一定条件(温度、体积一定或温度、压强一定)下的同一可逆反应,只是起始加入物质的情况不同,达到平衡后,任何相同组份的分数(体积分数、物质的量分数、质量分数)均相同,这样的化学平衡互称为等效平衡。
对于同一个化学反应,当加入的物质不同,或量不同时,如何判断两个平衡是等效的呢?我们知道,化学平衡状态的建立与条件(如浓度、温度、压强)有关,与途径无关,所以一个反应可以从正向开始,也可以从逆向开始,也可以正、逆方向同时开始(同时加入反应物与生成物),因此当加入的物质不同时,我们可以根据化学方程式中各反应物的化学计量数转化到方程式的一边,再进行比较。
当转化到方程式的同一边时,如果同种组份的浓度相等,那么其他条件不再变化时,则两平衡等效,称这种方法为初始浓度法,下面我以具体的实例分析如下。
一、恒温恒容下的等效平衡
第一种情况,对于反应前后气体体积发生变化的反应来说(即△V≠0的体系),依据方程式的化学计量数转化后,对应各物质的物质的量与原平衡起始态相同,即为等效平衡,此种情况下的平衡也即等同平衡
初始浓度法解析:既然各物质的物质的量与原平衡相同,那么它们的浓度也一定与原平衡等同。
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答案:C
解析:向2L密闭容器中放入1molA和1molB,A、B的初始浓度均为0.5mol/L,c项中将1molC和2molD转化到方程式的左边,也为1molA和1molB,因此初始浓度一样,均为0.5mol/L,两平衡等效,平衡时C的含量仍为m%。
第二种情况,恒温恒容下对于反应前后气体体积没有变化的反应来说(即△V=0的体系):依据方程式的化学计量数转化到一边后,只要反应物(或生成物)的物质的量的比例与原平衡起始态相同,两平衡等效。
初始浓度法解析:转化到一边后,反应物(或生成物)间的物质的量的比例与原平衡起始态相同,先恒温恒压,些时同种组份初始浓度相等的状态,因此与原平衡等效,然后再压缩或减压,根据勒夏特列原理,平衡不移动。
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解析:①此反应是一个反应前后体积不变的一个反应,在恒容下,加入2moLH2和4moLBr2,要满足初始浓度不变,体积应变为原来的3倍,此是H2、 Br2初始浓度不变,平衡等效,此时H2的转化率相同,平衡时HBr的体积分数相同,所以HBr的物质的量应变为原来的2倍,即为2a,
因为这是一个体积不变的反应,再把体积压缩到原来的状态时,平衡不移动,所以H2的转化率不变,平衡时HBr的体积分数不变,平衡时HBr的物质的量仍为2a
② n(HBr平衡)=0.5a mol,需要n(H2起始)=0.5 mol,n(Br2起始)=1 mol,n(HBr起始)=0 mol。而现在的起始状态,已有1 mol HBr,通过方程式转换到左边后,就相当于起始时有0.5 mol H2和0.5 mol Br2的混合物,为使n(H2起始):n(Br2起始)=1:2,则需要再加入0.5 mol Br2就可以达到了。故起始时H2和Br2的物质的量应为0 mol和0.5 mol。
二、恒温恒压下的等效平衡
对于气体体系,根据方程式计量数转化到一边,要反应物(或生成物)间的物质的量的比例与原平衡起始态相同,两平衡等效。
初始浓度法解析:因为是恒温恒压,根据化学计量数转化后,反应物(或生成物)间的物质的量的比例与原平衡起始态相同即同种组份初始浓度相等则平衡等效。
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答案:C
解析:恒温恒压下只要满足加入组份的配比相等即为等效,当x=5?y =5?时,4LC、0.8LD完全转化到方程式的左边,生成A、B分别为2.4L、1.6L,此时A、B的总量分别为3L、2L,则A、B间的配比为3:2,即不但配比相同,而且同种组份的物质的量相同,则同种组份的初始浓度一定相同,与原平衡等效,C的体积分数仍为m%。