再充入气体时平衡移动的方向与转化率的关系

1再充入气体时平衡移动的方向与转化率的关系探讨可逆反应2NO2≒N2O4,2HI≒I2(g)+H2,NH4HS≒NH3+H2S等分别达到平衡后，恒温再充入某些气体反应物时，平衡移动的方向应该怎样进行判断呢？是应该用压强分析，还是用浓度来解析呢?达到新平衡时反应物的转化率比起旧平衡体系又有什么变化呢？这往往是中学生在学习化学平衡中常常遇到的棘手问题。本文将就再充入气体时平衡移动的方向与转化率的关系进行剖析。1平衡移动的方向的判断依据1.1定性判断依据：勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件，平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。1.1.1平衡后再充入气体时，反应体系内各种气体按相同倍数增加（减少）时，改变平衡的条件是压强，即可用压强来判断平衡移动的方向和新、旧平衡时反应物转化率的相对大小。1.1.2平衡后再充入气体时，反应体系各种气体不是按相同倍数增加（减少）时，此时改变平衡的条件主要．．是浓度。1.2定量判断依据：浓度平衡常数Kc与平衡破坏时生成物浓度乘积与反应物浓度乘积之比Qc的相对大小对于一定条件下的可逆反应mA(g)+nB(g)≒pC(g)+qD(g)达到平衡后：………（1）式1.2.1恒温恒容时再充入A、B两种气体（按任意比），使A、B两种气体的物质的量浓度分别增加xmol•L-1,ymol•L-1时，则………（2）式∵QcKc,∴平衡向正反应方向移动。1.2.2恒温恒容时，按平衡时各种气体的体积比再充入A、B、C、D四种气体至物质的量的浓度为原来平衡时的K倍（或恒温压缩容积）时：（K1）………(3)式讨论：（1）当p+qm+n时平衡向正方应方向移动，αA、αB按相同比例增加（2）当p+q＝m+n时平衡不移动，αA、αB不变（3）当p+qm+n时平衡向逆方应方向移动，αA、αB按相同比例减少2新、旧平衡时转化率大小的比较2.1再充入气体时，各气体组分按相同的倍数增加（减少）时，直接用压强分析其转化率的相对大小。见1.2.2的讨论。2.2再充入气体时，各气体组分不是按向相同倍数增加并最终达到新平衡状态C时，可{C(A)}m·{C(B)}nKc={C(C)}p·{C(D)}q{C(A)+x}m·{C(B)+y}nQc={C(C)}p·{C(D)}q{KC(A)}m·{KC(B)}nQc={KC(C)}p·{KC(D)}q=Kc·K{(p+q)-{m+n)}2建立一个与旧平衡体系互为等效平衡的较大容积的中间平衡体系B来进行分析比较，如下图：ACB(图-1)∵αA＝αB,∴αB与αC决定了αA与αC的大小。讨论：(1)若B→C平衡向正方应方向移动，则αCαA(2)若B→C平衡不移动，则αC＝αA(3)若B→C平衡向逆方应方向移动，则αCαA3实例分析及结论3.1恒温恒容时，单分子气体反应物再充入该气体反应物或多种分子气体反应物按原始比再充入各种气体反应物：平衡向正反应方向移动；新、旧平衡时反应物转化率相对大小a=（反应物，新）（反应物，旧）按照增大体系压强分析，依（3）式有：当p+qm+n时a1;当p+q＝m+n时a=1;当p+qm+n时a1。例1恒温恒容，向容器内充入3molNO2气体，反应2NO2≒N2O4已达到平衡后，再充入NO2气体，①平衡向什么方向移动？②新、旧平衡时NO2的转化率的相对大小α（NO2新）α（NO2旧）(填、、=)【分析】①再充入NO2气体时，仅NO2物质的量的浓度升高，平衡向着正反应（降低NO2浓度）方向移动；或者依据(X0)得平衡向正方应方向移动。②按图－1模式建立下图：(图-2)∵Ⅱ→Ⅲ过程平衡向正方应方向移动,∴α（NO2新）α（NO2旧）同理：恒温恒容时，向容器内充入一定量的PCl5(g)，反应PCl5(g)≒PCl3(g)＋Cl2(g)已达到平衡后，再充入一定量的PCl5(g)，平衡向正反应方向移动,α（PCl5新）α（PCl5旧）;恒温恒容时，向容器内充入一定量的HI(g)，反应2HI(g)≒I2(g)＋H2(g)已达到平衡后，再充入一定量的HI(g)，平衡向正反应方向移动,α（HI新）＝α（HI旧）.{C(NO2)+X}2Qc=C(N2O4)KcⅠ再充入3molNO21L3molNO2已达平衡1L6molNO2已达平衡1L3molNO2已达平衡1L3molNO2已达平衡ⅢⅡ加压1L旧平衡1L旧平衡1L旧平衡1L新平衡压缩3例2恒温恒容时，向容器中按1：3的体积比充入N2、H2，反应N2＋3H2≒2NH3已达平衡后，如果再按1：3的体积比充入N2和H2（按原始体积比充入各组分气体）时，①平衡朝什么方向移动?②a=22（H，新）（H，旧）如何变化？【分析】①由（2）式知：QcKc,平衡向正反应方向移动②依图-1可知：a=22（H，新）（H，旧）13.2恒温恒压时，单分子气体反应物再充入该气体反应物或多分子气体反应物按原始比再充入气体反应物：平衡向正反应方向移动；新、旧平衡时反应物转化率相对大小a=（反应物，新）（反应物，旧）＝1，即新、旧平衡互为等效平衡。例3将例1中的条件改为恒温恒压时（其他条件不变），【分析】①恒温恒压充入NO2气体时，C(NO2)升高，C(N2O4)降低，v(正)v(逆)，平衡向着正反应方向移动。②显然有α（H2新）＝α（H2旧），新、旧平衡互为等效平衡。3.3多种分子气体反应物的反应中无论恒温恒容还是恒温恒压，只充入一种气体反应物或者部分组分气体反应物时，平衡一定向着正反应方向移动；达到新平衡时再充入气体的转化率比旧平衡降低，而其他气体反应物的转化率升高。例4恒温恒容时，反应2SO2(g)+O2(g)≒2SO3(g)达到平衡后再充入一定量的O2，平衡向正反应方向移动；α（O2新）α（O2旧）,α（SO2新）α（SO2旧）。3.4恒温恒容时,按平衡状态比充入各种气体物质时，其本质实际上就是增加体系压强，平衡移动的方向及反应物的转化率可由（3）式判断。例5某温度下，固定容积的容器中合成氨的反应达到平衡后，测得N2、H2、NH3的物质的量之比为3：9：5，若再按n(N2)：n(H2)：n(NH3)=3：9：5充入N2、H2、NH3，试问平衡将如何移动？新、旧平衡时反应物转化率之比a=（反应物，新）（反应物，旧）如何变化？【分析】平衡的移动由1.1.1可知，按平衡时各气体组分体积（物质的量）之比充入气体，即为加压，平衡向正反应方向移动；且a=22（H，新）（H，旧）1。3.5恒温恒压时,按平衡状态比充入各种气体物质时,平衡不移动，新、旧平衡互为等效平衡。3.6恒温恒容时,再充入各种气体反应物的物质的量之比不等于起始充入各种气体反应物的物质的量之比时，平衡一定向正反应方向移动，新平衡转化率可按例6中图-3方式4分析。例6恒温恒容时，向容器中按1：3的体积比充入N2、H2，反应N2＋3H2≒2NH3已达平衡后，如果再按2：3的体积比充入N2和H2，达到新平衡时，①平衡朝什么方向移动?②N2、H2的转化率比起原平衡转化率是如何变化的？【分析】①由（2）式知：QcKc,平衡向正反应方向移动②依图-3建立平衡C态比A态，H2、N2的转化率都提高了；D态比C态，H2的转化率进一步提高，但N2的转化率却降低了。所以，H2的转化率：α（H2、D）α（H2、A）,N2的转化率：α（N2、D）此时无法定性判断A态与D态的相对大小。如果要判断N2的转化率的变化，需运用Kc进行定量计算。3.7恒温恒容，充入的各种气体的体积比与原平衡时各种气体的体积比不同时：平衡移动的方向及反应物转化率的大小不仅与再充入各种气体的物质的量之比有关，还与原平衡体系中各物质的质量分数（ω）有关。例7恒温向容积为1L的容器内充入1molCl2和1molPCl3发生反应：PCl3(g)＋Cl2(g)≒PCl5(g)已达平衡。再向容器内充入Cl2，PCl3，PCl5各1mol，①平衡将朝什么方向移动？②新旧平衡体系中：,a如何变化？【分析】设平衡时PCl3浓度为Xmol·L-1，则当充Cl2，PCl3，PCl5各1mol时ω(PCl5新)ω(PCl5旧)=a1-XX2Kc=2-X(1+X)2Qc=D加压lL3molH2,1molN2已达平衡lL6molH2,3molN2已达平衡2L6molH2,2molN2已达平衡lL6molH2,2molN2已达平衡AC再充入3molH2,2molN2再充入1molN2B(图-3)5当时，平衡不移动，a不变。时，平衡向正反应方向移动，a增大。时，平衡向逆反应方向移动，a减小。所以，平衡移动的方向与原平衡ω(PCl5)有关。2-X(1+X)2=1-XX2X=√13+16X√13+16X√13+16