對“等效平衡”問題及其思維方法的重新審視

摘要：對等效平衡問題的本質、題型和思維方法作了全面的闡述，同時列舉典型的試題，通過圖形等模型方法，變抽象為直觀，這對于理解和解決化學平衡中諸如反應物轉化率、平衡各組分的百分含量和平衡移動的方向、限度等問題起到極為有益的作用。

關鍵詞：等效平衡；化學平衡；恒溫恒容反應；恒溫恒壓反應

文章編號：1005–6629（2014）7–0088–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學平衡是中學化學一個極其重要的概念，也始終是高考命題的重點。尤其是涉及到一些關于化學平衡的計算問題，學生普遍感到難度較大無從下手，但若能掌握“等效平衡”的思維方法，許多問題就會迎刃而解。其實，等效平衡問題是有其解題規律可循的。多年來，也不斷有相關的研究性文章，但是大多數文章僅從解題策略或者解題技巧的層面進行闡述，也有部分文章單純從等效平衡的試題類型上作出歸納，顯然不能幫助讀者全方位解讀等效平衡問題。本文試圖以等效平衡的概念為抓手，以思維方法為切入點，不僅帶動各類題型的界定、深入解析和全面突破，尤其對一些思維容量大的典型性問題，通過圖形、動畫模擬等模型方法，變抽象為直觀，力求做到全面、深刻和新穎。希望本文能對讀者理解此類問題有所啟迪。

1 等效平衡的概念

一定條件（恒溫恒容或恒溫恒壓）下，對于同一可逆反應，若以不同的起始投料方式進行反應，達到化學平衡時，相同組分在平衡混合物中的百分數（體積、物質的量、質量等）相等，則稱兩種平衡為等效平衡。關于等效平衡還應從下列兩個層面上理解：首先，必須明確的是指同一組分在平衡混合物中的百分數相等，而不一定是指物質的量濃度；其次，若各物質的濃度或物質的量與原平衡完全一樣，則為相同的平衡即等同平衡。

2 等效平衡的類型和解題的思維方法

對于反應xA（g）+yB（g） pC（g）+qD（g）等效平衡的類型總體可分為以下兩大類：

2.1 恒溫、恒容條件下的等效平衡

（1）當x+y≠p+q時，只要能通過可逆反應的化學計量系數把不同的投料方式換算成同一種投料方式，則它們互為等效平衡。如恒溫、恒容的合成氨反應中，有下列三種投料方式：①1 mol N2，3 mol H2；②2 mol NH3；③0.5 mol N2，1.5 mol H2，1 mol NH3。顯然，若將②和③中的NH3全部換算成N2和H2即與①成同一種投料方式，故必定建立等效平衡（其實是等同平衡）。

（2）當x+y=p+q時，只要投料換算后與原來的n（A）：n（B）相同，則它們互為等效平衡，且平衡產物的量與原平衡產物的量對應成正比例關系，起始投料量也對應成正比關系。如恒溫、恒容下的反應CO（g）+ H2O（g）

CO2（g）+H2（g）有下列兩種投料方式：①2 mol CO，2 mol H2O；

②4 mol CO，4 mol H2O，2 mol CO2，2 mol H2。

若按方式①投料后平衡時CO2的物質的量為a mol，則按投料方式②平衡后CO2的物質的量為多少呢？同樣，若將2 mol CO2和2 mol H2全部換算成反應物，相當于起始時投6 mol CO，6 mol H2O，若假設①2 mol CO，2 mol H2O在1L的容器中建立平衡，6mol CO，6 mol H2O在3L的容器中建立平衡，二者互為等效平衡，后者平衡時CO2的物質的量為3a mol，然后將后者從3L壓回到1L，平衡不移動，CO2的物質的量仍為3a mol。

2.2 恒溫恒壓條件下的等效平衡

恒溫、恒壓，只要起始投料物質的量換算后比例相同，也存在平衡時產物的量對應成正比例關系。如對于恒溫恒壓下的合成氨反應，有下列三種起始投料方式：①1 mol N2，4 mol H2；②1.5 mol N2，6 mol H2；③0.5 mol H2，1 mol NH3。若①達平衡后氨的物質的量為b mol，則②和③達到平衡后氨物質的量分別為多少呢？由于是在恒溫、恒壓條件下，②和③的投料分別為①的1.5倍和0.5倍，②相當于在①達到平衡的基礎上再“復制”0.5個平衡體系，而③相當于在①達到平衡的基礎上再“切掉”0.5個平衡體系，故則②和③達到平衡后氨物質的量分別為1.5b mol和0.5b mol。值得注意的是，該類反應一般要求所有物質均為氣體。

2.3 思維方法提升——“等價轉換法”

A.當反應達到平衡后，若升高溫度，容器內壓強不變。

B.當反應達到平衡后，若降低溫度，混合氣體的顏色加深，則A、B中至少有一種為有色氣體。

C.在一定溫度下，當容器中氣體壓強不變時，說明反應已達平衡。

D.若向容器內注入少量C，壓強增大但平衡不移動，A的轉化率也不變。

解析：A選項中，升高溫度平衡右移，雖然氣體的總物質的量不變，但是，由于溫度升高，混合氣體壓強必然增大，所以，這種影響不是單一的而是綜合的。B選項中，降低溫度后平衡左移，混合氣體的顏色加深，A、B中至少有一種為有色氣體無疑是正確的。一定溫度下，像上述等體積的可逆反應，無論有沒有達到平衡，混合氣體壓強始終不變，C選項錯誤。D選項的迷惑性很強！由于起始時反應物投料比不一定是1：1，故在上述平衡體系中注入少量C時，平衡可能移動，A的轉化率也可能發生變化。所以，這種影響也不是單一，而是綜合的。

恒溫、恒容時，有關轉化率變化的規律Ⅰ：

可逆反應aA（g）+bB（g） cC（g），起始按反應物的系數比a：b投料（或單獨充入C）并達到平衡后，再充入少量C（g）時：

（1）當a+b>c時，平衡向正反應方向移動，A、B的轉化率增大。

（2）當a+b

（3）當a+b=c時，平衡不移動，A、B的轉化率不變。

3.2 先同后變的原則

在溫度恒定的條件下，涉及體積與壓強以及平衡移動有關判斷的問題，在進行判斷時，可首先設計一些等效平衡的中間狀態作為參照標準，即“先同”，然后再根據題設條件觀察變化后的趨勢，即“后變”，來進行求解。這樣能降低思維難度，具有變難為易、化抽象為直觀的作用。

請填寫以下空白：（1）若x=4.5，則右側反應在起始時向 （填“正反應”或“逆反應”）方向進行。欲使起始反應維持向該方向進行，則x的最大取值應小于 。（2）若x分別為4.5和5.0，則在這兩種情況下，當反應達平衡時，A的物質的量是否相等？（填“相等”、“不相等”或“不能確定”）。其理由是：。

解析：（1）x=4.5，右側反應在起始時氣體總物質的量為4.5+6.5+2.0=13.0 mol，左側的反應是等體積反應，氣體總物質的量恒為12.0 mol，要使隔板恰好處于反應器的正中位置，則右側反應在起始時應向氣體體積減小的正反應方向移動。假設平衡向右移動的極限是將E全部消耗掉，達到平衡后混合氣體為：（6.5-0.5x）+2.0+x=12.0，解得x=7，而根據不為零原則，E不可能全部消耗掉，故x<7。（2）若x分別為4.5和5.0，為使平衡時氣體總物質的量達到12.0 mol，則右側反應向正反應方向移動的程度是不一樣的，即反應的溫度不同，故左側的反應在不同溫度下進行，平衡移動的程度也不同，故A的物質的量不相等。

總之，等效平衡問題是高中化學的一個難點。在教學過程中，教師應分類歸納，同時列舉典型的試題深入分析，通過圖形、動畫模擬等模型方法，變抽象為直觀，幫助學生充分理解等效平衡問題的本質、題型和思維方法，這對于幫助學生建立并運用“等效平衡模型”作中間體，理解和解決化學平衡中諸如反應物轉化率、平衡各組分的百分含量和平衡移動的方向及限度等問題將起到極為有益的作用。

參考文獻：

[1]徐敏，莫明遠.優化烴的衍生物教學的幾點思考[J].中學化學教學參考，2002，（12）：11～14.

[2]莫明遠，王祖浩.創設問題情景啟發自主探究提升科學素養[J].化學教育，2010，（7）：16～29.

[3]莫明遠.知識問題化問題情景化[J].中學化學教學參考，2012，（1-2）：62～64.

[4]莫明遠.用探究性的問題點燃學生思維的火花[J].教學月刊，2013，（9）：16～18.

（3）當a+b=c時，平衡不移動，A、B的轉化率不變。

3.2 先同后變的原則

在溫度恒定的條件下，涉及體積與壓強以及平衡移動有關判斷的問題，在進行判斷時，可首先設計一些等效平衡的中間狀態作為參照標準，即“先同”，然后再根據題設條件觀察變化后的趨勢，即“后變”，來進行求解。這樣能降低思維難度，具有變難為易、化抽象為直觀的作用。

請填寫以下空白：（1）若x=4.5，則右側反應在起始時向 （填“正反應”或“逆反應”）方向進行。欲使起始反應維持向該方向進行，則x的最大取值應小于 。（2）若x分別為4.5和5.0，則在這兩種情況下，當反應達平衡時，A的物質的量是否相等？（填“相等”、“不相等”或“不能確定”）。其理由是：。

解析：（1）x=4.5，右側反應在起始時氣體總物質的量為4.5+6.5+2.0=13.0 mol，左側的反應是等體積反應，氣體總物質的量恒為12.0 mol，要使隔板恰好處于反應器的正中位置，則右側反應在起始時應向氣體體積減小的正反應方向移動。假設平衡向右移動的極限是將E全部消耗掉，達到平衡后混合氣體為：（6.5-0.5x）+2.0+x=12.0，解得x=7，而根據不為零原則，E不可能全部消耗掉，故x<7。（2）若x分別為4.5和5.0，為使平衡時氣體總物質的量達到12.0 mol，則右側反應向正反應方向移動的程度是不一樣的，即反應的溫度不同，故左側的反應在不同溫度下進行，平衡移動的程度也不同，故A的物質的量不相等。

總之，等效平衡問題是高中化學的一個難點。在教學過程中，教師應分類歸納，同時列舉典型的試題深入分析，通過圖形、動畫模擬等模型方法，變抽象為直觀，幫助學生充分理解等效平衡問題的本質、題型和思維方法，這對于幫助學生建立并運用“等效平衡模型”作中間體，理解和解決化學平衡中諸如反應物轉化率、平衡各組分的百分含量和平衡移動的方向及限度等問題將起到極為有益的作用。

參考文獻：

[1]徐敏，莫明遠.優化烴的衍生物教學的幾點思考[J].中學化學教學參考，2002，（12）：11～14.

[2]莫明遠，王祖浩.創設問題情景啟發自主探究提升科學素養[J].化學教育，2010，（7）：16～29.

[3]莫明遠.知識問題化問題情景化[J].中學化學教學參考，2012，（1-2）：62～64.

[4]莫明遠.用探究性的問題點燃學生思維的火花[J].教學月刊，2013，（9）：16～18.

（3）當a+b=c時，平衡不移動，A、B的轉化率不變。

3.2 先同后變的原則

在溫度恒定的條件下，涉及體積與壓強以及平衡移動有關判斷的問題，在進行判斷時，可首先設計一些等效平衡的中間狀態作為參照標準，即“先同”，然后再根據題設條件觀察變化后的趨勢，即“后變”，來進行求解。這樣能降低思維難度，具有變難為易、化抽象為直觀的作用。

請填寫以下空白：（1）若x=4.5，則右側反應在起始時向 （填“正反應”或“逆反應”）方向進行。欲使起始反應維持向該方向進行，則x的最大取值應小于 。（2）若x分別為4.5和5.0，則在這兩種情況下，當反應達平衡時，A的物質的量是否相等？（填“相等”、“不相等”或“不能確定”）。其理由是：。

解析：（1）x=4.5，右側反應在起始時氣體總物質的量為4.5+6.5+2.0=13.0 mol，左側的反應是等體積反應，氣體總物質的量恒為12.0 mol，要使隔板恰好處于反應器的正中位置，則右側反應在起始時應向氣體體積減小的正反應方向移動。假設平衡向右移動的極限是將E全部消耗掉，達到平衡后混合氣體為：（6.5-0.5x）+2.0+x=12.0，解得x=7，而根據不為零原則，E不可能全部消耗掉，故x<7。（2）若x分別為4.5和5.0，為使平衡時氣體總物質的量達到12.0 mol，則右側反應向正反應方向移動的程度是不一樣的，即反應的溫度不同，故左側的反應在不同溫度下進行，平衡移動的程度也不同，故A的物質的量不相等。

總之，等效平衡問題是高中化學的一個難點。在教學過程中，教師應分類歸納，同時列舉典型的試題深入分析，通過圖形、動畫模擬等模型方法，變抽象為直觀，幫助學生充分理解等效平衡問題的本質、題型和思維方法，這對于幫助學生建立并運用“等效平衡模型”作中間體，理解和解決化學平衡中諸如反應物轉化率、平衡各組分的百分含量和平衡移動的方向及限度等問題將起到極為有益的作用。

參考文獻：

[1]徐敏，莫明遠.優化烴的衍生物教學的幾點思考[J].中學化學教學參考，2002，（12）：11～14.

[2]莫明遠，王祖浩.創設問題情景啟發自主探究提升科學素養[J].化學教育，2010，（7）：16～29.

[3]莫明遠.知識問題化問題情景化[J].中學化學教學參考，2012，（1-2）：62～64.

[4]莫明遠.用探究性的問題點燃學生思維的火花[J].教學月刊，2013，（9）：16～18.