化學平衡中的等效平衡

化學平衡是中學化學的一個重要化學概念，也是高中化學的重要內容，尤其是一些化學平衡的計算難度較大，若能掌握“等效平衡”這一重要的思維方法，問題就容易解決了。

1 等效平衡的含義

何為等效平衡？在一定條件下(定溫、定容或定溫、定壓)，對同一可逆反應，起始時加入反應物、生成物的物質的量不同，而達到化學平衡時，同種物質的含量相同，這樣的平衡就可以稱之為等效平衡。

2 等效平衡的分類

2.1 恒溫恒容條件下的等效平衡

2.1.1 反應前后氣體分子數改變的可逆反應

在恒溫恒容條件下，由于投料量不同引起氣體壓強不同，進而影響平衡，所以，物質投料轉化為同一方向必須與已知投料量相等。

例1、在一定溫度下，把2mol SO 和1mol O 通入一個一定容積的密閉容器里，發生如下反應： ，當此反應進行到一定程度時，反應混合物就處于化學平衡狀態。現在該容器中維持溫度不變，令a、b、c分別代表初始加入的SO 、O 和SO 的物質的量（mol）。如果a、b、c取不同的數值，它們必須滿足一定的相互關系，才能保證達到平衡狀態時反應混合物中三種氣體的體積分數仍跟上述平衡時的完全相同。請填寫下列空白：

析與解：該反應是在恒溫恒容條件下進行的，只要用量一定(能按化學計量數之比換算成相同量的反應物或生成物)，則無論從正反應開始或從逆反應開始，還是正、逆反應同時開始，都能達到相同的平衡狀態。其解題思路為：把生成物cmol SO的量全部回歸到起始狀態(即歸零)，再加上投入的反應物(amol SO 的量后與原體系投料量(2mol SO +1mol )相等，便可建立等效平衡，所以得a+c=2，b+0.5c=1〔此即為(3)的答案〕，其它幾問只要將具體數據代入即可知(1)c=2，(2) b=0.25，c=1.5。

2.1.2 反應前后氣體分子數不變的可逆反應

在恒溫恒容條件下，物質投料量只要與已知投料量成相應比例關系，即使引起壓強變化，但不影響化學平衡的移動。

例2、在一個固定體積的密閉容器中加入3molH 和4moI (g)，發生反應：H (g)+I (g)2HI(g)，達到平衡時HI的體積分數為W%，若維持容器體積和溫度不變，按6molH 和8molI (g)作為起始量，達到平衡后，HI的體積分數是多少？

分析：可令3molH 和4molI (g)裝入甲容器，6molH 和8molI (g)裝入乙容器，且乙容器的容積是甲容器的容積的2倍。甲、乙兩容器的溫度相同，假設乙容器正中間有一隔板，由于乙容器的兩部分分別與甲容器完全相同，則達到平衡后，乙容器兩部分中各物質的含量分別與甲容器中各物質的含量相等。若維持乙容器的溫度不變，將乙容器壓縮，使其體積為原來的一半，在增壓過程中，由于該平衡不移動，所以甲容器中的HI含量與乙容器中的HI含量相等均為W%。將乙容器作這種處理與直接將6molH 和8moI (g)作為起始量裝入甲容器，在維持容器體積和溫度不變條件下建立平衡是等效的。

2.2 恒溫恒壓條件下的等效平衡

當溫度和壓強一定時(即體積可變)，指平衡時各物質的濃度相同或體積分數相同，此時，各不同的起始狀態，經過將生成物“歸零”后，只要滿足反應物的物質的量之比相同，就會達到同一平衡狀態。

例3、在恒溫恒壓條件下，向可變容積的容器中加入1molN 和3molH 進行反應，測得平衡混合氣中N 、H 、NH 物質的量分別為mmol、nmol、gmol。如果溫度、壓強均不變，只改變初始物質的加入量，而要求m、n、g總維持不變，則N 、H 、NH 的加入量用x、y、z表示時，應滿足的條件是：

(1)若x=0，y=0，則z=。

(2)若x=0.75，則y= 。

(3)x、y、z取值必須滿足的一般條件是。

析與解：在恒溫恒壓條件下，對于反應屬于第1種類型中的(1)和(2)都有相同的判斷規律，即只要按化學計量數換算成同一邊(即歸零)后，對應物質的物質的量之比相同便可建立等效平衡(因物質的量之比相同，恒溫恒壓下就相當于起始濃度相同)。

答案：(1)z>0(把z轉化成H 和N ，其物質的量之比恒等于原平衡起始的n( )：(N )=3：1，對照題干相應改變容積可使壓強與題干一致；(2)y=2.25，z≥0；(3)y=3x，z≥0(當x、y均大于零時，z才能為零)。

3 等效平衡的證明

3.1 在定溫、定容條件下的可逆反應

3.1.1 在定溫、定容條件下，對于反應前后氣體分子數改變的可逆反應

例4、在一個固定體積的密閉容器中加入3mol SO 和4mol O ，發生反應：2S g)+O (g)=2SO (g)，達到平衡時，SO 的體積分數為W%，若維持容器體積和溫度不變，按SO 、O 分別為amol、bmol作為起始量，達到平衡后，SO 的體積分數仍為W%，則a、b的關系是?

圖1

分析：可用反證法，令3molSO 和4mol 裝入甲容器，amol SO 和bmol O 裝入乙容器。假設a=3、b=4，由于甲、乙兩容器的體積和溫度相同，裝入氣體物質及用量也完全相同，達到平衡后，各物質的物質的量也均相同，則SO 的體積分數也應相同，即為W%；假設a≠3或b≠4，可認為在上述假設的基礎上達到平衡后再改變SO 或O 的物質的量而容器體積、溫度保持不變，原平衡狀態被破壞，各物質的含量也將改變(a>3或b>4平衡正向移動，SO 的體積分數增大；a<3或b<4平衡逆向移動，SO 的體積分數減小)，即達到新平衡后SO 的體積分數不再是W%，所以只有當a=3、b=4時SO 的體積分數仍為W%。同理當按SO 、O 、SO 分別為amol、bmol、cmol作為起始量時，在考慮化學平衡的建立與途徑無關這一原則，將SO 的初始量cmol按反應計量系數轉化為SO 和O 的初始量，即可認為該條件下SO 和O 的初始量分別為(a+c)mol、(b+c/2)mol，如圖1甲、乙所示：也只有當(a+c)=3和(b+c/2)=4，SO 的體積分數仍為W%，即為等效平衡。

結論：對于反應前后氣體分子數改變的可逆反應，在定溫、定容條件下，只改變起始時加入物質的物質的量，如通過可逆反應的化學計量數比換算成化學方程式同一側的物質，其物質的量與原平衡相同，則兩平衡等效。

3.1.2 在定溫、定容條件下，對于反應前后氣體分子數不變的可逆反應

例5、在一個固定體積的密閉容器中加入3molH 和4molI (g)，發生反應：H (g)+I (g)=2HI(g)，達到平衡時HI的體積分數為W%，若維持容器體積和溫度不變，按6molH 和8mol I (g)作為起始量，達到平衡后，HI的體積分數是多少

分析：可令3mol H 和4mol I (g)裝入甲容器，6molH 和8mol I (g)裝入乙容器，且乙容器的容積是甲容器的容積的2倍，甲、乙兩容器的溫度相同，如圖2所示：

圖2

在維持容器體積和溫度不變條件下建立平衡是等效的。

結論：在定溫、定容條件下，對于反應前后氣體分子數不變的可逆反應，只要反應物或生成物的物質的量的比例與原平衡相同，則達到平衡后兩平衡等效。

3.2 在定溫、定壓下，對于一般的可逆反應

例6、在一密閉容器中加入3molSO 和4mol O ，發生反應：2SO (g)+O (g)=2SO (g)，達到平衡時，SO (g)的體積分數為W%，若維持容器壓強和溫度不變，按SO 、O 分別為6mol、8mol作為起始量，達到平衡后，SO (g)的體積分數為

分析：可令3mol SO 和4mol O 裝入甲容器，6mol SO 和8mol O 裝入乙容器，且乙容器的容積是甲齊器容積的2倍，甲、乙兩容器的溫度相同，如圖3所示：

圖3

假設乙容器正中間有一隔板，則乙容器的左右兩部分分別與甲容器完全相同(溫度、壓強、物質的量均相同)，則達到平衡后，乙容器兩部分分別與甲容器中各物質的含量相等。若維持乙容器的溫度、壓強不變，將乙容器正中間假設的隔板取消，在這個取消隔板過程中，該平衡是不移動的，所以甲容器中SO 含量與乙容器中SO 含量相等且均為W%。將乙容器作這種處理與直接將6mol SO 和8molO (g)作為起始量裝入甲容器，在維持容器壓強和溫度不變條件下建立平衡是等效的。

結論：在定溫、定壓下，改變起始時加入物質的物質的量，只要按化學計量數換算成化學方程式同一側的物質，其物質的量之比與原平衡相同，則達到平衡后與原平衡等效。

綜上所述，化學平衡中的等效平衡有如下規律：

①對一般的可逆反應，在定溫定容條件下，只改變起始時加入物質的物質的量，如根據其化學方程式計算系數比能換算成同一半邊的物質的量與原平衡相同，則兩平衡等效。

②在定溫定容情況下，對于反應前后氣體數不變的可逆反應，只要反應物(或生成物)的的量的比例與原平衡相同，則兩平衡等效。

③在定溫定壓下，改變起始時加入物質的物質的量，只要按化學計量數換算成同一半邊的物質的物質的量之比與原平衡相同，則達平衡后與原平衡等效。

總之，利用教材上所授內容，對于解決化學平衡等效問題，是遠遠不足的。解決此類問題，要認真分析題設條件，打開思路、轉換角度，同時借用物理學科知識，對一個復雜的化學反應過程要學會進行等效的拆分和疊加，更要對所作過的題目進行認真的分析和總結，善于思變，突破一般的解題思維模式，有所創新，才會有所得。

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