等效平衡专题解析

等效平衡专题解析

一、等效平衡

等效平衡的含义：在一定条件（恒温恒容或恒温恒压）下，只是起始加入情况不同的同一可逆反应达到平衡后，任何相同组分的分数（体积、物质的量）均相等，这样的化学平衡互称为等效平衡。

在等效平衡中，还有一类特殊的平衡，不仅任何相同组分的分数（体积、物质的量）均相同，而且相同组分的物质的量均相同，这类等效平衡又互称为同一平衡。同一平衡是等效平衡的特例。 如：N 2＋3H 2 2NH 3在下列四个容器中均处于平衡状态，各组分物质的量分别为如下所

示。

A 21a mol N 2 , 21b mol H 2 , 2

1c mol NH 3 B a mol N 2 , b mol H 2 , c mol NH 3

C 2m mol N 2 , 2n mol H 2 , 2

g mol NH 3 D m mol N 2 , n mol H 2 , g mol NH 3

若A 、B 两容器T 、P 相同，则A 、B 两平衡互为等效平衡。若C 、D 两容器T 、V 相同，则C 、D 两平衡互为同一平衡。

二、建立等效平衡的条件

恒温恒压下或恒温恒容下，对于同一可逆反应，若两初始状态有相同的物料关系，则达到平衡后两平衡等效且实为同一平衡。

此处的相同是指广义的相同，即只要通过可逆反应的化学计量数关系换算成平衡式左右两边中某一边的物质的量，若两者相同则为有相同的物料关系。如

N 2＋3H 2 2NH 3 ① 1 3 0

② 0 0 2

③ 1

则①②③为具有相同的物料关系。

那么为什么具备了这些的条件就能达到同一平衡呢？如何形象地理解呢？我们来看例题。

例1某温度下，在1L 的密闭容器中加入1molN 2、3molH 2，使反N 2＋3H 2 2NH 3应达到平衡，测得平衡混合气中N 2、H 2、NH 3分别为、、。如果温度不变，只改变初始加入的

物质的量而要求达到平衡时N 2、H 2、NH 3的物质的量仍分别为、、，则N 2、H 2、NH 3的加入量用X 、Y 、Z 表示时应满足的条件：

(1)若X ＝0，Y ＝0， 则Z ＝

(2)若X ＝，则Y ＝ ， 则Z ＝

（3）若X ＝，则Y ＝ ， 则Z ＝

（4）X 、Y 、Z 应该满足的一般条件是则应满足的一般条件是（用含X 、Y 、Z 的关系式表示）

解析很显然，本题是求解T 、V 恒定时，达到同一平衡时，初始态的物料条件。

假若此反应为不可逆反应，那么1molN 2和3H 2能完全生成2NH 3，即从图中A 能达到C 但由于该反应可逆，故实际上只反应到B ，这就好比一条线路，从A 地经过B 地能达到C 地，那么A 从地正向出发能达到B 地，自然从C 地逆向出发也能达到B 地。X ＝0，Y ＝0， 则Z ＝

故(1)中若X ＝0，Y ＝0，则Z ＝2mol

从（1）的结果我们可以得以下的关系：

N 2＋3H 2 2NH 3 A 始1 1 3 0

B 平

C 始2 0 0 2

从始1到平衡需要一个时间过程，在这个过程中任意一个时刻各物质都有一个相应的量，那么以这个过程中任意一个时刻作初始状态，当然也能达到平衡状态的结果，这就好比上图中从A 地能达到B 地，那么以A 、B 两地间任意一点作出发点保持方向不变自然能达到B 地。 当X ＝ 时，很明显是始1至平衡过程中的一点，根据化学方程式可知：

N 2： 1 H 2： 3 NH 3：0

故当X ＝，则Y ＝，Z ＝

当X ＝时，很明显是始2至平衡过程中的一点，同理知Y ＝，Z ＝

当我们抛开平衡状态时，也可将X ＝、Y ＝、Z ＝看作从始1一直正向反应过程中达到的一个点，所以当我们不知道平衡时具体的数值，我们仍能据此求出Y 和Z 的值。同理可得： （1－X ）× 2 ＝ Z X ＋

2Z ＝ 1

(3－Y)×32 ＝ Z Y ＋ 2

3Z ＝ 3

说明：这类同一平衡所具备的物料关系，我们可以形象地记为过程与结果的关系，即将原初始状态至原平衡状态过程中任意一点作为初始状态，达到的平衡与原平衡互为同一平衡。

2.在恒温恒压下，对于同一可逆反应，若两初始状态具有相当的物料关系，则达到平衡后，两平衡互为等效平衡。

此处的相当是指按化学计量数换算成左右两边中同一边物质的量之比相同。

例如：N 2O(g )＋2O 2(g) N 2O 5(g) ① 2 3 0

② 3 0

③ 3

N 2 1mol H 2 3mol N 2 0.6mol H 2 1.8mol NH 3 0.8mol NH 3 2mol A B C

①中n （N 2O ）：n （O 2） ＝ 2 ：3

②中n （N 2O ）：n （O 2） ＝ 3 ：＝ 2 ：3

③中n （N 2O ）：n （O 2） ＝ ＋ ：(3＋3)＝ 2 ：3

则①②③的量相当

那么又如何形象地理解这一类等效平衡呢？这里仍以例题进行说明。

例2在一个盛有催化剂容积可变的密闭容器中，保持一定的温度和压强，进行以下反应：

N 2＋3H 2 2NH 3 已知加入1molN 2、4molH 2时，达到平衡后生amolNH 3（见表中已知项），在相同温度和压

强下保持平衡后各组分体积分数不变，对下列编号②～④的状态，填写表中空白。

解析 由题意知②与①的平衡状态互为等效平衡，②中平衡时NH 3的物质的量为①的一半，设①达到平衡的过程如下图。

设想我们可以用隔板将①中平衡状态均分为A 、B 两部分，那么A(B)与整体当然处于等效平衡且A(B)中NH 3的量为。所以我们可认为A(B)部分为②的平衡态，那么达到B 平衡态的初始状态当然也为达到①平衡态的初始状态的一半，即可用下图表示：

即达到②的平衡的初始的物质的量为： n(N 2)＝ , n(H 2)＝2mol , n(NH

3)＝0mol 而经过等量互换，当n(NH 3)＝1mol 时，

n(N 2)＝0mol , n(H 2)＝

同理知①为③这个整体的2/3，故③达到平衡时

n(NH3)＝3

/2a ＝ 同理，设始态NH 3为x ，平衡时为y

得x ＝ 2(g －4m ) y ＝ (g －3m )a

始态的物质的量mol 平衡时NH 3的物质的量mol N 2 H 2 NH 3

① 1 4 0 a

② 1 0.5a

③ 6 0

④ m g(g ≥4m)

已 知 编 号 N 2 1mol H 2 4mol NH 3 0mol 始NH 3 amol 平(N 2 H 2的量未标出)N 2 0.5mol H 2 2mol NH 3 0mol 始NH 3 0.5amol 平(N 2 H 2的量未标出)N 2 0.5mol H 2 2mol NH 3 0mol NH 3 0.5amol