谈“等效平衡”的教学

发布日期：2012-02-24 阅读：5638次

谈“等效平衡”的教学

化学平衡是高中阶段重要的化学基础理论之一，“等效平衡”是常用的解法之一，是高中知识里的重点。但是“等效平衡”也是高中化学的教学难点，是多数学生在学习和复习化学平衡时感到头疼的问题，往届学生的普遍感受是：虽然有些题目能够做对，但是，并不能真正地理解相应题目，有时这个题会做，但是稍微一变形，就不知如何解答了。分析原因如下：由于课本上没和有明确等效平衡的概念，如果老师讲题时只是就题论题，而不进行知识和方法的系统归纳，结果造成学生如上状况。本文结合我多年的教学实践就等效平衡的相应知识及题型进行概括归纳，力求有所突破。

一、等效平衡的难点分析

教学中难点有以下四方面：一是“等效平衡”概念的建立，二是“等效平衡”在恒温恒容条件下的应用，三是“等效平衡”在恒温恒压条件下的应用，四是在计算中的应用。

难点处理：为了突破难点，在教学中采用难点分散渗透的方法，逐个落实。

二、课堂教学具体设计

1、等效平衡概念的渗透

（1）、概念引入

人教版教材第34页上面有这样一段文字和数据“将0.01molCO和 0.01molH₂O通入容积为1L的密闭容器里，在催化剂存在的条件下加热到800℃，结果生成了0.005molCO₂和0.005molH₂,而反应物CO和H₂O各剩余0.005mol。如果温度不变，反应无论进行多长时间，容器里混合气体中各种气体的浓度都不再变化。”35页上面还有这样一段文字“实验证明，如果不是从CO和H₂O开始反应，而是各取0.01molCO₂和0.01molH₂，以相同的条件进行反应，生成CO和H₂O，当达到化学平衡时，反应混合物里CO、H₂O 、CO₂和H₂各为0.005mol，其组成与前者完全相同。”由此推知：化学平衡既可以从反应物开始达到，也可以从生成物开始达到，还可以从既有反应物又有生成物的状态达到，后两者如要达到与从正反应开始的平衡完全相同的状态，则所加入的各物质的量必须是假如把它们都变为反应物，便能恢复到从正反应开始的状态。为了帮助学生体会和理解这种过程，特设计了以下教学方式。

等效平衡投料方案的设计-------“站点法”设计恒温恒容下的等效平衡

CO  +  H₂O（g)     CO₂  +  H₂

原始站    A      0.01      0.01                0          0

中途站    B     0.008      0.008              0.002      0.002

C     0.006      0.006              0.004      0.004

:              a           b                c          d

平衡站    P     0.005      0.005              0.005      0.005

中途站    D     0.004      0.004              0.006      0.006

:              a’          b’                c’          d’

原始站    E      0           0               0.01       0.01

显然,从初始到平衡态的过程中,反应要经历中间的许多站点 B、C、D... 若以此站点值为起始投料方案,都能建立等效平衡.

（2）、定义（内涵）

对于同一可逆反应，当外界条件一定时，无论该反应是从正反应开始，还是从逆反应开始，或是从中间状态（既有反应物又有生成物的状态）开始，只要到达平衡时反应混合物中各组分的分数（质量分数、物质的量分数或体积分数）对应相等就可达到相同的平衡状态，这便称为等效平衡。

（3）、标志

由以上定义我们可以看出，判断同一可逆反应达到的平衡状态是否达为等效平衡的标志是：达到平衡后，反应混合物中各组分的分数（质量分数、物质的量分数或体积分数）是否对应相等。

（4）、意义

等效平衡的概念的提出反映了化学平衡状态的建立与途径无关。

2、方法指导

解等效平衡的题，有一种基本的解题方法——极限转换法。由于等效平衡的建立与途径无关，不论反应时如何投料，都可以考虑成只加入反应物的“等效”情况。所以在解题时，可以将所加的物质“一边倒”为起始物质时，只要满足其浓度与开始时起始物质时的浓度相同或成比例，即为等效平衡。但是，要区分“浓度相同”或“浓度成比例”的情况，必须事先判断等效平衡的类型。有了等效平衡类型和条件的判断，就可以采用这种“一边倒”的极限转换法列关系式了。

3、等效平衡的类型（外延）

根据外界条件不同，等效平衡可以分为三大类：

（1）、恒温恒容，气体非等摩条件下的等效平衡

在恒温、恒容的情况下，对于同一可逆反应，不论各反应物的起始量是多少，也不管反应物是一次加入或分几次加入，或是加入后分一次取出或分几次取出，只要各物质的起始量（质量、物质的量、浓度、体积等）按化学计量数换算成同半边物质后与原来完全相同，则就可以达到等效平衡。

这种情况下建立的等效平衡，不但平衡混合物中各组分的质量分数（物质的量分数、体积分数）对应相等，而且各组分的质量、体积、物质的量、浓度等也分别对应相等。我们把这样的等效平衡称之全等式平衡。

课堂例题  恒温恒容：  2SO₂ (g)     +   O₂(g)             2SO₃ (g)

途径1起始  2mol    　      1mol                    0

途径2起始  4 mol            2mol                    0

途径3起始  1mol    　     0.5mol                  1mol

途径4起始  0.5mol    　      ?                      ?

途径5起始  amol              bmol                  cmol

问题 ①途径2、 3与1等效吗?

②途径4中O2(g)和SO3(g)的起始量为多少,到达平衡时可与途径1等效?

③途径5中a、b、c符合怎样的关系达到平衡状态时与途径1等效?

分析：用叠加思想来分析

我们可以假设一个模型来研究这个问题：有一化学反应在一定温度、一定体积的容器内达到平衡，此时设其压强为P，暂把此平衡称为基础平衡。同温下该反应又有一个平衡，其起始量若按化学方程式完全转化为与基础平衡同组物质时，为它的m倍，这样这个平衡就像是由m个基础平衡叠加而成的。

如果在等温等容条件下叠加，就如同把m或n个基础平衡压缩到一个容器中，相当于一个加压过程：对于反应前后气体物质的量不变的反应，化学平衡不受压强影响，各组成物质的百分含量与基础平衡相同，是等效平衡；对于反应前后气体物质的量改变的反应，化学平衡受压强影响发生移动，各组成物质的百分含量肯定不同，它们不是等效平衡。

用这样的观点分析可以得到，途径2不是途径1的等效平衡。途径3的加入方式相当于2molSO2 ,1molO2，所以是途径1的等效平衡。途径4要是1的等效平衡，则必须能够换算成2molSO2 ,1molO2，所以，起始加入的O2是0.25mol，SO3 是1.5mol满足条件。途径5是字母题，但是仍然参照此种等效平衡的判断方法，即换算成同半边物质与原来相同，所以，得到a+c=2，2b+c=2。

（2）、恒温恒容，气体等摩条件下的等效平衡

在恒温、恒容的情况下，对于同一可逆反应，不论各反应物的起始量是多少，也不管反应物是一次加入或分几次加入，或是加入后分一次取出或分几次取出，只要各物质的起始量（质量、物质的量、浓度、体积等）按化学计量数换算成同一边数值后，比值与原来相同，则就可以达到等效平衡。

这种情况下建立的等效平衡，平衡混合物中各组分的质量分数（物质的量分数、体积分数）对应相等，但是各组分的质量、体积、物质的量、浓度等都不一定相等，而是按照比例变化。我们把这样的等效平衡称之相似平衡。

课堂例题  （05全国高考）在一恒容的容器中充入2 mol A和1 mol B，发生反应2 A(g) + B(g)  x C(g)，达到平衡后，C的体积分数为W%。若维持容器中的容积和温度不变，按起始物质的量：A为0.6 mol，B为0.3 mol，C为1.4 mol充入容器，达到平衡后，C的体积分数仍为W%，则x的值为 （    ）

A．只能为2               B．只能为3

C．可能是2，也可能是3    D．无法确定

分析：等温等容的等效平衡有两种情况，此题的气体系数待定，所以，应该分成两种情况来讨论，即气体等摩反应和非等摩反应。如果X为3，将上面起始量换算成同半边物质为(0.6+2.8/3)molA，（0.3+1.4/3）molB，与原来加入的比值相同，所以，是等效平衡。如果X为2，将上面起始量换算成同半边物质为2 mol A和1 mol B与原来加入完全相同，所以，也是等效平衡。答案应该选C。

思考，如果此题将C的体积分数改为C的浓度，答案应该怎么选？

分析：如果改为浓度相同，在此题定温定容条件下，则只能是全等式等效平衡类型，必须满足换算成同半边物质与原来要完全相同，所以，答案只能选A.。

（3）、恒温恒压条件下的等效平衡

在恒温、恒压的情况下，对于同一可逆反应，不论各反应物的起始量是多少，也不管反应物是一次加入或分几次加入，或是加入后分一次取出或分几次取出，只要各物质的起始量（质量、物质的量、浓度、体积等）按化学计量数换算成同一半边数值后，比值与原来相同，则达到等效平衡。

这种情况下建立的等效平衡，平衡混合物中各组分的质量分数（物质的量分数、体积分数）对应相等，浓度也相等，但是各组分的质量、体积、物质的量等都不一定相等，而是按照比例变化。我们把这样的等效平衡称之相似平衡。

课堂例题  在一个压强一定的密闭容器中，保持一定温度，进行如下反应：

H2（气）+Br2（气） 2HBr（气）

已知加入1mol H2和2mol Br2时，达到平衡后生成amolHBr（见下表已知项）。在相同条件下，且保持平衡时各组分的体积分数不变，对下列编号（1）～（3）的状态，填写表中空白：

 

 

分析：起始量是1mol H₂和2mol Br₂时，平衡HBr的物质的量是amol，当按照2mol H₂和4mol Br₂加入时，二者互为等效平衡，物质的体积分数相等，各物质的量按照比例变化，所以，平衡时HBr的物质的量是2amol.。如果平衡时HBr的物质的量是1.5amol，则相当于起始加入1.5mol H₂和3mol Br₂,所以,当HBr的加入量是1mol时，H₂就为1mol, Br₂就应该加入2.5mol.当H₂加入mmol和Br₂加入gmol时，设起始时HBr的物质的量为x mol，转换成H₂和Br₂后，则H₂和Br₂的总量分别为（ ）mol和（ ）mol，根据 ，解得 。设平衡时HBr的物质的量为y mol，则有 ，解得 。

综上所述，只要理解了等效平衡的概念并掌握不同条件下等效平衡的判断方法，注意运用“极限、可逆、假设、叠加、守恒”等思维方法，这类难解的化学平衡题目就会迎刃而解了。