浅析“相遇问题”物理模型在化学平衡中的应用

袁爽 龚文军

摘 要：在化学平衡中，等效平衡的反应热和转化率问题，是学生分析平衡问题的一大难点。本文通过借鉴物理“相遇问题”，用图示的方法，将这个难點化繁为简，使学生更容易理解和领悟。

关键词：物理“相遇问题”;等效平衡的反应热和转化率;图示法

首先看一个最简单的物理相遇问题：

甲地到乙地的公路长300km。两辆汽车同时从两地对开，甲车每小时行80km，行驶2h与乙车相遇。请问乙车行驶了多长距离？

这个问题用以下图示的方法很好解释：

这个相遇问题跟化学等效平衡很相似。下面的例题来说明这种“相遇”物理模型的应用。

例 在温度、容积相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如下

上表格中甲、乙两容器属于等量等效，区别在于甲是完全从反应物投料，乙完全从生成物投料。甲、乙两容器可以达到相同的平衡点。这样看，就跟上面甲、乙两辆车从两端出发达到相同的地点相遇是一回事。

该反应的反应热指的是：N2和H2（可逆反应）生成2mol NH3所释放的热量。对容器甲，投料1mol N2、3mol H2，生成的NH3少于2mol，放出的热量少于92.4kJ。对容器乙，投料2mol NH3，生成的N2少于1mol，H2少于3mol，吸收的热量少于92.4kJ。但容器甲和容器乙两个反应历程加起来，刚好相当于从1mol N2、3mol H2到2mol NH3。容器甲中所释放的热量和容器乙所吸收的能量刚好等于92.4kJ，即a+b=92.4kJ。

并且，从转化率角度来说，N2（或H2）的转化率和NH3的转化率之和刚好为100%，即α1+α2=100%。用图表示如下：

那么相遇问题能否分析容器乙和容器丙呢？

容器乙和容器丙不属于等效平衡。同样容积的容器中，容器丙的投料是容器乙的两倍，压强也是乙的两倍。而对于合成氨反应，压强越大越有助于生成氨气，也就是说丙中氨气百分含量更大，氨气的转化率比乙中的小。用图表示为：

从而可以推出结论：α1+α3<100%。

从以上分析可看出，化学等效平衡问题与物理相遇问题很相似。用相遇问题的图示法解决等效平衡的反应热和转化率问题，可以化繁为简，易于理解和分析，并易于迁移运用。

作者简介：袁爽，龚文军，湖北省武汉市，武汉六中。