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2. 等效平衡的分类

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 在不同起始条件下,同一可逆反应达到平衡时,各组分的百分含量(或浓度)完全相同的状态。

从哪来 基于1. 三段式法建立物质变化量的定量关系,结合2. 转化率计算理解平衡组成,并依托模型3:等效平衡的核心概念进行逻辑推导。

为什么 化学平衡的本质是正逆反应速率相等,且平衡常数 $K$ 仅受温度影响。 对于恒温恒容下的气体反应,若反应前后气体分子数不变($\Delta n_g = 0$),压强变化不改变平衡位置,因此只要投料比相同,最终各组分浓度比例就固定,即等效。 若反应前后气体分子数改变($\Delta n_g \neq 0$),压强(或浓度)的变化会推动平衡移动。此时,只有当“极限转化”后的投料量完全相等,才能保证平衡时各物质的绝对浓度相同,从而实现等效。 简言之,等效平衡是平衡常数 $K$ 与特定约束条件(恒容/恒压、$\Delta n_g$)共同作用下的必然结果。

适合:逻辑抽象思维强、擅长数学推导的学生** **核心逻辑:极限转化法(一边倒)** 1. **原理
将反应物或生成物按化学计量数完全转化为同一侧(通常是反应物侧)。 2. 判断标准: * 恒温恒容: * 若 $\Delta n_g = 0$:转化后投料比相同 $\rightarrow$ 等效。 * 若 $\Delta n_g \neq 0$:转化后投料量完全相同 $\rightarrow$ 等效。 * 恒温恒压: * 无论 $\Delta n_g$ 如何,只要转化后投料比相同 $\rightarrow$ 等效。 3. 记忆口诀:“恒容看 $\Delta n$,$\Delta n=0$ 看比例,$\Delta n \neq 0$ 看总量;恒压只看比例。”
适合:形象思维好、喜欢类比和直观理解的学生** **核心逻辑:容器伸缩类比** 1. **场景
想象一个装有气体的容器。 2. 恒压(活塞可动):就像弹簧秤,只要投入的“原料包”比例一样,容器体积会自动调整,使得内部“拥挤程度”(浓度)一致。所以,恒压下,只要比例同,必等效。 3. 恒容(刚性瓶): * 如果反应前后分子数不变(如 $H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2HI$),分子总数不变,压强不变,相当于“恒压”的特例,所以比例同即等效。 * 如果反应前后分子数变(如 $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$),分子总数变,压强会变。如果投料比例同但总量不同,相当于一个瓶子大、一个瓶子小,大瓶子里气体更稀薄,平衡会向生成更多分子的方向移动,导致最终组成不同。所以必须总量也相同才等效。
讲法
适合:应试技巧型、需要快速解题步骤的学生 核心逻辑:三步判定法 1. 第一步:看条件。是恒容还是恒压? * 恒压 $\rightarrow$ 直接看投料比。 * 恒容 $\rightarrow$ 进入第二步。 2. 第二步:看 $\Delta n_g$。反应前后气体系数和是否相等? * 相等 ($\Delta n_g = 0$) $\rightarrow$ 直接看投料比。 * 不相等 ($\Delta n_g \neq 0$) $\rightarrow$ 进入第三步。 3. 第三步:做极限转化。 * 将所有物质折算成反应物。 * 若折算后的数值完全相等,则等效;若只是比例相等,则不等效(浓度不同,但百分含量可能相同,需注意题目问的是“浓度”还是“百分含量”,通常高中默认问浓度或百分含量,若问浓度则必须完全相等)。 * *注:若题目问“百分含量相同”,恒容 $\Delta n_g \neq 0$ 时,投料量不同则不等效;若投料量相同则等效。*
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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 $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$。 容器A中加入 2 mol $SO_2$ 和 1 mol $O_2$;容器B中加入 4 mol $SO_2$ 和 2 mol $O_2$。 问:达到平衡后,A、B两容器中 $SO_2$ 的转化率是否相同?$SO_2$ 的平衡浓度是否相同?
变式
在恒温恒压的密闭容器中,发生反应 $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$。 容器A中加入 1 mol $N_2$ 和 3 mol $H_2$;容器B中加入 2 mol $NH_3$。 问:达到平衡后,A、B两容器中 $N_2$ 的体积分数是否相同?
试试手自己判
检测题
在恒温恒容的密闭容器中,进行反应 $2A(g) + B(g) \rightleftharpoons 2C(g)$。 实验1:加入 2 mol A 和 1 mol B,达到平衡时 A 的转化率为 $\alpha_1$。 实验2:加入 4 mol A 和 2 mol B,达到平衡时 A 的转化率为 $\alpha_2$。 实验3:加入 4 mol C,达到平衡时 A 的转化率为 $\alpha_3$(注:此处指C转化为A的逆反应转化率,或等效地看A的生成量,通常比较A的平衡浓度或百分含量)。 问:$\alpha_1$、$\alpha_2$、$\alpha_3$ 的大小关系?
看答案和判分标准
答案:$\alpha_2 > \alpha_1$;$\alpha_3$ 对应的平衡状态与实验2等效(若问A的百分含量,则实验2和实验3相同;若问A的转化率,需具体定义,通常此类题比较的是平衡组成)。 *更严谨的问法*:实验2和实验3达到平衡时,A的体积分数是否相同?
判对标准:
1. 能识别出实验1和实验2是恒容、$\Delta n_g \neq 0$ 的情况,且实验2投料量是实验1的2倍,判断出实验2相当于加压,平衡正移,故 $\alpha_2 > \alpha_1$。
2. 能识别出实验3(4 mol C)极限转化后等于 2 mol A + 1 mol B,与实验1投料相同,但实验2投料是 4 mol A + 2 mol B。
3. *修正*:实验3加入 4 mol C $\rightarrow$ 2 mol A + 1 mol B。这与实验1投料相同。所以实验1和实验3是等效平衡。
4. 实验2投料是实验1的2倍,不等效,且 $\alpha_2 > \alpha_1$。
5. 最终结论:实验1和实验3等效(A的体积分数相同);实验2与它们不等效(A的体积分数不同,且 $\alpha_2 > \alpha_1$)。
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