“一邊倒”法判斷等效平衡

孟凡盛 黃芷馨

等效平衡：對于同一可逆反應，在一定條件（恒溫恒容或恒溫恒壓）下，以不同投料方式（從正反應、逆反應或中間狀態開始）進行反應，達到平衡時相同組分在各混合物中的百分數（體積分數、物質的量分數或質量分數）相等。

化學平衡狀態與建立平衡的條件密切相關，而與建立平衡的途徑無關。

“一邊倒”換算法：通過已配平的化學方程式各物質的化學計量數之比，把起始狀態下右邊物質的量全部換算為左邊物質的量，或把起始狀態下左邊物質的量全部換算為右邊物質的量。

本文給同學們總結等效平衡的類型及其特征，提煉判斷依據。

1.恒溫恒容“全等等效平衡”

判斷依據：有氣相物質參加的反應，若不同的起始投入量經“一邊倒”法全部換算為反應物或生成物后，量是相同的，則所形成的平衡狀態是完全相同的。

平衡特征：平衡后的混合氣體中同一氣體的質量、體積、物質的量、質量分數、體積分數、物質的量分數、物質的量濃度、壓強、反應速率等與反應途徑無關的物理量都完全相同；反應放出或吸收的熱量、達到平衡所需時間等與反應途徑有關的物理量可以不同。

例1 恒溫時，反應2SO2（g）+ O2（g）2SO3（g）（ΔH<0）分別在甲、乙、丙、丁、戊五個體積相同的恒容密閉容器中進行，已知反應的起始狀態如下表，回答下列問題：

（1）填寫上表中的空白，據此可判斷 （填編號）一定互為等效平衡。

（2）若x+z =4，y+z/2=2，則丙與 （填編號）互為等效平衡；達到平衡時，這兩個容器中SO2的 （盡可能多填物理量）相同。

（3）達到平衡時，甲中SO2的轉化率與丁中SO3的轉化率的關系是____________。

解析：（1）乙、丁經“左邊倒”換算后，SO2和O2的物質的量都分別為2 mol和1 mol，故甲、乙、丁互為等效平衡。（2） 丙經“左邊倒”換算后，SO2和O2的物質的量分別為x+z mol和y+z/2 mol，戊經“左邊倒”換算后，SO2和O2的物質的量分別為4 mol和2 mol，若x+z =4，y+z/2=2，則丙與戊互為等效平衡。根據恒溫恒容“全等等效平衡”的特征知，丙、戊達到平衡后，SO2的質量、體積、物質的量、質量分數、體積分數、物質的量分數、物質的量濃度、壓強、反應速率等物理量相同。（3） 轉化率是針對反應物而言的，甲中反應向右進行，反應物是SO2和O2，SO2和O2有轉化率；乙中反應向左進行，反應物是SO3，SO2和O2沒有轉化率，只能計算SO3的轉化率。當甲、丁達到平衡時，甲中SO2的轉化率與丁中SO3的轉化率之和為1。

答案：（1）

（2）戊 質量、體積、物質的量、質量分數、體積分數、物質的量分數、物質的量濃度、壓強、反應速率

（3） 甲中SO2的轉化率與丁中SO3的轉化率之和為1

2.恒溫恒容“等比等效平衡”

判斷依據：反應的△n=0（左右氣相物質的化學計量數相同），若不同的起始投入量經“一邊倒”全部換算為反應物或生成物后，投料量的比例相同，即可形成等效平衡。

平衡特征：平衡混合氣體中同一氣體的質量分數、體積分數、物質的量分數等完全相同；平衡混合氣體中同一氣體的質量、體積、物質的量、物質的量濃度不相同但成比例；容器內混合氣體的密度、壓強、反應達到平衡所需要的時間等不相同但成比例。

例2 恒溫恒容時，反應H2（g）+I2（g）2HI（g）（ΔH=-a kJ/mol）分別在甲、乙、丙、丁、戊等五個體積相等的密閉容器中開始反應，已知反應的起始狀態如下表，回答下列問題：

（1）填寫上表中的空白，據此可判斷（填編號）一定互為等效平衡，達到平衡時HI的相同，（填編號）中c（H2）是（填編號）中c（H2）的2倍。

（2）若甲與丙互為等效平衡，則x、y、z滿足的關系是 ；若丙與戊互為等效平衡，則x、y、z滿足的關系是。

（3）甲達到平衡時放出的熱量______ a kJ （填“>”、“<”或“=”）。

解析：（1）經“一邊倒”法換算后，甲、乙、丁三個容器中H2和 I2的物質的量之比都為1∶1，三者互為恒溫恒容“等比等效平衡”，達到平衡時HI的質量分數、體積分數或物質的量分數相同。經“一邊倒”法換算后，乙中H2和 I2的物質的量是甲中的2倍，所以達到平衡時乙中H2（或I2、HI）的物質的量、質量、物質的量濃度均為甲中H2（或I2、HI）的2倍。（2）由于z molHI分解生成的H2和 I2的物質的量之比總為1∶1，所以只要滿足x∶y=1∶1，z≥0，甲與丙就互為等效平衡。經“一邊倒”法換算后，丙、戊兩個容器中H2和 I2的物質的量之比相等，即（x+z/2）∶（y+z/2）=2∶3時，二者互為等效平衡。（3）由于是可逆反應，甲中實際參加反應的H2和 I2都小于1 mol，所以放出的熱量小于a kJ。雖然達到平衡時，甲、乙的狀態相同，但從起始到建立平衡的過程中，實際參加反應的H2和 I2的物質的量卻不同，故熱效應不同。

3.恒溫恒壓“等比等效平衡”

判斷依據：對于任何有氣體參加（不管△n≠0還是△n=0）的可逆反應，若不同的起始投入量經“一邊倒”法全部換算為反應物或生成物后，投料量的比例相同，即可形成等效平衡。

平衡特征：平衡混合氣體中同一氣體的質量分數、體積分數、物質的量分數、物質的量濃度都完全相同，混合氣體的密度也相同；同一氣體的質量、體積、物質的量、總體積等不相同但成比例。

例3 恒溫恒壓時，反應N2（g）+3H2（g）2NH3（g） （ΔH<0）分別在甲、乙、丙、丁、戊等五個活塞密閉容器中開始反應，已知反應的起始狀態如下表，回答下列問題：

（1）填寫上表中的空白，據此可判斷 （填編號）一定互為等效平衡，達到平衡時NH3的相同， （填編號）中n（H2）是 （填編號）中n（H2）的2倍。

（2）若丁與戊互為等效平衡，則x、y、z、a滿足的關系是。

（3）平衡時，五個容器中c2（NH3）/[c（N2）· c 3（H2）]是否相等。

解析：（1） “一邊倒”法換算后，甲、乙、丁三個容器中N2和H2的物質的量之比都為1∶4，三者互為恒溫恒壓“等比等效平衡”，達到平衡時NH3的質量分數、體積分數或物質的量分數相同。甲、乙兩個容器可以建立如下模型來加深理解：

乙容器的體積是甲容器體積的2倍，乙中H2的質量和物質的量分別是甲中H2質量和物質的量的2倍。

（2）由于戊中1.2∶3.6 = 1∶3，而z molNH3或a molNH3分解生成的N2與H2的物質的量之比總為1∶3，所以只要滿足x∶y=1∶1，z≥0，a≥0，丁、戊則互為恒溫恒壓等比等效平衡。

（3） 無論是否形成等效平衡，只要溫度相同，同一反應的平衡常數就相同。c2（NH3）/[c（N2）· c 3（H2）]是恒溫時N2（g）+3H2（g）2NH3（g）的平衡常數表達式，故相等。

答案：（1）

2 8

3 12

x+z/2 y+3z/2

1.2+a/2 3.6+3a/2

甲、乙、丙體積分數（或質量分數、物質的量分數）乙 甲

（2）x∶y=1∶1，z≥0，a≥0

（3）相等