基于模型分類突破平衡轉(zhuǎn)化率問題

江蘇 季宗寶 趙王俠

平衡轉(zhuǎn)化率是需要學(xué)生在已有化學(xué)平衡知識的基礎(chǔ)上來學(xué)習(xí)的，是《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中的一個重要知識點，是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中提出的一個化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”的重要體現(xiàn)，也是高考中的一個重要考點，在每年的高考化學(xué)試題中都有所考查，分值在2～4分之間，試題主要以選擇題或者工藝流程題呈現(xiàn)，考查的形式主要表現(xiàn)為平衡體系中條件的變化引起轉(zhuǎn)化率大小的改變以及一定條件下建立平衡后平衡轉(zhuǎn)化率的計算。其中，平衡轉(zhuǎn)化率的變化是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個難點，教師在教學(xué)中特別是一輪復(fù)習(xí)的時候，要站在一個更高的角度，對平衡轉(zhuǎn)化率的變化進(jìn)行歸納總結(jié)，本文采用模型分類的思想幫助學(xué)生理解和突破平衡轉(zhuǎn)化率問題，并學(xué)會利用轉(zhuǎn)化率解答相關(guān)試題。

一、概述

平衡轉(zhuǎn)化率=

若要求某物質(zhì)某一時刻的轉(zhuǎn)化率只要把該物質(zhì)平衡時的反應(yīng)物濃度(或物質(zhì)的量)改為某一時刻的反應(yīng)物濃度(或物質(zhì)的量)即可。

二、模型分類

下面筆者將不同條件下的不同反應(yīng)體系中條件的改變進(jìn)行模型分類，通過例題講解、逆向運用、變式訓(xùn)練及跟蹤訓(xùn)練的形式層層遞進(jìn)地來理解和突破平衡轉(zhuǎn)化率。

【模型1】

圖1

【分析】增大反應(yīng)物A的濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動，同為反應(yīng)物的B的轉(zhuǎn)化率增大，而A自身的轉(zhuǎn)化率降低。

【分析】加入C促使D向A、B進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，平衡逆向移動，即D向A、B轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率增大，故A、B向C、D轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率減小。

【點評】以上兩種類型轉(zhuǎn)化率的大小變化屬于簡單判斷，學(xué)生很好理解，也容易得分，在此不再贅述。

【模型2】

圖2

【分析】該情況可認(rèn)為后加入的NO2與原反應(yīng)進(jìn)行疊加，疊加后氣體總體積增加，為了使體積維持不變，只能向體系加壓從而引起疊加后的平衡向生成N2O4的方向移動，因此NO2的轉(zhuǎn)化率增大。

【分析】該情況可認(rèn)為后加入的N2O4與原反應(yīng)進(jìn)行疊加，疊加后氣體總體積增加(此時N2O4的量會比原來的多)為了使體積維持不變，只能向體系加壓從而引起疊加后的平衡向生成N2O4的方向移動，與例3的實質(zhì)是一樣的，因此N2O4的轉(zhuǎn)化率減小。

【變式訓(xùn)練】

1.將例3、例4的題干條件改為在恒溫恒壓的容器中進(jìn)行，則轉(zhuǎn)化率分別如何變化？

【分析】若改為在恒溫恒壓的容器中進(jìn)行，為了保持壓強(qiáng)不變，該體系的體積增大，即轉(zhuǎn)化率不變。

【參考答案及分析】該反應(yīng)前后計量數(shù)相等，則即使加入HI，平衡也不移動，故HI的平衡轉(zhuǎn)化率不變，但H2和I2的物質(zhì)的量是增加的。

【點評】對于氣相反應(yīng)體系中，只有一種物質(zhì)參加反應(yīng)的平衡體系，再加入一定量的反應(yīng)物，可以間接通過壓強(qiáng)去判斷平衡的移動方向，進(jìn)而輕松判斷之后的轉(zhuǎn)化率的大小變化情況。對于此種類型轉(zhuǎn)化率的變化部分學(xué)生理解有些困難，也是常見的考查角度，特別是例3和例4，要多加揣摩。

【跟蹤訓(xùn)練】

【參考答案】增加 增加 減小 增加

【模型3】

圖3

【參考答案及分析】假設(shè)反應(yīng)過程：

圖4

第③步壓縮時平衡正向移動，故SO2的轉(zhuǎn)化率增大。若其他條件不變，再按原反應(yīng)物的比例充入SO2和O2，即同等同程度的增大，即把兩個反應(yīng)物進(jìn)行捆綁當(dāng)成一種物質(zhì)，就屬于模型2中的反應(yīng)物為一種物質(zhì)的模型，此時可以從壓強(qiáng)的角度來分析問題，故達(dá)到新的化學(xué)平衡時，各反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率均會增大。

【變式訓(xùn)練】

3.將例5的題干條件改為在恒溫恒壓的容器中進(jìn)行，則SO2轉(zhuǎn)化率將如何變化？

【分析】若改為在恒溫恒壓的容器中進(jìn)行，為了保持壓強(qiáng)不變，該體系的體積將增大，所以轉(zhuǎn)化率是不變的。

【點評】對于多反應(yīng)物體系，在二次添加反應(yīng)物的時候，如果是在恒溫恒容的密閉容器中等比例的添加反應(yīng)物，此時的分析思路是可將多種反應(yīng)物進(jìn)行捆綁當(dāng)成一種物質(zhì)，就屬于模型2中的反應(yīng)物為一種物質(zhì)的模型，這樣就可以從壓強(qiáng)的角度來分析問題，故達(dá)到新的化學(xué)平衡時，若正向進(jìn)行，則轉(zhuǎn)化率增大，逆向進(jìn)行則轉(zhuǎn)化率減小。此類問題也是考試中的常見考查角度之一，要熟練掌握，做到舉一反三。

三、分類解析

對于平衡轉(zhuǎn)化率的考查形式多樣，有的試題是直接考查，主要為平衡轉(zhuǎn)化率的計算和大小的變化比較，還有的試題是屬于間接應(yīng)用，在理解平衡轉(zhuǎn)化率的基礎(chǔ)上，結(jié)合等效平衡去判斷濃度、壓強(qiáng)、體積分?jǐn)?shù)等物理量的變化，對于學(xué)生知識的內(nèi)化與應(yīng)用有著重要的體現(xiàn)。下面筆者就基于上面的三種模型來闡述在這兩方面平衡轉(zhuǎn)化率的應(yīng)用。

1.直接考查

( )

A.b>a>cB.c>a>b

C.a>b>cD.a=b=c

【參考答案】B

【解析】此題屬于反應(yīng)物只是一種物質(zhì)的，即屬于模型2，現(xiàn)在再投入1 mol PCl5和1 mol NO2，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，對于第一個反應(yīng)，平衡逆向移動，即轉(zhuǎn)化率減??；第二個反應(yīng)平衡正向移動，即轉(zhuǎn)化率增大，故再次達(dá)到平衡時PCl5和NO2的轉(zhuǎn)化率大小關(guān)系為c>a>b。

( )

圖5

A.V2O5催化時，該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率增大

B.使用V2O5作催化劑同時降低了正、逆反應(yīng)的活化能

C.當(dāng)反應(yīng)達(dá)平衡后再充入1 mol SO2和0.5 mol O2，則O2的轉(zhuǎn)化率下降

【參考答案】B

2.間接應(yīng)用

( )

A.M>N B.M

C.M=N D.無法比較

【參考答案】B

【解析】此題屬于反應(yīng)物只是一種物質(zhì)的，即屬于模型2，現(xiàn)在投入2 mol PCl5，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，即平衡逆向移動，故M

容器1容器2容器3反應(yīng)溫度T/K700700800反應(yīng)物投入量2 mol SO2、1 mol O24 mol SO32 mol SO2、1 mol O2平衡v正(SO2)/mol·L-1·s-1v1v2v3平衡c(SO3)/mol·L-1c1c2c3平衡體系總壓強(qiáng)p/Pap1p2p3物質(zhì)的平衡轉(zhuǎn)化率αα1(SO2)α2(SO3)α3(SO2)平衡常數(shù)KK1K2K3

下列說法正確的是

( )

A.v1

B.K1>K3，p2>2p3

C.v1α3(SO2)

D.c2>2c3，α2(SO3)+α3(SO2)<1

【參考答案及解析】將容器1中的反應(yīng)極限化時產(chǎn)生2 mol SO3，容器2中SO3的起始量為4 mol，整體來講容器2的物料濃度高于容器1，所以v12c1，故A錯誤；正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度不利于反應(yīng)正向進(jìn)行，所以K1>K3，因為恒溫恒容容器中，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，即壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，也即等于濃度之比，容器2是4 mol SO3起始反應(yīng)，同上分析，若平衡不發(fā)生移動，則有c2=2c3，但加壓有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，并且容器2和容器3的溫度不等，容器3的反應(yīng)溫度高于容器2的反應(yīng)溫度，則c2>2c3，而壓強(qiáng)關(guān)系為p2∶p3=(c2T2∶c3T3)，又因為T2∶T3=7∶8，小于1，則就不一定有p2>2p3，故B錯誤；溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，則v1α3(SO2)，故C正確；容器2是4 mol SO3起始反應(yīng)，容器3極限化時生成2 mol SO3，容器2相當(dāng)于容器3加壓，若平衡不發(fā)生移動，則有c2=2c3，但加壓有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，并且容器2和容器3的溫度不等，容器3的反應(yīng)溫度高于容器2的反應(yīng)溫度，則c2>2c3，若容器2不是相對于容器3加壓，且兩容器溫度相同，則有α2(SO3)+α3(SO2)=1，但加壓有利于反應(yīng)向減壓方向進(jìn)行，則α2(SO3) 減小，溫度升高不利于反應(yīng)正向進(jìn)行，則α3(SO2) 減小，因此最終α2(SO3)+α3(SO2)<1，故D正確，答案為CD。

【點評】以上兩題都是直接或間接地考查平衡轉(zhuǎn)化率的相關(guān)知識，特別是例9綜合運用等效平衡原理和極限法分析問題是解題的關(guān)鍵，把濃度、壓強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化成從轉(zhuǎn)化率的角度思考更為簡單，此題作為江蘇卷的壓軸題，秉承著一貫的風(fēng)格，具有較大的區(qū)分度，是一道綜合性非常強(qiáng)的好題。

綜合以上分析，可以得出分析平衡轉(zhuǎn)化率變化的思維模型：

圖6