等效平衡原理及其应用





1．等效平衡原理
相同条件下，同一可逆反应体系，不管从正反应开始，还是从逆反应开始，在达到化学平衡状态时，同种物质的物质的量分数(或体积分数)相同，这样的化学平衡互称为等效平衡。也就是所谓的等效平衡原理。
由于化学平衡状态与条件有关，而与建立平衡的途径无关。因而，同一可逆反应，从不同的状态开始，只要达到平衡时条件(温度、浓度、压强等)完全相同，则可形成等效平衡。
如恒温恒容下，可逆反应：
　 2SO2＋　O2   　2SO3
(1)2 mol　　1 mol　　0 mol
(2)0 mol  0 mol  2 mol
(3)0.5 mol  0.25 mol  1.5 mol
(1)从正反应开始，(2)从逆反应开始，(3)从正逆反应同时开始，由于(1)、(2)、(3)三种情况如果按方程式的系数关系折算成同一方向的反应物，对应各组分的物质的量均相等[如将(2)、(3)折算为(1)]，因此三者为等效平衡。
2．等效平衡规律
(1)在恒温、恒容条件下，对于反应前后Δνg≠0的可逆反应，只改变起始时加入物质的物质的量，如通过可逆反应的系数比换算成同一方向的物质的物质的量与原平衡相同，则达平衡后与原平衡等效。
(2)在恒温、恒容条件下，对于反应前后Δνg＝0的可逆反应，改变起始加入情况，只要通过可逆反应的系数之比换算成平衡式左右两边同一边物质的物质的量之比与原平衡相同，则达平衡后与原平衡等效。
(3)在恒温、恒压条件下，改变起始时加入物质的物质的量，只要按系数换算成同一方向的物质的物质的量之比与原平衡相同，则达平衡后与原平衡等效。
3．运用等效平衡原理解题的关键
(1)准确判断出两状态为等效平衡状态。
(2)分清是恒温、恒容条件下的等效平衡还是恒温、恒压下的等效平衡。
4．等效平衡的应用
对于有气体参加的可逆反应，在恒温条件下，涉及容积、压强及平衡移动方向判断的问题时，可设计一些等效平衡的中间状态来求解，利用这些等效的过渡平衡状态来分析，能降低思维难度，具有变难为易、变抽象为直观的作用。
[例证]　向某密闭容器中充入1 mol CO和2 mol H2O(g)，发生反应：CO＋H2O(g)CO2＋H2。当反应达到平衡时，CO的体积分数为x。若维持容器的体积和温度不变，起始物质按下列四种配比充入该容器中，达到平衡时CO的体积分数大于x的是(　　)
A．0.5 mol CO＋2 mol H2O(g)＋1 mol CO2＋1 mol H2
B．1 mol CO＋1 mol H2O(g)＋1 mol CO2＋1 mol H2
C．0.5 mol CO＋1.5 mol H2O(g)＋0.4 mol CO2＋
0．4 mol H2
D．0.5 mol CO＋1.5 mol H2O(g)＋0.5 mol CO2＋
0．5 mol H2
[解析]　这是一个气体体积不变的反应，加入CO和H2O的物质的量之比为1∶2时，即为等效平衡，CO的体积分数为x，由此可知A、D中CO的体积分数为x；B中相当于加入2 mol CO和2 mol H2O(g)，即相当于在原平衡的基础上再加1 mol CO，所以CO体积分数大于x；C相当于加入0.9 mol CO和1.9 mol H2O(g)，即相当于在0.9 mol CO和1.8 mol H2O(g)的基础上(与原平衡等效)再加入0.1 mol H2O(g)，所以CO的体积分数小于x。
[答案]　B


1．在一恒温、恒容的密闭容器中有如下平衡：H2(g)＋I2(g)2HI(g)，已知H2和I2的起始浓度均是0.10 mol·L－1，达到平衡时HI的浓度为0.16 mol·L－1。若H2和I2的起始浓度均变为0.20 mol·L－1，则平衡时H2的浓度是(　　)
A．0.16 mol·L－1　　　　　　    B．0.08 mol·L－1
C．0.04 mol·L－1                  D．0.02 mol·L－1
解析：运用等效平衡规律处理。假设第一种情况反应体系的体积为V L，第二种情况反应体系的体积为2V L，则在等温条件下，两者建立等效平衡。其中H2的平衡浓度相同，为0.02  mol·L－1(由第一种情况平衡时，HI的浓度为0.16  mol·L－1，可推知H2的转化浓度为0.08  mol·L－1，则H2的平衡浓度为0.02  mol·L－1)。这样，由第二种情况的体积为2V L压缩到V L时，平衡不移动，但H2、I2和HI的浓度均增大2倍，所以H2的平衡浓度为0.04  mol·L－1。
答案：C
2．某温度下，在一容积可变的容器中，反应2A(g)＋B(g)2C(g)达到平衡时，A、B和C的物质的量分别为4 mol、2 mol和4 mol。保持温度和压强不变，对平衡混合物中三者的物质的量作如下调整，可使平衡右移的是(　　)
A．均减半                  B．均加倍
C．均增加1 mol          D．均减小1 mol
解析：原平衡A、B、C的物质的量之比为2∶1∶2，选项A、B“均减半”、“均加倍”，与原平衡比例一致，为恒温、恒压条件下的等效平衡，因此平衡不移动。C可设想为两步加入，第一次加入1 mol A、0.5 mol B、1 mol C，此时平衡不移动，第二次再加入0.5 mol B(此法与一次性各加入1 mol等效)，增加反应物B的浓度，平衡正向移动。D中均减小1 mol，也可设想为两步进行，先将A减小1 mol、B减小0.5 mol、C减小1 mol，此时平衡不移动，再将B减小0.5 mol，减小反应物B的浓度，平衡逆向移动。
答案：C
3．在一定温度下，把2 mol SO2和1 mol O2通入一定容积的密闭容器里，发生如下反应：2SO2＋O22SO3，当此反应进行到一定程度时，反应混合物就处于化学平衡状态。现在该容器中维持温度不变，令a、b、c分别代表初始加入的SO2、O2和SO3的物质的量。如果a、b、c取不同的数值，它们必须满足一定的相互关系，才能保证达到平衡时，反应混合物中三种气体的百分含量仍跟上述平衡时的完全相同。
请填写下列空白：
(1)若a＝0，b＝0，则c＝________mol。
(2)若a＝0.5 mol，则b＝________mol和c＝________mol。
(3)a、b、c取值必须满足的一般条件是(请用两个方程式表示，其中一个只含a和c，另一个只含b和c)________________________。
解析：2SO2＋O22SO3是一个反应前后气体分子数不等的可逆反应，它在定温、定容下由2 mol SO2、1 mol O2、0 mol SO3建立起了化学平衡状态。若要在同温、同容且容积固定、n(SO2)为a mol、n(O2)为b mol、n(SO3)为c mol的条件下，建立起与上述相同的化学平衡状态，也就是下述五种不同情况均能建立起相同的化学平衡状态：
①2SO2＋O22SO3　④2SO2＋O22SO3
 2 mol　1 mol 　　0　　(a＋c)　(b＋)　0
②2SO2＋O22SO3　⑤2SO2＋O22SO3
　 0　 　0　 　2 mol　　　0　　0　　(c＋a)或
  (c＋2b)
③2SO2＋O22SO3　(a∶b＝2∶1)
a　　b　　　c
由②⑤知，a＝0、b＝0、c＝2；
由①④知a＋c＝2、b＋＝1，
若a＝0.5，则c＝1.5，b＝0.25。
答案：(1)2　(2)0.25　1.5　(3)a＋c＝2，b＋c＝1
4．在一固定容积的密闭容器中，保持一定温度，在一定条件下进行反应A(g)＋2B(g)3C(g)，已知加入1 mol A和3 mol B，且达到平衡后，生成a mol C。
(1)达到平衡时，C在反应混合气体中的体积分数是________(用字母a表示)。
(2)在相同的实验条件下，若在同一容器中改为加入2 mol A和6 mol B，达到平衡后，C的物质的量为________ mol(用字母a表示)，此时C在反应混合气体中的质量分数________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)在相同实验条件下，若在同一容器中改为加入2 mol A和8 mol B，若要求平衡后C在反应混合气体中质量分数不变，则还应加入C________ mol。
解析：(1)由于该反应是等体积反应，n总＝n平＝4 mol，＝＝。
(2)物质按比例增多，相当于对体系加压，平衡不移动，故质量分数不变。
(3)根据等效平衡原理，设还应加入C x mol，则
(2＋)∶(8＋x)＝1∶3，
解得x＝6。
答案：(1)　(2)2a　不变　(3)6