等效平衡問題是指利用等效平衡（相同平衡或相似平衡）來進行的有關判斷和計算 問題，即利用與某一平衡狀態等效的過渡平衡狀態（相同平衡）進行有關問題的分析、判斷，或利用相似平衡的相似原理進行有關量的計算。所以等效平衡也是一種思維分析方式和解題方法。這種方法往往用在相似平衡的計算中。
基本介紹
- 中文名：等效平衡
- 外文名：active balance
- 含義：利用等效平衡進行的有關判斷
- 類型：一種思維分析方式和解題方法
概念,原理,條件,恆溫、恆容,恆溫、恆壓,分類,注意事項,例題解析,等效賦,
概念
人教版教材對等效平衡概念是這樣表述的：“實驗證明，如果不是從CO和H2O（g）開始反應，而是各取0.01molCO2和0.01molH2，以相同的條件進行反應，生成CO和H2O（g），當達到化學平衡狀態時，反應混合物里CO、H2O（g）、CO2、H2各為0.005mol，其組成與前者完全相同。”這段文字說明了，化學平衡狀態的達到與化學反應途徑無關。即在相同的條件下，可逆反應無論從正反應開始還是從逆反應開始，還是從既有反應物又有生成物開始，達到的化學平衡狀態是相同的，平衡混合物中各組成物質的百分含量保持不變，也就是等效平衡。
由上敘述可知，相同平衡、相似平衡和等效平衡是不同的，相同平衡是指有關同一平衡狀態的一類計算，相似平衡是指幾個不同但有著比值關係的平衡的一類計算，而等效平衡則是利用平衡等效來解題的一種思維方式和解題方法。
原理
在相同條件下，同一可逆反應體系，不管從正反應開始，還是從逆反應開始都可以建立同一平衡狀態，也就是等效平衡，還可以從中間狀態（既有反應物也有生成物）開始，平衡時各物質的濃度對應相等。由於化學平衡狀態與條件有關，而與建立平衡的途徑無關因而，同一可逆反應，從不同狀態開始，只要達到平衡時，物質的含量對應相同，則可形成等效平衡。
條件
建立相同平衡或相似平衡與外界條件有關，一是恆溫恆容，二是恆溫恆壓。
恆溫、恆容
（方程式前後氣體系數之和不同時）只要能使各物質的初始物質的量分別相等，就可以建立相同平衡。即兩平衡的關係是相等關係。兩個平衡的所有對應平衡量（包括正逆反應速率、各組分的物質的量分數、物質的量濃度、氣體體積分數、質量分數等）完全相等。
（方程式前後氣體系數之和相同時）只要能使各物質初始物質的量之比相等就可以建立相似平衡。即兩平衡的關係是相似關係。兩平衡中各組分的物質的量分數、氣體體積分數、質量分數、物質百分含量相等；而兩平衡中的正逆反應速率、各組分平衡時的物質的量及物質的量濃度等對應成比例。
恆溫、恆壓
只要使各物質初始濃度對應成比例即可建立相似平衡。即兩平衡的關係是相似關係。兩平衡中各組分平衡時的物質的量濃度、物質的量分數、氣體體積分數、質量分數、各反應物的轉化率等對應相等；兩平衡中正與正，逆與逆速率各自對應相等；而兩平衡中各物質平衡時的物質的量反應容器的體積 等對應成比例。
若實在無法理解 則可以藉助理想氣體狀態方程考慮 PV=nRT P：壓強 V：體積 n：物質的量
R：普適常量（一般取8.314或8.31） T：熱力學溫度（K）
分類
等效平衡的外延是它的分類，即不同類型的等效平衡以及其前提條件，這在具體的解題過程中有更廣泛的套用。等效平衡可分為三種類型：
⑴恆溫恆容下，對於反應前後氣體體積發生變化的反應來說（即△V≠0的體系），改變起始加入物質的物質的量，等價轉化後，如通過可逆反應的化學計量數換算成同一半邊的物質的物質的量與原平衡相等，即對應各物質起始投料的物質的量與原平衡起始態相同，則達平衡後與原平衡等效；
⑵恆溫恆容下，對於反應前後氣體體積沒有變化的反應來說（即△V=0的體系），改變起始加入物質的物質的量，等價轉化，只要按化學計量數，換算成同一半邊的物質的量之比與原平衡起始態相同，則達平衡後與原平衡等效;
⑶恆溫恆壓下，改變起始加入物質的物質的量，只要按化學計量數，換算成同一半邊的物質的物質的量之比與原平衡相同，則達平衡後與原平衡等效。
兩個平衡等效，物質的量對應可能相等，也可能成比例。類比國中的三角形全等與相似，如果兩個平衡中各組分的物質的量對應相等，則稱其為全等等效平衡。如果兩個平衡中各組分的物質的量對應成比例，則稱其為相似等效平衡。在計算中，我們只要記清楚物質的量的關係就可以了，至於濃度和百分含量等關係，可通過物質的量來計算。
按照由簡單到複雜的教學思想把這三條規律進行分解，就很簡單了，具體如下。
在一定溫度下，添加起始物的量用極限法都轉換至反應物，起始物用量先相同後成比例（這就是由簡單到複雜，為便於學生理解，取特殊值假設比例為1:2）。容器上，恆壓容器只需要採用分割法，而恆容容器的處理要構造中間過程，要麻煩一點，所以容器先恆壓容器，後恆容容器。方程分別選取H2+I2⇌2HI（I2為氣態），和N2+3H2⇌2NH3，同樣，氣體分子數相同的在前，不同的在後，這樣就把前面那三段的複雜內容分解為1-8共八種情況。
恆壓容器 | 恆容容器 | |||
H2+I2⇌2HI | N2+3H2⇌2NH3 | H2+I2⇌2HI | N2+3H2⇌2NH3 | |
起始物用量 相同 | 1 | 2 | 3 | 4 |
起始物用量 成比例 | 5 | 6 | 7 | 8 |
I類：起始物用量相同時，所有條件都相同（即溫度、起始物用量、容器、方程兩邊氣體分子數都相同，對應上表1-4），則兩個平衡為全等等效平衡，各組分物質的物質的量對應相等。
II類：起始物用量成比例時，條件最複雜的情況（第8種情況，起始物用量不同、恆容容器、方程兩邊氣體分子數不同）兩個平衡不等效，其餘為相似等效平衡，各組分的物質的物質的量對應成比例。
注意事項
平衡等效，轉化率不一定相同
①若是從不同方向建立的等效平衡，物質的轉化率一定不同。如在某溫度下的密閉定容容器中發生反應2M(g)+ N(g)⇌2E(g），若起始時充入2molE，達到平衡時氣體的壓強比起始時增大了20%，則E的轉化率是40%；若開始時充入2molM和1molN，達到平衡後，M的轉化率是60%。
②若是從一個方向建立的等效平衡，物質的轉化率相同。如恆溫恆壓容器中發生反應2E(g) ⇌2M(g)+ N(g），若起始時充入2molE，達到平衡時M的物質的量為0.8mol，則E的轉化率是40%；若開始時充入4molE，達到平衡後M的物質的量為1.6mol，則E的轉化率仍為40%。
平衡等效，各組分的物質的量不一定相同
①原料一邊倒後，對應量與起始量相等的等效平衡，平衡時各組分的物質的量相等。
②原料一邊倒後，對應量與起始量不相等（它們的比不等於1）的等效平衡，平衡時各組分的物質的量不相等，但各組分的物質的量分數相等。
等效平衡問題由於其涵蓋的知識豐富，考察方式靈活，對思維能力的要求高，一直是同學們在學習和複習“化學平衡”這一部分內容時最大的難點。近年來，沉寂了多年的等效平衡問題在高考中再度升溫，成為考察學生綜合思維能力的重點內容，這一特點在2003年和2005年各地的高考題中體現得尤為明顯。很多同學們在接觸到這一問題時，往往有一種恐懼感，信心不足，未戰先退。實際上，只要將等效平衡概念理解清楚，加以深入的研究，完全可以找到的解題方法。
等效平衡問題的解答，關鍵在於判斷題設條件是否是等效平衡狀態，以及是哪種等效平衡狀態。要對以上問題進行準確的判斷，就需要牢牢把握概念的實質，認真辨析。明確了各種條件下達到等效平衡的條件，利用極限法進行轉換，等效平衡問題就能迎刃而解了。
例題解析
⒈ 對於一般可逆反應，在恆溫、恆容條件下建立平衡，改變起始時加入物質的物質的量，如果能夠按化學計量數換算成同一半邊的物質的物質的量與原平衡相同，則兩平衡等效。
如：按下列三條途徑，在恆溫、恆容下建立的平衡等效
3H2(g)+N2(g)⇌2NH3(g)
Ⅰ 3mol 1mol 0
Ⅱ 0 0 2mol
Ⅲ a b c
Ⅲ中，應滿足：b+c/2=1,a+3c/2=3。
例1.一可逆反應：2A(g)+3B(g)=x C(g)+4D(g），若按下列兩種配比，在同溫、同體積的密閉容器中進行反應。
有
⑴0.8mol A，1.2mol B，1.2mol C，2.4mol D
⑵1.4mol A，2.1mol B，0.6mol C，1.2mol D
達到平衡後，C的質量分數相同，則x的值為（）
A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
解析：因為在等溫、等容下平衡時，C的質量分數相同，則屬於同一平衡狀態，變化的A、B、C、D的物質的量之比為：0.6∶0.9∶0.6∶1.2=2∶3∶2∶4。故選B項。
⒉ 在恆溫、恆壓下，改變起始時加入物質的物質的量，只要按化學方程式係數比換算成同一半邊物質的物質的量之比與原平衡相同，兩平衡等效。
如：按下列三條途徑建立的平衡為等效平衡
3H2(g)+N2(g)⇌2NH3(g)
Ⅰ 3mol 1mol 0
Ⅱ 0 0 2mol
Ⅲ 3n n x(x≥0)
小結：若恆溫、恆容，則3n+3x/2=3,n+x/2=1；若恆溫、恆壓，則（3n+3x/2）：（n+x/2）=3：1 即可。
例2. 在恆溫、恆壓下，有下列氣體反應分別從兩條途徑進行
2A(g)+2B(g)⇌C(g)+3D(g)
Ⅰ 2mol 2mol 0 0
Ⅱ 0 0 2mol 6mol
下列敘述正確的是（）
A. Ⅰ、Ⅱ兩條途徑最終達到平衡時，體系內混合氣體的百分組成相同。
B. Ⅰ、Ⅱ兩條途徑最終達到平衡時，體系內混合氣體的百分組成不同。
C. 達到平衡時，Ⅰ途徑所用的時間與Ⅱ途徑所用的時間相同
D. 達到平衡時，Ⅰ途徑混合氣體密度等於Ⅱ途徑混合氣體的密度
解析：因反應前後氣體體積不變，壓強對該平衡無影響，途徑Ⅰ、Ⅱ為等效平衡，故選A、D項。
⒊ 在恆溫、恆容下，對於反應前後氣體分子數不變的可逆反應，只要反應物（或生成物）的物質的量比例與原平衡的相同，兩平衡就是等效平衡。（相當於恆溫、恆壓下的等效平衡，原因是平衡不受壓強影響）。
例3. 在兩個密閉容器內，保持溫度為423K，同時向A、B兩容器中分別加入a mol、b mol HI，待反應2HI(g)⇌H2(g)+I2(g）達到平衡後，下列說法正確的是（）
A. 從反應開始到達到平衡所需時間tA>tB
B. 平衡時I2濃度c(I2）A=c(I2）B
C. 平衡時I2蒸氣在混合氣體中體積分數A%>B%
D. HI的平衡分解率相等
解析：等溫下，該反應前後係數不變，平衡不受壓強影響，A、B兩容器中的平衡可視為等效平衡，故應選D項。
例4. 某恆溫、恆容的密閉容器充入3mol A和2mol B，反應3A(g)+2B(g)⇌xC(g)+yD(g）達到平衡時C的體積分數為m%。若將0.6mol A，0.4mol B，4mol C，0.8mol D作為起始物充入，同溫同容下達到平衡時C的體積分數仍為m%，則x=_______，y=_______。
解析：同溫同容下達到平衡時C的體積分數仍為m%，則兩平衡為等效平衡，因而有
3A(g)+2B(g)=x C(g)+y D(g)
Ⅰ 3mol 2mol 0 0
Ⅱ 0.6mol 0.4mol 4mol 0.8mol
所以有：0.6+（3×4）/x=3,0.6+（3×0.8）/y=3。
解得：x=5，y=1。
解析2：
恆溫恆容 一邊倒 完全相同
1：3 2 0 0
2：0.6 0.4 4 0.8
4/x*3+0.6=3 0.8/y*2+0.4=2 解出 X=5 Y=1
I類：在恆溫恆容下，對於化學反應前後氣體體積發生變化的可逆反應，只改變起始加入物質的物質的量，如果通過可逆反應的化學計量數之比換算成化學方程式的同一邊物質的物質的量與原平衡相同，則兩平衡等效。
例1：在一定溫度下，把2 mol SO2和1 mol O2通入一定容積的密閉容器中，發生如下反應，2SO2+O2⇌2SO3，當此反應進行到一定程度時反應混合物就處於化學平衡狀態。現在該容器中維持溫度不變，令a、b、c分別代表初始時加入的SO2、O2、SO3的物質的量（mol），如果a、b、c取不同的數值，它們必須滿足一定的相互關係，才能保證達到平衡狀態時，反應混合物中三種氣體的百分含量仍跟上述平衡完全相同。請填空：
（1）若a=0，b=0，則c=___________。
（2）若a=0.5，則b=___________，c=___________。
（3）a、b、c的取值必須滿足的一般條件是___________，___________。（請用兩個方程式表示，其中一個只含a和c，另一個只含b和c）
解析：通過化學方程式：2SO2+O2⇌2SO3可以看出，這是一個化學反應前後氣體分子數不等的可逆反應，在定溫、定容下建立的同一化學平衡狀態。起始時，無論怎樣改變的物質的量，使化學反應從正反應開始，還是從逆反應開始，或者從正、逆反應同時開始，它們所建立起來的化學平衡狀態的效果是完全相同的，即它們之間存在等效平衡關係。我們常採用“等價轉換”的方法，分析和解決等效平衡問題。
（1）若a=0，b=0，這說明反應是從逆反應開始，通過化學方程式2SO2+O2⇌2SO3可以看出，反應從2 mol SO3開始，通過反應的化學計量數之比換算成SO2和O2的物質的量（即等價轉換），恰好跟反應從2 mol SO2和1 mol O2的混合物開始是等效的，故c=2。
（2）由於a=0.5<2，這表示反應從正、逆反應同時開始，通過化學方程式2SO2+O2⇌2SO3可以看出，要使0.5 mol SO2反應需要同時加入0.25 mol O2才能進行，通過反應的化學計量數之比換算成SO3的物質的量（即等價轉換）與0.5 mol SO3是等效的，這時若再加入1.5 mol SO3就與起始時加入2 mol SO3是等效的，通過等價轉換可知也與起始時加入2 mol SO2和1 mol O2是等效的。故b=0.25，c=1.5。
（3）題中要求2 mol SO2和1 mol O2要與a mol SO2、b mol O2和c mol SO3建立等效平衡。由化學方程式2SO2+O2=2SO3可知，c mol SO3等價轉換後與c mol SO2和等效，即是說，和與a mol SO2、b mol O2和c mol SO3等效，那么也就是與2 mol SO2和1 mol O2等效。故有a+c=2,2b+c=2。
II類： 在恆溫恆容下，對於反應前後氣體體積不變的可逆反應，只要反應物（或生成物）的物質的量之比與原平衡相同，則兩平衡等效。
例2：在一個固定容積的密閉容器中，保持一定的溫度進行以下反應：
已知加入1 mol H2和2 mol Br2時，達到平衡後生成a mol HBr（見下表已知項），在相同條件下，且保持平衡時各組分的體積分數不變，對下列編號①～③的狀態，填寫下表中的空白。
解析：在定溫、定容下，建立起化學平衡狀態，從化學方程式可以看出，這是一個化學反應前後氣體分子數相等的可逆反應。根據“等價轉換”法，通過反應的化學計量數之比換算成同一邊物質的物質的量之比與原平衡相同，則達到平衡後與原平衡等效。
①因為標準項中n（起始）：n（起始）：n（HBr平衡）=1：2：a，將n（H2起始）=2 mol，n（Br2起始）=4 mol，代入上式得n（HBr平衡）=2a。
②參照標準項可知，n（HBr平衡）=0.5a mol，需要n（H2起始）=0.5 mol，n（Br2起始）=1 mol，n（HBr起始）=0 mol。而現在的起始狀態，已有1 mol HBr，通過等價轉換以後，就相當於起始時有0.5 mol H2和0.5 mol Br2的混合物，為使n（H2起始）：n（Br2起始）=1：2，則需要再加入0.5 mol Br2就可以達到了。故起始時H2和Br2的物質的量應為0 mol和0.5 mol。
③設起始時HBr的物質的量為x mol，轉換成H2和Br2後，則H2和Br2的總量分別為（）mol和（）mol，根據，解得。設平衡時HBr的物質的量為y mol，則有，解得。
III類： 在恆溫恆壓下，改變起始時加入物質的物質的量，只要按化學計量數之比換算成化學方程式的同一邊物質的物質的量之比與原平衡相同，達到平衡狀態後與原平衡等效。
例3：如圖所示，在一定溫度下，把2體積N2和6體積H2通入一個帶有活塞的容積可變的容器中，活塞的一端與大氣相通，容器中發生以下反應：（正反應放熱），若反應達到平衡後，測得混合氣體的體積為7體積。據此回答下列問題：
（1）保持上述反應溫度不變，設a、b、c分別代表初始加入的N2、H2和NH3的體積，如果反應達到平衡後混合氣體中各氣體的體積分數仍與上述平衡相同，那么：
①若a=1，c=2，則b=_________。在此情況下，反應起始時將向_________（填“正”或“逆”）反應方向進行。
②若需規定起始時反應向逆反應方向進行，則c的取值範圍是_________。
（2）在上述裝置中，若需控制平衡後混合氣體為6.5體積，則可採取的措施是_________，原因是_________。
解析：（1）①化學反應：在定溫、定壓下進行，要使平衡狀態與原平衡狀態等效，只要起始時就可以達到。已知起始時各物質的體積分別為1體積N2、b體積H2和2體積。根據“等價轉換”法，將2體積通過反應的化學計量數之比換算成和的體積，則相當於起始時有（1+1）體積和（b+3）體積，它們的比值為，解得b=3。
因反應前混合氣體為8體積，反應後混合氣體為7體積，體積差為1體積，由差量法可解出平衡時為1體積；而在起始時，的體積為c=2體積，比平衡狀態時大，為達到同一平衡狀態，的體積必須減小，所以平衡逆向移動。
②若需讓反應逆向進行，由上述①所求出的平衡時的體積為1可知，的體積必須大於1，最大值則為2體積和6體積完全反應時產生的的體積，即為4體積，則。
（2）由6.5<7可知，上述平衡應向體積縮小的方向移動，亦即向放熱方向移動，所以採取降溫措施。
例4：（一）恆溫、恆壓下，在一個容積可變的容器中發生如下反應：
（1）若開始時放入1 mol A和1 mol B，達到平衡後，生成a mol C，這時A的物質的量為________ mol。
（2）若開始時放入3 mol A和3 mol B，達到平衡後，生成C的物質的量為_________mol。
（3）若開始時放入x mol A、2 mol B和1 mol C，達到平衡後，A和C的物質的量分別為y mol和3a mol，則x=________，y=________。平衡時，B的物質的量________（填編號）。
（甲）大於2 mol （乙）等於2 mol （丙）小於2 mol （丁）可能大於、等於或小於2 mol
（4）若在（3）的平衡混合物中再加入3 mol C，待再次達到平衡後，C的物質的量分數是___________。
（二）若維持溫度不變，在一個與（一）反應前起始體積相同，且容積固定的容器中發生上述反應。
（5）開始時放入1 mol A和1 mol B到達平衡後生成b mol C。將b與（1）小題中的a進行比較__________（填編號）。
（甲）a>b（乙）a<b（丙）a=b（丁）不能比較a和b的大小
作出此判斷的理由是____________。
解析：（一）（1）由反應知，反應達平衡後，若有a mol C生成，則必有a mol A物質消耗，此時剩餘A的物質的量為（1－a）mol。
（2）在恆溫、恆壓下，若投放3 mol A和3 mol B，則所占有的體積為（1）中的3倍。由於A、B的投放比例與（1）相同，故平衡時與（1）等效，而C的物質的量為3a mol。
（3）由於達到平衡時C的物質的量為3a mol，故此平衡狀態與（2）完全相同。若把C的物質的量完全轉化為A和B，A、B的物質的量應與（2）完全相等。
起始（mol）： x 2 1
將C轉化為A、B（mol）： x+1 2+1 0
平衡時（mol）： y 3－3a 3a
據題意有：，解得；，解得y=3－3a。
通過上述可知，平衡時B的物質的量為（3－3a）mol，由於該反應起始時投放的物質為A、B、C均有，即從中間狀態開始達到平衡，故平衡可能向左、向右或不移動，也即3a可能大於、小於或等於1（不移動時，），故（3）中B的物質的量應為（丁）。
（4）在（3）的平衡中，再加入3mol C，所達到的平衡狀態與（1）、（2）、（3）皆為等效狀態，通過（1）可求出C的物質的量分數為，也就是在（3）的平衡狀態時C的物質的量分數。
（二）（5）因此時容器的容積不變，而（1）中容器的容積縮小，（5）小題中容器相當於在（1）的基礎上減壓，則平衡逆向移動，故反應達到平衡後a>b，即應填（甲）。
等效賦
兩個平衡要等效，含量相等是充要。
不同起始相比較，極限到底才可靠。
仔細審題出絕招，氣數變化藏奧妙。
氣變濃度不可搖，其他比例不可少。
（摘自四川省射洪中學理科綜合組長）
