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1. 等效平衡的概念

化学平衡的计算与等效平衡 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 在相同条件下,不同起始投料经反应达到平衡后,各组分的百分含量(或浓度)完全相同的平衡状态。

从哪来 基于三段式法构建平衡体系,结合转化率计算理解投料比例,并依托模型3:等效平衡的模型思维进行推导。

为什么 化学平衡的本质是正逆反应速率相等,且受温度、压强(体积)及浓度共同影响。 对于恒温恒容体系,若投料换算后与原平衡的“化学计量数比例”一致,则体系内的相对浓度关系不变,根据质量作用定律,平衡常数 $K$ 不变,故平衡位置相同。 对于恒温恒压体系,由于体积可变以维持压强恒定,只要投料比例相同,各组分的分压(或浓度)就保持相同,因此平衡状态必然等效。 简言之,等效平衡是“殊途同归”,即不同的起始路径最终汇聚到同一个平衡点,其核心在于限制条件(恒容/恒压)决定了“比例”还是“绝对量”起决定作用。

【类比法:餐厅点餐】** 适合**形象思维强、抽象逻辑较弱**的学生。 把化学反应比作餐厅做菜。 * **恒容(固定锅大小)
就像一口固定大小的锅。如果你把“1份肉+2份菜”直接下锅,和把“2份肉+4份菜”先混合再取一半下锅,最后锅里肉菜的比例是一样的,味道(平衡组成)也一样。这就是等效。 * 恒压(自动伸缩锅):就像高压锅,压力恒定。如果你投入“1份肉+2份菜”,锅会膨胀;投入“2份肉+4份菜”,锅会膨胀得更大。但因为压力始终一样,肉和菜在锅里的密度(浓度)其实是一样的,所以最终味道(平衡组成)也完全一样。 * 关键点:告诉学生,恒容看“比例”,恒压看“比例”(因为体积变了,浓度没变)。
【数学代数法:极限推演】** 适合**逻辑严密、擅长计算**的学生。 利用三段式法进行极限推导。 设反应 $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$。 * **恒温恒容
若起始投料为 $n(A), n(B)$,平衡时 $A$ 的转化率为 $\alpha$。 若起始投料变为 $k \cdot n(A), k \cdot n(B)$。 由于体积 $V$ 不变,初始浓度变为原来的 $k$ 倍。 若反应前后气体分子数不变 ($a+b=c+d$),则 $K_c = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$,分子分母次数相同,浓度扩大 $k$ 倍,$K_c$ 不变,转化率 $\alpha$ 不变,故等效。 若反应前后气体分子数改变,浓度扩大 $k$ 倍,$K_c$ 表达式中分子分母变化幅度不同,平衡必移动,故不等效(除非 $k=1$)。 * 恒温恒压: 投料变为 $k$ 倍,压强不变,体积变为 $k$ 倍。 浓度 $c = n/V$,分子分母同乘 $k$,浓度不变。 因此 $K_c$ 不变,平衡不移动,转化率不变,故一定等效。
【守恒法:原子守恒与虚拟过程】** 适合**基础扎实、喜欢宏观视角**的学生。 引入“虚拟完全反应”的概念。 1. **一边倒
将所有反应物或生成物,假设完全转化为同一侧(通常是反应物侧)。 2. 比较: * 恒温恒容:比较转化后的物质的量之比是否与原平衡起始投料之比相同。若相同,且反应前后气体体积数不变,则等效;若气体体积数改变,则必须物质的量完全相等才等效。 * 恒温恒压:只要转化后的物质的量之比相同,即等效。 3. 原理:在恒压下,体积是变量,比例相同意味着浓度相同;在恒容下,体积是定值,比例相同仅意味着浓度比例相同,若气体摩尔数变化,总压改变,平衡移动。
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练一道
基础题
在恒温恒容的密闭容器中,发生反应 $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$。 已知起始投料为:$2\text{ mol } SO_2$ 和 $1\text{ mol } O_2$,达到平衡时 $SO_2$ 的转化率为 $\alpha$。 问:若起始投料为 $4\text{ mol } SO_2$ 和 $2\text{ mol } O_2$,达到平衡时 $SO_2$ 的转化率 $\alpha'$ 与 $\alpha$ 的关系是?
变式
在恒温恒压的密闭容器中,发生反应 $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$。 已知起始投料为:$1\text{ mol } N_2$ 和 $3\text{ mol } H_2$,达到平衡时 $N_2$ 的转化率为 $\alpha$。 问:若起始投料为 $0.5\text{ mol } N_2$、$1.5\text{ mol } H_2$ 和 $1\text{ mol } NH_3$,达到平衡时 $N_2$ 的转化率 $\alpha''$ 与 $\alpha$ 的关系是?
试试手自己判
检测题
在恒温恒容的密闭容器中,发生反应 $A(g) + B(g) \rightleftharpoons C(g)$。 实验1:起始加入 $1\text{ mol } A$ 和 $1\text{ mol } B$,平衡时 $A$ 的转化率为 $50\%$。 实验2:起始加入 $2\text{ mol } A$ 和 $2\text{ mol } B$,平衡时 $A$ 的转化率为 $\alpha$。 问:$\alpha$ 与 $50\%$ 的大小关系是?(填 $>$、$<$ 或 $=$)
看答案和判分标准
答案:$>$
判对标准:
1. 学生能识别出反应前后气体分子数变化 $\Delta n_g = 1 - 2 = -1 \neq 0$。
2. 学生能判断出实验2相当于在实验1基础上增大压强(恒容投料加倍)。
3. 学生能应用勒夏特列原理,得出平衡正向移动,转化率增大。
4. 若学生回答 $=$,说明混淆了恒容与恒压,或未考虑 $\Delta n_g$ 的影响,判错。
5. 若学生回答 $<$,说明对压强对平衡移动方向判断错误,判错。
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