多平衡体系的“巧”与“拙”——一道反应原理题的不同应对

“变化观念与平衡思想”是化学学科核心素养之一。化学的“变化观念”是指人们从动态的角度对化学物质变化本质的总体认识，包括守恒观、过程观与平衡观。

其中，守恒观具体包括原子守恒观念、元素守恒观念、质量守恒观念、能量守恒观念、电荷守恒观念；过程观，指的是从宏观上来看，化学变化的过程可以理解为包含始态、过渡态和终态；平衡观认为化学反应是一个复杂的系统，通过离子或电子的竞争断裂旧键形成新键，从而形成新的物质，最终整个系统形成平衡状态。

关于多平衡体系，原子守恒思想，因为只考虑平衡体系的始态和终态，完美规避反应的过程，使得解题更为简洁，而被广泛应用。这也是很典型的化学学科思维。但化学学科的发展，不能止步于只关注“始末”，而逃避“过程”！纵然守恒思想能够快速解题，但并不能否定用“三段式”来解题，以体现“过程观”和“平衡观”。

以下面这道典型题目为例，对比守恒法与“三段式”的解题优势。

碳中和是我国的重要战略目标，以H₂和CO₂为原料合成CH₄受到广泛关注。该过程涉及以下反应：

向某恒压（压强为1×10⁵Pa）密闭容器中充入 3 mol H₂(g)、1 mol CO₂(g)发生上述三个反应，测得X(H₂)、X(CO₂)、X(CH₄)和X(CO)随温度(T)的变化如图所示，其中X(i)表示平衡时某物种i的物质的量与除H₂O(g)外的其他各物种总物质的量之比。

（1）图中表示X(CH₄)的曲线是         （填“m”或“n”），理由是               。

解析：曲线识别的突破口在CO的变化趋势。思考：CO含量为什么在450℃开始逐渐增大？因为它是反应II和反应III的生产物，而反应II和反应III均为吸热反应，高温条件利于平衡正向进行。低温条件，利于哪个反应正向进行？反应I为放热反应，随着温度升高，平衡逆移，CH₄含量减小，H₂含量增大。故表示X(CH₄)的曲线是 m 。

（1）450℃时，测得平衡时容器内CH₄的物质的量为a mol，则H₂O的物质的量为     mol，该温度下CH₄的选择性为             。

已知：CH₄的选择性=

，该温度下反应II的K_p=         。

◉方法一

根据元素守恒

H守恒  

6 mol =n(H₂)×2+n(CH₄)×2+n(H₂O)×2

=6a+2n(H₂O)

n(H₂O)=3-3a mol

C守恒 

 1 mol = n(CO₂)+n(CO)+n(CH₄)= n(CO₂)+n(CO)+ a        ①

O守恒  

2 mol= 2n(CO₂)+n(CO)+n(H₂O)

=2n(CO₂)+n(CO)+(3-3a)   ②

联立①②可得

n(CO)=3-5a  mol               n(CO₂)= 4a-2 mol 

则参加反应的CO₂的物质的量为1mol –（4a-2）mol = 3-4a  mol 

◉方法二 三段式

先让反应I和反应II达到共同平衡

再进行反应III

三个反应共同平衡各物种的物质的量如下表所示

依题意

x-z=a         ①

3-4x-y+2z=a   ② 

联立①②消去z得 2x+y=3-3a = n(H₂O)③

x-z=a         ①

2x+y=3-3a     ③

③-①得 x+y+z =3-4a=△n(CO₂)④

故n(CO₂)=1-（3-4a）=4a-2  mol

可求出

x-z=a         ①

x+y+z =3-4a   ④

④-①消去x得y+2z=3-5a =n(CO)

更新表格数据

与守恒法相比，利用“三段式”法会显得“慢热”。而“三段式”的解题过程，充满了化学学科的“变化、过程与平衡”，即“三段式”具有浓烈的化学气息。守恒法很“聪明”，“三段式”很“笨拙”。

“笨拙”就一定不好吗？刘震云在北大演讲中说“（我们）这个民族最不缺的就是聪明人，最缺的就是笨人”。

                              大巧若拙。