状态的效果是完全相同的,即它们之间存在等效平衡关系。我们常采用"等价转换"的方法,分析和解决等效平衡问题。
(1)若a=0,b=0,这说明反应是从逆反应开始,通过化学方程式可以看出,反应从2 mol SO3开始,通过反应的化学计量数之比换算成和的物质的量(即等价转换),恰好跟反应从2 mol SO2和1 mol O2的混合物开始是等效的,故c=2。
(2)由于a=0.5<2,这表示反应从正、逆反应同时开始,通过化学方程式可以看出,要使0.5 mol SO2反应需要同时加入0.25 mol O2才能进行,通过反应的化学计量数之比换算成SO3的物质的量(即等价转换)与0.5 mol SO3是等效的,这时若再加入1.5 mol SO3就与起始时加入2 mol SO3是等效的,通过等价转换可知也与起始时加入2 mol SO2和1 mol O2是等效的。故b=0.25,c=1.5。
(3)题中要求2 mol SO2和1 mol O2要与a mol SO2、b mol O2和c mol SO3建立等效平衡。由化学方程式可知,c mol SO3等价转换后与c mol SO2和等效,即是说,和与a mol SO2、b mol O2和c mol SO3等效,那么也就是与2 mol SO2和1 mol O2等效。故有。
II类: 在恒温恒容下,对于反应前后气体体积不变的可逆反应,只要反应物(或生成物)的物质的量之比与原平衡相同,则两平衡等效。
例2:在一个固定容积的密闭容器中,保持一定的温度进行以下反应:
已知加入1 mol H2和2 mol Br2时,达到平衡后生成a mol HBr(见下表已知项),在相同条件下,且保持平衡时各组分的体积分数不变,对下列编号①~③的状态,填写下表中的空白。
解析:在定温、定容下,建立起化学平衡状态,从化学方程式可以看出,这是一个化学反应前后气体分子数相等的可逆反应。根据"等价转换"法,通过反应的化学计量数之比换算成同一边物质的物质的量之比与原平衡相同,则达到平衡后与原平衡等效。
①因为标准项中n(起始):n(起始):n(HBr平衡)=1:2:a,将n(H2起始)=2 mol,n(Br2起始)=4 mol,代入上式得n(HBr平衡)=2a。
②参照标准项可知,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,通过等价转换以后,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。
③设起始时HBr的物质的量为x mol,转换成H2和Br2后,则H2和Br2的总量分别为()mol和()mol,根据,解得。设平衡时HBr的物质的量为y mol,则有,解得。
III类: 在恒温恒压下,改变起始时加入物质的物质的量,只要按化学计量数之比换算成化学方程式的同一边物质的物质的量之比与原平衡相同,达到平衡状态后与原平衡等效。
例3:如图所示,在一定温度下,把2体积N2和6体积H2通入一个带有活塞的容积可变的容器中,活塞的一端与大气相通,容器中发生以下反应:(正反应放热),若反应达到平衡后,测得混合气体的体积为7体积。据此回答下列问题:
(1)保持上述反应温度不变,设a、b、c分别代表初始加入的N2、H2和NH3的体积,如果反应达到平衡后混合气体中各气体的体积分数仍与上述平衡相同,那么:
①若a=1,c=2,则b=_________。在此情况下,反应起始时将向_________(填"正"或"逆")反应方向进行。
②若需规定起始时反应向逆反应方向进行,则c的取值范围是_________。