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衡

化学平衡:常数、移动与合成氨

Chemical Equilibrium · 勒夏特列的天平
必修学过'可逆反应不能到底、v正=v逆 就平衡了'。这章量化它:用平衡常数 K 量度反应进行的程度,用勒夏特列原理判断条件改变时平衡往哪移,再看工业合成氨怎么在速率与平衡之间找平衡。
①
平衡常数

K 只看温度

②
转化率

α=转化/起始

③
平衡移动

勒夏特列原理

④
合成氨

条件的折中

开场场景:把 NO₂ 球一端浸热水、一端浸冰水——热水那头颜色变深(NO₂ 增多),冰水那头变浅。同一个平衡,温度一改变,平衡位置就移动。这就是勒夏特列原理:'对着干'。

卡必背方程式 / 概念
平衡常数:对 aA+bB ⇌ cC+dD,K = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b(固体、纯液体不写入)
K 只与温度有关,与浓度、压强、催化剂无关;K 越大反应越完全
浓度商 Q:某时刻的比值;QK 逆向进行
转化率 α = 已转化浓度 / 起始浓度 ×100%
勒夏特列原理:改变影响平衡的一个条件,平衡向减弱这种改变的方向移动
浓度:增大反应物浓度→正向移动;压强:增大压强→向气体分子数减小方向移动
温度:升温→向吸热方向移动;降温→向放热方向移动;催化剂不移动平衡
合成氨 N₂+3H₂ ⇌ 2NH₃ ΔH<0:高温低利平衡但速率快,实际 400~500℃、20~50 MPa、铁触媒
口诀:K 只认温度;勒夏特列'对着干';催化剂只缩短到达时间。

义是什么

为什么 K 只随温度变:K 是平衡态各物质浓度的关系常数,由反应本身和温度决定。浓度、压强改变只会让体系暂时偏离平衡,然后通过移动重新回到原来的 K;只有温度改变才真正改变 K 的大小。升温:吸热方向 K 增大、放热方向 K 减小。

勒夏特列'减弱'不是'消除':你加压,平衡向分子数少的方向移一点来减弱压强增大,但新平衡的压强仍比原来大;你升温,平衡向吸热方向移一点来减弱升温,但新平衡温度仍比原来高。

路怎么学 / 怎么想

判断移动方向三步:①写出反应前后气体分子数变化;②看条件改变;③套勒夏特列。注意:加入惰性气体在恒容容器中不改变各物质浓度,平衡不移动;恒压充入惰性气体相当于扩大体积减小压强,平衡向分子数多方向移动。

合成氨条件选择的张力:正反应放热、气体分子数减少(4→2)。从平衡角度要低温高压;从速率角度要高温。实际选 400~500℃ 是铁触媒活性最高的温度,20~50 MPa 兼顾设备与产率。

典型例题:三道

例1:对 N₂+3H₂ ⇌ 2NH₃ ΔH<0,下列操作能提高 H₂ 转化率的是?A 升高温度 B 减小压强 C 加入催化剂 D 及时分离出 NH₃
审题:平衡移动。
选 D。减小生成物浓度平衡正向移动,H₂ 转化率提高。A 升温逆向;B 减压向分子数多方向逆向;C 催化剂不移动平衡。
例2:某温度下反应 CO+H₂O(g) ⇌ CO₂+H₂,起始 [CO]=[H₂O]=2 mol/L,平衡时 [CO₂]=1 mol/L,求 K。
审题:平衡常数计算。
平衡时 [CO]=[H₂O]=1,[CO₂]=[H₂]=1。K=(1×1)/(1×1)=1。
例3:对 2NO₂ ⇌ N₂O₄ ΔH<0,扩大容器体积,颜色怎么变?
审题:压强与平衡。
扩大体积瞬间所有物质浓度都降低,颜色先变浅;减压平衡向气体分子数多方向(逆向,2NO₂)移动,生成更多 NO₂,颜色又略加深,但最终仍比原来浅。

用途与案例

工业:接触法制硫酸

2SO₂+O₂⇌2SO₃ 放热,实际用过量空气、常压、V₂O₅ 催化;常压下 SO₂ 转化率已很高,不加压省设备。

生活:冰镇啤酒

CO₂ 溶解度随压强增大、温度降低而增大;开盖减压 CO₂ 逸出冒泡。

展往哪儿长

必修衔接:必修认识平衡状态;选必一引入 K 与移动定量分析。

大学:化学热力学(ΔG=ΔH−TΔS)、平衡常数与自由能关系、阿伦尼乌斯方程。

防坑警示

把'加催化剂'当成使平衡正向移动:错!催化剂同等程度加快速率,平衡不移动,只缩短到达平衡的时间。另外固体/纯液体浓度视为常数,增减其量不影响平衡。恒容充惰性气体不移动平衡,恒压充惰性气体才移动——这个区别选择题必考。

练习

基础:改变下列条件,能使平衡常数 K 改变的是?A 增大反应物浓度 B 升高温度 C 增大压强 D 加催化剂

查看解答选 B。K 只随温度变。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。

进阶:对 PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g)+Cl₂(g),达到平衡后再加入 PCl₅,PCl₅ 转化率怎么变?

查看解答恒容再加入 PCl₅ 相当于增大压强,平衡向气体分子数少方向(逆向)移动,PCl₅ 转化率降低。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。

奥数:某反应 ΔH<0,升温后 K 怎么变?Q 与 K 关系?

查看解答升温平衡向吸热方向(逆向)移动,生成物浓度减小、反应物增大,K 减小;新瞬间 Q>K,反应逆向进行。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。

证教材级补充:平衡常数与反应方向

浓度商 Q 与 K 比较:Qv逆,反应正向进行;Q=K,平衡;Q>K,逆向进行。这是判断任意时刻反应方向的万能判据。

平衡时生成物与反应物浓度比恰为 K。若突然加反应物,分母变大 Q

基础例题:K 与反应热的关系?放热反应升温 K 减小;吸热反应升温 K 增大。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。
进阶例题:合成氨为何要及时分离液氨?减小生成物 NH₃ 浓度,平衡正向移动,提高原料利用率;液氨降温即液化易分离。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「核心概念与方程式」那一段,把例题再顺一遍。
记
小结卡

① K 只看温度;Q 与 K 比判断方向。

② 勒夏特列:平衡向减弱改变方向移动。

③ 合成氨是速率与平衡的折中。

费曼学习法:讲给别人听
合上书本,假装对面坐着一个刚上高中的同学,把这三件事说清楚——说不清楚的地方,就是你没真懂。
  1. 用自己的话讲:本章核心是「平衡常数 K、平衡移动与合成氨」,合上书用自己的话讲一遍,不许照抄。
  2. 举个反例 / 什么时候最容易错:对照上面「防坑警示」,挑一条讲明白为什么那是坑。
  3. 哪里还卡壳(标记薄弱点):哪一句你要翻书才说得顺?那个地方就是你的薄弱点,拿笔圈出来。