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化学平衡状态 ​

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本笔记回答"什么是化学平衡、平衡有哪些特征、怎样判断反应是否达平衡"。核心是理解动态平衡的本质（$v_\text{正} = v_\text{逆} \neq 0$）与平衡标志的判断方法——尤其是"哪些量不变才能作为平衡标志"这一高频考点。

核心概念 ​

1. 可逆反应 ​

定义：在同一条件下，既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向进行的化学反应。

特点：

  • 用符号 $\rightleftharpoons$ 表示；
  • 反应物不能完全转化为生成物，反应有限度；
  • 正、逆反应同时进行、互为前提。

示例：$\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$、$\ce{SO2 + O2 <=> 2SO3}$、$\ce{Cl2 + H2O <=> HCl + HClO}$。

典型可逆反应

高中常考：$\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$、$\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}$、$\ce{H2 + I2 <=> 2HI}$（$\Delta n = 0$）、$\ce{2NO2 <=> N2O4}$、$\ce{Cl2 + H2O}$、$\ce{NH3 + H2O}$等。注意$\ce{NaHCO3}$ 受热分解、$\ce{NH4Cl}$ 等并非严格意义上的"同一条件"可逆。

2. 化学平衡状态 ​

定义：在一定条件下的可逆反应中，正反应速率与逆反应速率相等，反应混合物中各物质的浓度不再改变，此时反应达到了化学平衡状态。

化学平衡的五大特征（"逆等动定变"）：

特征含义
逆只有可逆反应才有化学平衡
等$v_\text{正} = v_\text{逆} \neq 0$（同一物质表示）
动动态平衡，反应仍在进行，速率不为零
定平衡时各组分浓度、百分含量不再改变
变条件改变，平衡状态可能被破坏并建立新平衡

"等"的含义

$v_\text{正} = v_\text{逆}$是指同一物质表示的正逆速率相等。若用不同物质表示，需满足$v_\text{正}(\ce{A}) : v_\text{逆}(\ce{B}) = a : b$（化学计量数比），否则即使数值相等也不一定是平衡。

重点知识 ​

1. 化学平衡的建立过程 ​

以 $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$ 为例：

  • 反应开始时：$v_\text{正}$ 最大，$v_\text{逆} = 0$；
  • 反应进行中：$v_\text{正}$ 逐渐减小，$v_\text{逆}$ 逐渐增大；
  • 达到平衡：$v_\text{正} = v_\text{逆} \neq 0$，浓度不再变化。

注意：平衡建立后，正逆反应"仍在进行"，只是速率相等，各物质浓度不变。这就是"动态平衡"。

2. 平衡状态的判断标志 ​

判断一个可逆反应是否达平衡，可以从本质标志和宏观标志两方面入手。

(1) 本质标志（直接依据） ​

  • 同一种物质的正反应速率等于逆反应速率：$v_\text{正}(\ce{A}) = v_\text{逆}(\ce{A})$；
  • 不同物质：$v_\text{正}(\ce{A}) : v_\text{逆}(\ce{B}) = a : b$（计量数比）。

(2) 宏观标志（间接依据） ​

标志说明
各组分的浓度/物质的量/物质的量分数不再改变平衡时必成立
反应物的转化率不再改变平衡时必成立
体系的颜色不再改变适用于有颜色物质，如 $\ce{2NO2 <=> N2O4}$（红棕色 $\ce{NO2}$）
体系的总压强不再改变仅当 $\Delta n(\text{g}) \neq 0$ 时才是平衡标志
体系的平均摩尔质量不再改变当 $\Delta n(\text{g}) \neq 0$ 且组分不同时可用
体系的密度不再改变恒容且有气体计量数变化时可用
混合气体中某组分的体积分数不再改变平衡时必成立

压强/密度作为标志的局限性

  • 对于 $\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)}$（$\Delta n = 0$），恒容时总压强始终不变，不能作为平衡标志；
  • 对于全为气体且恒容、$\Delta n = 0$ 的反应，密度始终不变，不能作为标志；
  • 判断原则：只有"随反应进行会发生变化的量"在某时刻后不再变化，才能作为平衡标志；若该量一直不变，则不能判断。

3. 平衡标志判断的一般步骤 ​

  1. 分析反应特点：是否可逆？是否有气体计量数变化？是否有有色物质？
  2. 列出随反应进行可能变化的量；
  3. 若某个量在反应过程中本来就恒定，则它不能作为标志；若本来变化、平衡时不再变，则能作为标志。

典型例题 ​

例题 1（平衡标志判断） ​

题目：恒温恒容下，对可逆反应 $\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}$，下列说法中能作为反应达平衡标志的是？ A. $\ce{N2}$、$\ce{H2}$、$\ce{NH3}$的分子数之比为$1:3:2$ B. 混合气体的密度保持不变 C. $v_\text{正}(\ce{N2}) : v_\text{逆}(\ce{NH3}) = 1:2$ D. 混合气体的总压强保持不变

分析：

  • A：分子数之比等于计量数比，只能说明投料比例，不能说明平衡；
  • B：恒容且全为气体，气体总质量不变、体积不变，密度始终不变，不能作标志；
  • C：$v_\text{正}(\ce{N2}) : v_\text{逆}(\ce{NH3}) = 1:2$，换算成同一物质：$v_\text{正}(\ce{N2}) \times 2 = v_\text{逆}(\ce{NH3}) \times \frac{1}{2} \times 2$... 实际用计量数校验：平衡时 $v_\text{正}(\ce{N2}) : v_\text{逆}(\ce{NH3}) = 1:2$ 恰好符合计量数比，说明正逆速率相等，能作标志；
  • D：$\Delta n(\text{g}) = 1+3-2 = 2 \neq 0$，总压强随反应进行而变化，平衡时不变，能作标志。

解答：C、D。

点评：B 是典型陷阱——恒容全气体反应，密度不是"变量"。C 需把不同物质的正逆速率按计量数换算后判断。

例题 2（平衡建立的图像理解） ​

题目：反应 $\ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)}$，起始时只充入 $\ce{SO2}$和$\ce{O2}$。描述 $v_\text{正}$、$v_\text{逆}$ 随时间的变化趋势，并指出平衡建立时刻的特征。

分析：起始 $v_\text{正}$ 最大、$v_\text{逆} = 0$；随反应进行 $v_\text{正}$ 减小、$v_\text{逆}$ 增大；某时刻二者相等即平衡。

解答：平衡建立时 $v_\text{正} = v_\text{逆} \neq 0$，此后各物质浓度不再改变，但反应仍在双向进行。图像上 $v_\text{正}$与$v_\text{逆}$ 曲线在平衡时刻相交且保持重合。

点评：这是"动"字特征的核心——平衡不是反应停止，而是正逆速率相等的动态过程。

例题 3（$\Delta n = 0$ 反应的标志辨析） ​

题目：恒温恒容下，反应 $\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)}$ 达平衡的标志是？ A. 容器内压强保持不变 B. 气体颜色不再变化 C. $\ce{H2}$ 的浓度保持不变 D. 气体平均摩尔质量保持不变

分析：$\Delta n(\text{g}) = 0$，恒容下总压强、气体总物质的量、平均摩尔质量始终不变，不能作标志；$\ce{I2(g)}$ 有颜色，颜色不变可作标志；$\ce{H2}$ 浓度不变可作标志。

解答：B、C。

点评：对 $\Delta n = 0$ 的反应，压强、密度、平均摩尔质量往往恒定，不能作为平衡标志；颜色、浓度、转化率等仍可用。

易错提醒 ​

WARNING

  1. "浓度不变"才代表平衡：不是"浓度相等"或"浓度之比等于计量数比"。比例恒定可能是投料所致，不一定是平衡。
  2. $v_\text{正} = v_\text{逆}$ 必须针对同一物质：不同物质需按计量数换算后再比较。
  3. 恒容全气体且 $\Delta n = 0$，压强不能作标志：压强一直不变。
  4. "动态平衡"不是反应停止：$v_\text{正} = v_\text{逆} \neq 0$，反应仍在进行。
  5. 有颜色反应的颜色标志：只有涉及有色物质的体系，颜色不变才能作为标志（如 $\ce{NO2}$ 红棕色）。

与其他知识关联 ​

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