關(guān)于化學(xué)平衡等效問題的教學(xué)探討

魏高昌

（福建石獅一中，福建 泉州）

化學(xué)平衡等效問題首先來自于高中教材:將0.01molCO和0.01molH2O（g）通入容積為1L的密閉容器里，在催化劑存在的條件下加熱到800℃，結(jié)果生成了0.005molCO2和0.005molH2，而反應(yīng)物CO和H2O（g）各剩余0.005mol。如果溫度不變，反應(yīng)無論進行多長時間，容器里混合氣體中各種氣體的濃度都不再發(fā)生變化。

實驗證明，如果不是從CO和H2O（g）開始反應(yīng)，而是各取0.01molCO2和0.01molH2，以相同的條件進行反應(yīng)，生成CO和H2O（g），當達到化學(xué)平衡狀態(tài)時，反應(yīng)混合物里各物質(zhì)的量均為0.005mol,其組成與前者完全相同。

這可以說是化學(xué)平衡等效問題的最原始描述。中學(xué)化學(xué)界普遍用“等效平衡”一詞來概括討論這一方面的問題，但學(xué)生對這一問題的理解仍然存在許多疑問，學(xué)生很難判斷“等效平衡”的條件及“等效”的內(nèi)涵，這也是造成高考對這一問題的考查始終保持較高的難度、靈活度和區(qū)分度的客觀原因。其實，從達到平衡的結(jié)果分析，化學(xué)平衡的等效可分“完全等效”和“部分等效”兩種，如果不細致區(qū)分，必然造成學(xué)生認識上和思維上的混亂。針對這種狀況，筆者提出下列見解：

從教材出發(fā)，化學(xué)平衡狀態(tài)的建立與條件有關(guān)，與途徑無關(guān)。因而，同一可逆反應(yīng)，從不同的狀態(tài)開始，只要達到平衡時條件完全相同，則可形成“等效平衡”。

而建立“等效平衡”狀態(tài)通常有四條途徑：①正向建立；②逆向建立；③從中間某狀態(tài)建立；④反應(yīng)物分批加入。對不同的起始狀態(tài)，通常假定反應(yīng)沿某一方向進行到底，將所得物質(zhì)的量與標準狀態(tài)比較。

一、反應(yīng)前后氣體體積發(fā)生變化的可逆反應(yīng)，如2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）

1.恒溫、恒容投料相同，如：

投料組合 n（SO2）（mol） n（O2）（mol） n（SO3 ）（mol）①2 1 0②0 0 2③1 0.5 1

此等效為“全等”，三種投料組合按上述條件反應(yīng)達到平衡后，SO3物質(zhì)的量及體積分數(shù)均相等，當然SO2、O2也一樣。

2.恒溫、恒壓投料成比例，如：

投料組合 n（SO2）（mol） n（O2）（mol） n（SO3 ）（mol）①4 2 0②0 0 2③1 0.5 0

即為等效平衡，但此等效為“相似”，三種投料組合按上述條件反應(yīng)達到平衡后，SO3的體積分數(shù)均相等，但平衡時SO3的物質(zhì)的量不等，平衡時SO3的物質(zhì)的量與起始投料量成正比，為4∶2∶1。

這是由于在恒溫、恒壓下，達到平衡后按下列情況進行組合平衡不會發(fā)生移動：

投料組合③+投料組合③=投料組合③+投料組合③=投料組合②體積為V升 體積為V升 體積為2V升 體積為2V升

所以投料組合③與投料組合②達到平衡后，SO3的體積分數(shù)均相等，但平衡時SO3的物質(zhì)的量為1∶2。

二、反應(yīng)前后氣體體積未發(fā)生變化的可逆反應(yīng)，如H2（g）+I2（g）?2HI（g）

1.恒溫、恒容或恒溫、恒壓，兩種情況均是投料相同，如：

投料組合 n（H2）（mol） n（I2）（mol） n（HI）（mol）①1 1 0②0 0 2③0.5 0.5 1

此等效為“全等”，三種投料組合按上述條件反應(yīng)達到平衡后HI物質(zhì)的量及體積分數(shù)均相等，當然H2、I2也一樣。

2.恒溫、恒容或恒溫、恒壓，兩種情況均是投料成比例，如：

投料組合 n（H2）（mol） n（I2）（mol） n（HI）（mol）①1 1 0②0 0 4③0.5 0.5 0

即為等效平衡，但此等效為“相似”，三種投料組合按上述條件反應(yīng)達到平衡后，HI的體積分數(shù)均相等，但平衡時HI的物質(zhì)的量不等，平衡時HI的物質(zhì)的量與起始投料量成正比，為2∶4∶1。

恒溫、恒壓的情況容易理解。在恒溫、恒容下，達到平衡后按下列情況進行組合平衡不會發(fā)生移動，所以投料組合③與投料組合①達到平衡后，HI的體積分數(shù)均相等，但平衡時HI的物質(zhì)的量為 1∶2。

用“相似”和“全等”表示化學(xué)平衡中的兩種等效情況比較形象，學(xué)生容易理解和掌握，一方面，“相似”和“全等”源于數(shù)學(xué)幾何證明，學(xué)生心領(lǐng)神會，“全等”代表完全等效平衡，“相似”代表部分等效平衡；另一方面，也可使學(xué)生對化學(xué)平衡中的等效問題有更深刻更本質(zhì)的理解。