīng)器的正中位置,則右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)應(yīng)向氣體體積減小的正反應(yīng)方向移動(dòng)。假設(shè)平衡向右移動(dòng)的極限是將E全部消耗掉,達(dá)到平衡后混合氣體為:(6.5-0.5x)+2.0+x=12.0,解得x=7,而根據(jù)不為零原則,E不可能全部消耗掉,故x<7。(2)若x分別為4.5和5.0,為使平衡時(shí)氣體總物質(zhì)的量達(dá)到12.0 mol,則右側(cè)反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)的程度是不一樣的,即反應(yīng)的溫度不同,故左側(cè)的反應(yīng)在不同溫度下進(jìn)行,平衡移動(dòng)的程度也不同,故A的物質(zhì)的量不相等。

      總之,等效平衡問(wèn)題是高中化學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。在教學(xué)過(guò)程中,教師應(yīng)分類歸納,同時(shí)列舉典型的試題深入分析,通過(guò)圖形、動(dòng)畫模擬等模型方法,變抽象為直觀,幫助學(xué)生充分理解等效平衡問(wèn)題的本質(zhì)、題型和思維方法,這對(duì)于幫助學(xué)生建立并運(yùn)用“等效平衡模型”作中間體,理解和解決化學(xué)平衡中諸如反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率、平衡各組分的百分含量和平衡移動(dòng)的方向及限度等問(wèn)題將起到極為有益的作用。

      參考文獻(xiàn):

      [1]徐敏,莫明遠(yuǎn).優(yōu)化烴的衍生物教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2002,(12):11~14.

      [2]莫明遠(yuǎn),王祖浩.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景啟發(fā)自主探究提升科學(xué)素養(yǎng)[J].化學(xué)教育,2010,(7):16~29.

      [3]莫明遠(yuǎn).知識(shí)問(wèn)題化問(wèn)題情景化[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2012,(1-2):62~64.

      [4]莫明遠(yuǎn).用探究性的問(wèn)題點(diǎn)燃學(xué)生思維的火花[J].教學(xué)月刊,2013,(9):16~18.

      (3)當(dāng)a+b=c時(shí),平衡不移動(dòng),A、B的轉(zhuǎn)化率不變。

      3.2 先同后變的原則

      在溫度恒定的條件下,涉及體積與壓強(qiáng)以及平衡移動(dòng)有關(guān)判斷的問(wèn)題,在進(jìn)行判斷時(shí),可首先設(shè)計(jì)一些等效平衡的中間狀態(tài)作為參照標(biāo)準(zhǔn),即“先同”,然后再根據(jù)題設(shè)條件觀察變化后的趨勢(shì),即“后變”,來(lái)進(jìn)行求解。這樣能降低思維難度,具有變難為易、化抽象為直觀的作用。

      請(qǐng)?zhí)顚懸韵驴瞻祝海?)若x=4.5,則右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)向 (填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向進(jìn)行。欲使起始反應(yīng)維持向該方向進(jìn)行,則x的最大取值應(yīng)小于 。(2)若x分別為4.5和5.0,則在這兩種情況下,當(dāng)反應(yīng)達(dá)平衡時(shí),A的物質(zhì)的量是否相等?(填“相等”、“不相等”或“不能確定”)。其理由是:。

      解析:(1)x=4.5,右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)氣體總物質(zhì)的量為4.5+6.5+2.0=13.0 mol,左側(cè)的反應(yīng)是等體積反應(yīng),氣體總物質(zhì)的量恒為12.0 mol,要使隔板恰好處于反應(yīng)器的正中位置,則右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)應(yīng)向氣體體積減小的正反應(yīng)方向移動(dòng)。假設(shè)平衡向右移動(dòng)的極限是將E全部消耗掉,達(dá)到平衡后混合氣體為:(6.5-0.5x)+2.0+x=12.0,解得x=7,而根據(jù)不為零原則,E不可能全部消耗掉,故x<7。(2)若x分別為4.5和5.0,為使平衡時(shí)氣體總物質(zhì)的量達(dá)到12.0 mol,則右側(cè)反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)的程度是不一樣的,即反應(yīng)的溫度不同,故左側(cè)的反應(yīng)在不同溫度下進(jìn)行,平衡移動(dòng)的程度也不同,故A的物質(zhì)的量不相等。

      總之,等效平衡問(wèn)題是高中化學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。在教學(xué)過(guò)程中,教師應(yīng)分類歸納,同時(shí)列舉典型的試題深入分析,通過(guò)圖形、動(dòng)畫模擬等模型方法,變抽象為直觀,幫助學(xué)生充分理解等效平衡問(wèn)題的本質(zhì)、題型和思維方法,這對(duì)于幫助學(xué)生建立并運(yùn)用“等效平衡模型”作中間體,理解和解決化學(xué)平衡中諸如反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率、平衡各組分的百分含量和平衡移動(dòng)的方向及限度等問(wèn)題將起到極為有益的作用。

      參考文獻(xiàn):

      [1]徐敏,莫明遠(yuǎn).優(yōu)化烴的衍生物教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2002,(12):11~14.

      [2]莫明遠(yuǎn),王祖浩.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景啟發(fā)自主探究提升科學(xué)素養(yǎng)[J].化學(xué)教育,2010,(7):16~29.

      [3]莫明遠(yuǎn).知識(shí)問(wèn)題化問(wèn)題情景化[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2012,(1-2):62~64.

      [4]莫明遠(yuǎn).用探究性的問(wèn)題點(diǎn)燃學(xué)生思維的火花[J].教學(xué)月刊,2013,(9):16~18.

      (3)當(dāng)a+b=c時(shí),平衡不移動(dòng),A、B的轉(zhuǎn)化率不變。

      3.2 先同后變的原則

      在溫度恒定的條件下,涉及體積與壓強(qiáng)以及平衡移動(dòng)有關(guān)判斷的問(wèn)題,在進(jìn)行判斷時(shí),可首先設(shè)計(jì)一些等效平衡的中間狀態(tài)作為參照標(biāo)準(zhǔn),即“先同”,然后再根據(jù)題設(shè)條件觀察變化后的趨勢(shì),即“后變”,來(lái)進(jìn)行求解。這樣能降低思維難度,具有變難為易、化抽象為直觀的作用。

      請(qǐng)?zhí)顚懸韵驴瞻祝海?)若x=4.5,則右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)向 (填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向進(jìn)行。欲使起始反應(yīng)維持向該方向進(jìn)行,則x的最大取值應(yīng)小于 。(2)若x分別為4.5和5.0,則在這兩種情況下,當(dāng)反應(yīng)達(dá)平衡時(shí),A的物質(zhì)的量是否相等?(填“相等”、“不相等”或“不能確定”)。其理由是:。

      解析:(1)x=4.5,右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)氣體總物質(zhì)的量為4.5+6.5+2.0=13.0 mol,左側(cè)的反應(yīng)是等體積反應(yīng),氣體總物質(zhì)的量恒為12.0 mol,要使隔板恰好處于反應(yīng)器的正中位置,則右側(cè)反應(yīng)在起始時(shí)應(yīng)向氣體體積減小的正反應(yīng)方向移動(dòng)。假設(shè)平衡向右移動(dòng)的極限是將E全部消耗掉,達(dá)到平衡后混合氣體為:(6.5-0.5x)+2.0+x=12.0,解得x=7,而根據(jù)不為零原則,E不可能全部消耗掉,故x<7。(2)若x分別為4.5和5.0,為使平衡時(shí)氣體總物質(zhì)的量達(dá)到12.0 mol,則右側(cè)反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)的程度是不一樣的,即反應(yīng)的溫度不同,故左側(cè)的反應(yīng)在不同溫度下進(jìn)行,平衡移動(dòng)的程度也不同,故A的物質(zhì)的量不相等。

      總之,等效平衡問(wèn)題是高中化學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。在教學(xué)過(guò)程中,教師應(yīng)分類歸納,同時(shí)列舉典型的試題深入分析,通過(guò)圖形、動(dòng)畫模擬等模型方法,變抽象為直觀,幫助學(xué)生充分理解等效平衡問(wèn)題的本質(zhì)、題型和思維方法,這對(duì)于幫助學(xué)生建立并運(yùn)用“等效平衡模型”作中間體,理解和解決化學(xué)平衡中諸如反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率、平衡各組分的百分含量和平衡移動(dòng)的方向及限度等問(wèn)題將起到極為有益的作用。

      參考文獻(xiàn):

      [1]徐敏,莫明遠(yuǎn).優(yōu)化烴的衍生物教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2002,(12):11~14.

      [2]莫明遠(yuǎn),王祖浩.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景啟發(fā)自主探究提升科學(xué)素養(yǎng)[J].化學(xué)教育,2010,(7):16~29.

      [3]莫明遠(yuǎn).知識(shí)問(wèn)題化問(wèn)題情景化[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2012,(1-2):62~64.

      [4]莫明遠(yuǎn).用探究性的問(wèn)題點(diǎn)燃學(xué)生思維的火花[J].教學(xué)月刊,2013,(9):16~18.

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