在化學(xué)研究和化工生產(chǎn)中，只考慮化學(xué)反應(yīng)速率是不夠的，還需要考慮化學(xué)反應(yīng)所能達(dá)到的最大限度。例如，在合成氨工業(yè)中，除了要考慮使N2和H2盡可能快地轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3外，還要考慮使N2和H盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3，這就涉及到化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度問(wèn)題??化學(xué)平衡�；瘜W(xué)平衡主要是研究可逆反應(yīng)規(guī)律的，如反應(yīng)進(jìn)行的程度以及各種條件對(duì)反應(yīng)進(jìn)行程度的影響等。
一、化學(xué)平衡的建立
在一定溫度下，當(dāng)把適量蔗糖晶體溶解在水里時(shí)，一方面，蔗糖分子不斷離開(kāi)蔗糖表面擴(kuò)散到水里去；另一方面，溶解在水里的蔗糖分子不斷地在未溶解的蔗糖表面聚集成為晶體，當(dāng)這兩個(gè)相反過(guò)程的速率相等時(shí)，蔗糖的溶解達(dá)最大限度，形成蔗糖的飽和溶液。此時(shí)，我們說(shuō)達(dá)到溶解平衡狀態(tài)，如圖3－4所示。在溶解平衡狀態(tài)，溶解和結(jié)晶的過(guò)程并沒(méi)有停止，只是速率相等罷了，因此，溶解平衡狀態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。
可逆反應(yīng)的情形又是怎樣的呢？我們可以通過(guò)CO與H2O（g）的反應(yīng)來(lái)進(jìn)行研究：
CO+H2O（g）CO2+H2
將0.01molCO和0.01molH2O（g）通入容積為1L的密閉容器里，在催化劑存在的條件下加熱到800℃，結(jié)果生成了0.005molCO2和0.005molH2，而反應(yīng)物CO和H2O（g）各剩余0.005mol。如果溫度不變，反應(yīng)無(wú)論進(jìn)行多長(zhǎng)時(shí)間，容器里混合氣體中各種氣體的濃度都不再發(fā)生變化。
我們可以用可逆反應(yīng)中正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的變化來(lái)說(shuō)明上面的過(guò)程，如圖3－5所示。
當(dāng)反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，CO和H2O（g）的濃度最大，因而它們化合生成CO2和H2的正反應(yīng)速率最大；而CO2和H2的起始濃度為零，因而它們反應(yīng)生成CO和H2O（g）的逆反應(yīng)速率也為零。以后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)物CO和H2O（g）的濃度逐漸減小，正反應(yīng)的速率就逐漸減��；生成物CO2和H2的濃度逐漸增大，逆反應(yīng)的速率就逐漸增大。
如果外界條件不發(fā)生變化，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度的時(shí)候，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，此時(shí)，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行到最大限度，反應(yīng)物和生成物的濃度不再發(fā)生變化，反應(yīng)物和生成物的混合物（簡(jiǎn)稱反應(yīng)混合物）就處于化學(xué)平衡狀態(tài)，簡(jiǎn)稱化學(xué)平衡。
實(shí)驗(yàn)證明，如果不是從CO和H2O（g）開(kāi)始反應(yīng)，而是各取0.01molCO2和0.01molH2，以相同的條件進(jìn)行反應(yīng)，生成CO和H2O（g），當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)混合物里CO、H2O（g）、CO2、H2各為0.005mol，其組成與前者完全相同。
當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)候，正反應(yīng)和逆反應(yīng)都仍在繼續(xù)進(jìn)行，只是由于在同一瞬間，正反應(yīng)生成CO2和H2的分子數(shù)和逆反應(yīng)所消耗的CO2和H2的分子數(shù)相等，亦即正、逆反應(yīng)的速率相等，因此反應(yīng)混合物中各組分的濃度不變。由此可見(jiàn)，化學(xué)平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。
綜上所述，化學(xué)平衡狀態(tài)是指在一定條件下的可逆反應(yīng)里，正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速率相等，反應(yīng)混合物中各組分的濃度保持不變的狀態(tài)。
討論
高爐煉鐵中Fe2O3+3CO2Fe+3CO2是一個(gè)可逆反應(yīng)。在19世紀(jì)后期，人們發(fā)現(xiàn)煉鐵高爐所排出的高爐氣中含有相當(dāng)量的CO，有的工程師認(rèn)為，這是由于CO和鐵礦石的接觸時(shí)間不夠長(zhǎng)所造成的，于是在英國(guó)耗費(fèi)了大量資金建造了一個(gè)高大的煉鐵高爐，以增加CO和鐵礦石的接觸時(shí)間。可是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，用這個(gè)高爐煉鐵，所排出的高爐氣中CO的含量并沒(méi)有減少。試應(yīng)用化學(xué)平衡的理論來(lái)分析，為什么用增加高爐高度的辦法不能減少煉鐵高爐氣中CO的含量？
二、化學(xué)平衡常數(shù)
為了進(jìn)一步了解可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)的特征，對(duì)于反應(yīng)
CO+H2O（g）CO2+H2
可以進(jìn)行以下的實(shí)驗(yàn)。設(shè)在4個(gè)1L的密閉容器里，分別通入不同物質(zhì)的量的CO、H2O（g）、CO2和H2，把4個(gè)密閉容器都加熱到800℃，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，如果這4個(gè)容器里的4種物質(zhì)的濃度不再隨時(shí)間的改變而改變，那么，容器里的反應(yīng)混合物就都達(dá)到了化學(xué)平衡。把實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平衡濃度等數(shù)據(jù)列在表3－1里。
表3-1CO+H2O(g)CO2+H2反應(yīng)中起始和
平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度(800℃)
起始時(shí)各物質(zhì)的濃度mol?L-1平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度mol?L-1平衡時(shí)
c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)
0.010.01000.0050.0050.0050.0051.0
000.020.010.00670.00670.01330.00331.0
0.00250.030.00750.00750.00210.02960.00790.00791.0
0.010.03000.00250.02250.00750.00751.0
為了研究平衡混合物中各物質(zhì)濃度之間的關(guān)系，我們把平衡混合物中各生成物的濃度乘積作為分子，把各反應(yīng)物的濃度乘積作為分母，求其比，該比也列在表3－1里。分析表3－1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出如下的結(jié)論：
在一定溫度下，可逆反應(yīng)無(wú)論從正反應(yīng)開(kāi)始，還是從逆反應(yīng)開(kāi)始，又無(wú)論反應(yīng)物起始濃度的大小，最后都能達(dá)到化學(xué)平衡。這時(shí)生成物的濃度乘積除以反應(yīng)物的濃度乘積所得到的比是個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫做該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)，簡(jiǎn)稱平衡常數(shù)。平衡常數(shù)用符號(hào)K表示。例如，在800℃時(shí)，
從平衡常數(shù)K的大小，可以推斷反應(yīng)進(jìn)行的程度。K越大，表示化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)生成物濃度對(duì)反應(yīng)物濃度的比值越大，也就是反應(yīng)進(jìn)行的程度越大，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率②也越大。反之，K越小，表示反應(yīng)進(jìn)行的程度越小，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率也越小。
可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)并不隨反應(yīng)物或生成物濃度的改變而改變，但隨溫度的改變而改變。例如反應(yīng)
H2（g）+I2（g）2HI（g）
在不同溫度時(shí)，其平衡常數(shù)如表3－2所示：
表3-2不同溫度時(shí)，反應(yīng)H2(g)+I2(g)2HI(g)
的平衡常數(shù)
溫度/℃350425490
平衡常數(shù)66.954.445.9
因此，在使用平衡常數(shù)時(shí)，必須注意是在哪一溫度下進(jìn)行的可逆反應(yīng)。
習(xí)題
一、選擇題
1．在一定條件下，使NO和O2在一密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)，下列說(shuō)法中不正確的是[]
A．反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，正反應(yīng)速率最大，逆反應(yīng)速率為零
B．隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正反應(yīng)速率逐漸減小，最后為零
C．隨著反應(yīng)的進(jìn)行，逆反應(yīng)速率逐漸增大，最后不變
D．隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正反應(yīng)速率逐漸減小，最后不變
2．在一定條件下，對(duì)于密閉容器中進(jìn)行的反應(yīng)
A（g）+B（g）C（g）+D（g）
下列說(shuō)法中可以充分說(shuō)明這一反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是[]
A．A、B、C、D的濃度相等
B．A、B、C、D在密閉容器中共存
C．A、B、C、D的濃度不再變化
D．用A的濃度表示的化學(xué)反應(yīng)速率與用B的濃度表示的化學(xué)反應(yīng)速率相等
3．對(duì)于密閉容器中進(jìn)行的反應(yīng)
2SO2+O22SO3
如果溫度保持不變，下列說(shuō)法中正確的是[]
A．增加SO2的濃度，正反應(yīng)速率先增大，后保持不變
B．增加SO2的濃度，正反應(yīng)速率逐漸增大
C．增加SO2的濃度，平衡常數(shù)增大
D．增加SO2的濃度，平衡常數(shù)不變
二、在一定條件下，對(duì)于在密閉容器中進(jìn)行的反應(yīng)
H2+I22HI
說(shuō)明下列示意圖所表示的涵義。
三、在425℃時(shí)，在1L密閉容器中進(jìn)行的反應(yīng)
H2+I22HI
達(dá)到平衡，分別說(shuō)明下列示意圖所表示的涵義，由圖中的事實(shí)可以說(shuō)明化學(xué)平衡具有哪些特征。
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