化学平衡 (Equilibria) — A-Level Chemistry 学习指南

适合谁：A-Level Chemistry 参加 A-Level Chemistry 的考生。

覆盖内容：可逆反应与动态平衡、勒夏特列原理、平衡常数$K_c$与$K_p$定义及单位、pH/$K_w$/$K_a$与强弱酸辨析、缓冲溶液与亨德森-哈塞尔巴尔赫方程。

前置知识：IGCSE 化学、基础代数。

关于练习题：下文「练习题」一节的所有题目均为我们按 A-Level Chemistry 风格编写的原创题目 (original problems)，仅用于教学。它们不是 Cambridge International 真题的复制，措辞、数值或语境可能不同。请把它们当作练手用；评分细则请对照 Cambridge 官方 mark scheme。

1. 什么是化学平衡？

化学平衡是A-Level化学的核心基础考点，指封闭体系中的可逆反应，正、逆反应速率相等时，反应物和生成物的浓度/分压不再随时间改变的状态。它是动态平衡而非反应停止，所有涉及反应限度的问题（比如工业产率、酸碱电离、盐类水解）都要用到平衡相关知识，在A-Level Chemistry的选择题、结构题中占比约10%。

2. 可逆反应与动态平衡

可逆反应（reversible reaction）是指同一条件下既能向正反应方向进行，也能向逆反应方向进行的反应，统一用$\rightleftharpoons$符号表示。 动态平衡（dynamic equilibrium）有两个核心判断标准，也是考官常考的得分点：

1. 微观层面：正反应速率 = 逆反应速率 $\ne 0$，反应并未停止，只是正逆方向的转化速率相等；
2. 宏观层面：体系中各物质的浓度、分压，以及可观测的物理性质（比如颜色、密度、pH）保持恒定。 比如常见的碘蒸气与氢气的反应：$\text{ce}H2(g)+I2(g)\rightleftharpoons 2HI(g)$，当体系的紫色不再加深时，就说明达到了动态平衡。

3. 勒夏特列原理

勒夏特列原理（Le Chatelier's principle）是判断平衡移动方向的核心规则，定义为：当改变平衡体系的外界条件（浓度、温度、压强）时，平衡会向减弱这种改变的方向移动。 各条件的影响规律如下：

• 浓度：增加反应物浓度/减少生成物浓度，平衡正向移动；反之逆向移动；
• 压强：仅影响有气体参与、且反应前后气体总物质的量不等的反应，加压平衡向气体总系数更小的方向移动；
• 温度：升温平衡向吸热（$\Delta H>0$）方向移动，降温平衡向放热（$\Delta H<0$）方向移动；
• 催化剂：仅加快反应速率，缩短达到平衡的时间，不改变平衡位置和产率。 比如工业合成氨反应$\text{ce}N2(g)+3H2(g)\rightleftharpoons 2NH3(g)\Delta H=-92\text{kJ/mol}$，加压、降温、及时移走氨气都能提高氨的产率。

4. $K_c$和$K_p$ — 定义和单位

平衡常数是定量描述反应限度的物理量，仅随温度改变而变化：

浓度平衡常数$K_c$

对于任意可逆反应$\text{ce}aA+bB\rightleftharpoons cC+dD$，$K_c$的表达式为： $$K_c=\frac{[\text{ce}C{]}^c[\text{ce}D{]}^d}{[\text{ce}A{]}^a[\text{ce}B{]}^b}$$ 其中$[\text{ce}X]$表示物质$\text{ce}X$的平衡浓度，单位为${\text{mol/dm}}^3$。$K_c$的单位为$({\text{mol/dm}}^3{)}^{(c+d)-(a+b)}$，若生成物和反应物的总系数相等，则$K_c$无单位。

分压平衡常数$K_p$

仅用于气相反应，用各气体的平衡分压（partial pressure）代替浓度计算： $$K_p=\frac{p(\text{ce}C{)}^{c}p(\text{ce}D{)}^d}{p(\text{ce}A{)}^{a}p(\text{ce}B{)}^b}$$ 其中某气体的分压$p(\text{ce}X)=P_{\text{总}}\times x(\text{ce}X)$，$x(\text{ce}X)$为该气体的物质的量分数。$K_p$的单位随反应的系数变化，常用单位为$\text{Pa}$或$\text{atm}$的对应指数次方。 ⚠️ 注意：纯固体、纯液体的活度为1，不需要写入平衡常数表达式。比如碳酸钙分解反应$\text{ce}CaCO3(s)\rightleftharpoons CaO(s)+CO2(g)$，$K_p=p(\text{ce}CO2)$。

5. pH、$K_w$、$K_a$ — 强酸与弱酸

基础定义

• pH：定义为$\text{pH}=-\lg [\text{ce}H+]$，用于表示溶液的酸碱度；
• 水的离子积（ionic product of water）$K_w$：$\text{ce}H2O\rightleftharpoons H++OH-$的平衡常数，25℃下$K_w=[\text{ce}H+][\text{ce}OH-]=1\times 10^{-14}{\text{mol}}^2/{\text{dm}}^6$，温度升高$K_w$增大；
• 酸电离常数（acid dissociation constant）$K_a$：弱酸$\text{ce}HA$的电离平衡$\text{ce}HA\rightleftharpoons H++A-$的平衡常数，$K_a=\frac{[\text{ce}H+][\text{ce}A-]}{[\text{ce}HA]}$，$K_a$越大酸性越强，常用$\text{p}{K}_a=-\lg K_a$简化计算。

强酸与弱酸的区别

• 强酸（strong acid）在水溶液中完全电离，$[\text{ce}H+]$等于酸的浓度乘以每个酸分子能电离出的$\text{ce}H+$个数，比如0.1${\text{mol/dm}}^3$的$\text{ce}HCl$的pH=1；
• 弱酸（weak acid）在水溶液中仅部分电离，当酸的浓度远大于$K_a$时，可近似用$[\text{ce}H+]=\sqrt{K_a\times c}$计算，比如0.1${\text{mol/dm}}^3$的醋酸（$K_a=1.8\times 10^{-5}$）的$[\text{ce}H+]\approx \sqrt{1.8\times 10^{-5}\times 0.1}=1.34\times 10^{-3}{\text{mol/dm}}^3$，pH≈2.87。

6. 缓冲溶液 — Henderson-Hasselbalch方程

缓冲溶液（buffer solution）是指加入少量强酸、强碱或稀释时，pH变化幅度很小的溶液，一般由「弱酸+其共轭碱」或「弱碱+其共轭酸」组成，比如醋酸+醋酸钠、氨水+氯化铵。 计算缓冲溶液pH的核心公式为亨德森-哈塞尔巴尔赫方程（Henderson-Hasselbalch equation）： $$\text{pH}=\text{p}{K}_a+\lg \left(\frac{[\text{共轭碱}]}{[\text{弱酸}]}\right)$$ 比如醋酸的$\text{p}{K}_a=4.76$，若缓冲液中醋酸钠浓度为0.2${\text{mol/dm}}^3$，醋酸浓度为0.1${\text{mol/dm}}^3$，则该缓冲液的pH为$4.76+\lg (0.2/0.1)=5.06$。

7. 常见陷阱 (Common Pitfalls)

1. 错误：认为平衡移动就代表平衡常数$K$改变。原因：混淆了条件对平衡和平衡常数的影响。正确：只有温度改变时$K$才会变化，浓度、压强改变只会让平衡移动，$K$值不变。
2. 错误：计算平衡常数时把纯固体、纯液体的浓度/分压写入表达式。原因：忘记纯物质的活度为1。正确：平衡常数表达式中仅包含气体和溶液中的溶质，固体、纯液体直接省略。
3. 错误：计算弱酸pH时直接用酸的浓度代替$[\text{ce}H+]$。原因：混淆了强弱酸的电离特点。正确：强酸完全电离可直接用浓度计算，弱酸必须用电离常数$K_a$计算。
4. 错误：认为加压一定会让气相反应的平衡移动。原因：忽略了反应前后气体总系数相等的情况。正确：只有反应前后气体总物质的量不等时，压强改变才会让平衡移动，比如$\text{ce}H2+I2\rightleftharpoons 2HI$的平衡不受压强影响。

8. 练习题 (A-Level 风格)

第1题

对于反应$\text{ce}2SO2(g)+O2(g)\rightleftharpoons 2SO3(g)\Delta H=-196\text{kJ/mol}$，下列说法正确的是（ ） A. 升高温度，平衡常数$K$增大 B. 加入催化剂，$\text{ce}SO3$的平衡产率提高 C. 增大体系压强，平衡正向移动 D. 移走部分$\text{ce}SO2$，平衡正向移动 解答：选C。A选项升温平衡向吸热的逆反应方向移动，$K$减小；B选项催化剂不改变平衡位置，产率不变；D选项移走反应物，平衡逆向移动。

第2题

某温度下，反应$\text{ce}H2(g)+I2(g)\rightleftharpoons 2HI(g)$达到平衡时，$[\text{ce}H2]=0.1{\text{mol/dm}}^3$，$[\text{ce}I2]=0.1{\text{mol/dm}}^3$，$[\text{ce}HI]=0.8{\text{mol/dm}}^3$，求该温度下的$K_c$及单位。 解答：代入$K_c$表达式： $$K_c=\frac{[\text{ce}HI{]}^2}{[\text{ce}H2][\text{ce}I2]}=\frac{0.8^2}{0.1\times 0.1}=64$$ 反应前后气体总系数相等，因此$K_c$无单位。

第3题

已知醋酸的$\text{p}{K}_a=4.76$，要配置pH=5.0的醋酸-醋酸钠缓冲液，求醋酸钠和醋酸的浓度比。 解答：代入亨德森-哈塞尔巴尔赫方程： $$5.0=4.76+\lg \left(\frac{[\text{ce}CH3COO-]}{[\text{ce}CH3COOH]}\right)$$ 可得$\lg \left(\frac{[\text{ce}CH3COO-]}{[\text{ce}CH3COOH]}\right)=0.24$，因此浓度比为$10^{0.24}\approx 1.74$。

9. 速查表 (Quick Reference Cheatsheet)

10. 接下来怎么学

化学平衡是整个A-Level化学的核心基础，后续的反应动力学、电化学、有机反应机理、过渡元素配位化合物等章节都会用到平衡的核心逻辑，你掌握好本章的计算方法和移动规律，能大幅降低后续知识点的学习难度。 如果你在刷A-Level Chemistry真题时遇到任何平衡相关的错题、或者有知识点理解不清，随时到小欧提问，我们会为你提供针对性的讲解和配套练习。

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