高中化学“化学平衡”教学札记二则

张子宏

（甘肃省永登县连铝学校，甘肃 永登）

化学平衡是高中化学的重要内容之一，对于帮助学生构建科学思想体系、提升化学学科核心素养有重要意义。在多年高中化学教育教学的实践中发现，学生对化学平衡的概念理解相对容易，但对于一定条件下，通过不同途径建立化学平衡状态的“等效平衡”理解较难，往往不能灵活地运用“等效平衡”的思想解决相关问题。本文旨在：（1）依据多年教学心得感悟，结合问题实例的讲解，帮助学生构建“等效平衡”思想；（2）“化学平衡常数K”在解决化学平衡相关问题中运用的理解，从“定性”与“定量”两个维度助力学生加深对“等效平衡”概念内涵的理解，促进学生“平衡思想”化学核心素养的形成，进一步提升学生在新情境下解决问题的迁移能力。

一、构建“等效平衡”思想，提高解决化学平衡相关问题能力

“等效平衡”概念的理解，核心在于通过不同途径建立的平衡，若平衡时各平衡中相关组分的物质的量的分数相同，则等效。“等效”者相当也，“相当”者可相同，也可不同而相当也。

“等效平衡”的构建依据基于化学平衡的性质，化学平衡是状态函数，只与状态有关，与平衡建立的途径无关，与建立平衡所需的时间无关。构建“等效平衡”的根本依据是“平衡时各平衡中相关组分的物质的量的分数相同”。

【例题1】已知反应2H2（g）+ CO（g）⇌CH3OH（g）△H = -99 kJ·mol-1。恒温恒容下，向三个容积相同的密闭容器中分别充入气体：（X）2 mol H2和1 mol CO；（Y）1 mol H2和 0.5 mol CO；（Z）1 mol CH3OH。恒温恒容下反应达到平衡时，比较反应放出或吸收热量的数值Q：QX、QY、QZ的关系。

解析：由X、Y、Z 三种途径中各物质的量的关系可知，X、Z 属于等效平衡，但QX与 QZ的关系究竟如何呢？通过以下定量化推导可知：设该条件下，X 中CO 的转化率为 a，则 Z 中 CH3OH 的转化率为（1-a）。

显然，只有当转化率a=0.5 时，QX=QZ；当转化率a＜0.5 时，QX＜QZ；当转化率 a＞0.5 时，QX＞QZ。

X、Y 相比，Y 相当于减压使容器的容积变为原容积的2 倍，减压会使该平衡逆向移动即 QX＞2QY。

【例题 2】可逆反应 A（g）+3B（g）⇌2C（g）△H=-Q（Q＞0）kJ·mol-1。现两个密闭容器 M、N，容积相同且不变。向M 中加入xmolA 和3xmolB，一定条件下达到平衡，放出Q1kJ 的热量；在同条件下，向N 容器中加入2x mol的C，达到平衡后吸收Q2kJ 的热量，已知，Q1=3Q2，求N途径中C 的转化率。

解析：M、N 两种途径是等效平衡，且 M、N 两种途径平衡时反应各组分的物质的量完全相同。

设M 途径达到平衡时A 的转化率为a，则N 途径达到平衡时 C 的转化率为（1-a），Q1=1xa：·Q kJ，则 Q2=2x（1-a）/2：·Q kJ=（1-a）x·Q kJ。

根据已知：Q1=3Q2，解得：a=0.75。

所以，N 途径中 C 的转换率为：1-a=0.25。

【例题3】已知可逆反应PCl3（g）+Cl2（g）⇌PCl5（g）△H = -Q（Q＞0）kJ·mol-1。往容积一定的密闭容器中充入2.0mol PCl3和1.0 mol Cl2，条件一定发生反应且达到平衡，PCl5为 0.40 mol，此时移走 1.0 mol PCl3和0.50 mol Cl2，相同条件下再次达到平衡，求此过程中反应的热效应。

解析：该过程属于化学平衡移动问题，要求此过程中的反应热，需利用该温度下的平衡常数，再求出PCl5的变化的物质的量，方可求出此过程的反应热。

设该容器的容积为V L，过程Ⅱ达到平衡时PCl5的物质的量为a mol。

平衡常数只与温度有关：

解得：a=0.135 mol，因为过程Ⅱ平衡逆向移动为吸热反应，所以过程Ⅱ的热效应为：Q吸=（0.4-0.135）Q kJ=0.265 Q kJ。

二、“等效平衡”颉颃“平衡常数K”提升化学平衡核心素养——对一道教材习题的拓展研究

“化学平衡常数K”是化学平衡性质的数学表达式，揭示了一定条件下建立的化学平衡中相关组分浓度的量化关系，是解决化学平衡相关问题的重要依据、桥梁、手段。对某些问题通过“等效平衡”的“定性”解释和利用“化学平衡常数K”的“定量”解释，可以促进学生对化学平衡性质的理解，也可增强学生对“等效平衡”思想的自信，还可激发学生的发散思维，提高学生的创新能力。

【例题4】体积不变的密闭容器中充入2.0 mol PCl3和1.0 mol Cl2，条件一定时，发生反应：PCl3（g）+ Cl2（g）⇌PCl5（g），平衡时，PCl5为0.40 mol，如果移走1.0 mol PCl3和0.5 mol Cl2，相同温度下再平衡时，PCl5的物质的量是 （ ）

A.0.40 mol

B.0.20 mol

C.小于0.20 mol

D.大于 0.20 mol，小于 0.40 mol

解法一：等效虚拟定性推导法

根据等效平衡原理，题中原途径Ⅰ达成的平衡可以看成下列两种途径Ⅱ、Ⅲ虚拟组合而达成的平衡：

途径Ⅱ、Ⅲ分别达到平衡后，可以将平衡Ⅲ中的气体抽象地转移到平衡Ⅱ的容器中，容器的容积不变。设途径Ⅱ、Ⅲ分别达到平衡时PCl5（g）的物质的量为x mol、x mol；又因为该反应 ΔV（g）＜0，气体混合后，平衡向正反应方向移动，设平衡移动达到新的平衡后PCl5的增加量为Δx，与途径Ⅰ达到的平衡一样（等效且一样）。

所以有：2x+Δx=0.40，

因为 Δx＞ 0，所以 x ＜ 0.20。

解法二：平衡常数定量计算法

解：设容器的容积为VL，则原平衡中的平衡常数为K，

当平衡后移走1.0 mol PCl3和0.5 mol Cl2时，平衡向逆反应方向移动，设达到新的平衡时，有x mol PCl3、Cl2生成。则有：

注：本例中学生对容器容积V L 的设定比较困难，需适当引导。

解法三：等效平衡定量计算法

注：本例中根据化学平衡原理，结合题干信息，实现途径Ⅰ和途径Ⅱ的等效转换是学生学习时的难点，较难灵活应用。教学中应加强学生对“等效平衡”概念的深刻理解。

教师在教学中设计教学目标时既要重视学科教学目标，也要结合教学对象的实际认知水平设计教学方案；既要重视原理、理论教学，也要重视在具体情境中理解原理、运用原理，进一步加深对原理的理解，有助于学生学习迁移能力的提升和学科核心素养的形成，并提高相关问题的解决能力。