# 化学平衡

> Edexcel 国际A-Level 化学 · IAL 化学第4单元 (WCH14)
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u4-chemical-equilibria/

本指南涵盖Edexcel IAL化学第4单元的定量化学平衡概念，包括Kc/Kp计算、反应条件对平衡的影响，以及总熵变与K之间的热力学关联。

**先修:** [定性勒夏特列原理（主题9B）](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u2-le-chatelier/); [摩尔分数与分压计算](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u1-gas-laws/)

## 学习目标

- 为均相和多相平衡体系写出正确的Kc和Kp表达式
- 利用平衡浓度或分压计算Kc、Kp及其单位
- 解释温度、压强、浓度和催化剂对平衡位置和K的影响
- 使用ΔS总 = R ln K 关联总熵变与平衡常数K
- 利用K的大小预测反应进行的程度

## 平衡体系的Kc和Kp表达式

**平衡常数(K)** — 产物的平衡浓度/分压的幂（幂次为对应化学计量系数）之积，除以反应物的平衡浓度/分压的幂（幂次为对应化学计量系数）之积得到的比值。

对于均相体系，所有物种都要纳入K表达式。对于多相体系，纯固体和纯液体需要省略，因为在给定温度下它们的浓度/活度保持恒定。水溶液物种和气态物种始终需要纳入表达式。

**例题:** 写出多相平衡: $\text{CaCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{CaO}(s) + \text{CO}_2(g)$ 的Kc表达式

1. 识别纯固体物种：CaCO₃(s)和CaO(s)需要从Kc表达式中省略。
2. 仅保留气态CO₂，因此Kc表达式为：
3. $$K_c = [\text{CO}_2]$$

> **考试提示:** 书写K表达式时，首先划掉纯固体和纯液体物种，避免丢失基础分数。

## 使用正确单位计算Kc和Kp

使用ICE（初始、变化、平衡）表，从给定的初始值和反应数据计算平衡浓度。对于Kp，首先计算气态物种的摩尔分数，再使用$p_A = x_A \times P_{total}$计算分压，其中$P_{total}$是体系总压，单位为atm。

**例题:** 对于平衡 $\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$，在400°C下总压为200 atm。平衡摩尔分数：N₂ = 0.12，H₂ = 0.36，NH₃ = 0.52。计算Kp及其单位。

1. 计算每种气体的分压：
2. $$p(\text{N}_2) = 0.12 \times 200 = 24 \text{ atm}, p(\text{H}_2) = 0.36 \times 200 = 72 \text{ atm}, p(\text{NH}_3) = 0.52 \times 200 = 104 \text{ atm}$$
3. 写出Kp表达式：
4. $$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2) \times p(\text{H}_2)^3}$$
5. 代入数值并计算：
6. $$K_p = \frac{(104)^2}{24 \times (72)^3} \approx 1.21 \times 10^{-3}$$
7. 推导单位：
8. $$\frac{\text{atm}^2}{\text{atm} \times \text{atm}^3} = \text{atm}^{-2}$$

> **考试提示:** 每次计算K时都要自行推导单位，不要死记硬背单位，因为单位会随反应的化学计量数变化。

## 反应条件对平衡和K的影响

> **note**
>
> 只有温度变化会改变K的值。浓度、压强和催化剂只会改变平衡位置，不会改变K的值。

对于正向放热反应（ΔH为负），升高温度会使平衡向吸热的逆向移动，降低产物与反应物的比值，使K减小。对于正向吸热反应（ΔH为正），升高温度会增大K，使平衡向右移动。

**例题:** 正向反应 $2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(g)$ 的ΔH = -196 kJ mol⁻¹。说明并解释升高温度对Kp值的影响。

1. 正向反应是放热反应，因此逆向反应是吸热反应。
2. 升高温度会使平衡向吸热（左）方向移动，以吸收多余的热量。
3. 这会降低产物相对于反应物的分压，因此Kp的值减小。

> **考试提示:** 解释平衡移动时，首先将温度变化与K的变化关联，再描述移动方向。

## ΔS总与K之间的热力学关联

**熵-平衡常数关系** — 体系与环境的总熵变与平衡常数K的自然对数成正比。

*记法:* \Delta S_{total} = R \ln K

正的总熵变意味着反应在热力学上可行，因此K > 1，平衡时产物占优。负的总熵变意味着K < 1，平衡时反应物占优。气体常数R在数据手册中给出为8.31 J K⁻¹ mol⁻¹。

**例题:** 298 K下，某反应的总熵变为+125 J K⁻¹ mol⁻¹。使用R = 8.31 J K⁻¹ mol⁻¹，计算该温度下的K值。

1. 重排方程以分离出ln K：
2. $$\ln K = \frac{\Delta S_{total}}{R} = \frac{125}{8.31} \approx 15.04$$
3. 对两边取指数求解K：
4. $$K = e^{15.04} \approx 3.4 \times 10^6$$
5. 这个极大的K值表明该反应在298 K下几乎进行完全。

## 利用K预测反应进行的程度

K的大小直接反映了反应在正逆反应速率相等前，在平衡状态下进行的程度。无需计算平衡浓度即可快速估算反应的可行性。

**例题:** 298 K下，乙酸在水中解离的Kc值为1.7 × 10⁻⁵。说明该值反映了解离的什么程度。

1. Kc值远小于1，因此平衡时反应物（未解离的乙酸）占绝对优势。
2. 298 K下，只有极少量的乙酸分子在水中发生解离。

## 常见错误

- **错误做法:** 在Kc/Kp表达式中纳入纯固体/纯液体
  - 原因: 纯固体和纯液体的活度恒定，因此不会影响平衡比值
  - 正确做法: 书写K表达式时省略所有纯固体和纯液体物种
- **错误做法:** 在K计算中使用初始浓度而非平衡浓度
  - 原因: K的定义仅适用于平衡状态下测得的数值
  - 正确做法: 代入K表达式前，使用ICE表计算平衡浓度/分压
- **错误做法:** 声称压强或浓度变化会改变K的值
  - 原因: 只有温度会影响K的值；其他条件只会移动平衡位置以维持相同的K值
  - 正确做法: 始终明确K仅在体系温度改变时才会变化
- **错误做法:** 在Kp计算中使用kPa而非atm作为分压单位
  - 原因: Edexcel IAL大纲要求Kp的分压单位为atm
  - 正确做法: 计算Kp值前，将所有给定的压强单位转换为atm
- **错误做法:** 忘记将浓度/分压值取对应化学计量系数的幂次
  - 原因: K表达式中的指数与配平反应方程式的化学计量比一致
  - 正确做法: 仔细检查K表达式中的每个物种都取了配平方程式中对应系数的幂次

## 速查表

| 概念 | 规则/公式 | 关键考试注意事项 |
| --- | --- | --- |
| Kc表达式 | $K_c = \frac{[\text{products}]^{\text{coeff}}}{[\text{reactants}]^{\text{coeff}}}$ | 省略纯固体/纯液体，使用单位为mol dm⁻³的平衡浓度 |
| Kp表达式 | $K_p = \frac{p(\text{products})^{\text{coeff}}}{p(\text{reactants})^{\text{coeff}}}$ | $p_A = x_A \times P_{total}$，分压单位为atm |
| 对K的影响 | 只有温度会改变K的值 | 浓度、压强、催化剂不会改变K，仅改变平衡位置 |
| 温度与K | 正向放热：T↑ → K↓；正向吸热：T↑ → K↑ | 先通过K的变化解释移动方向，即可获得满分 |
| ΔS总与K | $\Delta S_{total} = R \ln K$, R = 8.31 J K⁻¹ mol⁻¹ | $\Delta S_{total} > 0 \rightarrow K > 1$，平衡时产物占优 |
| 反应程度 | $K >> 1$：近乎完全反应；$K << 1$：几乎不反应；$K \approx 1$：反应物和产物同时大量存在 | K的单位随反应推导，不存在通用单位 |

## 下一步

现在你已经掌握了Edexcel IAL化学第4单元的定量化学平衡知识，可以进入第4单元的下一个核心主题：离子平衡，包括Kw、Ka、pH计算和缓冲体系。该主题直接建立在你对平衡常数的理解之上，将相同的K计算规则应用于弱酸和弱碱的解离反应。你还会在第6单元再次遇到这些平衡概念，届时你将使用K值解释平衡实践探究的实验结果。巩固你对Kc/Kp计算和K的温度依赖性的理解，也将帮助你应对第4单元考试中分值较高的扩展问答题，这类题目经常要求你结合平衡概念和热力学数据解释反应行为。

---

来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u4-chemical-equilibria/