浅析化学平衡移动中几个疑难问题

浅析化学平衡移动中几个疑难问题

阮洁

浙江诸暨牌头中学

摘要：通过对化学平衡移动中学生突出存在的问题的分析，归纳了常见几类问题的解决方法，特别针对于图像问题

关键词 ：化学平衡 问题研究

化学平衡是高考化学的主干知识，也是近几年高考的重点和热难点，但由于受高中教材深度、广度的限制，这一部分知识不仅抽象而且表述也非常模糊。一些模棱两可的问题,比如说什么是化学反应的可逆性；如何理解化学平衡的含义及其与化学反应速率之间的内在联系；导致化学平衡移动的各类因素以及带来的各种变化等等，为了突破平衡问题中的相关疑难问题，通过大量习题的分析，归纳出几种不同坏境下不同的解题方法。

1. 化 学反应平衡与化学反应速率---抓住瞬间

例1 反应CO₂(g)＋3H₂(g) CH₃OH(g)＋H₂O(g)　

恒温密闭容器中通入1molCO₂和3molH₂，当反应达到平衡后，维持温度和容积不变，t₁时刻再通入1molCO₂和3molH₂，t₂时刻再次达到平衡，请画出v_正，v_逆随时间的变化曲线图。

若 其他条件不变，将上述恒温恒容装置改成恒温恒压，请画出v_正， v_逆随时间的变化曲线图。

平衡移动的实质是外界条件的变化导致正逆反应速率发生不同程度的变化，而关键在对瞬间改变带来的影响的分析。如上题中，体系为恒温恒容下充入反应物，瞬间反应物浓度增大，故V_正增大，因此时体系体积不变，故生成物浓度不变，V_逆不变，V_正>V_逆，平衡正向移动。这种类型对大部分学生来说难度不大，解题正确率高，但当条件改为恒温恒压下充入反应物时，情况就不一样了，因为瞬间活塞移动了，体积增大，对于反应物来说，浓度增大的幅度大于体积的改变，故V_正增大，生成物的物质的量不变，体积增大，导致浓度减小，V_逆减小，但因反应物投入量与原始投入量相等，所以活塞会停留在原体积的两倍处使最终平衡的速率与原平衡相等，这样一来把题目难度就提升了不少。

2. 化学反应平衡与转化率---抓住最高点或最低点

例2（2017年4月选考）在常压、Ru/TiO₂催化下，CO₂和H₂混和气体（体积比1：4，总物质的量a mol）进行反应，测得CO₂转化率、CH₄和CO选择性随温度变化情况分别如图1和图2所示（选择性：转化的CO₂中生成CH₄或CO的百分比）．

反应ⅠCO₂（g）+4H₂（g）⇌CH₄（g）+2H₂O（g）△H₄

反应ⅡCO₂（g）+H₂（g）⇌CO（g）+H₂O（g）△H₅

①下列说法不正确的是　 　

A．△H₄小于零 B．温度可影响产物的选择性C．CO₂平衡转化率随温度升高先增大后减少

D．其他条件不变，将CO₂和H₂的初始体积比改变为1：3，可提高CO₂平衡转化率

讨论选项C，因为图1已经清楚的告诉我们CO₂的转化率随时间的变化先增后减，不少同学会选C，其实这类学生犯了典型的审题不清或者是对转化率和平衡转化率混淆不清的错误。图1和图2应该结合在一起观察，图2可知，在400℃之前只发生反应Ⅰ,对应于图1CO₂的转化率先增后减，为什么会出现这种不同的变化，关键在于对最高点的理解。其实曲线在上升过程中至最高点时，反应体系一直未处于平衡状态，直到最高点体系进入平衡状态，之后，随着温度的升高，平衡逆向移动，CO₂的转化率降低，而此区间的CO₂的转化率才称为平衡转化率，所以CO₂的平衡转化率随温度一直是下降的，选项C是错误的。识图过程中抓住关键点至关重要，本题中如果能理解最高点的意义也就不难做出判断了。

三、外界条件变化对物质状态的影响---抓住“反常”

例3 锅炉烟道气含CO、SO2，可通过如下反应回收硫：2CO（g）＋SO2（g） S（l）＋2CO2 （g）。某温度下在2 L恒容密闭容器中通入2mol SO2和一定量CO发生反应，5min后达到平衡，生成1mol CO2。其他条件不变时SO2的平衡转化率随反应温度的变化如图所示，请解释原因。

坐标图中显示的是SO2平衡转化率随反应温度变化之间的关系。根据勒夏特列原理可知，温度升高，平衡朝吸热反应的方向进行，因此SO2的平衡转化率随温度升高应该出现单调递增或者单调递减的变化。但是图像却呈现先增后减的变化，这一化学平衡中的“反常”引发了学生强烈的思维冲突。在常规思路无法解决的情况下，学生可以想象，平衡转化率为什么会随温度的改变出现相反的两种趋势，在445℃这个地方出现分歧，在其他没有外界因素干扰的情况下，学生不难想到445℃前后其实是两个不同的反应，温度升高之后液态硫吸收热量变成了气态硫，引起反应从放热到吸热的转变，从而导致了焓变的差异。

四、多因素共同作用下的化学平衡---重视催化剂

例4（2017年浙江10月五校联考）Ⅱ．已知：用NH₃催化还原NO_x时包含以下反应。

反应①：4NH₃(g) + 6NO(g) 5N₂(g) + 6H₂O(l) ∆H₁ < 0

反应②：4NH₃(g) + 6NO₂(g) 5N₂(g) + 3O₂(g) + 6H₂O(l) ∆H₂ > 0

反应③：2NO(g) + O₂(g) 2NO₂(g) ∆H₃ < 0

（ 3）为探究温度及不同催化剂对反应①的影响，分别在不同温度、不同催化剂下，保持其它初始条件不变重复实验，在相同时间内测得N₂浓度变化情况如下图所示。下列说法正确的是__________________ 。

A．在催化剂甲的作用下反应的平衡常数比催化剂乙时大

B．反应在N点达到平衡，此后N₂浓度减小的原因可能是温度升高，平衡向左移动

C．M点后N₂浓度减小的原因可能是温度升高发生了副反应

D．M点后N₂浓度减小的原因可能是温度升高催化剂活性降低了

讨论N点是否为平衡点。如果我们只看催化剂乙这一曲线，图中纵坐标显示的是在不同温度下经过相同时间的N₂浓度呈现先增后减的趋势，大部分学生似乎又出现了类似平衡先正向移动再逆向移动的想法，定势思维比较严重。平衡移动的前提是反应达到平衡状态，对于未达平衡的阶段是不适合用勒夏特列原理的。这样一来根据曲线变化学生们经过思考讨论总结了如下可能性：N点之前N₂浓度随温度升高而增加：N点之前反应未达平衡，属于平衡建立阶段，温度升高反应速率加快，相同时间内产生的N₂的量增加，浓度增加，所以前一阶段是从“速率”角度分析问题。再结合催化剂对速率的影响，若该阶段催化剂的活性随温度升高而增加，那么温度和催化剂两个因素对化学反应速率影响是一致的；若该阶段催化剂活性随温度升高而降低，那么温度对反应速率的影响大于催化剂对化学反应速率的影响。N点之后N₂浓度随温度升高而减少：①后阶段催化剂活性不变或者增加，温度升高，反应速率加快，反应不仅达到平衡而且往逆反应方向移动；②催化剂活性随温度升高而下降，但是温度对反应速率影响大于催化剂对化学反应速率影响，因此反应达到平衡且逆向移动；③催化剂活性随温度升高而下降（或者失活），且其对化学反应速率的影响大于温度对化学反应速率的影响，反应速率下降，未达平衡，相同时间内产生N₂减少；④温度过高，发生了其它副反应，导致N₂的量减少。

现在把一种催化剂变成了两种，图中两条曲线的变量仅为催化剂种类的不同，而催化剂在现阶段可认为只改变化学反应速率而不影响化学平衡。因此相同时间内N₂浓度的不同可以归结于反应速率的差异。分析对比，催化剂甲作用下的反应在相同温度下经过相同时间产生N₂的量均比催化剂乙作用下更高，因此催化剂乙这条曲线对应的点都不是平衡状态，而N点之后N₂下降的原因可以归结于③④的说法。

总之，化学平衡知识是教学中的难点，高考中的重点，只有加深对概念和原理的理解，掌握分析处理这类试题的规律、技巧、方法，并在平时的练习中多思多想。灵活运用，这部分重难点知识将会迎刃而解。

参考文献

［1］ 唐琴等.核心素养的学科构建［J］.江苏教育研究，2016（11）：24-26

［2］ 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学2（第5版）［M］.南京：江苏教育出版社，2014：33

［3］ 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理（第5版）［M］.南京：江苏教育出版社，2014