化学平衡状态—基础化学

化学反应是按照化学方程式中的计量关系进行的，我们正是据此进行有关化学方程式的计算。你是否思考过这样的问题：一个化学反应在实际进行时（如化学实验、化工生产等），给定量的反应物是否会按化学方程式中的计量关系完全转变成产物？如果能，是在什么条件下？如果不能，原因是什么？

■化学史话

炼铁高炉尾气之谜

钢铁生产是17世纪从英国开始的第一次产业革命的两大产业之一。高炉炼铁的主要反应是：

其中CO产生的反应是：C（焦炭）+O2（空气＝＝＝）　CO2（放出热量）

图3-2-1　炼铁高炉

炼制1t生铁所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，且从高炉炉顶出来的气体中含有未利用的CO气体。开始，炼铁工程师们认为是CO与铁矿石接触不充分之故，于是设法增加高炉的高度。然而，令人吃惊的是，高炉增高后，高炉尾气中的CO的比例竟然没有改变。

这成了炼铁技术中的科学悬念。有关人士一直在探究其中原因，直到19世纪下半叶，法国科学家勒夏特列经过深入的研究，才将这一谜底揭开。原来，产生上述现象的原因是是一个可逆反应，并且自下而上发生在高炉中有焦炭的地方。后来的研究说明，在高炉中Fe2O3与CO反应也不能全部转化为Fe和CO2。

化工厂里有很多化学反应过程与高炉中的反应相似，不能按化学方程式的计量关系完全反应，我们实验中遇到的化学反应也有类似的情形。

思考与交流　当温度一定时，将过量的某晶体物质放入某溶剂中形成饱和溶液。长时间的观察表明，溶液中剩余晶体物质的外形竟然在不断地变化，小晶体会长大，有的晶体上的缺角也不见了，但是剩余晶体的质量却没有改变。你知道这其中的道理吗？

初中化学中已经学过，氢和氧燃烧生成水的反应：

在一定条件下，反应几乎能完全进行到底，反应物能完全转变为生成物，而在同样条件下，往相反方向的反应几乎不能进行。像这种几乎只能向一个方向进行“到底”的反应叫做不可逆反应。但是，还有一些化学反应与上述反应不同，反应物不能全部转变为生成物。

例如，工业合成氨的反应：

该反应在一定条件下，H2与N2反应生成NH3的同时，部分NH3在相同条件下又分解为H2和N2，致使H2与N2的反应不能进行到底。这种在相同条件下，能够同时向两个相反方向进行的反应叫做可逆反应。通常，把向右进行的反应称为正反应，把向左进行的反应称为逆反应，可逆反应通常在反应中用符号”表示。

思考与交流　水的生成（H2+O2）与电解，CO2和H2O在植物体中通过光合作用合成糖与糖在人体内氧化生成CO2和H2O，它们是否属于“可逆反应”？谈谈你的见解。

图3-2-2　可逆反应中正、逆反应速率示意图

在工业合成氨反应中，开始时H2与N2的浓度最大，因而它们化合生成NH3的正反应速率最大；而NH3的浓度为零，它分解生成H2与N2的逆反应速率也为零。随着反应的进行，反应物H2与N2的浓度逐渐减小，正反应速率就逐渐减小；生成物NH3的浓度逐渐增大，逆反应率就逐渐增大。经过一段时间，将会出现正反应速率和逆反应速率相等的情况（如图3-2-2所示）。这时，单位时间内正反应消耗的H2与N2的分子数恰好等于逆反应生成的H2与N2的分子数。反应体系中，H2、N2和NH3的浓度不再发生变化。于是，反应物和生成物就处于化学平衡状态。

所谓化学平衡状态，就是指在一定条件下的可逆反应，其正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中组成成分的浓度保持不变的状态。化学平衡是一种动态平衡，当反应达到平衡时，正反应和逆反应仍在继续发生变化。

化学平衡状态是可逆反应达到的一种特殊状态，是在给定条件下化学反应所能达到或完成的最大限度，即该反应进行的限度。化学反应的限度决定了反应物在该条件下的最大转化率。

任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定的限度，只是不同反应的限度不同。改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度，亦即该反应的化学平衡状态。因此，通过调控反应条件可使反应更好地符合人们预期的结果，这在工农业生产和环保技术等方面已经取得广泛的应用。

■资料卡片

可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂乘积与反应物浓度幂乘积之比是一个常数，该常数称为化学平衡常数。对于任何一个可逆反应，当反应达到平衡时，其化学平衡常数（K）可表示为(www.xing528.com)

式中，［A］、［B］、［C］、［D］为反应物和生成物平衡时物质的量浓度，m，n，p，q为方程式中各相应化学式前面的系数。K值的大小，表明反应按正向进行程度的大小。

化学平衡只是可逆反应在一定条件下的一种暂时的、相对的稳定状态。如果影响平衡的条件发生变化，使得正、逆反应速率不再相等，反应的平衡状态就会遭到破坏，各物质的浓度就会发生变化，直到在新的条件下，反应又达到新的平衡。像这种因平衡状态被破坏而建立新的平衡的过程，叫做化学平衡状态的移动。当一个可逆反应达到化学平衡状态后，如果改变浓度、压强、温度等反应条件，对平衡有何影响呢？

1.浓度对化学平衡的影响

实验表明，在其他条件不变的情况下，增大反应物的浓度或减少生成物的浓度，都可以使平衡向正反应方向移动；增大生成物的浓度或减少反应物的浓度，都可以使平衡向逆反应方向移动。

■实践活动

可逆反应达到平衡时，反应物或生成物浓度的变化，都会对化学平衡产生影响。请设计实验，并验证上述结论。

在工业生产上，往往采用增大容易取得的或成本较低的反应物浓度的方法，使成本较高的原料得到充分利用。例如，在硫酸工业上，常用过量的空气使SO2充分氧化，以生成更多的SO3。

2.压强对化学平衡的影响

思考与交流　根据表3-1中列出的实验数据，想一想，压强对化学平衡有怎样的影响？

表3-1 450℃，不同压强下N2与H2反应生成NH3（体积分数φ）的实验数据

可以看出，在其他条件不变的情况下，增大压强，化学平衡向气体体积缩小的方向移动；减小压强，化学平衡向气体体积增大的方向移动。

应当注意，压强只对有气体参加的、且反应前后气体体积不相等的平衡体系才有影响。而固态和液态物质的体积受压强的影响很小，可以忽略不计。因此，当平衡混合物都是固体和液体时，改变压强，化学平衡不发生移动。

3.温度对化学平衡的影响

对于可逆反应来说，如果正反应是放热反应，则其逆反应必然为吸热反应。例如：

【实验3-3】如图3-2-3所示，将充有NO2与N2O4平衡混合气体平衡仪的两球分别置于盛有热水（右）和冰水（左）的烧杯中，观察平衡仪两球内气体颜色的变化。

图3-2-3　温度对化学平衡的影响

实验表明，在其他条件不变的情况下，升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动；降低温度，化学平衡向放热反应方向移动。

综上所述，如果改变影响平衡的一个条件（如温度、压强以及参加反应的化学物质的浓度），平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。这就是著名的勒夏特列原理。

■化学史话

勒夏特列是一位精力旺盛、科学成就举世闻名的法国物理化学家。他知识渊博，著述颇丰，探究欲极强，涉足的研究领域十分广泛，包括陶器、玻璃、水泥、磨蚀剂、炸药等，热电偶温度计以及用于金属焊接和切割的氧炔焰都是他的发明。

勒夏特列长期致力于如何从化学反应中得到最高产率的研究，对找到科学研究与工业生产之间的联系始终抱有极其深厚的兴趣。正是这样，才有了著名的化学平衡移动原理——勒夏特列原理。应用勒夏特列原理，可以使许多工业生产过程中的转化率达到或接近理论值，避免出现工业设计方案的低效甚至无效，在指导化工生产方面具有重大意义。