可逆反应

向盛有碘化钾溶液的试管中滴入几滴氯水，溶液立刻变成棕黄色，这是氯气把碘离子氧化成了碘单质。紧接着，向这支试管中加入还原剂亚硫酸钠，棕黄色又褪去了——碘单质被重新还原成了碘离子。在一个密闭容器中，二氧化氮气体（红棕色）和四氧化二氮气体（无色）可以相互转化，混合气体的颜色在一定条件下稳定在某个深浅之间，不再变化。这些现象说明，有些化学反应并非“一条路走到头”，正着能发生，逆着同样能发生，这就是可逆反应的核心。

什么是可逆反应

在相同条件下，既能向正反应方向进行，又能同时向逆反应方向进行的化学反应，称为可逆反应。

这里有两个关键词：“相同条件”和“同时”。正向反应和逆向反应必须在同一条件下同时进行，才能称为可逆反应，而不是先发生一个，再人为改变条件触发另一个。

以工业合成氨为例，氮气和氢气在高温高压下反应生成氨气，这是正方向；而氨气在同样的高温高压条件下，也会分解回氮气和氢气，这是逆方向。两个方向同时发生，互相竞争，这正是可逆反应的典型表现。

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

化学方程式中使用的双向箭头“$\rightleftharpoons$”，正是可逆反应的专用符号。左右两个箭头分别代表正向和逆向两个方向的反应同时进行。

下面是几个典型的可逆反应及其方程式：

可逆反应与不可逆反应的区别

不是所有的化学反应都可逆。有一类反应，产物在相同条件下基本不会逆向生成反应物，这类反应称为不可逆反应（也叫单向反应）。

氢气在空气中点燃生成水：

$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{H}_2\text{O}$

常温下，水不会自发分解成氢气和氧气，所以这是不可逆反应，方程式中使用单向箭头“$\rightarrow$”。

再比如，碳酸钙高温分解：

$\text{CaCO}_3 \xrightarrow{\text{高温}} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$

在普通条件下，$\text{CaO}$ 和 $\text{CO}_2$ 不会重新合成 $\text{CaCO}_3$，因此这也是不可逆反应。

下表从多个角度对可逆反应和不可逆反应进行比较：

例题 1

判断以下各化学反应是否为可逆反应，并说明理由。

（1）$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{HCl}$，以及在高温下

（2）$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \underset{\Delta}{\overset{\text{V}_2\text{O}_5}{\rightleftharpoons}} 2\text{SO}_3$

（3）盐酸与烧碱溶液混合：$\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$

可逆反应的核心特征：反应物不能完全转化

可逆反应中，最重要的一个特征是：反应物不能完全转化为生成物。

原因很直接：正向反应在生成产物的同时，逆向反应也在把产物重新变回反应物。随着正向反应进行，产物浓度升高，逆向反应速率也随之增大；与此同时，反应物被消耗，浓度降低，正向反应速率逐渐减慢。

在工业合成氨中，即使使用了高温、高压和催化剂，实际上也只有约 $10\%\sim20\%$ 的氮气和氢气转化成了氨气，剩余的反应物并没有完全反应。工厂的解决方法是将未反应的氮气和氢气循环利用，不断重新送入反应器，从而提高原料的整体利用率。

下面这组数据展示了合成氨反应在不同温度和压强条件下，氨气的平衡产率（即氨气占混合气体的百分比），可以直观看出反应物始终无法完全转化：

从表中可以看出，无论条件如何改变，氨气的含量始终达不到 $100\%$，这正是可逆反应“反应物不能完全转化”这一特征的体现。

转化率的概念

既然可逆反应中反应物不能完全转化，就需要一个量来衡量转化的程度，这就是转化率（也叫转化百分数）。

转化率的定义是：某种反应物实际参与反应的物质的量，占其起始物质的量的百分比：

$\text{转化率} = \dfrac{\text{已转化的反应物物质的量}}{\text{反应物的起始物质的量}} \times 100\%$

转化率越高，说明反应物转化得越多；转化率等于 $100\%$，意味着该反应物已完全反应（不可逆反应在理想情况下才可能达到）。对于可逆反应，转化率总是小于 $100\%$。

例题 2

在密闭容器中，向 $1.00\ \text{mol}$ 的 $\text{N}_2$ 和 $3.00\ \text{mol}$ 的 $\text{H}_2$ 混合气体中通入催化剂，反应一段时间后，测得容器中氨气的物质的量为 $$。

（1）计算此时 $\text{N}_2$ 的转化率。

（2）计算此时 $\text{H}_2$ 的转化率。

（3）判断两种反应物的转化率是否相同，并说明原因。

区分“完全反应”与“可逆反应”的判断方法

在实际分析化学问题时，经常需要判断某个反应是否为可逆反应，以及是否能完全转化。下面给出一套清晰的判断步骤：

第一步，看化学方程式中使用的是什么符号。双向箭头“$\rightleftharpoons$”代表可逆反应，单向箭头“$\rightarrow$”或等号代表不可逆反应（或完全反应）。

第二步，看反应物能否在相同条件下同时向两个方向进行。若只是换了条件才能逆向，则不是可逆反应。

第三步，对于可逆反应，反应物的转化率一定小于 $100\%$；对于不可逆反应，反应物在足量时可以完全转化。

例题 3

在密闭容器中加热碘化氢（$\text{HI}$），发生如下反应：

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

起始时加入纯净 $\text{HI}$ 气体 $2.00\ \text{mol}$，在某温度下反应达到平衡时，测得 $\text{H}_2$ 的物质的量为 $0.50\ \text{mol}$。

（1）计算平衡时各组分的物质的量。

（2）计算 $\text{HI}$ 的转化率。

（3）说明为什么该体系中 $\text{HI}$ 不能完全分解。

正反应与逆反应的速率变化规律

在可逆反应的进行过程中，正反应速率和逆反应速率并非始终不变。以密闭容器中 $2\text{NO}_2 \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4$ 为例，起始时只有 $\text{NO}_2$， 浓度为零。

起始阶段：$\text{NO}_2$ 浓度最大，正反应速率最快；$\text{N}_2\text{O}_4$ 浓度为零，逆反应速率为零。

随时间推移：$\text{NO}_2$ 被消耗，浓度下降，正反应速率减慢；$\text{N}_2\text{O}_4$ 不断生成，浓度升高，逆反应速率逐渐加快。

最终状态：正反应速率和逆反应速率相等，各组分浓度不再变化，体系达到“化学平衡”。

“动态平衡”是可逆反应区别于不可逆反应最重要的特征。表面上看，各物质的浓度好像静止了，实际上微观层面正反应和逆反应从未停止，只是速率相同、相互抵消，所以宏观上看不到变化。关于化学平衡的详细内容，将在后续继续展开。

练习题

选择题

第 1 题【知识点：可逆反应的判断】

下列反应中，属于可逆反应的是：

A. $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{HCl}$，加热时

B. $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \underset{\Delta}{\overset{\text{V}_2\text{O}_5}{\rightleftharpoons}} 2\text{SO}_3$

C. 电解水：$2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{通电}} 2\text{H}_2\uparrow + \text{O}_2\uparrow$

D. $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$

第 2 题【知识点：可逆反应中反应物不能完全转化】

在密闭容器中发生可逆反应 $\text{A}(g) + \text{B}(g) \rightleftharpoons 2\text{C}(g)$，下列说法正确的是：

A. 反应达到平衡时，A 和 B 已经完全转化为 C

B. 可逆反应最终会停止，即正反应和逆反应都不再进行

C. 达到平衡时，容器中 A、B、C 三种物质同时存在

D. 可逆反应中，增大 A 的用量，A 的转化率一定升高

第 3 题【知识点：可逆反应的符号与转化率】

关于可逆反应 $2\text{HI}(g) \rightleftharpoons \text{H}_2(g) + \text{I}_2(g)$，下列叙述正确的是：

A. HI 的转化率可以达到 $100\%$

B. 该反应正向进行时，逆反应不发生

C. 在密闭容器中，最终 HI、$\text{H}_2$、$\text{I}_2$ 三种物质共存

D. 只要延长反应时间，HI 的转化率就能不断升高，趋近 $100\%$

第 4 题【知识点：正逆反应速率变化规律】

在密闭容器中，向 $\text{N}_2$ 和 $\text{H}_2$ 的混合气体中加入催化剂，发生反应 $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$。关于反应初期到平衡过程中速率变化的描述，正确的是：

A. 正反应速率从零开始逐渐增大，逆反应速率从最大值开始逐渐减小

B. 正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，最终两者相等

C. 正反应速率和逆反应速率始终相等

D. 反应一开始，正逆反应速率都为零，然后同时增大

计算题

第 5 题【知识点：三段式分析与转化率计算】

在密闭容器中，将 $4.00\ \text{mol}\ \text{SO}_2$ 和 $2.00\ \text{mol}\ \text{O}_2$ 混合，在催化剂和加热条件下发生如下反应：

$2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(g)$

反应达到平衡后，测得 $\text{SO}_3$ 的物质的量为 $1.60\ \text{mol}$。

（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。

（2）计算 $\text{SO}_2$ 的转化率。

（3）计算 $\text{O}_2$ 的转化率，并与 $\text{SO}_2$ 的转化率比较，说明不同的原因。

第 6 题【知识点：可逆反应转化率的综合计算】

在温度为 $T$ 的密闭容器中，充入 $1.00\ \text{mol}\ \text{N}_2$ 和 $3.00\ \text{mol}\ \text{H}_2$，发生反应：

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

达到平衡后，测得 $\text{N}_2$ 的转化率为 $25\%$。

（1）计算 $\text{N}_2$、$\text{H}_2$ 实际消耗的物质的量。

（2）计算平衡时 $\text{NH}_3$ 的物质的量。

（3）计算平衡时容器中气体总物质的量。

（4）计算 $\text{H}_2$ 的转化率，并与 $\text{N}_2$ 的转化率比较，说明两者是否相同及原因。

$\text{SO}_2$：$1.60\ \text{mol}$，$\text{O}_2$：$\dfrac{1}{2} \times 1.60 = 0.80\ \text{mol}$

（2）$\text{SO}_2$ 的转化率：

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

（3）$\text{O}_2$ 的转化率：

$\dfrac{0.80\ \text{mol}}{2.00\ \text{mol}} \times 100\% = 40\%$

$\text{SO}_2$ 和 $\text{O}_2$ 的转化率相同，均为 $40\%$。原因是起始投料比 $\text{SO}_2 : \text{O}_2 = 4.00 : 2.00 = 2 : 1$，恰好等于方程式中的化学计量数之比 $2 : 1$，因此两者被等比例消耗，转化率相同。

$n(\text{H}_2)_{\text{消耗}} = 3 \times 0.25 = 0.75\ \text{mol}$

（2）生成 $\text{NH}_3$ 的物质的量：

由计量数关系 $\text{N}_2 : \text{NH}_3 = 1 : 2$：

$n(\text{NH}_3) = 2 \times 0.25 = 0.50\ \text{mol}$

（3）三段式列表：

平衡时气体总物质的量：

$0.75 + 2.25 + 0.50 = 3.50\ \text{mol}$

（4）$\text{H}_2$ 的转化率：

$\dfrac{0.75\ \text{mol}}{3.00\ \text{mol}} \times 100\% = 25\%$

$\text{H}_2$ 的转化率也是 $25\%$，与 $\text{N}_2$ 相同。原因是起始投料比 $\text{N}_2 : \text{H}_2 = 1.00 : 3.00 = 1 : 3$，恰好等于化学计量数之比 $1 : 3$，因此两者消耗比例相同，转化率相等。