化学平衡状态是中学化学核心知识点,也是高考高频考点,以下从定义建立、特征、判断标志及例题展开详细说明,助力掌握化学平衡状态的关键内容。

  一、化学平衡状态的定义和建立

  1、定义:在一定条件(如温度、压强、浓度等)下的可逆反应里,正反应速率和逆反应速率相等,反应体系中所有参加反应的物质的质量、浓度或百分含量保持恒定的状态,称为化学平衡状态。不可逆反应因无法双向进行,不存在化学平衡状态。

  2、化学平衡状态的建立若把某一可逆反应的反应物加入密闭容器(如恒容、恒压容器)中,其反应过程如下:(1) 反应刚开始时:反应物浓度最大,正反应速率达到最大值,生成物浓度为 0.逆反应速率为 0.(2) 反应进行过程中:反应物不断消耗,浓度逐渐减小,正反应速率随之缓慢减小;生成物持续生成,浓度逐渐增大,逆反应速率逐渐增大。(3) 反应进行到某一时刻,必然出现 v 正 = v 逆(同一物质的正逆反应速率),即正反应消耗反应物的量与逆反应生成反应物的量恰好相等,反应物和生成物的浓度不再发生变化,此时反应达到动态平衡,即化学平衡状态。

  3、化学平衡状态的特征(1) 逆:化学平衡研究的对象仅限可逆反应,只有可逆反应才可能达到平衡状态。(2) 动:属于动态平衡。达到平衡状态时,正、逆反应并未停止,仍在持续进行,只是两者速率相等,宏观上表现为各物质的量不变。(3) 等:达平衡时,同一物质的正反应速率和逆反应速率相等且均大于 0.即 v 正 = v 逆 > 0.(4) 定:达平衡时,各组分的浓度、质量分数、体积分数等均保持恒定,不随时间变化。(5) 变:化学平衡状态具有条件依赖性,当外界条件(如温度、浓度、压强等)改变时,原平衡被打破,在新的条件下会重新建立新的平衡状态(即化学平衡移动)。

  温馨提示:化学反应达到化学平衡状态时正、逆反应速率相等,特指同一物质的消耗速率和生成速率相等;若用不同物质表示反应速率,需满足 “某反应物的消耗(生成)速率﹕某生成物的消耗(生成)速率 = 化学计量数之比”,例如:对于反应 N₂+3H₂⇌2NH₃,v (H₂) 正:v (NH₃) 逆 = 3:2 时才达到平衡。

  4、化学平衡状态的判断标志(1) 任何情况下均可作为标志的① 对于同种物质:该物质的生成速率 = 消耗速率,即 v 正 = v 逆。② 对于不同物质:某反应物的消耗(生成)速率﹕某生成物的消耗(生成)速率 = 化学方程式中相应物质的化学计量数之比。③ 各组分含量(百分含量、物质的量、物质的量浓度或质量)不随时间变化。

  (2) 在一定条件下可作为标志的① 对于有有色物质参加或生成的可逆反应(如 2NO₂⇌N₂O₄,NO₂为红棕色),若混合气体颜色不再变化,则反应达到平衡状态。② 对于有气态物质参加或生成、且反应前后气体物质的量变化不为 0 的可逆反应(如 2SO₂+O₂⇌2SO₃),恒温恒容条件下,混合气体平均相对分子质量(M)和反应总压强(p)不变时,反应达到平衡状态。③ 对于绝热体系(与外界无热量交换),反应过程中会伴随热量变化,若体系的温度不再变化,则反应达到平衡状态。

  (3) 不能作为判断标志的① 反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比(此比例与平衡状态无关,仅为某一时刻的特殊比例)。② 恒温恒容下的体积不变的反应,体系的压强或总物质的量不再随时间而变化。③ 全是气体参加、体积不变的反应,体系的平均相对分子质量不再随时间而变化。④ 全是气体参加的反应,恒容条件下体系的密度保持不变(密度 = 质量 / 体积,恒容时体积不变,全气体反应质量守恒,密度始终不变)。

  二、化学平衡状态的相关例题

  在一定温度下的定容密闭容器中,当下列物理量不再变化时,不能表明反应:(ce{A(s) + 2B(g) <=> C(g) + D(g)})已达到平衡的是___

  A. 混合气体的压强B. 混合气体的密度C. 气体的平均摩尔质量D. 反应物 A 的质量

  答案:A

  解析:(ce{A(s) + 2B(g) <=> C(g) + D(g)})为反应前后气体分子数不变的可逆反应,定容条件下容器内气体总物质的量始终不变,因此压强始终保持不变,压强不变不能证明达到平衡状态,A 符合题意;定容密闭容器中体积固定,A 为固体,反应前后混合气体的质量因 A 的消耗而发生变化,由密度公式 ρ=mV 可知,气体密度会随反应进行而改变,当密度不再变化时,说明达到化学平衡状态,B 不符合题意;该反应前后气体总物质的量不变,但气体质量随反应变化,若混合气体的平均摩尔质量(M = 总质量 / 总物质的量)不变,说明气体质量不再变化,达到平衡状态,C 不符合题意;平衡状态下各物质质量保持不变,因此 A 的质量不变能表明反应达到平衡,D 不符合题意。