1.等效平衡
(1)定义
同一可逆反应,一定条件下,当改变起始时反应物或生成物物质的量或物质的量浓度,达到平衡时,混合物中各组分的百分组成相等,这样的平衡称等效平衡。
(2)产生原因
平衡,只与温度、压强和浓度有关,与加料顺序无关。
根据气体状态方程,pV=nRT,可以发现:如果保持温度不变,恒容体系,只要“一边倒”之后,各组分n相同,压强也相同,平衡状态也相同。如果保持温度不变,恒压体系,只要“一边倒”之后,各组分n成同一比例,浓度也相同,那么平衡状态也相同。
2.规律与判断
(1) 一般可逆反应,恒温恒容时,当起始反应物或生成物的物质的量通过化学计量数换算相同时,则建立等效平衡。
如反应 2SO₂+O₂=(可逆)=2SO₃ 在(A)、(B)条件时建立等效平衡
(A) 起始时加入:2mol SO₂ + 1mol O₂
(B) 起始时加入:2mol SO₃
注意:此情况下,无论反应物还是生成物,起始时物质的量一定要与化学计量数比相同。
(2) 一般可逆反应,恒温恒压时,当起始反应物或生成物的物质的量比(不一定要求与化学计量数比相同)相同时,即建立等效平衡。
如反应 2SO₂+O₂=(可逆)=2SO₃ 在(C)、(D)时建立等效平衡
(C)起始时加入:1mol SO₂ + 1mol O₂
(D)起始时加入:2mol SO₂ + 2mol O₂
(3) 对于反应前后体积不变的气体反应,恒温恒容时,当起始反应物或者生成物的物质的量比(不一定要求与化学计量数比相同)相同时,建立等效平衡。
如反应 H₂+I₂(气) 2HI 在(E)、(F)时建立等效平衡
(E)起始时加入:1mol H₂+2mol I₂
(F)起始时加入:2mol H₂+4mol I₂
3.应用
利用等效平衡原理进行平衡问题分析2例
例1在相同条件下(T=500K),相同体积的甲乙两容器,甲中充入1mol SO₂和1mol O₂,乙中充入2mol SO₂和2mol O₂,下列叙述中不正确的是( )
(A) 反应速率:乙> 甲 (B) 平衡混合物中SO₂的体积分数:乙> 甲
(B)SO₂的转化率:乙> 甲 (D) 平衡时O₂的体积分数:甲> 乙
简析
若将乙容器的容积扩大2倍,则甲乙为等效平衡;再将乙容器容积恢复到原体积,则压强增大,反应速率增大,平衡向生成SO₃的方向移动,故(A)、(C)、(D)项都是正确的,只有(B)项是错误的。答案(B)。
例2在一定温度下,将a molPCl₅通入一容积不变的密闭容器中,达到如下平衡: PCl₅(g)=(可逆)=PCl₃(g)+Cl₂(g) 测得平衡混合气的压强为P₁ ;此时,再向此反应器中通入a mol PCl₅,在温度不变时,重新达到平衡时,测得压强为P₂,则P₁ 与P₂ 的关系是( )
(A)2P₁>P₂ (B) 2P₁<P₂ (C) 2P₁=P₂ (D) P₂ >P₁
简析
第二次平衡,可以这样设计:将容器体积扩大1倍,通入2a mol PCl₅,此时建立的平衡与第一次平衡相同,压强相等;再将容器体积恢复为原容积,压强增大,平衡向逆反应方向移动,混合气总物质的量减小,建立新平衡,即第二次平衡,故 P₁ < P₂ < 2P₁。答案(A、D)。
应用等效平衡原理分析有关化学平衡问题的一般思路:
根据已知条件,先合理变换条件,使之成为等效平衡;然后将体系恢复为原条件,再恢复原条件。
关于等效平衡难点——推“隔板”问题
例:在一个容积固定的反应容器中, 有一可以左右滑动的密封隔板, 两侧分别进行如下图所示的可逆反应:
各物质的起始加入量如下: A、B、C 均为 4.0 mol, D为 6.5 mol, F为 2 mol, 设E 为 x mol, 当x 在一定范围内变化时, 均可以通过调节反应器的温度时两侧反应都达到平衡, 且隔板恰好处于反应器的正中位置。
当x = 4.5时, 则右侧反应起始时向 正反应,要使起始反应维持向该方向进行, x 的最大值应小于7。
若x 分别为 4.5 和 5.0, 则在这两种情况下, 当反应达到平衡时, A的物质的量两种情况下不相同,因为温度不同。
x = 3.0时, 右侧反应在起始时向逆反应, 要使起始反应维持向该方向进行, x 的最小值应大于2.5
x = 4.5时, 左右两侧反应体系达到平衡后, 向左侧反应器中充入a mol A气体, 当左右两侧再次达到平衡状态时, 则a 的取值范围为0<a<2。
等效平衡新题型——等效热问题
例:已知:① H2(g)+N2(g)+3O2(g) =2HNO3(l);△H1= —348.2KJ/mol,②2NO(g)= N2(g)+ O2(g);△H2= —180.5 KJ/mol,③3NO2(g)= N2(g)+3O2(g); △H3= —99.6 KJ/mol ④H2O(l)= H2(g)+ O2(g);△H4= +285.84 KJ/mol,⑤H2O(l)= H2O(g);△H5= +44.02 KJ/mol,⑥3NO2(g) +H2O(g)=(可逆)2HNO3(l)+ NO(g);△H6 。在一恒温恒压的密闭容器中充入5mol NO2和8mol H2O(g),记为平衡Ⅰ,达平衡时生成1molNO。相同条件下同一容器中充入xmol NO2,ymol H2O(g)和3molNO,记为平衡Ⅱ,达平衡时,NO的质量分数与平衡Ⅰ相同,且放出热量115.73KJ,则x=11,y=29。
简析:△H6= —115.73KJ/mol,算出在平衡Ⅰ平衡时放出热量115.73KJ,平衡时剩余NO2:2 mol,H2O(g):7 mol,NO:1 mol。因为平衡Ⅱ与平衡Ⅰ等效,且放出热量相同,又因为有3molNO充入,所以需要NO2:2*3=6 mol,H2O(g):7*3=21 mol维持平衡状态,再充入与平衡Ⅰ完全相同的NO2、H2O(g)则就与原平衡放出热相同且等效,所以x=6+5=11 mol,y=21+8=29 mol,这是如今出现的较难的等效平衡问题,一旦与热联系起来就不好建立理想模型了,本题的思考方法值得借鉴。
1.等效平衡
(1)定义
同一可逆反应,一定条件下,当改变起始时反应物或生成物物质的量或物质的量浓度,达到平衡时,混合物中各组分的百分组成相等,这样的平衡称等效平衡。
(2)产生原因
平衡,只与温度、压强和浓度有关,与加料顺序无关。
根据气体状态方程,pV=nRT,可以发现:如果保持温度不变,恒容体系,只要“一边倒”之后,各组分n相同,压强也相同,平衡状态也相同。如果保持温度不变,恒压体系,只要“一边倒”之后,各组分n成同一比例,浓度也相同,那么平衡状态也相同。
2.规律与判断
(1) 一般可逆反应,恒温恒容时,当起始反应物或生成物的物质的量通过化学计量数换算相同时,则建立等效平衡。
如反应 2SO₂+O₂=(可逆)=2SO₃ 在(A)、(B)条件时建立等效平衡
(A) 起始时加入:2mol SO₂ + 1mol O₂
(B) 起始时加入:2mol SO₃
注意:此情况下,无论反应物还是生成物,起始时物质的量一定要与化学计量数比相同。
(2) 一般可逆反应,恒温恒压时,当起始反应物或生成物的物质的量比(不一定要求与化学计量数比相同)相同时,即建立等效平衡。
如反应 2SO₂+O₂=(可逆)=2SO₃ 在(C)、(D)时建立等效平衡
(C)起始时加入:1mol SO₂ + 1mol O₂
(D)起始时加入:2mol SO₂ + 2mol O₂
(3) 对于反应前后体积不变的气体反应,恒温恒容时,当起始反应物或者生成物的物质的量比(不一定要求与化学计量数比相同)相同时,建立等效平衡。
如反应 H₂+I₂(气) 2HI 在(E)、(F)时建立等效平衡
(E)起始时加入:1mol H₂+2mol I₂
(F)起始时加入:2mol H₂+4mol I₂
3.应用
利用等效平衡原理进行平衡问题分析2例
例1在相同条件下(T=500K),相同体积的甲乙两容器,甲中充入1mol SO₂和1mol O₂,乙中充入2mol SO₂和2mol O₂,下列叙述中不正确的是( )
(A) 反应速率:乙> 甲 (B) 平衡混合物中SO₂的体积分数:乙> 甲
(B)SO₂的转化率:乙> 甲 (D) 平衡时O₂的体积分数:甲> 乙
简析
若将乙容器的容积扩大2倍,则甲乙为等效平衡;再将乙容器容积恢复到原体积,则压强增大,反应速率增大,平衡向生成SO₃的方向移动,故(A)、(C)、(D)项都是正确的,只有(B)项是错误的。答案(B)。
例2在一定温度下,将a molPCl₅通入一容积不变的密闭容器中,达到如下平衡: PCl₅(g)=(可逆)=PCl₃(g)+Cl₂(g) 测得平衡混合气的压强为P₁ ;此时,再向此反应器中通入a mol PCl₅,在温度不变时,重新达到平衡时,测得压强为P₂,则P₁ 与P₂ 的关系是( )
(A)2P₁>P₂ (B) 2P₁<P₂ (C) 2P₁=P₂ (D) P₂ >P₁
简析
第二次平衡,可以这样设计:将容器体积扩大1倍,通入2a mol PCl₅,此时建立的平衡与第一次平衡相同,压强相等;再将容器体积恢复为原容积,压强增大,平衡向逆反应方向移动,混合气总物质的量减小,建立新平衡,即第二次平衡,故 P₁ < P₂ < 2P₁。答案(A、D)。
应用等效平衡原理分析有关化学平衡问题的一般思路:
根据已知条件,先合理变换条件,使之成为等效平衡;然后将体系恢复为原条件,再恢复原条件。
关于等效平衡难点——推“隔板”问题
例:在一个容积固定的反应容器中, 有一可以左右滑动的密封隔板, 两侧分别进行如下图所示的可逆反应:
各物质的起始加入量如下: A、B、C 均为 4.0 mol, D为 6.5 mol, F为 2 mol, 设E 为 x mol, 当x 在一定范围内变化时, 均可以通过调节反应器的温度时两侧反应都达到平衡, 且隔板恰好处于反应器的正中位置。
当x = 4.5时, 则右侧反应起始时向 正反应,要使起始反应维持向该方向进行, x 的最大值应小于7。
若x 分别为 4.5 和 5.0, 则在这两种情况下, 当反应达到平衡时, A的物质的量两种情况下不相同,因为温度不同。
x = 3.0时, 右侧反应在起始时向逆反应, 要使起始反应维持向该方向进行, x 的最小值应大于2.5
x = 4.5时, 左右两侧反应体系达到平衡后, 向左侧反应器中充入a mol A气体, 当左右两侧再次达到平衡状态时, 则a 的取值范围为0<a<2。
等效平衡新题型——等效热问题
例:已知:① H2(g)+N2(g)+3O2(g) =2HNO3(l);△H1= —348.2KJ/mol,②2NO(g)= N2(g)+ O2(g);△H2= —180.5 KJ/mol,③3NO2(g)= N2(g)+3O2(g); △H3= —99.6 KJ/mol ④H2O(l)= H2(g)+ O2(g);△H4= +285.84 KJ/mol,⑤H2O(l)= H2O(g);△H5= +44.02 KJ/mol,⑥3NO2(g) +H2O(g)=(可逆)2HNO3(l)+ NO(g);△H6 。在一恒温恒压的密闭容器中充入5mol NO2和8mol H2O(g),记为平衡Ⅰ,达平衡时生成1molNO。相同条件下同一容器中充入xmol NO2,ymol H2O(g)和3molNO,记为平衡Ⅱ,达平衡时,NO的质量分数与平衡Ⅰ相同,且放出热量115.73KJ,则x=11,y=29。
简析:△H6= —115.73KJ/mol,算出在平衡Ⅰ平衡时放出热量115.73KJ,平衡时剩余NO2:2 mol,H2O(g):7 mol,NO:1 mol。因为平衡Ⅱ与平衡Ⅰ等效,且放出热量相同,又因为有3molNO充入,所以需要NO2:2*3=6 mol,H2O(g):7*3=21 mol维持平衡状态,再充入与平衡Ⅰ完全相同的NO2、H2O(g)则就与原平衡放出热相同且等效,所以x=6+5=11 mol,y=21+8=29 mol,这是如今出现的较难的等效平衡问题,一旦与热联系起来就不好建立理想模型了,本题的思考方法值得借鉴。