高中化學等效平衡規律及其應用

陳延林

[摘 要]化學平衡是高中化學的重難點知識，等效平衡是化學平衡的進一步拓展。近年來高考化學中有關等效平衡知識的考查較為頻繁，難度不盡相同。為了使學生牢固掌握等效平衡的相關規律，并能在解題中靈活運用，教師應做好相關理論知識的講解，使學生牢固記憶、深入理解，同時展示等效平衡規律在解題中的具體應用，啟發學生有效掌握等效平衡規律的應用技巧。

[關鍵詞]高中化學;等效平衡;規律;應用

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）02-0072-03

高中化學等效平衡涉及的知識點多而零碎，且較為抽象，對學生的理解能力要求較高。教學中，教師應給學生詳細講解等效平衡的相關知識，幫助學生更好地理解等效平衡的本質以及不同類型等效平衡之間的區別與聯系，并通過例題的講解以及習題的訓練進一步夯實學生的知識基礎，助其積累解答等效平衡問題的經驗與技巧，實現解題能力的進一步提升。

一、等效平衡的定義及類型

（一）等效平衡的定義

在一定條件（恒溫恒容或恒溫恒壓）下，同一可逆反應體系，無論是從正反應開始，還是從逆反應開始，在達到化學平衡狀態時，任何相同組分的百分含量（體積分數、物質的量分數）均相同，這樣的化學平衡稱為等效平衡。

為了使學生更好地理解該定義，教師可設計如下問題讓學生思考并回答：（1）等效平衡的外界條件有哪些？（2）等效平衡和“完全相同的平衡狀態”是否相同？（3）等效平衡狀態和平衡建立的途徑是否相關？通過對問題的討論可知，探討等效平衡時需要明確外界條件是恒溫恒容還是恒溫恒壓;等效平衡并不是完全相同的平衡，只是相同組分的百分含量對應相同;等效平衡研究的是平衡狀態，和反應的初始情況有關，和平衡建立的途徑、物質加入的次數無關。

（二）等效平衡的類型

根據外界條件以及反應前后體積是否變化，將等效平衡分為三種類型。Ⅰ類：T、V一定，[ΔV≠0]的體系，等價轉化后，對應各物質起始投料的物質的量與原平衡起始態相同。Ⅱ類：T、V一定，[ΔV=0]的體系，等價轉化后，反應物或生成物的物質的量的比例與原平衡起始態相同。Ⅲ類：T、p一定，等價轉化后，反應物或生成物的物質的量的比例與原平衡起始態相同。三類等效平衡適用條件不同，為了確保學生能夠靈活運用等效平衡的相關知識來解題，教師應與學生一起總結等效平衡的相關規律，并利用多媒體課件為學生直觀展示不同類型的等效平衡，進一步深化學生對不同類型等效平衡的認識與理解，防止學生在解題中張冠李戴。

為了使學生更好地理解三類等效平衡，教師可鼓勵學生2人一組圍繞等效平衡類型相互提問，以暴露學生在理解上的問題，而后詢問學生對于三類等效平衡還有哪些不清楚，據此為學生做針對性講解，幫助學生牢固掌握三類等效平衡。

二、等效平衡的規律

高中化學等效平衡規律是各類測試考查的重點。從大的方面來看，等效平衡屬于化學平衡的范疇，因此無論哪一類等效平衡均遵循勒夏特列原理。在解答等效平衡類習題時可利用勒夏特列原理來判斷化學平衡的移動方向。另外，不同類型的等效平衡還遵循各自的一些規律。學生只有牢固地掌握相關規律，才能結合具體的問題情境做出正確的判斷。Ⅰ類等效平衡的規律為：平衡時各組分的百分含量、物質的量、物質的量濃度均相同。Ⅱ類等效平衡的規律為：各組分的百分含量相同，物質的量以及物質的量濃度同比例變化。Ⅲ類等效平衡的規律為：各組分的百分含量、物質的量濃度相同，物質的量同比例變化。

高中化學課堂上，僅讓學生死記硬背等效平衡規律是行不通的，教師應與學生一起總結等效平衡規律的應用技巧，使學生掌握分析等效平衡的注意事項，搞清楚等效平衡的本質。在講解等效平衡的規律時，教師還應預留一定的課堂時間，鼓勵學生相互交流，使學生能夠學習他人之長，及時發現與糾正自身的理解誤區，為學生正確應用等效平衡規律解題打好基礎。

三、等效平衡規律的應用技巧

通過總結近年來高考化學中有關等效平衡的試題，可將其歸納為三種題型。不同題型的解題方法不同，解題時應注重相關技巧的應用，以獲得事半功倍的解題效果。

題型一：通過物質的量判斷是否為等效平衡。該類題型相對簡單，運用等效平衡規律不難進行判斷。解答該類題型的技巧為：首先通過審題明確反應的外界條件，然后觀察反應前后氣體的體積是否發生變化，最后結合等效平衡類型做出判斷。

題型二：通過物質的加入比例判斷是否為等效平衡。部分習題往往通過改變反應物的比例，要求學生分析相關的參數。該類題型涉及兩種情形，相應的解題技巧如下：（1）等比例改變反應物。當T、V相同時，先建立等效平衡，然后按照給出的條件對反應進行疊加，運用勒夏特列原理判斷平衡的移動方向，由此判斷出相關參數的變化情況。當T、p相同時，等比例加入反應物以原平衡為等效平衡，各反應物與生成物的體積分數和物質的量濃度不會發生改變，而反應物與生成物物質的量會等比例發生變化。（2）不等比例改變反應物。先建立等效平衡，然后分析增加或減少物質給化學平衡帶來的影響。

題型三：判斷物質轉化率和濃度的關系。部分習題將轉化率和物質的濃度改變與等效平衡結合起來，考查學生綜合分析問題的能力。該類題型難度較大，解答時應注意應用以下技巧：（1）因壓強和溫度改變促使平衡正向移動時，反應物的轉化率一定增大。（2）多種反應物參加的可逆反應，如a A（g） + b B（g） [ ][? ? ?] c C（g） + d D（g），需要具體問題具體分析。當其中一種反應物的濃度增加時，另一種反應物的轉化率提高，自身的轉化率一般降低。當T、V不變，等比例增大反應物濃度時，若為氣體計量數之和減小的反應，則反應物的轉化率均增加;若為氣體計量數之和增大的反應，則反應物的轉化率均減少;若為氣體計量數之和不變的反應，則反應物的轉化率均不變。當[T]、[p]不變，等比例增大反應物濃度時，反應物轉化率不變。分解反應也遵循該規律，如可逆反應a A（g） [ ][? ? ?]? b B（g） +? c C（g），當T、V不變，[a=b+c]時，無論如何改變反應物濃度，反應物的轉化率不變;[a<b+c]時，增加反應物濃度，反應物的轉化率減小;[a>b+c]時，增加反應物濃度，反應物的轉化率增大;當T、p不變，等比例增大反應物濃度時，反應物的轉化率不變。

需要注意的是，在解答等效平衡題時，教師應引導學生靈活運用極限法、三段式法計算相關參數的范圍以及具體的值。

四、等效平衡規律的應用舉例

因為高中化學等效平衡知識較為抽象，所以教學中教師要為學生優選、精講經典例題并進行講解，以進一步深化學生的理解，使其更好地積累解題經驗與技巧;同時還應設計相關的專題，強化學生的思維訓練，使學生真正突破學習難點。

[例題]在一體積恒定的容器中，分別加入2 mol A和1 mol B，發生可逆反應：2A（g） + B（g） [ ][? ? ?] x C（g），達到平衡后，C的體積分數為w %。若保持容器的體積和溫度不變，向容器中分別加入0.6 mol A，0.3 mol B，1.4 mol C，達到平衡后C的體積分數仍為w %，則x的值為（ ）。

A.2 ? B.3 ? C.2或3 ? D.無法確定

解析：因該可逆反應的反應前后化學計量數不確定，因此需要結合等效平衡的類型進行分類討論。當[ΔV≠0]時，要想滿足題意需要符合Ⅰ類等效平衡，再根據反應比例系數可知，應滿足[0.6+2.8/x=2]，解得[x=2]。當[ΔV=0]時，符合Ⅱ類等效平衡，此時[x=3]，加入的物質的量轉化后和原平衡對應物質的比例相等，仍滿足題意，綜上選擇C項。

[訓練習題一]在一固定體積的密閉容器中，發生可逆反應：2A（g） + B（g） [ ][? ? ?] 3C（g） + D（g），反應開始時分別加入2 mol A和1 mol B，達到平衡時C的濃度為a mol/L。若保持容器體積與溫度不變，以下配比在達到平衡后， C的濃度仍為a mol/L的是（ ）。

A. [4 mol A+2 mol B]

B. [2 mol A+1 mol B+3 mol C+1 mol D]

C. [3 mol A+1 mol B+1 mol C]

D. [3 mol C+1 mol D]

解析：該題較為基礎，主要考查學生對三類等效平衡的熟練掌握程度。分析可知，題給條件為T、V不變，且[ΔV≠0]，符合Ⅰ類等效平衡。聯系Ⅰ類等效平衡可知，只要將物質按照反應比例系數轉化為反應物后滿足2 mol A和1 mol B即可，顯然只有D項符合題意。

[訓練習題二]在T ℃條件下體積均為2 L的3個恒容密閉容器中發生反應：3A（g） + B（g） [ ][? ? ?] x C（g），按照不同方式投入反應物：甲容器[3 mol A+2 mol B];乙容器[9 mol A+6 mol B];丙容器2 mol C。充分反應后均達到平衡，測得甲、乙容器中A的濃度分別為[c1] mol·L-1、[c2] mol·L-1，甲、丙容器中C的體積分數分別為[w1]%、[w3]%，甲、乙容器中混合氣體的密度分別為[ρ1] g·L-1、 [ρ2] g·L-1，則（ ）。

A. 達到平衡的時間：[乙容器>甲容器]

B. 不管[x]取何值均有[3ρ1=ρ2]

C. 若[x<4]，則[c2>3c1]

D. 若[x=4]，則[w1>w3]

解析：該題綜合考查等效平衡下達到平衡的時間、混合氣體的密度、某物質的濃度、某物質的體積分數，難度較大。通過該習題的訓練，可進一步提升學生綜合分析問題的能力。A項，甲、乙兩容器只有投入的反應物的量不同，投入的量越大反應速率越大，達到平衡所需的時間越短，錯誤;B項，甲容器物質的量是乙容器物質的量的3倍，質量也是如此，因其容積恒定，則不管[x]取何值均有[3ρ1=ρ2]，正確;C項，恒溫恒容下，乙容器等效為在甲容器平衡的基礎上將壓強增大3倍，而當[x<4]時，平衡正向移動，則[c2<3c1]，錯誤;D項，[x=4]時，甲、丙容器的平衡不等效，甲容器相當于在丙容器反應的基礎上增大B的物質的量，則B的體積分數增大，C的體積分數減小，即[w1<w3]，錯誤。綜上選擇B項。

[訓練習題三]在一定溫度下，將2 mol SO2和1 mol O2通入一個一定容積的密閉容器內，發生下列反應：2SO2+O2? [ ][? ? ? ] 2SO3，當反應進行到一定程度時，反應混合物處于化學平衡狀態。保持容器內溫度不變，用a、b、c表示初始時加入的SO2、O2、SO3的物質的量，如果a、b、c取不同的數值，它們需要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和上述平衡完全相同。請填寫下列空白。

（1）如果[a=0]，[b=0]，那么[c=]? ? ? ? ? ? ? 。

（2）如果[a=0.5]，那么[b=]? ? ? ? ? ? ?，[c=]? ? ? ? ? ? ?。

（3）a、b、c的取值需要滿足的一般條件是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。（用兩個方程式表示，其中一個只含有a和c，另一個只含有b和c）

解析：由化學方程式2SO2 + O2? [ ][? ? ? ] 2SO3可以看出，這是一個反應前后氣體分子數不相等的可逆反應，在恒溫定容狀態下，構建同一個化學平衡狀態。初始時，無論怎樣改變三種氣體的物質的量，使得化學反應從正反應開始，或者從逆反應開始，或者正、逆反應同時開始，其構建的化學平衡狀態的效果都相同，即它們存在等效平衡關系。（1）如果[a=0]，[b=0]，那么表明反應從逆反應開始，根據化學方程式得出，反應從2 mol SO2開始，通過將反應的化學計量數的比換算成SO2和O2的物質的量，和反應從2 mol SO3和1 mol O2的混合物開始是等效的，因此[c=2]。（2）因為[a=0.5]，小于2，表明正、逆反應是同時開始的，根據化學方程式得出，想要0.5 mol SO2反應，需要加入0.25 mol O2，通過等價轉化可以知道，其和0.5 mol SO2是一樣的，這時加入1.5 mol SO3和起始時加入2 mol SO3是等效的，因此[b=0.25]，[c=1.5]。（3）題目中要求2 mol SO2和1 mol O2與c mol SO3構建等效平衡，根據化學方程式可知，c mol SO3等效轉化后和c mol SO2與[c2] mol O2等效，所以[a+c=2]，[b+c2=1]。

綜上所述，高中化學等效平衡知識點多且抽象，常在各類測試中作為壓軸題出現，難度較大，極易失分。為了幫助學生攻克這一學習難點，教師應為學生系統地講解等效平衡知識，加強與學生的互動，驅使學生主動思考，使其更好地理解與掌握等效平衡的相關規律，明確不同類型的等效平衡規律成立的條件;同時做好等效平衡相關規律的應用講解，幫助學生厘清應用等效平衡規律解題的思路。

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（責任編輯 羅 艷）

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