抓关键，巧转换——“等效平衡”问题的突破
北京十二中化学组 胡小蒙
【摘要】本文主要针对学生学习化学平衡时的难点——“等效平衡”问题，阐述了其概念的准确内涵和外延，提出了解题的常用方法——极限转换法和常用步骤。这些概念的辨析和方法的归纳对学生突破“等效平衡”问题有很大帮助。
【关键词】 等效平衡；内涵和外延；极限转换法
等效平衡问题由于其涵盖的知识丰富，考察方式灵活，对思维能力的要求高，一直是同学们在学习和复习“化学平衡”这一部分内容时最大的难点。近年来，沉寂了多年的等效平衡问题在高考中再度升温，成为考察学生综合思维能力的重点内容，这一特点在2003年和2005年各地的高考题中体现得尤为明显。很多同学们在接触到这一问题时，往往有一种恐惧感，信心不足，未战先退。实际上，只要将等效平衡概念理解清楚，加以深入的研究，完全可以找到屡试不爽的解题方法。
等效平衡问题的解答，关键在于判断题设条件是否是等效平衡状态，以及是哪种等效平衡状态。要对以上问题进行准确的判断，就需要牢牢把握概念的实质，认真辨析。明确了各种条件下达到等效平衡的条件，利用极限法进行转换，等效平衡问题就能迎刃而解了。
一． 概念辨析
概念是解题的基石。只有深入理解概念的内涵和外延，才能在解题中触类旁通，游刃有余。人教版教材对等效平衡概念是这样表述的：“实验证明,如果不是从CO和H2O(g)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(g),当达到化学平衡状态时，反应混合物里CO、H2O(g)、CO2、H2各为0.005mol,其组成与前者完全相同（人教版教材第二册(必修加选修)第38页第四段）。”这段文字说明了，化学平衡状态的达到与化学反应途径无关。即在相同的条件下,可逆反应无论从正反应开始还是从逆反应开始，还是从既有反应物又有生成物开始，达到的化学平衡状态是相同的，平衡混合物中各组成物质的百分含量保持不变，也就是等效平衡。
等效平衡的内涵是，在一定条件下（等温等容或等温等压），只是起始加入情况不同的同一可逆反应达到平衡后，任何相同组分的质量分数（或体积分数）都相同，这样的平衡互为等效平衡。
等效平衡的外延是它的分类，即不同类型的等效平衡以及其前提条件，这在具体的解题过程中有更广泛的应用。等效平衡可分为三种类型：
（1）等温等容下，建立等效平衡的条件是：反应物的投料相当。例如，在恒温恒容的两个相同容器中，分别投入1mol N2、3mol H2 与2mol NH3，平衡时两容器中NH3的质量分数相等。
（2）等温等压下，建立等效平衡的条件是：反应物的投料比相等。例如，在恒温恒压条件下的两个容器中，分别投入2.5mol N2、5mol H2 与5mol N2、10mol H2，平衡时两容器中NH3的质量分数相等。
（3）对于反应前后气体体积数不变的可逆反应，无论是等温等容还是等温等压，只要按相同比例投料，达平衡后与原平衡等效。
二． 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。下面我们看一看这种极限转换法在解题中的运用。
【例1】在1L密闭容器中通入2molNH3，在一定温度下发生下列反应：2NH3 N2 + 3H2，达到平衡时容器内N2的百分含量为a%，若维持容器的体积和温度不变，分别通入下列几组物质，达平衡时,容器内N2的百分含量也为a%的是( )。
A. 3mol H2和1mol N2
B. 2mol NH3和1mol N2
C. 2mol N2和3mol H2
D. 0.1mol NH3,0.95mol N2和2.85mol H2
【解析】这是一个“等效平衡”题。首先判断等效平衡的类型为等温等容下的等效平衡，平衡等效的条件是“反应物的投料相当”。投料相当如何体现在具体的物质当中呢？我们可以采用“一边倒”的极限法。凡能与起始时反应物2molNH3相同的,都可以得到N2的百分含量也为a%,即为等效平衡。根据方程式2NH3 N2 + 3H2分析:
A. 将3molH2和1molN2完全转化为NH3,生成NH32mol与起始时反应物2mol
NH3相同；
B. 2molNH3和1molN2,比起始时2molNH3多了1molN2；
C. 将3molH2和2molN2转化为NH3时生成NH32mol,同时余1mol N2,比起始时2molNH3多了1molN2;
D. 将0.95molN2和2.85molH2完全转化为NH3时生成NH3 1.9mol,再加上加入的0.1mol NH3，共为2mol NH3,与起始时2mol NH3相同。
故本题正确答案为A、D。
通过以上的例题分析，可以归纳出“等效平衡”题的解答步骤是：（1）判断题目是否属于“等效平衡”问题；（2）判断等效平衡类型及条件；（3）将已知反应物、生成物中的所有起始物质的物质的量，按化学方程式计量系数全部换算成反应物或生成物；（4）根据题设条件建立等效平衡关系式；（5）解关系式得出答案。
三． 好题精解
知道了“等效平衡”题的常规解题步骤和解题方法，大家处理起类似的问题来就会更有信心了。但是，想要把等效平衡问题融会贯通，还需要在一些综合性较强的题中体会“等效平衡”解题中“极限”的思想。下面提供一道综合性的“等效平衡”题，希望对大家深化对“等效平衡”的认识有所帮助。 【例2】150oC时,向如图所示的容器(密封的隔板可自由滑动,整个过程中保持隔板上部压强不变)中充入4LN2和H2的混合气体,在催化剂作用下充分反应(催化剂体积忽略不计),反应后恢复到原温度，平衡后容器体积变为3.4L,容器内气体对相同条件氢气的相对密度为5。
(1)反应前混合气体中V(N2)：V(H2)= ；反应达平衡后V(NH3)= ;该反应中N2的转化率为 。
(2)向平衡后的容器中充入0.2mol的NH3,一段时间后反应再次达到平衡（恢复到150oC）
充入NH3时,混合气体的密度将 ；在达到平衡的过程中,混合气体的密度将 (填“增大”、“减小”或“不变”)；反应重新达平衡时混合气体对氢气的相对密度将 5(填“>0”、“<0”或“=0”)；
【解析】
(1)从题干内容发现,反应的始态和终态温度和压强相等,前后体积之比等于物质的量之比,又由于终态的平均相对分子质量为10,所以不难算出反应前的平均相对分子质量为8.5,再利用十字交叉很易算出V(N2)：V(H2)=1：3;由此便不难求出反应达平衡后的V(N2)、V(H2)、V(NH3)分别为0.7L、2.1L、0.6L,转化率(N2)=0.3/1=30%。
(2)在第一次平衡体系(平均相对分子质量为5×2=10)中再加入0.2molNH3(相对分子质量为17)时,混合气体的密度无疑会增大。但是在达到第二次平衡过程中,是在上次平衡位置上向合成氨反应的逆方向移动,所以该过程中混合气体的密度将逐步减小。而达到第二次平衡时混合气体对氢气的密度仍将等于5。这是因为这两次平衡是属于等温等压下的等效平衡。
从两道例题的分析可以看出，解等效平衡的题，关键在理解概念，判断等效平衡的类型和条件。只要在这个关键问题上思路正确，就能采用极限转化法列出计算式。
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