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化学平衡程度

铜臭 / 2022-07-20

在生产实践中，只考虑反应速度是不够的，同时还要考虑反应进行的程度。许多化学反应并不是全部反应物都能转变成生成物的，往往只能进行到二定程度，这就和化学平衡有关。

一、可逆反应和化学平衡

实践证明，大多数的化学反应进行到一定程度就“停滞不前”，不能进行到底。这是因为在反应中，不仅反应物会变成生成物，而且生成物一经生成也会再变成原来的反应物。例如，在一定条件下(温度、压力、催化剂)，N₂和H₂在密闭容器中可以化合成NH₃同时NH₃又可分解为N₂和H₂。这种在同一条件下，反应既能向一个方向进行，同时又能向相反方向进行的化学反应叫做可逆反应。为了表示反应的可逆性，通常在化学方程式中用两个相反的箭头来代替等号。上述反应可以写为:

一般把反应式中从左到右进行的反应叫正反应;1从右到左进行的反应叫逆反应。

可逆反应的特点是在密闭容器中反应不能进行到底，即反应物不能完全变成生成物。一般讲，可逆性是一般化学反应的普遍特征，不反应中这两个对立进行的倾向都是存在的。但也有个别的反应两个相反方向进行的趋势相差极大，例如加热氯酸钾，在加入催化剂(MnO₂)后的分解反应:

这个反应的逆反应趋势极小，到目前为止，还没有什么方法可用KCI和O₂为原料合成KClO₃。因此，KCIO₃的分解反应实际上接近完全，可以认为这个反应是不可逆反应或单向反应。

化学反应在密闭容器中不能进行到底的原因，是由于发生了逆反应。仍以N₂和H₂合成氨(NH₃)为例，当反应开始时，体系中不存在NH₃故只有N₂和H₂的化合，没有NH₃的分解;随着反应的进行,N₂和H₂的浓度因不断消耗而减小，因此正反应的速度也相应地减小;另方面在氨生成后的一瞬间起，就有了逆反应，而且随着氨的浓度逐渐增大，逆反应速度也相应增大。经过一定时间后，正反应速度便等于逆反应速度。此时，在单位时间内，由正反应进行而减少的N₂及H₂的分子数和由逆反应进行而生成的N₂及H₂的分子数相等，因而体系中三种气体的浓度就不再改变。这种正、逆反应速度相等时，体系所处的状态叫做化学平衡，如图5-3所示。

在反应达到平衡时，尽管反应物和生成物的浓度保持不变，实际上正反应和逆反应仍在不断地以相等的速度进行，反应并未停止，只是在单位时间内各种物质消耗的数量和生成的数量相等，所以化学平衡实质上是一种动态平衡，是在一定条件下的相车刘对平衡。如果条件(温度、浓度、压力等)改变，这种平衡就会相应地发生变化。

二、平衡常数

化学平衡建立时，各物质浓度间的关系，可以根据质量作用定律导出。例如合成氨的反应:

式中k正、k逆分别代表正、逆反应的速度常数。当平衡建立时，由于v正=V逆，故

这个式子表明:在一定温度下，可逆反应达到平衡时，生成物浓度相应幂次的乘积和反应物浓度相应幂次的乘积之比是一个常数，这个常数K叫做平衡常数。必须注意，上式只能用于平衡状态，各种浓度必须是平衡时的浓度。

对于有固体物质参加的多相可逆反应，由于化学上规定纯固体的浓度等于1,因此在平衡常数的数学表达式中，纯固体物质可以不列入，例如:

3Fe(固) +4H₂O(气)⇔Fe₃O₄(固) +4H₂(气)

平衡常数为:

不同的可逆反应，由于反应物的性质不同，故有不同的R值。由于平衡常数K是正、逆两反应速度常数的比值，而速度常数是随温度的改变而改变，与浓度无关。所以对某一反应来说，平衡常数K也随温度而变，但在定温时为一常数，与生成物和反应物的浓度无关。K值愈大，表示正反应进行得愈完全，物质的转化率也愈高。利用平衡常数，可进行有关计算，举例如下。

例1:某温度时，将H:和N:两种气体放在一密闭容器内混合，当反应达平衡时，由实验测得: [N₂]和[H₂]各为2克分子/升，[NH₃]为3克分子/升。求平衡常数及N₂和H₂的初浓度各多少?