化学平衡 (Equilibrium) — IB Chemistry SL SL 学习指南

适合谁：IB Chemistry SL 参加 IB Chemistry SL 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$K_c$、温度/压强/浓度对平衡位置的影响四大核心子主题

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 IB Chemistry SL 风格编写的原创题目 (original problems)，仅用于教学。它们不是 IBO 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 IBO 官方 mark scheme。

1. 什么是化学平衡？

化学平衡是IB Chemistry SL第7章的核心考点，卷面占比约5%-8%，常出现在选择题、短答题中，也会和酸碱、电化学等考点结合出题。核心定义为：封闭体系中，当可逆反应的正反应速率与逆反应速率相等时，反应物、生成物的浓度不再随时间发生变化的稳定状态。平衡状态不是反应停止，而是正逆反应持续进行、速率相等的动态稳定状态。

2. 可逆反应与动态平衡（Reversible reactions and dynamic equilibrium）

核心定义

• 可逆反应（reversible reaction）：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，用双向箭头$\rightleftharpoons$表示，区别于不可逆反应的单向箭头$\to$。几乎所有的化学反应在一定条件下都是可逆的，只有当反应进行程度趋近于100%时才被视为不可逆。
• 动态平衡（dynamic equilibrium）：可逆反应达到的稳定状态，具备三个核心特征：① 正反应速率$v_{正}$=逆反应速率$v_{逆}\ne 0$；② 体系内各物质的浓度、分压等宏观性质保持恒定；③ 必须在**封闭体系（closed system，无物质进出）**中才能达成，开放体系无法维持平衡。

范例

氢气与碘蒸气的合成反应是典型的可逆反应： $${\text{H}}_2(g)+{\text{I}}_2(g)\rightleftharpoons 2\text{HI}(g)$$ 将定量HI注入密闭加热容器中，初始时只有HI分解的正反应发生，随着${\text{H}}_2$和${\text{I}}_2$浓度升高，合成HI的逆反应速率逐渐上升，最终$v_{正}=v_{逆}$，三者浓度不再变化，达到动态平衡。

3. 勒夏特列原理（Le Chatelier's principle）

勒夏特列原理是判断平衡移动方向的核心规则，考纲要求熟练应用：当改变平衡体系的外界条件（浓度、压强、温度等）时，平衡将向能够减弱这种改变的方向移动。 注意核心关键词是「减弱」而非「抵消」：平衡移动只能降低外界改变的幅度，无法让体系完全回到改变前的状态，这是选择题高频考点。

范例

对于上述合成HI的放热反应，若将体系温度从298K升高到320K，平衡会向吸热的逆反应方向移动，消耗部分热量减弱温度升高的趋势，最终体系温度会介于298K和320K之间，不会回到初始的298K。

4. 平衡常数$K_c$（Equilibrium constant $K_c$）

平衡常数$K_c$是量化平衡状态下反应物、生成物占比的核心参数，仅和温度有关。

表达式规则

对于通用可逆反应：$a\text{A}+b\text{B}\rightleftharpoons c\text{C}+d\text{D}$，$K_c$的表达式为： $$K_c=\frac{[\text{C}{]}^c[\text{D}{]}^d}{[\text{A}{]}^a[\text{B}{]}^b}$$ 其中$[\text{X}]$代表平衡时物质X的浓度，单位为${\text{mol dm}}^{-3}$。注意：固体、纯液体（比如作为溶剂的液态水）的浓度视为常数1，不需要写入$K_c$表达式。

物理意义

• $K_c>1$：平衡时生成物浓度占比更高，反应正向进行的程度大；
• $K_c<1$：平衡时反应物浓度占比更高，反应正向进行的程度小；
• 核心考点：$K_c$仅由温度决定，浓度、压强、催化剂的改变都不会影响$K_c$的数值。

5. 温度、压强、浓度对平衡位置的影响

外界条件改变时，平衡位置的移动规律可结合勒夏特列原理总结如下：

① 浓度

增大反应物浓度、或减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动；反之向逆反应方向移动。浓度改变不会影响$K_c$，仅改变平衡位置。

② 压强

压强仅对有气体参与、且反应前后气体总物质的量不等的反应有影响：

• 增大压强，平衡向气体总物质的量减少的方向移动；
• 减小压强，平衡向气体总物质的量增加的方向移动；
• 若反应前后气体总物质的量相等（比如${\text{H}}_2(g)+{\text{I}}_2(g)\rightleftharpoons 2\text{HI}(g)$），压强改变不会影响平衡位置。 压强改变同样不影响$K_c$的数值。

③ 温度

温度是唯一能改变$K_c$的外界条件：

• 若正反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，$K_c$增大；
• 若正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，$K_c$减小。

④ 催化剂

催化剂同等程度加快正、逆反应速率，仅缩短达到平衡的时间，既不改变平衡位置，也不改变$K_c$的数值。

6. 常见陷阱（Common Pitfalls）

1. 错误：书写$K_c$表达式时将固体、纯液体的浓度写入公式；原因：忽略固体/纯液体浓度恒定为1的规则，误以为所有参与反应的物质都要计入；正确做法：仅将气体、溶液中的溶质写入表达式，固体、纯液体直接省略。
2. 错误：认为平衡发生移动则$K_c$一定改变；原因：混淆$K_c$的唯一影响因素，以为所有平衡移动的诱因都会改变$K_c$；正确做法：只有温度改变会导致$K_c$变化，浓度、压强导致的平衡移动不会改变$K_c$。
3. 错误：应用勒夏特列原理时认为平衡会完全抵消外界改变；原因：对「减弱」的核心定义理解不到位；正确做法：平衡仅能降低外界改变的幅度，比如升温后平衡移动吸热，最终温度仍会高于初始温度。
4. 错误：认为所有含气体的反应改变压强都会影响平衡；原因：忽略反应前后气体分子数是否变化的前提；正确做法：反应前后气体总物质的量相等的反应，压强改变不影响平衡位置。

7. 练习题（IB Chemistry SL 风格）

题1（选择题）

对于合成氨反应${\text{N}}_2(g)+3{\text{H}}_2(g)\rightleftharpoons 2{\text{NH}}_3(g)$ $\Delta H=-92{\text{ kJ mol}}^{-1}$，下列条件改变会使$K_c$增大的是？ A. 增大体系压强 B. 降低反应温度 C. 移除产物${\text{NH}}_3$ D. 加入铁触媒催化剂 解答：答案为B。$K_c$仅与温度有关，首先排除A、C、D；该反应正反应为放热反应，降低温度平衡正向移动，$K_c$增大，因此B正确。

题2（计算题）

500K的密闭容器中，反应${\text{SO}}_2(g)+\frac{1}{2}{\text{O}}_2(g)\rightleftharpoons {\text{SO}}_3(g)$达到平衡时，测得$[{\text{SO}}_2]=0.10{\text{ mol dm}}^{-3}$，$[{\text{O}}_2]=0.20{\text{ mol dm}}^{-3}$，$[{\text{SO}}_3]=0.40{\text{ mol dm}}^{-3}$，计算该温度下的$K_c$及单位。 解答：首先写出$K_c$表达式： $$K_c=\frac{[{\text{SO}}_3]}{[{\text{SO}}_2]\times [{\text{O}}_2{]}^{1/2}}$$ 代入数值计算： $$K_c=\frac{0.40}{0.10\times (0.20{)}^{1/2}}\approx \frac{0.40}{0.10\times 0.447}\approx 8.9$$ 单位计算：$\frac{{\text{mol dm}}^{-3}}{{\text{mol dm}}^{-3}\times ({\text{mol dm}}^{-3}{)}^{1/2}}={\text{mol}}^{-1/2}{\text{ dm}}^{3/2}$ 最终结果：$K_c=8.9{\text{ mol}}^{-1/2}{\text{ dm}}^{3/2}$

题3（短答题）

工业制硫酸的核心反应为$2{\text{SO}}_2(g)+{\text{O}}_2(g)\rightleftharpoons 2{\text{SO}}_3(g)$ $\Delta H<0$，工厂实际生产中采用常压、450℃、${\text{V}}_2{\text{O}}_5$催化剂的条件，用勒夏特列原理解释为什么不采用高压条件提升产率。 解答：该反应正反应方向气体分子数减少，理论上增大压强会让平衡正向移动，提高${\text{SO}}_3$的产率；但常压下该反应的${\text{SO}}_2$转化率已经高达90%以上，高压需要的设备制造成本、运行能耗大幅提升，经济效益反而降低，因此工业上选择常压条件。

8. 速查表（Quick Reference Cheatsheet）

9. 接下来怎么学

化学平衡是IB Chemistry SL后续酸碱平衡、缓冲溶液、氧化还原电化学等章节的核心逻辑基础，平衡移动的分析思路会贯穿整个物理化学板块的考点，熟练掌握本章内容能大幅降低后续章节的学习难度。

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