高中化學/目錄/化學反應的可逆性與化學平衡的建立

可逆反應

在之前的學習中，我們知道了二氧化硫轉化為三氧化硫是一個可逆反應，其化學方程式為：

${\ce {2SO2 {+}O2 <=>[cat.][\Delta] 2SO3}}$

需要讀者注意的是，正向反應和逆向反應是相對而言的。若將第一個方程式的反應物和生成物對調，那麼正向反應和逆向反應也隨之對調。

科學家的一系列研究表明，很多化學反應在進行時都具有可逆性，即正向反應（如上方程式中 ${\ce {2SO2{+}O2 -> 2SO3}}$ ）和逆向反應（如上方程式中 ${\ce {2SO3 -> 2SO2{+}O2}}$ ）在同時進行。

在同一條件下正反應方向和逆反應方向均能進行的化學反應被稱為「可逆反應」。書寫可逆反應的化學方程式時請用可逆號（ ${\ce {<=>}}$ ）連接。

那麼，為什麼我們平時書寫的化學方程式大多都用的等號呢？

有些化學反應的正向反應與逆向反應的可逆程度差異很大（或化學反應的可逆程度很小，即逆反應傾向很小），高中階段我們可以將其視為非可逆反應。

當可逆反應達到一種狀態，此時體系內所有物質的物質的量濃度、體積分數等都不變時，我們就稱這個狀態為化學平衡（或平衡狀態）。

當一個可逆反應達到化學平衡時，會有哪些特徵呢？

首先，我們注意到了前幾句話句句都有「可逆反應」這四個字，就說明化學平衡是建立在可逆反應的基礎上的。若沒有可逆反應，則化學平衡也毫無意義。

化學反應速率有瞬時速率和平均速率之分。在化學平衡狀態時瞬時速率正反方向相等且不為0，平均速率正反方向相等但為0。

那麼，化學平衡是一種靜態平衡（指化學反應不再正向和逆向進行）嗎？其實不然，它是一個動態平衡。當可逆反應達到化學平衡時，正向反應和逆向反應仍然在不停地發生，但正向反應的（瞬時）速率等於逆向反應的（瞬時）速率，所以在宏觀上給我們造成了它是一種靜態平衡的假象。

從定義中容易知道：達到平衡狀態時，反應混合物中各組成成份的（百分）含量保持不變，反應速率保持不變，反應物的轉化率保持不變，這些值都是一定的。

當外界條件改變時，化學平衡可能會發生移動，這部分內容將在外界條件對反應速率和化學平衡的影響學習。

既然是可逆反應，那麼正向和逆向以相同的係數比建立的平衡應該具有等效性，即它們是相同的。

這裡的起始量、改變量和平衡量可以是物質的量濃度，也可以是物質的量、質量等，對於純氣體反應還可以是體積等。但是需要注意的是，體積分數、物質的量分數一類的物理量一般不作為起始量、改變量和平衡量使用，因為討論它們的變化過於複雜（分子和分母都在變化之中）。

在可逆反應達到平衡的過程中，起始時各物質的量和平衡時各物質的量是很重要的數據。因此我們可以使用起始時各物質的量（下簡稱起始量）、各物質改變的量（下簡稱改變量）、達到化學平衡時各物質的量（下簡稱平衡量）之間的關係來解決一些問題。例如可逆反應：

${\ce {2A(g){+}{\mathcal {x}}\ B(g)<=>3C(g)}}$

已知在反應開始時有A 2mol，B 5mol，C 3mol；達到平衡狀態時剩餘A 1mol，B 1mol，C 1.5mol。我們可以列出如下的三段式：

計算平衡量與起始量之差可求出改變量：A為1mol，B為4mol，C為1.5mol，則由等量關係

${\frac {2}{1}}={\frac {x}{4}}={\frac {3}{1.5}},$

解得

$x=8.$