對(duì)“等效平衡”問(wèn)題及其思維方法的重新審視

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)：

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[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.

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[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)：

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[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.