化学平衡的本质特征是什么
文摘
教育
2024-09-15 06:12
北京
本文发表于《高中数理化》，也是山东科技出版社《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》的一篇。
1．判断一个可逆反应达到平衡状态的方法有很多，比如反应混合物的密度不变、压强不变、反应体系的颜色不变等等，哪一种是切实可靠的呢？在学习化学平衡状态判断时，总有人想“省事”，试图通过总结归纳、简单记忆的办法解决问题。比如，对于反应mA + nB ⇌ pC + qD，下列特征能不能说明其已经达到平衡状态了呢？④反应速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D) = m∶n∶p∶q；⑦ 物质浓度c(A)∶c(B)∶c(C)∶c(D) =
m∶n∶p∶q；⑧ 用A表示的正反应速率与用B表示的逆反应速率数值相等；这些“依据”，对于不同反应条件、不同特征的反应，有的有用，有的则不能用。判断一个反应是否达到平衡状态，根本依据是化学平衡的本质特征 —— 正反应速率与逆反应速率相等。至于该特征的具体表现是怎样的，要结合反应的具体特点（单纯气相还是气液、气固平衡？单纯气相反应的话，反应前后气体体积是否相等？）、反应容器的特征（恒容容器还是恒压容器？）进行分析。靠死记硬背别人总结的“规律”、“套公式”的方法，不可能很好地解决问题。（2012高考江苏卷，节选）将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中（假设容器体积不变，固体体积忽略不计），在恒定温度下使其达到分解平衡：H2NCOONH4(s) ⇌ 2NH3(g) + CO2(g)。可以判断该分解反应已经达到化学平衡的是__________（填序号）。命题人所选反应非常特别——在恒温、恒容容器中，一种固体物质分解，产生两种气体。显然，当容器中总压强不变时，意味着气体的物质的量不再变化，那么反应物固体的量也不会再发生变化，说明已经达到平衡（选项B）；而气体的密度不再变化时，由于容器体积恒定不变，说明气体产物的量不再变化，那么反应物固体的量也不会再发生变化，达到平衡（选项C）。而适用于很多场合的“某一成分（NH3）体积分数不变（选项D）”则不适用于此题——因为该体系内，只有产物中含有NH3、CO2两种气体，二者的体积比始终为2:1，不论反应是否达到平衡状态，这个体积比始终不会变化。可逆反应是否达到了平衡状态，宏观上还可以用Q、K关系进行判断，并进而判断某时刻反应的宏观方向。请参考本专栏后续文章。2. 如图1，t1时刻达到平衡后，为什么V正、不再继续减小，V逆不再继续增大，而是一直维持V正=V逆平衡状态呢？![]()
其他条件一定的情况下，影响正反应速率和逆反应速率的唯一因素是反应物、产物的浓度。达到平衡之前，由于正反应速率总是比逆反应速率大，单位之间内反应物减少的量（正反应）总比产生的量（逆反应）多，所以宏观上反应物的浓度是在减小的，而产物的浓度则不断增大。而一旦到达O点，v(正) = v(逆)，则意味着从此点开始，单位时间内反应物减少的量（正反应）跟产生的量（逆反应）相等，宏观上反应物的浓度不再发生变化，产物的浓度也不再发生变化。那么，由反应物浓度决定的正反应速率不再变化，由产物浓度决定的逆反应速率也不再发生变化。只要外界条件不变，v(正) = v(逆)的关系即不会发生改变，也就不存在v(正) 继续减小、v(逆)继续增大的可能性了。3.可逆反应从开始到平衡过程的速率图像，为什么一定是上图（图1）的样子，而非如下A、B二图的样子呢？![]()
我们要明确，图1-图3这些“速率-时间”图像的前提条件是：除反应物浓度一个变量外，其他反应条件（温度、反应器体积等）都是一定的。对于一个从正反应开始的可逆反应而言，开始瞬间的v(正)必然处于最大值，因为这时反应物浓度是最大的，而v(逆)则为0，因为逆反应的反应物（也就是产物）浓度为0。反应一旦开始，反应物变为产物，则反应物浓度下降，v(正)随之减小；产物（逆反应的反应物）浓度不断上升，v(逆)随之增大，直到二者达到相等的程度，形成化学平衡状态（图1的O点）。这个v(正)减小、v(逆)增大的过程不会是匀速的（图2所示），为什么呢？因为在达到平衡状态之前，反应是净向正反应方向进行的，净反应速率v = v(正)-v(逆)，它随着时间的延长是逐渐减小的，也就是说，开始阶段反应物浓度减小得快，而接近平衡时间段反应物浓度减小得慢。v(正)是受反应物浓度影响的，故而v(正)减小的幅度也是先快而后慢。v(逆)的变化情况论述同理。基于以上论述可知，图3的情况[v(正)减小的幅度及v(逆)增大的幅度先慢后快]就更不可能出现了。
