# 动态平衡

> IB 化学 SL · 反应性 3：平衡与有机化学
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u6-dynamic-equilibrium/

动态平衡描述了封闭体系中的可逆反应，此时正逆反应速率相等，体系可测量性质无净变化。它是IB化学SL所有后续平衡主题的基础概念。

**先修:** [反应速率](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u5-reaction-rates/)

## 学习目标

- 定义封闭系统中的动态平衡
- 区分物理平衡和化学平衡
- 阐述处于动态平衡体系的核心特征
- 解读平衡体系的浓度-时间图和速率-时间图

## 动态平衡的核心定义与特征

**动态平衡** — 封闭体系中可逆反应的一种状态，此时正反应速率等于逆反应速率，因此反应物和生成物的浓度不发生净变化。

*例:* 密封烧瓶中水的蒸发与冷凝

体系要达到动态平衡，必须是封闭体系：没有物质可以进出体系。开放体系会不断与环境交换物质，因此永远无法达到稳定的平衡状态。

- 正反应速率与逆反应速率相等（$r_f = r_r$）
- 反应物和生成物的浓度随时间保持恒定
- 无论从正反应还是逆反应方向开始，都可以达到平衡
- 平衡过程是动态的：反应仍在持续进行，而非停止

**例题:** 一名学生认为平衡是没有反应发生的静态状态。评价该观点。

1. '动态'一词意味着正反应和逆反应仍在以相等的速率进行。
2. 由于生成物的生成速率等于反应物的生成速率，因此浓度等可观测性质没有净变化，这会让平衡看起来是静态的。
3. 因此该观点错误：平衡是动态过程，而非静态过程。

> **考试提示:** 描述平衡时，必须同时提到反应速率相等*和*浓度恒定这两点。阅卷人要求同时答出两点才能给满分。

## 物理平衡 vs 化学平衡

**物理平衡** — 可逆物理变化（而非化学反应）发生时产生的动态平衡。

*例:* 密封容器中液态水与水蒸气之间的相平衡

**化学平衡** — 可逆化学反应发生时产生的动态平衡，反应物和生成物之间持续相互转化。

*例:* 四氧化二氮的分解：\ce{N2O4(g) <=> 2NO2(g)}

两种平衡都符合动态平衡的所有通用特征，唯一区别是发生的过程是物理变化还是化学反应。

**例题:** 密封烧杯中，氯化钠固体与氯化钠饱和溶液接触形成平衡，请将其分类为物理平衡或化学平衡，并说明理由。

1. 确定过程：固体NaCl溶解形成水溶液中的\ce{Na+}和\ce{Cl-}离子，同时溶解的离子沉淀重新形成固体NaCl。
2. 没有新化学物质生成：溶解是物理变化，不是化学反应。
3. 因此这是物理平衡的一个例子。

## 平衡的图像表示

动态平衡通常用两种图像来表示：浓度-时间图和速率-时间图。

对于仅从反应物开始的反应：反应物浓度随时间下降，达到平衡后保持恒定；生成物浓度随时间上升，达到平衡后保持恒定。在速率-时间图中，正反应速率起始较高，随后逐渐下降；逆反应速率起始为零，随后逐渐上升，直到两者在平衡处相等。

**例题:** 从仅含\ce{H2}和\ce{I2}开始，画出反应\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)}的速率-时间图，标注出达到平衡的点。

1. 将y轴标注为反应速率，x轴标注为时间。
2. 画出正反应速率曲线：$t=0$时从最大值开始，随时间下降，斜率逐渐趋于平缓。
3. 画出逆反应速率曲线：$t=0$时从零开始，随时间上升，斜率逐渐趋于平缓。
4. 两条曲线的交点处达到平衡，交点之后两个速率都保持恒定。标记该点并标注'平衡'。

**概念自测**

检查你的理解：

1. 在浓度-时间图上，达到平衡时下列说法正确的是？

   - 反应物浓度和生成物浓度相等
   - 反应物浓度和生成物浓度都随时间保持恒定
   - 反应物浓度总是高于生成物浓度
   - 生成物浓度总是高于反应物浓度

   *答案:* 反应物浓度和生成物浓度都随时间保持恒定

   *解析:* 平衡时浓度是恒定的，但不一定相等。核心特征是反应速率相等，而非浓度相等。

## 可逆反应 vs 不可逆反应

**可逆反应与不可逆反应** — 可逆反应可在相同条件下向两个方向进行，能达到动态平衡。不可逆反应只向正方向进行到底，无法达到平衡。

*例:* 烃的燃烧是不可逆反应

可逆反应永远不会进行到底，因为生成物会不断转化回反应物。不可逆反应在开放体系中通常会进行到底，因为气态产物会逸出，或者生成的固体沉淀无法重新反应。

**例题:** 解释为什么开放烧杯中盐酸和氢氧化钠的反应是不可逆的。

1. 反应为\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)}，相同条件下不会发生逆反应。
2. 不存在向反应物的转化，因此无法建立动态平衡。
3. 该反应进行到底，因此归类为不可逆反应。

## 常见错误

- **错误做法:** 认为平衡时反应物和生成物的浓度相等
  - 原因: 将相等的反应速率与相等的浓度混淆
  - 正确做法: 说明反应速率相等，浓度是*恒定*而非相等
- **错误做法:** 认为开放体系可以达到平衡
  - 原因: 开放体系会有物质逸出，因此会发生持续的净变化
  - 正确做法: 动态平衡只能在封闭体系中建立
- **错误做法:** 认为平衡是所有反应都停止的静态状态
  - 原因: '动态'一词意味着分子层面仍在持续变化
  - 正确做法: 正逆反应仍以相等的速率持续进行，因此没有净变化
- **错误做法:** 将溶解平衡归类为化学平衡
  - 原因: 溶解是不会生成新化学物质的物理变化
  - 正确做法: 溶解、相变这类物理变化的平衡属于物理平衡
- **错误做法:** 认为平衡只能从纯反应物开始才能达到
  - 原因: 无论从哪个方向开始，最终的平衡状态都是相同的
  - 正确做法: 从反应物、生成物或任意两者的混合物开始，都可以达到平衡

## 速查表

| 特征 | 描述 |
| --- | --- |
| 体系要求 | 只有封闭体系能达到平衡 |
| 反应速率 | $r_{forward} = r_{reverse} > 0$ |
| 浓度 | 随时间保持恒定，不一定相等 |
| 达到平衡的方向 | 从反应物或生成物开始都能得到相同的平衡 |
| 物理平衡 | 适用于可逆物理变化（相变、溶解） |
| 化学平衡 | 适用于可逆化学反应 |

## 下一步

动态平衡是IB化学SL所有后续平衡主题的基础概念。理解它的核心特征对于学习平衡常数（$K_c$）、计算平衡浓度，以及通过勒夏特列原理预测体系对变化的响应至关重要。这些主题都直接建立在本文介绍的内容之上，因此先掌握动态平衡会让你在考试中更容易理解和应用更高级的概念。

- [平衡位置](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u6-position-of-equilibrium/)
- [有机化学导论](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u6-introduction-to-organic-chemistry/)
- [官能团化学](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u6-functional-group-chemistry/)

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