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      四法巧解化學平衡

      2012-04-29 00:00:00張伶俐向季紅陳世華
      求學·理科版 2012年1期

      化學平衡,考什么?

      化學平衡是高中化學的重點、難點,更是高考的熱點,但考查難度在降低,綜合性增強。

      新高考對化學平衡的考查有四大新趨向:

      (1)化學平衡原理。

      ①通常根據(jù)氣體密度、某組分轉(zhuǎn)化率、某組分濃度、混合氣體顏色、物質(zhì)反應速率之比等判斷可逆反應在一定條件下是否達到平衡狀態(tài)。

      ②有關(guān)濃度、轉(zhuǎn)化率、物質(zhì)的量、相對分子質(zhì)量的簡單計算。

      ③改變條件,判斷化學平衡移動方向。

      ④化學平衡常數(shù)表達式的書寫與計算。

      (2)用化學平衡原理和反應速率解決實際化工問題,從化學反應速率和化學平衡角度分析化工生產(chǎn)條件的選擇。如用化學平衡原理解釋自然界的礦物、巖石的成因和變化。

      (3)繪制化學反應速率圖像,如溫度、壓強、催化劑、反應物濃度與反應速率的關(guān)系圖。注意由一次平衡向多次平衡拓展。

      (4)新課標卷將化學平衡、電化學、電解質(zhì)溶液、熱化學等融合起來考查。平衡常數(shù)的運用是新課標高考命題的熱點之一。

      (5)基本的解題計算方法,如一邊倒法、三態(tài)法、構(gòu)造法等。

      一、一邊倒法

      一邊倒法又稱為進退法,是一個虛擬的過程,即在堅持可逆反應各物質(zhì)“不為0”原則的基礎(chǔ)上,假設反應物完全變成生成物,或生成物完全變成反應物,全部倒向一邊。這種方法主要用于“可逆反應”中反應物、產(chǎn)物濃度范圍的判斷,不能得出具體值。

      使用步驟:

      第一步:將全部反應物(或其中一種反應物)完全轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物,得出產(chǎn)物濃度的最大值、反應物濃度的最小值。

      第二步:將全部產(chǎn)物(或其中一種產(chǎn)物)完全轉(zhuǎn)化成反應物,得到反應物濃度的最大值、產(chǎn)物濃度的最小值。

      第三步:確定反應物和產(chǎn)物的范圍??赡娣磻?,任何一種物質(zhì)的濃度應介于最大值和最小值之間。

      注意:①如果兩種反應物不能全部轉(zhuǎn)化成生成物(或生成物不能全部轉(zhuǎn)化成反應物),應選擇量較少的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

      ②當一種產(chǎn)物完全轉(zhuǎn)化為反應物時,反應物的量最大;當一種反應物全部轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物時,剩余反應物的量最小。根據(jù)平均值原理,反應物的濃度應介于最大值與最小值之間。

      例1 在密閉容器中進行如下反應:X(g)+Y(g) 2 Z(g)。已知X、Y、Z的起始濃度分別為 0.1 mol/L、0.3 mol/L、0.2 mol/L,在一定條件下,當反應達到平衡時,各物質(zhì)的濃度有可能是( )

      A. Z為0.3 mol/L B. Y為0.35 mol/L

      C. X為0.2 mol/L D. Z為0.4 mol/L

      解析:

      X + Y 2Z

      始態(tài)(mol/L): 0.1 0.3 0.2

      完全倒向右邊(mol/L): 0 0.2 0.4

      完全倒向左邊(mol/L): 0.2 0.4 0

      根據(jù)平均值原理,實際反應的任意時刻:0< c(X)<0.2 mol/L, 0.2 mol/L<c (Y)<0.4 mol/L,0<c (Z)<0.4 mol/L。

      Z不可能為0 mol/L,所以X不可能為0.2 mol/L,C錯誤;X也不可能為0 mol/L,所以Z不可能為0.4 mol/L,D錯誤; Y<0.4 mol/L, Z<0.4 mol/L,所以A、B正確。

      答案:A、B

      二、三態(tài)法

      對于可逆反應,從起始狀態(tài)到化學平衡狀態(tài)要經(jīng)過起始、變化、平衡這三種狀態(tài),根據(jù)這三種狀態(tài)列出反應物(或生成物)的量(物質(zhì)的量或濃度),寫出關(guān)系式,即可迅速解答化學平衡計算題,這種方法稱為三態(tài)法。

      “三態(tài)法”適用于所有可逆反應的相關(guān)計算,其使用步驟是:

      (1)先寫可逆反應方程式,明確題目中的條件,如起始投料物質(zhì)的量、濃度等。

      (2)列出起始量、變化量(或轉(zhuǎn)化量)、某時間的量(或平衡量)。

      (3)最后根據(jù)題目條件,將平衡量或轉(zhuǎn)化量與平均相對分子質(zhì)量、密度、某成分濃度、某成分的轉(zhuǎn)化率等聯(lián)系起來,列方程求解。

      解答這類計算題的一般模式如下:

      已知反應mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),令A、B起始的物質(zhì)的量分別為a mol、b mol,達到平衡后,A的物質(zhì)的量變了mx mol。

      列式:

      m A(g) + n B(g) p C(g) + q D(g)

      起始量(mol): a b 0 0

      變化量(mol):mx nx px qx

      平衡量(mol):a-mx b-nx px qx

      關(guān)系式:

      對于反應物:n(平)= n(始)- n(變);

      對于生成物:n(平)= n(始)+ n(變)。

      注意:可運用PV=nRT,確定物理量間的變化關(guān)系。

      例2 已知可逆反應:M(g)+N(g) P(g)+ Q(g);△H >0。請回答下列問題:

      (1)在某溫度下,反應物的起始濃度分別為: c(M) =1 mol·L-1, c(N)=2.4 mol·L-1。達到平衡后,M的轉(zhuǎn)化率為60%,此時N的轉(zhuǎn)化率為 。

      (2)若反應溫度升高,M的轉(zhuǎn)化率 (填“增大”、“減小”或“不變”)。

      (3)若反應溫度不變,反應物的起始濃度分別為:c(M)=4 mol·L-1, c(N)=a mol·L-1。達到平衡后,c(P)=2 mol·L-1,a = 。

      (4)若反應溫度不變,反應物的起始濃度為: c(M)=c(N)=b mol·L-1,達到平衡后,M的轉(zhuǎn)化率為 。

      解析:(1)本題考查化學平衡轉(zhuǎn)化率的計算和平衡移動原理等知識,三處用到了三態(tài)法。

      M(g) + N(g) P(g) + Q(g)

      起始濃度(mol·L-1): 1 2.4 0 0

      濃度變化(mol·L-1): 0.6 0.6 0.6 0.6

      平衡濃度(mol·L-1): 0.4 1.8 0.6 0.6

      (N)= ×100%=25%。

      (2)該可逆反應正反應為吸熱反應,升高溫度平衡向吸熱反應方向進行,所以M的轉(zhuǎn)化率增大。

      (3)溫度不變,平衡常數(shù)不變,根據(jù)(1)可以求出平衡常數(shù)。

      M(g) + N(g) P(g) + Q(g)

      起始濃度(mol·L-1): 4 a 0 0

      濃度變化(mol·L-1): 2 2 2 2

      平衡濃度(mol·L-1): 2 a-2 2 2

      , 。

      (4)溫度不變,平衡常數(shù)仍為0.5。

      M(g) + N(g) P(g) + Q(g)

      起始濃度(mol·L-1): b b 0 0

      濃度變化(mol·L-1):

      平衡濃度(mol·L-1):

      解得, α=41%。

      答案:(1)25% (2)增大 (3)6 (4)41%

      三、構(gòu)造法

      構(gòu)造法就是利用“等價”“替代”“假想”“隔離”等思維方式,將難直接解答的問題構(gòu)造為另一類“等價”的較易解決的問題。對于有些等效平衡的題目,先構(gòu)造一個定溫定壓條件下的等效模型,再將它們合二為一,根據(jù)壓強的變化判斷化學平衡的移動方向,可以簡單快速地解決問題。

      構(gòu)造法適用于可逆反應中改變一個條件時,比較改變條件前后某物質(zhì)濃度的變化、轉(zhuǎn)化率等。

      構(gòu)造假想模型的方法是:

      第一步:列出可逆反應體系涉及的條件(溫度、壓強、濃度等),判斷哪些物理量不變,哪些發(fā)生變化。

      第二步:將變化后的體系設計成與起始體系中物質(zhì)濃度完全相同的假想體系。

      第三步:根據(jù)平衡移動原理,分析由“假想模型”轉(zhuǎn)化為“終態(tài)反應模型”的條件,并判斷平衡移動方向以及對物理量(濃度、轉(zhuǎn)化率等)的影響。

      注意:設計的假想模型與原始模型必須具有可比性,即只有可逆反應相同,起始投入物質(zhì)的濃度(不是物質(zhì)的量)完全相等的體系才能稱為等效體系。

      例3 在一真空密閉容器中盛有n molPCl5,在200℃時發(fā)生如下反應:PCl5(g) PCl3(g)+ Cl2(g)。

      反應達到平衡時,PCl3(g)所占的體積分數(shù)為M%。若在同一溫度下,同一容器中,最初投入的是2n mol PCl5,反應達平衡時,PCl3(g)的體積分數(shù)為N %,則M和N 的關(guān)系是( )

      A. M>N B. N>M C.M=N D.無法比較

      解析:構(gòu)造等效模型分析可速解。

      答案:A

      四、三句話巧記巧解等效平衡

      什么是等效平衡?

      (1)定溫定容條件下,各物質(zhì)起始物質(zhì)的量相同(或用一邊倒法換算后相同),則等效。

      (2)定溫定容條件下,系數(shù)相等時,物質(zhì)的量成比例則等效。如定溫定容條件下,對于aA(g)+bB(g) (a+b)C(g)的反應,左邊系數(shù)之和等于右邊系數(shù)之和,則只要物質(zhì)的量成比例(含相同)則等效。又如:

      H2(g)+I2(g) 2HI(g)

      起始投料1(mol): 1 1 0

      起始投料2(mol): 4 4 0

      起始投料3(mol): 0.5 0.5 0

      將投料2容器擴大至投料1容器的四倍,將投料3容器壓縮至投料1容器的一半,三種情況的起始投料濃度相等,但是,在體積變化過程中,平衡不移動,三情況達到等效平衡。

      (3)定溫定壓條件下,物質(zhì)的量成比例則等效?;蛘哒f某組成的濃度恒定則等效。 如:

      N2(g)+ 3H2(g) 2NH3(g)

      起始1(mol): 1 3 0

      起始2(mol): 2 6 0

      起始3(mol): 0.5 1.5 0

      三種情況下,平衡時氮氣的物質(zhì)的量與起始投入氮氣的物質(zhì)的量成正比,氮氣的轉(zhuǎn)化率相等;也可以說三種投料中同一種物質(zhì)的濃度相等,能達到同一平衡狀態(tài)。

      等效平衡用于比較同一可逆反應在不同條件的不同投料形式下,達到新平衡時某組分的百分含量。

      運用等效平衡的步驟:

      第一步:看??捶磻锖彤a(chǎn)物的狀態(tài)、氣體分子數(shù)大小(注意:固態(tài)物質(zhì)不影響平衡移動),區(qū)分等氣體分子數(shù)反應和不等氣體分子數(shù)反應。

      第二步:挖。挖掘題目設置的條件,找出是“等溫等壓”還是“等溫等容”。

      第三步:想。想等效平衡的判斷依據(jù)。

      第四步:定。根據(jù)“依據(jù)”,運用等效平衡原理解決實際問題。如列式計算或判斷。

      注意: “等效”指某成分的體積分數(shù)或物質(zhì)的量分數(shù)相等,而不是濃度、物質(zhì)的量相等。

      例4 某溫度下,有一容積可變的容器中,反應2A(g)+B(g) 2C(g)達到平衡時,A、B和C的物質(zhì)的量分別為4 mol、2 mol和4 mol。保持溫度和壓強不變,對平衡混合物中三者的物質(zhì)的量做如下調(diào)整,可使平衡右移的是( )

      A.均減半 B.均加倍

      C.均增加1 mol D.均減少1 mol

      解析:根據(jù)題意和“定溫定壓條件下,物質(zhì)的量成比例則等效”構(gòu)建和已知條件為等效平衡的四組平衡狀態(tài)如下表:

      A與I相同,B與Ⅱ相同,均和已知條件為等效平衡,平衡不移動;C項為在Ⅲ條件下B的物質(zhì)的量再增加0.5 mol,平衡右移,C項正確;D項為在Ⅳ條件下B再減少0.5 mol,平衡左移,不合題意。

      答案:C

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