巧用假想中間態(tài)模型解答平衡中比較類問題

化學(xué)平衡（特別是等效平衡）是高中化學(xué)知識(shí)體系中的重難點(diǎn)，而假想中間態(tài)模型是解答等效平衡問題的有效方法。本文提出假想中間態(tài)模型，構(gòu)建不同投料比、不同狀態(tài)下的假想中間態(tài)模型，用以分析并快速解答化學(xué)平衡中的比較類問題。一、假想中間態(tài)模型的適用情境對(duì)于同一個(gè)可逆反應(yīng)，以不同投料比或在不同狀態(tài)下進(jìn)行投料分別建立平衡，可通過構(gòu)建假想中間態(tài)模型比較最終平衡狀態(tài)各物理量（百分含量、轉(zhuǎn)化率等）的大小關(guān)系。運(yùn)用此模型進(jìn)行分析時(shí)，需要利用假想的平衡移動(dòng)過程，但并不解釋條件改變后平衡的真實(shí)移動(dòng)方向。例題1對(duì)反應(yīng)：初始投入2molSO3后建立平衡，平衡后SO3的轉(zhuǎn)化率為α，百分含量為6；之后再向此平衡體系中投入2molSO3。問：①投料后平衡向什么方向移動(dòng)？②再次建立平衡后SO3的轉(zhuǎn)化率、百分含量較初次平衡大小關(guān)系如何比較？分析①此問考查條件改變后平衡的真實(shí)移動(dòng)方向。向平衡體系中再次加入反應(yīng)物，使正逆反應(yīng)速率不再相等，打破原有平衡狀態(tài)使平衡發(fā)生移動(dòng)，可以從速率-時(shí)間圖像、濃度商和平衡常數(shù)大小關(guān)系、勒夏特列原理等方面解釋說明，得出結(jié)論：平衡正向移動(dòng)。②比較兩次平衡狀態(tài)相關(guān)物理量（SO3的轉(zhuǎn)化率、百分含量）的大小關(guān)系，可以構(gòu)建假想中間態(tài)模型進(jìn)行分析。二、假想中間態(tài)模型的構(gòu)建1.恒溫恒容條件下，比較倍數(shù)比投料平衡狀態(tài)恒溫恒容條件下，對(duì)于氣相反應(yīng)：建立倍數(shù)比投料下的“假想中間態(tài)模型”。初始投料按照反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)（amolA和bmolB）進(jìn)行投料，建立平衡狀態(tài)Ⅰ。為便于學(xué)生理解模型建構(gòu)原理，以最基礎(chǔ)的2倍投料為例構(gòu)建假想中間態(tài)模型，建立平衡狀態(tài)Ⅱ。建構(gòu)模型如圖1所示，以初始投料建立平衡狀態(tài)Ⅰ，以2倍投料建立假想過程（倍數(shù)比投料→構(gòu)建假想中間態(tài)→建立假想平衡狀態(tài)Ⅰ→抽隔板→加壓→平衡移動(dòng)），到平衡狀態(tài)Ⅱ。本文選取平衡時(shí)各物質(zhì)的百分含量（a%A、b%B、c%C和d%D）對(duì)倍數(shù)比投料平衡狀態(tài)進(jìn)行分析。任意倍數(shù)投料過程分析與之相似。（1）模型結(jié)論：恒溫恒容條件下，倍數(shù)比投料后平衡狀態(tài)等效于對(duì)原平衡增大壓強(qiáng)，根據(jù)勒夏特列原理可知，增大壓強(qiáng)使平衡向氣體系數(shù)和小的方向移動(dòng)。（2）平衡狀態(tài)對(duì)比分析：若a+b=c+d，增大壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)，所建立平衡Ⅱ與Ⅰ為等效平衡，則a%=a1%若a+b>c+d，增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)，所建立平衡Ⅱ與Ⅰ不是等效平衡，a%>a1%。若a+b＜c+d，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，所建立平衡Ⅲ與Ⅰ不是等效平衡，a%＜a1%。假想中間態(tài)模型的建立可解決例題1中提出的倍數(shù)比投料問題，對(duì)于反應(yīng)再次建立平衡后，使SO3平衡轉(zhuǎn)化率下降、百分含量增大。2.恒溫恒壓條件下，比較倍數(shù)比投料平衡狀態(tài)類比上述分析過程，在恒溫恒壓條件下，對(duì)于氣相反應(yīng)：可建立倍數(shù)比投料下的“似想中間態(tài)模型”。初始投料按照反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)（amolA和bmolB）進(jìn)行投料，建立平衡狀態(tài)Ⅰ。倍數(shù)比投料設(shè)計(jì)為2倍投料，建立如圖2所示的假想過程（倍數(shù)比投料→構(gòu)建假想中間態(tài)→建立假想平衡狀態(tài)Ⅰ→抽隔板），可得到平衡狀態(tài)Ⅱ。（1）模型結(jié)論：恒溫恒壓條件下，由于壓強(qiáng)恒定，抽隔板后無需壓縮為原體積，得到的平衡狀態(tài)與原平衡等效。（2）平衡狀態(tài)對(duì)比分析：倍數(shù)比投料下所建立的平衡Ⅱ與Ⅰ為等效平衡，則a%=a1%：例題2恒溫恒壓條件下，將一定體積的SO3充入密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)：并建立平衡。保持溫度不變，再充入一定量的SO3，達(dá)到新平衡后，下列物理量與原平衡相比增大的是（）。分析再充入一定量的SO3，分析平衡狀態(tài)各物質(zhì)含量，需要用到假想中間態(tài)模型。恒溫恒壓條件下，倍數(shù)比投料與原平衡等效，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率不變，故B選項(xiàng)錯(cuò)誤。各物質(zhì)百分含量不變，則濃度比值不變，故C選項(xiàng)錯(cuò)誤。倍數(shù)比投料后體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量均加倍，故A選項(xiàng)正確。D選項(xiàng)為平衡常數(shù)倒數(shù)的表達(dá)式，只與溫度有關(guān)，故D選項(xiàng)錯(cuò)誤。答案：A。三、構(gòu)建假想中間態(tài)模型，巧解環(huán)境對(duì)比類問題1.比較恒溫恒容和恒溫恒壓條件下的平衡狀態(tài)對(duì)于氣相反應(yīng)：按照反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)（amolA和bmolB）進(jìn)行投料，建立不同狀態(tài)下的“假想中間態(tài)模型”，如圖3所示。恒溫恒壓條件下，對(duì)于氣體分子數(shù)增大（a+bc+d）的反應(yīng)容器體積減?。▽?duì)應(yīng)平衡狀態(tài)Ⅲ），基于此，對(duì)比恒溫恒容下的平衡狀態(tài)Ⅰ運(yùn)用假想過程（構(gòu)建假想中間態(tài)Ⅰ→拉伸／壓縮→假想中間態(tài)2→平衡移動(dòng)），從而可分別得到平衡狀態(tài)Ⅱ和Ⅲ。（1）平衡狀態(tài)對(duì)比分析若a+b=c+d，相較恒容體系，恒壓體系在反應(yīng)過程中體積不變，所建立平衡與恒溫恒容條件下的平衡等同。若a+b＜c+d（氣體系數(shù)和增大），相較恒容體系，恒壓體系在反應(yīng)過程中體積增大，可假想成在平衡狀態(tài)Ⅰ基礎(chǔ)上進(jìn)行拉伸處理，相當(dāng)于減壓，減壓導(dǎo)致平衡向著氣體系數(shù)大的方向即正向移動(dòng)，則a%>a1%。若a+b>c+d（氣體系數(shù)和減?。噍^恒容體系，恒壓體系在反應(yīng)過程中體積減小，可假想成在平衡狀態(tài)Ⅰ基礎(chǔ)上進(jìn)行壓縮處理，相當(dāng)于加壓，加壓導(dǎo)致平衡向著氣體系數(shù)小的方向即正向移動(dòng)，則a%>a2%。（2）得出結(jié)論：起始投料相同時(shí)，若a+b=c+d，兩次平衡為等效平衡，兩體系中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率相等；若a+b≠c+d，兩次平衡不是等效平衡，恒溫恒壓體系中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率較恒溫恒容體系大。3）特別注意：起始投料若為反向投料，此結(jié)論不適用，但可利用本文提出假想中間態(tài)模型進(jìn)行分析推導(dǎo)，可用于實(shí)際教學(xué)中學(xué)生模型應(yīng)用能力的培養(yǎng)與檢驗(yàn)。2.比較恒溫恒容和絕熱恒容條件下的平衡狀態(tài)對(duì)于氣相反應(yīng)：按照反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)（amolA和bmolB）進(jìn)行投料，建立不同狀態(tài)下的“假想中間態(tài)模型”。具體而言，恒溫恒容條件下，建立平衡狀態(tài)Ⅰ。根據(jù)圖4所示，絕熱恒容條件下，對(duì)于正反應(yīng)放熱的化學(xué)反應(yīng)而言，反應(yīng)過程中體系溫度升高（對(duì)應(yīng)平衡狀態(tài)Ⅱ），對(duì)于正反應(yīng)吸熱的化學(xué)反應(yīng)而言，反應(yīng)過程中體系溫度降低（對(duì)應(yīng)平衡狀態(tài)Ⅲ），基于此，對(duì)比恒溫恒容條件下的平衡狀態(tài)Ⅰ，可運(yùn)用假想過程（構(gòu)建假想中間態(tài)1→升溫／降溫→平衡移動(dòng)），從而可分別得到平衡狀態(tài)Ⅱ和Ⅲ。（1）平衡狀態(tài)對(duì)比分析：若正反應(yīng)放熱，絕熱體系在反應(yīng)過程中溫度升高，相當(dāng)于在平衡狀態(tài)→基礎(chǔ)上進(jìn)行升溫處理，升溫導(dǎo)致平衡向著吸熱方向即逆向移動(dòng)，a%若正反應(yīng)吸熱，絕熱體系在反應(yīng)過程中溫度降低，相當(dāng)于在平衡狀態(tài)→基礎(chǔ)上進(jìn)行降溫處理，降溫導(dǎo)致平衡向著放熱方向即逆向移動(dòng)，a%（2）得出結(jié)論：起始投料相同時(shí)，恒溫恒容體系中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率較絕熱恒容體系大。（3）特別注意：起始投料若為反向投料，此結(jié)論不適用，但可利用本文提出的假想中間態(tài)模型進(jìn)行分析推導(dǎo)，可用于實(shí)際教學(xué)中學(xué)生模型應(yīng)用能力的培養(yǎng)與檢驗(yàn)。例題2在甲、乙、丙3個(gè)不同密閉容器中按不同方式投料，一定條件下發(fā)生反應(yīng)（起始溫度和起始體積相同）：相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，問：3個(gè)體系中平衡時(shí)AB3濃度的大小關(guān)系。分析本題3種狀態(tài)投料方向不同，不可直接利用本文所得結(jié)論。但可依據(jù)本文所建立的方法進(jìn)行分析。運(yùn)用等效平衡中的“一邊倒，全相等”規(guī)律可知：在環(huán)境狀態(tài)相同情況下，甲、乙、丙3種投料方式所建立平衡狀態(tài)等同。在此基礎(chǔ)上再依據(jù)條件進(jìn)行分析，以恒溫恒容體系（甲）作為標(biāo)準(zhǔn)建立平衡狀態(tài)Ⅰ，恒溫恒壓體系（丙）初始投料為2molAB3，發(fā)生反應(yīng)：在反應(yīng)過程中體積增大，可假想成在平衡狀態(tài)Ⅰ基礎(chǔ)上進(jìn)行拉伸及減壓處理，減壓導(dǎo)致平衡向著生成A2和B2的方向移動(dòng)，使AB3濃度減小。類似的，以恒溫恒容體系（甲）作為標(biāo)準(zhǔn)建立平衡狀態(tài)