可逆反应：颜色停住以后，烧瓶里还在发生什么？

化学老师把一支密封的玻璃管放在投影仪前。管中原先充有红棕色的二氧化氮气体；过一会儿，颜色慢慢变浅，却没有褪成无色，而是停在某个稳定的浅棕色。几分钟过去，颜色仍是那个深浅。

“反应结束了吗？”有人会立刻回答“结束了”。但老师没有收起玻璃管，而是追问：如果真的结束，为什么管中既能检出二氧化氮，也能检出四氧化二氮？

这支玻璃管把本章最容易误解的一件事摆在了眼前：颜色不再变化，不等于反应停止。 在恒温的密闭体系中，二氧化氮会结合成四氧化二氮，四氧化二氮也会不断拆开生成二氧化氮。宏观颜色稳定，是两种相反变化“抵消”后的结果。

图中的球表示原子组成和可逆转化，不用于判断精确键级。

先把“能反着走”说准确

看到双向箭头，很容易把它理解成“先向右反应，过一阵再向左反应”。这恰好错过了关键：可逆反应的正、逆反应在相同条件下能够同时进行。

所谓正反应，只是约定把方程式从左写到右的方向；从右写到左就是逆反应。对上面的体系来说，两个方向分别是：

和

一开始若只充入 $\text{NO}_2$，正反应有“原料”，逆反应暂时几乎没有“原料”。随着 $\text{N}_2\text{O}_4$ 生成，逆反应便有机会发生。于是从某一时刻起，两个方向并行：一边有 $\text{NO}_2$ 合成 ，另一边也有 分解回 。

把它想成一座双向步行桥会更直观：起初右行的人多、左行的人少；右岸的人逐渐多起来，左行的人也变多。最终不是桥上没人走，而是单位时间内过桥的两股人流一样多，岸上的人数才不再改变。

可逆反应的定义里有两把“钥匙”，少一把都不能开门：

1. 相同条件：温度、压强、催化条件等要对应同一反应体系。
2. 同时进行：不是把两个条件不同的单向反应硬凑在一起。

例如，$\text{H}_2$ 和 $\text{Cl}_2$ 在点燃条件下生成氯化氢；另行改变条件后，氯化氢才可能发生分解。两段叙述方向相反，但这些信息没有证明两个方向能在相同条件下同时进行，因此不能仅凭这两段叙述判定可逆性。相反，工业接触法中的反应常写作：

在给定的温度、压强和催化条件下，生成 $\text{SO}_3$ 与 $\text{SO}_3$ 分解这两个方向可以同时发生，因此是可逆反应。

颜色稳定，为什么却是“动态”的？

回到玻璃管。你现在可以自己回答老师的追问了：管中两种气体共存，说明正、逆反应都具备了发生条件。开始时，正反应速率较大；随着 $\text{NO}_2$ 减少，正反应渐慢。与此同时，$\text{N}_2\text{O}_4$ 增多，逆反应渐快。直到两个速率相等，体系就达到化学平衡。

在一定条件下的可逆反应中，当正反应速率等于逆反应速率，反应混合物中各组分的浓度保持不变，这一状态叫作化学平衡状态。它必须同时读成两句话：

• 微观上，两个方向都没有停，且速率相等；
• 宏观上，各物质的浓度、颜色等由组成决定的性质不再随时间改变。

“相等”指的是正、逆反应的速率相等，不是 $\text{NO}_2$ 与 $\text{N}_2\text{O}_4$ 的浓度相等，也不是它们的物质的量相等。一个是“每秒变化多少”的比较，另一个是“容器里现在有多少”的比较，不能混为一谈。

为什么需要密闭或近似封闭的体系？想象玻璃管没有塞好，$\text{NO}_2$ 不断逸出。即使内部两个反应方向仍可能发生，物质还在被带走，组成就难以稳定，不能形成这里讨论的稳定平衡。要观察到平衡，既要是可逆反应，也要让反应物和生成物留在同一个体系中，并保持外界条件不变。

用现象判断：什么能作证，什么只是“看起来没变”？

平衡像一场仍在进行的拔河，不能只凭“静止”二字下结论。证据必须抓住随反应进行本应变化、到平衡后却不再变化的量。

对于 $2\text{NO}_2(g)\rightleftharpoons\text{N}_2\text{O}_4(g)$，密闭恒温恒容容器中红棕色不再变化，说明 $\text{NO}_2$ 的浓度不再变，可作为达到平衡的证据。因为该反应前后气体总物质的量会改变，若恒温恒容时压强不再改变，也可作为证据。

但有些“恒定”从开始就恒定，不能拿来判断。例如在恒容密闭容器中，气体总质量不管反应进行到哪里都不变，所以气体密度也始终不变；它对是否达到平衡没有提示作用。判断题的好习惯是先问一句：这个量在反应没有平衡时会不会随反应进度改变？ 若本来就不变，它就不是证据。

可逆不等于“正好走一半”

玻璃管最后仍有颜色，给出另一个重要结论：可逆反应通常有进行限度。反应物不会因为“等待足够久”就必然全部变成生成物；达到平衡后，再单纯延长时间，组成不再继续改变。反应物和生成物共存，正是逆反应不断把一部分生成物“送回去”的结果。

这里有个很实用的分辨：反应能进行到什么程度，与反应进行得多快不是同一问题。催化剂通常能同时加快正、逆反应，使体系更快到达平衡；它并不因此把平衡时所有反应物都“催没”。至于平衡组成具体偏向哪一边，要结合后续的平衡常数和条件变化分析，不能只凭“有催化剂”下结论。

把“能作证”和“本来就不变”并排比较，能让判断更可靠。对本章恒温恒容密闭体系中的 $2\text{NO}_2(g)\rightleftharpoons\text{N}_2\text{O}_4(g)$ 而言，颜色或总压强稳定有信息量；总质量、容器体积和密度却没有。做题时不妨先在草稿上写下“反应进行时它会变吗”，这比背一长串结论更不容易出错。

从“不能进行到底”到三段式

当题目给出某一物质在平衡时的量，我们常要把“变化了多少”翻译成各组分的量。最稳妥的语言是三段式：起始量 → 变化量 → 平衡量。变化量的比例必须由化学方程式的计量数决定，而不是凭物质名称猜。

例如在密闭容器中：

起始加入 $4.00\ \text{mol}$ $\text{SO}_2$ 和 $2.00\ \text{mol}$ $\text{O}_2$，未加入 ${\text{SO}}_{}$。平衡时测得 为 。先别急着除以起始量： 是谁的变化量？它是 的生成量。由方程式可知，生成 时消耗 和 ，因此这里消耗 、 。

例题：把“动态”翻译成可判断的条件

在恒温恒容的密闭容器中，只充入 $\text{NO}_2$，发生 $2\text{NO}_2(g)\rightleftharpoons\text{N}_2\text{O}_4(g)$。反应进行一段时间后，观察到气体颜色不再改变。请说明这说明了什么；能否据此说“反应停止”？

练习：先作答，再打开解析

第 4 题｜判断条件

下列两组描述中，哪一组可写成同一个可逆反应？说明理由。

（甲）$\text{H}_2$ 与 $\text{Cl}_2$ 点燃生成 $\text{HCl}$；另行改变条件后设法使 $\text{HCl}$ 发生分解。

（乙）在给定温度、压强和催化条件下，$2\text{SO}_2(g)+\text{O}_2(g)$ 生成 $2\text{SO}_3(g)$，同时 也发生逆向转化。

第 5 题｜哪些量能作证？

恒温恒容密闭容器中发生 $2\text{NO}_2(g)\rightleftharpoons\text{N}_2\text{O}_4(g)$。下列“保持不变”的量中，能说明体系已达到化学平衡的是哪一项？

A. 容器中气体总质量

B. 容器中气体密度

C. 容器内气体压强

D. 容器体积

第 6 题｜三段式与转化率

在 $2\text{SO}_2(g)+\text{O}_2(g)\rightleftharpoons2\text{SO}_3(g)$ 的密闭体系中，起始有 、 ，没有 。平衡时 为 。

（1）填写三种气体的平衡物质的量。

（2）求 $\text{SO}_2$、$\text{O}_2$ 的转化率，并解释为什么本题两者相同。

本章带走的四句话

1. 可逆反应必须满足：在相同条件下，正、逆反应能同时进行。
2. 平衡时 $v_{\text{正}}=v_{\text{逆}}$，两个方向都没有停。
3. 宏观上的浓度、颜色或压强“不再改变”，并不意味着各物质彼此相等，更不意味着反应停止。
4. 三段式先根据计量数确定变化量，再计算转化率；不要把某一道题的巧合当成普遍规律。

两者相同是因为起始投料比 $\text{SO}_2:\text{O}_2=2:1$ 与计量数比 $2:1$ 相同，反应消耗的比例和起始量比例一致。