化学平衡简介

AP 化学· AP Chemistry CED — Equilibrium· 14 分钟阅读

1. 动态平衡★★☆☆☆⏱ 4 min

📘 定义

动态平衡

可逆反应在密闭、恒温体系中达到的稳态，此时正反应速率等于逆反应速率。体系中浓度和可观测性质没有净变化，但正、逆反应仍持续不断进行。

动态平衡与静态平衡的核心区别是，平衡时反应并未停止。例如，将液溴密封在烧瓶中，达到平衡后溴蒸气的棕色强度不再变化：液溴的蒸发速率等于气态溴的冷凝速率，因此即使两个过程仍在持续，蒸气浓度也保持恒定。

📐 例题

一名学生将固体碘放入密闭、控温的烧瓶中。30分钟后，气态碘的紫色强度不再变化。(a) 解释为什么即使固体碘仍在蒸发，颜色却不再改变；(b) 体系是否处于动态平衡？证明你的结论。

1
恒定的颜色强度说明气态 $I_{2} (g)$ 的浓度不再改变，但这不代表所有过程都停止了。发生的可逆过程是：
2
$I_2(s) \rightleftharpoons I_2(g)$
3
随着固体碘蒸发， $I_{2} (g)$ 的浓度升高，这会增大逆过程（ $I_{2} (g)$ 凝华回固体）的速率。
4
最终，蒸发速率等于凝华速率。由于速率相等， $I_{2} (g)$ 的浓度不再改变，因此颜色强度保持恒定。
5
由于正、逆过程都以相等速率持续发生（而非停止），因此体系处于动态平衡。

Exam tip:

在AP选择题中，任何声称‘平衡时所有反应都停止’或‘反应物浓度等于生成物浓度’的选项都是错误的。记住：是速率相等，不是浓度相等，平衡时反应绝不会停止。

2. 平衡常数与质量作用定律★★★☆☆⏱ 5 min

质量作用定律定义了任意配平可逆反应的平衡常数表达式形式。对于一般的配平反应：

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平衡常数 $K$ 定义为生成物浓度（以化学计量系数为幂）与反应物浓度（以化学计量系数为幂）的比值：

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$K_{c}$ 对所有物种使用摩尔浓度（mol/L）。对于气相反应，我们也可以用分压（通常单位为atm）代替浓度来书写 $K_{p}$ ，生成物与反应物的比值规则相同。书写平衡表达式的核心规则是：纯固体、纯液体和稀溶液的溶剂不会出现在表达式中。它们的浓度在恒温下是恒定的，因此已经被整合到 $K$ 的数值中，不需要明确写出。 $K_{p}$ 与 $K_{c}$ 的关系为：

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其中 $Δ n = moles of gaseous products - moles of gaseous reactants$ ， $R = 0.0821 L \cdotp atm/mol \cdotp K$ ， $T$ 是开尔文绝对温度。

📐 例题

写出固体碳酸钙分解为固体氧化钙和二氧化碳气体的可逆反应 $C a C O_{3} (s) ⇌ C a O (s) + C O_{2} (g)$ 的 $K_{c}$ 和 $K_{p}$ 表达式。

1
首先，识别所有物种，根据规则排除纯固体：反应物 $C a C O_{3}$ 和生成物 $C a O$ 都是纯固体，因此在两个表达式中都被省略。
2
对于 $K_{c}$ ，唯一浓度可变的物种是气态 $C O_{2}$ ，因此表达式为：
3
$K_c = \frac{[CO_2]}{1} = [CO_2]$
4
对于 $K_{p}$ ，唯一分压可变的物种是气态 $C O_{2}$ ，因此表达式为：
5
$K_p = P_{CO_2}$
6
验证生成物在分子，与配平反应的方向一致，且没有包含纯固体：因此表达式正确。

Exam tip:

在FRQ中书写 $K$ 或 $Q$ 表达式前，一定要检查是否有纯固体和纯液体。如果包含它们，你的表达式会被判错，这是很容易避免的失分点。

3. 反应商与反应方向预测★★★☆☆⏱ 5 min

反应商( $Q$ )是利用反应达到平衡前任意时刻反应物和生成物的非平衡浓度（或分压）计算得到的值。 $Q$ 的形式与平衡常数 $K$ 完全相同：唯一的区别是 $K$ 使用平衡浓度，而 $Q$ 使用当前的非平衡浓度。通过比较 $Q$ 与 $K$ ，我们可以预测反应达到平衡的方向：

若 $Q < K$ ：生成物项（分子）太小，因此反应正向进行（向生成物方向），增大 $Q$ 直到 $Q = K$ 。
若 $Q > K$ ：生成物项（分子）太大，因此反应逆向进行（向反应物方向），减小 $Q$ 直到 $Q = K$ 。
若 $Q = K$ ：体系已经处于平衡状态，因此没有净变化发生。

📐 例题

对于反应 $N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⇌ 2 N H_{3} (g)$ ，400 K下 $K_{c} = 0.50$ 。一名学生在400 K下混合气体，初始浓度如下： $[N_{2}] = 0.10$ M， $[H_{2}] = 0.10$ M， $[N H_{3}] = 0.050$ M。预测反应达到平衡的移动方向。

1
写出 $Q_{c}$ 的表达式，形式与 $K_{c}$ 一致：
2
$Q_c = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$
3
将初始非平衡浓度代入表达式：
4
$Q_c = \frac{(0.050)^2}{(0.10)(0.10)^3} = \frac{0.0025}{0.0001} = 25$
5
将计算得到的 $Q_{c}$ 与给定的 $K_{c}$ 比较： $Q_{c} = 25 > K_{c} = 0.50$ 。
6
由于 $Q > K$ ，反应将向逆方向（向反应物方向）进行达到平衡。

✓ 快速检测

用这道AP风格的选择题测试你的理解：

对于可逆反应 $2 H I (g) ⇌ H_{2} (g) + I_{2} (g)$ ，某温度下 $K_{c} = 0.020$ 。反应混合物的浓度如下： $[H I] = 0.25$ M， $[H_{2}] = 0.15$ M， $[I_{2}] = 0.10$ M。下列哪个说法是正确的？
- A) 体系处于平衡状态，因此不发生移动。
- B) 反应将正向移动，生成更多 $H_{2}$ 和 $I_{2}$ 。
- C) 反应将逆向移动，生成更多 $H I$ 。
- D) 反应先正向移动，然后逆向移动达到平衡。
显示答案
C —
首先计算 $Q_{c} = \frac{( 0.15 ) ( 0.10 )}{( 0.25 ) ^{2}} = 0.24$ 。由于 $Q_{c} = 0.24 > K_{c} = 0.020$ ，反应逆向移动生成更多HI。

📐 例题

25℃下，密闭容器中二氧化氮气体会二聚生成四氧化二氮气体。配平后的反应为 $2 N O_{2} (g) ⇌ N_{2} O_{4} (g)$ 。(a) 写出该反应的 $K_{c}$ 和 $K_{p}$ 表达式。(b) 气体的初始分压为： $P_{N O_{2}} = 0.50$ atm， $P_{N_{2} O_{4}} = 0.25$ atm。25℃下 $K_{p} = 8.8$ 。计算 $Q_{p}$ 并预测达到平衡的移动方向。(c) 一名学生声称‘体系达到平衡后，不再有 $N O_{2}$ 转化为 $N_{2} O_{4}$ ’。该学生是否正确？证明你的结论。

1
(a) 所有物种都是气态，因此全部包含在表达式中：
2
$K_c = \frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2} \quad \quad K_p = \frac{P_{N_2O_4}}{(P_{NO_2})^2}$
3
(b) 将初始分压代入 $Q_{p}$ 表达式：
4
$Q_p = \frac{0.25}{(0.50)^2} = \frac{0.25}{0.25} = 1.0$
5
由于 $Q_{p} = 1.0 < K_{p} = 8.8$ ，反应正向进行（向生成物方向，生成更多 $N_{2} O_{4}$ ）达到平衡。
6
(c) 该学生是错误的。平衡时体系是动态的： $N O_{2}$ 转化为 $N_{2} O_{4}$ 的速率（正反应）等于 $N_{2} O_{4}$ 转化回 $N O_{2}$ 的速率（逆反应）。转化仍持续发生，只是浓度没有净变化，因此该学生的说法错误。

4. 常见陷阱

错误做法:

将纯固体或纯液体及其浓度值包含在平衡常数表达式中。

原因:

学生习惯在化学计量和速率定律问题中包含所有物种，因此忘记了恒定浓度不需要出现在表达式中的规则。

正确做法:

书写任何 $K$ 或 $Q$ 表达式前，先划去所有纯固体、纯液体和稀溶液溶剂；只包含浓度可变的水溶液和气态物种。

错误做法:

声称平衡时反应物浓度等于生成物浓度。

原因:

学生将正逆反应速率相等混淆为反应物和生成物浓度相等。

正确做法:

永远记住：平衡时速率相等，浓度恒定（不一定相等）。只有浓度（以化学计量系数为幂）的比值等于 $K$ 。

错误做法:

颠倒比值，对于 $K$ 或 $Q$ 将反应物放在分子，生成物放在分母。

原因:

学生混淆了反应方向或者记错了比值顺序。

正确做法:

总是先写出配平的反应，然后将平衡箭头右侧（生成物）的所有物种放在分子，左侧（反应物）的所有物种放在分母。

错误做法:

在 $K$ 或 $Q$ 中忘记将浓度/分压提升到化学计量系数的幂次。

原因:

学生计算时赶时间，跳过了检查指数的步骤。

正确做法:

写出表达式后，代入数值前先对照配平反应中的化学计量系数检查每个项的指数。

错误做法:

当 $Q > K$ 时预测正向移动。

原因:

学生记错了哪个值对应哪个方向，因此颠倒了方向规则。

正确做法:

总是问自己：‘我需要增大还是减小 $Q$ 才能达到 $K$ ？’如果 $Q < K$ ，生成更多生成物来增大 $Q$ ；如果 $Q > K$ ，生成更多反应物来减小 $Q$ 。

5. 速查表

类别	公式 / 规则	注释
动态平衡	$rate_{f or w a r d} = rate_{r e v er se}$	浓度净变化为零；反应仍持续发生
通用质量作用定律	$K = \frac{[ C ] ^{c} [ D ] ^{d}}{[ A ] ^{a} [ B ] ^{b}}$ for $a A + b B ⇌ c C + d D$	省略纯固体、纯液体和稀溶剂
基于浓度的 $K$	$K_{c}$	对水溶液/气态物种使用摩尔浓度（mol/L）
基于压强的 $K$	$K_{p}$	对气态物种使用分压（atm）
$K_{p}$ - $K_{c}$ 转换	$K_{p} = K_{c} (R T)^{Δ n}$	$Δ n = moles gaseous products - moles gaseous reactants$ ; $R = 0.0821$ L·atm/mol·K
反应商	$Q = \frac{[ C ] ^{c} [ D ] ^{d}}{[ A ] ^{a} [ B ] ^{b}}$	形式与 $K$ 相同，使用非平衡浓度
方向: $Q < K$	正向移动（向生成物）	增大Q以匹配K
方向: $Q = K$	无净移动	体系处于平衡状态
方向: $Q > K$	逆向移动（向反应物）	减小Q以匹配K

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2023 · MCQ
动态平衡概念题
2022 · FRQ
书写Kc表达式，比较Q与K

下一步

这份平衡简介是第7单元所有后续主题的基础先修内容。掌握书写 $K$ 表达式、计算 $Q$ 、通过Q与K比较预测方向这些基础，是理解更高级平衡主题（包括酸碱平衡和溶解平衡）的前提，这些内容总共占AP考试总分的近15%。接下来你将学习平衡常数的变换、使用ICE表计算平衡浓度，以及将Q与K的比较应用于勒夏特列原理。