可逆反应的平衡状态、勒夏特列原理、影响平衡移动的浓度/压强/温度、平衡常数 K 与浓度商 Q、三段式求转化率——这是化学平衡的"计算与判断"半壁江山。姊妹篇《化学平衡》讲图像与等效平衡,本包专攻移动原理 + K + 转化率计算。
可逆反应:同一条件下既能正向又能逆向进行,用 ⇌ 连接。反应物永远不能 100% 转化,永远有剩。
| 字 | 含义 | 要点 |
|---|---|---|
| 逆 | 研究对象是可逆反应 | 只有可逆反应才谈"平衡" |
| 等 | v正 = v逆 | 同一物质的正逆速率相等(本质标志) |
| 动 | 动态平衡 | v正=v逆≠0,微观上仍在反应 |
| 定 | 各组分浓度/百分含量保持不变 | 不再随时间改变(宏观标志) |
| 变 | 条件改变则平衡移动 | 改变浓度/压强/温度会破坏平衡 |
✅ 一定平衡: ① 某物质的 v正=v逆(须一正一逆、且按系数折算相等);② 各组分浓度/百分含量/颜色不再变化;③ 对气体分子数改变的反应,总压强、总物质的量、平均相对分子质量、混合气密度(恒压)不再变。
❌ 不能作标志(始终成立、无论平衡与否): ① 各物质速率之比 = 系数之比(任何时刻都成立);② 恒温恒容下气体总质量不变(质量守恒本就不变);③ 对气体分子数不变的反应(如 H₂+I₂⇌2HI),总压强、总物质的量、平均分子质量、密度始终不变,不能作标志。
⚠ 判断口诀:一个量若"变化中→不变了"才是标志;若"从头到尾都不变"就不是标志。关键看这个量在反应过程中是否会改变。
选一个反应,点每条"现象",判断它能否作为该反应达到平衡的标志。绿色=能,红色=不能(附理由)。
| 你的改变 | 平衡"减弱"它的方式 | 移动方向 |
|---|---|---|
| 增大反应物浓度 | 消耗反应物 | 正向(→) |
| 增大生成物浓度 | 消耗生成物 | 逆向(←) |
| 增大压强(缩小容积) | 减小气体分子总数 | 向气体系数和小的一方 |
| 升高温度 | 吸收热量 | 向吸热方向 |
⚠ 勒夏特列只管"方向",不管"程度"。它不适用于催化剂(不移动)、也不适用于气体分子数不变的反应的压强变化(不移动)。
以 mA(g) + nB(g) ⇌ pC(g) + qD(g) 为例,从"正逆速率谁被改变得更多"看移动。
| 操作 | v正 | v逆 | 平衡移动 |
|---|---|---|---|
| 增大反应物 A 浓度 | 骤增 ↑ | 暂不变 | 正向(→) |
| 增大生成物 C 浓度 | 暂不变 | 骤增 ↑ | 逆向(←) |
| 增大压强(m+n > p+q) | 增大更多 | 增大较少 | 正向(→,向分子数小) |
| 升高温度(正反应放热) | 都增大,逆增更多 | 增大更多 | 逆向(←,向吸热) |
| 加催化剂 | 同等增大 | 同等增大 | 不移动(只加快到达平衡) |
① 对气体分子数相等的反应(m+n=p+q,如 H₂+I₂⇌2HI):增压不移动。
② 恒温恒容下充入惰性气体(不参与反应):各反应气体分压不变 → 不移动。
③ 恒温恒压下充入惰性气体:容积增大、反应气体浓度变小(相当于稀释)→ 向气体分子数增大的方向移动。
⚠ 催化剂同等倍数改变 v正、v逆,不改变 K、不移动平衡、不改变转化率,只缩短到达平衡的时间。
对 N₂+3H₂⇌2NH₃(放热) 施加一个改变,看平衡移动方向、以及 v正/v逆 在改变瞬间如何突变、再重新相遇达到新平衡。
生成物浓度幂之积 ÷ 反应物浓度幂之积,幂指数就是化学计量数。K 有单位(常略),数值由平衡时各浓度代入求得。
① 纯固体、纯液体(及溶剂水)不列入表达式。如 CaCO₃(s)⇌CaO(s)+CO₂(g),K=c(CO₂)。
② K 只与温度有关:改变浓度、压强、加催化剂都不改变 K(只改变 Q 使其重新等于 K)。
③ K 越大,正反应进行的程度越大(反应越彻底);K > 10⁵ 视为进行较完全,K < 10⁻⁵ 视为很难正向进行。
⚠ 写反过来(逆反应)的 K' = 1/K;方程式系数整体乘 n,则新 K = 原 K 的 n 次方。K 的表达式必须对应确定的方程式书写方式。
浓度商 Q 表达式与 K 完全相同,只是代入的是任意时刻(未必平衡)的浓度。把 Q 和 K 一比,方向立现:
| 关系 | 反应进行方向 | 直觉 |
|---|---|---|
| Q < K | 正向进行(→) | 生成物还不够多,继续正反应 |
| Q = K | 处于平衡状态 | 正好,不再净移动 |
| Q > K | 逆向进行(←) | 生成物太多了,回头逆反应 |
⚠ 口诀:Q 小往正、Q 大往逆(Q 追着 K 跑,追上即平衡)。判方向必须用同温的 K。
反应 H₂(g)+I₂(g)⇌2HI(g),某温度 K=49。输入此刻各浓度,自动算 Q 并与 K 比较,判断反应向哪走。
三段式(起始 / 变化 / 平衡)是平衡计算的万能框架。关键:变化量之比 = 化学计量数之比。
① 列起始: 起始 n(或 c) 分别写下,生成物一般为 0。
② 设变化: 由题给"某物质变了多少"或"转化率",按系数比推出所有物质的 Δ。
③ 算平衡: 平衡量 = 起始 ± 变化(反应物减、生成物加)。
④ 求所问: 转化率 α(A) = Δ(A)/起始(A) ×100%;K 用平衡浓度代入表达式。
⚠ 变化量必须按系数比;转化率是"变化量/起始量";恒容用浓度、恒压或求物质的量分数可用 mol。生成物起始若不为 0 也照样列。
反应 N₂(g)+3H₂(g)⇌2NH₃(g),恒容 1 L。输入起始量与平衡时生成的 NH₃,自动补全三段式并算出转化率与 K。
K 只随温度变。吸热反应(ΔH > 0):升温 → 平衡正移 → 生成物增多 → K 增大。
放热反应(ΔH < 0):升温 → 平衡逆移 → 生成物减少 → K 减小。
| 反应类型 | 升高温度 | 降低温度 |
|---|---|---|
| 吸热(ΔH > 0) | 正移,K 增大 ↑ | 逆移,K 减小 ↓ |
| 放热(ΔH < 0) | 逆移,K 减小 ↓ | 正移,K 增大 ↑ |
⚠ 反过来用:给你两个温度下的 K,若升温 K 变大 → 该反应吸热;升温 K 变小 → 放热。这是判断 ΔH 符号的常考手段。
选反应吸热还是放热,拖动温度滑块,看 K 随温度怎么变。反过来:观察 K 随温度的走向,就能反推 ΔH 符号。
对 N₂+3H₂⇌2NH₃(气体分子数:左 4 > 右 2)充入惰性气体 Ar。左边恒容:反应气分压不变 → 不移动;右边恒压:容积撑大、反应气变稀 → 向气体分子数大的逆向移动。
1. 增大压强不一定移动平衡:要看气体分子数是否相等。分子数相等(如 H₂+I₂⇌2HI)增压不移动。
2. 催化剂不移动平衡:同等改变 v正、v逆,不改变 K、不改变转化率,只缩短到达平衡时间。
3. K 只受温度影响:改浓度、改压强、加催化剂都不改变 K(只改变 Q)。
4. 恒温恒容加惰性气体不移动(反应气分压不变);恒温恒压加惰性气体才移动(相当稀释)。
5. 增大一种反应物,它自己转化率降低,另一种反应物转化率升高。(多加的那个"被自己稀释"了)
6. "各物质速率之比=系数之比"任何时刻都成立,不能作为达平衡的标志。
7. 对气体分子数不变的反应,总压、总物质的量、平均分子质量始终不变,不能作平衡标志。
8. 纯固体、纯液体不写入 K 与 Q 的表达式;它们的量多少不影响平衡移动。
9. 平衡移动方向 ≠ 转化率一定升高。如增大生成物浓度使逆移,反应物转化率反而下降。
▸ 一切归 Q 与 K: 任何"改变→移动"都可归结为——改变让 Q≠K,平衡就朝让 Q 重新等于 K 的方向走。加反应物 Q 变小(Q<K)→正移;升温改的是 K 本身。这个统一视角比死记表格更稳。
▸ 压强的本质是浓度: 增压=缩小容积=所有气体浓度同倍增大。若两边气体分子数相等,Q 不变(与 K 之比不变),故不移动;不等才移动。恒压加惰气则是"体积变大→浓度变小"。
▸ 等效平衡的桥: 相同温度下,只要能换算到"等价的起始投料",就到达同一个平衡(K 相同)。恒温恒容看总量对应,恒温恒压看比例对应——这是《化学平衡》图像篇的核心,与本篇 K 相通。
▸ 转化率与产率的取舍: 工业上升温虽可能降低放热反应转化率,却加快速率;增压提高转化率但设备成本高。合成氨的"适宜温度、催化剂、适当高压"就是速率、转化率、成本的三方平衡。
▸ ΔH 与 K 的定量桥: lnK 与 1/T 成线性(范特霍夫关系),斜率符号由 ΔH 决定。会看 lnK–1/T 直线的斜率正负,就能瞬间判吸放热——比背表格更高维。
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