等效平衡的理解与应用

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  一般通过建立假想平衡状态去比较分析新旧平衡,以下例来说明:在一密闭容器中充入建立如下平衡:测得NO2的转化率为a%;容积和温度不变的条件下再充入,待新平衡建立时,又测得NO2的转化率为b%,则a、b的大小关系。
  解此类题一般建立如下思维模型(虚拟状态法):
  由于压缩,平衡Ⅱ向右移动达到平衡Ⅲ时转化率增大,必有a1%  类型一 定温、定容条件下的等效平衡
  1. 反应前后气体分子数不相等的反应
  定温、定容条件下,反应前后气体分子数不相等的可逆反应,此种条件下,只要改变起始加入物质的物质的量,若通过可逆反应的化学计量数之比换算成同一边的物质的物质的量与原平衡相同,则两平衡等效,又称等同平衡(此法又称极限法)。
  例1 在一个固定容积的密闭容器中加入2 mol A和1 mol B,发生如下的反应:2A(g)+B(g)?3C(g)+D(g),达到平衡时,C的浓度为w mol·L-1。若维持容器的容积和温度不变,按下列配比为起始物质,达到平衡后C的浓度仍为w mol·L-1的是( )
  A. 4 mol A+2 mol B
  B. 2 mol A+1 mol B+3 mol C+1 mol D
  C. 3 mol C+1 mol D
  D. 1 mol A+0.5 mol B+1.5 mol C+0.5 mol D
  解析 这是一道关于等同平衡的题,常用极端假设法分析。将“3 mol C+ 1 mol D”转化为“2 mol A+1 mol B”将1.5 mol C+0.5 mol D”转化为“1 mol A+ 0.5 mol B”。则B项起始状态相当于4 mol A+2 mol B”,C项起始状态相当于“2 mol A+1 mol B”。显然,A、B项的起始量与“2 mol A+1 mol B”的起始量不同,均不能达到与其相同的平衡状态,而C、D项的起始量与“2 mol A+ 1 mol B”的起始量相同,能达到与其相同的平衡状态。
  答案 CD
  2. 反应前后气体分子数相等的反应
  定温、定容条件下,反应前后气体分子数相等的可逆反应;此条件下,只要换算到同一边时,反应物(或生成物)的物质的量的比例与原平衡相等,则两平衡等效。
  例2 一定温度下,在恒容密闭容器中发生如下反应:2A(g)+B(g)?3C(g),若反应开始时充入2 mol A和2 mol B,达到平衡后A的体积分数为a%。其他条件不变时,若按下列四种配比作为起始物质,平衡后A的体积分数大于a%的是( )
  A. 2 mol C
  B. 2 mol A、1 mol B和1 mol He
  C. 1 mol B和1 mol C
  D. 2 mol A、3 mol B和3 mol C
  答案 AB
  类型二 定温、定压条件下的等效平衡
  定温、定压条件下,反应前后气体分子数任意型的可逆反应,只要按化学计量数换算到同一边后,各物质的量之比与原平衡相等,则两平衡等效。
  例3 如图所示,在一定温度下,把2体积N2和6体积H2通入一个带有活塞的容积可变的容器中,活塞的一端与大气相通,容器中发生以下反应:(正反应放热),若反应达到平衡后,测得混合气体的体积为7体积。据此回答下列问题:
  (1)保持上述反应温度不变,设a、b、c分别代表初始加入的N2、H2和NH3的体积,如果反应达到平衡后混合气体中各气体的体积分数仍与上述平衡相同,那么:
  ①若a=1,c=2,则b= ,在此情况下,反应起始时将向 (填“正”或“逆”)反应方向进行;
  ②若需规定起始时反应向逆反应方向进行,则c的取值范围是 。
  (2)在上述装置中,若需控制平衡后混合气体为6.5体积,则可采取的措施是 ,原因是 。
  因反应前混合气体为8体积,反应后混合气体为7体积,体积差为1体积,由差量法可解出平衡时NH3为1体积;而在起始时,NH3的体积为c=2体积,比平衡状态时大,为达到同一平衡状态,NH3的体积必须减小,所以平衡逆向移动。
  ②若需让反应逆向进行,由上述①所求出的平衡时NH3的体积为1可知,NH3的体积必须大于1,最大值则为2体积N2和6体积H2完全反应时产生的NH3的体积,即为4体积,则[1  (2)由6.5<7可知,上述平衡应向体积缩小的方向移动,亦即向放热方向移动,所以采取降温措施。
  答案 (1)①b=3 逆 ②[1  类型三 定温、不定压、不定容条件下的等效平衡
  解析 根据上图装置知A容器保持温度和压强一定,所以A容器的容积与A容器内气体的物质的量成正比,设A容器中消耗的X的物质的量为m,则有n(始)∶n(平)=V(始)∶V(平),即2∶(2+m)=a∶1.2a,所以m=0.4 mol,故A容器中X的转化率为40%;对B容器来说,开始时保持温度和体积一定,起始时B容器中各组分的浓度大于A容器中对应组分的浓度,根据浓度对化学反应速率的影响知开始时B容器中的化学反应速率大;欲比较A、B两容器中X的转化率的大小,可作如下假设:
  假设过程中A与B为等效平衡,所以X的转化率相等,A扩大容积后,根据上述反应知A中X的转化率增大至40%,B中X的转化率减小,所以题设条件下B中X的转化率小于A中X的转化率。当活塞K打开后,A、B所组成的容器和原A容器均保持温度和压强一定,且反应物的物质的量之比相等,所以两者为等效平衡,反应达平衡时X的转化率为40%,所以此条件下反应达平衡时,A、B容器的总体积为3.6a L,故A容器的容积为2.6a L。
  通过分析上述等效平衡的问题知,解题的关键是:读题时注意勾画出这些条件,分清类别,用相应的方法(使起始物质量相等或起始物质的量比相等)求解。我们常采用“一边倒”(又称等价转换)的方法,分析和解决等效平衡问题。
  1. 向某密闭容器中充入1 mol CO和2 mol H2O(g),发生反应:CO+H2O(g)?CO2+H2。当反应达到平衡时,CO的体积分数为x。若维持容器的体积和温度不变,起始物质按下列四种配比充入该容器中,达到平衡时CO的体积分数大于x的是( )
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