高中化学 27 化学平衡

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一、化学平衡的建立

可逆反应：在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的反应叫做可逆反应。可逆反应的特点是反应不能进行到底，反应物和生成物同时存在于同一反应体系中。例如， $N_{2}+3H_{2}\stackrel{催化剂}{\underset{高温、高压}{\rightleftharpoons}}2NH_{3}$ 就是一个可逆反应。

化学平衡状态的建立：以一定条件下的可逆反应 $H_{2}(g)+I_{2}(g)\rightleftharpoons2HI(g)$ 为例，将一定量的 $H_{2}$ 和 $I_{2}$ 置于密闭容器中反应，开始时， $H_{2}$ 和 $I_{2}$ 的浓度最大，正反应速率最大，逆反应速率为零；随着反应的进行， $H_{2}$ 和 $I_{2}$ 的浓度逐渐减小，正反应速率逐渐减小，而 $HI$ 的浓度逐渐增大，逆反应速率逐渐增大；当正反应速率和逆反应速率相等时，反应物和生成物的浓度不再发生变化，反应达到化学平衡状态。

二、化学平衡的特征

动：化学平衡是一种动态平衡，反应达到平衡状态时，正反应和逆反应仍在继续进行，只是正反应速率和逆反应速率相等。

等：正反应速率和逆反应速率相等，这是化学平衡状态的本质特征。

定：反应物和生成物的浓度保持不变，各组分的百分含量也保持不变，这是化学平衡状态的宏观表现。

变：化学平衡状态是在一定条件下建立的，当外界条件发生改变时，原平衡状态会被破坏，反应体系会在新的条件下建立新的平衡状态。

三、化学平衡常数

定义：对于一般的可逆反应 $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ ，在一定温度下达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，这个常数叫做该反应的化学平衡常数，用符号 $K$ 表示。其表达式为 $K=\frac{[C]^{c}[D]^{d}}{[A]^{a}[B]^{b}}$ ，其中 $[A]$ 、 $[B]$ 、 $[C]$ 、 $[D]$ 分别表示反应物和生成物的平衡浓度。

意义：化学平衡常数 $K$ 的大小反映了化学反应进行的程度。 $K$ 值越大，说明反应进行得越完全，反应物的转化率越高； $K$ 值越小，说明反应进行得越不完全，反应物的转化率越低。

影响因素：化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度、压强等其他因素无关。对于吸热反应，升高温度， $K$ 值增大；对于放热反应，升高温度， $K$ 值减小。

四、化学平衡的移动

定义：当外界条件改变时，可逆反应从一种平衡状态转变为另一种平衡状态的过程叫做化学平衡的移动。

影响化学平衡移动的因素：

浓度：增大反应物浓度或减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动；减小反应物浓度或增大生成物浓度，平衡向逆反应方向移动。

压强：对于有气体参加的可逆反应，增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动；减小压强，平衡向气体体积增大的方向移动。但对于反应前后气体体积不变的反应，改变压强，平衡不移动。

温度：升高温度，平衡向吸热反应方向移动；降低温度，平衡向放热反应方向移动。

催化剂：催化剂能够同等程度地改变正反应速率和逆反应速率，因此使用催化剂不影响化学平衡的移动，但可以缩短达到平衡所需的时间。

五、化学平衡移动原理——勒夏特列原理

内容：如果改变影响平衡的一个条件（如浓度、压强或温度等），平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。

应用：勒夏特列原理可用于判断化学平衡移动的方向。例如，对于反应 $N_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons2NH_{3}(g)$ $\Delta H\lt0$ ，当增大压强时，平衡向正反应方向移动，因为正反应方向是气体体积减小的方向，这样可以减弱压强的增大；当升高温度时，平衡向逆反应方向移动，因为逆反应方向是吸热反应，这样可以减弱温度的升高。

六、化学平衡的有关计算

转化率的计算：反应物的转化率 $=\frac{反应物转化的物质的量}{反应物起始的物质的量}\times100\%=\frac{反应物起始浓度-反应物平衡浓度}{反应物起始浓度}\times100\%$ 。

例如，对于反应 $A(g)+B(g)\rightleftharpoons C(g)+D(g)$ ，若 $A$ 的起始浓度为 $2mol/L$ ，平衡浓度为 $1mol/L$ ，则 $A$ 的转化率 $=\frac{2mol/L - 1mol/L}{2mol/L}\times100\%=50\%$ 。

平衡常数与转化率的关系：通过化学平衡常数可以计算反应物的转化率，也可以根据反应物的转化率计算化学平衡常数。

例如，已知反应 $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ 的平衡常数 $K$ 和反应物 $A$ 、 $B$ 的起始浓度，可列出平衡常数表达式，结合 $A$ 、 $B$ 的转化率，求出平衡时各物质的浓度，进而计算出平衡常数 $K$ ；反之，已知平衡常数 $K$ 和反应物的起始浓度，也可求出反应物的转化率。

七、化学平衡在生产生活中的应用

化工生产中的应用：在化工生产中，许多反应都需要控制在一定的条件下达到化学平衡，以提高产品的产量和质量，降低成本。例如，合成氨反应中，通过控制温度、压强、反应物浓度等条件，使反应尽可能地向有利于生成氨的方向进行，提高氨的产率。

环境保护中的应用：利用化学平衡原理可以控制一些污染物的排放。

例如，对于汽车尾气中的 $NO$ 和 $CO$ 的转化反应 $2NO(g)+2CO(g)\rightleftharpoons N_{2}(g)+2CO_{2}(g)$ $\Delta H\lt0$ ，通过使用催化剂等方法，降低反应的活化能，使反应在较低温度下就能达到较高的转化率，从而减少汽车尾气对环境的污染。