化学平衡
化学平衡状态
介绍可逆反应和化学平衡状态的概念、特征、建立过程，以及平衡状态的判断方法。
可逆反应
概念
在相同条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的化学反应。
在化学方程式中用
特征
- 双向性：可逆反应包含方向相反的正反应和逆反应。
- 双同性：在同一条件下，正、逆反应同时进行。
- 共存性：反应物转化率小于
，反应物与生成物共存。
化学平衡状态
概念
在一定条件下，可逆反应体系中，当正、逆反应速率相等，且反应物和生成物浓度保持不变时，体系组成不再随时间改变，此时称为化学平衡状态。
平衡建立过程
- 反应开始时：反应物浓度最大，
最大；生成物浓度为 ， 。 - 反应进行时：反应物浓度降低，
减小；生成物浓度增大， 增大。 - 达到平衡时：
，各组分浓度保持不变。
特征
- 研究对象：可逆反应。
- 动态平衡：
。 - 浓度不变：各组分浓度、百分含量保持不变。
- 条件依存：外界条件变化后会建立新平衡。
化学平衡状态判断
以
判断核心
- 正、逆反应速率之比等于化学计量数之比，且必须体现“一正一逆”。
- 随反应进行而变化的变量不再变化。
具体判断依据
| 类型 | 判断依据 | 是否为平衡状态 |
|---|---|---|
| 混合体系中各成分含量 | 各物质的物质的量或物质的量分数一定 | 是 |
| 各物质的质量或质量分数一定 | 是 | |
| 各气体的体积或体积分数一定 | 是 | |
| 正逆反应速率关系 | 单位时间内消耗 | 是 |
| 单位时间内消耗 | 否 | |
| 否 | ||
| 单位时间内生成 | 否 | |
| 压强 | 是 | |
| 否 | ||
| 平均相对分子质量 | 是 | |
| 否 | ||
| 气体密度 | 是 | |
| 否 | ||
| 颜色 | 有色物质颜色一定 | 是 |
| 绝热条件温度 | 体系温度不变 | 是 |
| 绝热条件压强 | 是 |
化学平衡常数
浓度商
- 定义：任意时刻，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值。
- 对于
：
化学平衡常数
- 定义：温度一定时，反应达到平衡状态后，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值。
- 表达式：
固体和纯液体不写入表达式。
- 意义：
越大，反应进行越完全，反应物转化率越高。通常 可视为基本完全， 反应较难进行。 - 与方程式关系：
- 正逆反应的平衡常数互为倒数：
。 - 方程式各系数同乘
，则新平衡常数为原来的 次方。 - 两反应方程式相加，总反应平衡常数等于各自平衡常数乘积：
。
- 正逆反应的平衡常数互为倒数：
- 影响因素：只受温度影响，与浓度、压强、催化剂无关。
用
：反应正向进行， 。 ：反应达到平衡， 。 ：反应逆向进行， 。
化学平衡移动
概念与实质
- 概念：平衡后改变条件，原平衡被破坏，经过一段时间建立新平衡。
- 实质：条件变化导致
，各组分百分含量随之变化。
勒夏特列原理
改变影响平衡的条件之一（浓度、压强、温度），平衡将向减弱该改变的方向移动。
外界条件对平衡的影响
| 改变条件（其他不变） | 平衡移动方向 | 说明 |
|---|---|---|
| 浓度 | 增大反应物浓度或减小生成物浓度 | 正向移动 |
| 减小反应物浓度或增大生成物浓度 | 逆向移动 | |
| 压强（有气体参与） | 向气体分子数减小方向移动 | |
| 向气体分子数增大方向移动 | ||
| 平衡不移动 | ||
| 温度 | 升高温度 | 向吸热反应方向移动 |
| 降低温度 | 向放热反应方向移动 | |
| 催化剂 | 加入催化剂 | 平衡不移动（同等程度改变 |
惰性气体影响
- 恒温恒容：充入惰性气体后总压强增大，但各组分浓度不变，平衡不移动。
- 恒温恒压：充入惰性气体后容器体积增大，各组分浓度同倍数减小，等效于减压，平衡按减压规律移动。
等效平衡
定义
同一可逆反应在一定条件（恒温恒容或恒温恒压）下，采用不同投料方式达到平衡时，若相同组分的百分含量（体积分数、物质的量分数、质量分数）相等，则称为等效平衡。
判断方法
极值转换法（“一边倒”）：将反应物或生成物按计量数完全转化到另一侧，再比较投料关系。
分类与结论
- 恒温恒容：
- 一边倒后投料量完全相等：平衡时各物质浓度、百分含量均相等。
- 一边倒后投料量成比例且气体分子数不等：等效于加压或减压，平衡移动，百分含量不同。
- 一边倒后投料量成比例且气体分子数相等：平衡不移动，百分含量相等。
- 恒温恒压：
- 一边倒后投料量完全相等或成比例：都可形成等效平衡，百分含量相等。
转化率与热量关系
- 若两过程为等效平衡且反应方向相反，则转化率之和为 1：
。 - 热量关系：
（ 为过程放热或吸热， 为反应焓变）。