例析化学平衡状态的判断标志

化学平衡是中学化学最重要的基本理论之一,在高考中重现率高达100%,而平衡状态的判断是本部分重点考查的知识点之一。如何判断可逆反应是否达到化学平衡?我们可从以下这些标志加以判断。

1.本质标志

化学平衡状态的本质标志是:对同一物质表示的正反应速率等于逆反应速率,但不等于零,即v=v。对同一物质来说,消耗速率等于生成速率。

2.等价标志

所谓“等价标志”是指可以间接衡量某一可逆反应是否达到化学平衡状态的标志。

(1)可逆反应的正、逆反应速率不再随时间而发生变化。

(2)体系中各组成成分的物质的量浓度、体积分数、物质的量分数或质量分数保持不变。

(3)对同一物质而言,单位时间该物质所代表的正反应的转化浓度和所代表的逆反应的转化浓度相等的状态。

(4)对同一物质而言,断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。

(5)对不同物质而言,一种物质所代表的正反应速率和另一种物质所代表的逆反应速率的比值等于它们化学方程式中的化学计量数(系数)之比。

3.特殊标志

所谓“特殊标志”是指在特定环境、特定反应中,能间接衡量某一可逆反应是否达到化学平衡状态的标志。

(1)对于全部是气体参与的反应,且反应前后气体计量数不相等的可逆反应,若反应体系中混合气体的平均相对分子质量不再随时间而变化,则反应达到平衡状态。

(2)对于有气体参加的反应,且反应中气体反应物和气体生成物的计量数不相等的可逆反应(体系中可存在固、液态物质),当恒温、恒容时,若反应体系中的总压强不再随时间而变化,则反应达到平衡状态;当恒温、恒压时,若反应体系中的体积不变,混合气体的密度不变,则反应达到平衡状态。

(3)由于任何化学反应都伴随有能量的变化,因此在其他条件不变的情况下,当总体系温度一定时,则反应达到平衡状态。

(4)对于有有色物质参加的可逆反应,若体系颜色不变,则反应达到平衡状态。

例1.下列说法可以证明反应2HI(g)?葑H(g)+I(g)已达到平衡状态的是() 。

①单位时间内生成n mol的H,同时生成n mol的HI;

②一个H―H键断裂的同时有两个H―I键断裂;

③HI的体积分数与I的体积分数相等;

④c(HI)∶c(H)∶c(I)=2∶1∶1;

⑤温度和体积一定时,某一生成物的浓度不再变化;

⑥温度和体积一定时,混合气体的颜色不再变化;

⑦温度和体积一定时,容器内气体的压强不再变化;

⑧温度和压强一定时,容器的体积不再变化;

⑨温度和体积一定时,混合气体的平均分子质量不再变化;

⑩温度和压强一定时,混合气体的平均分子质量不再变化;

{11}温度和体积一定时,混合气体的密度不再变化;

{12}温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化。

解析:对①:单位时间内生成n mol H即消耗2n mol HI,依选项①,此时只生成n mol HI,说明HI的浓度还在变化,不能证明反应已达平衡状态;对②:一个H―H键断裂的同时有两个H―I键断裂,这意味着单位时间内消耗1 mol H的同时消耗2mol HI,而消耗2mol HI说明同时生成1mol H与1mol I,即H的浓度保持不变,可以证明反应已达平衡状态;对③、④:W(HI)=W(I)及c(HI)∶c(H)∶c(I)=2∶1∶1,这两个等式可能是在平衡建立过程中出现的,不能说明各组分的浓度保持不变,因此不能证明反应已达平衡状态;对⑤、⑥:某一生成物的浓度不再变化,混合气体的颜色不再变化即I蒸汽的浓度不变,都可以直接证明反应已达到平衡状态;对⑦―{12}:此反应前后气体体积不变,即气体的总物质的量(n)一定,由质量守恒定律可知气体的总质量(m)一定。当温度和体积一定时,P与n成正比关系,因而容器内气体的压强始终不变;当温度和压强一定时,V与n成正比关系,因而容器的体积始终不变。无论是恒温恒压,还是恒温恒容,根据M=m/n,ρ=m/V可知混合气体的平均分子质量、混合气体的密度始终是个定值。

答案:②⑤⑥。

例2.在一个不传热的固定容积的密闭容器中,可逆反应mA(g)+nB(g)=pC(g)+qD(g),当m、n、p、q为任意正整数时,达到平衡的标准是()。

①体系的压强不再发生变化;②体系的温度不再发生变化;③各组分的物质的量浓度不再发生变化;④各组分的质量分数不再发生变化;⑤反应速率v(A):v(B):v(C):v(D)=m:n:p:q。

A.①③⑤ B. ②③④ C.①④⑤ D. ①②③④⑤

解析:如果m+n=p+q,则任意时体系内的压强、混合气体的平均相对分子质量都相等,不能作为判断的标准,否则成立。任何化学反应都有吸热或放热,温度改变一定是非平衡状态。各组分的物质的量浓度不变、各组分的质量分数不变,各组成成分的百分含量保持不变,即平衡状态。

答案:B。

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