化学自习室移动版

一：化学反应平衡的实质

 首先，平衡就意味着并不是终止，而是某种动态平衡。在反应中如果该反应正反应速度与逆反应速度相等，那么就意味着该反应达到平衡

气体反应 xA + yB == zC + tD （x，y，z，t均为系数，中间等号应为可逆反应符号，为了好分析，ABCD均为气体）我们根据初级的反应动力学方程知道，正反应速率与反应物的浓度之间满足一个指数方程。V正 = K正 ·[A]^x ·[B]^y（以后大学会知道，对多级反应动力学，这个方程并不一定成立，但是暂时站在中学角度，为了分析方便，可以认为正确的）其中 K正、 K逆（正逆反应速率常数）只与温度有关。同样V逆 = K逆·[C]^z ·[D]^t  ，当反应达到平衡的时候，V正=V逆  综合以上式子就会知道 {[C]^z ·[D]^t}/{[A]^x ·[B]^y} = K正 / K逆 = 常数（只与温度有关），根据这个式子我们就知道，化学反应平衡只与温度和物质的浓度有关

二：平衡的移动

在气体反应中，经常会有压强这个因素，是怎么改变化学反应平衡的呢？实际上压强本身并不是改变平衡的原因，压强是通过改变浓度来改变平衡的。我们来分析一下

温度不变下，体积若改变ΔV（可取正或负，一个表示增加，一个表示减少），若原体积为V，原浓度分别为[A]、[B]、[C]、[D] 那么现在浓度则分别是[V/（V+ΔV）][A]、[V/（V+ΔV）][B]、[V/（V+ΔV）][C]、[V/（V+ΔV）][D]

我们将新浓度代入到原正负反应方程

得到 V正’ = K正·{V/（V+ΔV）[A]}^x·{V/（V+ΔV）[B]}^y = [V/（V+ΔV）]^(x+y) ·V正

同样 V逆’ = [V/（V+ΔV）]^(z+t) ·V逆

大家可以看出来了，当x+y = z+t 的时候，也就是反应物系数和等于生成物系数和的时候，减少或增大体积对平衡最终的物质成分不产生影响。但是我们发现，当ΔV小于0的时候（通常情况下也就是压强增大），正逆反应速度都将加快；而ΔV大于0（通常情况下也就是压强减小）的时候，正逆反应速度都将减慢。

当x+y>z+t的时候，若ΔV大于0（通常情况下也就是压强减小），  则V/（V+ΔV）〈 1， V正’〈V逆’ ，平衡向左移动。若ΔV小于0，则相反。剩下的情况我就不讨论了。

总之要告诉大家的就是：反应过程中的物理参数的变化，如果不能引起反应温度和物质浓度的变化，那么该参数对平衡移动并不造成影响。（该命题的逆命题不一定成立，请注意）所以有些题，会保持压强的情况下增加体积。因为压强是通过改变体积来改变物质浓度，所以我们要考虑体积变化对反应的影响。比如在恒压的系统下，在体系中充入惰性气体，那么实际就是体系体积增加了。我们必须对x+y和z+t进行比较来确定平衡的移动。

在恒容的系统下，在体系中充入惰性气体，体积不变，压强增大，但是浓度并没有改变。所以平衡不移动。催化剂不改变平衡时物质分数，但是能同时提高正逆化学反应速度。当然，在讲气体的时候，一般不用浓度，而用分压值代替，这里为了使学生能理解，用浓度表示。此乃后话，暂且不表

三：等效平衡与等效物质

通常情况下，有些题目会在反应体系中增加或减少某些物质（包括生成物与反应物），或者另外给出一些初始条件来要求你判断与原平衡之间的关系。

这就涉及到等效平衡与等效物质的概念。在恒温恒容反应 xA + yB == zC + tD 中，初始条件ax mol的A和ay mol的B（a为常数）混合所达到的平衡 与初始条件az mol的C和at mol的D混合所达到的平衡是一样的。

同样可以从数学上得到证明（利用反应动力学方程，自己试着证明一下）也就是说az mol的C和at mol的D 等效于 ax mol的A和ay mol的B。恒温下的平衡各物质分数只取决于初始态的各物质分数。所以当我们在另一个反应体系中，如果初始各物质分数与该反应初始物质分数相同，那么这两个平衡是等效的，其平衡态的各物质分数相同。

根据等效平衡和等效物质可以解决很多问题。两个等效平衡在恒温恒压下混合，其物质分数不改变，也可以用数学证明（同样希望在这方面薄弱的同学，能自己证明一下）比如气体反应2mol SO2和1mol O2反应时，恒温恒压下增加1molSO3，并不改变平衡时物质组成。因为看成两个平衡反应时，1molSO3等效于1mol SO2和1/2mol O2，其物质分数与前面那个反应相同，所以是两个等效平衡。在恒温恒压下混合时，其物质分数不变。应用时千万要记住：恒温恒压 （！）

四：平衡反应中的反应物投料比对生成物产量的影响结果，及其证明

  我们通常说，在平衡反应中的反应物投料比，等于方程式系数比的时候，产量最大（转化率最高）也就是xA + yB == zC + tD （x，y，z，t均为系数，中间等号应为可逆反应符号，为了好分析，ABCD均为气体）当反应物A、B总量一定的时候，A：B=x：y时，产量最大。这一结论在化工生产中意义非常重大。

  我以前学习的时候，也只是记住了这个结论，没有仔细推敲推导过程。这两天正好有人问起，所以把推导过程证明如下：（喜欢问为什么的化学爱好者可能自己已经推出来吧？那就没必要看了，呵呵）

假设反应物总量为S mol，第一次投料A、B分别为ax mol，by mol，满足ax+by = S   a≠b，A：B=ax：by≠x：y

第二次投料A、B分别为cx mol，cy mol，满足cx+cy = S         A：B=cx：cy= x：y    当然，都在恒温恒容的反应釜内。

第一次：    xA  +  yB  ==  zC  +  tD

反应前：    ax     by      0      0

平衡时：   ax-mx  by-my    mz     mt    (假定生成m mol）

根据平衡方程有：(k为平衡常数)

(mz)^z·(mt)^t = k·(ax-mx)^x·(by-my)^y ......（1）

第二次：    xA  +  yB  ==  zC  +  tD

反应前：    cx     cy      0      0

平衡时：   cx-nx  cy-ny    nz     nt    (假定生成n mol）

根据平衡方程有：

(nz)^z·(nt)^t = k·(cx-nx)^x·(cy-ny)^y ......（2）

（1）与（2）相比得到：

(m/n)^(z+t) = [(a-m)^x·(b-m)^y]/[(c-n)^(x+y)]

根据基本不等式:XYZ≤[(X+Y+Z)/3]^3

上式变为

(m/n)^(z+t) = [(a-m)^x·(b-m)^y]/[(c-n)^(x+y)] <  {[(ax-mx)+(by-my)]/(x+y)]^(x+y)}/{(c-n)^(x+y)}

因为ax+by = S  而c = S/（x+y） 上式化为

(m/n)^(z+t) < [(c-m)/(c-n)]^(x+y) .............（3）

分析（3）式，若m>n，则左端大于1，右端小于1，不等式不成立

若m=n，则左右两端都等于1，不等式不成立

若m<n，则左端小于1，右端大于1，不等式成立

综合讨论，必有m<n成立

也就是只有当投料比等于系反应数比时，产量最高。

化工生产中，大多数时候总是使投料比接近系数比。但是有些时候考虑成本因素或单个物质的转化率，会改进投料比。比如说，假如上边的反应物A非常便宜，B非常昂贵，那么会考虑多加A，使A：B > x：y，提高B的转化率，降低成本。