高中化学/目录/化学反应的可逆性与化学平衡的建立

可逆反应

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在之前的学习中,我们知道了二氧化硫转化为三氧化硫是一个可逆反应,其化学方程式为:

 

需要读者注意的是,正向反应和逆向反应是相对而言的。若将第一个方程式的反应物和生成物对调,那么正向反应和逆向反应也随之对调。

科学家的一系列研究表明,很多化学反应在进行时都具有可逆性,即正向反应(如上方程式中 )和逆向反应(如上方程式中 )在同时进行。

同一条件下正反应方向和逆反应方向均能进行的化学反应被称为“可逆反应”。书写可逆反应的化学方程式时请用可逆号( )连接。

那么,为什么我们平时书写的化学方程式大多都用的等号呢?

可逆程度

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有些化学反应的正向反应与逆向反应的可逆程度差异很大(或化学反应的可逆程度很小,即逆反应倾向很小),高中阶段我们可以将其视为非可逆反应。

可逆反应的性质

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  1. 双向性:正向反应和逆向反应均可发生
  2. 双同性:在同一条件下正向反应和逆向反应同时进行
  3. 共存性:反应物与生成物同时存在,反应不能完全

化学平衡

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当可逆反应达到一种状态,此时体系内所有物质的物质的量浓度、体积分数等都不变时,我们就称这个状态为化学平衡(或平衡状态)。

当一个可逆反应达到化学平衡时,会有哪些特征呢?

首先,我们注意到了前几句话句句都有“可逆反应”这四个字,就说明化学平衡是建立在可逆反应的基础上的。若没有可逆反应,则化学平衡也毫无意义。

化学反应速率有瞬时速率和平均速率之分。在化学平衡状态时瞬时速率正反方向相等且不为0,平均速率正反方向相等但为0。

那么,化学平衡是一种静态平衡(指化学反应不再正向和逆向进行)吗?其实不然,它是一个动态平衡。当可逆反应达到化学平衡时,正向反应和逆向反应仍然在不停地发生,但正向反应的(瞬时)速率等于逆向反应的(瞬时)速率,所以在宏观上给我们造成了它是一种静态平衡的假象。

从定义中容易知道:达到平衡状态时,反应混合物中各组成成份的(百分)含量保持不变,反应速率保持不变,反应物的转化率保持不变,这些值都是一定的。

当外界条件改变时,化学平衡可能会发生移动,这部分内容将在外界条件对反应速率和化学平衡的影响学习。

既然是可逆反应,那么正向和逆向以相同的系数比建立的平衡应该具有等效性,即它们是相同的。

化学平衡相关计算

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三段式法

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这里的起始量、改变量和平衡量可以是物质的量浓度,也可以是物质的量、质量等,对于纯气体反应还可以是体积等。但是需要注意的是,体积分数、物质的量分数一类的物理量一般不作为起始量、改变量和平衡量使用,因为讨论它们的变化过于复杂(分子和分母都在变化之中)。

在可逆反应达到平衡的过程中, 起始时各物质的量和平衡时各物质的量是很重要的数据。因此我们可以使用起始时各物质的量(下简称起始量)、各物质改变的量(下简称改变量)、达到化学平衡时各物质的量(下简称平衡量)之间的关系来解决一些问题。例如可逆反应:

 

已知在反应开始时有A 2mol,B 5mol,C 3mol;达到平衡状态时剩余A 1mol,B 1mol,C 1.5mol。我们可以列出如下的三段式:

A B C
起始量/mol 2 5 3
改变量/mol 1 4 1.5
平衡量/mol 1 1 1.5

计算平衡量与起始量之差可求出改变量:A为1mol,B为4mol,C为1.5mol,则由等量关系

 

解得

 


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