变换容器模式 巧解平衡试题

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  一定温度下,对于气体间发生的可逆反应,所装气体反应物的容器通常有两种模式:一是容积固定不变的密闭容器(恒容);二为容积可以改变的密闭容器(恒压)。高考中所涉及的在密闭容器内进行的气体可逆反应,其模式不外乎上述两类。根据思维过程需要,可以将题设的恒温恒压条件变换成恒温恒容模式;也可以把题目中恒温恒容模式变换为恒温恒压条件进行“换模”思考。
  1 恒温恒压模式转换为恒温恒容
  例1.体积相同的甲、乙两个容器中,分别都充有等物质的量的SO2和O2,在相同温度下发生反应2SO2+O2?圹2SO3,并达到平衡。在这过程中,甲容器保持体积不变,乙容器保持压强不变,若甲容器中SO2的转化率为p%,则乙容器中SO2的转化率为( )
  A.等于p% B. 大于p% C.小于p% D.无法判断
  解析:2SO2+O2?圹2SO3是一气体总物质的量减小的可逆反应,先将乙容器变换为恒容(体积不变,活塞不回落),与甲容器模式相同,都充有等物质的量的SO2和O2,那么达平衡时,二容器所处的平衡状态完全相同,相应的物理量也完全一样,SO2的转化率均为p%。然而恒容模式的“乙容器”并不是真实的乙!事实上乙容器随着反应的进行,容器的体积要缩小。因此,再把“恒容的乙容器”加压,回归题设的压强不变的乙容器。增大压强,化学平衡向气体体积缩小的方向移动,即右移。平衡移动的结果,使得SO2的转化率增大,故大于p%。答案:B。
  2 恒温恒容条件变换成恒压模式
  例2.在相同条件下(T=500K),有相同体积的甲和乙两容器,甲容器中充入1g SO2和1g O2,乙容器中充入2g SO2和2g O2,下列叙述错误的是( )
  A.化学反应速率:乙>甲 B.平衡后O2的浓度:乙>甲
  C.SO2的转化率:乙>甲
  D.平衡后SO2的体积分数:乙>甲
  解析:不妨设甲、乙容器的容积都是V L,先把乙容器转换成容积可变的恒温恒压模式,且气体的压强与甲容器相同,则乙容器的容积扩大为2V L,并保持“活塞”不回落,那么达平衡时,二容器所处的平衡状态完全相同,相应的物理量也完全一样,即A、B、C、D四选项中甲、乙两容器分别对应相等。然而恒压模式的“乙容器”并不是真实的乙!事实上乙容器随着反应的进行,容器体积恒定,始终是V L。因此,再把“2V L的乙容器”加压,回归题设的体积不变的乙容器。增大压强,将“2V L的乙容器”压缩至V L。各组分浓度同程度增大,反应速率加快,达到平衡时所需时间缩短。化学平衡向气体体积缩小的方向移动,即右移。平衡移动的结果,使得SO2的转化率增大,故大于甲容器中SO2的转化率。答案:D。
  练习:在体积不变的密闭甲、乙二容器中,甲容器中充入1molNH3;乙容器中充入2molNH3,发生反应:2NH3?圹3H2+N2,在相同条件下,下列叙述错误的是()
  A.化学反应速率:乙>甲 B.平衡后NH3的浓度:乙>甲
  C.NH3的转化率:乙>甲
  D.平衡后NH3的体积分数:乙>甲
  答案:C。
  综上所述,当两容器中所加反应物的量相同时,其容器模式往往不同;若容器模式相同,则两容器中加入反应物的量又不相同,应根据题设条件,合理变换容器模式,使复杂问题简单化。
  另外,第二类问题也可以这样考虑:先认为乙容器与甲容器所加反应物的量分别相等,则达平衡时二容器所处的平衡状态完全相同,相应的物理量也完全一样;然后,再向乙容器中充入剩余反应物与题设乙容器一致。化学平衡移动所导致的相应物理量的变化,按增大压强处理。
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