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资深教师带你学:高二化学选修一之化学平衡基础课-化学反应平衡的基本模型
第03部分 化学反应平衡的基本模型
(一)化学平衡达成的判定模型
化学平衡的本质是v正＝v逆＞0，反应体系的参数可以用来判断平衡是否达成。
表03-02 化学平衡达成判据汇总
判据类型 | 参数内容[针对mA＋nB ⇌pC＋qD] | 是否可作为达成平衡判据 | |
速率类 判据 | ①单位时间内消耗m molA，同时生成m molA | 是 | |
②单位时间内消耗n molB，同时消耗p molC | |||
③单位时间内生产了n molB，同时消耗q molD | 否 | ||
④mv(B)正＝nv(A)逆 | 是 | ||
⑤v(A):v(B):v(C):v(D)＝m:n:p:q，未确定反应方向； 延伸：各个物质的物质的量n、物质的量浓度c、质量m为一固定比值皆不可作为判断平衡达成的判据(比值固定对化学平衡达成的判定不具有一般性)。 | 否 | ||
全体系 参数判据 | I | ①气体总质量不变 | 纯气体反应体系：否 非纯气体反应体系：是 |
②气体平均密度不变(恒容) | |||
II | ③气体总物质的量不变 | 若m＋n≠p＋q：是 若m＋n=p＋q：否 | |
④恒温恒容条件下总压强不变/恒温恒压条件下体积不变 | |||
⑤气体平均摩尔质量不变 | |||
III | ⑥体系温度不变(任何化学反应过程都伴随能量变化) 注：绝热恒容体系压强不变等效于温度不变 | 是 | |
⑦体系颜色不变(针对体系存在有颜色的物质) | 是 | ||
单一组分 恒定判据 | ①任一组分质量或质量分数不变 | 是 | |
②任一组分物质的量或物质的量分数不变 | |||
③任一组分的分体积(同压)或分体积分数不变 |
(二)化学平衡移动方向的判定模型
1. 化学平衡常数
(1)公式
在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值称为该反应的化学平衡常数(平衡常数)，用符号K表示。对于可逆反应：mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)
达到平衡时
计算化学平衡常数时，纯固体、纯液体的浓度不考虑也不出现在计算式中。
化学平衡常数表达式与化学方程式的书写方式有关，即使是同一化学反应，用不同的化学方程式表示时，化学平衡常数的表达式及相应的平衡常数是不同的。
(2)化学平衡常数的特点
①平衡常数与温度的关系
化学平衡常数K只是温度的函数，只会随温度的变化而变化。其中对于吸热反应，升高温度K值增大；对于放热反应升高温度K值减小。
②平衡常数与反应完全程度的关系
表03-03 化学平衡常数与反应完全程度的关系
K值取值范围 | ＜10-5 | 10-5-105 | ＞105 |
反应完全程度 | 完全不反应 | 可逆反应 | 完全反应 |
③化学平衡常数与反应之间的关系
对于可逆反应：mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)
a. 正反应平衡常数K正与逆反应平衡常数K逆之间的关系为：K正·K逆＝1
b. 对于一个总反应的分步反应：反应③＝反应①＋反应②
反应①：A(g)＋B(g)C(g)K1
反应②：C(g)＋B(g)D(g)K2
反应③：A(g)＋2B(g)D(g)K3
三个反应的平衡常数之间的关系为：K3＝K1·K2
2. 勒夏特列原理
对于同一反应，正反应为吸热反应，升高温度会使v(正)、v(逆)都增大，但吸热反应方向增大的倍数更大，即v’(正)＞v’(逆)，平衡向着吸热方向移动。
反应物浓度变化对反应平衡的影响存在下述重点：
①果不抵因
对于可逆反应mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)而言，增大反应物A的浓度，平衡向正反应方向移动，但α(A)降低，α(B)升高。即追加反应物A的投料(原因)导致平衡右移使反应物A消耗量(结果)也增加，但是作为结果的变化程度小于作为原因的变化程度。
“果不抵因”表现出了可逆反应平衡移动的一个特点，即平衡移动的效果远小于环境改变的效果。
②离子反应中的处理
离子反应中只有改变实际参加反应的离子浓度才会影响平衡。
③可逆反应中纯固体/纯液体的处理
增加固体或纯液体的量，其浓度变化量为0，因此化学平衡不变化。
改变压强不能改变无气态物质存在化学反应的速率，因此改变压强不能使无气态物质存在的化学反应速率的平衡。
④催化剂
⑤勒夏特列原理在合成氨反应中的应用
勒夏特列原理的一个应用就是为合成氨工业的反应寻找适宜条件。合成氨工业中的原料是H2和N2，其中N2是将空气液化分离出O2或用C于O2反应生成CO2后分离去除得到，H2是用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气)在高温下制取。生成的氨经冷凝液化分离，以提高原料的利用率。
N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g)△H＝－92.4 kJ·mol-1
根据合成氨的特点，可采取下述措施提高化学反应的平衡转化率和反应速率
3. KQ分析
对于反应mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)，化学平衡常数K与浓度商Q的计算公式是一致的，区别在于化学平衡常数K计算公式中所用浓度皆为平衡时浓度，浓度商Q计算公式中所用浓度为任意时刻浓度，因此K与Q之间可能会存在差异：
Q＞K，可逆反应向左进行；
Q＝K，可逆反应处于平衡状态；
Q＜K，可逆反应向右进行。
KQ分析适用于解决某一时刻反应体系所有物质浓度已知条件下的平衡达成与否及平衡移动方向的判定。
