化学平衡状态

把一定量的二氧化氮气体（红棕色）封入一个透明密闭容器中，起初颜色很深，因为二氧化氮浓度很高；随着时间推移，颜色逐渐变浅——部分 $\text{NO}_2$ 转化成了无色的 $\text{N}_2\text{O}_4$。然而，颜色并没有一直褪到透明，而是在某一深浅处“停”了下来，不再发生变化。这说明体系达到了某种稳定状态。从那一刻起，正向反应（$\text{NO}_2$ 转化为 $\text{N}_2\text{O}_4$）和逆向反应（$\text{N}_2\text{O}_4$ 转化回 $\text{NO}_2$）的速率恰好相等，宏观上“看起来什么都没在发生”，实际上反应从未真正停止——这就是化学平衡状态。

什么是化学平衡状态

在一个密闭体系中，可逆反应进行到正反应速率与逆反应速率相等，且体系中各组分的浓度不再随时间改变的状态，称为化学平衡状态（简称“化学平衡”）。

理解这个定义需要抓住三个要素：

第一，必须是密闭体系。开放体系中，产物或反应物会不断逸出或补充，无法建立稳定的平衡。

第二，必须是可逆反应。不可逆反应最终是反应物耗尽，不存在正逆速率相等的平衡状态。

第三，平衡时各组分浓度不变，但不为零。反应物和生成物同时存在，各自维持在一个固定的浓度值上。

下面以工业合成氨反应为例，说明体系从反应开始到达到平衡的过程：

$\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$

起始时，容器中只有 $\text{N}_2$ 和 $\text{H}_2$，$\text{NH}_3$ 浓度为零。正反应速率最大，逆反应速率为零。随着反应进行，$\text{N}_2$ 和 被消耗，正反应速率逐渐降低； 不断积累，逆反应速率逐渐升高。当两者相等时，体系达到化学平衡。

动态平衡——平衡的本质

化学平衡并不是反应“停下来了”，而是正向和逆向两个方向的反应速率恰好相等、相互抵消，宏观上表现出“静止”的假象。这种状态被称为动态平衡。

“动”指的是微观层面正逆反应持续进行；“态”指的是宏观上各物质浓度保持稳定。两者结合，才是化学平衡的完整含义。

一个常用的类比：想象一个水池，进水管和出水管同时开着，进水速率恰好等于出水速率，水位保持不变。这时水池里的水“看起来静止”，但实际上水一直在流动。化学平衡与此类似——各物质的浓度“看起来不变”，但分子层面的反应从未停止。

例题 1

在密闭容器中发生反应 $2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(g)$，下列关于达到化学平衡时的描述，正确的是哪些？

（1）体系中 $\text{SO}_2$、$\text{O}_2$、$\text{SO}_3$ 三种气体的浓度完全相等。

（2）体系中三种气体的浓度均不随时间改变。

（3）正反应和逆反应都已经停止，不再发生任何转化。

（4）正反应消耗 $\text{SO}_2$ 的速率等于逆反应生成 $\text{SO}_2$ 的速率。

解答：

（1）错误。平衡时各物质浓度不再改变，但彼此的具体数值由起始条件和反应本身决定，不一定相等。

（2）正确。这正是化学平衡的宏观标志——各组分浓度不随时间变化。

（3）错误。平衡是动态平衡，正逆反应仍在持续，只是速率相等、彼此抵消，宏观上看不到浓度变化。

（4）正确。平衡时正反应消耗 $\text{SO}_2$ 的速率等于逆反应生成 $\text{SO}_2$ 的速率，这正是速率相等的体现。

化学平衡的特征

化学平衡有几个鲜明的特征，可以用五个字概括：逆、动、等、定、变。

• 逆：化学平衡只存在于可逆反应中。不可逆反应无法建立平衡，只有可逆反应才能在一定条件下达到正逆速率相等的平衡状态。

• 动：平衡是动态平衡，正逆反应持续进行，并非反应停止。这是化学平衡区别于“反应物耗尽”状态的根本所在。

• 等：正反应速率等于逆反应速率，即 $v(\text{正}) = v(\text{逆})$。这是平衡成立的核心条件，也是判断是否达到平衡的最直接依据。

• 定：平衡时，体系中各组分的浓度、物质的量分数、气体的总压（在恒温恒容条件下）等宏观量均保持不变。

• 变：化学平衡是条件下的平衡。一旦外部条件发生改变（如温度、压强、浓度），平衡就会被打破，体系向新的方向移动，最终在新条件下建立新的平衡。

判断化学平衡状态的方法

判断一个体系是否达到化学平衡，核心思路只有一条：看某个宏观量是否不再随时间变化。具体方法可以从“速率角度”和“浓度（或其他宏观量）角度”两个方向入手。

从速率角度判断

对于可逆反应 $a\text{A}(g) + b\text{B}(g) \rightleftharpoons c\text{C}(g) + d\text{D}(g)$，达到平衡时：

正反应消耗 A 的速率 $=$ 逆反应生成 A 的速率

即：在单位时间内，某物质被“消耗的量”与“生成的量”相等，说明该物质的浓度不再净变化，体系达到平衡。

注意区分以下两种情况：

• 正确的平衡标志：$v(\text{消耗 A}) = v(\text{生成 A})$，或 $v(\text{消耗 C}) = v(\text{生成 C})$——同一物质，方向相反，说明净变化为零。

• 不能说明达到平衡：$v(\text{消耗 A}) = v(\text{消耗 C})$——两个都是正方向消耗，不能说明正逆速率相等。

还有一种常见形式：利用计量数关系换算后比较。若 $\dfrac{v(\text{A})}{a} = \dfrac{v(\text{C})}{c}$，但两者都处于正向（或都处于逆向），则不能判断为平衡。

从宏观量角度判断

当体系中以下宏观量不再随时间变化时，说明达到了化学平衡：

• 各组分的浓度不再变化；
• 混合气体的颜色不再变化（有颜色变化的反应，如 $\text{NO}_2$ 与 $\text{N}_2\text{O}_4$ 的转化）；
• 混合气体的总物质的量不再变化（仅适用于反应前后气体分子数不等的反应）；
• 混合气体的密度不再变化（恒容容器中，气体质量不变则密度不变；若密度本身始终不变则不能作为判据）；
• 混合气体的平均摩尔质量不再变化（适用于反应前后气体分子数不等的反应）。

例题 2

在密闭容器中发生反应：

$2\text{NO}_2(g) \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4(g)$

下列各项中，能说明该反应已达到化学平衡状态的是：

（1）混合气体的颜色不再改变。

（2）$v(\text{正，NO}_2) = v(\text{逆，NO}_2)$。

（3）$v(\text{正，NO}_2) = 2v(\text{逆，N}_2\text{O}_4)$。

（4）混合气体的密度不再改变（恒容容器）。

（5）$\text{NO}_2$ 和 $\text{N}_2\text{O}_4$ 的浓度之比为 $2:1$。

平衡状态与非平衡状态的对比

为了更清晰地理解化学平衡，将平衡状态与尚未达到平衡（反应仍在净正向进行）的状态进行对比：

例题 3

在温度为 $T$ 的密闭容器中，发生反应：

$\text{A}(g) + 2\text{B}(g) \rightleftharpoons 2\text{C}(g)$

起始时加入 $\text{A}$、$\text{B}$、$\text{C}$ 各 $2.00\ \text{mol}$，经过 $5\ \text{min}$ 后，测得体系中各组分的浓度不再随时间变化。此时检测得到 $c(\text{A}) = 1.50\ \text{mol/L}$，，。

（1）说明此时体系是否达到了化学平衡，判断依据是什么。

（2）判断 $5\ \text{min}$ 内反应是否以正向为净方向进行，并给出理由。

练习题

选择题

第 1 题【知识点：化学平衡状态的本质】

关于化学平衡状态，下列说法正确的是：

A. 达到平衡时，正反应和逆反应都停止了，所以各物质浓度不变

B. 达到平衡时，正反应速率等于逆反应速率，且二者均不为零

C. 化学平衡是一种静态平衡，微观上分子不再发生任何化学变化

D. 化学平衡只能从正反应方向（反应物一侧）建立，不能从逆反应方向（产物一侧）建立

第 2 题【知识点：判断化学平衡状态的方法——速率角度】

在密闭容器中发生反应 $\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$，下列能说明该反应已达到化学平衡状态的是：

A. 正反应消耗 $\text{N}_2$ 的速率等于正反应消耗 $\text{H}_2$ 速率的 $\dfrac{1}{3}$

B. $\text{N}_2$、$\text{H}_2$、$\text{NH}_3$ 的浓度之比为 $1:3:2$

C. 正反应消耗 $\text{NH}_3$ 的速率等于逆反应生成 $\text{NH}_3$ 的速率

D. 正反应消耗 $\text{N}_2$ 的速率等于逆反应消耗 $\text{NH}_3$ 速率的 $\dfrac{1}{2}$

第 3 题【知识点：判断化学平衡状态的方法——宏观量角度】

在恒温恒容的密闭容器中发生反应 $2\text{NO}_2(g) \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4(g)$（$\text{NO}_2$ 为红棕色， 为无色），下列各项不能说明该反应达到平衡状态的是：

A. 混合气体的颜色不再发生变化

B. 混合气体的密度不再发生变化

C. 混合气体的平均摩尔质量不再发生变化

D. 混合气体的总物质的量不再发生变化

第 4 题【知识点：平衡状态的综合判断】

在某密闭容器中，可逆反应 $\text{A}(g) + \text{B}(g) \rightleftharpoons 2\text{C}(g)$ 达到平衡状态。下列说法错误的是：

A. 平衡时 A、B、C 三种物质同时存在于体系中

B. 平衡时 A 的转化率等于 B 的转化率（当起始投料比等于化学计量数比时）

C. 平衡时正反应速率大于逆反应速率，所以宏观上看不到反应继续进行

D. 延长反应时间（温度和体积不变），平衡时各物质的浓度不会继续改变

计算题

第 5 题【知识点：三段式分析与平衡浓度计算】

在 $2\ \text{L}$ 的密闭容器中，充入 $4.00\ \text{mol}\ \text{NO}_2$，在一定温度下发生反应：

$2\text{NO}_2(g) \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4(g)$

反应达到化学平衡后，测得 $\text{NO}_2$ 的物质的量为 $2.40\ \text{mol}$。

（1）用三段式方法列出各组分在起始、变化、平衡时的物质的量，以及对应的浓度。

（2）计算 $\text{NO}_2$ 的转化率。

（3）计算平衡时混合气体的总物质的量，并与起始总物质的量比较，说明为什么总物质的量减少了。

（4）说明此时体系是否达到了化学平衡，依据是什么。

第 6 题【知识点：从平衡浓度反推起始量及转化率综合计算】

在某温度下，向容积为 $1\ \text{L}$ 的密闭容器中充入 $\text{H}_2$ 和 $\text{I}_2$ 的气态混合物，发生反应：

$\text{H}_2(g) + \text{I}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{HI}(g)$

达到化学平衡后，测得各组分的浓度为：

$c(\text{H}_2) = 0.40\ \text{mol/L},\quad c(\text{I}_2) = 0.10\ \text{mol/L},\quad c(\text{HI}) = 1.20\ \text{mol/L}$

（1）利用三段式方法，设起始时 $\text{HI}$ 浓度为 $0$（即由 $\text{H}_2$ 和 $\text{I}_2$ 开始反应），计算起始时 $\text{H}_2$ 和 的浓度。

（2）计算 $\text{H}_2$ 和 $\text{I}_2$ 的转化率，并比较二者是否相同，说明原因。

（3）计算反应从开始到平衡，HI 的平均生成速率（设达到平衡用时 $4\ \text{min}$）。

C 错误：“正反应消耗 $\text{NH}_3$”描述有误，正反应生成 $\text{NH}_3$，消耗 $\text{NH}_3$ 是逆反应，说法本身存在概念混淆，不能用来判断平衡。

D 正确：正反应消耗 $\text{N}_2$ 的速率（正向）等于逆反应消耗 $\text{NH}_3$ 速率的 $\dfrac{1}{2}$。由计量数关系 $\text{N}_2:\text{NH}_3 = 1:2$，逆反应消耗 $\text{NH}_3$ 的同时也相当于“生成”等量的 $\text{N}_2$（从浓度角度看），$\dfrac{1}{2}v(\text{逆，NH}_3) = v(\text{逆，N}_2)$，若该值等于 $v(\text{正，N}_2)$，则 $\text{N}_2$ 净变化为零，即达到平衡。

D 能说明：该反应正方向气体总物质的量减小（$2\ \text{mol} \rightarrow 1\ \text{mol}$），总物质的量不再变化说明净反应停止，即达到平衡。

平衡时 $\text{NO}_2 = 4.00 - x = 2.40$，解得 $x = 1.60\ \text{mol}$。

生成 $\text{N}_2\text{O}_4 = \dfrac{1.60}{2} = 0.80\ \text{mol}$

（2）$\text{NO}_2$ 的转化率：

$\dfrac{1.60\ \text{mol}}{4.00\ \text{mol}} \times 100\% = 40\%$

（3）平衡时气体总物质的量：

$2.40 + 0.80 = 3.20\ \text{mol}$

起始总物质的量为 $4.00\ \text{mol}$，平衡时为 $3.20\ \text{mol}$，减少了 $0.80\ \text{mol}$。

原因：该反应正方向是气体分子数减少的方向（$2\ \text{mol}$ 的 $\text{NO}_2$ 合并为 $1\ \text{mol}$ 的 $\text{N}_2\text{O}_4$），反应净正向进行，导致气体总物质的量减少。

（4）

题目说明测得 $\text{NO}_2$ 为 $2.40\ \text{mol}$，意味着此后浓度不再变化（平衡后的测量值），因此体系已达化学平衡状态。其判断依据是：各组分浓度（或物质的量）不再随时间改变，这是化学平衡的宏观标志。

平衡时 $c(\text{HI}) = 2a = 1.20$，解得 $a = 0.60\ \text{mol/L}$

三段式：

因此，起始时 $c(\text{H}_2) = 1.00\ \text{mol/L}$，$c(\text{I}_2) = 0.70\ \text{mol/L}$。

（2）转化率：

$\text{H}_2 \text{ 的转化率} = \dfrac{0.60}{1.00} \times 100\% = 60\%$

$\text{I}_2 \text{ 的转化率} = \dfrac{0.60}{0.70} \times 100\% \approx 85.7\%$

两者转化率不同。原因是起始投料比 $\text{H}_2:\text{I}_2 = 1.00:0.70 \neq 1:1$（化学计量数之比），$\text{I}_2$ 的起始量相对较少，被消耗的比例更大，因此 $\text{I}_2$ 的转化率更高。

（3）HI 的平均生成速率：

$v(\text{HI}) = \dfrac{\Delta c(\text{HI})}{\Delta t} = \dfrac{1.20\ \text{mol/L}}{4\ \text{min}} = 0.30\ \text{mol/(L·min)}$