化学平衡

Q: 我需要将纯固体纳入Kc或Kp表达式吗？

不需要。纯固体和纯液体的活度值恒定，因此在多相体系的平衡常数表达式中需要完全省略它们。

Q: 平衡常数K的值什么时候会发生变化？

K仅在体系温度改变时发生变化。浓度、总压强的改变或催化剂的加入都不会改变K的值，只会改变平衡位置。

Q: 在Kp计算中，分压应该使用什么单位？

Edexcel IAL化学要求Kp计算中的分压单位为标准大气压（atm）。在代入Kp表达式之前，请将所有给定的kPa或Pa值转换为atm。

Edexcel 国际A-Level 化学· 13.1–13.9· 45 分钟阅读

1. 平衡体系的Kc和Kp表达式★★☆☆☆⏱ 10 min

📘 定义

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: $CaCO_{3} (s) ⇌ CaO (s) + CO_{2} (g)$ 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
$K_c = [\text{CO}_2]$

Exam tip:

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。

2. 使用正确单位计算Kc和Kp★★★☆☆⏱ 15 min

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 $p_{A} = x_{A} \times P_{t o t a l}$ 计算分压，其中 $P_{t o t a l}$ 是体系总压，单位为atm。

📐 例题

对于平衡 $N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⇌ 2 NH_{3} (g)$ ，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
$\frac{\text{atm}^2}{\text{atm} \times \text{atm}^3} = \text{atm}^{-2}$

Exam tip:

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。

3. 反应条件对平衡和K的影响★★★☆☆⏱ 12 min

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 $2 SO_{2} (g) + O_{2} (g) ⇌ 2 SO_{3} (g)$ 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。

Exam tip:

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。

4. ΔS总与K之间的热力学关联★★★★☆⏱ 10 min

📘 定义

熵-平衡常数关系

\Delta S_{total} = R \ln K

体系与环境的总熵变与平衡常数K的自然对数成正比。

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。

5. 利用K预测反应进行的程度★★☆☆☆⏱ 8 min

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。

6. 常见陷阱

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

7. 速查表

概念	规则/公式	关键考试注意事项
Kc表达式	$K_{c} = \frac{[ products ] ^{coeff}}{[ reactants ] ^{coeff}}$	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	$K_{p} = \frac{p ( products ) ^{coeff}}{p ( reactants ) ^{coeff}}$	$p_{A} = x_{A} \times P_{t o t a l}$ ，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	$Δ S_{t o t a l} = R ln K$ , R = 8.31 J K⁻¹ mol⁻¹	$Δ S_{t o t a l} > 0 \to K > 1$ ，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

8. 常见问题

我需要将纯固体纳入Kc或Kp表达式吗？

不需要。纯固体和纯液体的活度值恒定，因此在多相体系的平衡常数表达式中需要完全省略它们。

平衡常数K的值什么时候会发生变化？

K仅在体系温度改变时发生变化。浓度、总压强的改变或催化剂的加入都不会改变K的值，只会改变平衡位置。

在Kp计算中，分压应该使用什么单位？

Edexcel IAL化学要求Kp计算中的分压单位为标准大气压（atm）。在代入Kp表达式之前，请将所有给定的kPa或Pa值转换为atm。

深入阅读

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。