一道高考平衡题的剖析

田益民

（1江苏省姜堰中学化学 江苏 姜堰 225500；2南京师范大学化学与材料科学学院 江苏 南京 210097）

原 题：接触法制硫酸工艺中，其主反应在450℃并有催化剂存在下进行：2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)+190kJ。在一个固定容积为5L的密闭容器中充入0.20mol SO2和0.10mol O2，半分钟后达到平衡，测得容器中含SO30.18mol；若继续通入0.20mol SO2和0.10mol O2，再次达到平衡后，______mol＜n(SO3)＜______mol。

解 读：由于平衡状态的建立与途径无关，所以可以把原题理解为：450℃，在固定容积为5L密闭容器中，有催化剂存在下进行2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)，其中开始Ⅰ：0.20mol SO2和0.10mol O2， 平衡时生成SO30.18mol； 开始Ⅱ：0.40mol SO2和0.20mol O2，分析达到平衡时生成SO3物质的量的范围是多少。

质 疑：参考资料给出的答案均为0.36mol＜n(SO3)＜0.40mol，但笔者认为0.36mol＜n(SO3)＜ 0.38mol更加严密。

分 析：本题主要考查了外界条件对化学平衡的影响，中学生可以依据化学平衡移动原理（即勒夏特列原理）对具体问题进行分析，作为经验原理，它主要从定性的角度分析平衡的移动。但从命题意图看，本题重在定量分析，近几年高考化学更加注重了热力学中化学平衡常数的考查，原因就在于可以通过平衡常数的定量计算来验证原来通过勒夏特列原理定性得到的结论。但各省市的考查要求是不同的，譬如近几年上海市高考化学试题仅仅局限于化学平衡常数表达式的书写以及温度对化学平衡常数的影响，也有许多省市还要求学生能用化学平衡常数判断反应进行的方向、计算反应物的转化率等。那么此题能否运用化学平衡常数进行具体计算呢？下面采用经验平衡常数进行演示：

由于同一温度下，平衡常数不随浓度变化，因此若以0.40mol SO2和0.20mol O2为开始量，平衡常数仍然为40500 L·mol－1，设此时O2转化的物质的量为xmol。

一元三次方程式的求解可以借助卡丹公式或计算机程序，笔者利用相关程序软件解得x=0.184，经过代入验证，结果正确，开始Ⅱ达到平衡后SO3物质的量为0.368。然而上述方程式的求解已经超出中学要求，高考回避对高次方程式进行运算，所以该题考查平衡时SO3物质的量n（SO3）的极值范围而不计算具体值是必然的。

关于SO3物质的量的最小值，开始Ⅰ和开始Ⅱ建立的平衡显然是不等效的，也就是说转化率不同，解决两者转化率大小问题可以采取下列模型进行分析：

Ⅰ与Ⅲ的起始浓度、温度、压强均相等，所以Ⅰ与Ⅲ建立的平衡等效，Ⅰ中与Ⅲ中反应物转化率相同；将Ⅲ的体积压缩一半即为Ⅱ，所以Ⅱ相当于对Ⅲ加压，Ⅱ中反应物转化率大于Ⅲ中反应物转化率。由此不难发现，Ⅱ中反应物转化率大于Ⅰ中反应物转化率，Ⅱ中平衡时生成的SO3大于0.36mol。

关于SO3物质的量的最大值，如果从可逆反应的特点出发，SO2、O2不可能完全转化为SO3，那么SO3物质的量应小于0.40mol，其实这样的思考是不全面的。下面从两个角度进行剖析：

角度一：从平衡移动原理的角度进行分析，法国化学家勒夏特列总结出一条经验规律：如果改变影响平衡的条件之一（如温度、压强，以及参加反应的化学物质的浓度），平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动，这就是著名的勒夏特列原理。前面也提到该原理主要从定性的角度分析平衡的移动方向，但原理的描述中“减弱”二字也足以体现其中的一些定量奥秘，“减弱”不等于“消除”，更不能“逆转”。也就是说，平衡移动的结果决不会恢复到原来的平衡态，也更不会使被减弱的因素变得比维持原平衡的因素更强大。比如在平衡体系H2(g)+I2(g)⇌2HI(g)中，H2的物质的量为0.01mol，在其他条件不变时，向平衡体系中再充入0.01molH2，显然平衡向正反应方向移动，但根据“减弱”二字的含义，此时H2的减少量必然小于0.01mol，因此重新达到平衡后，0.01mol＜n(H2)＜0.02mol。 对于本题，开始Ⅰ：0.20mol SO2和0.10mol O2，平衡时生成SO30.18mol，再充入0.20mol SO2和0.10mol O2，平衡向正反应方向移动，由于平衡向正反应方向移动继续消耗的SO2、O2的物质的量必然分别小于0.20mol、0.10mol，所以新平衡体系中SO3的物质的量必然小于(0.18+0.20)mol。

综上所述，对勒夏特列原理和化学平衡常数的考查是高考化学的新增内容，化学平衡常数加深了师生对化学平衡知识的理解，从定量的角度解释许多平衡移动问题，但对高中生而言，不意味着所有与量相关的平衡题都适合运用化学平衡常数进行具体计算。个人认为平衡题的解决需要准确把握题型特点，借助相关理论合理择用解题策略进行突破，文中试题重在考查学生运用平衡理论知识进行极限分析的思维方式。笔者本着严谨的态度针对答案提出质疑，与同行商榷，不当之处，恳请批评指正，正所谓：“思则得之，不思则不得也！”

［1］ 吴国庆．无机化学（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2002：247

［2］ 宋心琦，何少华．化学反应原理［M］．北京：人民教育出版社，2007：28