一道高考平衡題的剖析

田益民

（1江蘇省姜堰中學化學 江蘇 姜堰 225500；2南京師范大學化學與材料科學學院 江蘇 南京 210097）

原 題：接觸法制硫酸工藝中，其主反應在450℃并有催化劑存在下進行：2SO2(g)+O2(g)?2SO3(g)+190kJ。在一個固定容積為5L的密閉容器中充入0.20mol SO2和0.10mol O2，半分鐘后達到平衡，測得容器中含SO30.18mol；若繼續通入0.20mol SO2和0.10mol O2，再次達到平衡后，______mol＜n(SO3)＜______mol。

解 讀：由于平衡狀態的建立與途徑無關，所以可以把原題理解為：450℃，在固定容積為5L密閉容器中，有催化劑存在下進行2SO2(g)+O2(g)?2SO3(g)，其中開始Ⅰ：0.20mol SO2和0.10mol O2， 平衡時生成SO30.18mol； 開始Ⅱ：0.40mol SO2和0.20mol O2，分析達到平衡時生成SO3物質的量的范圍是多少。

質 疑：參考資料給出的答案均為0.36mol＜n(SO3)＜0.40mol，但筆者認為0.36mol＜n(SO3)＜ 0.38mol更加嚴密。

分 析：本題主要考查了外界條件對化學平衡的影響，中學生可以依據化學平衡移動原理（即勒夏特列原理）對具體問題進行分析，作為經驗原理，它主要從定性的角度分析平衡的移動。但從命題意圖看，本題重在定量分析，近幾年高考化學更加注重了熱力學中化學平衡常數的考查，原因就在于可以通過平衡常數的定量計算來驗證原來通過勒夏特列原理定性得到的結論。但各省市的考查要求是不同的，譬如近幾年上海市高考化學試題僅僅局限于化學平衡常數表達式的書寫以及溫度對化學平衡常數的影響，也有許多省市還要求學生能用化學平衡常數判斷反應進行的方向、計算反應物的轉化率等。那么此題能否運用化學平衡常數進行具體計算呢？下面采用經驗平衡常數進行演示：

由于同一溫度下，平衡常數不隨濃度變化，因此若以0.40mol SO2和0.20mol O2為開始量，平衡常數仍然為40500 L·mol－1，設此時O2轉化的物質的量為xmol。

一元三次方程式的求解可以借助卡丹公式或計算機程序，筆者利用相關程序軟件解得x=0.184，經過代入驗證，結果正確，開始Ⅱ達到平衡后SO3物質的量為0.368。然而上述方程式的求解已經超出中學要求，高考回避對高次方程式進行運算，所以該題考查平衡時SO3物質的量n（SO3）的極值范圍而不計算具體值是必然的。

關于SO3物質的量的最小值，開始Ⅰ和開始Ⅱ建立的平衡顯然是不等效的，也就是說轉化率不同，解決兩者轉化率大小問題可以采取下列模型進行分析：

Ⅰ與Ⅲ的起始濃度、溫度、壓強均相等，所以Ⅰ與Ⅲ建立的平衡等效，Ⅰ中與Ⅲ中反應物轉化率相同；將Ⅲ的體積壓縮一半即為Ⅱ，所以Ⅱ相當于對Ⅲ加壓，Ⅱ中反應物轉化率大于Ⅲ中反應物轉化率。由此不難發現，Ⅱ中反應物轉化率大于Ⅰ中反應物轉化率，Ⅱ中平衡時生成的SO3大于0.36mol。

關于SO3物質的量的最大值，如果從可逆反應的特點出發，SO2、O2不可能完全轉化為SO3，那么SO3物質的量應小于0.40mol，其實這樣的思考是不全面的。下面從兩個角度進行剖析：

角度一：從平衡移動原理的角度進行分析，法國化學家勒夏特列總結出一條經驗規律：如果改變影響平衡的條件之一（如溫度、壓強，以及參加反應的化學物質的濃度），平衡就向著能夠減弱這種改變的方向移動，這就是著名的勒夏特列原理。前面也提到該原理主要從定性的角度分析平衡的移動方向，但原理的描述中“減弱”二字也足以體現其中的一些定量奧秘，“減弱”不等于“消除”，更不能“逆轉”。也就是說，平衡移動的結果決不會恢復到原來的平衡態，也更不會使被減弱的因素變得比維持原平衡的因素更強大。比如在平衡體系H2(g)+I2(g)?2HI(g)中，H2的物質的量為0.01mol，在其他條件不變時，向平衡體系中再充入0.01molH2，顯然平衡向正反應方向移動，但根據“減弱”二字的含義，此時H2的減少量必然小于0.01mol，因此重新達到平衡后，0.01mol＜n(H2)＜0.02mol。 對于本題，開始Ⅰ：0.20mol SO2和0.10mol O2，平衡時生成SO30.18mol，再充入0.20mol SO2和0.10mol O2，平衡向正反應方向移動，由于平衡向正反應方向移動繼續消耗的SO2、O2的物質的量必然分別小于0.20mol、0.10mol，所以新平衡體系中SO3的物質的量必然小于(0.18+0.20)mol。

綜上所述，對勒夏特列原理和化學平衡常數的考查是高考化學的新增內容，化學平衡常數加深了師生對化學平衡知識的理解，從定量的角度解釋許多平衡移動問題，但對高中生而言，不意味著所有與量相關的平衡題都適合運用化學平衡常數進行具體計算。個人認為平衡題的解決需要準確把握題型特點，借助相關理論合理擇用解題策略進行突破，文中試題重在考查學生運用平衡理論知識進行極限分析的思維方式。筆者本著嚴謹的態度針對答案提出質疑，與同行商榷，不當之處，懇請批評指正，正所謂：“思則得之，不思則不得也！”

［1］ 吳國慶．無機化學（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2002：247

［2］ 宋心琦，何少華．化學反應原理［M］．北京：人民教育出版社，2007：28