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在“变与不变”中寻找化学平衡的“真谛”

时间:2021-02-07 人气:

  众所周知,化学平衡是中学化学阶段十分重要的基本理论之一,于是“判断是否达到化学平衡状”在高中化学知识学习中就显得特别重要。大多数教师都是从化学平衡状态的特征入手,简单归纳出化学平衡状态的判断标志:
  其一,化学平衡的本质标志,V正=V逆≠0;其二,化学平衡状态的特征标志,即可以间接判断可逆反应是否到达化学平衡状态的标志,如体系中各组分的物质的量浓度或体积分数、物质的量分数保持不变等;其三,化学平衡状态的特殊标志,即在特定环境、特定反应中,能间接判断可逆反应是否达到化学平衡状态的标志。它不是一般的普通规律,而是有条件的特殊规律,它们要在一定条件下才能作为已经达到平衡的依据。如恒温恒容下,对于有气体参与(体系中可存在固、液态物质)的反应,得符合反应前后气体反应物和生成物的计量数不相等这一条件,则反应体系中总压强不再随时间变化才能表明反应达到平衡状态等等。笔者认为如此归纳并不能反应化学平衡状态建立的本质,而且情況的多样性不仅会增加学生的记忆量,还容易导致学生将简单问题复杂化。
  所谓化学平衡状态,就是在一定条件下反应进行到一定程度时,反应体系中同一物质的正向反应速率等于其逆向反应速率,此时反应体系中各物质的浓度、物质的量分数、质量分数、体积分数(有气体参加的可逆反应)不再改变。这里必须强调“平衡状态是相对的”,是相对于不平衡状态而言,它的建立必须经过由不平衡状态转变为平衡状态这一过程。
  因此笔者认为能作为化学平衡状态标志的量,首先是一个变化量,其次要随反应(时间变化)由变化量(不平衡)转化为(到)不变量(平衡)这一过程。例如:对于反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),当出现以下情况时,即表明已达到平衡状态。如:⑴各物质的物质的量(n)或各物质的物质的量浓度(分数)(质量分数)不再变化。⑵各气体的体积或体积分数不再变化。⑶在单位时间内消耗了mmolA同时生成mmolA,即V正=V逆(对同一物质而言速率相等)。⑷在单位时间内消耗了nmolB同时消耗了pmolC,即V正=V逆(对不同物质而言速率成比例)。⑸若m+n≠p+q,总压强不再变化。⑹体系颜色不再变化(反应过程中有明显颜色变化)。⑺体系温度不再变化(任何反应都伴随能量变化)等等。
  不能作为化学平衡状态标志的量有两种情况,一种是不变量,另一种是变化量不能确定经过反应(时间变化)最终变成不变量。例如:对于反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),当出现以下情况时,均无经过“变→不变”过程,则不能表明已达到平衡状态。如⑴总体积、总压强、总物质的量不再变化(如反应前后气体体积不变的反应,即m+n=p+q时)。⑵在单位时间内消耗了mmolA同时生成qmolD(因为均体现正反应方向,无法确定V正=V逆)。⑶v(A):v(B):v(C):v(D)=m:n:p:q(反应过程中任何时刻都满足,V正不一定等于V逆)⑷Mr、密度不再改变(对于当m+n=p+q,Mr、密度至反应开始一直保持不变)等等。
  综上所述,对于化学平衡状态标志的判断,最本质的就是分析“量”是否为变化量,进一步寻找“变→不变”的过程,若满足,即表明达到平衡状态。
  在具体实践的过程中,笔者认为可以结合大多数教师现今做法及最本质的判断,把这部分题型简单分为两类,不同类别的题型采用不同的方法,将使这部分知识的解题简单化,有利于学生进一步理解化学平衡状态的建立过程。具体分类如下:
  第一类:直接涉及速率。
  解题技巧:寻找速率(本质)标志——V正=V逆≠0
  要点:1.体现正、逆反应两个方向;
  2.对于同一物质而言,,变化量(速率)之间比例相等;对于不同物质而言,变化量(速率)之间比例应与化学计量数一致。
  简称:正逆相等
  【解析】A项,等式中直接体现正逆两个方向,符合第一个条件,由于不同物质之间数值应与方程式的化学计量数之比1:2相一致,即v(O2)正:v(NO)逆=5:4,于是4v(O2)正=5v(NO)逆,故A正确;B项,生成NO与消耗NH3均体现的是可逆反应的正反应方向,不符合第一条件,故错误;C项,若增加容器体积,反应物与生成物的浓度同时下降,所以正、逆反应速率随浓度改变也将减小,故C错误;D项,等式中直接体现的均为正反应方向,故错误。
  【答案】A。
  例2.下列说法中,可以证明反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)已达到平衡状态的是()
  A.1个N≡N键断裂的同时,有3个H—H键形成
  B.1个N≡N键断裂的同时,有3个H—H键断裂
  C.1个N≡N键断裂的同时,有6个N—H键断裂
  D.1个N≡N键断裂的同时,有6个N—H键形成
  【解析】此类题型也属直接涉及速率题型。A项,N≡N键断裂与H—H键形成分别体现正、逆两个反应方向,符合第一个条件,不同物质之间数值应成比例1:3,所以正确;B项,N≡N键断裂与H—H键断裂均体现的是正反应方向,所以错误;C项,N≡N键断裂与那N—H键断裂分别体现正、逆两个反应方向,符合第一个条件,不同物质之间数值应成比例1:6(其中1个NH3中含有3个N—H),所以正确;D项,N≡N键断裂与N—H键形成均体现的是正反应方向,所以错误;
  【答案】AC。
  第二类:涉及其它变化量
  解题技巧:寻找“变→不变”过程
  简称:变量不变
  【解析】因为m+n与p+q的关系不确定,故无法确定该反应是否是体积改变的反应,故①不一定是平衡状态;因容器是“不传热的固定容积的密闭容器”,反应过程中,体系中的温会度随时间发生变化,则温度为一变量,故②当温度不变时说明达到平衡状态;各组分的浓度和质量分数随反应进行会随之改变,是变量,故③④各组分的浓度和质量分数不再改变,反应处于平衡状态;速率之比等于方程式的化学计量数之比是一规律,不论反应是否达到平衡状态都存在这一关系,不是变量,不存在变化到不变的过程,故⑤不一定是平衡状态;“单位时间内mmolA断键反应”表达出正反应方向速率,”同时pmolC也断键反应”表达出逆反应方向速率,且比例一致,故⑥能说明反应已达平衡状态;⑦此反应的反应物和生成物均为气体,体系的总质量和总体积始终不变,体系的密度始终不变化,故⑦不能说明反应已达平衡状态。
  【答案】B
  例2.[2018浙江4月选考]反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H<0,若在恒压绝热的容器中发生,下列选项表明一定已达平衡状态的是
  【解析】A.此反应为放热反应,在绝热容器中,随反应进行温度升高,是一变量,当温度不再变化,变量从“变→不变”,说明该反应达到平衡状态,故A正确;B.此反应在恒压条件下进行,压强始终不变,非变量不能根据压强判断是否为平衡状态,故B错误;C.相同时间内,H-H键的断开和N-H键的生成,均表示正反应方向,且“数目相等”不满足计量数关系,所以无法判断平衡,故C错误;D.容器内气体的浓度c(N2):c(H2):c(NH3)=1:3:2,各组分的浓度是否发生变化无法判断,就无法判断平衡状态,故D错误;故选A。
  【答案】A

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