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【转载】中学化学专题讨论之一  

2014-01-23 11:06:14|  分类: 化学辅导 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自jshlshzhzh《中学化学专题讨论之一》

              谈谈等效平衡

一,什么叫等效平衡

“等效平衡”这个名称是中学教师杜撰的,产生这个名称的来源是中学化学教材中的以下内容:

    人教版高级中学课本 化学(选修)第三册(91.10版)p8:“在500 ℃,压强为1.01×10 5帕时,如果把2体积的SO2和1体积的O2的混合物,通入一个装有催化剂的密闭容器里,结果能得到含有91%(体积组成)SO3的混合气体。”  p9:“如果不是从SO2和O2的混合物开始反应,而是使纯净的SO3在同样的温度(500℃)压强( 1.01×10 5帕)和催化剂存在的条件下起反应, SO3分解为SO2和O2,当达到平衡状态时,混合气体里仍然含有91%(体积组成)的SO3”。

人教版高级中学课本 化学 (试验修订本 ?  必修加选修)第二册(2000.12版)p37:“将0.01molCO和0.01molH2O(g)通入容积为1L的密闭容器里,在催化剂存在的条件下加热到800℃,结果生成了0.005molCO2和0.005molH2,而反应物CO和H2O各剩余0.005mol。”p38:“试验证明,如果不是从CO和H2O (g)开始反应,而是各取0.01mol CO2和0.01molH2,以相同的条件进行反应,生成CO和H2O(g),当达到平衡状态时,反应混合物里CO、H2O (g)、 CO2、H2各为0.005mol,其组成与前者完全相同。”

在大学的基础化学的化学平衡内容中,也有类似的叙述。以上内容所表达的意思,通常抽象为:可逆反应的平衡态,可以从正反应开始建立,也可以从逆反应开始建立;只要条件一定,无论从正反应开始建立,还是从逆反应开始建立,达到的平衡状态完全相同。

     进一步还可以抽象为:一定条件下,可逆反应的平衡态与建立平衡的途径无关。

     由此可见,“等效平衡”的含义,应该是指两个完全相同的平衡状态。

让我们先来分析一下,什么叫做“两个完全相同的平衡状态”?

先看:人教版高级中学课本 化学 (试验修订本 ?  必修加选修)第二册(2000.12版)p37:“将0.01molCO和0.01molH2O(g)通入容积为1L的密闭容器里,在催化剂存在的条件下加热到800℃,结果生成了0.005molCO2和0.005molH2,而反应物CO和H2O各剩余0.005mol。”p38:“试验证明,如果不是从CO和H2O (g)开始反应,而是各取0.01mol CO2和0.01molH2,以相同的条件进行反应,生成CO和H2O(g),当达到平衡状态时,反应混合物里CO、H2O (g)、 CO2、H2各为0.005mol,其组成与前者完全相同。”

在此例中:相同条件是:温度800℃,容积1L。

平衡状态是:反应混合物里CO、H2O (g)、 CO2、H2各为0.005mol。

让我们再进一步分析一下: 两个不同的起始条件,达到的两个平衡态,对应物质  物质的量:相同;物质的量浓度:相同;体积分数(即物质的量分数):相同;质量:相同;质量分数:相同;两个平衡体系的:总质量:相同;总体积:相同;密度:相同;总压强:  相同。

再看:人教版高级中学课本 化学(选修)第三册(91.10版)p8:“在500 ℃,压强为1.01×10 5帕时,如果把2体积的SO2和1体积的O2的混合物,通入一个装有催化剂的密闭容器里,结果能得到含有91%(体积组成)SO3的混合气体。”  p9:“如果不是从SO2和O2的混合物开始反应,而是使纯净的SO3在同样的温度(500℃)压强( 1.01×10 5帕)和催化剂存在的条件下起反应, SO3分解为SO2和O2,当达到平衡状态时,混合气体里仍然含有91%(体积组成)的SO3”。

在此例中:相同条件是:温度为500 ℃,压强为1.01×10 5帕。

起始条件1是:“ 2体积的SO2和1体积的O2”  注意!不是2mol和1mol!可以是2L和1L,也可以是2立方米和1立方米,当然,物质的量之比一定是 2︰1 。

起始条件2是:“纯净的SO3”    没有说是2体积,也就是说,可以是任意体积的纯SO3 。

平衡态是:“含有91%(体积组成)的SO3”

我们也来分析一下两个不同起始条件,达到的两个平衡态:

三氧化硫的体积分数:相同(都是91%);二氧化硫、氧气的体积分数:相同(因为二氧化硫 ︰氧气= 2︰1 ,所以,肯定是6%、3%。);各自的质量分数:相同;   体系的总质量:可以不同;总体积:可以不同;总物质的量:可以不同;密度:相同(三种相同比例气体的混合物);对应气体的  质量:可以不同;物质的量:可以不同;物质的量浓度:  相同;体积:可以不同。

比较以上两例的分析,我们可以对“完全相同的平衡状态”形成如下认识:总量  如总质量;总体积;总物质的量;每种组分的质量、体积、物质的量等,可以相同,也可以不同。  与总量无关的量  如混合气的密度;每种组分的质量分数、体积分数、物质的量浓度等,必须相同。

    换一种说法,就是:将两个平衡体系中的平衡混合物进行等体积的交换,不会引起两平衡体系的任何变化。

让我们继续讨论:以上所述就是“等效平衡”吗?不是!“等效”显然是指“相等的效果”,这个“效果”就是上述“完全相同的平衡状态”,而“相等的效果”所含的意思是“不同的······,能够达到相同的效果。”据上所述,当然应该是“不同的反应起始物”。那么,接下来的问题是:具备什么样的条件时,不同的反应起始物,能够达到完全相同的平衡状态呢?这才是这个知识点的重点!

二、等效的条件

我们仍然从前面的叙述中寻找答案。还是先看:

人教版高级中学课本 化学 (试验修订本 ?  必修加选修)第二册(2000.12版)p37:“将0.01molCO和0.01molH2O(g)通入容积为1L的密闭容器里,在催化剂存在的条件下加热到800℃,结果生成了0.005molCO2和0.005molH2,而反应物CO和H2O各剩余0.005mol。”p38:“试验证明,如果不是从CO和H2O (g)开始反应,而是各取0.01mol CO2和0.01molH2,以相同的条件进行反应,生成CO和H2O(g),当达到平衡状态时,反应混合物里CO、H2O (g)、 CO2、H2各为0.005mol,其组成与前者完全相同。”

反应条件是:一定的温度,一定的体积。(简称为 同温同容)                              

 起始态1:0.01mol CO + 0.01mol H2O(g)       

起始态2:0.01mol CO2 + 0.01mol H2          

根据化学方程式   CO + H2O =可逆= CO2 + H2可以看出0.01mol CO2 + 0.01mol H2 相当于0.01mol CO + 0.01mol H2O(g)

这个“相当于”就是,为了把起始态2和起始态1比较,我们假想把0.01mol CO2 + 0.01mol H2 全部按照方程式变为反应物【叫做“一边倒”】,能够变出0.01mol CO + 0.01mol H2O(g) ,就叫做“0.01mol CO2 + 0.01mol H2 相当于0.01mol CO + 0.01mol H2O(g)”

结论1:在同温同容的条件下,能够达到“等效平衡”的条件是:有或者相当于有物质的量相同的起始物。

再来看:人教版高级中学课本 化学(选修)第三册(91.10版)p8:“在500 ℃,压强为1.01×10 5帕时,如果把2体积的SO2和1体积的O2的混合物,通入一个装有催化剂的密闭容器里,结果能得到含有91%(体积组成)SO3的混合气体。”  p9:“如果不是从SO2和O2的混合物开始反应,而是使纯净的SO3在同样的温度(500℃)压强( 1.01×10 5帕)和催化剂存在的条件下起反应, SO3分解为SO2和O2,当达到平衡状态时,混合气体里仍然含有91%(体积组成)的SO3”。

反应条件是:一定的温度,一定的压强。(简称为 同温同压)                                     

起始态1:体积比为2 ︰  1  的SO2和O2            

起始态2:纯SO3                                                                      

分析:在确定的压强下,反应器的容积是由加入的起始气体的物质的量来决定的,比如2molSO2+1molO2的起始体积如果是aL,那么4molSO2+2molO2的起始体积就是2aL ,2molSO3的体积就是(2/3)aL, 4molSO3的体积就是(4/3)aL,也就是说,单位体积中的起始物是相同的。

结论2:在同温同压的条件下,能够达到“等效平衡”的条件是:有或者相当于有物质的量之比相同的起始物。

这个“相当于”就是,本来不是有物质的量之比相同的起始物,但是如果把这些起始物按照化学方程式,不可逆地变成方程式另一端的物质【一边倒】后,就成为有物质的量之比相同的起始物。

如果把两种情况合起来看,就是在同温同容或者同温同压的条件下,能够达到“等效平衡”的条件是:有或者相当于有物质的量浓度相同的起始物。但此结论不如上述结论实用。

三、再来澄清一个问题

有人认为,在同温同容的条件下,对于像CO+H2O(g) =可逆=  CO2+H2这样反应前后气体分子数不变的反应,由于反应过程中压强并不发生改变,所以“等效”的条件应该按照同温同压条件来看待,即物质的量之比相同即可。我们来确认一下:假设容器A中放入1molCO和1molH2O(g);相同容积的容器B中放入2molCO和2molH2O(g);在800℃,有催化剂的条件下反应,且达到平衡。首先,各反应物的起始浓度不相同;由于此反应 K=1,所以它们都是转化率达到50%时平衡,这样一来,在A容器中,CO、H2O、CO2、H2各0.5mol;在B容器中, CO、H2O、CO2、H2各1mol;它们的对应浓度不相同【与容器体积有关的量】,但是体积分数、质量分数相同【与容器体积无关的量】,体系的密度不相同【与容器体积有关的量】,*参见本文末的附注 。   不符合前面讨论过的情况,不应该属于完全相同的平衡状态,为了便于叙述,我们给它一个名称:“类等效平衡状态”。

这样一来,对于类似上述反应的反应【即在同温同容的条件下,反应前后气体分子数不变的反应】,结论就是:能够达到完全相同的平衡状态的条件是:有或者相当于有物质的量相同的起始物。能够达到“类等效平衡状态”的条件是:有或者相当于有物质的量之比相同的起始物。

再强调一句:“完全相同的平衡状态”与“类等效平衡状态”的区别是:前者与总量无关的量:如混合气的密度,每种组分的质量分数、体积分数、物质的量浓度等,都相同。而后者与总量无关的量中:混合气的密度,物质的量浓度等与容器体积有关的量,不相同;每种组分的质量分数、体积分数等与容器体积无关的量,相同。

四、练习题

1.在一定温度下,把2molSO2和1molO2通入一个固定容积的密闭容器中发生反应,反应进行到一定程度时,就达到化学平衡状态。现在在该容器中,维持温度不变,令a,b,c分别代表初始加入的SO2,O2,SO3的物质的量(mol)

    如果a,b,c取不同数值,它们必须满足一定的相互关系,才能保证达到平衡时,反应混合物中三种气体的百分含量仍跟上述平衡时完全相同。请填写下列空白:

  ⑴ 若a=0,b=0,则c=            

  ⑵ 若a=0.5,b=     ,和c=         

  ⑶ a,b,c取值必须满足的一般条件是(请用两个方程式表示,其中一个只含a和c,另一个只含b和c。)

    分析:同温同容!而且是气体分子数改变的反应,所以“三种气体的百分含量仍跟上述平衡时完全相同”意思指等效平衡(即完全相同的平衡状态)。

    题设条件的起始配比是: 2mol SO2和 1mol O2

   ⑴当SO2,O2都为0时,与题设条件相当的起始配比是2molSO3,故c=2 。

   ⑵ SO2=0.5mol,与少的1.5mol SO2相当的SO3为1.5mol,所以c=1.5 。 1.5mol SO3左倒可以产生1.5mol SO2 和0.75mol的O2 ,O2 比题设条件还少0.25mol ,所以 b=0.25 。

   ⑶ a,b,c取值必须满足的一般条件是:

    a+(c倒过来的SO2)=2 ,而c倒过来的SO2=c

 所以 a+c=2 。

    b+(c倒过来的O2 )=1 ,而c倒过来的O2=c/2

 所以b+c/2=1 ,或写成2b+c=2 。

可以看出:就是要倒成与题设条件相同的起始配比—相当于有物质的量相同的起始物。

2、在一个盛有催化剂的容积可变的密闭容器中,加入1molN2和4molH2 ,保持恒温恒压,达平衡后生成amolNH3 。在同温同压下,保持平衡时各组分的体积分数不变,对1.2.3状态填空:

 

起始n(mol)

平衡时

n(NH3 )

N2

H2         

NH3

已知

1

4

0

a

1

1.5

6

0

 

2

 

 

1

0.5a

3

m

g(g≥4m)

 

 

分析:  同温同压!“保持平衡时各组分的体积分数不变”意味指等效平衡(即完全相同的平衡状态)。

题设条件的起始配比是: 1molN2和4molH2

1状态 :起始配比为题设条件的起始配比的1.5倍,故n(NH3)平应为1.5a

2状态 :起始有1molNH3 ,则相当于有0.5molN2和1.5molH2 。从n(NH3)平=0.5a可知,当起始NH3为0时,起始配比应为题设条件的起始配比的0.5倍,即0.5molN2和2molH2 ,与上述对比可知,只需再有0.5molH2即可。

3状态 :从已知可知,若起始时NH3为0,

  则m/g=1 :4 ,现在不一定等于1 :4 ,故起始时NH3 不一定为 0 。

设起始时NH3为xmol,左倒可得x/2 molN2和3x/2 molH2 ,这样一来相当于起始时有(x/2+m )molN2和(3x/2+g) molH2 ,( NH3 为0)  则有:

( x/2+m):( 3x/2+g )=1 :4

解之得x=2g-8m(据g≥4m 得x ≥ 0合理)

       该起始条件下x/2+m=g-3m

        故 n(NH3)平=(g-3m)a

 3.在恒容的密闭容器中充入2molA和1molB的气体后发生反应2A(g) + B(g) =可逆= xC(g),达到平衡后,C的体积分数为m%。若维持容器容积和温度不变,按0.6molA,0.3molB和1.4molC为起始物质的量,达到平衡后,C的体积分数仍为 m%,则x的值可能为(  )(多选)
A、1     B、2      C、3     D、4
分析:条件:维持容器容积和温度不变;
      要求:C的体积分数仍为 m%;【注意,气体的体积分数是与容器体积无关的量】
      反应:不知道气体分子数是否改变。
我们先假设气体分子数改变【即x≠3】,这样一来题目的要求就是达到等效平衡(即完全相同的平衡状态)。应该根据结论1:在同温同容的条件下,能够达到“等效平衡”的条件是:有或者相当于有物质的量相同的起始物判断:起始态2是0.6molA,与起始态1的2molA相比较,能够看出1.4molC应该能够倒出1.4molA,所以,x=2 ;
我们再假设气体分子数不改变【即x=3】,这样一来题目的要求就是达到类等效平衡,应该根据能够达到“类等效平衡状态”的条件是:有或者相当于有物质的量之比相同的起始物判断:因为0.6molA和0.3molB符合起始态1的2 :1,所以无论C是多少,左倒以后加上去,也一定符合起始态1的2 :1,所以,x=3成立。

 

***试着做做这道题

一定温度下,向一固定容积的密闭容器中充入2molA和1molB,发生如下反应:

  2A(g)+B(g)=可逆= 3C(g)

  达平衡后,A的体积分数为a%,C的物质的量浓度为 b mol/L。其它条件不变时,若按下列四种配比作为起始物,平衡后, A的体积分数不为a%的是(  ),C的物质的量浓度也为 b mol/L的是(  )。

A、2mol C

B、4molA+2molB

C、4molA+2molC

D、3mol C

E、4molA+2molB+ 2mol C

答案是:平衡后, A的体积分数不为a%的是(C),C的物质的量浓度也为 b mol/L的是(D)。

  提示:第一问是类等效平衡问题,第二问是等效平衡问题。

 *附注;什么叫做与容器体积有关(或者无关)的量:

根据定义公式可以判定:如物质的量浓度 C=n/V ,V就是容器体积,所以它是与容器体积有关的量;密度 ρ=m/V ,V就是容器体积,所以它是与容器体积有关的量;质量分数  ω=m/∑m(总质量) ,没有V,所以它是与容器体积无关的量;气体体积分数(实际上是物质的量分数) φ=n/∑n (总物质的量),没有V,所以它是与容器体积无关的量。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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