化學平衡這部分內容是高中基礎理論知識中最難理解的部分之一。下面就解化學平衡題的假設思想做一些探討。
一、極端假設
例1、在一密閉容器中進行反應:2SO 2 (g)+O 2 (g) 2SO 3 (g)。已知反應過程中某一時刻SO 2 、O 2 、SO 3 的濃度分別為0.2mol·L -1 、0.1mol·L -1 、0.2mol·L -1 。當反應達到平衡時,可能存在的資料是( )
A. SO 2 為0.4mol·L -1 ,O 2 為0.2mol·L -1
B. SO 3 為0.25mol·L -1
C. SO 2 、SO 3 均為0.15mol·L -1
D. SO 3 為0.4mol·L -1
分析:A項資料表明,題中0.2mol·L -1 的SO 3 完全轉化成了SO 2 和O 2 即平衡時,c(SO 3 )=0,這是不可能的;B項資料表明在題給濃度的基礎上又有0.05mol·L -1 SO 2 和0.025mol·L -1 O 2 化合成0.05mol·L -1 SO 3 ,這是可能的;C項資料表明SO 2 、SO 3 的濃度都是在原濃度基礎上減少了0.05mol·L -1 ,這也是不可能的;D項資料表明SO 2 完全轉化成了SO 3 ,即平衡時c(SO 2 )=0、c(O 2 )=0,這也是不可能的。
答案:B
二、過程假設
例2、一容積恆定的密閉容器中盛有1mol PCl 5 ,加熱到200℃時發生反應:PCl 5 (g) PCl 3 (g)+Cl 2 (g),反應達到平衡時,PCl 5 所佔體積百分數為M%,若在同一溫度下和同一容器中,最初投入的是2mol PCl 5 ,反應達到平衡時,PCl 5 所佔體積百分數為N%,則M和N的正確關係是( )
A. M>N
B. M<N
C. M=N
D. 無法比較
分析:兩個容積相同的容器各裝有1mol PCl 5 ,建立完全相同的平衡狀態,PCl 5 所佔體積百分數為M%;以M%的兩個狀態(I)合併成過渡狀態(Ⅱ),因外界條件不變,狀態(Ⅱ)中PCl 5 的體積百分數仍為M%;恆溫下加壓,使狀態(Ⅱ)體積縮小一半,則構成狀態(Ⅲ),它相當於在原容器中加入2mol PCl 5 後達到的平衡狀態。在狀態(Ⅱ)→狀態(Ⅲ)的過程中,因壓強增加,狀態(Ⅱ)中化學平衡向逆反應方向移動,PCl 5 的體積百分數增大,即N%>M%。其思路可用下圖表示:
答案:B
三、狀態假設
例3、在密閉容器中的一定量混合氣體發生反應:a A(g)+b B(g) c C(g),達到平衡後,測得A的濃度為0.7mol·L -1 ,在溫度不變的情況下,將容器的容積擴大到原來的兩倍,測得A的濃度為0.4mol·L -1 ,則下列判斷正確的是( )
A. a+b<c
B. C的體積分數下降
C. B的濃度增大
D. A的轉化率增大
分析:假設改變條件平衡不發生移動,則A的濃度應該為0.35mol·L -1 ,但現在為0.4mol·L -1 ,說明平衡向生成A的方向(逆向)移動了,則C的體積分數下降,A、B的轉化率減小;擴大容積等效於減小壓強,所有物質的濃度均減小,反應速率均減慢;減小壓強平衡向逆反應方向移動,說明左邊氣體的化學計量數之和大於右邊,即a+b>c。
答案:B
四、可能假設
例4、在一密閉的容器中充入2mol A和1mol B,發生反應2A(g)+B(g) x C(g),達到平衡後,C的體積分數為w%;若維持容器的容積和溫度不變,按起始物質的量A:0.6mol、B:0.3mol、C:1.4mol充入容器,達到平衡後,C的體積分數仍為w%,則x的值( )
A.只能為2
B.只能為3
C.可能為2,也可能為3
D.無法確定
分析:這是一道關於在恆溫恆容條件下的等效平衡問題,應該分x=3和x≠3兩種情況進行分析。由題給條件分析可得C項正確。
答案:C
五、“慣性”假設
例5、在恆溫恆容的密閉容器中進行反應A(g) B(g)+C(g);△H>0。若反應物濃度由4mol·L -1 降到1.6mol·L -1 需40s,那麼反應物濃度由1.6mol·L -1 降到0.4mol·L -1 所需時間( )
A. 等於20s
B. 大於20s
C. 小於20s
D. 無法判斷
分析:由平均反應速率的計算公式 可計算出濃度由1.6mol·L -1 降到0.4mol·L -1 所需時間為20s。但是,由於濃度越低反應速率越慢,所以,實際需要的時間會大於20s。
答案:B
六、等效假設
例6、將2.0mol SO 2 氣體和2.0mol SO 3 氣體混合於固定容積的密閉容器中,在一定條件下發生反應:2SO 2 (g)+O 2 (g) 2SO 3 (g),達到平衡時SO 3 為n mol。在相同溫度下,分別按下列配比在相同密閉容器中放入起始物質,平衡時SO 3 等於n mol的是( )
A. 1.6mol SO 2 +0.3mol O 2 +0.4mol SO 3
B. 4.0mol SO 2 +1.0mol O 2
C. 2.0mol SO 2 +1.0mol O 2 +2.0mol SO 3
D. 3.0mol SO 2 +1.0mol O 2 +1.0mol SO 3
分析:依據恆溫恆容下建立等效平衡的條件:投料量相等。將備選項中O 2 完全轉化後,得如下資料:
A. 1.0mol SO 2 +1.0mol SO 3
B. 2.0mol SO 2 +2.0mol SO 3
C. 4.0mol SO 3
D. 1.0mol SO 2 +3.0mol SO 3
與題幹比較,可知只有B項符合題意。
答案:B
七、賦值假設
例7、下列的可逆反應在一定條件下達到平衡後,2A(g) B(g)+x C(g),容器內壓強增加了p%,A的轉化率也為p%,則x的值為( )
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
分析:假設起始容器內充入2mol A,並令p=100,即2mol A完全分解時,容器內的壓強增加了一倍,從而由題中的反應式速推x=3。
答案:C
八、反證假設
例8、已知氟化氫氣體中存在著下列平衡:2(HF) 3 3(HF) 2 ,(HF) 2 2HF。若平衡時氣體的平均摩爾質量是42g·mol -1 ,試論證(HF) 3 的體積分數必大於10%。
解析:設(HF) 3 佔的體積分數為x,(HF) 2 佔的體積分數為y,則HF佔的體積分數為1-x-y。則:60x+40y+20×(1-x-y)=42,化簡為2x+y=1.1,因為1-x-y>0,x+y<1,所以x=1.1-(x-y)>0.1 ,即(HF) 3 的體積分數必大於10%。