化学平衡 第二节

第二节化学平衡

　　

　　在化学研究和化工生产中，只考虑化学反应速率是不够的，还需要考虑化学反应所能达到的最大限度。例如，在合成氨工业中，除了要考虑使N2和H2尽可能快地转变为NH3外，还要考虑使N2和H尽可能多地转变为NH3，这就涉及到化学反应进行的程度问题??化学平衡。化学平衡主要是研究可逆反应规律的，如反应进行的程度以及各种条件对反应进行程度的影响等。

　　

　　一、化学平衡的建立

　　

　　在一定温度下，当把适量蔗糖晶体溶解在水里时，一方面，蔗糖分子不断离开蔗糖表面扩散到水里去；另一方面，溶解在水里的蔗糖分子不断地在未溶解的蔗糖表面聚集成为晶体，当这两个相反过程的速率相等时，蔗糖的溶解达最大限度，形成蔗糖的饱和溶液。此时，我们说达到溶解平衡状态，如图3－4所示。在溶解平衡状态，溶解和结晶的过程并没有停止，只是速率相等罢了，因此，溶解平衡状态是一种动态平衡状态。

　　

　　可逆反应的情形又是怎样的呢？我们可以通过CO与H2O（g）的反应来进行研究：

　　

　　CO+H2O（g）CO2+H2

　　

　　将0.01molCO和0.01molH2O（g）通入容积为1L的密闭容器里，在催化剂存在的条件下加热到800℃，结果生成了0.005molCO2和0.005molH2，而反应物CO和H2O（g）各剩余0.005mol。如果温度不变，反应无论进行多长时间，容器里混合气体中各种气体的浓度都不再发生变化。

　　

　　我们可以用可逆反应中正反应速率和逆反应速率的变化来说明上面的过程，如图3－5所示。

　　

　　当反应开始时，CO和H2O（g）的浓度最大，因而它们化合生成CO2和H2的正反应速率最大；而CO2和H2的起始浓度为零，因而它们反应生成CO和H2O（g）的逆反应速率也为零。以后，随着反应的进行，反应物CO和H2O（g）的浓度逐渐减小，正反应的速率就逐渐减小；生成物CO2和H2的浓度逐渐增大，逆反应的速率就逐渐增大。

　　

　　如果外界条件不发生变化，化学反应进行到一定程度的时候，正反应速率和逆反应速率相等，此时，化学反应进行到最大限度，反应物和生成物的浓度不再发生变化，反应物和生成物的混合物（简称反应混合物）就处于化学平衡状态，简称化学平衡。

　　

　　实验证明，如果不是从CO和H2O（g）开始反应，而是各取0.01molCO2和0.01molH2，以相同的条件进行反应，生成CO和H2O（g），当达到化学平衡状态时，反应混合物里CO、H2O（g）、CO2、H2各为0.005mol，其组成与前者完全相同。

　　

　　当反应达到平衡的时候，正反应和逆反应都仍在继续进行，只是由于在同一瞬间，正反应生成CO2和H2的分子数和逆反应所消耗的CO2和H2的分子数相等，亦即正、逆反应的速率相等，因此反应混合物中各组分的浓度不变。由此可见，化学平衡是一种动态平衡。

　　

　　综上所述，化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应里，正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。

　　

　　讨论

　　

　　高炉炼铁中Fe2O3+3CO2Fe+3CO2是一个可逆反应。在19世纪后期，人们发现炼铁高炉所排出的高炉气中含有相当量的CO，有的工程师认为，这是由于CO和铁矿石的接触时间不够长所造成的，于是在英国耗费了大量资金建造了一个高大的炼铁高炉，以增加CO和铁矿石的接触时间。可是后来发现，用这个高炉炼铁，所排出的高炉气中CO的含量并没有减少。试应用化学平衡的理论来分析，为什么用增加高炉高度的办法不能减少炼铁高炉气中CO的含量？

　　

　　二、化学平衡常数

　　

　　为了进一步了解可逆反应达到化学平衡状态时的特征，对于反应

　　

　　CO+H2O（g）CO2+H2

　　

　　可以进行以下的实验。设在4个1L的密闭容器里，分别通入不同物质的量的CO、H2O（g）、CO2和H2，把4个密闭容器都加热到800℃，经过足够长的时间后，如果这4个容器里的4种物质的浓度不再随时间的改变而改变，那么，容器里的反应混合物就都达到了化学平衡。把实验测得的平衡浓度等数据列在表3－1里。

　　

　　表3-1CO+H2O(g)CO2+H2反应中起始和

　　

　　平衡时各物质的浓度(800℃)

　　

　　起始时各物质的浓度mol?L-1平衡时各物质的浓度mol?L-1平衡时

　　

　　c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)

　　

　　0.010.01000.0050.0050.0050.0051.0

　　

　　000.020.010.00670.00670.01330.00331.0

　　

　　0.00250.030.00750.00750.00210.02960.00790.00791.0

　　

　　0.010.03000.00250.02250.00750.00751.0

　　

　　为了研究平衡混合物中各物质浓度之间的关系，我们把平衡混合物中各生成物的浓度乘积作为分子，把各反应物的浓度乘积作为分母，求其比，该比也列在表3－1里。分析表3－1中的实验数据，可以得出如下的结论：

　　

　　在一定温度下，可逆反应无论从正反应开始，还是从逆反应开始，又无论反应物起始浓度的大小，最后都能达到化学平衡。这时生成物的浓度乘积除以反应物的浓度乘积所得到的比是个常数，这个常数叫做该反应的化学平衡常数，简称平衡常数。平衡常数用符号K表示。例如，在800℃时，

　　

　　从平衡常数K的大小，可以推断反应进行的程度。K越大，表示化学反应达到平衡时生成物浓度对反应物浓度的比值越大，也就是反应进行的程度越大，反应物的转化率②也越大。反之，K越小，表示反应进行的程度越小，反应物的转化率也越小。

　　

　　可逆反应的平衡常数并不随反应物或生成物浓度的改变而改变，但随温度的改变而改变。例如反应

　　

　　H2（g）+I2（g）2HI（g）

　　

　　在不同温度时，其平衡常数如表3－2所示：

　　

　　表3-2不同温度时，反应H2(g)+I2(g)2HI(g)

　　

　　的平衡常数

　　

　　温度/℃350425490

　　

　　平衡常数66.954.445.9

　　

　　因此，在使用平衡常数时，必须注意是在哪一温度下进行的可逆反应。

　　

　　习题

　　

　　一、选择题

　　

　　1．在一定条件下，使NO和O2在一密闭容器中进行反应，下列说法中不正确的是[]

　　

　　A．反应开始时，正反应速率最大，逆反应速率为零

　　

　　B．随着反应的进行，正反应速率逐渐减小，最后为零

　　

　　C．随着反应的进行，逆反应速率逐渐增大，最后不变

　　

　　D．随着反应的进行，正反应速率逐渐减小，最后不变

　　

　　2．在一定条件下，对于密闭容器中进行的反应

　　

　　A（g）+B（g）C（g）+D（g）

　　

　　下列说法中可以充分说明这一反应已经达到化学平衡状态的是[]

　　

　　A．A、B、C、D的浓度相等

　　

　　B．A、B、C、D在密闭容器中共存

　　

　　C．A、B、C、D的浓度不再变化

　　

　　D．用A的浓度表示的化学反应速率与用B的浓度表示的化学反应速率相等

　　

　　3．对于密闭容器中进行的反应

　　

　　2SO2+O22SO3

　　

　　如果温度保持不变，下列说法中正确的是[]

　　

　　A．增加SO2的浓度，正反应速率先增大，后保持不变

　　

　　B．增加SO2的浓度，正反应速率逐渐增大

　　

　　C．增加SO2的浓度，平衡常数增大

　　

　　D．增加SO2的浓度，平衡常数不变

　　

　　二、在一定条件下，对于在密闭容器中进行的反应

　　

　　H2+I22HI

　　

　　说明下列示意图所表示的涵义。

　　

　　三、在425℃时，在1L密闭容器中进行的反应

　　

　　H2+I22HI

　　

　　达到平衡，分别说明下列示意图所表示的涵义，由图中的事实可以说明化学平衡具有哪些特征。

　　

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