淺析“相遇問題”物理模型在化學(xué)平衡中的應(yīng)用

袁爽 龔文軍

摘 要：在化學(xué)平衡中，等效平衡的反應(yīng)熱和轉(zhuǎn)化率問題，是學(xué)生分析平衡問題的一大難點(diǎn)。本文通過借鑒物理“相遇問題”，用圖示的方法，將這個(gè)難點(diǎn)化繁為簡(jiǎn)，使學(xué)生更容易理解和領(lǐng)悟。

關(guān)鍵詞：物理“相遇問題”;等效平衡的反應(yīng)熱和轉(zhuǎn)化率;圖示法

首先看一個(gè)最簡(jiǎn)單的物理相遇問題：

甲地到乙地的公路長(zhǎng)300km。兩輛汽車同時(shí)從兩地對(duì)開，甲車每小時(shí)行80km，行駛2h與乙車相遇。請(qǐng)問乙車行駛了多長(zhǎng)距離？

這個(gè)問題用以下圖示的方法很好解釋：

這個(gè)相遇問題跟化學(xué)等效平衡很相似。下面的例題來說明這種“相遇”物理模型的應(yīng)用。

例 在溫度、容積相同的3個(gè)密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，保持恒溫、恒容，測(cè)得反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)如下

上表格中甲、乙兩容器屬于等量等效，區(qū)別在于甲是完全從反應(yīng)物投料，乙完全從生成物投料。甲、乙兩容器可以達(dá)到相同的平衡點(diǎn)。這樣看，就跟上面甲、乙兩輛車從兩端出發(fā)達(dá)到相同的地點(diǎn)相遇是一回事。

該反應(yīng)的反應(yīng)熱指的是：N2和H2（可逆反應(yīng)）生成2mol NH3所釋放的熱量。對(duì)容器甲，投料1mol N2、3mol H2，生成的NH3少于2mol，放出的熱量少于92.4kJ。對(duì)容器乙，投料2mol NH3，生成的N2少于1mol，H2少于3mol，吸收的熱量少于92.4kJ。但容器甲和容器乙兩個(gè)反應(yīng)歷程加起來，剛好相當(dāng)于從1mol N2、3mol H2到2mol NH3。容器甲中所釋放的熱量和容器乙所吸收的能量剛好等于92.4kJ，即a+b=92.4kJ。

并且，從轉(zhuǎn)化率角度來說，N2（或H2）的轉(zhuǎn)化率和NH3的轉(zhuǎn)化率之和剛好為100%，即α1+α2=100%。用圖表示如下：

那么相遇問題能否分析容器乙和容器丙呢？

容器乙和容器丙不屬于等效平衡。同樣容積的容器中，容器丙的投料是容器乙的兩倍，壓強(qiáng)也是乙的兩倍。而對(duì)于合成氨反應(yīng)，壓強(qiáng)越大越有助于生成氨氣，也就是說丙中氨氣百分含量更大，氨氣的轉(zhuǎn)化率比乙中的小。用圖表示為：

從而可以推出結(jié)論：α1+α3<100%。

從以上分析可看出，化學(xué)等效平衡問題與物理相遇問題很相似。用相遇問題的圖示法解決等效平衡的反應(yīng)熱和轉(zhuǎn)化率問題，可以化繁為簡(jiǎn)，易于理解和分析，并易于遷移運(yùn)用。

作者簡(jiǎn)介：袁爽，龔文軍，湖北省武漢市，武漢六中。