反应商 Q

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

1. 什么是反应商 Q？★★☆☆☆⏱ 3 min

反应商 ( $Q$ ) 是一个无量纲量，描述反应体系在任意时刻（无论是否达到平衡），经化学计量数校正的产物与反应物的比值。不同于平衡常数 $K$ 仅使用平衡浓度或分压， $Q$ 可以用于计算平衡建立前反应任意阶段的比值。

符号规则与 $K$ 相同： $Q_{c}$ 用于摩尔浓度计算， $Q_{p}$ 用于气相反应，使用气体分压计算。和 $K$ 一样， $Q$ 的数值始终遵循配平后反应方程式的化学计量关系。在 AP 化学考试中， $Q$ 会在选择题和自由问答题中考查，通常结合勒夏特列原理、ICE 表和吉布斯自由能问题出题。

2. 计算均相平衡和多相平衡的 Q★★★☆☆⏱ 4 min

计算 $Q$ 的结构规则和计算 $K$ 完全相同，唯一的区别是 $Q$ 使用非平衡浓度/分压数值，而 $K$ 仅使用平衡数值。对于通式配平反应：

aA + bB \rightleftharpoons cC + dD

基于浓度的反应商为：

Q_c = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}

对于气相反应，基于分压的反应商为：

Q_p = \frac{(P_C)^c(P_D)^d}{(P_A)^a(P_B)^b}

和 $K$ 一样，纯固体、纯液体和稀溶液中的溶剂永远不会出现在 $Q$ 的表达式中，因为它们的热力学活度始终为 1，不会影响比值。该规则同时适用于均相平衡（所有物种处于同一相）和多相平衡（物种处于多个相）。

📐 例题

对于多相反应 $2 A g N O_{3} (s) ⇌ 2 A g (s) + 2 N O_{2} (g) + O_{2} (g)$ ，学生在反应初期测得分压： $P_{N O_{2}} = 0.40 a t m$ ， $P_{O_{2}} = 0.20 a t m$ 。计算该体系的 $Q_{p}$ 。

1
首先，从表达式中去掉纯固体： $A g N O_{3}$ 和 $A g$ 都是纯固体，因此不会出现在 $Q_{p}$ 中。
2
根据配平反应写出 $Q_{p}$ 表达式：
$Q_p = (P_{NO_2})^2(P_{O_2})$
3
代入给定的分压数值：
$Q_p = (0.40)^2(0.20)$
4
计算最终数值：
$(0.16)(0.20) = 0.032$
5
最终 $Q_{p} = 0.032$

Exam tip:

一定要反复检查，确保你已经把纯固体和纯液体从 Q 的表达式中省略。AP 考试选择题的干扰项几乎总是错误地把固体项加入比值中。

3. 比较 Q 与 K 预测反应方向★★★☆☆⏱ 3 min

计算 $Q$ 的核心目的是，通过将 $Q$ 与固定的平衡常数 $K$ （给定温度下固定）比较，预测反应达到平衡的移动方向。 $K$ 是平衡状态下产物与反应物的比值，因此将当前比值 $Q$ 与 $K$ 比较，就能得知体系距离平衡还有多远：

如果 $Q < K$ ：产物分子相对于反应物分母太小，因此反应正向进行（右移），生成更多产物，使 $Q$ 增大直到等于 $K$ 。
如果 $Q = K$ ：体系已经处于平衡状态，因此不会发生净变化。
如果 $Q > K$ ：产物分子相对于反应物分母太大，因此反应逆向进行（左移），消耗产物，使 $Q$ 减小直到等于 $K$ 。

这种比较是预测反应方向最可靠的方法，AP 考试阅卷员要求在平衡移动相关的自由问答题中使用该推理才能得满分。

📐 例题

对于反应 $2 H I (g) ⇌ H_{2} (g) + I_{2} (g)$ ，300°C 下 $K_{c} = 0.016$ 。300°C 下某反应混合物中 $[H I] = 0.60 M$ ， $[H_{2}] = 0.040 M$ ， $[I_{2}] = 0.040 M$ 。预测反应达到平衡的进行方向。

1
写出配平反应的 $Q_{c}$ 表达式：
$Q_c = \frac{[H_2][I_2]}{[HI]^2}$
2
代入非平衡浓度：
$Q_c = \frac{(0.040)(0.040)}{(0.60)^2} = \frac{0.0016}{0.36} \approx 0.0044$
3
比较 $Q_{c}$ 与 $K_{c}$ ： $0.0044 < 0.016$ ，所以 $Q < K$ 。
4
结论：产物浓度过低，因此反应将正向进行，生成更多 $H_{2}$ 和 $I_{2}$ 以达到平衡。

Exam tip:

如果你混淆了移动规则，可以从比值本身推导： $Q = [产物] / [反应物]$ 。如果 $Q < K$ ，你需要更多产物才能达到 K，因此反应正向进行。

4. 计算体系受扰动后的 Q★★★★☆⏱ 4 min

AP 考试常见的问题要求你预测平衡体系受干扰（例如加入反应物、改变体积、加入产物）后的移动方向。解决这类问题，你需要在扰动后（移动发生前）立即计算 $Q$ ，然后与原 $K$ 比较（只有温度改变时 K 才会变化）。该方法比死记勒夏特列通则更可靠，且在论证题中需要使用该方法才能得满分。

仅改变直接受扰动影响的物种的浓度/分压（例如加入 HI 时，计算 Q 仅改变 [HI]）。
所有其他物种保持原平衡浓度，因为移动还未发生。
除非题目说明体系温度改变，否则 K 保持不变。

📐 例题

反应 $N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⇌ 2 N H_{3} (g)$ 在 500°C 下达到平衡， $K_{p} = 0.16$ 。平衡分压为 $P_{N_{2}} = 0.40 a t m$ ， $P_{H_{2}} = 0.40 a t m$ ， $P_{N H_{3}} = 0.020 a t m$ 。加入足够的 $N_{2}$ 使加入后 $P_{N_{2}}$ 立即变为 0.80 atm。计算新的 Q 并预测移动方向。

1
写出 $Q_{p}$ 表达式：
$Q_p = \frac{(P_{NH_3})^2}{P_{N_2}(P_{H_2})^3}$
2
更新受影响的分压：仅 $P_{N_{2}}$ 改变； $P_{H_{2}}$ 和 $P_{N H_{3}}$ 保持原平衡数值。
3
代入数值：
$Q_p = \frac{(0.020)^2}{(0.80)(0.40)^3} = \frac{0.0004}{(0.80)(0.064)} = \frac{0.0004}{0.0512} \approx 0.0078$
4
比较 Q 与 K： $Q_{p} = 0.0078 < K_{p} = 0.16$ ，所以反应将正向（右）移动，消耗加入的 $N_{2}$ ，重新建立平衡。

✓ 快速检测

用这道 AP 风格选择题测试你的理解：

对于反应 $2 S O_{3} (g) ⇌ 2 S O_{2} (g) + O_{2} (g)$ ，500 K 下 $K_{p} = 1.8 \times 1 0^{- 5}$ 。某反应混合物中 $P_{S O_{3}} = 0.10 a t m$ ， $P_{S O_{2}} = 0.050 a t m$ ， $P_{O_{2}} = 0.0020 a t m$ 。以下哪个选项正确预测了反应方向并给出了合理依据？
- A) 反应将正向进行，因为 $Q_{p} = 5.0 \times 1 0^{- 5} > K_{p}$
- B) 反应将正向进行，因为 $Q_{p} = 1.0 \times 1 0^{- 5} < K_{p}$
- C) 反应将逆向进行，因为 $Q_{p} = 5.0 \times 1 0^{- 5} > K_{p}$
- D) 反应将逆向进行，因为 $Q_{p} = 1.0 \times 1 0^{- 5} < K_{p}$
显示答案
2 —
正确。 $Q_{p} = \frac{( 0.050 ) ^{2} ( 0.0020 )}{( 0.10 ) ^{2}} = 5.0 \times 1 0^{- 5} > K_{p} = 1.8 \times 1 0^{- 5}$ 。当 Q > K 时，产物过多，因此反应逆向移动达到平衡。

Exam tip:

当气相反应体积改变时，在计算 Q 之前，所有分压都按相同比例缩放（压力与体积成反比）。

5. 常见陷阱

错误做法:

在 Q 表达式中包含纯固体或纯液体的浓度，例如碳酸钙分解反应写出 $Q = [C a O] [C O_{2}] / [C a C O_{3}]$ 。

原因:

学生记住了 K 的排除规则，但忘记该规则同样适用于 Q。

正确做法:

每次写 Q 表达式时，代入数值前先划去所有纯固体、纯液体或稀溶液的溶剂。

错误做法:

比较 Q 和 K 时颠倒移动方向，例如说 Q > K 意味着右移。

原因:

学生混淆了比值的哪一部分在哪边，或者把规则记反了。

正确做法:

始终推导：Q = [产物]/[反应物]。如果 Q > K，说明产物浓度过高，因此需要生成更多反应物（左移）才能达到 K。

错误做法:

浓度或体积扰动后比较 Q 时改变 K 的数值。

原因:

学生混淆了温度改变（会改变 K）和其他扰动（不会改变 K）。

正确做法:

只有题目说明体系温度改变时才更新 K；所有其他变化的 Q vs K 比较中，K 保持不变。

错误做法:

用扰动后的新平衡浓度而非扰动后立即的非平衡浓度计算 Q。

原因:

学生忘记 Q 测量的是移动发生前的体系状态。

正确做法:

当要求计算扰动后的 Q 时，仅调整被干扰改变的物种的浓度/分压；计算 Q 时所有其他物种保持原平衡数值。

错误做法:

Q 表达式中化学计量系数的指数错误，例如将 $N_{2} O_{4} (g) ⇌ 2 N O_{2} (g)$ 写出 $Q = [N O_{2}] / [N_{2} O_{4}]$ 而非 $[N O_{2}]^{2} / [N_{2} O_{4}]$ 。

原因:

学生答题过快，忘记和 K 一样，每一项都要取其化学计量系数的幂次。

正确做法:

写出 Q 表达式后，代入数值前先检查每一项的指数是否和配平反应一致。

6. 速查表

类别	公式/规则	说明
一般浓度型 Q ( $Q_{c}$ )	$Q_{c} = \frac{[ C ] ^{c} [ D ] ^{d}}{[ A ] ^{a} [ B ] ^{b}}$ for $a A + b B ⇌ c C + d D$	使用摩尔浓度，适用于水溶液和气相体系
一般分压型 Q ( $Q_{p}$ )	$Q_{p} = \frac{( P _{C} ) ^{c} ( P _{D} ) ^{d}}{( P _{A} ) ^{a} ( P _{B} ) ^{b}}$ for $a A + b B ⇌ c C + d D$	仅适用于气相体系
纯物质规则	不包含纯固体/纯液体	纯物质活度 = 1，因此约去
Q < K 预测	反应正向进行（向右）	产物过少，Q 增大至等于 K
Q = K 预测	体系处于平衡状态	浓度/分压无净变化
Q > K 预测	反应逆向进行（向左）	产物过多，Q 减小至等于 K
扰动后的 Q	使用扰动后立即的数值	除非温度改变，否则 K 不变
逆反应的 Q	$Q_{r e v er se} = 1/ Q_{f or w a r d}$	和 K 的缩放规则相同
乘以 n 后的反应的 Q	$Q_{n e w} = (Q_{or i g ina l})^{n}$	和 K 的缩放规则相同

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
通过 Q 与 K 的比较预测反应方向
2022 · FRQ
计算扰动后的 Q

下一步

反应商 Q 是 AP 化学平衡所有后续主题的基础工具，将平衡概念与整个课程的热力学联系起来。接下来，你将应用 Q 的计算和 Q vs K 的比较来解决 ICE 表问题，从初始非平衡条件计算平衡浓度，并在勒夏特列原理的自由问答题中使用 Q 论证扰动后的移动方向。不掌握 Q，你就无法正确预测平衡移动，也无法解决任何从非平衡条件开始的动态平衡问题。在第7单元之外，Q 是非标准条件吉布斯自由能方程中的核心术语，用于预测任意浓度或分压下反应的自发性。